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Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor, umfassend ein Reaktorgehäuse, in dem Mittel zur Wärmeabfuhr aus dem Reaktorgehäuse vorgesehen sind.
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Wirbelschichtreaktoren dienen insbesondere der großtechnischen Umsetzung respektive Durchführung chemischer Reaktionen. Bei darin stattfindenden chemischen Reaktionen mit starker Wärmetönung (katalytisch oder nicht-katalytisch) können unerwünschte Temperaturerhöhungen, oder, analog, bei endothermen Reaktionen entsprechende Temperaturerniedrigungen auftreten. Aus diesem Grund ist bei der technischen Umsetzung solcher chemischen Umwandlungen in einem Wirbelschichtreaktor eine gute Temperaturkontrolle und eine entsprechende Temperaturregelung notwendig, um die sich ergebende Reaktionstemperatur einstellen zu können. Zum einen muss der Wirbelschicht Wärme entzogen werden (oder bei endothermen Reaktionen zugeführt werden), zum zweiten muss die übertragene Wärmemenge aus Prozessgründen regelbar sein.
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Zumeist treten exotherme Reaktionen auf, das heißt, dass ein Wärmetransport aus dem Wirbelschichtreaktor respektive dem Reaktorgehäuse erforderlich ist. Eine Möglichkeit zur Temperaturregelung ist, dem Reaktor kaltes Eduktgas zuzuführen, wodurch die Wärmefreisetzung kompensiert werden kann. Die Temperatur des Eduktgases kann die Reaktionstemperatur im Reaktor beeinflussen. Zumeist jedoch behilft man sich mit dem Einbau eines Wärmeabfuhrmittels in das Reaktorgehäuse, wozu Wärmeübertrager in Form von Rohren oder Platten verwendet werden. Ein Wärmeträgermedium nimmt die Reaktionswärme auf. In solchen Wärmeübertragern kann auch ein Phasenwechsel stattfinden, z. B., indem als Wärmeträgermedium Wasser verwendet wird, das darin direkt verdampft. Die Temperatur der Reaktionszone wird dann über den Durchfluss und die Temperaturerhöhung des Wärmeträgermediums geregelt. Diese Art der Temperaturregelung ist jedoch nicht hinreichend genau.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Wirbelschichtreaktor anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Wirbelschichtreaktor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Mittel zur Wärmeabfuhr ein oder mehrere Wärmerohre in das Reaktorgehäuse geführt sind, über die die Temperatur im Reaktorgehäuse regelbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor findet der Wärmetransport durch Wärmerohre, häufig auch „Heatpipes“ genannt, statt, die in das Reaktorgehäuse respektive die Wirbelschicht eingebracht sind. Ein solches Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, das heißt, auf kleiner Querschnittsfläche ist es möglich, große Wärmemengen zu transportieren. Ein Wärmerohr definiert ein in der Regel rohrförmiges gekapseltes Volumen, in dem ein Arbeitsmedium, z. B. Wasser, aufgenommen ist, das das Volumen zu einem bestimmten, definierten Teil in flüssigem, zum in der Regel größeren Teil in dampfförmigem Zustand ausfüllt. Bei einem Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen, wodurch der Druck im Dampfraum lokal erhöht wird. Der entstandene Dampf strömt in Richtung eines Kondensors, wo er, da dort eine Wärmesenke gegeben ist, kondensiert. Hierüber wird die zuvor aufgenommene, zur Verdampfung führende Wärme wieder abgegeben. Der Wärmetransport wie auch der Transport des Arbeitsmediums vom heißen zum kalten Ende erfolgt dabei vorteilhafterweise ohne Umwälzmittel, das heißt, dass keine Pumpe oder dergleichen erforderlich ist. Die Vorgänge, die in einem solchen Wärmerohr stattfinden, sind äußerst exakt bekannt, sie können folglich sehr genau abgebildet werden, woraus eine sehr exakte Temperaturregelung resultiert. Es handelt sich infolge der kontinuierlichen Verdampfung und Kondensation innerhalb des Wärmerohres um eine nahezu isotherme Wärmeaufnahme, worüber eine homogene Temperaturverteilung in der Wirbelschicht erreicht werden kann.
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Derartige Wärmerohre können in unterschiedlicher Konfiguration hergestellt werden, sowohl was die Materialwahl als auch den Aufbau im Rohrinneren angeht, als auch betreffend das verwendete Arbeitsmedium. Je nach ablaufendem Vorgang im Wirbelschichtreaktor kann folglich auch ein entsprechendes, bestmöglich geeignetes Wärmerohr gewählt werden.
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Zur Temperaturregelung sind zwei grundsätzliche Möglichkeiten denkbar. Gemäß einer ersten Alternative sieht die Erfindung vor, zur Temperaturregelung die Eindringtiefe des oder der Wärmerohre in das Reaktorgehäuse zu variieren. Gemäß dieser Erfindungsalternative wird folglich das oder werden die Wärmerohre je nach Bedarf mehr oder weniger weit in das Reaktorgehäuse eingeführt. Hierüber wird die aktive, wärmeaufnehmende Fläche der Wärmerohre bzw. Heatpipes in der Reaktionszone verändert. Da der Wärmeübergang in die Wärmerohre abhängig vom Übertragungskoeffizienten und der Wärmeübertragungsfläche ist, kann durch Variation der Fläche bei konstantem Wärmeübertragungskoeffizienten der Wärmeentzug und damit die Temperatur in der Wirbelschicht geregelt werden. Die Wärmerohre sind über entsprechende, gasdichte Verbindungen in das Reaktorgehäuse eingeführt, durch welche sie längsverschoben werden können, so dass ihre effektive Länge, mit der sie in den Reaktor eintauchen, sehr exakt eingestellt werden kann.
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Dabei kann bevorzugt bei Verwendung mehrerer Wärmerohre jedes Wärmerohr separat in seiner Eindringtiefe verstellbar sein. Dies bietet die Möglichkeit, eine hochexakte Temperaturregelung vorzunehmen, wie auch ein Temperaturgradient im Reaktorgehäuse erzeugt werden kann, indem die einzelnen Wärmerohre unterschiedlich weit eingeschoben werden. Ein solcher Temperaturgradient kann mitunter vorteilhaft für die stattfindende Reaktion sein.
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Um das im Wärmerohr verdampfte Arbeitsmedium wieder zu kondensieren, ist das zweite, kalte Ende des oder der Wärmerohre in einem Siedekessel aufgenommen, in dem beispielsweise Wasser als Kühlflüssigkeit aufgenommen ist. Das Wasser nimmt vom Wärmerohrende abgegebene Wärme auf, worüber es zur Kondensation des im Wärmerohr verdampften Arbeitsmediums, beispielsweise ebenfalls Wasser, kommt. Das oder die Wärmerohre sind mit ihrem kalten Ende ebenfalls beweglich in dem Siedewasserkessel aufgenommen, das heißt, dass sie, wenn sie relativ zum Reaktorgehäuse bewegt werden, auch relativ zum feststehenden Siedekessel bewegt werden. Die Eindringtiefe im Siedekessel variiert folglich mit der Variation der Eindringtiefe im Reaktorgehäuse. Dies ist insoweit jedoch nicht nachteilig für den Kondensationsprozess, da der Wärmeaustausch im Siedekessel äußerst effizient ist und eine ausreichende Kondensation auch bei nur relativ geringer Eindringtiefe, mithin also kleiner Wärmeübertragungsfläche, möglich ist. Deshalb ist es ohne weiteres möglich, das oder die Wärmerohre auch weit in das Reaktorgehäuse einzuführen und folglich relativ weit aus dem Siedekessel herauszuziehen, ohne dass irgendwelche Einbußen in der Kondensationseffizienz zu verzeichnen sind.
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Zur Bewegung des oder der Wärmerohre kann jedwedes Stellmittel verwendet werden, das in der Lage ist, die Wärmerohre längs zu verschieben. Lediglich exemplarisch sind elektromotorisch, hydraulisch oder pneumatische Stellmittel genannt.
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Eine erfindungsgemäße zweite Regelalternative, die jedoch auch kumulativ mit der Regelung über eine Linearverschiebung der Wärmerohre vorgesehen sein kann, sieht vor, zur Temperaturregelung die Temperatur eines Wärmetauschermediums, das in dem Siedekessel, in dem das oder die Wärmerohre mit ihrem anderen, kalten Ende aufgenommen sind, und/oder den Druck in diesem Siedekessel zu verändern. Hierüber erfolgt also eine Beeinflussung des Temperaturniveaus auf der kalten, rückgekühlten Seite der Wärmerohre im Siedekessel. Durch die kältere Temperatur an der Wärmerohr-Außenseite sinkt auch der Druck und das Temperaturniveau innerhalb des Wärmerohrs. Dies verursacht dann eine größere treibende Temperaturdifferenz auf der Verdampferseite, was die Aufnahme einer größeren Wärmeleistung möglich macht. Durch die Temperatur der Rückkühlung kann so der Wärmeentzug und damit die Temperatur in der Wirbelschicht geregelt werden.
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Die Beeinflussung des Temperaturniveaus im Siedekessel kann entweder dadurch erfolgen, dass unmittelbar die Temperatur des Wärmetauschermediums beeinflusst wird, indem beispielsweise über einen Zulauf und einen Ablauf temperiertes Wärmetauschermedium eingebracht wird. Eine Temperaturregelung kann aber auch durch Variation des Drucks im Siedekessel, also der Drucksäule über dem fluiden Wärmetauschermedium, eingestellt werden. Im Siedekessel kommt es während der Rückkühlung, also der Kondensation, zu einem Verdampfen des Wärmetauschermediums, also beispielsweise des Wassers. Die Verdampfungstemperatur im Siedekessel kann dabei durch das Druckniveau beeinflusst werden. Bei einem höheren Innendruck findet die Verdampfung bei einer höheren Temperatur statt. Dadurch sinkt die treibende Temperaturdifferenz entlang der Wärmerohre und es kann folglich weniger Wärme aus dem Wirbelschichtreaktor transportiert werden. Eine Erhöhung des Drucks im Siedekessel führt daher zu einer Temperaturerhöhung in der Wirbelschicht. Auch hierüber kann folglich eine Temperaturregelung erfolgen. Natürlich können auch Heiz- oder Kühlmittel zur Temperierung im Reaktorinneren vorgesehen sein, z. B. Heizschlangen oder Kühlschlangen.
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Wie beschrieben ist es ohne weiteres denkbar, sowohl die erste Regelvariante umfassend die Linearverschiebung der Wärmerohre, als auch die zweite Regelvariante umfassend die Regelung des Temperaturniveaus im Siedekessel zu kombinieren.
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Neben dem Wirbelschichtreaktor betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem Wirbelschichtreaktor unter Verwendung eines oder mehrerer Wärmerohre, das oder die mit ihrem einen Ende in ein Reaktorgehäuse eindringen, und die mit ihrem anderen Ende in einen Siedekessel, in dem ein Wärmetauschermedium enthalten ist, eindringen, wobei zur Temperaturregelung die Eindringtiefe des oder der Wärmerohre variiert wird, und/oder die Temperatur des Wärmetauschermediums und/oder der Druck in dem Siedekessel variiert wird.
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Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik ist der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor wie auch das erfindungsgemäße Verfahren in mehrererlei Hinsicht vorteilhaft. Zum einen ist eine isotherme Wärmeaufnahme in der Wirbelschicht möglich, da durch die kontinuierliche Verdampfung und Kondensation innerhalb der Wärmerohre eine nahezu isotherme Wärmeaufnahme möglich ist. Hierüber ist eine homogene Temperaturverteilung in der Wirbelschicht erreichbar. Die Möglichkeit der Temperaturregelung im Wirbelschichtreaktor ist durch eine einfache Druckregelung des Siedekessels möglich. Auch kann ein Temperaturgradient in der Wirbelschicht eingestellt werden, wenn die Rohre unterschiedlich weit eingebracht werden. Darüber hinaus besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, über die Wärmerohre einen Wärmeeintrag in den Reaktor vorzunehmen. Dies könnte zum Anfahren des Wirbelschichtreaktors genutzt werden, oder um ihn warmzuhalten. Zur Durchführung der eigentlichen chemischen Reaktion kann sodann der Betrieb umgekehrt werden, das heißt, dass dann die Wärmerohre ihrer eigentlichen Funktion, nämlich der Temperaturabfuhr, dienen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors einer ersten Ausführungsform, und
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2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor 1, umfassend ein Reaktorgehäuse 2, in dem unter Verwendung einer nicht näher gezeigten Wirbelschicht respektive eines Wirbelbetts eine chemische Reaktion stattfindet. Hierzu wird ein Eduktgas 3 zugeführt und nach chemischer Reaktion ein Produktgas 4 abgezogen. Der grundsätzliche Aufbau eines Wirbelschichtreaktors ist allgemein bekannt, auch die unterschiedlichen Reaktor- bzw. Wirbelschichttypen, auf die es vorliegend jedoch nicht ankommt.
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Zur Regelung der Temperatur im Inneren des Reaktorgehäuses 2 sind mehrere Wärmerohre 5, die länglich-rohrförmig sind, vorgesehen. Diese Wärmerohre 5 sind mit ihrem einen Ende 6 im Inneren des Reaktorgehäuses 2 aufgenommen, befinden sich also in der Wirbelschicht. Sie sind über nicht näher gezeigte gasdichte Durchführungen 7 in das Reaktorgehäuse 2 geführt, innerhalb welcher gasdichten Durchführungen 7 sie auch längsbeweglich aufgenommen sind. Das andere Ende 8 der Wärmerohre 5 ist in einem Siedekessel 9 aufgenommen, in dem ein Wärmetauschermedium 10, z. B. eine Flüssigkeit wie Wasser, aufgenommen ist. Über ein hier nur exemplarisch gezeigtes Stellmittel 11, beispielsweise einen elektromotorischen oder hydraulischen Stellantrieb, sind die Wärmerohre 5 in Richtung des Doppelpfeils 12 längsverschiebbar. Das heißt, dass sie durch die gasdichten Durchführungen 7 einerseits im und aus dem Reaktorgehäuse 2 bewegt werden, wie sie durch entsprechende gasdichte Durchführungen 13 auch in und aus dem Siedekessel 9 bewegt werden können.
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Im Betrieb, wenn also in der Wirbelschicht die chemische exotherme Reaktion stattfindet, nehmen die Wärmerohre 5 im Bereich ihrer im Reaktorgehäuse 2 befindlichen Enden die Wärme auf, es kommt zu einer Verdampfung des im Inneren der Wärmerohre 5 befindlichen Wärmeträgermediums. Das verdampfte Medium wandert zum kälteren Ende 8, wo die Wärmerohre 5 Wärme an das Wärmetauschermedium 10 abgeben, das dabei in der Regel verdampft. Es kommt einerseits zur Rückkondensation des Wärmeträgermediums im Inneren der Wärmerohre 5, gleichzeitig aber auch zum Verdampfen des Wärmetauschermediums 10 im Siedekessel 9, das fluid wie durch den Pfeil 14 dargestellt zugeführt und dampfförmig, wie durch den Pfeil 15 dargestellt, abgezogen wird.
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Über das Stellmittel 11 ist es nun möglich, die Wärmerohre 5 entweder simultan und damit gemeinsam oder jeweils separat tiefer in das Reaktorgehäuse 2 zu bewegen oder weiter aus dem Reaktorgehäuse 2 herauszuziehen. Hierüber wird folglich die Größe der Wärmeübergangsfläche der Wärmerohre 5 im Inneren des Reaktorgehäuses 2 verändert. Je weiter sie eingeschoben werden, umso größer ist die Wärmeübergangsfläche, und umso mehr Wärme kann aufgenommen werden; je weiter sie herausgezogen werden, umso kleiner ist die Wärmeübergangsfläche, und umso weniger Wärmeübergang ist möglich.
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Es ist hierbei möglich, alle Wärmerohre 5, von denen natürlich beliebig viele vorgesehen sein können, stets simultan zu bewegen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, nur einige Wärmerohre zu bewegen, oder die Bewegung gruppenweise vorzunehmen, etc. Dies insbesondere, wenn wie beschrieben jedes Wärmerohr 5 separat bewegt werden kann. Hierüber ist es möglich, im Inneren des Reaktorgehäuses 2 auch einen Temperaturgradienten auszubilden.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Wirbelschichtreaktors 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Auch dieser Wirbelschichtreaktor 1 umfasst ein Reaktorgehäuse 2, dem ein Eduktgas 3 zugeführt und aus dem Produktgas 4 abgezogen wird. Vorgesehen sind wiederum mehrere Wärmerohre 5, die mit ihrem einen Ende 6 über gasdichte Durchführungen 7 in das Reaktorgehäuse 2 eingreifen, und die mit ihrem anderen Ende 8 in einem Siedekessel 9 enthaltend ein Wärmetauschermedium 10, beispielsweise Wasser, über gasdichte Durchführungen 13 aufgenommen sind. Hier erfolgt die Temperaturregelung jedoch nicht durch eine Linearverschiebung der Wärmerohre 5, sondern dadurch, dass das Temperaturniveau im Bereich der Wärmerohr-Rückkühlung, mithin also im Siedekessel 9, variiert wird. Die Druckregelung erfolgt über das Regelventil 17. Die Zufuhr von Wärmetauschermedium erfolgt über eine Pumpe 16, die auch bei wechselndem Druck im Siedekessel zu betreiben ist (z. B. Verdrängerprinzip). Fluides Wärmeträgermedium 10 wird auch hier wie durch den Pfeil 14 gezeigt zugeführt.
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Hierüber ist es auch möglich, das Temperaturniveau im Siedekessel 9 zu variieren, ohne dass es einer Druckregelung bedarf. Denn es ist möglich, entsprechend temperiertes Wärmetauschermedium in den Siedekessel 9 zu führen, mithin also mehr oder weniger kaltes Wasser, um hierüber das Temperaturniveau einzustellen.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, beide Ausführungsvarianten zu kombinieren. Das heißt, dass es ausgehend von der Ausgestaltung gemäß 1 auch dort möglich wäre, beispielsweise eine Pumpe 16 nebst Ventil 17 am Siedekessel 9 anzuordnen und hierüber den Kesselinnendruck zu variieren.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
