DE102014011274A1 - Plate-shaped heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen plattenförmiger Wärmetauscher für den Einsatz innerhalb eines auf einem ersten Druckniveau druckbeständigen Druckbehälters eines Reaktors, insbesondere Methanisierungsreaktors, in welchem ein wenigstens zwei Gasbestandteile aufweisendes Eduktgas chemisch in Anwesenheit eines Katalysators zu einem Komponenten beider Gasbestandteile aufweisenden Produktgas reagiert, mit einer auf einem zweiten Druckniveau von bevorzugt einem Überdruck, weiterbevorzugt von 2 bar oder höher, insbesondere 40 bar oder höher druckbeständigen Außenhülle, über die eine thermische Kopplung zwischen einem innerhalb der Außenhülle strömenden Wärmeträger und der chemischen Reaktion geschaffen ist, und einem innerhalb der Außenhülle von einem Eingang zu einem ersten Ausgang verlaufenden ersten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung wenigstens ein Mengenanteil des Wärmeträgers aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden ersten Wärmeaustausches seinen Aggregatszustand ändert, und mit einem innerhalb der Außenhülle verlaufenden, näher am ersten Ausgang als am Eingang gelegenen und in einen vom ersten Ausgang abweichenden zweiten Ausgang mündenden zweiten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung der Wärmeträger aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden, gegenüber dem ersten Wärmeaustausch geringeren zweiten Wärmeaustausch seine Temperatur ändert.The invention relates to a plate-shaped heat exchanger for use within a at a first pressure level pressure-resistant pressure vessel of a reactor, in particular Methanisierungsreaktors in which reacts at least two gas constituents educt gas reacts chemically in the presence of a catalyst to a component of both gas constituents product gas, with a on a second Pressure level of preferably an overpressure, more preferably of 2 bar or higher, in particular 40 bar or higher pressure-resistant outer shell over which a thermal coupling between a flowing inside the outer shell heat transfer medium and the chemical reaction is provided, and within the outer shell of an input to a the first output extending first flow path, in the flow through at least a proportion of the heat carrier due to a taking place via the thermal coupling first heat exchange its A ggregatszustand changes, and with a running within the outer shell, located closer to the first output than at the entrance and opening into a second output deviating from the second output second flow, in the flow through the heat carrier due to a take place via the thermal coupling, compared to the first heat exchange lower second heat exchange changes its temperature.
Description
Die Erfindung betrifft einen plattenförmigen Wärmetauscher für den Einsatz innerhalb eines auf einem ersten Druckniveau druckbeständigen Druckbehälters eines Reaktors, insbesondere Methanisierungsreaktors, in welchem ein wenigstens zwei Gasbestandteile aufweisendes Eduktgas chemisch in Anwesenheit eines Katalysators zu einem Komponenten beider Gasbestandteile aufweisenden Produktgas reagiert, mit einer auf einem zweiten Druckniveau von insbesondere 40 bar oder höher druckbeständigen Außenhülle, über die eine thermische Kopplung zwischen einem innerhalb der Außenhülle strömenden Wärmeträger und der chemischen Reaktion geschaffen ist, einem innerhalb der Außenhülle von einem Eingang zu einem ersten Ausgang verlaufenden ersten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung wenigstens ein Mengenanteil des Wärmeträgers aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden ersten Wärmeaustausches seinen Aggregatszustand ändert, eine Wärmetauscheranordnung mit wenigstens einem solchen Wärmetauscher sowie einem eine solche Wärmetauscheranordnung aufweisenden Reaktor, insbesondere Methanisierungsreaktor, wie auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reaktors.The invention relates to a plate-shaped heat exchanger for use within a at a first pressure level pressure-resistant pressure vessel of a reactor, in particular Methanisierungsreaktors in which reacts at least two gas constituents educt gas reacts chemically in the presence of a catalyst to a component of both gas constituents product gas, with a second on a Pressure level of in particular 40 bar or higher pressure-resistant outer shell over which a thermal coupling between a flowing inside the outer shell heat transfer medium and the chemical reaction is created, within the outer shell of an input to a first output extending first flow path, in the flow through at least a proportion the heat carrier changes its state of aggregation due to a first heat exchange via the thermal coupling, a heat exchanger arrangement with at least one Such a heat exchanger and such a heat exchanger arrangement having a reactor, in particular methanization, as well as a method for operating such a reactor.
Derartige gattungsgemäße plattenförmige Wärmetauscher sind in der Technik gut bekannt. Beispielsweise sind mehrere solcher Platten im Inneren eines Methanisierungsreaktors angeordnet, wobei Strömungswege für die Gase der Methanisierungsreaktion in den Zwischenräumen zwischen den Platten gebildet sind, in denen sich auch die Katalysatorschüttung befindet. Dabei nimmt ein beispielsweise im Gegenstrom innerhalb der Wärmetauscherplatten strömendes Wärmeträgermedium die bei der exothermen Methanisierung anfallende Wärme auf und kühlt die Reaktion bevorzugt in einer Weise, dass sich ein Temperaturgefälle von einem Hot-Spot Bereich nahe eines Eingangsbereichs der Eduktgase der Reaktion hin zum Ausgang des für die Produktgase des Reaktors ergibt, um eine möglichst effiziente Umwandlungsrate zu erhalten.Such generic plate-shaped heat exchangers are well known in the art. For example, a plurality of such plates are arranged inside a methanation reactor, wherein flow paths for the gases of the methanation reaction are formed in the spaces between the plates in which the catalyst bed is located. In this case, for example, a countercurrently flowing within the heat exchanger plates heat transfer medium takes on the heat generated during the exothermic methanation and cools the reaction preferably in such a way that a temperature gradient of a hot spot area near an input range of the educt gases of the reaction towards the output of the gives the product gases of the reactor in order to obtain the most efficient conversion rate possible.
Wird als Wärmeträgermedium H2O verwendet, insbesondere in einem unter Überdruck stehenden Kühlkreis, wird mit einem Großteil der aufgenommenen Wärme ein Übergang flüssig zu gasförmig eines Teils des Mediums erreicht, so dass an dem Ausgang des Plattenreaktors ein Gemisch aus Wasser und Wasserdampf austritt. Dieses kann dann in einer nachgeschalteten Dampftrommel in die Bestandteile Wasser und Wasserdampf getrennt werden, wobei zugleich ein Teil des Wasserdampfes aus dem Kühlkreis ausgekoppelt wird und durch frisches Kesselspeisewasser ersetzt wird.Is used as a heat transfer medium H 2 O, especially in a pressurized refrigeration cycle, a transition liquid to gaseous part of the medium is achieved with a large part of the heat absorbed, so that at the outlet of the plate reactor, a mixture of water and water vapor exits. This can then be separated in a downstream steam drum in the components of water and water vapor, at the same time a part of the water vapor is decoupled from the cooling circuit and is replaced by fresh boiler feed water.
Weitere Details zur katalytischen Methanisierung sind beispielsweise in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine Auskoppelbarkeit des Wärmeträgermediums aus einem Wärmeaustauschkreislauf zu verbessern.The invention has for its object to improve a heat exchanger of the type mentioned in terms of a decoupling of the heat transfer medium from a heat exchange cycle.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art erreicht, die im wesentlichen gekennzeichnet ist durch einen innerhalb der Außenhülle verlaufenden, näher am ersten Ausgang als am Eingang gelegenen und in einen vom ersten Ausgang abweichenden zweiten Ausgang mündenden zweiten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung der Wärmeträger aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden, gegenüber dem ersten Wärmeaustausch geringeren zweiten Wärmeaustausch seine Temperatur ändert.This object is achieved by the invention by a development of a heat exchanger of the type mentioned, which is characterized by a running within the outer shell, closer to the first output than at the entrance and opening into a deviating from the first output second outlet second flow path, in the flow through the heat transfer medium due to a taking place via the thermal coupling, compared to the first heat exchange lower second heat exchange changes its temperature.
Der erfindungsgemäße plattenförmige Wärmetauscher eröffnet somit die Möglichkeit, noch innerhalb des Wärmetauschers einen Anteil des Wärmeträgers in überhitzter gasförmiger Form bereitzustellen und über den zweiten Ausgang zu entkoppeln, ohne dass das Wärmeträgermedium nach Austritt aus dem zweiten Ausgang noch in eine Dampftrommel überführt werden müsste. Dies führt zu einer Erhöhung der Dauerhaftigkeit von an den zweiten Ausgang nachfolgenden Rohrleitungen und Apparaten, da eine Flüssigkeitsbildung aufgrund des vorliegenden überhitzten gasförmigen Wärmeträgermediums vermieden wird, im Gegensatz zu dem Fall eines beispielsweise Sattdampfaustritts. Wenn es sich bei dem zugrundeliegenden Kreislauf um einen Wasser-Dampf-Kreislauf handelt, kann ein Hauptanteil der Wärme im Wege des Durchlaufens des ersten Strömungsweges aufgenommen werden. Parallel dazu kann im zweiten Strömungsweg eine Temperierung des Wärmeträgermediums/Kühlmediums erfolgen.The plate-shaped heat exchanger according to the invention thus opens up the possibility of still providing a portion of the heat carrier in superheated gaseous form within the heat exchanger and decoupling via the second output, without the heat transfer medium would have to be transferred after exiting the second output in a steam drum. This leads to an increase in the durability of subsequent to the second output pipes and apparatus, as a liquid formation is avoided due to the present superheated gaseous heat transfer medium, in contrast to the case of a saturated steam outlet, for example. When the underlying cycle is a water-steam cycle, a major portion of the heat may be absorbed by passing through the first flow path. Parallel to this, a temperature control of the heat transfer medium / cooling medium can take place in the second flow path.
Während insoweit eine Anwendung für exotherme Reaktionen bevorzugt wird, ist auch ein Einsatz in umgekehrten endothermen Reaktionen denkbar. In diesem Fall wird mit den zusätzlichen Wärmetauscherflächen eine zusätzliche Wärmequelle zur Einkopplung von Verbrauchswärme bereitgestellt. Bei endothermen Reaktionen ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Strömungsrichtung des Heizmediums (z. B. Dampf/Wasser/überhitzter Dampf) nur in Richtung Schwerkraft möglich ist, woraus sich eine Umkehrung der Strömungsrichtung ergibt.While in this respect an application for exothermic reactions is preferred, use in reverse endothermic reactions is also conceivable. In this case, an additional heat source is provided with the additional heat exchanger surfaces for coupling consumption heat. In endothermic reactions, however, it should be noted that the direction of flow of the heating medium (eg steam / water / superheated steam) is only possible in the direction of gravity, resulting in a reversal of the direction of flow.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Strömungsweg aus dem ersten Strömungsweg abzweigt. Somit strömt das Wärmeträgermedium zunächst durch den gleichen Eingang bis zu einer Weiche, ab dem ein Teil des Wärmeträgermediums auf dem ersten Strömungsweg weiterströmt, wogegen ein anderer Teil entlang des zweiten Strömungsweges strömt. In a particularly preferred embodiment it is provided that the second flow path branches off from the first flow path. Thus, the heat transfer medium first flows through the same entrance to a switch, from which a part of the heat transfer medium continues to flow on the first flow path, whereas another part flows along the second flow path.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Ausdrücke „Eingang”, „Ausgang” und „Strömungswege” durchaus so zu verstehen sind, dass der Eingang/Ausgang körperlich aus mehreren Öffnungen bestehen kann, wie auch die Strömungswege mehrere „Parallel”-Äste aufweisen können.In this context, it should be noted that the terms "input", "output" and "flow paths" are to be understood as meaning that the entrance / exit may physically consist of several openings, as well as the flow paths have several "parallel" branches can.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet die Abzweigung und/oder der zweite Strömungsweg ein einen Druckabfall bewirkendes Strömungshindernis. Aufgrund des Strömungshindernisses kommt es für das den zweiten Strömungsweg beschreitenden Wärmeträgermediums zu einem Druckabfall und damit zu einer Siede. punktserniedrigung, wodurch ein den zweiten Strömungsweg beschreitendes Wärmeträgermedium als Flüssigkeits-Gasgemisch einen sehr raschen vollständigen Übergang in den gasförmigen Zustand erfährt.In a particularly preferred embodiment, the branch and / or the second flow path forms a flow obstacle causing a pressure drop. Due to the flow obstacle, a pressure drop occurs for the heat transfer medium passing through the second flow path and thus to a boiling point. Point depression, whereby a heat transfer medium which traverses the second flow path undergoes a very rapid complete transition into the gaseous state as liquid-gas mixture.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis des Strömungsquerschnitts des zweiten Strömungsweges zu dem des ersten Strömungsweges nahe dem ersten Ausgang kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4 und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/9, insbesondere größer 1/7.It is preferably provided that the ratio of the flow cross-section of the second flow path to that of the first flow path near the first exit is less than 2/3, preferably less than 3/7, in particular less than 1/4 and in particular greater than 1/19 , preferably greater than 1/9, in particular greater 1/7.
Auf diese Weise wird erreicht, dass ein überwiegender Anteil des Wärmeträgermediums weiterhin den ersten Strömungsweg beschreitet, und somit die globale gewünschte Temperaturlenkung im Reaktor nicht unangemessen eingeschränkt wird.In this way it is achieved that a predominant portion of the heat transfer medium continues to follow the first flow path, and thus the global desired temperature control in the reactor is not unduly limited.
So kann bei typischen Verfahrensparametern der katalytischen Methanisierung beispielsweise am ersten Ausgang das Wärmeträgermedium als ein Flüssigkeits-/Gasgemisch im Verhältnis von ca. 4/1 austreten, beispielsweise ein Wasser/Wasserdampfgemisch, wogegen gesättigter Dampf in den zweiten Strömungsweg eintritt, dort aber umgehend in einen überhitzten Dampf umgewandelt wird und als solcher durch den zweiten Ausgang austritt. Mit einer ausgetauschten Wärmemenge von 1 kWh können dabei ca. 2,27 kg Wasser bei 273,8°C und 59 bare verdampft werden.Thus, in the case of typical process parameters of catalytic methanation, for example at the first outlet, the heat transfer medium can emerge as a liquid / gas mixture in the ratio of about 4/1, for example a water / steam mixture, whereas saturated steam enters the second flow path, but there immediately into one superheated steam is converted and as such exits through the second exit. With an exchanged amount of heat of 1 kWh, it is possible to vaporize approx. 2.27 kg of water at 273.8 ° C and 59 bar.
Zudem ist abhängig von der Entnahmemenge des überhitzten Dampfes trotz der möglichen diesbezüglichen großen Spannweite erreichbar, dass sich am Ort des zweiten Strömungsweges kein lokaler Hot Spot bildet, da umliegende Bereiche des ersten Strömungsweges überschüssige Reaktionswärme auch dann aus dem System entkoppeln können, wenn der Volumenstrom auf dem zweiten Strömungsweg gedrosselt oder gar gestoppt wird. Tatsächlich bleiben die Hot Spot Bereiche, die unter üblichen Verfahrensbedingungen bei einer katalytischen Methanisierung auftreten, dabei nahezu unbeeinflusst.In addition, depending on the removal amount of the superheated steam despite the possible relevant span span achievable that no local hot spot forms at the location of the second flow path, since surrounding areas of the first flow path can also decouple excess heat of reaction from the system when the flow on throttled or even stopped the second flow path. In fact, the hot spot areas that occur under normal process conditions in catalytic methanation remain virtually unaffected.
In diesem Zusammenhang ist auch bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis der Strömungsweglänge des zweiten Strömungsweges zu der zwischen dem Eingang und der Abzweigung liegenden Strömungsweglänge kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4, und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/14, insbesondere größer als 1/9.In this context, it is also preferably provided that the ratio of the flow path length of the second flow path to the flow path length lying between the inlet and the branch is less than 2/3, preferably less than 3/7, in particular less than 1/4, and in particular greater is greater than 1/19, preferably greater than 1/14, in particular greater than 1/9.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das gesamte Wärmeträgermedium für einen überwiegenden Strömungsweg zunächst gemeinsam im Wege des ersten Wärmeaustausches wirken, also ein nach Erreichen der Siedetemperatur zunehmender Anteil des Wärmeträgerfluids von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht, wogegen die Abzweigung erst zu einem späteren Punkt erfolgt, aber dennoch eine zur Sicherstellung des vollständigen Phasenübergangs und des zweiten Wärmeaustausches ausreichende Strömungsweglänge verbleibt.In this way it is achieved that the entire heat transfer medium for a predominant flow path initially act together in the way of the first heat exchange, so after reaching the boiling temperature increasing proportion of the heat transfer fluid from the liquid to the gaseous phase passes, whereas the branch only to a later point takes place, but still sufficient to ensure the complete phase transition and the second heat exchange flow path length remains.
Es kann vorgesehen werden, dass der zweite Strömungsweg mäanderförmig ist, oder jedenfalls nach Bewertungskriterien der Mäanderform eine höhere Wertungszahl besitzt als der erste Strömungsweg nach der Abzweigung. Auch auf diese Weise kann gegenüber dem restlichen Verlauf des ersten Strömungsweges ein Strömungshindernis gegeben sein, der den zur Siedepunktserniedrigung führenden Druckabfall bewirkt.It can be provided that the second flow path is meandering, or at least according to evaluation criteria of the meandering shape has a higher score than the first flow path after the diversion. Also in this way can be given to the remaining course of the first flow path, a flow obstacle, which causes the leading to the boiling point reduction pressure drop.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform muss sich dagegen die Strömungswegform des zweiten Strömungsweges nicht besonders von der des verbleibenden Strömungsweges nach der Abzweigung unterscheiden. So kann das Strömungshindernis auch durch körperliche Störflächen im Strömungsweg erreicht werden, beispielsweise ein Gitter, oder ein Metallfilz, der als Steuerschwamm wirkt. Letztlich kann ein relativer Druckverlust von 1% oder auch weniger ausreichend sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Bei Druckbereichen von mehr als 40 bar, bevorzugt mehr als 60 bar, insbesondere im Bereich zwischen 70 und 80 bar könnte der Druckverlust beispielsweise bei 1 bar +–0,4 bar liegen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass eine vorgegebene Entnahme beispielsweise überhitzten Wasserdampfs auch dann erfolgen soll, wenn ein Reaktor in Teil-Last betrieben wird, also mit nicht mehr als 80%, auch nicht mehr als 70%, insbesondere nicht mehr als 60% seiner Maximal-Leistung.In a particularly preferred embodiment, on the other hand, the flow path shape of the second flow path need not differ particularly from that of the remaining flow path after the branch. Thus, the flow obstruction can also be achieved by physical interference surfaces in the flow path, such as a grid, or a metal felt, which acts as a control sponge. Ultimately, a relative pressure loss of 1% or less may be sufficient to achieve the desired effect. At pressure ranges of more than 40 bar, preferably more than 60 bar, in particular in the range between 70 and 80 bar, the pressure loss could for example be 1 bar + -0.4 bar. In this context, it should be considered that a predetermined removal of, for example, superheated steam should also take place when a reactor is operated in partial load, ie with not more than 80%, not even more than 70%, in particular not more than 60% of its maximum power.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Wärmetauscherplatten können diese nach einem Verfahren hergestellt sein, das sich als Druckaufblasen zweier an ihren Rändern verbundener Platten beispielsweise aus rostfreiem Stahl beschreiben lässt, wobei die Platten auch an Zwischenpunkten beispielsweise durch Punktschweißen verbunden sind, wodurch sich durch das Aufblasen ein Thermoblech in Form einer Art „Luftmatratzenform” bildet. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt vorgesehen, dass auch die Struktur des ersten und zweiten Strömungsweges über die Art der Verbindung der Platten vor dem Druckaufblasen vorgegeben wird. Insbesondere wird es bevorzugt, dass das Strömungshindernis durch ein Gitter gebildet ist, welches beispielsweise durch Punktschweißungen der beiden Platten vor deren Druckaufblasen definiert ist.In this context, it is preferably provided that the structure of the first and second flow paths on the type of connection of the plates before the pressure inflation is given. In particular, it is preferred that the flow obstruction is formed by a grid which is defined, for example, by spot welding the two plates prior to their pressure inflation.
Eine Begrenzung zwischen dem zweiten Strömungsweg und dem weiteren Abschnitt des ersten Strömungsweges nach der Abzweigung kann somit ebenfalls durch Punktschweißungen im Vorfeld hergestellt werden, die deutlich engmaschiger sind, so dass in diesem Bereich ein Zwischenraum der Platten beim Druckaufblasen nicht entstehen wird. Im Bereich des Gitters ist der Abstand der Punktschweißungen dagegen ausreichend groß, so dass sich die Platten beim Druckaufblasen zwischen zwei benachbarten Punktschweißungen nach außen verformen können und somit einen Zugang zum zweiten Strömungsweg schaffen.A boundary between the second flow path and the further section of the first flow path after the branch can thus also be prepared by spot welding in advance, which are much closer meshed, so that in this area a gap between the plates during pressure inflation will not arise. On the other hand, in the region of the grid, the distance of the spot welds is sufficiently large that the plates can deform outward during pressure inflation between two adjacent spot welds and thus provide access to the second flow path.
Die die thermische Kopplung zum zweiten Strömungsweg bildenden Flächen stellen somit Überhitzerheizflächen dar. Insoweit offenbart die Erfindung als allgemeinst schutzwürdig einen plattenförmigen Wärmetauscher, insbesondere in Form eines Thermoblechs mit einer integrierten Überhitzerheizfläche.The surfaces forming the thermal coupling to the second flow path thus represent superheater heating surfaces. In that regard, the invention, as the most general protection-worthy, discloses a plate-shaped heat exchanger, in particular in the form of a thermo sheet with an integrated superheater heating surface.
Desweiteren unter Schutz gestellt ist auch eine Wärmetauscheranordnung mit wenigstens einem, insbesondere einer Mehrzahl von plattenförmigen Wärmetauschern gemäß einem der vorgenannten Aspekte, sowie ein mit einer solchen Wärmetauscheranordnung ausgestatteter Reaktor, insbesondere Methanisierungsreaktor. In letzterem können die Wärmetauscherplatten wie üblich beispielsweise auf einem Gitter abgestützt beabstandet angeordnet werden, und der Zwischenraum zwischen den Platten die Katalysatorschüttung aufweisen.Furthermore, a heat exchanger arrangement with at least one, in particular a plurality of plate-shaped heat exchangers according to one of the aforementioned aspects, as well as a reactor equipped with such a heat exchanger arrangement, in particular a methanization reactor, are also protected. In the latter, the heat exchanger plates can be arranged as usual supported, for example, on a grid spaced, and the gap between the plates have the catalyst bed.
In einer bevorzugten Gestaltung des Reaktors ist ein Kühlsystem vorgesehen, das an den wenigstens einen Eingang und die wenigstens zwei Ausgänge der wenigstens einen Wärmetauscherplatte angeschlossen ist. Das Kühlsystem kann insbesondere eine Dampftrommel aufweisen, bevorzugt angekoppelt an den wenigstens einen Eingang und den ersten Ausgang.In a preferred embodiment of the reactor, a cooling system is provided, which is connected to the at least one input and the at least two outputs of the at least one heat exchanger plate. The cooling system may in particular have a steam drum, preferably coupled to the at least one input and the first output.
Zudem wird bevorzugt vorgesehen, dass bei dem Reaktor das Kühlsystem Wärmeträgermaterial auskoppelt, insbesondere in Form überhitzten Wasserdampfs über den zweiten Ausgang.In addition, it is preferably provided that in the reactor, the cooling system decouples heat transfer material, in particular in the form of superheated steam via the second output.
Dementsprechend wird als Wärmeträgermedium bevorzugt H2O eingesetzt, obwohl die Erfindung nicht auf diese spezielle Art des Wärmeträgermediums/Kühlmediums eingeschränkt ist und andere Wärmeträgermedien oder -mischungen davon eingesetzt werden können. Für das bevorzugte Methanisierungsverfahren sollten im Phasendiagramm des Wärmeträgermediums Siedepunktsbereiche (druckabhängig) im Temperaturintervall zwischen 200 und 400°C, bevorzugt zwischen 200 und 300°C erreichbar sein.Accordingly, it is preferred as a heat transfer medium H 2 O used although the invention is not limited to this particular type of heat transfer medium / cooling medium and other heat transfer media or mixtures thereof can be used. For the preferred methanation process boiling point ranges (pressure-dependent) in the temperature range between 200 and 400 ° C, preferably between 200 and 300 ° C should be achievable in the phase diagram of the heat transfer medium.
Der über den zweiten Ausgang austretende Volumenstrom des Wärmeträgermediums ist bei dem Reaktor bevorzugt über eine Durchfluss-Steuerung einstellbar, insbesondere über eine Regelung. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich denkbar, den Druck in der Dampftrommel zu überwachen und zunächst darüber einen Naturumlauf zu regeln. In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung keine besonderen Einschränkungen vor, so ist insbesondere auch denkbar, dass zusätzlich eine Wärmeträgermediumsauskopplung über die Dampftrommel erfolgt. Wie oben bereits erläutert, ist die Entnahmemenge über den zweiten Ausgang in großen Spannweiten einstellbar, und durch entsprechende Ventilanordnungen steuerbar. Dabei kann es auch zu einer längeren Aufenthaltsdauer von Wärmeträgermedium im zweiten Strömungsweg kommen. Aufgrund des fortlaufend weiteren Wärmeeintrags wird bei den vorliegenden Drücken von beispielsweise 40 bar oder mehr sichergestellt, dass das Wärmeträgermedium nicht wieder unter den Siedepunkt zurückfällt und somit nicht kondensiert, bzw. im Falle des Wasserdampfs nicht in Richtung des Nassdampfgebietes kommt.The volume flow of the heat transfer medium exiting via the second outlet can preferably be adjusted in the reactor via a flow control, in particular via a control. However, it is alternatively or additionally conceivable to monitor the pressure in the steam drum and initially to control a natural circulation. In this context, the invention provides no special restrictions, it is also conceivable, in particular, for a heat carrier medium to be decoupled via the steam drum. As already explained above, the removal amount via the second output in large spans is adjustable, and controlled by appropriate valve arrangements. This can also lead to a longer residence time of heat transfer medium in the second flow path. Due to the continuous further heat input is ensured at the present pressures, for example, 40 bar or more that the heat transfer medium does not fall back below the boiling point and thus does not condense, or in the case of water vapor does not come in the direction of the wet steam area.
Aus Sicht einer durch die Wärmetauscherplatte strömenden Menge an Wärmetauschermedium kommt es erfindungsgemäß bevorzugt somit dazu, dass ein Anteil des in den Eingang eingeführten Wärmeträgermediums nach einmaligem Durchlaufen des Wärmetauschers aus dem Wärmekreis ausgekoppelt wird, ohne nach dem Durchlauf nochmals die Dampftrommel zu durchlaufen. Dieser Aspekt wird von der Erfindung ebenfalls als eigenständig schutzwürdig offenbart. Die Erfindung betrifft somit ebenfalls einen Reaktor mit einem innerhalb des Reaktors angeordneten Wärmetauscherplatten aufweisenden Kühlsystems, mit einem von wenigstens einem Teil des Wärmeträgermediums des Kühlsystems durchströmbaren Strömungsweg von einer Dampftrommel zu einem Platteneingang im flüssigen Zustand, einem eine vollständige Umwandlung in die gasförmige Phase bewirkenden Strömungsweg durch die Wärmetauscherplatte und einem Auskoppelweg nach Austritt aus der Wärmetauscherplatte aus dem Kreislauf ohne erneutes Durchströmen der Dampftrommel.From the point of view of an amount of heat exchanger medium flowing through the heat exchanger plate, according to the invention, it is preferred that a portion of the heat transfer medium introduced into the inlet be decoupled from the heat circuit after a single pass through the heat exchanger, without passing through the steam drum once again. This aspect is also considered by the invention as independently disclosed worthy of protection. The invention thus also relates to a reactor having a heat exchanger plates arranged within the reactor cooling system, with a flowable from at least a portion of the heat transfer medium of the cooling system flow path from a steam drum to a plate inlet in the liquid state, a complete conversion into the gaseous phase causing flow the heat exchanger plate and a Auskoppelweg after exiting the heat exchanger plate from the circulation without re-flow of the steam drum.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors nach einem der oben erläuterten Aspekte, bei dem man im Reaktor eine chemische Reaktion ablaufen lässt, diese mittels eines Wärmeträgers beeinflusst, insbesondere kühlt, und den Wärmeträger zu unterschiedlichen Ausgängen der Wärmetauscherplatte strömen lässt. Im Falle endothermer chemischer Reaktionen dreht sich das Verhältnis Ausgang/Eingang um.In terms of process technology, the invention is achieved by a method for operating a reactor according to one of the above-described aspects, in which a chemical reaction takes place in the reactor, influenced by means of a heat carrier, in particular cools, and the heat carrier flow to different outputs of the heat exchanger plate leaves. In the case of endothermic chemical reactions, the ratio output / input turns around.
Desweiteren ist in verfahrenstechnischer Hinsicht insbesondere vorgesehen, dass man einen Wärmeträger, insbesondere H2O durch die plattenförmigen Wärmetauscher leitet, um insbesondere aus einer im Reaktor stattfindenden katalytischen Reaktion entstehende Reaktionswärme aufzunehmen, wobei man insbesondere den über den zweiten Strömungsweg geleiteten Volumenstrom in Abhängigkeit vorgegebener Kriterien einstellt, insbesondere einer gewünschten Wärmeträgermaterialauskopplung.Furthermore, it is provided in procedural terms in particular that one passes a heat transfer medium, in particular H 2 O through the plate-shaped heat exchanger to receive in particular from a catalytic reaction occurring in the reactor reaction heat, wherein in particular the guided over the second flow rate in accordance with predetermined criteria adjusts, in particular a desired heat carrier material decoupling.
Bevorzugt werden dabei Verfahrensparameter der im Reaktor ablaufenden Reaktion so aufeinander abgestimmt, dass der Wärmeträgerstrom des zweiten Strömungsweges aufgrund des Strömungshindernisses einen Druckabfall von wenigstens 0,5%, bevorzugt wenigstens 0,8%, insbesondere wenigstens 1% erfährt. Bei einem Druck im Kreislauf von größenordnungsmäßig zwischen 50 und 80 bar reicht somit ein Druckabfall von weniger als 1 bar insbesondere im Vorlastbetrieb durchaus aus. Insbesondere sollte der geometrisch bedingte Druckabfall 20% nicht überschreiten, insbesondere 10% nicht überschreiten.Process parameters of the reaction taking place in the reactor are preferably coordinated so that the heat transfer stream of the second flow path experiences a pressure drop of at least 0.5%, preferably at least 0.8%, in particular at least 1%, due to the flow obstacle. At a pressure in the circuit of the order of magnitude between 50 and 80 bar thus a pressure drop of less than 1 bar is sufficient, especially in pre-load operation. In particular, the geometrically induced pressure drop should not exceed 20%, in particular not exceed 10%.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen der erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauscher und des erfindungsgemäßen Reaktors.The advantages of the method according to the invention will become apparent from the above-mentioned advantages of the plate-shaped heat exchanger according to the invention and the reactor according to the invention.
Desweiteren ist in verfahrenstechnischer Hinsicht als erfindungsgemäß schutzwürdig angesehen die Herstellung eines plattenförmigen Wärmetauschers nach einem der vorgenannten Aspekte, bei dem man eine Begrenzung des zweiten Strömungsweges über Verbindungen zweier an ihren Rändern verbundenen Platten definiert und den ersten wie auch den zweiten Strömungsweg durch Schaffung eines Zwischenraumes zwischen den Platten mittels Druckaufblasen erzeugt.Furthermore, from a procedural point of view, the production of a plate-shaped heat exchanger according to one of the aforementioned aspects, in which one defines a boundary of the second flow path via connections of two connected at their edges plates and the first and the second flow path by creating a gap between the plates produced by pressure inflation.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, von denenFurther features, details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the accompanying figures, of which
Die in
Im Bereich des in
Die Weiche
Aufgrund des Druckverlustes verändert sich der Siedepunkt des Wärmeträgermediums (P-T-Diagramm), so dass es zu einer raschen Umwandlung des Sattdampfs in Heißdampf kommt, und durch die integrierte Überhitzerheizfläche
Nicht in
Der den ersten Strömungsweg
Die in
Die Erfindung ist nicht auf die in der Beschreibung mit Bezug auf die Figuren dargestellten Merkmale eingeschränkt. Vielmehr können Merkmale der nachfolgenden Ansprüche wie auch der obigen Beschreibung einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The invention is not limited to the features illustrated in the description with reference to the figures. Rather, features of the following claims as well as the above description, individually and in combination, may be essential to the practice of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2011/076315 A2 [0004] WO 2011/076315 A2 [0004]
- DE 102014015055 [0004] DE 102014015055 [0004]
- EP 0995491 B1 [0020] EP 0995491 B1 [0020]
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