DE102016114563A1 - Apparatus and method for reforming a hydrocarbon - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs mit einem Reaktionsrohr zum Durchleiten des Kohlenwasserstoffs, einer innerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten, partikelförmigen Katalysatorschüttung und einer außerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten Befeuerungseinrichtung zur Aufheizen des Reaktionsrohrs, wobei innerhalb des Reaktionsrohrs mindestens ein Wärmeübertragungselement derart in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Reaktionsrohrs angeordnet ist, dass es sich von einer ersten Innenseite des Reaktionsrohrs zu einer gegenüberliegenden, zweiten Innenseite des Reaktionsrohrs erstreckt.The present invention relates to a device for reforming a hydrocarbon having a reaction tube for passing the hydrocarbon, a particulate catalyst bed arranged inside the reaction tube and a firing device arranged outside the reaction tube for heating the reaction tube, wherein at least one heat transfer element is transverse in one direction within the reaction tube is arranged to a longitudinal axis of the reaction tube, that it extends from a first inner side of the reaction tube to an opposite, second inner side of the reaction tube.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs mit einem Reaktionsrohr zum Durchleiten des Kohlenwasserstoffs, einer innerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten, partikelförmigen Katalysatorschüttung und einer außerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten Befeuerungseinrichtung zur Aufheizen des Reaktionsrohrs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs, wobei der Kohlenwasserstoff durch ein Reaktionsrohr geleitet wird, innerhalb dessen eine partikelförmige Katalysatorschüttung angeordnet ist, und wobei das Reaktionsrohr durch eine außerhalb des Reaktionsrohrs angeordnete Befeuerungseinrichtung aufgeheizt wird.The present invention relates to a device for reforming a hydrocarbon with a reaction tube for passing the hydrocarbon, a particulate catalyst bed arranged inside the reaction tube and a firing device arranged outside the reaction tube for heating the reaction tube. Furthermore, the invention relates to a method for reforming a hydrocarbon, wherein the hydrocarbon is passed through a reaction tube, within which a particulate catalyst bed is arranged, and wherein the reaction tube is heated by a firing device arranged outside the reaction tube.
Derartige Vorrichtungen werden auch als Dampf-Reformer bezeichnet und umfassen typischerweise mehrere Reaktionsrohre, in welchen ein katalytischer Umsatz der Kohlenwasserstoffe in ein Produkt erfolgt. In solchen Vorrichtungen können gasförmige Kohlenwasserstoffe beispielsweise unter Zugabe von Dampf katalytisch zu Synthesegas, also zu Mischungen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, umgesetzt werden. Ferner ist es in derartigen Vorrichtungen möglich, Propan unter Bildung eines an Propylen und Wasserstoff angereicherten Produktstroms umzusetzen. Such devices are also referred to as steam reformers and typically include multiple reaction tubes in which catalytic conversion of the hydrocarbons into a product occurs. In such devices, gaseous hydrocarbons, for example, with the addition of steam can be catalytically converted to synthesis gas, ie to mixtures of hydrogen and carbon monoxide. Further, in such devices, it is possible to react propane to form a propylene and hydrogen-enriched product stream.
In den Reaktionsrohren der Vorrichtung wird eine partikelförmige Katalysatorschüttung angeordnet, welche von dem Kohlenwasserstoff durchströmt wird. Da die Reaktionen endotherm verlaufen, werden die Reaktionsrohre von außen durch eine Befeuerungseinrichtung erhitzt. Die von der Befeuerungseinrichtung bereitgestellte Wärme wird über die Wand des Reaktionsrohrs an die Katalysatorschüttung übertragen. Dabei hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass sich innerhalb der Katalysatorschüttung sowohl in axialer als auch radialer Richtung eine ungleichmäßige Temperaturverteilung einstellt. Diese kann dazu führen, dass unerwünschte Nebenreaktionen ablaufen. In the reaction tubes of the device, a particulate catalyst bed is arranged, which is traversed by the hydrocarbon. Since the reactions are endothermic, the reaction tubes are heated from the outside by a firing device. The heat provided by the firing device is transferred to the catalyst bed via the wall of the reaction tube. It has proved to be disadvantageous that sets an uneven temperature distribution within the catalyst bed both in the axial and radial directions. This can lead to unwanted side reactions.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass unerwünschte Nebenreaktionen in den Reaktionsrohren auftreten.The object of the present invention is to reduce the likelihood that undesirable side reactions will occur in the reaction tubes.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs mit einem Reaktionsrohr zum Durchleiten des Kohlenwasserstoffs, einer innerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten, partikelförmigen Katalysatorschüttung und einer außerhalb des Reaktionsrohrs angeordneten Befeuerungseinrichtung zum Aufheizen des Reaktionsrohrs, wobei innerhalb des Reaktionsrohrs mindestens ein Wärmeübertragungselement derart in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Reaktionsrohrs angeordnet ist, dass es sich von einer ersten Innenseite des Reaktionsrohrs zu einer gegenüberliegenden, zweiten Innenseite des Reaktionsrohrs erstreckt.The object is achieved by a device for reforming a hydrocarbon with a reaction tube for passing the hydrocarbon, a arranged inside the reaction tube, particulate catalyst bed and arranged outside the reaction tube firing device for heating the reaction tube, wherein within the reaction tube at least one heat transfer element so in one direction is arranged transversely to a longitudinal axis of the reaction tube, that it extends from a first inner side of the reaction tube to an opposite, second inner side of the reaction tube.
Durch das innerhalb des Reaktionsrohrs angeordnete Wärmeübertragungselement kann die Wärme, welche von der Befeuerungseinrichtung von außen auf das Reaktionsrohr übertragen wird, in das Innere des Reaktionsrohrs geleitet werden. Da sich das Wärmeübertragungselement von einer ersten Innenseite des Reaktionsrohrs zu einer gegenüberliegenden, zweiten Innenseite des Reaktionsrohrs erstreckt, kann der Wärmetransport in das Innere des Reaktionsrohrs von zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Reaktionsrohrs aus erfolgen. Insofern wird die Wärmeübertragung auf die im Inneren des Reaktionsrohrs angeordnete Katalysatorschüttung und/oder den durch das Reaktionsrohr strömenden Kohlenwasserstoff gefördert. In einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Kohlenwasserstoffs kann in dem Reaktionsrohr ein Temperaturverlauf erreicht werden, welcher gegenüber einem bekannten Reaktionsrohr ohne Wärmeübertragungselemente geringere Schwankungen aufweist. Durch die homogenisierte Temperaturverteilung kann das Auftreten unerwünschter Nebenreaktionen reduziert werden. By means of the heat transfer element arranged inside the reaction tube, the heat, which is transmitted from the firing device from the outside to the reaction tube, can be conducted into the interior of the reaction tube. Since the heat transfer element extends from a first inner side of the reaction tube to an opposite, second inner side of the reaction tube, the heat transfer into the interior of the reaction tube can take place from two opposite sides of the reaction tube. In this respect, the heat transfer is promoted to the arranged inside the reaction tube catalyst bed and / or flowing through the reaction tube hydrocarbon. In a direction perpendicular to the flow direction of the hydrocarbon, a temperature profile can be achieved in the reaction tube, which has lower fluctuations compared to a known reaction tube without heat transfer elements. Due to the homogenized temperature distribution, the occurrence of undesirable side reactions can be reduced.
Bevorzugt weist das Reaktionsrohr einen runden Querschnitt auf. Alternativ kann das Reaktionsrohr einen ovalen, dreieckigen, viereckigen oder mehreckigen Querschnitt aufweisen. Das Reaktionsrohr kann aus einem Metall, beispielsweise einem Stahl, gebildet sein. Das Wärmeübertragungselement ist bevorzugt aus demselben Material ausgebildet wie das Reaktionsrohr, beispielweise aus einem Stahl. Besonders bevorzugt ist das Wärmeübertragungselement mit dem Reaktionsrohr fest verbunden, insbesondere verschweißt, so dass ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem Reaktionsrohr und dem Wärmeübertragungselement erreicht werden kann. The reaction tube preferably has a round cross section. Alternatively, the reaction tube may have an oval, triangular, quadrangular or polygonal cross-section. The reaction tube may be formed of a metal, for example a steel. The heat transfer element is preferably formed of the same material as the reaction tube, for example of a steel. Particularly preferably, the heat transfer element is firmly connected to the reaction tube, in particular welded, so that the best possible heat transfer between the reaction tube and the heat transfer element can be achieved.
Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise mehrere Reaktionsrohre, so dass ein Reaktionsdurchsatz ermöglicht werden kann, der einem Vielfachen eines einzelnen Reaktionsrohrs entspricht. Die mehreren Reaktionsrohre können mittels derselben Befeuerungseinrichtung erhitzt werden. Bevorzugt ist es, wenn mehrere Befeuerungsvorrichtungen vorgesehen sind, um das einzelne Reaktionsrohr oder die mehreren Reaktionsrohre zu erhitzen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Befeuerungseinrichtungen in einer Brennerkammer der Vorrichtung angeordnet, wobei die Reaktionsrohre durch die Brennerkammer verlaufen. Hierbei steht das Innere der Reaktionsrohre bevorzugt nicht im Gasaustausch mit der Brennerkammer. The device advantageously comprises a plurality of reaction tubes, so that a reaction throughput can be made possible, which corresponds to a multiple of a single reaction tube. The plurality of reaction tubes can be heated by the same firing device. It is preferable if a plurality of firing devices are provided to heat the single reaction tube or the plurality of reaction tubes. In an advantageous embodiment, several firing devices in a burner chamber of Device arranged, wherein the reaction tubes extend through the burner chamber. Here, the interior of the reaction tubes is preferably not in gas exchange with the burner chamber.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und sollen nachfolgend erläutert werden. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and will be explained below.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Wärmeübertragungselement als Platte ausgebildet ist, wobei eine Haupterstreckungsebene der Platte senkrecht zu der Längsachse des Reaktionsrohrs angeordnet ist und wobei die Platte mindestens eine Öffnung zur Durchleitung der Strömung aufweist. Durch die plattenförmige Ausgestaltung des Wärmeübertagungselements kann ein verbesserter Wärmetransport von außerhalb des Reaktionsrohrs in das Innere des Reaktionsrohrs ermöglicht werden. Die Platte weist mindestens eine, bevorzugt mehrere, Öffnungen auf, durch welche der gasförmige Kohlenwasserstoff hindurch geleitet werden kann. Die Öffnungen können einen runden, ovalen, eckigen oder kreisbogensegmentförmigen Querschnitt haben. An advantageous embodiment provides that the heat transfer element is formed as a plate, wherein a main extension plane of the plate is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the reaction tube and wherein the plate has at least one opening for passage of the flow. Due to the plate-shaped configuration of the heat transfer element, an improved heat transfer from outside the reaction tube into the interior of the reaction tube can be made possible. The plate has at least one, preferably a plurality, openings through which the gaseous hydrocarbon can be passed. The openings may have a round, oval, angular or circular arc segment-shaped cross-section.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Öffnung zur Innenwand des Reaktionsrohrs einen Abstand aufweist, der kleiner ist als ein Abstand der Öffnung zu einer Mittelachse des Reaktionsrohrs. Insofern ist die Öffnung in einem Randbereich des als Platte ausgebildeten Wärmeübertragungselements angeordnet. Hierdurch können nahe der Innenseite des Reaktionsrohrs Turbulenzen des gasförmigen Kohlenwasserstoffs gebildet werden. Aufgrund der Turbulenzen wird die Zeit, die für einen Wärmeübergang von dem Reaktionsrohr auf den gasförmigen Kohlenwasserstoff bereitsteht, erhöht. Dies trägt dazu bei, dass mehr Wärme von dem Reaktionsrohr auf den Kohlenwasserstoff übertragen werden kann. Bevorzugt sind mehrere Öffnungen im Randbereich der Platte angeordnet, beispielsweise auf einer Kreisbahn, so dass an mehrere Stellen des Randbereichs der Platte, bevorzugt im gesamten Randbereich der Platte, Turbulenzen erzeugt werden.In this context, it has been found to be particularly advantageous if the opening to the inner wall of the reaction tube has a distance which is smaller than a distance of the opening to a central axis of the reaction tube. In this respect, the opening is arranged in an edge region of the plate formed as a heat transfer element. As a result, turbulence of the gaseous hydrocarbon can be formed near the inside of the reaction tube. Due to the turbulence, the time available for heat transfer from the reaction tube to the gaseous hydrocarbon is increased. This helps to transfer more heat from the reaction tube to the hydrocarbon. Preferably, a plurality of openings in the edge region of the plate are arranged, for example on a circular path, so that at several points of the edge region of the plate, preferably in the entire edge region of the plate, turbulence are generated.
Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wärmeübertragungselement als Netz ausgebildet, so dass sich das Wärmeübertragungselement verformen kann, um sich an die Katalysatorschüttung anzupassen. According to an alternative, advantageous embodiment, the heat transfer element is designed as a network, so that the heat transfer element can deform in order to adapt to the catalyst bed.
Eine weitere alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Wärmetransportelement als Draht ausgebildet ist. Bevorzugt sind in dem Reaktionsrohr mehrere Drähte angeordnet. A further alternative, advantageous embodiment provides that the heat transport element is designed as a wire. Preferably, a plurality of wires are arranged in the reaction tube.
Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher das Wärmetransportelement einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist. Das Wärmetransportelement kann zwei sich kreuzende Streben aufweisen, die sich jeweils von einer Innenseite des Reaktionsrohrs zu einer gegenüberliegenden Innenseite des Reaktionsrohrs erstrecken. Durch die kreuzförmige Ausgestaltung kann die Stabilität des Reaktionsrohrs und/oder des Wärmetransportelements erhöht werden. An embodiment has proved to be advantageous in which the heat transport element has a cross-shaped cross section. The heat transfer member may have two intersecting struts each extending from an inner side of the reaction tube to an opposite inner side of the reaction tube. By the cross-shaped configuration, the stability of the reaction tube and / or the heat transfer element can be increased.
Vorteilhaft ist es, wenn sich das Wärmeübertragungselement in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Reaktionsrohrs erstreckt, wodurch ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeübertragungselement und der Katalysatorschüttung ermöglicht werden kann. Die Temperaturverteilung innerhalb der Katalysatorschüttung kann folglich auch in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Reaktionsrohrs homogenisiert werden. Zudem kann der Wärmeübergang von dem Wärmetransportelement auf die Reaktionsgase verbessert werden. Mit dem Wärmetransportelement kann daher Wärme sowohl in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Reaktionsrohrs als auch in einer Richtung parallel zu der Längsachse transportiert werden. It is advantageous if the heat transfer element extends in a direction parallel to the longitudinal axis of the reaction tube, whereby an increased heat exchange between the heat transfer element and the catalyst bed can be made possible. The temperature distribution within the catalyst bed can consequently also be homogenized in a direction parallel to the longitudinal axis of the reaction tube. In addition, the heat transfer from the heat transfer element to the reaction gases can be improved. With the heat transport element, therefore, heat can be transported both in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the reaction tube and in a direction parallel to the longitudinal axis.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungselement innerhalb der Katalysatorschüttung angeordnet ist, so dass ein unmittelbarer Übergang der Wärme von dem Wärmetransportelement auf die Katalysatorschüttung, insbesondere die einzelnen Partikel der Katalysatorschüttung, ermöglicht wird. Bevorzugt ist das Wärmeübertragungselement vollständig von der Katalysatorschüttung umschlossen. Furthermore, it is advantageous if the heat transfer element is arranged within the catalyst bed so that a direct transfer of heat from the heat transfer element to the catalyst bed, in particular the individual particles of the catalyst bed, is made possible. Preferably, the heat transfer element is completely enclosed by the catalyst bed.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass innerhalb der Katalysatorschüttung ein partikelförmiges Wärmeleitmaterial angeordnet ist, wobei das partikelförmige Wärmeleitmaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Katalysatorschüttung aufweist. Beispielsweise kann die Wärmeleitzahl des Wärmeleitmaterials größer sein als die Wärmeleitzahl des Materials der Katalysatorschüttung. A preferred embodiment provides that a particulate heat-conducting material is arranged within the catalyst bed, wherein the particulate heat-conducting material has a higher thermal conductivity than the catalyst bed. For example, the thermal conductivity of the Wärmeleitmaterials be greater than the thermal conductivity of the material of the catalyst bed.
Vorteilhaft ist es, wenn in dem Reaktionsrohr mehrere Wärmeübertragungselemente angeordnet sind, so dass an mehreren Stellen in dem Reaktionsrohr der Wärmeübergang zwischen dem Reaktionsrohr und der Katalysatorschüttung erhöht wird. Die mehreren Wärmeübertragungselemente sind bevorzugt innerhalb der Katalysatorschüttung angeordnet. It is advantageous if a plurality of heat transfer elements are arranged in the reaction tube, so that at several points in the reaction tube, the heat transfer between the reaction tube and the catalyst bed is increased. The plurality of heat transfer elements are preferably arranged within the catalyst bed.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe trägt ferner ein Verfahren zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs bei, wobei der Kohlenwasserstoff durch ein Reaktionsrohr geleitet wird, innerhalb dessen eine partikelförmige Katalysatorschüttung angeordnet ist, wobei das Reaktionsrohr durch eine außerhalb des Reaktionsrohrs angeordnete Befeuerungseinrichtung aufgeheizt wird, und wobei innerhalb des Reaktionsrohrs mindestens ein Wärmeübertragungselement derart angeordnet ist, dass sich von einer ersten Seite der Innenwand des Reaktionsrohrs zu einer gegenüberliegenden Seite der Innenwand erstreckt. To solve the object mentioned above also contributes to a method for reforming a hydrocarbon, wherein the hydrocarbon is passed through a reaction tube, within which a particulate catalyst bed is arranged, wherein the reaction tube is heated by an outside of the reaction tube firing device, and wherein within the Reaction tube at least one Heat transfer element is arranged such that extends from a first side of the inner wall of the reaction tube to an opposite side of the inner wall.
Bei dem Verfahren können dieselbe Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden.In the method, the same advantages can be achieved as have already been described in connection with the device.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken. Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the drawings, as well as from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. The drawings illustrate only exemplary embodiments of the invention, which do not limit the inventive concept.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.
In der
Die Reaktionsrohre
Innerhalb der Reaktionsrohre
In
Bei dem im oberen Bereich der
Bei dem im unteren Bereich der
Die Wärmeübertragungselemente
In der
Die
In der
Die vorstehend beschriebenen Reaktionsrohre
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung zum Reformieren eines Kohlenwasserstoffs Device for reforming a hydrocarbon
- 22
- Reaktionsrohr reaction tube
- 33
- Katalysatorschüttung catalyst bed
- 44
- Befeuerungseinrichtung firing device
- 55
- Brennerkammer burner chamber
- 66
- Eingangssammelrohr Input manifold
- 77
- Ausgangssammelrohr Output manifold
- 1010
- Wärmeübertragungselement Heat transfer element
- 1111
- Öffnung opening
- 1313
- Wärmeleitmaterial thermal interface material
- MM
- Mittelachse central axis
- LL
- Längsachse longitudinal axis
- Querschnittsrichtung Cross-sectional direction
- TT
- Turbulenz turbulence
Claims (11)
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DE102016114563A1 true DE102016114563A1 (en) | 2018-02-08 |
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DE102016114563.7A Ceased DE102016114563A1 (en) | 2016-08-05 | 2016-08-05 | Apparatus and method for reforming a hydrocarbon |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: KUTZENBERGER WOLFF & PARTNER PATENTANWALTSPART, DE |
|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |