DE102016204840A1 - Temperature-optimized device for reactions of gaseous media and method for the thermal homogenization of a reaction region - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) für thermische Reaktionen von Fluiden, insbesondere gasförmigen Medien an Feststoffen, mit einem Einlass (11) für Prozessfluid (PG); einem Auslass (12) für das Prozessfluid; einem sich zwischen Ein- und Auslass in einer Längsrichtung (Lz) erstreckenden Reaktionsbereich (13) mit den Feststoffen; einer den Reaktionsbereich (13) be- oder umgrenzenden Wandung (16); wobei die Vorrichtung (1) eine im Reaktionsbereich (13) angeordnete interne Wärmeverteileinrichtung (20; 20a; 20b) umfasst, welche sich stärker in Längsrichtung als quer dazu erstreckt und eingerichtet ist, Wärmeenergie von einer wärmeabgebenden Zone (13out) des Reaktionsbereiches zu einer wärmeaufnehmenden Zone (13in) des Reaktionsbereiches in Längsrichtung im Reaktionsbereich (13) zwischen Einlass (11) und Auslass (12) zu verteilen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Homogenisieren eines von Prozessfluid (PG) durchströmten Reaktionsbereiches (13) einer solchen Vorrichtung sowie eine Logikeinheit (30) eingerichtet zum Ausführen des Verfahrens.The invention relates to a device (1) for thermal reactions of fluids, in particular gaseous media on solids, with an inlet (11) for process fluid (PG); an outlet (12) for the process fluid; a reaction area (13) with the solids extending between inlet and outlet in a longitudinal direction (Lz); a wall (16) enclosing or delimiting the reaction area (13); said apparatus (1) comprising internal heat distribution means (20; 20a; 20b) disposed in the reaction zone (13) which extends more longitudinally than transversely and is adapted to heat energy from a heat emitting zone (13out) of said reaction zone to a heat receiving zone Zone (13in) of the reaction region in the longitudinal direction in the reaction region (13) between inlet (11) and outlet (12) to distribute. The invention further relates to a method for the thermal homogenization of a reaction region (13) of such a device through which process fluid (PG) flows, and to a logic unit (30) designed to carry out the method.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Reaktionen gasförmiger Medien an Feststoffen sowie ein Verfahren zum thermischen Homogenisieren eines Reaktionsbereiches der Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Einlass und einen Auslass für Prozessfluid auf. Zwischen Ein- und Auslass erstreckt sich in Längsrichtung ein Reaktionsbereich, in welchem die Feststoffe angeordnet sind, und welcher durch eine Wandung be- oder umgrenzt ist. Insbesondere sind Reformerrohre betroffen, welche von außen mittels Befeuerung beheizt werden, und in welchen im Reaktionsbereich Druckverhältnisse im Bereich von z.B. 2 bis 60 bar und Temperaturen bis über 800 oder 900 °C herrschen.The invention relates to a device for reactions of gaseous media on solids and a method for the thermal homogenization of a reaction region of the device. The device has an inlet and an outlet for process fluid. Between the inlet and outlet extends in the longitudinal direction of a reaction region in which the solids are arranged, and which is bounded or bounded by a wall. In particular, reformer tubes are concerned, which are heated from the outside by means of firing, and in which pressure conditions in the range of e.g. 2 to 60 bar and temperatures above 800 or 900 ° C prevail.
Reaktionsbereiche wie z.B. Katalysatorschüttungen in Reaktionsrohren müssen in manchen Fällen von extern mit Wärmeenergie beaufschlagt werden, insbesondere bei endothermen Reaktionen z.B. in Reformerrohren. Wird die Wärmeenergie über die Wandung eingeleitet, ist es in vielen Fällen nicht auf einfache Weise möglich, in axialer Richtung unterschiedlich stark Energie einzutragen. Dies wäre aber vorteilhaft, insbesondere in Hinblick auf einen kalten Einlaufbereich bzw. Anfang des Reaktionsrohres, oder eine mit zunehmender Lauflänge ansteigende Prozesstemperatur. Diese Problematik stellt sich z.B. bei externem Energieeintrag mittels Befeuerung. Reaction areas such as e.g. Catalyst beds in reaction tubes in some cases must be externally supplied with thermal energy, especially in endothermic reactions, e.g. in reformer tubes. If the heat energy is introduced via the wall, it is not possible in many cases in a simple manner to enter different amounts of energy in the axial direction. However, this would be advantageous, in particular with regard to a cold inlet region or beginning of the reaction tube, or a process temperature rising with increasing run length. This problem arises e.g. with external energy input by firing.
Auch das Weiterleiten von Wärmeenergie innerhalb des Reaktionsbereiches ist in vielen Fällen mit Schwierigkeiten verbunden, insbesondere bei stark isolierenden Feststoffen oder Katalysatormaterialien. Bei unbewegten Festbettschüttungen wird dieses Problem besonders spürbar, insbesondere wenn keine Heizeinrichtungen innen im Reaktionsbereich vorgesehen werden können oder sollen. Gerade bei in entlegenen Gebieten installierten Reformerrohren wird versucht, auf elektrische Heizeinrichtungen zu verzichten und den Wärmeeintrag allein mittels Erdgas oder Abfall-Gasen zu bewerkstelligen. Also, the forwarding of heat energy within the reaction region is in many cases associated with difficulties, especially in highly insulating solids or catalyst materials. In stationary fixed beds, this problem is particularly noticeable, especially if no heating devices can or should be provided inside the reaction area. Especially in installed in remote areas reformer tubes is trying to dispense with electric heaters and to accomplish the heat input solely by means of natural gas or waste gases.
Ein starkes Temperatur-Ungleichgewicht insbesondere auch in axialer Richtung führt dazu, dass der Reaktionsbereich nicht effizient ausgenutzt wird, oder dass Nebenreaktionen auftreten, z.B. weil die Temperatur von großen Bereichen zu niedrig oder zu hoch ist. All dies bringt weitere Nachteile mit sich, z.B. größeren Druckverlust aufgrund längerer Reaktionsbereiche bzw. Festbettschüttungen.A strong temperature imbalance, especially in the axial direction, leads to the fact that the reaction range is not utilized efficiently or that side reactions occur, e.g. because the temperature of large areas is too low or too high. All this brings with it further disadvantages, e.g. greater pressure loss due to longer reaction areas or fixed beds.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den eingangs beschrieben Merkmalen zur Verfügung zu stellen, womit die Ausnutzung des Reaktionsbereiches verbessert werden kann.The object of the invention is to provide a device and a method with the features described above are available, whereby the utilization of the reaction region can be improved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung für thermische, insbesondere endotherme Reaktionen von Fluiden, insbesondere gasförmigen Medien an Feststoffen, insbesondere eingerichtet zur Aufnahme von Energie einer externen Wärmequelle, beispielsweise Energie durch Befeuerung, mit einem Einlass für Prozessfluid, insbesondere Prozessgas; einem Auslass für das Prozessfluid; einem sich zwischen Ein- und Auslass in einer Längsrichtung erstreckenden Reaktionsbereich mit den Feststoffen; einer den Reaktionsbereich be- oder umgrenzenden Wandung, insbesondere einer Wärmebrücke zur Aufnahme externer Wärmeenergie und zum Übertragen der Wärmeenergie auf das Prozessfluid bzw. in den Reaktionsbereich, insbesondere in radialer Richtung orthogonal zur Längsrichtung; wobei die Vorrichtung eine im Reaktionsbereich angeordnete interne Wärmeverteileinrichtung insbesondere für passiv induzierten Wärmetransport umfasst, welche sich stärker in Längsrichtung als quer dazu erstreckt und eingerichtet ist, Wärmeenergie von einer auf einer zweiten Temperatur vorliegenden, wärmeabgebenden Zone des Reaktionsbereiches zu einer auf einer ersten Temperatur vorliegenden, wärmeaufnehmenden Zone des Reaktionsbereiches in Längsrichtung im Reaktionsbereich zwischen Einlass und Auslass zu verteilen, insbesondere entgegen der Strömungsrichtung des Prozessfluides. This object is achieved by a device for thermal, in particular endothermic reactions of fluids, in particular gaseous media to solids, in particular adapted to receive energy from an external heat source, such as energy by firing, with an inlet for process fluid, in particular process gas; an outlet for the process fluid; a reaction area with the solids extending between inlet and outlet in a longitudinal direction; a wall enclosing or delimiting the reaction area, in particular a thermal bridge for absorbing external thermal energy and for transferring the heat energy to the process fluid or into the reaction area, in particular in the radial direction orthogonal to the longitudinal direction; the device comprising an internal heat distribution device arranged in the reaction region, in particular for passively induced heat transfer, which extends more longitudinally than transversely and is arranged to transfer heat energy from a second temperature heat emitting zone of the reaction zone to a first temperature; Heat-absorbing zone of the reaction region in the longitudinal direction in the reaction region between the inlet and outlet to distribute, in particular against the flow direction of the process fluid.
Hierdurch kann eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung im Reaktionsbereich sichergestellt werden. Insbesondere kann die Temperatur im Bereich des Einlasses erhöht werden. Wärmeenergie kann in eine Aufheizzone geleitet werden, wodurch die bis zum Erreichen einer Soll-Temperatur erforderliche Aufheizlänge verkürzt werden kann. Nicht zuletzt kann die homogenere Temperaturverteilung auch einen größeren Prozessfluid-Volumenstrom ermöglichen. As a result, a comparatively homogeneous temperature distribution in the reaction region can be ensured. In particular, the temperature in the region of the inlet can be increased. Heat energy can be conducted into a heating zone, whereby the heating time required to reach a desired temperature can be shortened. Last but not least, the more homogeneous temperature distribution can also enable a larger process fluid volume flow.
Das Verteilen der Wärmeenergie kann selbstregulierend in Abhängigkeit der herrschenden Temperaturdifferenzen erfolgen, insbesondere im Wesentlichen in einer Richtung, speziell in Längsrichtung. Der Wärmetransport erfolgt dabei insbesondere durch Konvektion. The distribution of the heat energy can be self-regulating depending on the prevailing temperature differences, in particular substantially in one direction, especially in the longitudinal direction. The heat transfer takes place in particular by convection.
Die interne Wärmequelle kann fest im Reaktionsbereich fixiert bzw. verankert sein, und beispielsweise mittels Abstandshaltern zentrisch zur Wandung positioniert bzw. gehalten sein. The internal heat source can be firmly fixed or anchored in the reaction region, and be positioned or held for example by means of spacers centric to the wall.
Die Vorrichtung kann rohrartig oder rohrförmig sein. Die Vorrichtung kann als Reaktionsrohr ausgebildet sein oder dieses umfassen. The device may be tubular or tubular. The device may be formed as a reaction tube or include this.
Als Prozessfluid ist dabei vorrangig ein Gas oder Gasgemisch zu verstehen, welches jedoch auch flüssige Bestandteile aufweisen kann. Gemäß einer Variante kann das Prozessfluid auch als Flüssigkeit verstanden werden, insbesondere mit gasförmigen Bestandteilen. Der Begriff Prozessfluid umfasst insbesondere alle Varianten bzw. Mischungen von gasförmigen mit flüssigen Stoffen. As a process fluid is primarily a gas or gas mixture to understand, but which may also have liquid ingredients. According to a variant, the process fluid may also be in the form of a liquid be understood, in particular with gaseous components. The term process fluid includes in particular all variants or mixtures of gaseous with liquid substances.
Am Einlass liegt das Prozessfluid bei einer ersten Temperatur vor, und am Auslass liegt das Prozessfluid bei einer zweiten Temperatur vor, wobei insbesondere bei endothermen Reaktionen in Reformerrohren die zweite Temperatur deutlich höher ist als die erste Temperatur. Die erste Temperatur beträgt z.B. 500 bis 550 °C, und die zweite Temperatur beträgt z.B. 750 bis 800°C. Die Temperaturverhältnisse können jedoch auch davon abweichen, insbesondere können sie sich umkehren.At the inlet, the process fluid is at a first temperature, and at the outlet, the process fluid is at a second temperature, wherein in particular in endothermic reactions in reformer tubes, the second temperature is significantly higher than the first temperature. The first temperature is e.g. 500 to 550 ° C, and the second temperature is e.g. 750 to 800 ° C. However, the temperature conditions may also differ, in particular, they can reverse.
In einer zweiten wärmeren Zone des Reaktionsbereiches kann Wärmeenergie aufgenommen und an eine erste kältere Zone des Reaktionsbereiches abgegeben werden. Dies ermöglicht, Temperaturgradienten im Reaktionsbereich zu verringern, insbesondere in Längsrichtung. Hierdurch kann eine Verlagerung von Energie erfolgen, bei endothermen Reaktionen insbesondere in Richtung des Einlasses. In a second warmer zone of the reaction region, heat energy can be absorbed and delivered to a first colder zone of the reaction zone. This makes it possible to reduce temperature gradients in the reaction region, in particular in the longitudinal direction. As a result, a shift of energy can take place, in endothermic reactions, in particular in the direction of the inlet.
Die Energie der externen Wärmequelle kann dabei für die Reaktion(en) im Reaktionsbereich erforderliche Reaktionsenergie sein, zumindest teilweise. Der Reaktionsbereich kann wenigstens ein Festbett umfassen. Wahlweise kann auch eine andere Art von Bett oder Schüttung vorgesehen sein. The energy of the external heat source may be, at least partially, reaction energy required for the reaction (s) in the reaction region. The reaction region may comprise at least one fixed bed. Optionally, another type of bed or bedding may be provided.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die interne Wärmeverteileinrichtung für axialen internen Wärmetransport in Längsrichtung von der wärmeabgebenden Zone in die wärmeaufnehmende Zone eingerichtet, insbesondere entgegen der Strömungsrichtung des Prozessfluides, insbesondere längs einer Längsachse der Vorrichtung. Hierdurch kann Wärmeenergie zurücktransportiert werden, und zwar unabhängig von Strömungsverhältnissen im Reaktionsbereich. Dabei kann die interne Wärmeverteileinrichtung für axialen internen Wärmetransport in Längsrichtung von einem ersten Ende der internen Wärmeverteileinrichtung zu einem zweiten Ende der internen Wärmeverteileinrichtung eingerichtet sein, insbesondere entgegen der Strömungsrichtung des Prozessfluides, insbesondere längs einer Längsachse der Vorrichtung. According to one embodiment, the internal heat distribution device for axial internal heat transport in the longitudinal direction of the heat-emitting zone is arranged in the heat-receiving zone, in particular against the flow direction of the process fluid, in particular along a longitudinal axis of the device. As a result, heat energy can be transported back, regardless of flow conditions in the reaction area. In this case, the internal heat distribution device for axial internal heat transport in the longitudinal direction can be set up from a first end of the internal heat distribution device to a second end of the internal heat distribution device, in particular counter to the flow direction of the process fluid, in particular along a longitudinal axis of the device.
Dabei können die Enden der Wärmeverteileinrichtung jeweils in der wärmeabgebenden bzw. wärmeaufnehmenden Zone angeordnet sein. Dies ermöglicht eine gute Effizienz bei der Verteilung von Wärmeenergie in Hinblick auf eine bestimmte Temperaturdifferenz im Reaktionsbereich. In this case, the ends of the heat distribution device can each be arranged in the heat-emitting or heat-absorbing zone. This allows a good efficiency in the distribution of heat energy with respect to a specific temperature difference in the reaction area.
Die interne Wärmeverteileinrichtung kann für internen Wärmetransport quer zum durch die externe Wärmequelle induzierten Wärmetransport in radialer Richtung bzw. orthogonal zur Längsrichtung eingerichtet sein. The internal heat distribution device can be set up for internal heat transport transversely to the heat transfer induced by the external heat source in the radial direction or orthogonal to the longitudinal direction.
Die interne Wärmeverteileinrichtung kann für Wärmetransport durch Verlagerung eines Arbeitsfluides der internen Wärmeverteileinrichtung eingerichtet sein, insbesondere in Längsrichtung von einem auf einer zweiten Temperatur vorliegenden Ende der internen Wärmeverteileinrichtung bzw. einer wärmeabgebenden Zone des Reaktionsbereiches zu einem auf einer ersten Temperatur vorliegenden Ende der internen Wärmeverteileinrichtung bzw. einer wärmeaufnehmenden Zone des Reaktionsbereiches.The internal heat distribution device may be arranged for heat transfer by displacement of a working fluid of the internal heat distribution device, in particular in the longitudinal direction of a second temperature present at the end of the internal heat distribution device or a heat-emitting zone of the reaction region to a present at a first temperature end of the internal heat spreader or a heat-accepting zone of the reaction area.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Wärmeverteileinrichtung vom Einlass oder von einem Anfang des Reaktionsbereiches bzw. von der wärmeaufnehmenden Zone bis zum Auslass oder bis zu einem Ende des Reaktionsbereiches bzw. bis zur wärmeabgebenden Zone oder zumindest entlang 80 % oder 90 % dieser Strecke. Dies ermöglicht eine effiziente Wärmeaufnahme und -abgabe, insbesondere bei großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Anfang und dem Ende. Der Anfang oder das Ende kann dabei auch durch einen Bereich von 5 % oder 10 bis 20 % der Länge des Reaktionsbereiches definiert sein. According to one embodiment, the heat distribution device extends from the inlet or from the beginning of the reaction region or from the heat-receiving zone to the outlet or to one end of the reaction zone or to the heat-emitting zone or at least 80% or 90% of this route. This allows efficient heat absorption and delivery, especially with large temperature differences between the beginning and the end. The beginning or the end can also be defined by a range of 5% or 10 to 20% of the length of the reaction region.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die interne Wärmeverteileinrichtung ein Arbeitsfluid sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase auf und ist zur Kreisführung des Arbeitsfluides beinhaltend Phasenwechsel eingerichtet, insbesondere in Längsrichtung zwischen zwei Enden der Wärmeverteileinrichtung. Hierdurch kann innerhalb des Reaktionsbereiches ein Wärmetransport basierend auf einem Kreislauf oder zumindest axialem Stofftransport erfolgen. Der Stofftransport kann autonom erfolgen, lediglich basierend auf lokaler Wärmeeinwirkung von außen. According to one exemplary embodiment, the internal heat distribution device has a working fluid in both the liquid and the gas phase and is designed to circulate the working fluid including phase changes, in particular in the longitudinal direction between two ends of the heat distribution device. As a result, heat transfer based on a cycle or at least axial mass transfer can take place within the reaction region. The mass transfer can be autonomous, based solely on local heat from the outside.
Die Kreisführung kann dabei einem Kreisprozess mit Phasenwechsel entsprechen, insbesondere flüssig – gasförmig – flüssig. Die Kreisführung kann passiv erfolgen, insbesondere basierend auf oder unterstützt von einem möglichst hohen Temperaturgradienten innerhalb der internen Wärmeverteileinrichtung, welcher durch eine geschickte Positionierung von Wärmeleitelementen erhöht werden kann.The circuit guide can correspond to a cyclic process with phase change, in particular liquid - gaseous - liquid. The circuit guidance can be passive, in particular based on or supported by the highest possible temperature gradient within the internal heat distribution device, which can be increased by a clever positioning of heat conducting elements.
Ein/das Arbeitsfluid der internen Wärmeverteileinrichtung kann z.B. in Form von Wasser oder Ammoniak bereitgestellt werden, oder auch durch Natrium, Kalium, Zink oder weitere Stoffe mit in Hinblick auf Wärmekapazität oder Wärmetransport vergleichbaren Eigenschaften. A working fluid of the internal heat spreader may be e.g. be provided in the form of water or ammonia, or by sodium, potassium, zinc or other substances with respect to heat capacity or heat transport comparable properties.
Vorteilhafterweise weist die interne Wärmeverteileinrichtung wenigstens ein Wärmerohr, insbesondere eine heatpipe oder ein Thermosiphon auf oder ist als Wärmerohr ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass mittels Wärmerohren ein guter Verteil-Effekt erzielt werden kann. Advantageously, the internal heat distribution device has at least one heat pipe, in particular a heat pipe or a thermosyphon or is designed as a heat pipe. It has been shown that a good distribution effect can be achieved by means of heat pipes.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die interne Wärmeverteileinrichtung zentrisch in der Vorrichtung angeordnet. Hierdurch kann eine sehr homogene Wärmeverteilung erfolgen. Die Wärmeverteileinrichtung kann dabei die kälteste Zone des Reaktionsbereiches ausfüllen. According to one embodiment, the internal heat distribution device is arranged centrally in the device. This allows a very homogeneous heat distribution. The heat distribution device can fill the coldest zone of the reaction area.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Reaktionsbereich konzentrisch um die interne Wärmeverteileinrichtung herum. Hierdurch kann eine homogene Wärmeverteilung ermöglicht werden. Dabei kann der Reaktionsbereich ringzylindrisch ausgebildet sein.In one embodiment, the reaction area extends concentrically around the internal heat spreader. As a result, a homogeneous heat distribution can be made possible. In this case, the reaction region can be formed annular cylindrical.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Wärmeverteileinrichtung in Längsrichtung parallel zur Wandung. Dies ermöglicht ein bezüglich Wärmeübergang auf den Reaktionsbereich vorteilhaftes Zusammenwirken der Wärmeverteileinrichtung mit der Wandung, insbesondere bei externem Wärmeeintrag z.B. durch Befeuerung. According to one embodiment, the heat distribution device extends in the longitudinal direction parallel to the wall. This allows a heat transfer to the reaction region advantageous interaction of the heat distribution device with the wall, in particular with external heat input, for. by firing.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Wärmeverteileinrichtung zumindest am Anfang des Reaktionsbereiches angeordnet und erstreckt sich zumindest abschnittsweise entlang des Reaktionsbereiches bzw. entlang der Wandung, insbesondere mindestens entlang 50 % des Reaktionsbereiches. Hierdurch kann Wärme am Anfang von innen in den Reaktionsbereich eingetragen werden, insbesondere um einem unterkühlten Anfangsbereich entgegenzuwirken. Dies verbessert auch die Effizienz des Reaktionsbereiches.According to one exemplary embodiment, the heat distribution device is arranged at least at the beginning of the reaction region and extends at least in sections along the reaction region or along the wall, in particular at least along 50% of the reaction region. As a result, heat can be introduced at the beginning from the inside into the reaction region, in particular in order to counteract a supercooled initial region. This also improves the efficiency of the reaction area.
Vorteilhafterweise erstreckt sich die interne Wärmeverteileinrichtung mindestens 75 bis 85 %, bevorzugt in Längsrichtung vollständig entlang des Reaktionsbereiches. Eine sich in Längsrichtung vollständig entlang des Reaktionsbereiches erstreckende interne Wärmeverteileinrichtung liefert einen besonders effizienten Wärmetransport in Längsrichtung bzw. entgegen der Längsrichtung. Advantageously, the internal heat distribution device extends at least 75 to 85%, preferably in the longitudinal direction completely along the reaction region. A longitudinally completely along the reaction region extending internal heat distribution device provides a particularly efficient heat transfer in the longitudinal direction and counter to the longitudinal direction.
Dabei kann sich die interne Wärmeverteileinrichtung entlang der Wandung bzw. Wärmebrücke erstrecken. In this case, the internal heat distribution device can extend along the wall or thermal bridge.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die interne Wärmeverteileinrichtung insbesondere an einer Außenmantelfläche an wenigstens einer Längsposition wenigstens ein Wärmeleitelement auf, welches sich radial in Richtung zur Wandung erstreckt, insbesondere eine Mehrzahl parallel zueinander ausgerichteter Wärmeleitelement. Hierdurch kann die lokale Energieaufnahme verbessert werden. Die Effizienz der Wärmeverteileinrichtung kann verbessert werden. According to one exemplary embodiment, the internal heat distribution device has, in particular on an outer lateral surface at at least one longitudinal position, at least one heat conducting element which extends radially in the direction of the wall, in particular a plurality of heat conducting elements oriented parallel to one another. This can improve the local energy intake. The efficiency of the heat distribution device can be improved.
Das jeweilige Wärmeelement kann die Energieaufnahme bzw. -abgabe verbessern und die homogenisierende Wirkung der internen Wärmeverteileinrichtung verstärken. Das jeweilige Wärmeelement kann z.B. als Rippe, Finne, Stufe, Erhebung oder allgemein als Element mit vergrößerter, von der z.B. zylindrischen Mantelfläche der internen Wärmeverteileinrichtung hervorstehenden Oberfläche ausgebildet sein. The respective thermal element can improve the energy absorption and increase the homogenizing effect of the internal heat distribution device. The respective heating element can e.g. as a fin, fin, step, elevation, or more generally as an element of enlarged, e.g. be formed cylindrical surface of the internal heat distribution device protruding surface.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Wärmeleitelement der internen Wärmeverteileinrichtung in einer dem Anfang des Reaktionsbereiches entsprechenden Längsposition positioniert, insbesondere in einer wärmeaufnehmenden Zone. Hierdurch kann Wärmeenergie von der Wärmeverteileinrichtung gezielt am Anfang des Reaktionsbereiches abgegeben werden. Diese Anordnung liefert insbesondere bei Reformerrohren Vorteile. Beispielsweise kann die Aufheizlänge dadurch spürbar verkürzt werden. According to one exemplary embodiment, at least one heat-conducting element of the internal heat-distributing device is positioned in a longitudinal position corresponding to the beginning of the reaction region, in particular in a heat-absorbing zone. As a result, heat energy can be delivered from the heat distribution device targeted at the beginning of the reaction area. This arrangement provides advantages especially in reformer tubes. For example, the heating-up length can be noticeably shortened as a result.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Wärmeleitelement der internen Wärmeverteileinrichtung in einer dem Ende des Reaktionsbereiches entsprechenden Längsposition positioniert, insbesondere in einer wärmeabgebenden Zone. Hierdurch kann der Wärmeübergang lokal konzentriert werden. Die Wärmeverteileinrichtung kann mittels der lokal angeordneten Wärmeleitelemente an spezifischen Längspositionen des Reaktionsbereiches verstärkt Wärme aufnehmen oder abgeben. Zudem kann die Art und Weise des Wärmeeintrags in den Reaktionsbereich beeinflusst werden, sei es geometrisch, sei es quantitativ. Bevorzugt sind die Wärmeleitelemente umlaufend um die Wärmeverteileinrichtung herum angeordnet, sei es als Ringelemente, sei es umlaufend wiederkehrend z.B. alle 30° Umfangswinkel in Umfangsrichtung. Dies ermöglicht eine Wärmeaufnahme oder -abgabe auf besonders homogene Weise. According to one exemplary embodiment, at least one heat-conducting element of the internal heat-distributing device is positioned in a longitudinal position corresponding to the end of the reaction region, in particular in a heat-emitting zone. As a result, the heat transfer can be locally concentrated. The heat distribution device can absorb or release increased heat by means of the locally arranged heat-conducting elements at specific longitudinal positions of the reaction region. In addition, the way in which heat is introduced into the reaction zone can be influenced, be it geometrically or quantitatively. The heat-conducting elements are preferably arranged circumferentially around the heat-distributing device, be it as ring elements, be it continuously circulating, e.g. every 30 ° circumferential angle in the circumferential direction. This allows a heat absorption or release in a particularly homogeneous manner.
Am Anfang des Reaktionsbereiches und/oder an einem ersten Ende der internen Wärmeverteileinrichtung positionierte Wärmeleitelemente können symmetrisch zu am Ende des Reaktionsbereiches und/oder an einem zweiten Ende der internen Wärmeverteileinrichtung positionierten Wärmeleitelementen angeordnet, geometrisch ausgebildet und/oder dimensioniert sein. Dies ermöglicht, die Vorrichtung auch bei entgegengesetzter Strömungsrichtung zu betreiben, z.B. von unten nach oben anstelle von oben nach unten. Der Wärmeübergang bzw. ein Strömungsprofil kann sich dann auch bei entgegengesetzter Strömungsrichtung unverändert ausbilden. Heat-conducting elements positioned at the beginning of the reaction area and / or at a first end of the internal heat distribution device may be arranged, geometrically formed and / or dimensioned symmetrically to heat-conducting elements positioned at the end of the reaction area and / or at a second end of the internal heat-distributing device. This makes it possible to operate the device in the opposite direction of flow, e.g. from bottom to top instead of top to bottom. The heat transfer or a flow profile can then form unchanged even in the opposite direction of flow.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Wärmeleitelement der internen Wärmeverteileinrichtung in Längsrichtung bzw. in Strömungsrichtung ausgerichtet. Hierdurch kann vorbeiströmendes Gas besonders effektiv erwärmt werden und es werden keine Strömungshindernisse geschaffen. According to one exemplary embodiment, at least one heat-conducting element of the internal heat distribution device is aligned in the longitudinal direction or in the flow direction. As a result, passing gas can be heated particularly effectively and no flow obstacles are created.
Die interne Wärmeverteileinrichtung kann an zwei Stellen jeweils mehrere Wärmeleitelemente aufweisen, insbesondere jeweils an einem Ende. Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung der Wärmeleitelemente in maximalem axialem Abstand zueinander in der Vorrichtung eine hohe Effizienz des axialen Wärmetransports im Reaktionsbereich begünstigt. Ein Temperaturgradient innerhalb der internen Wärmeverteileinrichtung kann dadurch maximiert werden. Dies hat bei einer heatpipe oder einem Thermosiphon zur Folge, dass bei gegebenem Arbeitsmedium an dem einen Ende eine vergleichsweise große Energiemenge aufgenommen werden kann und am anderen Ende wieder abgegeben werden kann. The internal heat distribution device may each have a plurality of heat-conducting elements at two locations, in particular at one end in each case. It has been shown that the arrangement of the heat-conducting elements in the maximum axial distance from each other in the device favors a high efficiency of the axial heat transport in the reaction region. A temperature gradient within the internal heat spreader can thereby be maximized. This results in a heat pipe or a thermosyphon with the result that at a given working medium at one end a comparatively large amount of energy can be absorbed and can be discharged again at the other end.
Bei einer vertikal angeordneten internen Wärmeverteileinrichtung kann das wenigstens eine Wärmeleitelement dann z.B. am unteren Ende angeordnet sein und in Längsrichtung ausgerichtet sein. Dies ermöglicht neben einem effizienten Wärmeübergang auch das homogene Verteilen von Feststoffpartikeln beim Befüllen des Reaktionsbereiches bzw. Reaktionsrohres. For a vertically disposed internal heat spreader, the at least one heat conducting element may then be e.g. be arranged at the lower end and be aligned in the longitudinal direction. This allows not only an efficient heat transfer but also the homogeneous distribution of solid particles when filling the reaction area or reaction tube.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Wärmeleitelement der internen Wärmeverteileinrichtung in radialer Richtung orthogonal zur Längsrichtung bzw. in Strömungsrichtung ausgerichtet. Hierdurch kann der Reaktionsbereich in Strömungsrichtung zumindest teilweise abgegrenzt werden, z.B. von inerten Partikeln. Diese Ausrichtung kann auch bei einer Anordnung der Wärmeleitelemente stromauf vom Reaktionsbereich Vorteile haben.According to one exemplary embodiment, at least one heat-conducting element of the internal heat-distributing device is aligned in the radial direction orthogonal to the longitudinal direction or in the flow direction. As a result, the reaction region in the flow direction can be at least partially delimited, e.g. of inert particles. This orientation may also have advantages in an arrangement of the heat-conducting elements upstream of the reaction region.
Wahlweise kann ein möglichst hoher Temperaturgradient zwischen den Enden der Wärmequelle z.B. auch mittels wenigstens einer Heizeinrichtung bewirkt werden. Der passive Wärmetransport der internen Wärmeverteileinrichtung kann durch eine Heizeinrichtung verstärkt werden, indem aktiv bzw. auf gesteuerte oder geregelte Weise Wärmeenergie lokal an einer bestimmten Position (insbesondere an einem Ende) der internen Wärmeverteileinrichtung zugeführt wird.Optionally, as high a temperature gradient as possible between the ends of the heat source, e.g. also be effected by means of at least one heating device. The passive heat transfer of the internal heat distribution device can be enhanced by a heater by actively or in a controlled or regulated manner heat energy is supplied locally at a certain position (in particular at one end) of the internal heat distribution device.
Die interne Wärmeverteileinrichtung kann wenigstens eine Heizeinrichtung zum lokalen, ortsbezogenen Zuführen interner Wärmeenergie in die interne Wärmeverteileinrichtung und/oder in den Reaktionsbereich aufweisen, wobei die Heizeinrichtung bevorzugt an einem Ende der Wärmequelle angeordnet ist. Eine an einem Ende angeordnete Wärmequelle kann einen Temperaturgradienten innerhalb der Wärmequelle hervorrufen, insbesondere einen Temperaturgradienten in Längsrichtung. Dies kann die Effizienz der Wärmeverteileinrichtung verbessern.The internal heat distribution device may comprise at least one heating device for local, local supply of internal heat energy into the internal heat distribution device and / or into the reaction region, wherein the heating device is preferably arranged at one end of the heat source. A heat source arranged at one end can cause a temperature gradient within the heat source, in particular a temperature gradient in the longitudinal direction. This can improve the efficiency of the heat spreader.
Eine/die Heizeinrichtung der internen Wärmeverteileinrichtung kann im Bereich des Endes des Reaktionsbereiches angeordnet sein. Die Heizeinrichtung kann in Strömungsrichtung des Prozessfluides hinter dem Ende bzw. stromab vom Ende des Reaktionsbereiches angeordnet sein. Dies ermöglicht einen lokalen Wärmeeintrag ohne Beeinflussung der Temperaturverteilung im Reaktionsbereich. A heating device of the internal heat distribution device may be arranged in the region of the end of the reaction region. The heating device may be arranged in the flow direction of the process fluid behind the end or downstream of the end of the reaction region. This allows a local heat input without affecting the temperature distribution in the reaction area.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung in Längsrichtung bzw. in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Reaktionsbereich, insbesondere hinter einem Ende der internen Wärmeverteileinrichtung bzw. in Strömungsrichtung hinter einer wärmeabgebenden Zone des Reaktionsbereiches inertes Material, insbesondere eine Schüttung aus inerten Partikeln. Hierdurch kann die Wärmeaufnahme in der Wärmeverteileinrichtung beeinflusst werden, insbesondere wenn eine wärmeaufnehmende Zone oder ein ausgangsseitiges Ende der Wärmeverteileinrichtung von inerten Partikeln umgeben ist. Die inerten Partikel können z.B. eine besonders große Wärmekapazität aufweisen. According to one embodiment, the device comprises in the longitudinal direction or in the flow direction before or after the reaction region, in particular behind one end of the internal heat distribution device or in the flow direction behind a heat-emitting zone of the reaction region inert material, in particular a bed of inert particles. As a result, the heat absorption in the heat distribution device can be influenced, in particular if a heat-receiving zone or an output-side end of the heat distribution device is surrounded by inert particles. The inert particles may e.g. have a particularly high heat capacity.
Das inerte Material kann in Strömungsrichtung des Prozessfluides z.B. hinter/stromab vom Ende des Reaktionsbereiches angeordnet sein, insbesondere wenigstens ein Wärmeleitelement umgebend. Mittels des inerten Materials kann sichergestellt werden, dass im Reaktionsbereich keine unerwünschten Temperaturänderungen erfolgen, insbesondere kein Temperatursturz. Die wärmeabgebende Zone kann durch inertes Material gebildet oder ausgefüllt sein. The inert material may be in the flow direction of the process fluid e.g. be arranged behind / downstream of the end of the reaction region, in particular surrounding at least one heat-conducting element. By means of the inert material it can be ensured that no unwanted temperature changes take place in the reaction area, in particular no temperature drop. The heat-emitting zone may be formed or filled by inert material.
Auch kann es Vorteile haben, wenn eine wärmeabgebende Zone oder ein eingangsseitiges Ende der Wärmeverteileinrichtung oberhalb vom Reaktionsbereich angeordnet ist und wahlweise auch von inerten Partikeln umgeben ist. Dies ermöglicht beispielsweise, Wärmeenergie ins Prozessgas einzuleiten, bevor das Prozessgas in den Reaktionsbereich eingeleitet wird. It may also be advantageous if a heat-emitting zone or an input-side end of the heat distribution device is arranged above the reaction region and optionally also surrounded by inert particles. This makes it possible, for example, to introduce thermal energy into the process gas before the process gas is introduced into the reaction zone.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung wenigstens ein die interne Wärmeverteileinrichtung isolierendes insbesondere inertes Element, welches sich in Längsrichtung abschnittsweise entlang der internen Wärmeverteileinrichtung und entlang des Reaktionsbereiches erstreckt, insbesondere ein die interne Wärmeverteileinrichtung in einem mittleren Abschnitt umgebendes Hüllrohr. Hierdurch kann die Wärmeabgabe lokal beeinflusst werden. Insbesondere kann Wärmeenergie in einem mittleren Bereich zurückgehalten werden. Der Wärmetransport bis zu einem Anfang des Reaktionsbereiches kann dadurch noch effektiver erfolgen. According to one exemplary embodiment, the device comprises at least one in particular insulating element insulating the internal heat distribution device, which extends in the longitudinal direction in sections along the internal heat distribution device and along the reaction region, in particular a cladding tube surrounding the internal heat distribution device in a middle section. As a result, the heat output can be influenced locally. In particular, heat energy can be used in one middle area are retained. The heat transport up to a beginning of the reaction area can be made even more effective.
Zwischen Wärmeleitelementen, die an unterschiedlichen Längspositionen angeordnet sind, kann z.B. auch noch ein Hüllrohr auf der internen Wärmeverteileinrichtung angeordnet sein. Mittels des Hüllrohrs kann Einfluss auf die Geometrie des Reaktionsbereiches oder Strömungsverhältnisse im Bereich einer Mantelfläche der internen Wärmeverteileinrichtung bzw. des Hüllrohrs genommen werden. Ferner kann auch ein Wärmeübergang von einem Längsabschnitt zwischen den Wärmeleitelementen auf den Reaktionsbereich beeinflusst werden, insbesondere unterbunden werden. Dies kann die Effizienz des Wärmeaustausches zwischen den Enden der internen Wärmeverteileinrichtung erhöhen, insbesondere aufgrund eines stärkeren Temperaturgradienten innerhalb der Wärmequelle. Das Hüllrohr kann z.B. aus einem isolierenden Material bestehen, insbesondere Keramik. Das Hüllrohr kann z.B. angrenzend an ein oder mehrere Wärmeleitelemente angeordnet sein. Das Hüllrohr kann z.B. zwischen Wärmeleitelementen angeordnet sein, die jeweils an einem der beiden Enden der Wärmeverteileinrichtung angeordnet sind. Das Hüllrohr kann z.B. auch angrenzend an eine Heizeinrichtung angeordnet sein.Between heat-conducting elements, which are arranged at different longitudinal positions, can e.g. also be arranged a cladding tube on the internal heat distribution device. By means of the cladding tube, it is possible to influence the geometry of the reaction region or flow conditions in the region of a lateral surface of the internal heat distribution device or of the cladding tube. Furthermore, a heat transfer from a longitudinal section between the heat-conducting elements to the reaction area can also be influenced, in particular prevented. This can increase the efficiency of heat exchange between the ends of the internal heat spreader, especially due to a higher temperature gradient within the heat source. The cladding tube may e.g. consist of an insulating material, especially ceramic. The cladding tube may e.g. be arranged adjacent to one or more heat-conducting elements. The cladding tube may e.g. be arranged between heat conducting elements, which are each arranged at one of the two ends of the heat distribution device. The cladding tube may e.g. also be arranged adjacent to a heater.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Wandung für eine Energiezufuhr, insbesondere Befeuerung durch wenigstens eine externe Wärmequelle eingerichtet, wobei der Reaktionsbereich wenigstens eine Katalysatorschüttung umfasst. Die Vorrichtung kann die wenigstens eine externe Wärmequelle umfassen. Die externe Wärmequelle kann eine im Reaktionsbereich mit zunehmender Lauflänge ansteigende Temperatur und einen bestimmten Temperaturgradienten zwischen Einlass und Auslass bewirken, wobei der Temperaturgradient mittels der Wärmeverteileinrichtung gesenkt werden kann. According to one exemplary embodiment, the wall is set up for an energy supply, in particular firing, by at least one external heat source, wherein the reaction region comprises at least one catalyst bed. The device may comprise the at least one external heat source. The external heat source may cause an increasing temperature in the reaction region with increasing run length and a certain temperature gradient between inlet and outlet, wherein the temperature gradient can be lowered by means of the heat distribution device.
Die Vorrichtung kann im Bereich der Wandung und/oder entlang des Reaktionsbereiches zumindest abschnittsweise rohrförmig ausgebildet sein. Hierdurch wird eine homogene Wärmeverteilung oder ein symmetrisches Strömungsprofil ermöglicht. Die Wandung bzw. Wärmebrücke kann durch eine Rohrwand, insbesondere zylindrische Rohrwandung gebildet sein. Die gesamte Vorrichtung kann als Reaktionsrohr ausgebildet sein oder dieses umfassen. Die Vorrichtung kann ein Reformerrohr umfassen, wobei die Wandung ein Bestandteil des Reformerrohrs ist.The device may be formed in the region of the wall and / or along the reaction region at least partially tubular. This allows a homogeneous heat distribution or a symmetrical flow profile. The wall or thermal bridge can be formed by a tube wall, in particular a cylindrical tube wall. The entire device may be formed as a reaction tube or include this. The device may comprise a reformer tube, wherein the wall is a part of the reformer tube.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum thermischen Homogenisieren eines von Prozessfluid durchströmten Reaktionsbereiches, insbesondere eines Reaktionsbereiches einer zuvor beschriebenen Vorrichtung, insbesondere eines Reaktionsbereiches in einem Reformerrohr für endotherme Reaktionen an Feststoffen mit wenigstens einer Fest- oder Wirbelbettschüttung, wobei das Prozessfluid von einer auf einer ersten Temperatur vorliegenden Zone des Reaktionsbereiches zu einer auf einer zweiten Temperatur ungleich der ersten Temperatur vorliegenden Zone des Reaktionsbereiches geleitet wird; wobei wenigstens eine im Reaktionsbereich angeordnete interne Wärmeverteileinrichtung, insbesondere eine für passiv induzierten Wärmetransport eingerichtete Wärmequelle, derart betrieben wird, dass interne Wärmeenergie innerhalb der internen Wärmeverteileinrichtung von der Zone der zweiten Temperatur zur Zone der ersten Temperatur oder entgegengesetzt transportiert bzw. verteilt wird und in einer der Zonen abgegeben wird und dadurch die erste und zweite Temperatur aneinander angeglichen werden, insbesondere quer zu einem durch wenigstens eine externe Wärmequelle induzierten radialen Wärmetransport.The aforementioned object is also achieved by a method for the thermal homogenization of a flowed through by process fluid reaction region, in particular a reaction region of a device described above, in particular a reaction region in a reformer tube for endothermic reactions of solids with at least one fixed or fluid bed, wherein the process fluid is passed from a present at a first temperature zone of the reaction region to a present at a second temperature not equal to the first temperature zone of the reaction region; wherein at least one disposed in the reaction region internal heat spreader, in particular a passive induced heat transfer heat source is operated so that internal heat energy within the internal heat spreader from the zone of the second temperature to the zone of the first temperature or transported and distributed in an opposite the zones is discharged and thereby the first and second temperature are equalized to each other, in particular transversely to an induced by at least one external heat source radial heat transfer.
Das Betreiben der internen Wärmeverteileinrichtung kann z.B. durch Einstellen des Prozessfluid-Volumenstroms, der Menge von extern eingebrachter Wärmeenergie und/oder Eingangs-Temperatur des Prozessfluides erfolgen. Diese oder weitere Parameter können Einfluss auf das sich im Prozessbereich einstellende Temperaturprofil haben. The operation of the internal heat spreader may e.g. by adjusting the process fluid volume flow, the amount of externally applied heat energy and / or input temperature of the process fluid. These or other parameters can influence the temperature profile that is set in the process area.
Dabei kann Wärmeenergie bzw. Reaktionsenergie mittels wenigstens einer externen Wärmequelle in den Reaktionsbereich eingebracht werden, insbesondere durch Befeuerung. In this case, heat energy or reaction energy can be introduced into the reaction region by means of at least one external heat source, in particular by firing.
Gemäß einer Ausführungsform wird der interne Wärmetransport in der internen Wärmeverteileinrichtung in wenigstens einem Wärmerohr aufgrund einer Differenz zwischen der ersten und zweiten Temperatur hervorgerufen, insbesondere selbstregulierend durch Konvektion in einer heatpipe oder einem Thermosiphon. Der Reaktionsbereich kann derart mit Prozessfluid beaufschlagt werden, dass sich eine Temperaturdifferenz einstellt, welche den internen Wärmetransport hervorruft. Hierdurch kann der Reaktionsbereich effizient genutzt werden, insbesondere bei großen Volumenströmen, und die Reaktion kann über eine maximale Lauflänge des Reaktionsbereiches erfolgen, insbesondere unter möglichst homogenen Randbedingungen. According to one embodiment, the internal heat transfer in the internal heat distribution device is caused in at least one heat pipe due to a difference between the first and second temperature, in particular self-regulating by convection in a heat pipe or a thermosyphon. The reaction region can be supplied with process fluid in such a way that a temperature difference arises which causes the internal heat transfer. In this way, the reaction region can be used efficiently, in particular in the case of large volume flows, and the reaction can take place over a maximum run length of the reaction region, in particular under as homogeneous as possible boundary conditions.
Dabei kann im Reaktionsbereich eine Energiezufuhr, insbesondere Befeuerung durch wenigstens eine externe Wärmequelle erfolgen. Die externe Energiezufuhr kann eine im Reaktionsbereich mit zunehmender Lauflänge ansteigende Temperatur bewirken oder dazu beitragen, so dass sich ein bestimmter Temperaturgradienten zwischen Einlass und Auslass einstellt, welcher mittels der Wärmeverteileinrichtung wieder gesenkt werden kann. Das Zusammenwirken zwischen externer Wärmequelle und Wärmeverteileinrichtung kann gesteuert oder geregelt werden. In this case, an energy supply, in particular firing by at least one external heat source can be carried out in the reaction area. The external energy supply may cause or contribute to an increasing temperature in the reaction region with increasing run length, so that a certain temperature gradient between the inlet and outlet is established, which can be lowered again by means of the heat distribution device. The Interaction between external heat source and heat spreader can be controlled or regulated.
Gemäß einer Ausführungsform wird der internen Wärmeverteileinrichtung lokal ortsbezogen Wärmeenergie zugeführt, insbesondere mittels wenigstens eines Wärmeleitelements und/oder mittels einer Heizeinrichtung am Anfang und/oder am Ende des Reaktionsbereiches. Der Reaktionsbereich kann derart mit Prozessfluid beaufschlagt werden, dass sich eine Temperaturdifferenz mit einem Temperaturmaximum an einem Ende der Wärmeverteileinrichtung und einem Temperaturminimum an einem Anfang der Wärmeverteileinrichtung einstellt. Hierdurch kann ein starker Temperaturgradient innerhalb der internen Wärmeverteileinrichtung hervorgerufen werden. According to one embodiment, local heat energy is supplied to the internal heat distribution device locally, in particular by means of at least one heat conducting element and / or by means of a heating device at the beginning and / or at the end of the reaction region. The reaction area can be acted upon by process fluid in such a way that a temperature difference with a temperature maximum at one end of the heat distribution device and a temperature minimum at a beginning of the heat distribution device are established. This can cause a strong temperature gradient within the internal heat distribution device.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Logikeinheit eingerichtet zum Ausführen eines zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei ein Volumenstrom des Prozessfluides und/oder eine Einlasstemperatur des Prozessfluides und/oder die Menge lokal zugeführter Energie und/oder der Zeitpunkt oder die Dauer der Energiezuführung gesteuert oder geregelt werden, insbesondere auch eine Energiezufuhr wenigstens einer externen Wärmequelle. Hierbei kann die Logikeinheit in Kommunikation mit entsprechenden Sensoren stehen, insbesondere wenigstens einem Volumenstromsensor, wenigstens einem Temperatursensor, wenigstens einem die Leistung oder Energie erfassenden Sensor oder wenigstens einem Chronometer. The aforementioned object is also achieved according to the invention by a logic unit configured to carry out a method described above, wherein a volumetric flow of the process fluid and / or an inlet temperature of the process fluid and / or the amount of locally supplied energy and / or the time or the duration of the energy supply are controlled or regulated, in particular also an energy supply of at least one external heat source. Here, the logic unit may be in communication with corresponding sensors, in particular at least one volume flow sensor, at least one temperature sensor, at least one of the power or energy detecting sensor or at least a chronometer.
Eine Logikeinheit ist nicht notwendigerweise erforderlich, um das thermische Homogenisieren zu bewirken, insbesondere das die Wärmeverteileinrichtung autonom in Reaktion auf Temperaturdifferenzen funktionieren kann. Jedoch kann die Logikeinheit das Zusammenwirken zwischen mehreren Wärmequellen verbessern oder auch den Wirkungsgrad einer möglicherweise recht passiven Wärmeverteileinrichtung verbessern. Hierzu kann die Logikeinheit in Verbindung mit wenigstens einer externen Wärmequelle stehen. Im Reaktionsbereich, insbesondere am Anfang und am Ende, können jeweils Temperatursensoren angeordnet sein, mittels welchen die aktuellen Temperaturdifferenzen erfasst werden können. Es kann ein Schwellwert für bestimmte Temperaturdifferenzen, z.B. zwischen Anfang und Ende, definiert werden, und die wenigstens eine externe Wärmequelle kann in Abhängigkeit von der Ist-Temperaturdifferenz angesteuert und geregelt werden. A logic unit is not necessarily required to effect thermal homogenization, in particular, the heat spreader may autonomously operate in response to temperature differences. However, the logic unit may improve the interaction between multiple heat sources or also improve the efficiency of a potentially quite passive heat spreader. For this purpose, the logic unit can be in connection with at least one external heat source. In the reaction region, in particular at the beginning and at the end, in each case temperature sensors can be arranged, by means of which the current temperature differences can be detected. There may be a threshold for certain temperature differences, e.g. between the beginning and the end, and the at least one external heat source can be controlled and regulated as a function of the actual temperature difference.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch Verwendung einer internen Wärmeverteileinrichtung, insbesondere eines Wärmerohres, zum thermischen Homogenisieren eines von Prozessfluid durchströmten Reaktionsbereiches einer Vorrichtung für Reaktionen von Fluiden an Feststoffen, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Vorrichtung bzw. in einem Reformerrohr, wobei der Wärmetransport durch eine Temperaturdifferenz im Reaktionsbereich hervorgerufen wird und mittels eines Phasenwechseln unterliegenden Arbeitsfluides durch Konvektion erfolgt. Hierdurch ergeben sich bereits zuvor genannte Vorteile. The aforementioned object is also achieved by the use of an internal heat distribution device, in particular a heat pipe, for the thermal homogenization of a process fluid flow through a reaction region of a device for reactions of fluids to solids, in particular in a device described above or in a reformer tube, wherein the heat transport through a temperature difference is caused in the reaction region and by means of a phase change underlying working fluid by convection. This results already mentioned advantages.
In vorteilhafter Weise ist die interne Wärmeverteileinrichtung zentrisch im Reaktionsbereich entlang dessen Längsachse angeordnet und für Wärmetransport in Längsrichtung eingerichtet. Advantageously, the internal heat distribution device is arranged centrally in the reaction region along its longitudinal axis and adapted for heat transport in the longitudinal direction.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen, sowie aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigtFurther features and advantages of the invention will become apparent from the description of at least one embodiment with reference to drawings, and from the drawings themselves. It shows
Bei Bezugszeichen, die nicht explizit in Bezug auf eine einzelne Figur beschrieben werden, wird auf die anderen Figuren verwiesen. For reference numbers that are not explicitly described with respect to a single figure, reference is made to the other figures.
Die
Im Reaktionsbereich
An möglichst weit voneinander entfernten Längspositionen, insbesondere an den Enden der Wärmeverteileinrichtung
Im Reaktionsbereich
In der
Die
Die
Die
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung für Reaktionen gasförmiger Medien an Feststoffen Device for reactions of gaseous media on solids
- 1010
- Reaktionsrohr, insbesondere Reformerrohr Reaction tube, in particular reformer tube
- 1111
- Einlass inlet
- 1212
- Auslass outlet
- 1313
- Reaktionsbereich, insbesondere mit Katalysatorpartikeln oder -schüttung Reaction area, in particular with catalyst particles or bed
- 13in13in
- wärmeaufnehmende Zone heat-absorbing zone
- 13out13out
- wärmeabgebende Zone heat-emitting zone
- 1414
- inerte Partikel oder inerte Schüttung inert particles or inert bed
- 1616
- Wandung bzw. Wärmebrücke, insbesondere Rohrwand Wall or thermal bridge, in particular pipe wall
- 1818
- Lochblech, Netz, Gitter Perforated sheet, mesh, grid
- 20, 20a, 20b20, 20a, 20b
- interne Wärmeverteileinrichtung, insbesondere Wärmerohr, nämlich heatpipe oder Thermosiphon internal heat distribution device, in particular heat pipe, namely heat pipe or thermosyphon
- 20in20in
- wärmeaufnehmender Abschnitt heat-absorbing section
- 20out20out
- wärmeabgebender Abschnitt heat-emitting section
- 2121
- (Außen-)Mantelfläche (Outer) envelope surface
- 2222
- Wärmeleitelement, insbesondere radial angeordnete Rippe Wärmeleitelement, in particular radially arranged rib
- 2323
- Wärmeleitelement, insbesondere in Längsrichtung angeordnete Rippe Wärmeleitelement, in particular longitudinally arranged rib
- 2424
- Heizeinrichtung, insbesondere am ausgangsseitigen Ende der internen Wärmeverteileinrichtung Heating device, in particular at the output end of the internal heat distribution device
- 3030
- Logikeinheit logic unit
- 3131
- Sensor, insbesondere Durchflusssensor Sensor, in particular flow sensor
- 32, 33 32, 33
- Sensor, insbesondere Temperatursensor Sensor, in particular temperature sensor
- Lzlz
- Längsrichtung entlang der Längsachse des Reaktionsrohrs oder der Vorrichtung oder des Reaktionsbereiches Longitudinal along the longitudinal axis of the reaction tube or the device or the reaction region
- PGPG
- Prozessfluid, insbesondere Prozessgas Process fluid, in particular process gas
- WFWF
- Arbeitsfluid working fluid
- QextQ ext
- von extern hervorgerufener (externer) Wärmestrom Externally generated (external) heat flow
- QintQint
- von intern hervorgerufener (interner) Wärmestrom Internally generated (internal) heat flow
- QsupQsup
- zusätzlicher Wärmestrom additional heat flow
- QzQz
- zusätzlicher Energie- oder Wärmestrom in z-Richtung additional energy or heat flow in z-direction
- TT
- Temperatur temperature
- T1T1
- Zieltemperatur zur Lauflänge z1 Target temperature for run length z1
- ∆TzΔTz
- Temperaturprofil bzw. -gradient in axialer Richtung Temperature profile or gradient in the axial direction
- xx
- Koordinatenachse in radialer Richtung orthogonal zur Längsachse Coordinate axis in the radial direction orthogonal to the longitudinal axis
- yy
- Koordinatenachse in radialer Richtung orthogonal zur Längsachse Coordinate axis in the radial direction orthogonal to the longitudinal axis
- zz
- Ortskoordinate in Richtung der Längsachse Location coordinate in the direction of the longitudinal axis
- z1z1
- Lauflänge bzw. Aufheizzone Run length or heating zone
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102016204840.6A DE102016204840A1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Temperature-optimized device for reactions of gaseous media and method for the thermal homogenization of a reaction region |
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DE102016204840.6A DE102016204840A1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Temperature-optimized device for reactions of gaseous media and method for the thermal homogenization of a reaction region |
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DE102016204840A1 true DE102016204840A1 (en) | 2017-09-28 |
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---|---|---|---|
DE102016204840.6A Ceased DE102016204840A1 (en) | 2016-03-23 | 2016-03-23 | Temperature-optimized device for reactions of gaseous media and method for the thermal homogenization of a reaction region |
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DE (1) | DE102016204840A1 (en) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |