-
Die Erfindung betrifft einen Reaktor mit einer für einen isothermen Betrieb eingerichteten Reaktionszone und eine Anlage zur Herstellung einer chemischen Verbindung gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. Ferner betrifft die Erfindung das Verwenden mindestens eines Temperatursensors und mindestens eines Drucksensors zum Bestimmen einer Taupunktunterschreitung einer gasförmigen Komponente in einem Reaktor mit einer für einen isothermen Betrieb eingerichteten Reaktionszone.
-
Stand der Technik
-
Isothermreaktoren sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Sie weisen typischerweise einen im Wesentlichen zylindrischen (Druck-)Behälter auf, der aufgrund der hohen Temperaturen in der Regel aus sogenanntem C-Stahl (auch als Carbon- bzw. unlegierter Qualitätsstahl bezeichnet) hergestellt ist. Die spezifische Materialwahl richtet sich beispielsweise nach dem Partialdruck und der Temperatur von Wasserstoff in der Reaktionszone. Der Behälter ist an seinen entgegengesetzten Enden durch Böden verschlossen. Ferner ist in dem Reaktor eine Reaktionszone vorgesehen, in der ein gekühltes oder beheiztes katalytisches Bett angeordnet ist.
-
Der isotherme bzw. quasi-isotherme Betrieb eines Isothermreaktors wird typischerweise durch den Einbau von Wärmetauschelementen, z.B. Rohrschlangen, innerhalb der in dem katalytischen Bett vorliegenden Katalysatorfüllung des Reaktors bewirkt. Die Wärmetauschelemente werden je nach Prozessführung zur Kühlung oder Erwärmung der Reaktionszone verwendet, um eine im Wesentlichen konstante Reaktionstemperatur sicherzustellen. Dadurch kann der Katalysator bei einer optimalen Temperatur arbeiten.
-
Ein Isothermreaktor ist besonders nützlich zum Durchführen von exothermen oder endothermen Reaktionen, die bei im Wesentlichen isothermen Bedingungen ablaufen sollen, also unter Bedingungen, bei denen die Reaktionstemperatur in einem verhältnismäßig eng begrenzten Temperaturbereich um einen vorbestimmten Temperaturwert liegen und sich insbesondere entlang dem katalytischen Bett nicht ändern soll. Hierzu wird der Isothermreaktor entsprechend gesteuert.
-
Durch die Verwendung von Isothermreaktoren ergeben sich im Allgemeinen eine höhere Leistung und eine längere Lebensdauer des Katalysators. Ferner werden typischerweise weniger Nebenprodukte gebildet und es erfolgt eine effiziente Rückgewinnung der Reaktionswärme, was zu niedrigeren Betriebskosten führt. Darüber hinaus werden Wärmespannungsprobleme in dem Reaktor vermieden.
-
Isothermreaktoren werden beispielsweise für die Methanolsynthese, für die Kohlenmonoxidkonvertierung (Wassergas-Shift-Reaktion), für Hydrierungen, für die Methanisierung, für die (Clinsulf-)Schwefelrückgewinnung und für die Synthese langkettiger Alkohole eingesetzt.
-
Ein weiteres Beispiel einer in einem Isothermreaktor durchgeführten exothermen Reaktion ist ein Verfahren zur Herstellung von Ethylenoxid. Aus der Zeitschrift Hydrocarbon Processing, März 1997, Seite 134 ist ein solches Verfahren bekannt. Als Kühlmittel wird hier unter Druck stehendes verdampfendes Wasser verwendet, wobei aus dem Wasser Hochdruckdampf erzeugt wird. Durch die Aufteilung des Verfahrensstroms und der Katalysatorpartikel auf mehrere Rohre wird bei der Darstellung von Ethylenoxid sichergestellt, dass im Falle einer Betriebsstörung eine sich selbst beschleunigende Reaktion, hervorgerufen durch eine örtliche Überhitzung, sich auf ein Reaktionsrohr beschränkt und nicht den ganzen Reaktor erfasst. Diese Verfahrensführung und Reaktorkonstruktion hat jedoch auch mehrere Nachteile. So wird lediglich der weitgehend ordnungsgemäße Reaktionsablauf sichergestellt. Eine Beschädigung des Reaktors wird weder vermieden noch wird dieser vorgebeugt.
-
Es wurden ferner Korrosionsschäden an mit Wasserdampf als Kühlmittel betriebenen Isothermreaktoren, insbesondere nach mehreren Jahren Betriebsdauer, festgestellt. Diese Schäden können durch Anwesenheit von flüssigem Wasser oder anderweitig im Reaktor vorliegender Flüssigkeit entstanden sein. Diese Flüssigkeit, insbesondere Wasser, kann aufgrund der jeweilig im Reaktor vorherrschenden Bedingungen korrosiv wirken. Die Ursache hierfür kann bspw. in undichten Rohreinschweißungen liegen.
-
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Reaktoren mit einer oder mehreren isothermen Reaktionszonen sowie Anlagen, in denen derartige Reaktoren zum Einsatz gelangen, zu verbessern und effizienter zu gestalten. Eine weitere Aufgabe besteht in dem Vermeiden und/oder dem frühzeitigen Erkennen von Schäden an einem Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone. Eine weitere Aufgabe besteht in der Verlängerung der Wartungsintervalle eines derartigen Reaktors und/oder einer Erhöhung der Lebensdauer des in dem Reaktor eingesetzten Katalysators.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung einen Reaktor mit einer für einen isothermen Betrieb eingerichteten Reaktionszone und eine Anlage zu Herstellung einer Verbindung gemäß den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß das Verwenden eines Temperatursensors und mindestens eines Drucksensors zum Bestimmen einer Taupunktunterschreitung einer gasförmigen Komponente in einem Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone vorgeschlagen. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch einige Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.
-
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird mit den Begriffen „Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone“ bzw. „Isothermreaktor“ ein chemischer Reaktor, für gewöhnlich ein Festbettreaktor, beschrieben. Dieser weist, wie erwähnt, Wärmetauschelemente, z.B. Rohrschlangen, auf, die zur Temperierung eines Katalysatorbetts in einer Reaktionszone eingerichtet sind.
-
In dem Isothermreaktor wird die Temperatur innerhalb des Katalysatorbetts bzw. der Katalysatorbetten, in welchem bzw. welchen die chemische Reaktion abläuft, unabhängig davon, ob es sich um eine exotherme oder endotherme Reaktion handelt, im Wesentlichen konstant gehalten. Im Wesentlichen konstant heißt dabei, dass die Temperatur in einem isothermen Reaktionsbereich um weniger als 10%, vorzugsweise um weniger als 4%, 3% oder 2%, von einer Solltemperatur (in Kelvin) abweicht. Mit der Solltemperatur wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die optimale bzw. vorgegebene Reaktionstemperatur beschrieben, insbesondere eine Temperatur, bei der der eingesetzte Katalysator die höchste Raum-Zeit-Ausbeute bzw. spezifische Produktleistung aufweist.
-
Weiterhin können in dem Reaktor eine oder mehrere isotherme Reaktionszonen vorliegen. Die eine oder mehreren isothermen Reaktionszonen nehmen vorzugsweise mindestens 20% des Reaktorvolumens, vorzugsweise mindestens 30%, 40%, 50%, 60%, 70% oder 80% des Reaktorvolumens, ein. Das verbleibende Reaktorvolumen kann bspw. mit einem Inertmaterial befüllt sein und/oder einen Leerraum aufweisen. Zusätzlich kann eine weitere Reaktionszone in dem Reaktor vorgesehen sein, bspw. eine polytrope Reaktionszone und/oder eine adiabatische Reaktionszone.
-
Der erfindungsgemäße Reaktor kann bspw. bei der Synthese von Chemikalien wie Methanol oder Formaldehyd, Ethylenoxid, langkettiger Alkohole oder Styrol zum Einsatz kommen. Weitere bevorzugte Einsatzmöglichkeiten bestehen in der Hydrierung, Methanisierung, (Clinsulf-)Schwefelrückgewinnung oder der Kohlenmonoxidkonvertierung (Wassergas-Shift-Reaktion). Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Reaktor für die Kohlenmonoxidkonvertierung eingesetzt.
-
Bei dem Reaktor handelt es sich üblicherweise um einen Festbettreaktor, der vorzugsweise aus einem C-Stahl hergestellt ist. Bei einem C-Stahl handelt es sich um einen unlegierten Vergütungs- und Einsatzstahl, bspw. gemäß DIN EN 10083:2007 bzw. DIN EN 10084:2008. Einzelne Bestandteile, insbesondere korrosionsanfällige Bestandteile, wie beispielsweise Wärmetauschelemente, können typischerweise auch aus Edelstahl hergestellt sein. Es kann sich hierbei bspw. um legierte Edelstähle gemäß DIN EN 10027-2:2015 handeln. Schwierigkeiten hinsichtlich der Materialwahl ergeben sich insbesondere in den verwendeten Rohren, da einerseits die Wassergüte (Chloridgehalt) auf der Dampfseite den Einsatz von Edelstahl limitiert, anderseits auf der Außenseite durch die Reaktionsprodukte und flüssiges Wasser Säuren entstehen können, welche C-Stahl korrodieren.
-
Bei dem „Katalysatorbett“ handelt es sich um einen in einer Reaktionszone des Reaktors eingebrachten Katalysator, der insbesondere auf Trägerkörpern aufgebracht sein kann. Die Trägerkörper sind insbesondere in Form einer Schüttung bereitgestellt, die mittels einer geeigneten Struktur an Ort und Stelle gehalten werden kann. Die Struktur wird dabei in Abhängigkeit von der Form, Teilchengröße, etc. des Katalysators ausgestaltet. Die Struktur kann bspw. in Form von Lochplatten und/oder Netzen in der isothermen Reaktionszone vorliegen und diese ggf. von anderen Bereichen des Reaktors abtrennen, die nicht zu der isothermen Reaktionszone gehören.
-
In der isothermen Reaktionszone liegt weiterhin mindestens ein Wärmetauschelement vor. Je nach Reaktionsführung handelt es sich bei dem „Wärmetauschelement“ um mindestens ein Kühlelement oder mindestens ein Heizelement.
-
Das mindestens eine Wärmetauschelement kann jegliche Form, bspw. eine Plattenform oder Röhrenform, oder eine Kombination verschiedener Formen annehmen und durchläuft die Reaktionszone derart, dass die isotherme Reaktionsführung gewahrt ist. Das mindestens eine Wärmetauschelement kann auch an der Reaktorinnenwand anliegen. Dem Fachmann sind geeignete Wärmetauschelemente, insbesondere deren Form, Zahl, Anordnung, Beabstandung zueinander bzw. zu anderen Reaktorbestandteilen etc., geläufig. Wärmetauschelemente entsprechender Art sind beispielsweise in der
US 5,035,867 A ,
CN 105749816 A und
WO 2017/016838 A1 offenbart.
-
Das mindestens eine Wärmetauschelement wird mit einem geeigneten Wärmetauschmedium, bspw. Wasserdampf, beschickt, um die gewünschte Temperatur in der isothermen Reaktionszone bereitzustellen bzw. in diese gezielt eine dosierte und veränderbare Wärmemenge einzubringen oder in entsprechender Weise Wärme abzuführen.
-
Der Isothermreaktor weist in der einfachsten Form neben einem Einlass und Auslass für die Edukte bzw. Reaktionsprodukte ein Katalysatorbett bzw. eine zur Aufnahme eines Katalysatorbetts ausgebildete Aufnahmestruktur, mindestens ein in dem Katalysatorbett bzw. der Aufnahmestruktur vorliegendes Wärmetauschelement, sowie ggf. eine Einfüllöffnung und eine Entnahmeöffnung auf, über die neuer Katalysator in den Reaktor hinzugegeben bzw. verbrauchter Katalysator entnommen werden kann. Ein derartiger Reaktor wird im Regelfall senkrecht betrieben, d.h. die Längsachse des Reaktors entspricht im Wesentlichen der Gravitationsrichtung. Dadurch kann bspw. der Reaktor einfacher mit Katalysator befüllt bzw. dieser entnommen werden. Ein beispielhafter und bevorzugter Reaktor ist der sogenannte Linde-Isothermreaktor.
-
-
Der Begriff „gasförmige Komponente“ betrifft eine beliebige in dem Isothermreaktor bei dessen bestimmungsgemäßer Verwendung gasförmig vorliegende chemische Verbindung. Gasförmige Komponenten schließen ein oder mehrere Edukte bzw. Reaktanten, Produkte (der Reaktion) und das Wärmetauschmedium ein. Bei gasförmigen Komponenten kann es sich auch um unerwünschte Reaktionsprodukte handeln. Beispielsweise kann bei der Kohlenmonoxidkonvertierung aus dem als Edukt verwendetem Wasser und dem Reaktionsprodukt Kohlenstoffdioxid Kohlensäure als unerwünschtes Produkt entstehen.
-
Eine „Taupunktkurve“ bezeichnet die druckabhängige Temperatur einer gasförmigen Komponente in einem Gleichgewichtszustand, bei dem sich Kondensieren der gasförmigen Komponente und Verdunsten der (bereits) kondensierten gasförmigen Komponente genau die Waage halten. Der Dampf-Partialdruck, der am Taupunkt herrscht, ist der Sättigungsdampfdruck. Die Taupunktkurve gibt somit den Partialdruck der gasförmigen Komponente in Abhängigkeit der Temperatur wieder und zeigt mithin an unter welchen Bedingungen die gasförmige Komponente kondensiert. Für die Erstellung der Taupunktkurve ist die jeweilige Zusammensetzung des Gas-Dampfgemisches erforderlich. Diese Zusammensetzung des Gas-Dampfgemisches kann der Fachliteratur entnommen werden oder für einen Reaktor anhand von Sensoren bzw. Sensordaten oder in silico bestimmt werden.
-
Der Begriff „Taupunktunterschreitung“ beschreibt die Unterschreitung einer Temperatur, bei der die gasförmige Komponente unter den im Reaktor herrschenden Betriebsbedingungen anfängt zu kondensieren.
-
Mit dem Begriff „Mittel zum Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt des Reaktors“ wird hier eine technische Einrichtung bezeichnet, die den Oberflächenabschnitts derart erwärmt, dass eine Kondensation der gasförmigen Komponente nicht erfolgt bzw. ggf. gebildetes Kondensat verdampft, mithin die Kondensationstemperatur an diesem Oberflächenabschnitt nicht unterschritten wird. Dies kann beispielweise dadurch geschehen, dass an dem Oberflächenabschnitt zusätzliche Heizmittel, bspw. in Form eines Netzes, vorgesehen sind, die ständig oder vorzugsweise zeitweise, bspw. in regelmäßigen Intervallen, betrieben werden. Die Verwendung eines zusätzlichen Heizmittels hat den Vorteil, dass die optimale Reaktionstemperatur entweder unwesentlich oder lediglich in einem räumlich begrenzten Bereich, dem Oberflächenabschnitt, des Reaktors erhöht wird.
-
Hingegen stellen „Mittel zum Nachweisen eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt des Reaktors“ Mittel dar, die dafür eingerichtet sind, alleine oder in Kombination Daten bereitzustellen, die wiederum eine Kondensation an einem Oberflächenabschnitt abbilden. Entsprechende Mittel umfassen insbesondere eine Anzahl von Sensoren. Um die Kosten für die Installation, Wartung und Betrieb der Sensoren gering zu halten werden für gewöhnlich lediglich eine begrenzte Anzahl von Sensoren in dem Reaktor, bspw. 50 oder weniger, 40 oder weniger, 30 oder weniger, 20 oder weniger, besonders bevorzugt 10 oder weniger, insbesondere 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, oder 2 Sensoren, verwendet. Vorzugsweise werden aufgrund der weitgehend gleichmäßigen Druckausbreitung lediglich ein einzelner Drucksensor und ein oder mehrere Temperatursensoren verwendet.
-
Die Sensoren umfassen vorzugsweise mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Drucksensor. Geeignete Sensoren, die an die im Reaktor vorliegenden Bedingungen angepasst sind, sind dem Fachmann geläufig. Die von den Sensoren bereitgestellten Daten werden insbesondere verwendet, um eine Taupunktkurve und/oder Taupunktunterschreitung zu bestimmen. Wie erwähnt, können auch Konzentrationssensoren beliebiger Art zum Einsatz kommen.
-
Die Taupunktkurve wird vorzugsweise durch die Verwendung von drei Sensoren ermittelt. Ein erster Temperatursensor ermittelt die Temperatur am Edukteinlass. Ein zweiter Temperatursensor ermittelt die Temperatur des Wärmetauschelements, vorzugsweise innerhalb der isothermen Reaktionszone.
-
Ein Drucksensor bestimmt den Druck innerhalb des Reaktors. Der Drucksensor ist vorzugsweise derart platziert, dass der geringste im Reaktor vorherrschende Druck ermittelt wird, falls sich, beispielsweise durch Staueffekte, Druckverluste in einem entsprechenden Isothermreaktor ergeben sollten. Dies geschieht im Regelfall durch Anordnen des Drucksensors an einer hochgelegenen Stelle in oder in unmittelbarer Nähe der isothermen Reaktionszone, vorzugsweise unmittelbar oberhalb, d.h. entgegen der Gravitationsrichtung, der isothermen Reaktionszone. Die vorstehend beschriebene Anordnung von drei Sensoren ist lediglich beispielhaft und bildet eine mögliche Anordnung mit einer geringen Sensorenzahl innerhalb des Reaktors ab.
-
Insbesondere die Verwendung weiterer Temperatursensoren und ggf. auch weiterer Drucksensoren erhöht die Genauigkeit der Taupunktkurve und/oder vereinfacht die Bestimmung einer Taupunktunterschreitung bzw. präzisiert insbesondere die Bestimmung eines von einer Kondensation betroffenen Oberflächenabschnitts innerhalb des Reaktors. Durch die Verwendung weiterer Sensoren kann ein von einer Taupunktunterschreitung betroffener Oberflächenabschnitt genauer ermittelt und/oder zumindest ein Bereich eingegrenzt werden, in dem sich der jeweils betroffene Oberflächenabschnitt befindet.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung geht von einer in einem Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone aus, die zur Durchführung einer Reaktion eingerichtet ist. In wenigstens einem Bereich des Reaktors liegt dabei eine gasförmige Komponente vor. Die gasförmige Komponente kann einen oder mehrere Reaktanten und/oder ein oder mehrere Produkte und/oder ein oder mehrere Wärmetauschmedien, vorzugsweise Wasserdampf, umfassen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass beispielsweise bei der Kohlenmonoxidkonvertierung in einem Isothermreaktor, bei der die Eintrittsgase Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf nahe dem Taupunkt (evtl. durch bereits vorliegende Störungen in der Anlage oder Schäden im vorgeschalteten Equipment) vorliegt, sich an kälteren Bauteilen Kondensat bilden kann. Diese kälteren Bauteile können in erster Linie die Rohre, aber auch sonstige Einbauteile oder schlecht isolierte Mantelpartien sein. Der Niederschlag in Form von Flüssigkeit, ggf. sogar Säure, setzt sich für gewöhnlich zuerst an Ungänzen der Materialoberfläche an. Durch entstehende Korrosionsprodukte werden diese Ungänzen dann weiter verstärkt. Durch das Vorhandensein der Flüssigkeit allein, ggf. in Zusammenwirkung mit dem Prozessgas, kann Korrosion auftreten.
-
Bei der Kohlenmonoxidkonvertierung kann dadurch im einfachsten Fall durch Bestimmen der mantelseitigen Reaktoreintrittstemperatur der Edukte und der in den Wärmetauschelementen vorliegenden Dampftemperatur, wobei lediglich die geringere der beiden bestimmten Temperaturen in Betracht zu ziehen ist, sowie des Druckes im oberen Teil der Wärmetauschelemente mittels einer Taupunktkurve ein Alarm in einer Messwarte installiert werden, der einen möglichen Niederschlag von Flüssigkeit an den Wärmetauschelementen oder an einem anderen Oberflächenabschnitt des Reaktors meldet. Dies kann für den Start-up und Shut-down vernachlässigt werden, da es sich hierbei um kurze Zeitspannen und somit lediglich um tolerierbare Korrosionsangriffe handelt. Zusätzlich zu dem Alarm können ebenfalls noch Regelungen bzw. Protokolle in die Reaktorsteuerung implementiert werden, die bspw. sicherstellen, dass die Temperaturen wieder in einem akzeptablen Bereich, ggf. einschließlich einer Sicherheitsreserve, zurückgeführt werden können.
-
Mithin kann es durch das Kondensieren einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt des Reaktors zu Korrosionsschäden an dem Reaktormaterial kommen. Herbei ist insbesondere kondensiertes Wasser zu nennen, d.h. flüssiges Wasser, dass entweder aus einem Wärmetauschelement austritt oder als Reaktant bzw. Edukt für die Reaktion eigesetzt wird oder im Rahmen der ablaufenden Reaktion als Reaktionsprodukt entsteht. Sobald an einem Oberflächenabschnitt innerhalb des Reaktors eine kritische Temperatur, namentlich der Taupunkt der betreffenden gasförmigen Komponente, unterschritten wird, lagert sich Flüssigkeit an dem Oberflächenabschnitt an und kann im Lauf der Zeit zu Korrosionsschäden an dem Material des Oberflächenabschnitts führen. Dadurch wird die Lebenszeit des Reaktors verringert. Gegebenenfalls müssen Wartungen häufiger durchgeführt werden.
-
Es ist ebenfalls denkbar, dass derartige Korrosionsschäden nicht nur innerhalb des Reaktors, sondern auch im Bereich des Edukteinlass und/oder auch in einem Bereich stromabwärts des Reaktors stattfinden, da der Produktstrom ebenfalls einen Anteil der gasförmigen Komponente mit sich führen kann. Vorzugsweise wird daher die zum Nachweisen und/oder Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente eingerichtete Anordnung an einem oder beiden dieser Bereiche angebracht.
-
Bei Schäden an einem Wärmetauschelement kann ferner der isotherme Reaktionsablauf nicht gewährleistet werden, d.h. die Ausbeute nimmt ab. Wenn die Korrosionsschäden in der Entstehung von Rost begründet sind, d.h. durch kondensiertes Wasser hervorgerufen werden, kann ferner die Leistungsfähigkeit des Katalysators beeinträchtigt werden, da Rost häufig als Katalysatorgift fungiert.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, das Kondensationsverhalten mindestens einer gasförmigen Komponente im Reaktor zu bestimmen und/oder dieses zu verfolgen bzw. zu überwachen. Dies kann bspw. durch den Einsatz von Sensoren, insbesondere Temperatursensoren und Drucksensoren, erfolgen, die an geeigneten Stellen im Reaktor angebracht sind. Auch Sensoren zur Bestimmung der Konzentrationen einer oder mehrerer Komponenten in einem dem Reaktor zugeführten Gasgemisch können bereitgestellt sein. Mithilfe der von den Sensoren bereitgestellten Daten kann eine Taupunktkurve erstellt werden, die die gasförmige Komponente unter den im Reaktor herrschenden Bedingungen kennzeichnet, und/oder eine Taupunktunterschreitung festgestellt werden. Auch ohne eine entsprechende Bestimmung und Überwachung können jedoch, beispielsweise an als kritisch bekannten Stellen eines Reaktors, Maßnahmen zur Vermeidung einer Kondensation, insbesondere umfassend eine lokale Erwärmung, durchgeführt werden.
-
Durch die Implementierung der vorgeschlagenen Mittel zum Nachweisen und/oder Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt eines Reaktors kann allgemein eine längere Haltbarkeit der Reaktoren und eine erhöhe Kundenzufriedenheit erzielt werden. Der Einsatz von kostengünstigem C-Stahl in Isothermreaktoren wird damit sicher. So kann bspw. im Rahmen einer Wartung der Reaktoren oder Herstellung neuer Reaktoren das mindestens eine Wärmetauschelement mit einer Anzahl beabstandeter Wärmesensoren vorgesehen werden.
-
Die Feststellung der Taupunktunterschreitung kann qualitativ sein, d.h. lediglich das Ereignis als solches aufzeigen, oder quantitativ bzw. lokalisiert erfolgen, d.h. eine räumliche Eingrenzung auf einem betroffenen Oberflächenabschnitt des Reaktors ermöglichen. Durch den Einsatz mehrerer Sensoren, insbesondere Temperatursensoren, und deren Anordnung an korrosionsgefährdeten Stellen, bspw. Schweißnähten, und/oder bekannten, bspw. konstruktionsbedingten Stellen innerhalb des Reaktors mit tendenziell niedriger Temperatur, bspw. dem Edukteinlass, aber auch an weiteren beliebigen Stellen, kann der Ort der Taupunktunterschreitung genauer bestimmt bzw. weiter eingegrenzt werden.
-
Die Sensoren stehen vorzugsweise mit der Messwarte in Verbindung, d.h. die von den Sensoren ermittelten Daten werden an die Messwarte übermittelt. Eine Änderung der Taupunktkurve und/oder eine Taupunktunterschreitung und/oder ggf. ein von einer Taupunktunterschreitung betroffener Oberflächenabschnitt können bestimmt werden und geeignete Gegenmaßnahmen können ergriffen werden. Beispielsweise kann bei einem derartigen Ereignis ein Alarm ausgelöst werden.
-
Es ist ebenso möglich eine Änderung der Taupunktkurve und/oder eine Taupunktunterschreitung mit anderen Reaktorparametern, bspw. der Raum-Zeit-Ausbeute, zu korrelieren. Wie bereits vorher angemerkt, hängt die optimale Raum-Zeit-Ausbeute von einer optimalen Temperatur innerhalb der isothermen Reaktionszone und einer erwartungsgemäßen Aktivität des Katalysators ab. Abweichungen bei einer oder beiden dieser Eigenschaften können ebenso auf Änderungen der Taupunktkurve und/oder eine Taupunktunterschreitung hindeuten bzw. zusammen mit dieser für die Auswertung herangezogen werden.
-
Durch die Kenntnis einer Taupunktunterschreitung können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die bspw. in einer Erhöhung der Temperatur der gasförmigen Komponente bestehen können oder in einer vorgezogenen Wartung. Beispielsweise kann die Temperatur des Wärmetauschmediums erhöht werden. Von Nachteil ist hierbei, dass die Raum-Zeit-Ausbeute absinkt, jedoch besteht dabei die Möglichkeit einen Kondensationspunkt und damit einen potentiellen Entstehungsort bzw. eine potentielle Entstehungsursache eines Korrosionsschadens nachhaltig zu eliminieren. Weitere Möglichkeiten bestehen in einer zusätzlichen Erwärmung der Reaktanten oder des Reaktoreinlasses.
-
Der Möglichkeit einer Taupunktunterschreitung kann, ggf. auch präventiv, begegnet werden, indem Heizmittel, bspw. ein beheizbares Netz, in dem Reaktor bereitgestellt werden. Das Netz wird hierzu entweder dauerhaft oder zweitweise erwärmt, um Kondensationspunkte zu vermeiden oder ggf. bereits angelagerte Flüssigkeit zu entfernen, d.h. erneut zu verdampfen und ggf. mit dem Produktstrom aus dem Reaktor zu entfernen, oder deren Menge zumindest zu verringern. Alternativ und vorzugsweise kann das Netz in Reaktion auf eine detektierte Taupunktunterschreitung betrieben werden. Vorzugsweise wird lediglich ein bestimmter Abschnitt des Netzes betrieben, der im Wesentlichen in der Nähe der detektierten Taupunktunterschreitung liegt. Im Wesentlichen in der Nähe beinhaltet eine Beabstandung von weniger als 0,5 m, vorzugsweise weniger als 0,4 m, weniger als 0,3 m, weniger als 0,2 m oder weniger als 0,1 m zu dem jeweiligen Sensor bzw. den Sensoren.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Mittel bereitgestellt, die eine Vielzahl von Sensoren zum Bestimmen der Temperatur und des Drucks aufweisen. Die Sensoren sind in dem Reaktor, insbesondere in der einen isothermen Reaktionszone, angeordnet. Die von den Sensoren bereitgestellten Daten können für ein Bestimmen einer Taupunktunterschreitung der gasförmigen Komponente oder zur Erstellung einer Taupunktkurve verwendet werden.
-
Vorzugsweise wird mindestens ein Sensor zum Bestimmen einer Reaktoreintrittstemperatur, mindestens ein Sensor zum Bestimmen einer Dampftemperatur des Wärmetauschelements und mindestens ein Sensor zum Bestimmen eines Dampfdrucks des mit Dampf betriebenen Wärmetauschelements vorgesehen. Die niedrigste in dem Reaktor bestimmte Temperatur wird anschließend zusammen mit dem durchschnittlichen bestimmten Druck, bspw. dem Medianwert der gemessenen Drücke, zum Bestimmen einer Taupunktunterschreitung der gasförmigen Komponente und/oder zur Erstellung einer Taupunktkurve verwendet.
In Reaktion auf die Feststellung einer Taupunktunterschreitung kann ein Alarm in der Messwarte ausgelöst werden. Wahlweise können Mittel zum Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt des Reaktors automatisch oder manuell betrieben werden.
-
Vorteilhafterweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Mittel zum Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt des Reaktors ein beheizbares Netz, wobei das beheizbare Netz im Wesentlichen an dem Oberflächenabschnitt des Reaktors vorliegt.
-
Der Begriff „im Wesentlichen an dem Oberflächenabschnitt“ bezeichnet insbesondere eine Beabstandung von weniger als 0,5 m, vorzugsweise weniger als 0,4 m, weniger als 0,3 m, weniger als 0,2 m oder weniger als 0,1 m zu dem Oberflächenabschnitt des Reaktors. Das beheizbare Netz kann den Oberflächenabschnitt des Reaktors auch ohne Abstand, d.h. direkt, kontaktieren.
-
Bei dem von einer Kondensation betroffenen Oberflächenabschnitt kann es sich um einen Oberflächenabschnitt einer Mantelinnenfläche des Reaktors und/oder einen Oberflächenabschnitt des mindestens einen Wärmetauschelements und/oder einen Oberflächenabschnitt eines sonstigen Einbauteils handeln. Es wurde festgestellt, dass insbesondere etwaig vorhandene Ungänzen von einem Kondensieren betroffen sind. Ähnliches gilt für weitere Bauteile des Reaktors, wie einem Prallblech an einem Gaseintritt des Reaktors und/oder einer Schweißnaht.
-
Der betroffene Oberflächenabschnitt kann insbesondere aus C-Stahl bestehen. Alternativ dazu kann der betroffene Oberflächenabschnitt aus Edelstahl bestehen, bspw. das mindestens eine Wärmetauschelement.
-
Der erfindungsgemäße Reaktor kann endotherm oder exotherm betrieben werden. Die endotherme oder exotherme Betriebsweise hat unter anderem einen Einfluss auf die Anordnung, Zahl, Material und Form des/der Wärmaustauschelemente.
-
Vorzugsweise liegt das mindestens eine Wärmaustauschelement als mindestens ein Rohrbündel vor. Das Rohrbündel kann spiralförmig um die Zentralachse des Reaktors oder linear entlang der Längsachse angeordnet sein, wobei die Rohrbündel in der isothermen Reaktionszone vorliegen.
-
Gasförmige Komponenten, deren Kondensation nachgewiesen bzw. vermieden wird, kann bzw. können ein oder mehrere Reaktionsedukte, bspw. Wasser bei der Kohlenmonoxidkonvertierung, und/oder ein oder mehrere Reaktionsprodukte, bspw. bei der Kohlenmonoxidkonvertierung entstandenes Kohlenstoffdioxid, das mit nicht umgesetztem Edukt, d.h. Wasser, zu Kohlensäure reagieren kann, und/oder ein oder mehrere Wärmaustauschmittel, bspw. bei der Kohlenmonoxidkonvertierung verwendeter Wasserdampf, umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Reaktor um einen Linde-Isothermreaktor.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Herstellung einer chemischen Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone.
-
Beispielhafte chemische Verbindungen umfassen Ethylenoxid, langkettige Alkohole, Ammoniak, etc. Vorzugsweise wird die Anlage zur Herstellung von Ammoniak eingesetzt. Der Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone ist hierbei für die Kohlenmonoxidkonvertierung vorgesehen.
-
Die gasförmige Komponente, deren Kondensation nachgewiesen bzw. vermieden wird, ist hierbei vorzugsweise bei der Kohlenmonoxidkonvertierung eingesetztes Wasser als Edukt und/oder bei der Kohlenmonoxidkonvertierung entstandenes Kohlenstoffdioxid und/oder als Wärmaustauschmittel eingesetzter Wasserdampf.
-
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage und deren vorteilhaften Eigenschaften sei auf die zuvor bezüglich des erfindungsgemäßen Reaktors mit einer isothermen Reaktionszone und seiner Ausgestaltungen erläuterten Aspekte ausdrücklich verwiesen.
-
Vorteilhafterweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verwenden eines Temperatursensors und mindestens eines Drucksensors zum Bestimmen einer einen Reaktor mit einer isothermen Reaktionszone kennzeichnenden Taupunktkurve, vorzugsweise zum Bestimmen einer Taupunktunterschreitung einer gasförmigen Komponente in dem Reaktor vorgesehen.
-
Die Erfindung wird in bevorzugten Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
Figurenliste
-
- 1 veranschaulicht einen Isothermreaktor gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
In 1 ist ein Isothermreaktor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet.
-
Wenngleich in 1 ein spezieller Typ eines Isothermreaktors gezeigt ist, welcher radial durchflossen wird, kann die Erfindung grundsätzlich mit allen Arten von Isothermreaktoren verwendet werden. Grundsätzlich weist ein Isothermreaktor die Vorzüge eines Röhrenreaktors auf und vermeidet gleichzeitig die Wärmespannungsprobleme eines Geradrohrreaktors.
-
Gas/Gas-, Gas/Flüssigkeit- und Flüssigkeit Flüssigkeitsreaktionen können durchgeführt werden. Für den Kühl- bzw. Heizbetrieb können im Reaktor die fühlbare Wärme von Gasen und Flüssigkeiten sowie die latente Verdampfungswärme genutzt werden. Ein im Katalysator eingebettetes Heiz- oder Kühlrohrbündel überträgt die Reaktionswärme so, dass der Katalysator bei optimaler Temperatur arbeiten kann. Daraus ergeben sich höhere Leistung, längere Lebensdauer des Katalysators, weniger Nebenprodukte sowie effiziente Rückgewinnung der Reaktionswärme und niedrigere Reaktorkosten. Ein entsprechender Reaktor basiert insbesondere auf der Konstruktion spiralgewickelter Wärmetauscher.
-
Ein weiterer Typ eines entsprechenden Isothermreaktors ist beispielsweise bei Kopyscinski, J. et al., „Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry biomass - A technology review from 1950 to 2009", Fuel, Band 89, Ausgabe 8, August 2010, Seiten 1763 bis 1783 dargestellt.
-
Der Reaktor 1 weist zum Einbringen neuen Katalysators für ein Katalysatorbett 2 eine Einfüllöffnung 3 und zum Entfernen verbrauchten Katalysators eine Entleerungsöffnung 4 auf. Oberhalb und unterhalb des Katalysatorbetts 2 ist insbesondere Inertmaterial 5 eingefüllt, um Bypässe zu vermeiden und ggf. die Menge an Katalysator, bspw. aus Einsparungsgründen, zu reduzieren. Das Katalysatorbett 2 ist in Richtung der Reaktorwand durch einen mit Durchlassöffnungen versehenen Mantel 6 begrenzt, beispielsweise aus Lochblech und einem Maschensieb. Der Mantel 6 ist mit Abstand zu der Reaktorwand angeordnet und bildet mit dieser zusammen einen Raum 7 mit ringförmigem Querschnitt.
-
Reaktanten werden über eine Zufuhr 8 in den Raum 7 innerhalb des Reaktors 1 verbracht. Im Inneren des Katalysatorbetts 2 ist entlang der Zentralachse des Reaktors 1 ein Rohr 9 angeordnet, das im Bereich des Katalysatorbetts 2 Perforationen aufweist. Das Rohr 9 ist entgegen der Gravitationsrichtung im Reaktor abschlossen, wohingegen es in Gravitationsrichtung durch den Reaktor nach Außen geführt und als Abführungsöffnung für Produkt und ggf. nicht reagierten Reaktant ausgebildet ist.
-
Innerhalb des Katalysatorbetts 2 sind Wärmetauschelemente 10 in Form von Rohrbündeln angeordnet, die an ihren Enden in Rohrsammlern 11, 12 zusammengefasst sind. Die Wärmetauschelemente 10 verlaufen in der dargestellten Ausführungsform geradlinig. Alternativ können die Rohre um das Rohr 9 spiralförmig angeordnet sein oder eine sonstige Anordnung annehmen um eine im Wesentlichen konstante Temperatur in dem Katalysatorbett 2 sicherzustellen. Die Wärmetauschelemente 10 dienen zur Führung eines Heiz- oder Kühlfluids. Die Vorzugsströmungsrichtung des in den Rohren 10 geführten Fluids verläuft im Regelfall entgegen der Gravitationsrichtung.
-
Wird in dem Reaktor 1 eine exotherme Synthesereaktion, z.B. eine Methanol- oder Ammoniaksynthese, durchgeführt, so wird der Reaktant, der eine niedrigere Temperatur als das Reaktionsprodukt aufweist, über den Einlass 8 zugeführt. Der Reaktant verteilt sich zunächst gleichmäßig in dem Raum 7 und durchströmt im Anschluss das Katalysatorbett 2 in radialer Richtung in Richtung des Rohrs 9, wie durch die Pfeile 13 angezeigt. Die bei der katalytischen Synthese freiwerdende Wärme wird von in den Wärmetauschelementen 10 geführtem Kühlfluid, z.B. verdampfendem Wasser, aufgenommen und abgeführt. Der Verlauf des Kühlfluids wird durch Pfeile 13 angezeigt. Nach Durchströmen der Reaktionszone gelangt das reagierte Fluid ins Innere des Rohres 9 und verlässt den Reaktor 1 durch dieses entgegen der Gravitationsrichtung.
-
In dem Reaktor 1 sind ferner Mittel 14, 15 zum Nachweisen und/oder Vermeiden eines Kondensierens einer gasförmigen Komponente an einem Oberflächenabschnitt 16 vorgesehen. Die Mittel 14 stellen Temperatursensoren dar, die sowohl am Einlass 8, als auch an und/oder in dem Wärmetauschelement 10 angeordnet sind. Das Mittel 15 stellt einen oberhalb des Rohrs 9 und noch innerhalb des Katalysatorbetts 2 angeordneten Drucksensor dar.
-
Die Mittel 14, 15 übertragen die während des Reaktorbetriebs erhaltenen Sensordaten mittels im Reaktor 1 verlegter Leitungen zu der Messwarte (nicht gezeigt). In der Messwarte wird aufgrund einer vom Mittel 14 ermittelten Temperatur, die eine Taupunktunterschreitung kennzeichnet, ggf. ein Alarm ausgegeben. Aufgrund der bekannten Lage des Mittels 14 kann auf den Oberflächenabschnitt 16 geschlossen werden, in dem die Taupunktunterschreitung stattgefunden hat. Gegebenenfalls können entsprechende Gegenmaßnahmen, bspw. eine selektive Erhöhung der Temperatur des Wärmetauschmediums in einem oder mehreren an den Oberflächenabschnitt 16 angrenzenden Wärmetauschelementen 10, ergriffen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 5035867 A [0019]
- CN 105749816 A [0019]
- WO 2017/016838 A1 [0019]
- DE 3414717 A1 [0022]
- DE 2848014 A1 [0022]
- DE 3935030 A1 [0022]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN EN 10084:2008 [0016]
- DIN EN 10027-2:2015 [0016]
- J. et al., „Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry biomass - A technology review from 1950 to 2009“, Fuel, Band 89, Ausgabe 8, August 2010, Seiten 1763 bis 1783 [0063]
