DE10320966A1 - Wärmeisolierter Hochtemperaturreaktor - Google Patents

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Harald Dr. Ranke
Hanno Tautz
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Abstract

Es wird ein Hochtemperaturreaktor vorgeschlagen, dessen Hochtemperaturwärmeisolierung (3) aus einem locker geschichteten Isoliermaterial gebildet ist, wobei an zumindest einer Endseite des Hochtemperaturreaktors ein Längsdehnungsspalt (5) oder ein flexibles Isoliermaterial zur Kompensation von Längsdehnungen des Isoliermaterials vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit einer Wärmeisolierung.
  • Derartige Hochtemperaturreaktoren werden z.B. in der chemischen oder petrochemischen Industrie eingesetzt, um Reaktionen zwischen verschiedenen Stoffströmen zur Herstellung eines Produktes oder Zwischenproduktes aus Rohstoffen durchzuführen. Häufig sind solche Reaktoren zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen vorgesehen, wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, z.B. Erdgas, mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei hohen Temperaturen von z.B. 1000–1600°C umgesetzt wird. Beispielsweise werden zur Erzeugung von Synthesegas mit einem Stahlmantel versehene, zylindrische Reaktoren verwendet, deren Zylinder mit Klöpper- oder Korbbogenboden abgeschlossen sind. Zum Schutz des Stahlmantels vor Wärme ist im Inneren der Reaktoren eine wärmedämmende Ausmauerung aus feuerfesten Steinen und Feuerfestbeton eingebaut. Im Inneren des Reaktors läuft eine partielle Oxidation von gasförmigen oder flüssigen und festen Brennstoffen bei Temperaturen von z.B. 1200–1500°C ab. Die Flammentemperaturen können 2000 °C und mehr erreichen. Da die bestehenden Ausmauerungen nur für Temperaturen < 1600 °C ausgelegt sind, wird die Konstruktion der Ausmauerung und des Reaktors relativ bauchig ausgeführt, so dass ein großer Abstand zwischen Ausmauerung und Flamme besteht. Die Wärmeisolierung besteht aus feuerfesten Steinen, die als statisch selbsttragender Baukörper im Reaktormantel mit feuerfestem Mörtel eingemauert werden. Der feuerfeste Mörtel ist auf Grund seiner Bestandteile, wie z.B. Eisenoxiden rußfördernd.
  • Bei der Inbetriebnahme des Reaktors muss eine langsame Aufheizung mit einer Heizrate von 30–50 °C/h erfolgen, damit sich in der Ausmauerung keine Spannungsrisse bilden und es nicht zu Abplatzungen an der Oberfläche kommt. Dehnfugen und Abstandsfugen müssen der Wärmeausdehnung der Materialien angepasst sein. Derartige Reaktoren sind z.B. in " Hydrocarbon Technologie International 1994, S. 125 ff.", beschrieben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass auf wirtschaftliche Weise eine Steigerung der Umsatzleistung, eine Verringerung der Herstellkosten und eine schnelle Inbetriebnahme der Vorrichtung erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmeisolierung aus einem locker geschichteten, hochtemperaturbeständigen Isoliermaterial gebildet ist. Zweckmäßigerweise ist an zumindest einer Endseite des Hochtemperaturreaktors ein Längsdehnungsspalt oder flexibles Isoliermaterial zur Kompensation von Längsdehnungen des Isoliermaterials vorgesehen.
  • Die Wärmeisolierung sollte dabei eine möglichst geringe Wärmeleitung haben, um die Wärmeverluste zu reduzieren, und sie sollte höchsten Temperaturen zwischen z.B. 1500 und 2000 °C standhalten. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei Materialien mit poröser Schaum- und/oder Faserstruktur gezeigt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Sauerstoffverbrauch und Umsatzleistung der Reaktoren stark von Reaktortemperatur, Flammentemperatur und Wärmeverlusten des Reaktors abhängen. Durch den Einsatz von locker geschichtetem Isoliermaterial aus hochtemperaturfesten Werkstoffen zur Wärmedämmung, die zugleich eine verbesserte Isolierwirkung als bisherige Materialien haben, lassen sich die Wärmeverluste des Reaktors nach außen und in der Verbrennungsflamme deutlich reduzieren.
  • Herkömmliche Hochtemperaturreaktoren mit konventionellem Reaktordesign haben reaktortechnische Nachteile. Die über eine Brennerdüse in den Reaktor einströmenden Medien erzeugen einen Impulsstrom, der eine Kreislaufströmung im Reaktor anregt. Durch diesen Kreislaufstrom erfolgt eine schnelle Aufheizung der Medien auf Zündtemperatur, sodass sich hinter der Brennerdüse eine Flamme bildet. Im Verhältnis zur Flammentemperatur ist jedoch die Temperatur der Kreislaufströmung deutlich niedriger, so dass die Flamme durch das zugemischte Kreislaufgas gekühlt wird.
  • Diese Nachteile können dadurch behoben werden, dass der Reaktordurchmesser reduziert und eine Rohrströmung im Reaktor erzeugt wird.
  • Mit den bestehenden Ausmauerungen besteht dann die Gefahr einer lokalen Überhitzung und nachhaltigen Schädigung des Materials. Auf Grund der hohen Wärme leitfähigkeit ist die Isolierschichtdicke größer und damit der Reaktormanteldurchmesser größer, was zu höheren Kosten führt.
  • Insbesondere bei derartigen Rohrströmungsreaktoren kann die erfindungsgemäße Wärmeisolierung mit Vorteil eingesetzt werden, da sie auch sehr hohe Temperaturen von über 1600 °C dauerhaft verträgt.
  • Vorzugsweise ist die Wärmeisolierung aus zylindrischen oder plattenförmigen Formelementen aufgebaut, wobei die Formelemente über ihren Umfang geteilt sein können.
  • Während bisher übliche Isolierungen für Hochtemperaturreaktoren mit hohem Zeitaufwand in den Reaktor auf der Baustelle eingemauert werden mussten, kann die erfindungsgemäße Wärmeisolierung aus Formteilen locker geschichtet und vormontiert werden.
  • Die herkömmliche Isolierung benötigte darüber hinaus rußfördernden feuerfesten Mörtel, der beim neuen Material nicht erforderlich ist.
  • Durch die lockere Schichtung der Wärmeisolierung ist eine freie Wärmeausdehnung möglich, so dass keine zusätzlichen Spannungen in der Wärmeisolierung auftreten.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine innere und eine äußere Wärmeisolierung vorgesehen, wobei die innere Wärmeisolierung eine höhere Dichte, Härte und Temperaturbeständigkeit als die äußere Wärmeisolierung aufweist und die innere Wärmeisolierung mit Formelementen locker geschichtet ist.
  • Zur Ermöglichung einer freien Wärmeausdehnung ist die innere Wärmeisolierung vorzugsweise gegenüber der äußeren Wärmeisolierung durch einen Spalt getrennt, so dass die beiden Wärmeisolierungen gegeneinander frei verschieblich sind. Die äußere Wärmeisolierung ist dabei zweckmäßigerweise zumindest an einer Endseite des Hochtemperaturreaktors fest verankert.
  • Um eine besonders effektive Wärmedämmung zu gewährleisten, ist die wärmeisolierende Schicht vorzugsweise mit poröser Schaum- und/oder Faserstruktur für eine geringe Wärmeleitung von 0,14 bis 0,5 W/mK bei Temperaturen bis 1600°C ausgelegt.
  • Die wärmeisolierende Schicht weist bevorzugt eine Dauerbeständigkeit bei Temperaturen über 1600°C auf. Zweckmäßigerweise besteht die Schicht aus hochtemperaturbeständigen Materialien, insbesondere Al2O3 und/oder SiO2 und/oder ZrO2 und/oder Wolfram. Darüberhinaus ist die Schaum- und/oder Faserstruktur bevorzugt weich und flexibel, aber formstabil und weist eine niedrige Dichte von 0,1 bis 1 kg/m3, bevorzugt 0,15 bis 0,7 kg/m3, besonders bevorzugt 0,19 bis 0,5 kg/m3 auf. Außerdem ist die Oberfläche der wärmeisolierenden Schicht zweckmäßigerweise einer Oberflächenbehandlung unterworfen worden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die wärmeisolierende Schicht aus mindestens zwei Komponenten, die sich durch unterschiedliche Dichte und/oder Härte und/oder Dehnungsvermögen und/oder Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
  • Zur Ausbildung einer gerichteten Gasströmung unter Vermeidung einer Zirkulationsströmung im Reaktionsraum, insbesondere einer Rohrströmung, ist der Hochtemperaturreaktor vorzugsweise so konstruiert, dass sich die Reaktorwandung in einem Einlaufbereich des Reaktionsraums gleichmäßig vom Durchmesser der Einströmungsöffnung auf den größten Durchmesser des Reaktionsraumes aufweitet. Dabei umfasst die Aufweitung der Wandung vorteilhafterweise einen Neigungswinkel der Wandfläche zur Strömungsrichtung der Gasströme im Reaktionsraum von weniger als 90°, vorzugsweise zwischen 0 und 45° und besonders bevorzugt zwischen 30 und 45°. Der Einlaufbereich kann jedoch auch direkt mit einer sprunghaften Erweiterung auf einen größeren Rohrdurchmesser erfolgen, wobei sich am Eintritt nur eine kleine Rezirkulationszone ausbildet. Es wird nach wie vor die Großraumzirkulation vermieden. Weiterhin kann die Strömung unmittelbar auf gleichem Durchmesser wie der Brenner in einen Reaktionsteil münden. An dem Einlaufbereich schließt sich zweckmäßigerweise ein zylindrischer Bereich des Reaktionsraums mit konstantem Durchmesser an. Diesem zylindrischen Bereich folgt schließlich ein Auslaufbereich, in dem sich der Durchmesser des Reaktionsraums vorzugsweise in Strömungsrichtung reduziert.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens weist der zylindrische Bereich und/oder der Auslaufbereich ein Katalysatormaterial auf. Dadurch können die reaktiven Umsetzungen der Gasströme gezielt katalytisch beeinflusst werden. Darüberhinaus ermöglicht dies eine weitere Steigerung der Umsatzleistung der Vorrichtung.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schlägt sich in einer gezielten Auswahl geometrischer Daten der Vorrichtung nieder, mit denen die Ausbildung einer gerichteten Gasströmung unter Vermeidung einer Zirkulationsströmung im Reaktionsraum gewährleistet wird. So beträgt das Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Reaktionsraums zwischen 2/3 und 1/30, bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20 und besonders bevorzugt zwischen 4/10 und 1/10. Außerdem beträgt das Flächenverhältnis von Einströmungsöffnungsquerschnitt zu maximalem Reaktionsraumquerschnitt vorteilhafterweise zwischen 1/2 und 1/20, bevorzugt zwischen 1/4 und 1/10.
  • Mit der Erfindung sind eine Reihe von Vorteilen verbunden:
    • – Einfacher, schneller Aufbau und Montage.
    • – Vormontage möglich, da leichte Materialien verwendet werden.
    • – Schneller Anfahrbetrieb, da hohe Isolierwirkung und freie Verschiebbarkeit durch Wärmedehnung der Formteile möglich ist.
    • – Keine rußfördernden Materialien.
    • – Geringere Isolierwandstärke wegen guter Isolierwirkung.
    • – Besseres Umsatzverhalten wegen höherer Temperaturbeständigkeit.
    • – Geringere Rusbildung in der Flamme wegen Rohrströmungscharakter.
  • Der erfindungsgemäße Hochtemperaturreaktor eignet sich für verschiedene Anwendungszwecke:
    Ein Anwendungsgebiet stellt die autotherme Ethanspaltung dar. Dabei wird Ethan unter Sauerstoffzugabe in ein ethylenhaltiges Produktgas gespalten. Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der autothermen Ethanspaltung ist die Vorrichtung für die entsprechenden Betriebsbedingungen ausgelegt. Die mit der Erfindung erreichte Reduzierung der Wärmeverluste wirkt sich hierbei positiv auf die Wirtschaftlichkeit der autothermen Ethanspaltung aus.
  • Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas. Dabei werden gasförmige und/oder flüssige und/oder feste Brennstoffe bei Temperaturen von über 1000 °C im Hochtemperaturreaktor behandelt. Mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturreaktor ist eine wesentliche Steigerung der Umsatzleistung zu erzielen.
  • Ein interessantes Anwendungsgebiet ist auch der Einsatz der Erfindung im Zusammenhang mit der Wasserstofftechnologie für den Antrieb von Kraftfahrzeugen. Beispielsweise kann in sogenannten Automobilreformern im Kraftfahrzeug Benzin in Wasserstoff reformiert werden. Ein Nachteil herkömmlicher Automobilreformer besteht darin, dass bei der Reformierung von Benzin große Mengen Ruß entstehen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine deutliche Verringerung der Rußbildung erreicht werden. Außerdem bietet sich die kompakte Bauweise für Automobilreformer mit kleinem Platzbedarf an.
  • Auch bei Wasserstofftankstellen kann die Erfindung mit Vorteil eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung konstruktiv auf die Anforderungen einer Wasserstofftankstelle zur Produktion von Wasserstoff in Kleinreformern ausgelegt. Das primär erzeugte Synthesegas kann unter Dampfzugabe zu höherem Wasserstoffgehalt verschoben werden. Durch eine nachgeschaltete Shift-Reaktion kann das restliche Kohlenmonoxid zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt werden. Von besonderem Vorteil sind auch hier die minimierten Wärmeverluste und die schnelle Startbereitschaft und kompakte Bauweise der Anlage.
  • Die Vorrichtung kann auch für eine Umsetzung von H2S und SO2 in Claus-Anlagen ausgelegt sein. Durch die Verringerung von Wärmeverlusten ergibt sich auch hier eine Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit und damit eine verbesserte Umsatzleistung.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden:
  • Es zeigen:
  • 1 Längs- und Querschnitt eines Rohrreaktors mit Wärmeisolierung
  • 2 Längsschnitt eines Reaktors mit eingebautem Rohrbrenner und Detailansicht des Rohrbrenners
  • Der in 1 dargestellte Hochtemperaturreaktor weist einen Reaktormantel 1 mit einer äußeren Wärmeisolierung 2 und einer inneren Wärmeisolierung 3 auf. Das innere der Isolierung hat eine höhere Dichte, Härte und Temperaturbeständigkeit als die äußere Isolierung und ist mit Formelementen locker geschichtet. Die Elemente können, müssen aber nicht über ihren Umfang geteilt sein. Zur Kompensation der Längsdehnung ist im oberen Bereich ein Spalt 5 vorgesehen. Die Innenisolierung 3 ist gegenüber der Außenisolierung 2 durch einen Spalt 7 getrennt und damit frei verschieblich. Die Außenisolierung ist im Kopfbereich fest mit dem Flanschdeckel und dem zylindrischen Teil des Flansches verbunden. Der Brenner 4 ist durch den Spalt 6 von der Innenisolierung getrennt und frei verschieblich. Die Innenisolierung kann aus zylindrischen Formstücken oder ebenen Platten aufgebaut sein.
  • Die Außenisolierung 3 hat eine geringere Dichte und Formfestigkeit als die innere Isolierung und kann radiale Dehnungen der Innenisolierung aufnehmen.
  • Als Variante zum Rohrreaktor kann, wie in 2 dargestellt, auch ein Rohrbrenner in bestehenden Reaktoren eingesetzt werden. Dabei schließt ein Brennkammerrohr mit Hochtemperaturisolierung 4 direkt an den Brenner 1 an. Die Isolierung kann hier z.T. als ein Rohrformstück 4 eingebracht werden. Allerdings muss auch hier eine axiale Verschieblichkeit z.B. gegenüber dem Diffusorteil 2 durch einen Spalt 3 gegeben sein.
    •

Claims (19)

  1. Hochtemperaturreaktor mit einer Wärmeisolierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung aus einem locker geschichteten Hochtemperaturisoliermaterial gebildet ist.
  2. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung aus zylindrischen Formelementen aufgebaut ist.
  3. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung aus plattenförmigen Formelementen aufgebaut ist.
  4. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente über ihren Umfang geteilt sind.
  5. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere und eine äußere Wärmeisolierung vorgesehen sind, wobei die innere Wärmeisolierung eine höhere Dichte, Härte und Temperaturbeständigkeit als die äußere Wärmeisolierung aufweist und die innere Wärmeisolierung mit Formelementen locker geschichtet ist.
  6. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wärmeisolierung gegenüber der äußeren Wärmeisolierung durch einen Spalt getrennt und gegeneinander frei verschieblich sind.
  7. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wärmeisolierung zumindest an einer Endseite des Hochtemperaturreaktors fest verankert ist.
  8. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial eine poröse Schaum und/oder Faserstruktur aufweist.
  9. Hochtemperaturreaktor von einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung für eine Wärmeleitung von 0,14 bis 0,5 W/mK bei Temperaturen bis 1600°C ausgelegt ist.
  10. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung eine Dauerbeständigkeit bei Temperaturen über 1600°C aufweist.
  11. Hochtemperaturreaktor nach einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung aus hochtemperaturbeständigen Materialien, insbesondere Al2O3 und/oder SiO2 und/oder ZrO2 und/oder Wolfram besteht.
  12. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung eine niedrige Dichte von 0,1 bis 1 kg/m3, bevorzugt 0,15 bis 0,7 kg/m3, besonders bevorzugt 0,19 bis 0,5 kg/m3 aufweist.
  13. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial weich und flexibel, aber formstabil ist.
  14. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Isoliermaterials einer Oberflächenbehandlung unterworfen worden ist.
  15. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Endseite des Hochtemperaturreaktors ein Längsdehnungsspalt oder flexibles Isoliermaterial zur Kompensation von Längsdehnungen des Isoliermaterials vorgesehen ist.
  16. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierungsteile durch Formstücke oder Bindemittel miteinander verbunden werden.
  17. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturreaktor als Reaktor zur Synthesegaserzeu gung mittels partieller Oxidation von gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Brennstoffen bei Temperaturen von über 1000 °C ausgebildet ist.
  18. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturreaktor eine eine gerichtete Gasströmung im Hochtemperaturreaktor begünstigende und großräumige Zirkulationsströmungen verhindernde geometrische Form mit einer Längserstreckung von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung aufweist.
  19. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Durchmesser zur Länge des Hochtemperaturreaktors zwischen 2/3 und 1/30, bevorzugt zwischen 1/2 und 1/20, besonders bevorzugt zwischen 4/10 und 1/10 beträgt.
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