DE10354414A1 - Membranreaktor mit keramischen Membranrohren und metalischem Gehäuse - Google Patents

Abstract

Es wird ein Membranreaktor mit keramischen Membranrohren 14 beschrieben, die an beiden Enden an jeweils gemeinsamen Rohrböden 10 befestigt sind. Die beiden parallel zueinander angeordneten Rohrböden 10 sind am äußeren Umfang über die gesamte Länge der Membranrohre 14 mit einem metallischen Mantel 13 versehen. Zur Verhinderung einer axialen Relativbewegung zwischen Mantel 13 und Membranrohre 14 aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung weist der Mantel 13 einen balgförmigen Axialkompensator 12 auf. Außerdem sind die Deckelflansche 9 der beiden Deckel 5, 6 mittels Schraubenbolzen 7 verbunden, die die beiden Deckel 5, 6 zusammenpressen und die Membranrohre 14 in axiale Richtung auf Druck beanspruchen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Membranreaktor mit keramischen Membranrohren die an beiden Enden an einem jeweils gemeinsamen Rohrboden befestigt sind, wobei die beiden parallel zueinander angeordneten Rohrböden am äußeren Umfang über die gesamte Länge der Membranrohre mit einem metallischen Mantel versehen sind und an den Rohrböden Zu- und Abführungsstutzen aufweisende Deckel angebracht sind, die über Deckelflansche auf dem metallischen Mantel aufsitzen.
• Derartige Membranreaktoren sind für eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Prozessen einsetzbar. Bei der Erzeugung von Synthesegas wird beispielsweise der einen Seite (Retentatseite) einer gasdichten aber Sauerstoffionen und Elektronen leitenden Keramikmembran ein sauerstoffhaltiges heißes Gasgemisch zugeführt. Auf der anderen Seite (Permeatseite) wird der Sauerstoff sofort mit einem zugeführten Kohlenwasserstoff zu Synthesegas umgesetzt. Der Sauerstofftransport durch derartige Keramikmembranen erfolgt in der gewünschten Richtung, wenn auf der Retentatseite der Sauerstoffpartialdruck größer als auf der Permeatseite ist. Der optimale Arbeitsbereich der Keramikmembran liegt gewöhnlich bei Temperaturen zwischen 700 und 1100°C. Die Keramikmembranen können in Form von Platten oder Röhren eingesetzt werden. Solche Membranreaktoren sind beispielsweise aus der EP 0 875 281 A1 , der EP 0 875 285 A1 , der US 6,033,632 A und der US 5,980,840 A bekannt.
• Als problematisch gilt bei derartigen Membranreaktoren die Befestigung der keramischen Membranrohre. Eine sogenannte fliegende Anordnung der Membranrohre führt zu Schwingungen verbunden mit starken mechanischen Beanspruchungen. Bei beidseitig in einem Rohrboden befestigten Membranrohren können unzulässig hohe Zugspannungen in den keramischen Membranrohren auftreten. Ein vollkeramisches Rohrbündel, das aus Membranrohren und Rohrböden besteht, ist fertigungstechnisch problematisch und äußerst kompliziert im Aufbau. Infolge ungleichmäßiger Gasverteilung um die Membranrohre sind diese ungleichen Temperaturen ausgesetzt, ganz besonders auch beim Aufheizen und Abkühlen. Ungleiche Temperaturen bewirken unterschiedliche thermische Dehnungen, wodurch unzulässig hohe Zug- und Druckspannungen in den Membranrohren auftreten können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Membranreaktor der eingangsgenannten Art so auszugestalten, dass die genannten Nachteile vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mantel einen balgförmigen Axialkompensator zur Verhinderung einer durch unterschiedliche Wärmedehnung bedingten axialen Relativbewegung zwischen Mantel und Membranrohren aufweist und die Deckelflansche der beiden Deckel mittels Schraubenbolzen verbunden sind, die die beiden Deckel zusammenpressen und die Membranrohre in axialer Richtung auf Druck beanspruchen.
• Dabei liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass beim Einsatz von keramischen Membranrohren Zugspannungen innerhalb der Keramik unbedingt verhindert werden müssen, da die Zugempfindlichkeit sehr groß ist. Andererseits ist die Druckfestigkeit im Allgemeinen etwa 8 mal größer als die Zugfestigkeit. Der erfinderische Gedanke besteht nun dann, thermisch bedingte unzulässige Zugspannungen zu verhindern, aber Druckspannungen, solange sie die zulässige Grenze nicht überschreiten, zuzulassen.
• Erfindungsgemäß wird das folgendermaßen erreicht:
  Die durch unterschiedliche Wärmedehnung bedingte axiale Relativbewegung zwischen Mantel und Membranrohren wird durch einen balgförmigen Axialkompensator im Mantel verhindert. Mittels der Schraubenbolzen, die die beiden Deckel zusammenpressen, werden die Membranrohre in axialer Richtung auf Druck beansprucht.
• Vorzugsweise sind die Schraubenbolzen zur Übertragung der Druckkraft mit Druckfedern versehen. Dabei liefern die Schraubenbolzen gleichzeitig auch die erforderliche Dichtkraft an den Deckelflanschen.
• Im Montagezustand ist bevorzugt eine Vorspannung der Druckfedern eingestellt, die sowohl im kalten Zustand als auch im heißen Betriebszustand eine ausreichende Dichtkraft an den Deckelflanschen liefert und zu keiner Überschreitung der maximal zulässigen Druckspannung der Membranrohre führt.
• Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist an mindestens jeweils einem Ende der Membranrohre ein zweiteiliges metallisches Rohrstück mit Axialkompensator zum Ausgleich von unterschiedlichen axialen Wärmedehnungen der Membranrohre untereinander angebracht. Dadurch wird verhindert, dass unzulässige Zugspannungen in der Keramik auftreten und andererseits die erforderlichen Druckkräfte übertragen werden. Dabei können die Axialkompensatoren an einem oder an beiden Enden der Membranrohre angebracht sein.
• Der Membranreaktor kann mehrere Bündel von Membranrohren aufweisen, die im Verbund mit einem oberen und unteren Deckel zusammengepresst werden.
• Eine Einbindung eines Nachreaktors ohne Membranrohre ist ebenfalls möglich.
• Die Membranrohre bestehen vorzugsweise aus einer Sauerstoffionen und Elektronen leitenden Keramik oder aus einer porösen Trägerkeramik, deren Oberfläche mit einer Sauerstoffionen und Elektronen leitenden Schicht beschichtet ist.
• Außerdem können die Membranrohre mit einem körnigen Katalysator gefüllt sein.
• Der erfindungsgemäße Membranreaktor kann mit besonderem Vorteil zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Herstellung von Synthesegas eingesetzt werden. Aber auch sonstige selektive Oxidationen können mit dem Membranreaktor durchgeführt werden. Eine zukünftig an Bedeutung zunehmende Anwendungsmöglichkeit besteht in der Gewinnung eines mit Sauerstoff angereicherten Gasgemisches. Hierbei wird anstelle von Kohlenwasserstoffen ein Schleppgas, z. B. Kohlendioxid, eingesetzt, das sich im Membranreaktor mit Sauerstoff anreichert. Auch die Gewinnung von reinem Sauerstoff gehört zu den bevorzugten Anwendungsmöglichkeiten. Dabei durchströmt ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch die Membranrohre, wobei reiner Sauerstoff vom Außenraum der Membranrohre abgezogen werden kann.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
• Es zeigen
• 1 eine Seitenansicht des Membranreaktors
• 2 eine Detailansicht der Membranrohrbefestigung am Rohrboden mit axialer Dehnungskompensation
• In den beiden Figuren sind die jeweiligen Apparateteile mit folgenden Bezugsziffern bezeichnet:

1

Zuführungsstutzen für den Kohlenwasserstoff

2

Abführungsstutzen für das Reaktionsgemisch

3

uführungsstutzen für sauerstoffhaltiges Gasgemisch

4

Abführungsstutzen für an Sauerstoff abgereichertes Gasgemisch

5

Oberer Deckel

6

Unterer Deckel

7

Schraubenbolzen

8

Druckfeder

9

Deckelflansch

10

Rohrboden

11

Schweißringdichtung

12

balgförmiger Axialkompensator des Mantels

13

Mantelzarge

14

Membranrohre

15

Einschweißrohre

16

Rohrstück, gasdicht am keramischen Membranrohr befestigt

17

Rohrstück, gasdicht am Einschweißrohr 15 befestigt18 Axial-Kompensator für Membranrohre

18

Axial-Kompensator für Membranrohre

19

Leitrohr

• Die Merkmale des in den beiden Figuren dargestellten Membranreaktors werden nachfolgend gemeinsam beschrieben:
  Der Membranreaktor weist ein Bündel von keramischen Membranrohren 14 auf, die an an mindestens einem Ende ein zweiteiliges metallisches Rohrstück 16, 17 aus einer hochtemperaturfesten Legierung besitzen und mittels Einschweißrohren 15 in einem jeweils gemeinsamen Rohrboden 10 befestigt sind. Die beiden parallel zueinander angeordneten Rohrböden 10 sind am äußeren Umfang über die gesamte Länge der Membranrohre 14 mit einem metallischen Mantel 13 versehen. Durch den Mantelraum, der Zuführungsstutzen 3 und Abführungsstutzen 4 enthält, strömt das sauerstoffhaltige Gasgemisch. Der durch die Membran transportierte Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenwasserstoff, der im Innenraum der keramischen Membranrohre 14 strömt. Dazu sind die an den Rohrböden 10 angebrachten Deckel 5, 6 mit Zuführungsstutzen 1 und Abführungsstutzen 2 versehen.
• Beim Betrieb des Membranreaktors wird das heiße, sauerstoffhaltige Gasgemisch über den Zuführungsstutzen 3 beispielsweise unter einem Druck von 1,5 bar und einer Temperatur von 900°C in den Mantelraum geführt. Die Erzeugung eines derartigen Gasgemisches kann beispielsweise in einer Brennkammer unter Frischluftüberschuss erfolgen. Das sauerstoffhaltige Gasgemisch strömt um die Membranrohre 14 zum Abführstutzen 4. Dort wird ein an Sauerstoff abgereichertes Gasgemisch abgezogen und ggf. einer weiteren Nutzung zugeführt. Der an der inneren Oberfläche der Membranrohre 14 austretende Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenwasserstoff, der über den Zuführungsstutzen 1 (ggf. unter Hinzufügung von Wasserdampf) mit einer Temperatur von 900°C und einem Druck von 15 bis 30 bar zugeführt wird. Das entstehende Synthesegas tritt mit einer Temperatur von etwa 950°C und einem Druck von 15 bis 30 bar am Abführungsstutzen 2 aus.

Claims (10)

1. Membranreaktor mit keramischen Membranrohren (14) die an beiden Enden in einem jeweils gemeinsamen Rohrboden (10) befestigt sind, wobei die beiden parallel zueinander angeordneten Rohrböden (10) am äußeren Umfang über die gesamte Länge der Membranrohre (14) mit einen metallischen Mantel (13) versehen sind und an den Rohrböden (10) Zu- und Abführungsstutzen (1.2) aufweisende Deckel (5, 6) angebracht sind, die über Deckelflansche (9) auf dem metallischen Mantel (13) aufsitzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13 einen balgförmigen Axialkompensator (12) zur Verhinderung einer durch unterschiedliche Wärmedehnung bedingten axialen Relativbewegung zwischen Mantel (13) und Membranrohren (14) aufweist und die Deckelflansche (9) der beiden Deckel (5, 6) mittels Schraubenbolzen (7) verbunden sind, die die beiden Deckel (5, 6) zusammenpressen und die Membranrohre (14) in axialer Richtung auf Druck beanspruchen.
2. Membranreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbolzen (7) zur Übertragung der Druckkraft mit Druckfedern (8) versehen sind.
3. Membranreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Montagezustand eine Vorspannung der Druckfedern (8) eingestellt ist, die sowohl im kalten Zustand als auch im heißen Betriebszustand eine ausreichende Dichtkraft an den Deckelflanschen (9) liefert und zu keiner Überschreitung der maximal zulässigen Druckspannung der Membranrohre (14) führt.
4. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens jeweils einem Ende der Membranrohre (14) ein zweiteiligen metallisches Rohrstück (16, 17) mit Axialkompensator (18) zum Ausgleich von unterschiedlichen axialen Wärmedehnungen der Membranrohre (14) untereinander angebracht ist.
5. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranreaktor mehrere Bündel von Membranrohren (14) aufweist.
6. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Membranrohre (14) mit einem körnigen Katalysatormaterial gefüllt ist.
7. Membranreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranrohre (14) aus einer Sauerstoffionen und Elektronen leitenden Keramik oder einer porösen Trägerkeramik, deren Oberfläche mit einer Sauerstoffionen und Elektronen leitenden Keramik beschichtet ist, bestehen.
8. Verwendung eines Membranreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Herstellung von Synthesegas.
9. Verwendung eines Membranreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Gewinnung eines mit Sauerstoff angereicherten Gasgemisches.
10. Verwendung eines Membranreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Gewinnung von reinem Sauerstoff.