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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lanze zur gleichmäßigen Beaufschlagung
aufeinanderliegender Katalysatorscheiben nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 sowie die Verwendung der Lanze in einem Stapelreaktor
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
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Aus
der
DE-OS 15 42 510 ist
ein Katalysatorrohr mit übereinanderliegenden
Katalysatorschichten bekannt, bei dem die umzusetzenden Gase oder Dämpfe über die
ganze Länge
des zylindrischen Reaktionsraumes an einem Mantelabschnitt verteilt werden
und weitgehend senkrecht durch den gesamten Querschnitt der Katalysatorfüllung strömen und wobei
das erhaltene Reaktionsgemisch aus dem dem genannten Mantelabschnitt
gegenüberliegenden
Teil des Reaktionsraumes abgeführt
wird.
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Aus
der
DE 196 54 361
A1 ist ein Reaktor in Stapelbauweise bekannt mit einem
Stapel aus mehreren platten- und/oder rohrförmigen Elementen, die so gestaltet
und übereinandergestapelt
sind, daß zwei
voneinander fluidgetrennte Gruppen von jeweils unter sich in Fluidverbindung
stehenden Strömungskanälen, die
im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen und alternierend
im Stapel angeordnet sind und von denen eine erste Gruppe als Reaktionskanäle und die
zweite Gruppe als Wärmeträgerkanäle fungieren,
wobei die den Reaktionskanälen
zugewandten Wandungen der Elemente wenigstens teilweise mit einer
Katalysatorbeschichtung versehen sind.
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Aus
der
DE 197 43 673.0 ist
ein aus aufeinandergestapelten Katalysatorscheiben gebildeter Stapelreaktor
bekannt. Zur Herstellung eines derartigen Stapelreaktors wird aus
mindestens einem Katalysatorpulver durch Verpressen eine einen Formkörper (Katalysatorscheibe)
bildende dünne
und stark komprimierte Schicht gebildet, wobei dem Katalysatorpulver
Kupferpulver, insbesondere dendritisches Kupfer, beigemischt wird.
Im Anschluß an
das Verpressen wird der Formkörper
einer Sinterung unterzogen und anschließend werden die einzelnen Katalysatorscheiben
aufeinandergestapelt und zu einem Stapelreaktor verbunden. Bei dem
Verbinden der einzelnen Katalysatorscheiben muß auf eine dichte Ausbildung
der Fügestellen
zwischen den einzelnen Katalysatorscheiben geachtet werden.
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Eine
typische Anwendung eines derartigen Stapelreaktors ist beispielsweise
die Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol, welche auf der Gesamtreaktion
CH
3OH + H
2O → CO
2 + 3H
2 basiert.
Zur Durchführung
dieser Reaktion wird in der Praxis ein den Kohlenwasserstoff und
Wasserdampf umfassendes Reaktionsgemisch unter Zufuhr von Wärme an einem
geeigneten Katalysator entlanggeleitet, um in einem zwei- oder mehrstufigen
Reaktionsablauf den gewünschten
Wasserstoff zu erzeugen. Eine derartige Vorrichtung zur zweistufigen
Methanol-Reformierung ist beispielsweise aus der
EP 0 687 648 A1 bekannt.
In der bekannten Vorrichtung wird das Reaktionsgemisch einem ersten
Reaktor zugeführt,
in dem nur ein Teilumsatz des Methanols angestrebt wird. Nach dem
Durchströmen
des ersten Reaktors wird das Gasgemisch, in welchem noch Anteile
nicht umgesetzter Edukte enthalten sind, einem zweiten Reaktor zugeleitet,
der restumsatzoptimiert aufgebaut ist.
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Die
Zudosierung der zu reagierenden Edukte erfolgt typischerweise dadurch,
daß diese
in einen Einlaßkanal,
welcher durch fluchtende Anordnung von Durchbrüchen in den einzelnen Katalysatorscheiben
des Stapelreaktors gebildet ist, eingeführt wird. Als nachteilig erweist
sich hierbei, daß bei
einem einseitigen Einbringen bzw. Eindüsen von flüssigen Edukten (beispielsweise
von oben) in den Einlaßkanal
keine ausreichende Gleichverteilung der Edukte bezüglich der
einzelnen Scheiben erreicht wird. Dies bewirkt, daß im Bereich
des Kanaleinganges angeordnete Katalysatorscheiben mit relativ großen Eduktmengen
beaufschlagt werden, während weiter
entfernt von dem Kanaleingang angeordneten Katalysatorscheiben eine
relativ kleine Eduktmenge zugeführt
wird. Diese Ungleichverteilung kann beispielsweise dazu führen, daß die katalytische
Reaktion bei den erstgenannten Katalysatorscheiben in relativ ineffektiver
Weise erfolgt, während
die letztgenannten Katalysatorscheiben nicht ausreichend ausgelastet
sind und nicht ausreichend beheizt werden. Dies führt dazu,
daß zur
Erzielung einer gewünschten
Reaktionsrate relativ große
Stapelreaktoren verwendet werden müssen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Lanze, mit welcher
eine gleichmäßige Beaufschlagung
der einzelnen Katalysatorscheiben mit zugeführten Edukten erzielbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Lanze zur gleichmäßigen Beaufschlagung
aufeinanderliegender Katalysatorscheiben mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie durch die Verwendung der Lanze in einem Stapelreaktor mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 3.
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Erfindungsgemäß ist es
durch diese Lanze nun möglich,
die einzelnen Scheiben eines Stapelreaktors gleichmäßig mit
zugeführten
Edukten zu beaufschlagen. Hierdurch ist eine optimale Dimensionierung
eines Stapelreaktors möglich,
bei welcher sowohl zu hohe, als auch zu niedrige Beaufschlagungen
von Katalysatorscheiben mit zu reagierenden Edukten wirksam vermieden
werden können
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches
2.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rohrförmigen Lanze
sind die Auslässe
oder Mittel zur Ausgabe des wenigstens einen eingeführten Eduktes
als Löcher
in der Mantelwand der Lanze ausgebildet. Hiermit ist in besonders
preiswerter Weise eine gleichmäßige Beaufschlagung
einzelner Katalysatorscheiben eines Stapelreaktors zur Verfügung gestellt.
Hierbei kann das wenigstens eine eingeführte Edukt als aus den Löchern austretender Strahl
in die einzelnen Scheibenkanäle
eingespritzt werden, wobei für
die katalytische Reaktion notwendige weitere Edukte, beispielsweise
Luft, parallel zudosiert werden können.
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Zweckmäßigerweise
ist die Lanze als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet, wobei das
wenigstens eine, in das Innenrohr des Doppelrohres einführbare Edukt über in der
Mantelwand des Innenrohres ausgebildete Löcher oder Düsen in das umgebende Außenrohr
austritt, und mittels dem Außenrohr
zugeführtem
Gas, insbesondere Luft, zerstäubt wird,
wobei das derart zerstäubte
Edukt über
weitere, in der Mantelwand des Außenrohres vorgesehene Löcher, auf
die Katalysatorscheiben aufbringbar ist. Hierdurch kann, unter Ausnutzung
des Prinzips der Zweistoffdüse,
in einfacher und zuverlässiger
Weise eine Zerstäubung
des zugeführten
Eduktes durchgeführt
werden. Dadurch, daß die
Löcher
bzw. Düsen mit
sehr kleinem Durchmesser, beispielsweise > 0,4 mm, ausgebildet werden können, ist
zudem in wirksamer Weise ein Flammrückschlag verhindert, wodurch
der sichere Betrieb des erfindungsgemäßen Stapelreaktors gewährleistet
ist.
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Zweckmäßigerweise
sind die Düsen
derart dimensioniert, daß zwischen
den jeweiligen Düsen und
der Mantelwand des Außenrohres
ein schmaler Spalt mit der Breite von 0,1–0,3 mm gebildet ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lanze
wird nun anhand der beigefügten
Zeichnung im einzelnen erläutert.
In dieser zeigt:
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1 in
seitlicher Darstellung einen Schnitt durch einen aus mehreren aufeinandergestapelten Katalysatorscheiben
gebildeten Stapelreaktor, in welchem eine erfindungsgemäße Lanze,
wie sie in 2 dargestellt ist, einführbar ist;
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2 in
seitlicher Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lanze,
welche beispielsweise in den Stapelreaktor der 1 einführbar ist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
des unteren Teils der Lanze der 2, und
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4 eine
seitliche Ansicht eines schematisiert dargestellten Stapelreaktors
mit einer in den Eduktkanal des Reaktors eingeführten ebenfalls schematisiert
dargestellten erfindungsgemäßen Lanze.
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In 1 ist
ein aus einer Anzahl aufeinandergestapelter Katalysatorscheiben 10 gebildeter Stapelreaktor 20 dargestellt.
Man erkennt, daß durch ein
alternierendes Aufeinanderstapeln mehrerer um jeweils 180° verdrehter
Katalysatorscheiben 10 eine Grundstruktur erzeugt wird,
bei welcher Vorsprünge 12a bzw. 12b benachbarter
Katalysatorscheiben 10 jeweils aufeinander zu liegen kommen.
Kontakte zwischen den jeweiligen Katalysatorscheiben 10,
welche als Fügestellen
bezeichnet werden, sind mit Bezugszeichen 18 versehen.
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Aufgrund
der Vorsprünge 12a, 12b liegen
die Flächen
der Katalysatorscheiben 10 beabstandet zueinander, so daß zwischen
den einzelnen Katalysatorscheiben 10 Hohlräume gebildet
werden, die beispielsweise mit Gitternetzen 16 als Stützeinrichtung ausgefüllt sind.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Struktur
des Stapelreaktors 20 nach unten von einer Katalysatorscheibe 10' abgeschlossen,
die mittig durchgehend abgeschlossen ist (Bezugszeichen 14).
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Die
einzelnen Katalysatorscheiben 10 sind jeweils mittig mit
Durchbrüchen 11 ausgebildet,
welche miteinander fluchten, so daß insgesamt ein sich durch
den Stapelreaktor erstreckender Kanal 21 gebildet wird.
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In
den Kanal 21 ist eine Lanze 30 gemäß der Erfindung,
wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist,
einführbar.
Die Lanze 30 ist in Form eines konzentrischen Doppelrohres
mit einem Innenrohr 31 und einem Außenrohr (Hülse) 32 ausgebildet.
Hierbei ist das Innenrohr 31 innerhalb eines Grundkörpers 33 gehaltert.
Das Innenrohr 31 ist entlang seiner Längserstreckung mit einer Anzahl
von Löchern 34 ausgebildet,
welche jeweils mit Düsen 35,
welche auf dem das Innenrohr umgebenden Grundkörper 33 gehaltert
sind, fluchten. Zwischen den jeweiligen Düsen 35 und der Mantelwand
des Außenrohres 32 ist
ein Spalt 37 einer Breite von etwa 0,1–0,3 mm ausgebildet. Dieser
Spalt ist in der 3 zu erkennen. Es sei angemerkt,
daß der
Spalt 37 in seiner Breite weiter variiert werden kann.
Das Außenrohr 32 ist
seinerseits mit Löchern 50 ausgebildet,
welche mit Düsenöffnungen 35a der
Düsen fluchten.
Insbesondere in 3 erkennt man, daß die Löcher 50 in
dem Außenrohr 32 in
Richtung der Außenseite
des Rohres 32 sich konisch erweiternd ausgebildet sind.
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Die
dargestellte Lanze 30 weist in ihrem oberen Bereich einen
Flansch 40 auf, mittels dessen die Lanze bei Einführung in
einen Kanal eines Stapelreaktors auf der Oberseite des Stapelreaktors
anbringbar ist. Der Flansch 40 dient ferner zur Stabilisierung des
Doppelrohres.
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Über die
Stirnseite 42 des Innenrohres ist ein Edukt, beispielsweise
Methanol, in das Innenrohr 31 der Lanze 30 einführbar (Pfeil
M). Gleichzeitig ist über
einen in dem Flansch 40 ausgebildeten Einlaß 41 Luft
in das Außenrohr 32 einführbar (Pfeil
L).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Lanzenaufbau ist
gewährleistet,
daß das
in das Innenrohr eingebrachte Edukt gleichmäßig über die Löcher 34 bzw. die mit
diesen fluchtenden Düsenkörper 35 aus
dem Innenrohr 31 austritt. Vor dem anschließenden Austritt
des Eduktes aus den mit den Düsenkörpern 35 fluchtenden
Löchern 50 im
Außenrohr 32 kommt
der Eduktstrahl in Wirkverbindung mit der durch das Außenrohr
durchströmenden
Luft. Hierdurch kommt es zu einer Zerstäubung des Eduktstrahls, so
daß insgesamt
ein zerstäubtes
Edukt aus den Löchern 50 austritt
und die einzelnen Katalysatorscheiben beaufschlagt.
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Durch
die erfindungsgemäße Unter-
bzw. Hintereinanderanordnung der jeweiligen Düsenkörper und ihre jeweilige Dimensionierung
ist gewährleistet,
daß entlang
der Längserstreckung
der Lanze 30 ein gleichmäßiger Austritt von zerstäubtem Edukt erfolgt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 erweist es sich als besonders
vorteilhaft, die fluchtenden Löcher bzw.
Düsenkörper 34, 35, 50 derart
anzuordnen, daß sie
auf gleicher Höhe
wie die Gitternetze 16 ausgebildet sind. Hiermit ist eine
besonders effektive katalytische Umsetzung des Eduktes in dem die
Gitternetze jeweils umgebenden Katalysatormaterial erzielbar.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird nun ein Beispiel eines
Stapelreaktors 20 beschrieben, welcher eine erfindungsgemäße Lanze
zur gleichmäßigen Verteilung
aufweist.
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Hier
sind, stark schematisch, einzelne übereinanderliegende Katalysatorscheiben
wiederum mit 10 bezeichnet. Zwischen den jeweiligen Katalysatorscheiben
ausgebildete Reaktionskanäle
sind mit 70 bezeichnet. Bei im wesentlichen runder Ausbildung des
Stapelkörpers
bilden die Einlaßkanäle 70 jeweils Ringspalte.
Die Höhe
der Einlaßkanäle beträgt beispielsweise
0,5 mm. In den Eduktkanal 21 des dargestellten Stapelreaktors,
der, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, durch
fluchtende Anordnung von Durchbrüchen
in den einzelnen Katalysatorscheiben 10 gebildet ist, ist
eine erfindungsgemäße Lanze 30 zur
gleichmäßigen Beaufschlagung
der aufeinanderliegenden Katalysatorscheiben eingeführt. Die
Lanze ist hier stark schematisch dargestellt, wobei auf eine explizite
Darstellung des Innenaufbaus der Lanze verzichtet wurde. Es ist
bevorzugt, daß die
Lanze 30 einen doppelrohrförmigen Aufbau entsprechend
der Lanze 30 gemäß 2 aufweist. Es
sei angemerkt, daß anstelle
einer Zerstäubung des
der Lanze zudosierten Eduktes (schematisch mittels Löchern 50 in
der Außenwandung
der Lanze 30 dargestellt) das der Lanze zugeführte Edukt
bzw. Flüssigkeitsgemisch
als Flüssigkeitsstrahl
in die Kanäle 70 der
jeweiligen Katalysatorscheiben eingespritzt werden könnte, wobei
hierbei mittels nicht dargestellter Luftzuführungsmittel Luft gleichzeitig
den Kanälen 70 zudosiert
wird.