DE202021001131U1 - Electrically directly heated catalysts for endothermic tube bundle reactors - Google Patents
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Abstract
Rohrbündelreaktor (1) für endothermische Reaktionen dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohren (3) katalytisch aktive Einbauten (3a,b,c) zur Durchführung von Reaktionen vorgesehen sind. Tube bundle reactor (1) for endothermic reactions, characterized in that catalytically active internals (3a, b, c) for carrying out reactions are provided in the tubes (3).
Description
In der Chemietechnik werden Rohrbündelreaktoren sehr oft für katalysierte verfahrenstechnische Prozesse eingesetzt. Hierbei werden Katalysatoren als Festbettschüttung in bis zu 40.000 parallel aufgebauten Rohren angeordnet, die als Wärmetauscher zwischen dem mit Katalysator gefüllten Innenraum und dem Außenraum wirken. Der Innendurchmesser solcher Rohre kann zwischen 10 und 50 cm und die Höhe bis zu 4 m (Ausnahmen
Rohrbündelreaktoren werden für stark exotherme oder endotherme Reaktionen verwendet, bei denen für einen intensiven Wärmeaustausch gesorgt werden muss.Tube bundle reactors are used for strongly exothermic or endothermic reactions in which an intensive heat exchange has to be ensured.
Bei der exothermen Prozessführung kann die freiwerdende Reaktionswärme an Kühlmittel (Wärmeträgerölen, Salzschmelzen, Wasser, etc.), das um die Rohre fließt, abgeführt werden.In the exothermic process, the released heat of reaction can be dissipated in the coolant (heat transfer oils, molten salt, water, etc.) that flows around the pipes.
Bei den endothermen Verfahren kann die benötigte Wärme, z.B. durch eine sehr hohe Anzahl von Deckenbrennern (bis zu 3000), an die Rohrbündelrohre übertragen werden. Hierbei soll die Wärme der Feuerungsflamme durch Strahlung an die Rohrwand und dann durch Wärmeleitung weiter nach innen an die keramische Katalysatorschüttung und an das durchströmende Fluid transportiert werden. Es werden auch Rohrbündelreaktoren mit Seitenbrennern eigesetzt, allerdings erfordert dies den
Die Leistungsfähigkeit von endothermischen Rohrbündelreaktoren ist stark abhängig von der Wärmeerzeugung und -verteilung innerhalb des Reaktors, aber, was noch viel wichtiger ist, auch von der Wärmeleitung innerhalb der bisher verwendeten keramischen Schüttschichtkatalysatoren.The performance of endothermic tube bundle reactors is heavily dependent on the generation and distribution of heat within the reactor, but, what is even more important, also on the heat conduction within the ceramic packed bed catalysts used up to now.
Durch Wärmetransportmechanismen aufgrund der unzureichenden Wärmeleitung der keramischen Katalysatoren und die gleichzeitig ablaufenden endothermen Reaktionen stellt sich ein unterschiedliches axiales und gleichzeitig ein radiales Temperaturprofil innerhalb der Reaktionsrohre ein.Due to the heat transport mechanisms due to the insufficient heat conduction of the ceramic catalysts and the simultaneously occurring endothermic reactions, a different axial and, at the same time, a radial temperature profile is established within the reaction tubes.
Die endotherme Verfahrensführung ist zwar Stand der Technik, aber sie erfordert einen sehr hohen peripheren Aufwand für die Brennstoffvorhaltung, die Wärmezuführung und nicht zuletzt für die sicherheitsrelevanten Überwachungen bei Ausfall dieser Komponenten.The endothermic process management is state of the art, but it requires a very high peripheral expenditure for the fuel supply, the heat supply and, last but not least, for the safety-relevant monitoring in the event of failure of these components.
Seit Jahrzehnten erfolgen endotherme Reaktionen in Rohrbündelreaktoren mittels keramischer Katalysatoren. Dieses Konzept ist allgemein bekannt, relativ einfach und lässt sich durch Ändern der Anzahl der Rohre relativ unproblematisch skalieren. Ein Nachteil fast aller Festbettkonfigurationen ist jedoch das Wärmemanagment, da eine sehr große Anzahl kleiner Rohre erforderlich ist, um das Temperaturprofil innerhalb der Schüttung zu vergleichmäßigen und mögliche schädliche Hot Spots zu vermeiden. Der Wärmeeintrag von der außen beheizten Rohrwand nach innen erfolgt duch Wärmeleitung. Hierbei kann der Temperaturunterschied zwischen der äußeren Rohrwand und dem Rohrzentrum radial bis zu 150 °K niedriger sein. Aufgrund von sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den metallischen Rohren (hoher Ausdehnungskoeffizient) und der keramischen Katalysatorschüttung (niedriger Ausdehnungskoeffizient) kommt es bei der Aufheizung auf den Betriebspunkt und einer geplanten oder einer störungsbedingten Abkühlung derartiger Reaktoren immer wieder zu Katalysatorbrüchen. Die Folge sind Druckverluste, die weit außerhalb des Betriebsfensters liegen. Weiterhin bedingt die Notwendigkeit, aufgrund der geringen Wärmeleitung der Schüttung, sehr kleine Rohrdurchmesser auswählen zu müssen, zusätzliche Einschränkungen in der Katalysatorteilchengröße der keramischen Schüttung und / oder weitere Probleme im Zusammenhang mit dem Druckverlust in diesen Rohren. Je kleiner der Durchmesser der Rohre ist, umso kleiner müssen die Katalysatorgrößen sein. Hierdurch wird zusätzlich die Gefahr von Kriechströmungen an der Rohrwand signifikant erhöht. Zusätzlich verursachen die unterschiedlichen Temperaturen innerhalb der Reaktorrohre weitere Komplikationen, wie unerwünschte Nebenreaktionen, die man durch unterschiedliche Gegenmaßnahmen, wie z.B. Regeneration, versucht zu vermeiden oder aber zu minimieren. Zur erforderlichen Regenerierung der Katalysatorschüttung muss die Brennerleistung in regelmäßigen Abständen auf sehr niedrige Werte reduziert werden und die Ofenraumtemperatur kann soweit abfallen, dass die Brenner, bei Bedarf, nicht mehr spontan zünden, sondern auf externe Zündquellen angewiesen sind. Dies erfordert, dass jeder der hundertfachen Brenner mit einer Flammenüberwachung mit entsprechender Instrumentierung und Wartung ausgestattet sein muss. Auch steht die Problematik der Verschmutzung der Schaugläser im Fokus des Anlagenbetriebes.For decades, endothermic reactions have been taking place in tube bundle reactors using ceramic catalysts. This concept is well known, relatively simple and can be scaled relatively easily by changing the number of pipes. A disadvantage of almost all fixed bed configurations, however, is the heat management, since a very large number of small pipes are required in order to even out the temperature profile within the bed and to avoid possible harmful hot spots. The heat input from the outside heated pipe wall to the inside takes place through heat conduction. The temperature difference between the outer pipe wall and the pipe center can be up to 150 ° K lower radially. Due to the very different expansion coefficients between the metallic pipes (high expansion coefficient) and the ceramic catalyst bed (low expansion coefficient), catalyst breakage occurs again and again when such reactors are heated to the operating point and when such reactors are cooled down due to malfunctions. The result is pressure losses that are far outside the operating window. Furthermore, the need to select very small pipe diameters due to the low heat conduction of the bed, additional restrictions in the catalyst particle size of the ceramic bed and / or further problems in connection with the pressure loss in these pipes. The smaller the diameter of the tubes, the smaller the catalyst sizes must be. This also significantly increases the risk of creeping currents on the pipe wall. In addition, the different temperatures inside the reactor tubes cause further complications, such as undesirable side reactions, which one tries to avoid or to minimize by various countermeasures, such as regeneration. For the necessary regeneration of the catalyst bed, the burner output must be reduced to very low values at regular intervals and the furnace chamber temperature can drop so far that the burners no longer ignite spontaneously, if necessary, but rely on external ignition sources. This requires that each of the hundredfold burners must be equipped with a flame monitor with appropriate instrumentation and maintenance. The problem of contamination of the sight glasses is also the focus of the plant operation.
In der Patentliteratur (
Zur Erzeugung des benötigten Wärmestromes innerhalb von endothermischen Rohrbündelreaktoren werden in der Patentliteratur eine ganze Reihe von Maßnahmen vorgestellt, die teilweise den Verbrauch an Verbrennungsmedien durch den Einsatz von anderen Wärmequellen, reduzieren sollen:
- In
DE 10 2015 013 071 A1 - Diese zweifache Anordnung erscheint aufgrund der großen Anzahl von Rohren und der hieraus resultierenden Peripherie hinsichtlich Versorgung sowie Meß- und Regeltechnik etwas komplex.
- Außerdem sollte die Temperatur im Grenzbereich zwischen elektrischer und Brennerbeheizung innerhalb der zahlreichen Rohre, zur Vermeidung von Nebenreaktionen, möglichst im ähnlichen Bereich regelbar sein. Zusätzlich ist zu erwähnen, dass es sich hierbei um eine indirekte Beheizung der Katalysatoren handelt.
- In
DE 10 2015 013 071 A1 - This double arrangement appears somewhat complex due to the large number of tubes and the resulting peripherals in terms of supply as well as measurement and control technology.
- In addition, the temperature in the border area between electrical and burner heating within the numerous tubes should be controllable in a similar range as far as possible in order to avoid side reactions. It should also be mentioned that this is an indirect heating of the catalysts.
In
In
Auch sollen einige Rohre nicht mit einer Katalysatorschüttung bestückt werden. über Meß- und Regelmöglichkeiten der unterschiedlichen Wärmeströme werden keine expliziten Einzelheiten gemacht. Auch nach welchen Kriterien die Auswahl der zusätzlich mit elektrischer Beheizung zu bestückenden oder die katalysatorfreien Rohren zu erfolgen hat, werden nicht definiert.Also, some pipes should not be equipped with a catalyst bed. No explicit details are given about measurement and control options for the different heat flows. Also the criteria according to which the selection of the pipes to be additionally equipped with electrical heating or the catalyst-free pipes is to be made are not defined.
Weiter wird mitgeteilt, dass: „als Heizelemente sollen auch geeignete keramische Materialien eingesetzt werden“.It is also stated that: "Suitable ceramic materials should also be used as heating elements".
Weiter im Patenttext: „geeignete keramische Materialien umfasst bevorzugt dem Fachmann bekannte keramische Materialien oder Materialgemische mit keramischen Anteilen, welche bei den Betriebstemperaturen des Reformers stabil sind oder nur einen geringen Materialverschleiß haben. Beispielhafte Keramiken können Al2O3, MgO, ZrO2, Aluminiumtitanate, Silicide, Carbide, Nitride, usw. sein“.Further in the patent text: “Suitable ceramic materials preferably include ceramic materials known to those skilled in the art or material mixtures with ceramic components which are stable at the operating temperatures of the reformer or have only little material wear. Exemplary ceramics can be Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , aluminum titanates, silicides, carbides, nitrides, etc. ”.
Allerdings ist dem Fachmann auch bekannt, dass beispielsweise Al2O3, Aluminiumtitanat (Al2TiO5), MgO; SiO2, ZrO2 u.a.m. auch bei hohen Temperaturen noch sehr hohe spezifische Durchgangswiderstände besitzen, so, dass sie speziell als elektrische Hochtemperaturisolatoren breite Anwendung finden.However, the person skilled in the art is also aware that, for example, Al 2 O 3 , aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ), MgO; SiO 2 , ZrO 2 and others still have very high specific volume resistances even at high temperatures, so that they are widely used especially as electrical high-temperature insulators.
In Wismann Sebastian Thor (2019), „Electrocally heated steam methane reforming“, Technical University of Denmark wird erläutert, dass eine gleichmäßige Erwärmung von Rohrbündelreaktoren ein sehr komplexer Vorgang ist. Die Verbrennung muss bei einigen hundert Grad höher als die angestrebte Reaktionstemperatur liegen, die erforderliche Leistung muss ca. 150 kW/m2 betragen. Dies hat zur Folge, dass vom Gesamtvolumen des brennerbefeuerten Reaktors nur weniger als 2 % als Totalvolumen für den Katalysator genutzt werden kann. Weiterhin wird ausgeführt, dass konventionelle brennerbeheizte Rohrbündelreaktoren, aufgrund der stringenten Vorgaben hinsichtlich der Aufheizgradienten der Feuerfestausmauerung ca. eine Woche benötigen um einen konstanten Betriebszustand zu erreichen.In Wismann Sebastian Thor (2019), "Electrocally heated steam methane reforming", Technical University of Denmark, it is explained that uniform heating of tube bundle reactors is a very complex process. The combustion must be a few hundred degrees higher than the desired reaction temperature, the required power must be approx. 150 kW / m2. As a result, of the total volume of the burner-fired reactor, only less than 2% can be used as total volume for the catalyst. Furthermore, it is stated that conventional burner-heated tube bundle reactors, due to the stringent requirements with regard to the heating gradient of the refractory lining, require approx. One week to achieve a constant operating state.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Wärmebedarf von endothermischen Rohrbündelreaktoren zentral über konduktiv direktbeheizte Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, ohne dass man hunderte, in einigen Fällen tausende von störanfälligen und wartungsintensiven Einzelbrenner einsetzen muss.The object of the invention is therefore to provide the heat demand of endothermic tube bundle reactors centrally via conductive, directly heated catalysts without having to use hundreds, in some cases thousands, of failure-prone and maintenance-intensive individual burners.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rohre der Rohrbündelreaktoren nicht, wie im Stand der Technik etabliert, mit keramischen Schütschichtkatalysatoren, sondern mit in Form und Struktur gleichmäßigen metallischen, oxyd- oder nichtoxydkeramischen Materialien befüllt werden, die elektrisch leitfähig und somit durch Joulsche Wärme auf Zieltemperaturen erhitzbar sind. Diese Materialien können zudem als Katalysatorträger dienen, oder direkt katalytisch aktiv sein. Die positive Wirkung dieser Maßnahme für die Gesamtanlage kann durch eine weitere katalytische Innenbeschichtung der einzelnen Reaktionsrohre noch erheblich intensiviert werden.This object is achieved in that the tubes of the tube bundle reactors are not filled with ceramic overlay catalysts, as established in the prior art, but with metallic, oxide or non-oxide ceramic materials of uniform shape and structure that are electrically conductive and thus generate Joule heat Target temperatures are heatable. These materials can also serve as a catalyst carrier or be directly catalytically active. The positive effect of this measure for the entire system can be considerably intensified by a further catalytic inner coating of the individual reaction tubes.
Durch die metallischen, oxyd- oder nichtoxydkeramischen elektrisch direktbeheizten Katalysatoren wird erreicht, dass eine Vegleichmäßigung des Wärmetransportes sowohl axial als auch radial innerhalb der Rohre erzielbar ist. Hierdurch können Rohre mit erheblich größerem Durchmesser und geringeren Höhen und als Folge sehr kompakte Rohrbündelreaktoren eingesetzt weden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch durch den Wegfall der sehr vielen Brenner, die einen hohen Betrag an Strahlungswärme verursachen, der feuerfesttechnische Aufbau dieser Rohrbündelreaktoren erheblich kleiner gestaltet werden kann.The metallic, oxide or non-oxide ceramic, electrically directly heated catalytic converters ensure that the heat transport can be evened out both axially and radially within the tubes. As a result, tubes with a considerably larger diameter and lower heights and, as a result, very compact tube bundle reactors can be used. Another advantage is that by eliminating the large number of burners, which cause a large amount of radiant heat, the refractory structure of these tube bundle reactors can be made considerably smaller.
Weiterhin ist bekannt, dass z.B. metallische Katalysatorträger über eine geringe Wärmekapazität und hohe Temperaturwechselbeständigkeit verfügen. Hierdurch und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit dieser Kandidaten ist ein schnelleres und gleichmäßigeres Aufheizen der Reaktionsvorrichtung auf ihre Betriebstemperatur als bei der Verwendung von bisher bekannten Katalysatorträgern durchführbar. Ein Fachmann erkennt, dass durch ein schnelleres Aufheizen der Anlage auf ihre Betriebstemperatur die Kapazitäten enorm gesteigert und damit die Betriebskosten gesenkt werden können.It is also known that, for example, metallic catalyst supports have a low heat capacity and high thermal shock resistance. As a result of this and the high thermal conductivity of these candidates, the reaction device can be heated to its operating temperature more quickly and more evenly than when using previously known catalyst supports. A person skilled in the art recognizes that by heating the system up to its operating temperature more quickly, the capacities can be increased enormously and thus the operating costs can be reduced.
Zusätzlich können die hier genannten elektrisch beheizbaren Katalysatoren als flexible Presspackung innerhalb der Rohre positioniert werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein intensiver Kontakt und somit Wärmeübergang zwischen Rohrinnenwand und Einbauelement immer gegeben ist.In addition, the electrically heatable catalytic converters mentioned here can be positioned as flexible compression packings within the tubes. This ensures that there is always intensive contact and thus heat transfer between the inner pipe wall and the built-in element.
Insgesamt kann durch die hier vorgestellte Erfindung die bekannten Störanfälligkeiten von bisher eingesetzten endothermischen katalytischen Rohrbündelreaktoren in Hohem Maße gemindert und der Wirkungsgrad signifikant erhöht werden.Overall, the known susceptibility of endothermic catalytic tube bundle reactors used to date can be reduced to a large extent and the efficiency can be increased significantly by the invention presented here.
Auch liegt der spezifische Energieverbrauch der elektrischen Direktbeheizung der Katalysatoren erheblich niedriger als über die Erdgasbeheizung mit Deckenbrennern. Das liegt natürlich auch darin begründet, dass diese Anlagen deutlich kompakter aufgebaut werden können. Als besonders vorteilhaft ist hierbei der Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energiequellen insbesondere in Zeiten geringerer Nachfrage seitens anderer Verbraucher. Daher könnten sie auch für einen dezentralen Einsatz in Betracht gezogen werden. Unter der Prämisse, dass die Entwicklung in Richtung des verstärkten Einsatzes von Elektroautos weltweit forciert wird, bietet sich an durch bidirektionales Laden der Elektroautos, die mit dem Stromnetz verbunden sind, diese als Stromspeicher (Puffer) für Wind- und Solarstrom, bei nicht konstanter Erzeugung zu verwenden. Auch besteht die Möglichkeit Akkus aus Elektroautos, die nicht mehr verwendbar sind, aber noch eine ausreichende Kapazität von 70 - 80 % besitzen und deren Recycling, aufgrund noch zu hohem Leistungspotential noch unwirtschaftlich ist, ebenfalls als Stromspeicher für den Energiebedarf der hier vorgestellten Erfindung vorzusehen.The specific energy consumption of direct electrical heating of the catalytic converters is also considerably lower than that of natural gas heating with ceiling burners. This is of course also due to the fact that these systems can be set up much more compactly. The use of electricity from renewable energy sources is particularly advantageous here, especially in times of low demand from other consumers. Therefore, they could also be considered for decentralized use. Under the premise that the development in the direction of the increased use of electric cars will be accelerated worldwide, bidirectional charging of the electric cars connected to the power grid as a power storage (buffer) for wind and solar power, if generation is not constant to use. There is also the possibility of rechargeable batteries from electric cars, which can no longer be used, but still have a sufficient capacity of 70-80% and whose recycling is still uneconomical due to the fact that the performance potential is still too high, can also be used as a power storage device for the energy requirements of the invention presented here.
Als elektrisch beheizbare Katalysatoren bzw. Katalysatorträger sind Materialien zu nennen, die elktrisch leitfähig sind. Sie können aus einer oder mehreren Komponenten bestehen von denen jede aufgrund ihres relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstands die benötigte Eigenschaft erfüllt elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Als eine der Hauptforderungen, neben der Hochtemperatur- und Oxydationsbeständigkeit, ist zu nennen, dass der spezifische Widerstand möglichst unabhängig von der Einsatztemperatur bleibt. Durch Legieren können positive Eigenschaften der einzelnen Katalysatoren oder Katalysatorträger verstärkt und eine differenzierte Anpassung an deren Einsatz in Rohrbündelreaktoren realisiert werden.Electrically heatable catalysts or catalyst carriers are materials that are electrically conductive. They can consist of one or more components, each of which, due to its relatively high specific electrical resistance, fulfills the required property of converting electrical energy into thermal energy. One of the main requirements, in addition to resistance to high temperatures and oxidation, is that the specific resistance remains as independent of the operating temperature as possible. Alloying can reinforce the positive properties of the individual catalysts or catalyst carriers and differentiate them from their use in tube bundle reactors.
Geeignete Materialkomponenten aus dem Bereich Metalle sind u.a. austenitische CrFeNi - Legierungen und ferritische CrFeAl-Legierungen zu nennen. Beispielsweise werden bei der Methanisierung (exothermische Reaktion) als katalytisch aktive Substanzen Metalle wie Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag eingesetzt. Hierbei spielen neben der optimalen katalytischen Wirkung und ausreichender Selektivität für das Produkt Methan auch die Wirtschaftlichkeit bei der Auswahl des Katalysators eine wichtige Rolle. Als besonders geeignet haben sich Katalysatoren auf Nickelbasis erwiesen. Sie bestzen eine ausreichende Selektivität und gute katalytische Wirkung und sind vor allem bisher in ausreichendem Maße und günstig erhältlich. Nickelbasierte Katalysatoren sind in der chemischen Reaktionsführung weitverbreitet und können somit als Stand der Technik bewertet werden. Auch ist die Beschichtung von unterschiedlichen Katalysatorträgern mittel Washcoat - Verfahren dem Fachmann als sehr geegnete Möglichkeit und als Methode der Wahl bekannt.Suitable material components from the metal sector include austenitic CrFeNi alloys and ferritic CrFeAl alloys. For example, metals such as Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd, Ag are used as catalytically active substances in methanation (exothermic reaction). In addition to the optimal catalytic effect and sufficient selectivity for the product methane, economic efficiency also plays an important role in the selection of the catalyst. Catalysts based on nickel have proven particularly suitable. They have adequate selectivity and good catalytic action and, above all, have hitherto been available in sufficient quantities and at low cost. Nickel-based catalysts are widespread in chemical reaction management and can therefore be assessed as the state of the art. The coating of different catalyst carriers by means of washcoat processes is also known to the person skilled in the art as a very suitable option and method of choice.
Vorteilhaft ist aber auf einen Katalysatorträger zu verzichten und stattdessen anzustreben z.B. Nickel als elektrische direktbeheizbare katalytische Komponente in einem geeigneten Werkstoffverbund zur Verfügung zu stellen.However, it is advantageous to dispense with a catalyst carrier and instead strive to provide e.g. nickel as an electrically directly heatable catalytic component in a suitable material composite.
Aus dem Bereich Nichtoxydkeramiken sind für eine direkte elektrische Beheizung von Katalysatorträgern vor allem Siliciumcarbid (SiC) und Molybdändisilicid (MoSi2) zu nennen.In the field of non-oxide ceramics, silicon carbide (SiC) and molybdenum disilicide (MoSi 2 ) should be mentioned in particular for direct electrical heating of catalyst carriers.
Vorteilhafte direktbeheizbare Katalysatorgeometrien sind gleichmäßige Strukturen wie z.B. Turbulatoren, zylindrische bürstenartige Formen, zylindrische Schaumartige Packungen u.a.m.Advantageous directly heatable catalyst geometries are uniform structures such as turbulators, cylindrical brush-like shapes, cylindrical foam-like packings, etc.
Weiter Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen, dies zeigt in:
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1 eine vereinfachte Schnittzeichnung durch einen Rohrbündelreaktor gemäß Stand der Technik mit keramischen Katalysatoren innerhalb der Reaktionsrohre und Deckenbrennern (nur 4 dargestellt), -
2 eine vereinfachte Schnittzeichung durch einen erfindungsgemässen Rohrbündelreaktor mit elektrisch direktbeheizten Katalysatoren innerhalb der Reaktionsrohre, -
3 -5 eine vereinfachte Schnittzeichung eines erfindungsgemässen endothermischen Reaktionsrohres mit unterschiedlichen elektrisch direktbeheizten Katalysatoren.
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1 a simplified sectional drawing through a tube bundle reactor according to the state of the art with ceramic catalysts within the reaction tubes and ceiling burners (only 4 shown), -
2 a simplified sectional drawing through a tube bundle reactor according to the invention with electrically directly heated catalysts within the reaction tubes, -
3 -5 a simplified sectional drawing of an endothermic reaction tube according to the invention with different electrically directly heated catalysts.
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Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Optimierung von katalytischen Reaktionen durch Verwendung von elektrisch beheizbaren katalytischer Vorrichtungen.Of course, the examples described can still be modified and supplemented in many respects without departing from the basic concept of the invention. The invention thus also relates to the method for optimizing catalytic reactions by using electrically heatable catalytic devices.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0247384 A2 [0009]EP 0247384 A2 [0009]
- DE 10357064 A1 [0009]DE 10357064 A1 [0009]
- EP 1178278 A2 [0009]EP 1178278 A2 [0009]
- EP 1681091 A2 [0009]EP 1681091 A2 [0009]
- WO 2016106293 A1 [0009]WO 2016106293 A1 [0009]
- DE 102015013071 A1 [0010]DE 102015013071 A1 [0010]
- DE 102015004121 A1 [0011]DE 102015004121 A1 [0011]
- DE 102018213463 A1 [0012]DE 102018213463 A1 [0012]
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP4316638A1 (en) * | 2022-08-04 | 2024-02-07 | Linde GmbH | Method and installation for carrying out a gas phase reaction |
WO2024027948A1 (en) * | 2022-08-04 | 2024-02-08 | Linde Gmbh | Method and installation for carrying out a gas-phase reaction |
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