DE2055439B2

DE2055439B2 - Innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren

Info

Publication number: DE2055439B2
Application number: DE2055439A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl.-Ing. 4600 Dortmund Marsch
Original assignee: Friedrich Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1970-11-11
Filing date: 1970-11-11
Publication date: 1978-03-02
Also published as: DE2055439C3; NL7115132A; IT953115B; JPS4738580A; FR2113946A1; DE2055439A1; GB1376187A; CA960598A; SE376551B; CH562053A5; BE774699A; CS181703B2; FR2113946B1; JPS5427361B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren zum Spalten gasförmiger Kohlenwasserstoffe im ^b0 Gemisch mit Wasserdampf, zwecks Herstellung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen, bei Drükken über 5 bar im Druckgefäß und in den Reaktionsrohren und bei Temperaturen über 700⁰C, wobei die Reaktionsrohre mit Heizgas beheizt werden, welches ^hl den Ringspalt zwischen Reaktionsrohr und das dieses umgebende Mantelrohr durchströmt, wobei das Gewicht der Mantelrohre und der Reaktionsrohre von einer Tragkonstruktion innerhalb des Druckgefäßes aufgenommen wird, und wobei die Reaktionsrohre mit katalysatorfreien Gaszuführungs- und abführungsrohren versehen sind.

Für derartige katalytische Reaktionen sind Vorrichtungen erforderlich, bei denen durch indirekten Wärmetausch die endotherme Reaktion aufrechterhalten, die Druckbelastung der katalysatorgefüllten Rohre gemindert wird und die Wärmedehnungen der Teile ohne Auswirkung auf die Funktion der Vorrichtung bleiben. Gewöhnlich werden Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Naphtha oder Erdgas im Gemisch mit Dampf durch Reaktionen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einer Vorrichtung in Gegenwart eines Katalysators gespalten. Als Produkt erhält man eine Mischung aus Wasserstoff, Oxyden des Kohlenstoffs und Methan. Diese Mischung wird u. a. für die Produktion von Ammoniak, Methanol, Stadtgas, Salpetersäure oder Harnstoff verwendet. Die bekannten Vorrichtungen bestehen aus einem drucklosen Ofenraum, in dem eine Vielzahl von Reaktionsrohren, welche mit Katalysator gefüllt sind, vertikal angeordnet sind. In diese Rohre strömen die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe im Gemisch mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck von über 5 bar. In einer endothermen Reaktion werden die Kohlenwasserstoffe gespalten und das Produktgas "erläßt die Vorrichtung über ein Sammelrohr. Die Beheizung der Reaktionsrohre erfolgt mittels Brenner, die je nach Bauart des Ofens im Boden, der Decke oder in den Seitenwänden angeordnet sind und bei Atmosphärendruck arbeiten. Zur Erreichung der Reaktionsbedingungen in den Reaktionsrohren sind Temperaturen über 700⁰C erforderlich. Die Temperaturen im Verbrennungsraum liegen zwischen ca. 900 und 1400⁰C. Um die hohe Belastung der Rohrwand durch die hohen Temperaturen und durch die Druckdifferenz von normalerweise 10 —40 at zu mindern, ist weiterhin bekannt, die Beheizung ebenfalls unter Druck durchzuführen. Der Beheizungsdruck liegt dabei entweder auf gleicher Höhe wie der Reaktionsdruck oder er ist geringfügig niedriger oder höher. Die Beheizung selbst kann derart ausgeführt werden, daß das Heizgas im Druckgefäß erzeugt oder außerhalb erzeugt wird und im letzten Falle zur Wärmeabgabe durch dieses hindurchgeleitet wird. Bekannte Vorrichtungen wie nach OS 18 02 505 für die Durchleitung von Heizgas bestehen aus einem innenisolierten Druckgefäß, einem zentralen Heizgasrohr mit zahlreichen öffnungen in der Wandung und aus einseitig geschlossenen Reaktionsrohren mit Katalysatorfüllung, in die jeweils ein dünnes Gasauslaßrohr eingesteckt ist. Das Gasauslaßrohr reicht fast bis an das verschlossene Ende des Reaktionsrohres. Reaktionsrohre und Gasauslaßrohre werden jeweils von einem Rohrboden getragen, die beide gegeneinander abgedichtet sein müssen. Druckgefäße der bekannten Bauart sind wegen der Schwierigkeit in der gleichmäßigen Heizgasverteilung und der dichten Ausbildung der beiden Rohrboden nur für begrenzte Durchmesser geeignet. Für große Gasmengen, z. B. 80 000 Nm³/h und mehr, sind mehrere Vorrichtungen erforderlich. Falls einzelne oder mehrere Rohre in Folge der hohen Betriebstemperaturen undicht werden, lassen sich diese nicht absperren; Produktgas gelangt in das Heizgas. Weiterhin hat die Einsteckrohrausführung ein ungünstiges Temperaturbild zur Folge, insbesondere bei Teillast. Der endotherme Reaktionsablauf wird dadurch ungünstig beeinflußt. Druckgefäße mit Rohrboden haben weiterhin den

Nachteil, daß bei plötzlich auftretenden Druckdifferenzen in Folge Druckabfall auf einer Mediumseite eine hohe Belastung der Rohrboden auftritt.

Als weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Effektivität an Vorrichtungen für das Spalten von gasförmigen Kohlenwasserstoffen sind nach US-PS 25 18 583 und US-PS 29 25 319 Doppelrohre bekannt, durch welche die Wärmeübertragung erhöht wird. Diese Maßnahme allein reicht jedoch nicht aus, um ein Optimum zu erreichen.

Nach US-PS 33 43 923 sind Sammelrohre bekannt, in die das erhaltene wasserstoffhaltige Gas aus mehreren einzelnen Reaktionsrohren geführt wird. Da diese Sammeirohre außerhalb des drucklosen Ofenraumes liegen, ist die Einzeldurchführung der Ableitungsrohre der Reaktionsrohre problemlos. Für die katalytische Spaltung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen großer Durchsatzmengen und für reduzierte Druckbelastung der Rohrwände kann den genannten Veröffentlichungen keine Lehre entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein innenisoliertes Druckgefäß zur Durchführung von katalytischen endothermen Reaktionen derart zu gestalten, daß große Gasmengen, ca. 80 000 NmVh und mehr, in einer Vorrichtung produziert werden können. Dabei müssen konventionelle Konstruktionselemente für Druckgefäße, wie Rohrboden, vermieden werden. Die Heizgasführung für die endothermen Reaktionen sollte gegenüber bekannten Ausführungen verbessert sein, auftretende Wärmedehnungen müssen ohne Wirkung auf das Druckgefäß bleiben und die Reaktionsrohre sollen einzeln absperrbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tragkonstruktion am oberen Gefäßboden befestigt ist, die Tragkonstruktion aus einer an den Zugankern befestigten Tragplatte besteht, die Tragplatte den vollen Querschnitt des Druckgefäßes einnimmt, gasdicht und gleitbar an der Innenisolierung anliegt, die Mantelrohre am oberen Ende in der Tragplatte gasdicht befestigt sind, die Reaktionsrohre sich auf der Tragplatte abstützen und daß die katalysatorfreien Gaszuführungsrohre gruppenweise durch Stutzen des Druckgefäßes geführt sind.

Soll der erzeugte Wasserstoff bzw. das wasserstoffhaltige Gas aus den Reaktionsrohren nicht zur weiteren Reaktion auf etwa gleicher Temperaturhöhe in ein weiteres Reaktionsgefäß geführt, sondern abgekühlt werden, werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die katalysatorfreien Gasabführungsrohre der Reaktionsrohre einzeln durch den unteren Druckgefäßboden hindurchgeführt und die Gasabführungsrohre außerhalb des Druckgefäßes als Wärmetauscherrohre durch ein Wärmetauschergefäß geführt, wobei das Wärmetauschergefäß derart unmittelbar an den unteren Boden des Druckgefäßes anschließt, daß der untere Druckgefäßboden gleichzeitig obere Wärmetauscherwand ist und wobei das Wärmetauschergefäß Zu- und Ableitungsstutzen für das Kühlmedium aufweist.

Um die Montage und Demontage der Tragkonstruktion mit den zweiteiligen Zugankern einfach durchfüh- *>o ren zu können, weisen die zweiteiligen Zuganker im Trennbereich Ösen auf und die ösen sind mittels Bolzenstangen verbunden.

Die Verbindung Tragplatte-Zuganker wird so ausgeführt, daß sie von außerhalb des Reaktionsgefäßes *"> lösbar ist.

Die nach außen führenden Gaszuführungs- und/oder Gasabführungsrohre können zum Zwecke des Stille-

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50 gens einzelner Reaktionsrohre mit Absperrorganen versehen werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile besteben insbesondere darin, daß in einem innenisolierten Druckgefäß eine Vielzahl von Reaktionsrohren angeordnet werden können und raumbeanspruchende Gasrückführungen für Produktgas und Heizgas, wie sie in einem Druckgefäß mit Einsteck-Uoppelrohren notwendig sind, vermieden werden. Die Führung der Heizgase an den Reaktionsrohren mittels der Mantelrohre ist eindeutig und gleichmäßig über Umfang und Länge der Reaktionsrohre. Wärmedehnungen werden entweder durch Gleichläufigkeit ihrer Richtung weitgehend ausgeglichen und/oder durch die Gaszuführungsrohre und Gasabführungsrohre aufgenommen, wobei mindestens die Gaszuführungsrohre im Druckgefäß angeordnet sind. Durch die Gegenstromführung des Einsatzgemisches und des Heizgases und durch Anordnung einer definierten Länge der Gaszuführungsrohre im oberen reaktionsfreien Teil des Druckgefäßes läßt sich eine Vorwärmung des Einsatzgemisches und damit eine weitere Nutzung der Heizgaswärme erzielen. Soll der Wasserstoff bzw. die wasserstoffhaltigen Gase nach Verlassen der Reaktionsrohre abgekühlt werden, so läßt sich durch die kompakte Bauweise mit dem anschließenden Wärmetauscher eine zusätzliche Kühlung des Druckgefäßbodens erreichen. Das nachfolgende Zahlenbeispiel weist Betriebsdaten und Mengen für ein erfindungsgemäßes Druckgefäß aus. Zur Bereitstellung der erforderlichen Synthesegasmenge für eine Ammoniakanlage zur Erzeugung von 1350 t NH₃ pro Tag werden dem innenisolierten Druckgefäß zugeführt:

Erdgas:	35220 NmVh	3,00 Vol.-%
Menge	40 bar	0,00 Vol.-%
Druck	39O⁰C	3,00 Vol.-%
Temp.	CO₂	85,00 Vol.-%
Analyse:	H₂	5,00 Vol.-%
	N₂	3,00 Vol.-%
	CH₄	1,00 Vol.-%
	C₂H₆
	C₁H₈
	C₄HiO

Dampf:

Menge 116 200 kg/h

Druck 36,3 bar

Temp. 500° C

und eine geringe Menge Hydriergas

Als wasserstoffhaltiges Gas wird erhalten:

Menge:

Analyse:

Trockengas 126 659 Nm³/h Wasserdampf 106 041NmVh Druck 32,3 bar

Temp. 812,5° C

(Trockenbasis)	11,40 Vol.-%
CO₂	9,31 Vol.-o/o
CO	67,77 Vol.-°/o
H₂	1,31 Vol.-%
N₂	10,16 Vol.-%
CH₄	0,01 Vol.-%
Ar	0,04 Vol.-%
NH₃

In einem der Spaltanlage nachgeschalteten Sekundär-Reformer wird das wasserstoffhaltige Gas unter Zugabe

von Luft weiter umgewandelt, so daß folgendes wasserstoffhaltige Gas erhalten wird:

Menge:

Analyse:

Trockengas	183 109NmVh
Wasserdampf	114 291 NmVh
Druck	32,2 bar
Temp.	988° C
(Trockenbasis)
CO₂	8,40 Vol.-%
CO	12,67 Vol.-o/o
H₂	56,03 Vol.-°/o
N₂	22,28 Vol.-%
CH₄	0,30 Vol.-%
Ar	0,26 Vol.-%
NH₃	0,06 Vol.-%

Dieses wasserstoffhaltige Gas kann, wie eingangs beschrieben, weiter zu Ammoniak, Methanol oder Stadtgas verarbeitet werden.

Konstruktive Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt eines Druckgefäßes mit frei hängenden Reaktionsrohren,

Fig. 2 den Querschnitt des Druckgefäßes aus Fig. 1, oberhalb der Tragplatte,

F i g. 3 den Querschnitt des Druckgefäßes aus Fig. 1, unterhalb der Tragplatte,

Fig.4 im Detail Tragplatte, Mantelrohr, Reaktionsrohre mit Tragpratzen,

F i g. 5 Draufsicht auf die Tragplatte in vergrößertem Maßstab,

Fig. 6 den Längsschnitt des Druckgefäßes mit abgestützten Reaktionsrohren und nachgesdialtetem Wärmetauscher,

F i g. 7 den Längsschnitt des Druckgefäßes mit Vorwärmesektion,

Fig.8 den Längsschnitt der Reaktionsrohre-Abstützung nach F i g. 6 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 9 die lösbare Aufhängevorrichtung von Zuganker und Tragplatte.

Nach F i g. 1 sind in dem innenisolierten Druckgefäß 1 mit dem Heizgaseinlaufstutzen 2 und Auslaßstutzen 3 eine Vielzahl Reaktionsrohre 4 in der Tragplatte 5 hängend angeordnet. Die Reaktionsrohre sind mit Katalysator gefüllt und eingangsseitig mit den Zuführungsrohren 6 für das Einsatzgemisch und abgangsseitig mit Abführungsrohren 7 für das wasserstoffhaltige Gas verbunden. Die Zuführungsrohre 6 sind bündelweise durch Stutzen nach außen geführt, wo sie an eine nicht dargestellte Leitung angeschlossen sind. Die Abführungsrohre 7 werden sternförmig an mehreren Sammelrohren 8 angeschlossen, die durch den Druckgefäßdekkel nach außen führen. Der Festpunkt der Sammelrohre liegt im Druckgefäßdeckel, d. h. unter hoher Temperatur dehnen sich die Sammelrohre in Richtung Druckgefäßboden aus. Die Reaktionsrohre sind am oberen Ende mit angeschweißten Tragpratzen 9 versehen, die auf der Tragplatte 5 aufliegen. Der Durchmesser der Tragplatte ist etwa gleich dem Innendurchmesser des Druckgefäßes. Die Abdichtung zwischen innenisolierter Gefäßwand, die mit einem Gleitblech 10 versehen ist, und Tragplatte erfolgt mittels bekannter Dichtungskonstruktion. In die Löcher der Tragplatte, durch die die Reaktionsrohre hindurchführen, sind die Mantelrohre 11 eingesetzt und hängen frei in den unteren Teil des Druckgefäßes. Die Länge der Mantelrohre ist mindestens gleich der Länge der Kaialysalorfüllung in den Reaktionsrohren. Reaktionsrohre und Mantelrohre haben solchen Außen- bzw. Innendurchmesser, daß ein Ringspalt verbleibt, durch den das Heizgas aus dem unteren Teil des Druckgefäßes im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung in den Reaktionsrohren in den

ί oberen Teil des Druckgefäßes strömt. Zentrierrippen sorgen für einen gleichmäßigen Ringspalt. Das Gewicht der Tragplatte mit den darin dichtverschweißten Mantelrohren und den auf der Tragplatte und in den Mantelrohren hängenden Reaktionsrohren wird über

ίο Zuganker 12 in den Druckgefäßdeckel übertragen. Doppelösen 13 in den zweiteiligen Zugankern 12 und eine Bolzenstange 14 ermöglichen, Gefäßdeckel und Tragplatte zu trennen und das Gefäß zu öffnen. Die Tragplatte wird vorher mittels hydraulischer Montagewerkzeuge anderweitig im Gefäß abgestützt.

in F i g. 2 wird die Lage der Reaktionsrohre zu einem Sammelrohr gezeigt. Die Teilung für die Mantelrohre in der Tragplatte 5 wird so klein wie möglich gehalten, um wenig toten Raum zwischen den Mantelrohren entstehen zu lassen. Der Druckgefäßdurchmesser wird dadurch optimal ausgenutzt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, verlaufen die Gasabführungsrohre im unteren Teil des Druckgefäßes sternförmig zu den einzelnen Gassammelrohren. Eine gleichmäßige Verteilung der Reaktionsrohre auf die Gassammelrohre ist nicht erforderlich. Der Druckverlust innerhalb der katalysatorgefüllten Reaktionsrohrc ist höher ais der Druckverlust in dem Gassammeirohr, wodurch eine gleichmäßige Gasverteilung auf die Reaktionsrohre gewährleistet ist. Die in Fig.4 und 5 dargestellten Ausschnitte der Tragplatte 5, der Mantelrohre 11, der Reaktionsrohre 4 mit den Tragpratzen 9 zeigen im Schnitt und in der Draufsicht die konstruktive Ausführung detailliert.

» Nach Fig. 6 sind in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Reaktionsrohre nicht mit Tragpratzen versehen, da die Reaktionsrohre nicht von der Tragplatte gehalten werden. Die Tragplatte hat in Verbindung mit den dicht eingeschweißten Mantelrohren nur die Aufgabe, den Druckgefäßraum in zwei Räume zu teilen und das Heizgas zwangsläufig durch die Mantelrohre zu führen. Die Tragplatte ist, wie in Fi g. 1, gegen die innenisolierte Gefäßwand abgedichtet. Die Reaktionsrohre in den Mantelrohren stützen sich auf

4") den Boden des Druckgefäßes ab. Die Gasabführungsrohre 15 sind einzeln durch den Gefäßboden geführt und werden im direkt anschließenden Wärmetauscher 16 als Wärmetauscherrohre 17 wirksam. Das Kühlmedium im Wärmetauscher, der z. B. als Speisewasservor-

v> wärmer oder Dampferzeuger dient, kühlt gleichzeitig den Boden des Druckgefäßes. Das Gasabführungsrohr 15 wird nach Fig. 7 zwischen Reaktionsrohr 4 und Dichtkappe 18 dehnbar gestaltet. Das Reaktionsrohr ruht auf dem Tragring 19, der durch den an den Boden

■■> > angeschweißten Zentrierring 20 positioniert wird. Die über die dünnwandige Dichtkappe und den Tragring bewirkte Aufheizung des Bodens wird mittels des Kühlmediums gering gehalten. Die auf den Druckgefäßboden sich abstützenden Reaktionsrohre dehnen sich

'.'ι unter Temperatureinfluß nach oben aus. Die Gaszuführungsrohre werden so verlegt, daß sie die Ausdehnung der Reaktionsrohre aufnehmen.

Nach Fig. 7 werden die Mantelrohre 11 im oberen Bereich über die Reaktionsrohre hinaus verlängert. Die

ι ·■ Reaktionsrohre selbst ruhen wie in Fig.6 auf dem Druckgefäßboden. In den verlängerten Mantelrohren sind die Gaszuführungsrohre 21 derart angeordnet, z. B. wendelförmig, daß das FJnsatzgcmisch vorgewärmt

wird. Auf diese Weise wird die Wärme des Heizgases weiter ausgenutzt Die Tragsektion 22 mit der Tragplatte für die Mantelrohre wird zweckmäßigerweise im Gefäßmantel abgestützt Die Gasabfflhrungsrohre 15 werden, wie in F i g. 6, einzeln durch den Gefäßboden geführt und als Wärmetauscherrohre im Wärmetauscher 16 wirksam.

Der Tragring 19 in F i g. 8 für das Reaktionsrohr 4 ragt über die Isolierung des Druckgefäßbodens hinaus. Falls ein Reaktionsrohr ausgewechselt werden muß, kann es nach oben aus dem DruckgefälB herausgezogen

werden, ohne daß die Innenisolierung des Druckgefäßes beschädigt wird. Die Dichtkappe wird vorher von Gasabführungsrohr getrennt.

Soll der Deckel des Druckgefäßes, an dem nacr F i g. 1 und 6 die Tragplatte 5 hängt, geöffnet werden wird nach F i g. 9 die Tragplatte 5 soweit angehoben daß die Bolzenstange 14 herausgezogen werden kann Die Doppelösen 13 der Zuganker 12 lösen siel· voneinander und der Druckgefäßdeckel kann abgeho ben werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren zum Spalten gasförmiger Kohlenwasserstoffe im Gemisch mit Wasserdampf, zwecks Herstellung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen, bei Drücken über 5 bar im Druckgefäß und in den Reaktionsrohren und bei Temperaturen über 700°C, wobei die Reaktionsrohre mit Heizgas beheizt werden, das den Ringspalt zwischen Reaktionsrohr und das dieses umgebende Mantelrohr durchströmt, wobei das Gewicht der Mantelrohre und der Reaktionsrohre von einer Tragkonstruktion innerhalb des Druckge- '⁵ fäßes aufgenommen wird und wobei die Reaktionsrohre mit katalysatorfreiem Gaszuführungs- und -abführungsrohren versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (5,12, 13) am oberen Gefäßboden befestigt ist, die ^M Tragkonstruktion aus einer Mehrzahl von mindestens zweiteiligen Zugankern (12) und aus einer an den Zugankern befestigten Tragplatte (5) besteht, die Tragplatte (5) den vollen Querschnitt des Druckgefäßes (1) einnimmt, gasdicht und gleitbar an der Innenisolierung anliegt, die Mantelrohre (11) am oberen Ende in der Tragplatte (5) gasdicht befestigt sind, die Reaktionsrohre (4) sich auf der Tragplatte (5) abstützen und daß die katalysatorfreien Gaszuführungsrohre gruppenweise durch Stutzen des Druckgefäßes geführt sind.

2. Innenisoliertes Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalysatorfreien Gasabführungsrohre (15) der Reaktionsrohre (4) einzeln durch den unteren Druckgefäßboden hin- ^J5 durchgeführt sind, die Gasabführungsrohre außerhalb des Druckgefäßes als Wärmetauscherrohre (17) durch ein Wärmetauschergefäß (16) geführt sind, wobei das Wärmetauschergefäß (16) derart unmittelbar an den unteren Boden des Druckgefäßes anschließt, daß der untere Druckgefäßboden gleichzeitig obere Wärmetauscherwand ist und wobei das Wärmetauschergefäß Zu- und Ableitungsstutzen für das Kühlmedium aufweist.

3. Innenisoliertes Druckgefäß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiteiligen Zuganker (12) im Trennbereich ösen aufweisen und diese ösen mittels Bolzenstangen (14) verbunden sind.

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