DE2412841A1 - Reaktor zum spalten von kohlenwasserstoffen an einem indirekt beheizten katalysator - Google Patents

Reaktor zum spalten von kohlenwasserstoffen an einem indirekt beheizten katalysator

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Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/Main, den 6.3.1974 Aktiengesellschaft -Wgn/HSz-Nr. 7586 LÖ
Reaktor zum Spalten von Kohlenwasserstoffen an einem indirekt beheizten Katalysator
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum Umsetzen von gasförmigen oder verdampften Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb von 700°C und Drücken von 5 bis 80 atm an in einer Heizzone indirekt beheiztem, in Röhren angeordnetem Katalysatormaterial, wobei die Heizzone ein gasförmiges Heizmedium enthält.
Reaktoren dieser Art werden häufig kurz als Röhrenofen oder Röhrenreaktor bezeichnet. Als Kohlenwasserstoff-Binsatzmaterial können z.B„ Erdgas oder verdampftes Naphtha verwendet werden; auch ein Reichgas, bestehend vor allem aus Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Wasserstoff, kann in dem Reaktor weiter umgesetzt werden.
Die Spaltung der Kohlenwasserstoffe zu CO und Hp erfolgt katalytisch in einer endothermen Reaktion, weshalb das Katalysatormaterial indirekt beheizt sein muß. Die Katalysatoren enthalten meist Nickel auf einem temperaturfesten Trägermaterial, z.B. Aluminiumoxid. Der nachfolgend.beschriebene Reaktor ist jedoch nicht auf die Verwendung eines bestimmten Katalysators zugeschnitten.
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ο _
•Röhrenreaktoren, deren Heizgas Temperaturen von über 800 und vorzugsweise etwa 850 bis 11000C besitzt, wobei das Heizmedium zusätzlich einen Druck von 20 bis über 80 atm, vorzugsweise 30 bis 60 atm, auf v/eist, brauchen ein aufwendiges, druckfestes Gehäuse. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den baulichen Aufwand für das Reaktorgehäuse niedrig zu halten. Die Lösung besteht darin, daß die Röhren durch das Reaktorgehäuse hindurchgeführt sind und mit mindestens einem Teil ihrer Länge in die Heizzone hineinreichen, wobei die Heizzone von einer inneren Abschirmwand umgeben ist, welche zu einer äußeren Abschirmwand hin durchlässig ist und die äußere Abschirmwand in durchströmbarem Abstand innerhalb des Reaktorgehäuses liegt.
Durch diese baulichen Maßnahmen wird die Heizzone mit ihrer hohen Temperatur im Abstand vom Reaktorgehäuse gehalten, gleichzeitig kann ein gasförmiges Kühlmittel zwischen dent Reaktorgehäuse und der äußeren Abschirmwand hindurchgeleitet werden. Die Kühlung des Reaktorgehäuses erhöht dessen Stabilität, so daß es auch bei extrem hohen Drücken und Temperaturen noch mit relativ niedrigem Aufwand und damit kostengünstig hergestellt werden kann.
Der Reaktor ist nicht allein, jedoch vorzugsweise dafür vorgesehen, um als Heizmedium ein in einem Kernreaktor aufgeheiztes Gas zu verwenden. Ein solches Gas ist z.B. Helium, das zum Abführen der in einem Kernreaktor erzeugten Wärme dient. Dieses Helium wird dann in die Heizzone des Röhrenreaktors eingeleitet und sein Energieinhalt zumindest teilweise zum indirekten Beheizen des Katalysatormaterials verwendet. Das Helium kommt mit Temperaturen von etwa 800 bis 11000C, vorzugsweise 850 bis 11000C, aus dem Kernreaktor und ist dabei auf 20 bis 80, vorzugsweise 30 bis 60 atm, komprimiert. Für die weitere Verwendung des Heliums nach seiner Benutzung als Heizmedium im Reaktor ist es zweckmäßig, das Helium nicht wesentlich zu entspannen, um es ohne großen Aufwand wieder in den Kernreaktor zurückführen zu können.
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Das Helium gibt im Reaktor einen Teil seiner fühlbaren Wärme ab, wird dann aus dem Reaktor geleitet und außerhalb weiter gekühlt, wobei es noch eine Temperatur von etwa 200 bis 3500C behält. Dieses außerhalb gekühlte Helium wird dann wieder in den Röhrenreaktor zurückgeführt und kühlt das Reaktorgehäuse, bevor es zurück in den Kernreaktor gegeben wird. Diese Kühlung ist besonders für den von den Röhren durchzogenen Teil des Gehäuses, der auch als Abdeckplatte bezeichnet wird, zweckmäßig. Zur zusätzlichen Entlastung der Abdeckplatte wird sie durch einen von außen aufgegebenen Gegendruck abgestützt. Dies geschieht durch Aufsetzen einer Druckhaube auf den Reaktor und über die Abdeckplatte, wobei durch eine Verbindungsleitung gekühltes Helium in den Raum unter die Druckhaube geleitet wird. '
Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Reaktorkonstruktion ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch den Reaktor,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Reaktor nach der Linie II-II in Fig. 1 in verkleinertem Maßstab und
Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Abdeckplatte und ihre Kühleinrichtung.
Der Röhrenreaktor besitzt ein Gehäuse 1, zu dem auch eine Abdeckplatte 2 gehört. Im Innern dieses Gehäuses herrschen Drücke bis zu etwa 80 atm. Durch das Gehäuse 1 ist eine Zuleitung 3 für gasförmiges Heizmedium hindurchgeführt, wobei es sich z.B. um Helium handeln kann. Vorzugsweise kommt dieses Helium von einem Kernreaktor, aus dem es mit Temperaturen von etwa 850 bis 11OQ0C und 3
30 bis 60-"atm, austritt.
etwa 850 bis 11OQ0C und Drücken bis zu 80 atm, vorzugsweise
Die Zuleitung 3 führt "zu der Heizzone 4 des Reaktors, die von einer trichterartigen inneren Abschirmwand 5 umgeben ist.
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In die Heizzone 4 hinein ragen eine Vielzahl von Röhren 6, die im Inneren Katalysatormaterial sowie eine Abzugsleitung für Produktgas enthaltene Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist diei-Absugsleitung 7 sowie auch die Speiseleitung 8 für das umzusetzende Einsatzmaterial nur für eine Röhre dargestellt. Reaktionsröhren, wie sie z.B«, hier verwendet werden können, sind in der DOS 1 901 758 und im US-Patent 3 713 784 beschrieben.
Die innere Abschirmwand 5 ist oben offen, so daß das Heizgas in Richtung der Pfeile 9 in einen Zwischenraum 10 strömen kann, der nach innen von der inneren Abschirmwand 5 und nach außen von einer äußeren Abschirmwand 11 begrenzt ist«, Die äußere Abschirnwand 11 ist nach oben geschlossen und verhindert, daß heißes Helium der Heizzone 4 bis zur Abdeckplatte gelangen kann. Das Helium, welches in der Heizzone 4 einen Teil seiner fühlbaren Wärme an die Röhren 6 und die darin ablaufende chemische Umsetzung abgegeben hat, wodurch sich ssine Temperatur etwa um 200 bis 5000C gegenüber der Eintrittstemperatur verminderte, strömt im Zwischenraum 10 nach unten (Pfeile 12 und 13) und verläßt den Reaktor über die Ableitung 14.
Das aus der Ableitung 14 kommende Helium wird außerhalb des Reaktorgehäuses in nicht dargestellter Weise durch einen Wärmeaustauscher hindurchgefördert, wodurch seine Temperatur auf etwa 200 bis 35O0C absinkt. Dieses gekühlte Helium tritt durch die Eintrittsleitung 15 wieder in den Röhrenreaktor ein. Im Bereich des Gehäuses 1 verläuft die Eintrittsleitung 15 koaxial zur Ableitung 14. Das gekühlte Helium tritt in den Kühlbereich zwischen dem Gehäuse 1 und der äußeren Abschirmwand 11 ein und strömt dem Gehäuse entlang nach oben.
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Für die Stabilität des Reaktorgehäuses entscheidend wichtig ist, daß dieses kühle Helium auch entlang der Abdeckplatte 2 geführt wird, wie dies durch die Pfeile 16 und 17 angedeutet ist. Die äußere Abschirinwand 11 bildet dabei mit der Abdeckplatte Kühlkanäle zwischen den Röhren 6, durch welche das Helium hindurchströmen kann. Durch die Austrittsleitung 18 verläßt das kühle Helium den Röhrenreaktor wieder und wird zur iieiterverwendung dem Kernreaktor zugeleitet, worauf hier jedoch im einzelnen nicht mehr eingegangen v/erden soll. Für die Austrittsleitung 18 und die Zuleitung 3 ist die in Fig. 1 dargestellte koaxiale Anordnung vorteilhaft.
In der Nähe der Ableitung 14 besitzt die äußere Abschirmwand 11 einen Kompensator 19, der Längenveränderungen dieser Wand durch elastische Verformung aufnehmen kann. Bis auf die Ableitung 14 stellt die äußere Abschirmwand einen geschlossenen Behälter dar, der im Gehäuse 1 durch Füße 20 abgestützt ist.
Fig. 2, welche einen verkleinerten Querschnitt durch den Röhrenreaktor darstellt, macht deutlich, wie die Abschirmwände 5 und 11 und das Gehäuse 1 Ringzonen ausbilden. Zwei Trennwände 21 und 22 halbieren den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 1 und der äußeren Abschirmwand 11, wobei der eine Halbraum 23 für nach oben zur Abdeckplatte 2 strömendes Helium und der andere Halbraum 24 für das zur Austrittsleitung 18 strömende Helium bestimmt ist. Die Trennwände 21 und 22, die in einer senkrechten Ebene verlaufen, dienen so der Strömungsführung für das kühlende Helium.
In Fig. 3 ist eine besondere Ausgestaltung der unter der Abdeckplatte 2 verlaufenden Kühlkanäle gezeigt. Charakteristisch hierfür ist, daß die Röhren 6 jeweils von Zylinderstücken 25 umgeben sind, wobei zwischen der Außenseite der Röhren und der Innenseite der Zylinderstücke ein Trennraum 26 bleibt.
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In diesen Trennraum kann das heiße Helium der Heizzone 4 eindringen, so daß die Röhren 6 nicht durch das in den Kanälen strömende kühlende Helium direkt gekühlt werden.
Die· äußere Abschirmwand 11 bildet einen Boden zwischen benachbarten Zylinderstücken 25, wodurch Kühlkanäle 27 entstehen, welche dem Hindurchleiten von kühlem Helium dienen. Die Kühlung verhindert eine Überhitzung der Abdeckplatte 2. Da die Abdeckplatte auch bei ausreichender Kühlung noch sehr massiv gestaltet sein muß, um die innerhalb des Gehäuses herrschenden hohen Drücke aufzunehmen, kann es ratsam sein, durch einen Gegendruck die Platte 2 zu entlasten. In Fig. 1 ist dafür gestrichelt eine Druckhaube 30 eingezeichnet. Diese Haube 30 ist mit der Platte 2 verbunden und wölbt sich über das obere Ende der Röhren 6. Die Haube besitzt Durchführungen für die Abzugsleitungen 7 des Produktgases und die Speiseleitungen 8 für in die Röhren einzuführendes Einsatzgemisch. Durch eine Verbindungsleitung 31 zwischen der Austrittsleitung 18 für kühles Helium und der Haube 3o wird eine HeliuinatmoSphäre unter der Haube aufrechterhalten, welche den Druck innerhalb des Gehäuses 1 kompensiert.
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Claims (12)

Patentansprüche
1) Reaktor zum Umsetzen von gasförmigen oder verdampften Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb von 7000C und Drücken von 5 bis 80 atm an in einer Heizzone indirekt beheiztem, in Röhren angeordnetem Katalvsatormaterial, wobei die Heizzone ein gasförmiges Heizmedium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren durch das Reaktorgehäuse hindurchgeführt sind und mit mindestens einem Teil ihrer Länge in die Heizzone hineinreichen, daß die Heizzone von einer inneren Abschirmwand umgeben ist, welche zu einer äußeren Abschirmwand hin' durchlässig ist und daß die äußere Abschirmwand in durchströmbarem Abstand innerhalb des Reaktorgehäuses liegt.
2) Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ■Heizzone eine Zuleitung für in einem Kernreaktor aufgeheiztes Gas, insbesondere Helium, aufweist.
3) Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Abschirmwand eine aus dem Reaktorgehäuse herausführende Ableitung für das'Heizmediüm aufweist,
4) Reaktor nach Anspruch 1 oder, einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet. daß das Reaktorgehäuse eine Eintrittsleitung für außerhalb des Reaktors gekühltes Heizmedium aufweist, die im Raum zwischen dem Reaktorgehäuse und der äußeren Abschirmwand mündet.
5) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgehäuse eine Austrittsleitung· für gekühltes Heizmedium auf v/eist.
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6) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet. daß die Austrittsleitung für gekühltes Heizmedium koaxial zu der Zuleitung für in einem Kernreaktor aufgeheiztes Gas angeordnet ist.
7) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Reaktorgehäuse herausführende Ableitung für das Heizmedium koaxial zu der Eintrittsleitung für außerhalb des Reaktorgehäuses gekühltes Heizmedium angeordnet ist.
8) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet. daß die äußere Abschirmwand einen Wärmedehnungen ausgleichenden Kompensator aufweist.
9) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Abschirmwand im Bereich der von den Röhren durchzogenen Abdeckplatte des Reaktorgehäuses Kühlkanäle bildet.
10) Reaktor nach Anspruch S1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle im Bereich der Röhren durch Zylinder begrenzt sind, welche im Abstand von den Röhren koaxial zu diesen angeordnet sind.
11) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Reaktorgehäuse und der äußeren Abschirmwand durch Strömungsieitwände unterteilt ist.
12) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum über der Abdeckplatte außerhalb des Reaktors eine Druckhaube aufweist und über eine ■Verbindungsleitung mit gekühltem Heizmedium gefüllt ist.
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