DE2414184C2 - Vorrichtung zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen und Verfahren zu ihrem Betrieb Fried. Krupp Hüttenwerke AG, 4630 Bochum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführune endothermer chemischer Reaktionen, bei Es ist wünschenswert, die fossile Energie weitgehend durch Kernwärme zu ersetzen. Entsprechende Vorschläge sind bereits gemacht worden. So ist eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen in der Literaturstelle »Chemie - Ingenieur - Technik 42«, Heft 7 (1970), S. 429 bis 433, vorbeschrieben. Der Wärmeaustauscher in Verbindung mit der Kernwärme gehört zu der Gattung, die insbesondere in der metallurgischen Industrie als Rekuperator bezeichnet wird. Der Rekuperator hat in Verbindung mit dem Kernreaktor den Vorteil, daß der Kühlmittelkreislauf des Kernreaktors in sich geschlossen bleibt, so daß die Gefahrenquellen, die vom Kernreaktor herrühren, verringert sind.

In der vorgenannten Literaturstelle »Chemie — Ingenieur - Technik« werden zur Ausnutzung der Kernwärme zwei Lösungen aufgezeigt: Gemäß S. 430, rechte Spalte, Absatz 4, wird bei wechselnder, oxydierender und reduzierender Atmosphäre auf der Sekundärseite ein Wärmeaustauschelement vorgestellt, das aus Siliziumkarbid mit eingezogenem ferritischcm Dichtrohr besteht. Diese Lösung wird in der Literaturstelle nicht für optimal gehalten, da sie konstruktiv aufwendig ist und keinen hinreichenden Wärmedurchsatz erbringt. Auf Grund dieser Schwierigkeiten wird in der Druckschrift der Weg für richtig gehalten, für den Sekundärkreislauf als Kreislaufmedium flüssiges Blei heranzuziehen. Dieser Bleikreislauf wird in Abbildungen in verschiedenen Anwendungsformen erläutert. Der Bleikreislauf wirft seinerseits technische Probleme auf, da das Blei bei hohen Temperaturen einen beachtlichen Dampfdruck besitzt. Es müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um bei Störungen ein Austreten der giftigen Bleidämpfe zu verhindern.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Bleikreislauf aggressive Komponenten lösen und mitführen kann, die dann in Rekuperatoren zu nichtkontrollierbaren Schaden führen.

Ausgehend von diesen Schwierigkeiten liegt der

vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu entwickeln, die es erlaubt, die vom primären Kreislauf herangeführten groCen Wärmemengen gefahrlos für die Durchführung endothermer, chemischer Reaktionen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit cen im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Unter einem »Inertgas« wird jedes Gas verstanden, welches unter den in der Vorrichtung gegebenen Umständen für die Werkstoffe unschädlich ist, z. B. Stickstoff, insbesondere Inertgase im strengen Sinne. Es ist für den Erfindungsgegenstand wesentlich, daß mit dem Sekundärkreislauf keine aggressiven Medien an den Rekuperator herangeführt werden.

Sollten daher aus den Regeneratoren entsprechende Schadstoffe mitgeführt werden, so ist es vorteilhaft, in den Inertgaskreislauf einen Gasreiniger einzuschalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein weiterer, kleiner Gasreiniger vorgesehen, der über Leitungen zwischen dem Ausgang des jeweiligen Regenerators und dem Eingang des Wärmeaustauschers (Rekuperator) schaltbar ist. Dieser kleine Gasreiniger wird eingesetzt, um beim Umschaltvorgang vom chemischen Reaktionsbetrieb zum Aufheizzustand den Regenerator zunächst mit dem Inertgas zu spülen. Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß nicht der gesamte Inerigasstrom einer Reinigung zu unterziehen ist und daß die Reinigung bei hohen Konzentrationen vor der Mischung mit dem Hauptstrom erfolgt. Aus diesem _₁₀ Grunde kann diese Gasreinigungsanlage besonders klein sein.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch in einer Ausführungsform dargestellt.

Es sind darin zwei Regeneratoren 1, Γ dargestellt; die Zahl kann jedoch erhöht werden, leder Regenerator ist über Ventile oder Schieber in die Kreislaufleitung 2 ein- und ausschaltbar. In den Zeiten der Einschaltung bildet der Reaktionsraum des eingeschalteten Regenerators einen Teil der Kreislaufleitung 2. In dieser Kreislaufleitung soll hocherhitztes, inertes Gas, bevorzugt Stickstoff, umlaufen. Ein anderer Teil der Kreislaufleitung 2 bildet den Sekundärteil 3 eines Rekuperators 3, 4. Der Primärteil 4 dieses Rekuperators ist ein Abschnitt der Kühlmittel-Kreislaufleitung 5 des Kernreaktors 6. Die Regeneratoren 1, Γ besitzen außerdem Ein- und Auslaßorgane für die Reaktanden bzw. die Reaktionsprodukte (nicht dargestellt). Mit 9 ist ein Gasreiniger bezeichnet, der nur im Bedarfsfalle vorzusehen ist.

Beim Betrieb wird mit Hilfe des hocherhitzten, inerten Gases mindestens einer der Regeneratoren aufgeheizt, während mindestens ein anderer für die Reaktion in Anspruch genommen wird, wie das bei regenerativ betriebenen Systemen bevorzugt gehandhabt wird. Auch die Umschaltung erfolgt wie in Regenerativsystemen üblich periodisch.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eröffnet überhaupt erst die Möglichkeit, auch solche Umsetzungen mit Kernenergie zu beaufschlagen, die nur in do Regenerativsystemen durchgeführt werden können.

Darüber hinaus bietet die Vorrichtung gemäß der Erfindung besondere Vorteile auch in solchen Fällen, in denen rekuperativ gearbeitet werden könnte; denn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht gegenüber <\s reinen Rekuperativsystemen eine größere Vielfalt von Möglichkeiten für die spezielle Werkstoffauswahl der Vorrichtunesteile.

Üblicherweise werden metallische Werkstoffe für Rekuperatoren vorgeschlagen. Die Werkstoffe müssen bei ausreichender Zeitstandfestigkeit hervorragenden Korrosionswiderstand gegen die Reaktionsgase haben. Zudem dürfen sie nur geringe Diffusionsfähigkeit für Wasserstoff und Helium aufweisen. Aus wirtschaftlichen Gründen sollten sie schließlich gut verarbeitbar sein.

Diese Forderungen sind gleichzeitig sehr schwer von metallischen Werkstoffen zu erfüllen.

Die Erfindung löst somit auch die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu überwinden.

Da im Rekuperator, der die Kernwärme vom Kühlmittelkreislauf des Reaktors auf das Inertgas zu übertragen hat, keine korrosiven Gasbestandteile vorhanden sind, können bekannte Hochtemperaturwerkstoffe mit gutem Zeitstandverhalten verwendet werden; sie brauchen aber nicht auch hervorragende Korrosionseigenschaften besitzen.

Bei Rekuperativsystemen, in denen die Wärme durch die metallische Austauschfläche an die chemische Reaktion übertragen wird, ist auch zu beachten, daß der Werkstoff des Rekuperators im Reaktionsraum aggressiven Medien zu widerstehen hat. Die Rücksichtnahme entfällt bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Reaktionsraum, da dort die rekuperative Trennwand fehlt. Die Werkstoffauswahl des Reaktionsraumes und mithin des Regenerators kann somit ausschließlich nach den für Regeneratoren gültigen Bedingungen — wie Wärmespeichervermögen der vorzugsweise keramischen Werkstoffe — erfolgen.

Als besondere Anwendungsform kann man auf das wärmespeichernde Material Katalysatoren für die chemische Umsetzung aufbringen. Ebenso ist es aber auch möglich, gasförmige, flüssige, sublimierende oder verdampfende oder auch staubförmige Katalysatoren für die Reaktion laufend oder periodisch einzubringen.

Unter Benutzung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird grundsätzlich so verfahren, daß periodisch nach dem Aufheizen eines Inertgases und Umschalten des Inertgaskreislaufes auf einen anderen zu erhitzenden Regenerator der an der Reaktion zu beteiligende gasförmige Reaktionspartner in den hocherhitzten Regenerator geleitet und im Raum dieses Regenerators oder im nachgeschalteten besonderen Reaktionsraum (gemäß dem Schluß der Beschreibung) mit einem anderen Reaktionspartner, der gasförmig oder flüssig oder fest ist, zur Reaktion gebracht wird.

Beim Umschaltvorgang vom chemischen Reaktionsbetrieb zum Aufheizzustand und umgekehrt ist es zweckmäßig, mit dem Inertgas den Regenerator zunächst zu spülen, wenn zu erwarten steht, daß das Inertgas aggressive Medien aus dem Regenerator mitführt. Für diesen Zweck sind die eingangs beschriebenen Gasreiniger vorgesehen.

Der Kühlmittelkreislauf des Kernreaktors wird wegen der hohen Wärmeübertragung in der Regel unter einem hohen Druck stehen. Der zweite Kreislauf kann sowohl unter gleichem Druck stehen wie der erste, als a-:h unter höherem oder niedrigerem. Vorteilhaft ist ein höherer Druck, da bei einem Leck im Rekuperator wenig Kühlmittel des Kernreaktors in den anderen Kreislauf unmittelbar überströmt.

Ein besonderes Problem ergibt sich, wenn der Regenerator bei der chemischen Reaktion unter einem anderen Druck steht als bei der Durchleitung des Inertgases. Hierbei ist es zweckmäßig, den periodischen Umschaltvorgang in mehreren Phasen ablaufen zu lassen, wobei zunächst die Drücke auf- bzw. abgebaut

werden. Auch die dabei anfallenden Gase können über die Gasreinigung geführt werden.

Für eine gleichmäßige Belastung der Gasreinigungsanlage ist die Zwischenschaltung eines Pufferbehälters vorteilhaft.

Wenn im Regenerator Umsetzungen mit Wasserstoff und Sauerstoff oder Wasserdampf stattfinden, kann sich möglicherweise auf der Innenseite des Außenmantels oder im Mauerwerk in der Nähe des Außenmantels Wasser kondensieren. Eine besondere Anwendungsform sieht daher eine zusätzliche Außenbeheizung des Regenerators für den Fall vor, daß H2O auftreten und kondensieren könnte. Diese Zusatzbeheizung kann mit elektrischem Strom oder aber auch mit dem heißen Stickstoff nach dem Verlassen des anderen Regenerators erfolgen. Schließlich sind auch Kondensationen durch eine entsprechende Ausmauerung vermeidbar. Bevorzugt liegt eine solche Isolierung außerhalb des Mantels der Regeneratoren.

Werden mehr als zwei Regeneratoren nebeneinander verwendet, so kann der erste in der Aufheizphase sein, der zweite in der Umschaltperiode und der dritte in der Wärmenutzperiode für den chemischen Umsatz. Der Regenerator, der sich gerade in der Umschaltphase befindet, kann das heiße, unter Überdruck stehende Inertgas in ein Mantelsystem des dritten leiten, um hier beim Umsatz sonst auftretende Wasserkondensation im Randbereich zu unterdrücken. Das so geleitete Inertgas kann nach einer möglichen Zwischenreinigung dem ursprünglichen Inertgasstrom beigemischt werden.

Die Zu- und Ableitungen der Gase können mit in den äußeren Mantel des Regenerators einbezogen werden oder gesondert daneben angeordnet und mit ihm verbunden sein.

Zwischen Rekuperator und Regenerator können elektrische Heizungen oder Verbrennungsvorrichtungen für fossile Brennstoffe angeordnet sein, die das Inertgas in seiner Leitung aufheizen.

Die Ausbildung der Stickstoffzuleitung als Brennkammer oder die Ausrüstung mit einer Zusatzbeheizung ist von Vorteil. Hiermit ist eine flexible Temperaturführung und das Auffangen von Spitzenlasten möglich.

Nach einer besonderen vorteilhaften Ausbildungsform für die Zusatzbeheizung mit Verbrennungsgas kann diese mit danebenstehendem Brennschacht ausgerüstet sein, wie bei einem Cowper bekannt.

Eine der Möglichkeiten besteht darin, daß bei Ausfall des Kernreaktors mit fossiler oder elektrischer Energie der Regenerator aufgeheizt und so ein gleichmäßiger Betrieb der chemischen Seite gewährleistet werden

Die Verwendung fossiler und/oder elektrischer Energie kann aber auch zur Erzielung höherer Temperaturen erfolgen, als mit der Abwärme des jeweiligen Kernreaktors erreichbar ist. Zu diesem Zweck können Vorrichtungen vorgesehen werden, die das Aufheizen des Regenerators selbst oder des Inertgases gestatten.

Im Regenerator kann die Aufheizung von außen über den Mantel oder innen durch elektrische Heizvorrichtungen oder mit fossilen Brennstoffen erfolgen, die im Regenerator oder vor ihm verbrannt werden und deren Verbrennungsgase durch den Regenerator geführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise geeignet für chemische oder metallurgische Prozesse, die im Fließbett durchgeführt werden. Dabei können die Regeneratoren innen als Zyklone, Reaktionsrohre oder andere Reaktionsräume ausgebildet sein.

Eintragvorrichtungen für staubförmige Feststoffe oder Zersprüheinrichtungen für Flüssigkeiten sind in bekannter Weise vorzusehen und anzuordnen.

Ein anderer Anwendungsfall ist die Erzeugung von Reduktionsgasen aus Erdgas, Methan, Erdöl oder Naphtha oder anderen Erdölprodukten und Nebenprodukten sowie aus anderen fossilen Energieträgern gewinnbaren Kohlenwasserstoffen sowie die Koppelung von Kernkraftwerken mit Fernheizwerken oder Stromerzeugern über Kreislaufführung von Gasen und Gasgemischen, die z. B. CHt, H2, H2O, CO und CO2 enthalten.

An Stelle der einzelnen, nebeneinander angeordneten Regeneratoren können auch ein Regenerator oder mehrere davon benutzt werden, die ringförmig und in einzelne Kammern unterteilt sind, die im vorgesehenen Takt eine abschnittsweise Aufheizung der Regenerativanlage und auch eine abschnittsweise Wärmeentnahme gestatten.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können aber auch zur Aufheizung von Regeneratoren benutzt werden, durch die in der Wärmeentnahmeperiode die Gaskomponenten chemischer und metallurgischer Prozesse geführt werden, wobei die Reaktion dieser Gase mit in anderen Phasen vorliegenden Reaktionspartnern in nachgeschalteten Reaktionsräumen vor sich geht. In solchen Fällen gehören die den Regeneratoren nachgeschalteten, besonderen Reaktionsräume zur erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie können dann an Stelle der Regeneratoren die Inneneinbauten, wie Zyklone, Reaktionsrohre, enthalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen, bei der ein von einem Kühlmittel durchflossener Kernreaktor zur Erzeugung der notwendigen Prozeßwärme herangezogen wird, wobei das Kühlmittel des primären Kreislaufs die Wärme in einem Wärmeaustauscher an einen in einem sekundären Kreislauf geführten Wärmeträger ι ο abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger des sekundären Kreislaufs (2) ein Inertgas ist und der sekundäre Kreislauf (2) mindestens zwei Regeneratoren in einer Anordnung aufweist, in der jeder Regenerator (1, V) mit seinem Reaktionsraum zeitweise einen Teil des sekundären Kreislaufs (2) bildet und zeitweise für die Durchführung der Reaktion zur Verfugung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in den Inertgaskreislauf einschaltbaren Gasreiniger (9), bevorzugt mit einem Zwischengeschäften Pufferbehälter.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennleichnet durch einen weiteren kleinen Gasreiniger (7), der über Leitungen (8) zwischen den Ausgang des jeweiligen Regenerators (1, V) und den Eingang des Wärmeaustauschers (3) schaltbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Heizvorrichtungen für fossile ©der elektrische Energie an oder in den Regeneratoren(l, V).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Heizeinrichtungen an der Kreislaufleitung (2) zwischen dem Wärmeaustauicher (3) und den Regeneratoren(1,'').

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regenerator ein gesonderter Reaktionsraum nachgeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator Ein- und Auslässe für die an der Reaktion zu beteiligende gasförmige Phase und der gesonderte Reaktionsraum die übrigen Ein- und Auslässe für die anderen Reaktanden und Auslässe für die Reaktionsprodukte aufweist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch nach dem Aufheizen eines Regenerators mit Hilfe eines Kreislaufs hocherhitzten Inertgases und Umschalten des Inertgaskreislaufes auf einen anderen zu erhitzenden Regenerator der an der Reaktion zu beteiligende gasförmige Reaktionspartner in den hocherhitzten Regenerator geleitet und im Raum dieses Regenerators bzw. im nachgeschalteten Reaktionsraum mit einem anderen Reaktionspartner, der gasförmig, flüssig oder fest ist, tür Reaktion gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Inertgaskreislauf unter einen Druck gesetzt wird, der höher ist als der Druck im Reaktorkühlmittelkreislauf.

der ein von einem Kühlmittel durchflossener Kernreaktor zur Erzeugung der notwendigen Prozeßwärme herangezogen wird, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.

Endotherme chemische Reaktionen lassen sich bekanntlich in Wärmeaustauschern durchführen. Ein Wärmeaustauschertyp sind die Regeneratoren, wobei der einzelne Regenerator zunächst aufgeheizt wird und anschließend für die endotherme chemische Reaktion zur Verfugung steht. Auf Grund dieser periodischen Arbeitsweise benötigt das Regenerativ-Verfahren mindestens zwei Regeneratoren. Eine endotherme chemische Reaktion in Regeneratoren ist z. B. in Form des Wulff-Verfahrens in »Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie«, 4. Auflage, Bd. 3, S. 338 und 339, beschrieben. Ein anderer Wärmeaustauschertyp wird in der Metallurgie »Rekuperator« genannt. In einem solchen Rekuperator sind die Kanäle für die heißen Medien von den Kanälen für die aufzuheizenden Medien räumlich voneinander getrennt, wobei die Medien im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom geführt werden, so daß mit einem Rekuperator ein ununterbrochener Betrieb möglich ist.

Die Aufheizung der vorgenannten Wärmeaustauscher wird üblicherweise mit Verbrennungsgasen fossiler (gasförmiger, flüssiger oder fester) Brennstoffe vorgenommen oder einfach mit heißen Abgasen; in Einzelfällen kommt auch eine elektrische Beheizung