DE2751308A1

DE2751308A1 - Reaktoranlage

Info

Publication number: DE2751308A1
Application number: DE19772751308
Authority: DE
Inventors: George Ronald Krar; Ole Lomholt Olesen; Richard Allan Sederquist; Donald Felix Szydlowski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1978-07-06
Also published as: NL7712715A; JPS577539B2; BR7707896A; IT1089105B; JPS5379768A; SE423895B; AU3072577A; DK514377A; ES464566A1; IL53404A; IL53404A0; GB1564995A; DE2751308C2; FR2374947A1; SE7713225L; AU509038B2; CH625827A5; FR2374947B1

Description

Reaktoranlage

Die Erfindung betrifft eine Reaktoranlage, in welcher beispielsweise aus einem Einsatzgut durch katalytische Reaktion Produktgase erzeugt werden.

Katalytische Reaktoranlagen zum Umwandeln von Kohlenwasserstoff einsatzgut (Brennstoff ) in nützliche technische Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, sind bekannt. Der gängigste Prozeß zur Erzeugung von Wasserstoff ist das Dampf-Reformieren oder Steam-Reforming eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes durch Hindurchleiten desselben durch mit einem Katalysator gefüllte Reaktorröhren, die innerhalb eines Ofens angeordnet sind. In technischen Anlagen erfolgt die Wärmeübertragung auf die Reaktorröhren hauptsächlich durch Abstrahlung von den Ofenwänden. Das erfordert einen relativ großen Abstand zwischen den Röhren und alle Röhren müssen neben den Wänden des Ofens angeordnet

8098 2"^/ 0605

sein, damit jede Röhre durch Abstrahlung von den Wänden gleichmäßig erhitzt wird. Es ist deshalb nicht möglich, eine große Anzahl von Reaktorröhren kompakt innerhalb des Ofens anzuordnen, da die Röhren an den Wänden viel heißer werden als diejenigen, die von anderen Röhren umgeben sind. Ausserdem werden Teile von einzelnen Röhren, die keine direkte Sichtlinie zu der Ofenwand haben, kälter sein als diejenigen Teile derselben Röhre, die eine direkte Sichtlinie zu der Ofenwand haben, woraus sich eine ungleichmäßige Umfangsverteilung der Wärme innerhalb gewisser Reaktorröhren ergibt. Das führt zu einer geringeren Lebensdauer der Anlage aufgrund von örtlichen heißen Stellen und verhindert die wirksamste Ausnutzung der Wärmeenergie innerhalb des Ofens.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer kompakten kata-Iytischen Reaktoranlage, die gleichzeitig eine größere Lebenserwartung hat und äußerst wirksam arbeitet.

In einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der Annelderin (Bezeichnung: "Katalytische Reaktoranlage") ist eine katalytische Reaktoranlage vorgeschlagen, in welcher eine große Anzahl von Reaktorröhren, d.h. von Reaktoren innerhalb eines Ofens kompakt angeordnet ist. Der Ofen hat einen Brennraum, innerhalb welchem die Verbrennung des dem Ofen zugeführten Brennstoffes erfolgt. Ein Ende jeder Röhre ist innerhalb des Brennraums angeordnet, während der übrige Teil jeder Röhre von einer zylindrischen Wand umgeben ist, die um jede Röhre einen ringförmigen Kanal begrenzt. Der Ofen und die Reaktorröhren sind so aufgebaut und angeordnet, daß die heißen Gase innerhalb des Brennraums diesen über die ringförmigen Kanäle um jede Röhre verlassen.

Das Ziel des oben genannten Vorschlages und der Erfindung sind ein hoher thermischer Reaktorwirkungsgrad und eine lange Lebensdauer. Zur Erreichung dieses Ziele müssen mehrer Faktoren beachtet werden. Die einheitliche Ausnutzung der Wärme-

8098 Ά/ 06 0 5

energie innerhalb des Ofens durch die Reaktoren ist ein wichtiger Faktor. Ein weiterer Faktor ist die Umfangsgleichmäßigkeit der Temperatur um jeden Reaktor an jedem besonderen axialen Ort. Wenn eine große Anzahl von in engem Abstand angeordneten Reaktoren innerhalb eines Ofens vorhanden ist, bringt das Erhitzen der Reaktoren innerhalb des Brennraums besondere Probleme mit sich. Beispielsweise erzeugt das tatsächliche Verbrennen des Brennstoffes innerhalb des Brennraums sehr hohe Temperaturen und infolgedessen erfolgt eine beträchtliche Wärmeabstrahlung von der Flamme und von den Wänden des Brennraums. Die Strahlungswärme beeinflußt nur diejenigen Teile der Reaktoren, die eine direkte Sichtlinie zu der Stra**- lungswärmequelle haben. Reaktoren an der Brennraumwand empfangen beträchtlich mehr Wärme als andere Reaktoren und außerdem wird jeder von ihnen auf einer Reaktorseite auf eine viel höhere Temperatur erhitzt als auf der anderen. Ein Aspekt der Erfindung ist es, dieses Überhitzen und diese ungleichmäßige Erhitzung der Reaktoren an der Brennraumwand zu minimieren. Selbst wenn eine übermäßige Strahlungserhitzung der Reaktoren an der Wand verhindert werden könnte, besteht weiter allgemein die Tendenz, daß Reaktoren, die weiter von der Brennraumwand entfernt und durch andere Reaktoren umgeben sind, weniger Wärme empfangen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine gleichmäßigere Erhitzung sämtlicher Reaktoren ungeachtet ihrer Position innerhalb des Ofens zu erzielen.

Gemäß der Erfindung sind mehrere dicht gepackte Reaktorröhren innerhalb eines Ofens angeordnet und haben innerhalb des Brennraums des Ofens angeordnete Teile. Abschirmkörper sind in ausgewählter Weise innerhalb des Brennraums des Ofens angeordnet, um Reaktorröhrenwandoberflachen abzuschirmen, die sonst zu viel Strahlungshitze aus dem Innern des Brennraums empfangen würden.

Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Begriff der dicht gepackten Reaktoren oder Reaktorröhren be-

80982^/0605

deutet eine nichtlineare regelmäßige Anordnung von wenigstens drei In engem Abstand angeordneten Reaktoren, wobei die regelmäßige Anordnung das Brennraumvolumen im wesentlichen ausfüllt und wobei die Reaktoren im wesentlichen gleichmäßig verteilt und in im wesentlichen gleichmäßigen Abständen innerhalb des Brennraumvolumens sowie in engem gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Beispiele sind, wenn ein zylindrischer Brennraum angenommen wird, eine regelmäßige Anordnung aus drei dicht gepackten Reaktoren in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit einem Reaktor an jeder Ecke; eine regelmäßige Anordnung aus vier dicht gepackten Reaktoren in Form eines Quadrats mit einem Reaktor an jeder Ecke; eine regelmäßige Anordnung aus fünf Reaktoren, mit einem zentralen Reaktor, der durch eine quadratische Anordnung von vier Reaktoren umgeben ist. Neun Reaktoren könnten in einer quadratischen Anordnung aus drei parallelen Reihen von jeweils drei Reaktoren angeordnet werden. Eine hexagonale Anordnung von 19 Reaktoren ist in Fig. 2 gezeigt. In allen Fällen empfängt wenigstens ein Teil jedes Reaktors In der regelmäßigen Anordnung eine wesentlich geringere Menge an direkter Strahlung von der Brennraumwand. Beispielsweise empfangen Reaktoren an der Wand wesentlich weniger Strahlung auf der von der Wand abgewandten Seite. Außerdem empfangen Teile von Reaktoren eine wesentlich geringere Strahlungsmenge infolge der Blockierung der Strahlung durch andere Reaktoren in der regelmäßigen Anordnung.

Unter dem in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Begriff "Brennraum" 1st das Volumen des Ofens zu verstehen, innerhalb welchem die tatsächliche Verbrennung stattfindet.

In einer Ausführungsform sind die Abschirmkörper Hülsen, welche die Reaktorröhren neben der Brennraumwand wenigstens teilweise umschließen, um diese Reaktorröhren vor Wärme zu schützen, die von den Wänden abgestrahlt wird. Vorzugsweise sind die Abschirmkörper nicht nur so ausgebildet, daß sie die Reaktorröhrenoberflächen vor übermäßiger Strahlungswärme schützen,

80982^/0606

- ίο -

sondern sie sind auch so aufgebaut und angeordnet, daß sie die Wärme von Reaktorröhre zu Reaktorröhre und umfangsmäßig um jede Reaktorröhre herum gleichmäßiger verteilen. Das Endziel ist es, zu erreichen, daß sich jede Reaktorröhre in derselben Wärmeumgebung wie alle anderen Reaktorröhren befindet, so daß die Wandtemperaturen von Reaktorröhre zu Reaktorröhre an dem gleichen axialen Ort und umfangsmäßig um jede Reaktorröhre herum einheitlich sind. Dadurch werden die maximalen Reaktorröhrenwandtemperaturen verringert und die Lebensdauer der Reaktorröhren wird erhöht und außerdem kann der thermische Reaktorwirkungsgrad verbessert werden.

Die Hülsen können entweder aus nichtwärmeleitendem Material, wie beispielsweise Keramik, oder aus wärmeleitendem Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Hülsen aus wärmeleitendem Material können zwar Strahlungswärme gut abschirmen, die beste Abschirmung ergibt sich jedoch durch nichtwärmeleitendes Material. Wärmeleitende Hülsen können vorteilhaft um diejenigen Reaktorröhren herum verwendet werden, die keine direkte Sichtlinie zu der Ofenwand haben, um die Wärme gleichmäßiger in dem Brennraum und umfangsmäßig um die durch die Hülsen umgebenen Reaktorröhren herum zu verteilen. Jede besondere regelmäßige Anordnung von Reaktorröhren kann Hülsen verschiedener Länge und verschiedener Form enthalten. Eine Hülse kann eine Reaktorröhre vollkommen oder nur teilweise umgeben und kann Schlitze oder andere öffnungen und Ausschnitte haben, die den Strom von Brennraumgasen um die Reaktorröhren herum steuern.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilvertikalschnittansicht einer ka-

talytischen Reaktoranlage nach der Erfindung,

80982^/0605

27513Q8

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anlage von

Fig. 1 im wesentlichen auf der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilvertikalschnittansicht einer wei

teren Ausführungsform der katalytischen Reaktoranlage nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch die Anlage von

Fig. 3 im wesentlichen auf der Linie 4-4 von Fig. 3,

Fig. 5 eine Teilvertikalschnittansicht einer weiteren

Ausführungsform der katalytischen Reaktoranlage nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Teilvertikalschnittansicht von noch

einer weiteren Ausffihrungsform der katalyti schen Reaktoranlage nach der Erfindung auf der Linie 6-6 in Fig. 7, und

Fig. 7 einen Schnitt auf der Linie 7-7 in Fig. 6.

Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die katalytische Reaktoranlage 10 von Fig. 1 und 2 betrachtet. In dieser Ausführungsform dient die Anlage zum Dampf-Reformieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstofes in Gegenwart eines geeigneten Katalysators, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Anlage 10 enthält einen Ofen 12 mit Brennerdüsen 14, mit einem Brennstoffverteiler 16 und mit einem Luftverteiler 18. Innerhalb des Ofens 12 sind mehrere dicht gepackte röhrenförmige Reaktoren 20 angeordnet.

Jeder Reaktor 20 hat eine äußere zylindrische Wand 22 und eine innere zylindrische Wand oder ein Mittelrohr 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 begrenzen. Die Reak-

80982^/0605

tionskammer 26 ist mit Dampfreformierkatalysatorpellets 28 gefüllt, die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlaß 32 der Reaktionskammer angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformierkatalysator , wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer von ihrem Einlaß 32 bis zu ihrem Auslaß 36 zu füllen. Der Zylinder, der durch die Außenwand 22 begrenzt ist, ist an seinem oberen Ende 38 durch eine Endkappe 40 verschlossen. Das Mittelrohr 24 hat ein oberes Einlaßende 42 und ein unteres Auslaßende 44. Das Einlaßende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so daß das Mittelrohr 24 in Gasverbindung mit dem Auslaß 36 der Reaktionskammer 26 ist.

Innerhalb des Mittelrohres 24 ist ein zylindrischer Stopfen 46 angeordnet, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Mittelrohres, so daß sie zwischen sich eine ringförmige Regenerationskammer 48 begrenzen, die einen Einlaß 49 hat. Der Stopfen 46 kann zwar eine massive Stange sein, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jedoch ein Rohr, das durch eine Endkappe 50 an seinem einen Ende verschlossen ist, so daß die Reaktionskanuner 26 verlassende Reaktionsprodukte um den Stopfen 46 herum durch die Regenerationskammer 48 strömen müssen. Der Abstand zwischen dem Stopfen 46 und dem Mittelrohr 24 wird durch Ausbauchungen 52 in der Stopfenwand aufrechterhalten.

In den Reaktoren in diesem Ausführungsbeispiel hat die Reaktionskammer 48 die Aufgabe, Wärme von den den Auslaß 36 verlassenden Reaktionsprodukten zurück in das Katalysatorbett der Reaktionskammer 26 zu leiten. Deshalb wird bei dieser Ausführungsform der Auslaß 54 der Reaktionskammer 48 als neben dem Einlaß 32 des Katalysatorbettes statt als an dem Auslaßende 44 des Mittelrohres angeordnet angesehen, und zwar trotz der Tatsache, daß der tatsächliche Ring, den der Stopfen 46 und das Mittelrohr 24 zwischen sich begrenzen, sich bis zu dem Auslaßende 44 erstreckt. Die in

80987^/0605

Fig. 1 gezeigte Anordnung sorgt für eine gewisse Vorwärmung des Prozeßbrennstoffes, bevor dieser in das Katalysatorbett eintritt.

Es sei beachtet, daß die Regenerationskanuner 48 von den heißen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist. Zu Erzielung eines maximalen Reaktorgesamtwirkungsgrades ist es wichtig, die Wärmeenergie des Ofengases daran zu hindern, die Reaktionsprodukte innerhalb der Regenerationskammer 48 zu erhitzen. Es ist außerdem wichtig, das Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff oder Wasserstoff innerhalb der Regenerationskammer 48 zu verhindern. Nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten am Auslaß 36 vorhanden ist, wird auf die Reaktionskammer übertragen.

Jeder Reaktor 20 kann als ein Reaktor aufgefaßt werden, der einen oberen Teil 56 und einen unteren Teil 58 aufweist. Der obere Teil 56 ist in einem Raum angeordnet, der im folgenden als Brennraum 60 bezeichnet wird. Der Brennraum 60 ist dasjenige Volumen des Ofens 12, innerhalb welchem die tatsächliche Verbrennung des Brennstoffes und der Luft, die in den Ofen eingeleitet worden sind, stattfindet. Dieser Raum ist durch sehr hohe Temperaturen, beträchtliche Strahlungsheizung sowie Konvektionsbeheizung der Reaktoren 20 und durch axiales (d.h. in der Richtung der Achse der Reaktoren 20) sowie radiales Vermischen der Gase darin gekennzeichnet.

Der untere Teil 58 jedes Reaktors ist innerhalb eines Teils des Ofens angeordnet, der im folgenden als Ofenteil mit erhöhter Heizleistung bezeichnet wird, und zwar in Anbetracht dessen, daß er so aufgebaut und ausgelegt ist, daß der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad, wie etwa zwischen den Ofengasen und den unteren Teilen der Reaktoren, erhöht wird. In dieser Ausführungsform ist der untere Teil 58 jedes Reaktors von einer zylindrischen Hand oder einen zylindrischen Kanal 62 umgeben, der in äußerem Abstand von der Wand 22 angeordnet

80982ψ0605

27513Q8

ist und mit dieser einen ringförmigen Brennergaskanal 64 begrenzt, der einen Einlaß 66 und einen Auslaß 67 hat. Der Auslaß 67 befindet sich neben dem Einlaß 32 der Reaktionskammer 26. Der Kanal 64 ist mit einem Wärmeübertragungspackmaterial gefüllt, das auf einem Gitter 68 ruht und in vorliegendem Beispiel aus Kugeln 70 aus Aluminiumoxid besteht. Der Zwischenraum 72 zwischen benachbarten Kanälen 64 ist mit einem nichtwärmeleitendem Material, wie beispielsweise einer Keramikfaserisolierung, gefüllt, das auf einer Platte 74 ruht, die sich über den Ofen erstreckt und in der Löcher gebildet sind, durch welche die Reaktoren 20 hindurchgehen. Die Platte 74 und das Material innerhalb des Zwischenraums 72 hindern die Ofengase daran, um die Außenseite der zylindrischen Wände oder Kanäle 62 zu strömen. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Verbesserung der Wärmeübertragung über die unteren Teile der Reaktoren 20 finden sich in der eingangs erwähnten, gleichzeitig eingereichten Anmeldung.

Zusätzlich zu der Platte 74 erstrecken sich Platten 76, 78 und 80 ebenfalls über den Ofen und begrenzen zwischen sich Verteiler. Die Platte 80 ruht auf der Bodenwand 82 des Ofens. Die Platten 78 und 80 begrenzen zwischen sich einen Reaktionsproduktverteiler 84. Die Platten 76 und 78 begrenzen zwischen sich einen Prozeßbrennstoffeinlaßverteiler 86. Die Platten 74 und 76 begrenzen zwischen sich einen Ofengasauslaßverteiler 88. Die Stopfen 46 und die Mittelrohre 24 stoßen an die Bodenplatte 80 an. Die Außenwände 22 der Reaktoren stoßen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände oder Kanäle 62 stoßen an die Platte 74 an.

Abschirmbleche in Form von Hülsen 90 umgeben die oberen Teil-Ie 56 jedes Reaktors. Diese Hülsen sind aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Hülsen 90 um die Reaktoren neben der Brennraumwand 89, die im folgenden als äußere Hülsen bezeichnet werden, bestehen aus rostfreiem Stahl und schirmen diese Reaktoren vor der Hitze ab, die durch die Brennraumwände abgestrahlt wird. Die Hülsen um die Übrigen Reaktoren werden

8 0 9 8 2ψ 0 6 0 5

im folgenden als innere Hülsen bezeichnet. Diese inneren Hülsen strahlen Wärme an umgebende Hülsen ab und sind bestrebt, TemperaturfehlVerteilungen innerhalb des Brennraums auszugleichen und dadurch Urafangstemperaturdifferenzen um einzelne Reaktoren herum zu verringern. Es sei jedoch beachtet, daß es im Rahmen der Erfindung liegt, Hülsen oder Abschirmungen nur für diejenigen Reaktoren vorzusehen, die sich an der Brennraunwand befinden, oder nur für diejenigen Teile von Reaktoren, die direkte Strahlungswärme von den Wänden empfangen, da eine beträchtliche und lohnende Verbesserung auch allein dadurch erzielt werden kann.

Außerdem brauchen nicht alle Hülsen 90 dieselbe Länge zu haben. Die Anordnung und die Form der Hülsen oder Abschirmbleche werden auf die besondere regelmäßige Anordnung von Reaktoren maßgeschneidert, mit dem Endziel, die gleiche oder eine sehr gleichartige Umgebung um jeden Reaktor an jeder besonderen axialen Stelle und umfangsmäßig um jeden Reaktor herum zu haben. (Die axialen Temperaturen werden verschieden sein, da die Ofengase im allgemeinen kühler werden, wenn sie bei ihrer Wegbewegung von den Brennerdüsen 14 Wärme an die Reaktoren abgeben.) Der maximale thermische Reaktorwirkungsgrad und die grüßte Lebensdauer können nicht erzielt werden, wenn ein Reaktor heißer ist als ein anderer oder wenn eine Seite eines Reaktors heißer ist als die andere Seite.

Die Kanäle 64 erstrecken sich bei dieser Ausführungsform in der gleichen Richtung wie die Ringe 92, die zwischen den Hülsen 90 und den Reaktoren 20 gebildet sind. Die Konvektionswärmeübertragung auf die oberen Teile 56 der Reaktoren wird durch die Verwendung der Hülsen 90 verbessert und ist von besonderem Vorteil, wenn man sich weiter von den Brennerdüsen wegbewegt, wo die Gastemperaturen etwas niedriger sind und ein besserer Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad erwünscht ist. Strahlungserwärmung nacht zwar noch einen beträchtlichen Teil der Wärmeübertragung in den Brennraun aus, sie ist je-

80982^/0605

doch nun gleichmäßiger auf die Reaktoren verteilt.

Im Betrieb tritt ein Gemisch aus Dampf und reformierbarem
Kohlenwasserstoffbrennstoff aus dem Verteiler 86 in den
Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 über Löcher 91 in der
Wand 22 ein. Der Verteiler 86 wird über eine Leitung 93 versorgt. Sofort beginnt die Erhitzung des Gemisches durch die im Gegenstrom zu ihm durch den Kanal 64 strömenden Ofengase, und in Gegenwart der Katalysatorteilchen 28 beginnt das Gemisch zu reagieren. Wenn sich der Brennstoff, Dampf und
Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer 26 aufwärts bewegen, reagieren sie weiterhin und nehmen zusätzliche Wärme auf. An dem Auslaß 36 erreicht die Temperatur der Reaktionsprodukte ein Maximum. Die heißen Reaktionsprodukte treten in den Einlaß 49 der Regenerationskammer 48 ein. Wenn die Reaktionsprodukte sich über die Länge der ringförmigen Regenerationskammer hinwegbewegen, wird Wärme von ihnen in die Reaktionskammer 26 zurückgeleitet. Sie treten daraufhin in
den Reaktionsproduktverteiler 84 durch Löcher 94 in dem
Mittelrohr 24 ein und werden über eine Leitung 96 zur weiteren Verarbeitung, zur Lagerung oder zum Verbrauch von dem Reaktor weggeführt.

Brennstoff für den Ofen tritt in den Verteiler 16 über eine Leitung 98 ein und gelangt daraufhin über die Düsen 14 in den Brennraum 60. Luft tritt in den Verteiler 18 über eine Leitung 100 ein und gelangt über ringförmige Durchlässe 102,
die jede Düse 14 umgeben, in den Brennraum 60. Das Verbrennen des Brennstoffes und der Luft erfolgt innerhalb des Brennraums 60. Die äußeren Hülsen 90, die die Reaktoren
an der Brennraumwand umgeben, schützen die Reaktoren vor
zu viel Strahlungswärme von der Wand. Die anderen Hülsen
unterstützen die gleichmäßige Verteilung der Wärme auf die
Reaktoren und um diese herum. Die heißen Gase treten in die Einlasse 104 der Ringe 92 ein, gehen durch die Kanäle 64
hindurch und verlassen den Ofen über die Leitung 103, wobei sie Wärme an die Reaktoren abgeben, wenn sie über deren

Oberfläche hinweggehen.

8098 2t|/060 5

Die Erfindung gestattet, viele Reaktoren in einer dicht gepackten Anordnung innerhalb eines Ofens anzuordnen, indem eine relativ gleichmäßige Härmeverteilung auf alle Reaktoren (einschl. derjenigen in der Mitte einer großen regelmäßigen Anordnung) sichergestellt wird und eine übermäßige und ungleichmäßige Erhitzung von Reaktoren an der Ofenwand verhindert wird.

Es ist klar, daß die Verteileranordnung und die Brennerkonstruktion, die in den Zeichnungen dargestellt sind, lediglich als Beispiele dienen und für die Erfindung unkritisch sind. Außerdem beschränkt sich die Erfindung nicht auf das Dampf-Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zur Erzeugung von Wasserstoff. Die Wärmeübertragungsprinzipien, auf denen die Erfindung basiert, könnten in gleicher Weise bei anderen endothermen Reaktionen angewandt werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche Elemente wie in den Fig. 1 und 2. In dieser Ausführungsform sind die äußeren Hülsen 90 durch Abschirmungen 200 ersetzt worden. Jede Abschirmung 200 sitzt auf der Oberseite des Reaktors und umgibt teilweise die oberen zwei Drittel der Länge desjenigen Teils des Reaktors 20, der innerhalb des Brennraums 60 angeordnet ist. Der umschlossene oder abgeschirmte Teil ist derjenige Teil, der der Brennraumwand zugewandt ist und der sonst der direkten Strahlungserwärmung von dieser Wand her und den höchsten Brennraumtemperaturen ausgesetzt sein würde. Diejenige Seite des Reaktors, die von der Brennraumwand abgewandt ist, ist unbedeckt. Das gestattet, eine gleichmäßigere Umfangstemperaturverteilung an dem Reaktor zu erzielen und ermöglicht einen Heißgasstrom zwischen der Abschirmung 200 und dem Reaktor. Eine Wärmeisolation 201 ist zwischen der Endkappe 40 und der Abschirmung 200 angeordnet. Die Gastemperaturen und damit die Strahlungserhitzung sind in dem unteren Drittel des Brennraums etwas geringer, da die Energie innerhalb des Brennraums bereits

80982^/0605

an die obersten Teile der Reaktoren abgegeben worden ist. Abschirmkörper oder Hülsen können deshalb in diesem Bereich weggelassen werden. Reaktoren, welche nicht der Wand des Brennraums benachbart sind, sind jeweils mit einer wärmeleitenden Hülse 202 versehen, die sich etwa über die unteren zwei Drittel desjenigen Teils des Reaktors erstreckt, der innerhalb des Brennraums angeordnet ist. Das gestattet, eine gleichmäßigere Wärmeverteilung auf und um die Reaktoren durch Strahlung und durch Wärmeleitung zu erzielen.

Fig. 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist jeder Reaktor 20 von einer Hülse 204 umgeben, in welcher Ausschnitte oder Schlitze 206 gebildet sind. Die Ausschnitte gestatten den heißen Gasen innerhalb des Brennraums in den ringförmigen Kanal 208, der die Reaktoren umgibt, an verschiedenen Punkten auf der Länge der Reaktoren einzutreten. Die Größe, die Gestalt und die Anordnung der Ausschnitte 206 und die Längen der Hülsen 204 können maßgeschneidert werden, so daß gleichmäßige Temperaturen der Reaktoren untereinander und um die Reaktoren herum erzielt werden können. Selbstverständlich können Ausschnitte auch bei allen anderen oben beschriebenen Ausführungsformen benutzt werden, wenn das zur Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit für erforderlich oder wünschenswert erachtet wird. Für jede besondere regelmäßige Anordnung von Reaktorröhren wird wahrscheinlich ein Experimentieren mit verschiedenen Mustern erforderlich sein, um die besten Ergebnisse zu erzielen

Die Ausführungsform in den Fig. 6 und 7 zeigt noch eine weitere Abschirmkörperkonfiguration, die hier als Rasterkonstruktion bezeichnet wird. In dieser Ausführungsform sind rechteckige Hülsen 218 um jeden Reaktor 20 herum angeordnet, wobei kreuzweise ineinander greifende Platten 220 benutzt werden.

Beispiel;

In einer Dampfreformierreaktoranlage mit 19 Reaktorröhren ähnlich der in den Fig. 3 und 4 gezeigten und in einer regelmäßigen Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, war jeder

8098 2ψ0 6 0 5

Reaktor etwa 1524 mm lang, gemessen ab dem Einlaß 32, und hatte einen AuBenwanddurchmesser von 229 mm. Die Hälfte der Länge (762 mm) des Reaktors erstreckte sich in den Brennraum 60. Die Hülsen 202 waren 508 mm lang. Etwa 76 mm trennten die Außenwände 22 von benachbarten Reaktoren. Die Reaktoren an der Ofenwand hatten von dieser einen Abstand von 102 mm bis 127 mm. Der Spalt zwischen der Hülse 202 und der Außenwand 22 betrug 6,4 mm, zwischen der Außenwand 22 und der Innenwand 24 25,4 ram, zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 6,4 mm und zwischen dem Kanal 62 und der Außenwand 22 31,8 mm. Die Abschirmungen 200 waren 457 mm lang und umschlossen ihre zugeordneten Reaktoren in einem Bereich von 180°. Die Hülsen 202 und die Abschirmungen 200 waren aus rostfreiem Stahl hergestellt, per Brennergaskanal war mit 12,7-mm-Raschigringen aus Aluminiumoxid gefüllt. Der Katalysator lag in Form von zylindrischen Pellets vor.

Der Prozeßbrennstoff war Naphta, das in das Katalysatorbett als ein Dampf eintrat, der mit etwa 4,5 Gewichtsteilen Wasserdampf vermischt war. Der Prozeßbrennstoffdurchsetz betrug etwa 11,3 kg/h pro Reaktor bei einem Gesamtbrennstofdurchsatz von etwa 215 kg/h.

Eine Umwandlungsleistung von 95 % und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 90 % wurden erzielt. Die maximale Durchschnittstemperaturänderung von Reaktorröhre zu Reaktorröhre oder umfangsmäßig um eine bestimmte Reaktorröhre herum an demselben axialen Ort wurde auf ungefähr 15,6 ⁰C gehalten. Das ist mit einer maximalen Durchschnittstemperaturänderung von etwa 121 ⁰C in einem Test vergleichbar, bei welchem eine regelmäßige Anordnung aus sieben Reaktorröhren (eine Reaktorröhre, die von sechs Reaktorröhren umgeben ist) zu vergleichen, die keine Abschirmkörper, d. h. keine Abschirmungen oder Hülsen in dem Brennraumbereich hatte.

Obgleich in den Figuren nicht dargestellt/ sollten Mittel vorgesehen sein, die eine Fluidlsierung des Katalysatorbettes infolge des aufwarte «trottenden ProzeBgases verhindern.

80982^/0605

Leerse ite

Claims

Patentansprüche ;

1. Reaktoranlage, gekennzeichnet durch einen Ofen, der Wärme für eine endotherme Reaktion liefert und mit einem Teil mit erhöhter Heizleistung und einer Wandanordnung, die einen Brennraum begrenzt, und außerdem mit einer zugeordneten Auslaßeinrichtung und mit dem Brennraum zugeordneten Mitteln versehen ist, die Brennstoff und ein Oxydationsmittel in den Brennraum einleiten; durch mehrere dicht gepackte röhrenförmige Reaktoren, die innerhalb des Ofens angeordnet sind und jeweils einen innerhalb des Brennraums angeordneten ersten Teil sowie einen zweiten Teil aufweisen, der eine Verlängerung des ersten Teils und innerhalb des Ofenteils mit erhöhter Heizleistung angeordnet ist, wobei der Ofenteil mit erhöhter Heizleistung eine Einlaßvorrichtung, die mit dem Brennraum in Gasverbindung steht, und eine Auslaßvorrichtung, die mit der Auslaßeinrichtung in Gasverbindung steht, aufweist; und durch eine innerhalb des Brennraums angeordnete Abschirmköiperanordnung zur Verringerung von Temperaturdifferenzen der Reaktoren untereinander, die Abschirmeinrichtungen enthält, welche

80982^/0605

COPY

zwischen der Brennraumwandanordnung und den der Wandanordnung benachbarten Reaktoren angeordnet sind, um die Strahlungserwärmung der ersten Teile der Reaktoren, die der Wandanordnung benachbart sind, zu verringern.

2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtungen Hülsen sind, die mit Abstand um die ersten Teile der Reaktoren an der Wandanordnung angeordnet sind und um jeden ersten Teil einen Ring begrenzen, wobei jeder Ring eine Gaseinlaßvorrichtung, die dem heißen Gas innerhalb des Brennraums gestattet, in die Ringe zu strömen, und eine Gasauslaßvorrichtung aufweist, die mit dem Ofenteil mit erhöhter Heizleistung in Gasverbindung steht.

3. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirnkörperanordnung außerdem Hülsen enthält, die die ersten Teile von Reaktoren, welche nicht an der Wandanordnung angeordnet sind, umgeben, mit Abstand von diesen angeordnet sind und um jeden ersten Teil herum einen Ring begrenzen, wobei die Ringe jeweils eine Einlaßvorrichtung, die heißen Gasen innerhalb des Brennraums gestattet, in die Ringe zu strömen, und eine Auslaßvorrichtung aufweisen,die in Gasverbindung mit dem Ofenteil mit erhöhter Heizleistung steht, wobei die Hülsen, die Einlaßvorrichtung der Ringe und die Abschirmeinrichtungen so aufgebaut und angeordnet sind, daß sich der erste Teil jedes Reaktors im wesentlichen in derselben Heizumgebung befindet.

4. Reaktoranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenteil mit erhöhter Heizleistung eine Wandanordnung aufweist, die mit Abstand von dem zweiten Teil jedes Reaktors um diesen herum angeordnet ist und mit diesem einen ringförmigen Brennergaskanal begrenzt, wobei jeder Ring, der durch die Hülsen begrenzt wird, sich parallel zu dem Brennergaskanal erstreckt, der seinen zugeordneten Reaktor umgibt.

8 0 9 8 2^/ 0 6 0 5

5. Reaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmkörperanordnunj Hülsen um die ersten Teile von sämtlichen Reaktoren enthält, welche mit Abstand von diesen angeordnet sind und um die ersten Teile herum jeweils Ringe begrenzen, welche jeweils eine Einlaßvorrichtung, welche heißen Gasen innerhalb des Brennraums gestattet, in die Kanäle zu strömen, und eine Auslaßvorrichtung aufweisen, die in Gasverbindung mit dem Ofenteil mit erhöhter Heizleistung steht, wobei die Hülsen und die Einlaßvorrichtungen der Ringe so aufgebaut und angeordnet sind, daß sich der erste Teil jedes Reaktors im wesentlichen in derselben Heizumgebung befindet.

6. Reaktoranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenteil mit erhöhter Heizleistung eine Wandanordnung aufweist, die den zweiten Teil jedes Reaktors umgibt, mit Abstand von diesem angeordnet ist und einen ringförmigen Brennergaskanal mit diesem begrenzt, welcher sich koaxial zu und neben den Reaktoren erstreckt, wobei jeder Ring, der den ersten Teil seines zugeordneten Reaktors umgibt, sich parallel zu dem Brennergaskanal erstreckt, der denselben Reaktor umgibt.

7. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennergaskanäle jeweils mit Wärmeübertragungspackina terial gefüllt sind.

8. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Dampfreformieranlage ist und daß die Reaktoren jeweils einen Dampfreformierkatalysator enthalten.

9. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren innerhalb des Ofens vertikal angeordnet sind und daß die ersten Teile die oberen Teile der Reaktoren sind.

80982ψ0605

Reaktoranlage nach Anspruch 1, zur katalytischen Dampfreformierung, gekennzeichnet durch einen Ofen, der Wärme für die Dampfreformierreaktion liefert und eine Wandanordnung aufweist, welche einen Brennraum begrenzt, in welchem Brennstoff zur Erzeugung von heißen Gasen verbrannt wird; durch mehrere dicht gepackte röhrenförmige Reaktoren, die innerhalb des Ofens vertikal angeordnet sind und jeweils eine innere und eine äußere Wandanordnung aufweisen, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer begrenzen, welche einen Dampfreformierkatalysator aufnimmt, wobei die Reaktionskammern jeweils einen ersten Teil und einen zweiten Teil sowie ein Einlaßende und ein Auslaßende haben, wobei der erste Teil das Auslaßende aufweist und innerhalb des Brennraums angeordnet ist, während der zweite Teil außerhalb des Brennraums angeordnet ist, wobei ferner jede Reaktionskammer eine zugeordnete Vorrichtung hat, die eine schmale ringförmige Regenerationskammer koaxial und benachbart zu der Reaktionskammer und im Abstand einwärts von dieser begrenzt, wobei die Regenerationskammer ein Einlaßende und ein Auslaßende hat und wobei das Einlaßende der Regenerationskammer sämtliche Reaktionsprodukte von dem Reaktionskammerauslaßende aufnimmt, wobei die Regenerationskammer die Reaktionsprodukte im Gegenstrom zu dem durch die Reaktionskammer hindurchgehenden Strom leitet und so ausgebildet ist, daß nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten an dem Auslaßende der Reaktionskammer enthalten ist, zurück in die Reaktionskammer übertragen wird; durch eine Abschirirkörperanordnung, die innerhalb des Brennraums angeordnet ist und dazu dient, Temperaturdifferenzen der Reaktoren untereinander zu reduzieren, mit Abschirmeinrichtungen, die zwischen der Brennraumwandanordnung und den der VJandanordnung benachbarten Reaktoren angeordnet sind und die Strahlungserhitzung der ersten Teile der Reaktoren an der Wandanordnung verringern, mit Hülsen, die mit Abstand von den ersten Teilen der anderen Reaktoren und um diese herum angeordnet sind und um den ersten Teil von jedem der anderen Reaktoren einen Ring begrenzen, wobei jeder Ring eine Gas-

8098 2*^/0605

einlaßvorrichtung aufweist, die dem heißen Gas Innerhalb des Brennsraums gestattet. In den Ring zu strömen; und durch eine Wandanordnung, die den zweiten Teil jedes Reaktors mit Abstand umgibt und mit diesen ringförmige Brennergaskanäle begrenzt, die koaxial zu und an jedem Reaktor angeordnet sind, wobei die die ersten Teile der Reaktoren umgebenden Ringe sich parallel zu den Brennergaskanälen ihrer zugeordneten Reaktoren erstrecken und das heiße Öfengas in Gegenstrom zu dem durch die Reaktionskammer hindurchgehenden Strom leiten, um an diesen Härme abzugeben.

11. Reaktoranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teile die oberen Teile der Reaktoren sind.

80982^/0605