DE2751308C2

DE2751308C2 - Katalytische Reaktoranlage

Info

Publication number: DE2751308C2
Application number: DE2751308A
Authority: DE
Inventors: George Ronald Suffield Conn. Krar; Ole Lomholt South Windsor Conn. Olesen; Richard Allan Newington Conn. Sederquist; Donald Felix East Hartford Conn. Szydlowski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1987-05-14
Also published as: BR7707896A; SE423895B; DK514377A; IL53404A0; NL7712715A; FR2374947B1; JPS577539B2; FR2374947A1; SE7713225L; CH625827A5; IL53404A; AU3072577A; GB1564995A; JPS5379768A; ES464566A1; IT1089105B; DE2751308A1; AU509038B2

Description

Die Erfindung betrifft eine katalytische Reaktoranlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Katalytische Reaktoranlagen zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in nutzbare 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 Reaktionskatalysator gefüllte rohrförmige Reaktoren, die innerhalb eines Ofens angeordnet sind. In technischen Anlagen erfolgt die Wärmeübertragung auf die Reaktoren hauptsächlich durch Abstrahlung von der Brennraumwand. Das erfordert einen relativ großen Abstand zwischen den Reaktoren, und alle Reaktoren müssen neben der Brennraumwand des Ofens angeordnet sein, damit jeder Reaktor durch Abstrahlung von der Brennraumwand gleichmäßig erhitzt wird. Es ist deshalb nicht möglich, eine große Anzahl von Reaktoren kompakt innerhalb des Ofens anzuordnen, da die Reaktoren an der Brennraumwand viel heißer werden als diejenigen, die von anderen Reaktoren umgeben sind. Außerdem werden Teile von einzelnen Reaktoren, die keine direkte Sichtlinie zu der Brennraumwand haben, kälter sein als diejenigen Teile desselben Reaktors, die eine direkte Sichtlinie zu der Brennraumwand haben, woraus sich eine ungleichmäßige Umfangsverteilung der Wärme innerhalb gewisser Reaktoren ergibt. Das führt zu einer geringeren Lebensdauer der Anlage aufgrund von örtlichen heißen Stellen und verhindert die wirksamste Ausnutzung der Wärmeenergie innerhalb des Ofens.

Das Hauptpatent 27 51 251 betrifft eine katalytische Reaktoranlage, in welcher eine große Anzahl von Reaktoren innerhalb des Ofens kompakt angeordnet ist. Der Ofen hat einen Brennraum, innerhalb welchem die Verbrennung des dem Ofen zugeführten Brennstoffes erfolgt. Ein Teil jedes Reaktors ist innerhalb des Brennraums angeordnet, wogegen der übrige Teil jedes Reaktors von einer zylindrischen Wand umgeben ist, die um jeden Reaktor einen ringförmigen Ofengaskanal begrenzt. Der Ofen und die Reaktoren sind so aufgebaut und angeordnet, daß die heißen Ofengase innerhalb des Brennraums diesen über die ringförmigen Ofengaskanäle um die Reaktoren verlassen. Dadurch sollen ein hoher thermischer Reaktorwirkungsgrad und eine lange Lebensdauer erzielt werden. Die einheitliche Ausnutzung der Wärmeenergie innerhalb des Ofens durch die Reaktoren ist dafür 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 Verbrennen des Brennstoffes innerhalb des Brennraums sehr hohe Temperaturen, und infolgedessen erfolgt eine beträchtliche Wärmeabstrahlung von der Flamme und von der Wand des Brennraums. Die Strahlungswärme beeinflußt nur diejenigen Teile der Reaktoren, die eine direkte Sichtlinie zu der Strahlungswärmequelle 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. Selbst wenn eine übermäßige Strahlungserhitzung der Reaktoren an der Brennraumwand 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer katalytischen Reaktoranlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art das Überhitzen und die ungleichmäßige Erhitzung der Reaktoren an der Brennraumwand zu verhindern und eine gleichmäßigere Erhitzung sämtlicher Reaktoren ungeachtet ihrer Position innerhalb des Ofens zu erzielen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung sind Abschirmelemente innerhalb des Brennraums des Ofens angeordnet, um die Reaktorwandoberflächen abzuschirmen, die sonst zu viel Strahlungshitze aus dem Innern des Brennraums empfangen würden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Der in der Beschreibung verwendete Begriff "dicht gepackte Reaktoren" bedeutet eine nichtlineare regelmäßige Anordnung von wenigstens drei in engem Abstand angeordneten Reaktoren, wobei die regelmäßige Anordnung den Brennraum im wesentlichen ausfüllt und wobei die Reaktoren im wesentlichen gleichmäßig verteilt und in im wesentlichen gleichmäßigen Abständen innerhalb des Brennraums sowie in engem gegenseitigen 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 Brennraumwand wesentlich weniger Strahlung auf der von dieser Wand abgewandten Seite. Außerdem empfangen Teile von Reaktoren eine wesentlich geringere Strahlungsmenge infolge der Blockierung der Strahlung durch andere Reaktoren in der regelmäßigen Anordnung.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Abschirmelemente Hülsen, welche die Reaktoren neben der Brennraumwand wenigstens teilweise umschließen, um diese Reaktoren vor Wärme zu schützen, die von der Brennraumwand abgestrahlt wird. Vorzugsweise sind die Abschirmelemente nicht nur so ausgebildet, daß sie die Reaktoroberflächen vor übermäßiger Strahlungswärme schützen, sondern sie sind auch so aufgebaut und angeordnet, daß sie die Wärme von Reaktor zu Reaktor und umfangsmäßig um jeden Reaktor herum gleichmäßiger verteilen. Das Endziel ist es, zu erreichen, daß sich jeder Reaktor in derselben Wärmeumgebung wie alle anderen Reaktoren befindet, so daß die Wandtemperaturen von Reaktor zu Reaktor an dem gleichen axialen Ort und umfangsmäßig um jeden Reaktor herum einheitlich sind. Dadurch werden die maximalen Reaktorwandtemperaturen verringert, die Lebensdauer der Reaktoren erhöht und der thermische Reaktorwirkungsgrad verbessert.

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 Reaktoren herum verwendet werden, die keine direkte Sichtlinie zu der Brennraumwand haben, um die Wärme gleichmäßiger in dem Brennraum und umfangsmäßig um die durch die Hülsen umgebenen Reaktoren herum zu verteilen. Jede besondere regelmäßige Anordnung von Reaktoren kann Hülsen verschiedener Länge und verschiedener Form enthalten. Eine Hülse kann einen Reaktor vollkommen oder nur teilweise umgeben und kann Ausschnitte haben, die den Strom von Brennraumgasen um die Reaktoren herum steuern.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Teilvertikalschnittansicht einer katalytischen Reaktoranlage nach der Erfindung,
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 anderen 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 Ausführungsform der katalytischen 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.
Die katalytische Reaktoranlage 10 von Fig. 1 und 2 dient zum Dampf-Reformieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes in Gegenwart eines 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 rohrförmige Reaktoren 20 angeordnet.
Jeder Reaktor 20 hat eine zylindrische Außenwand 22 und eine zylindrische Innenwand 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 begrenzen. Die Reaktionskammer 26 ist mit einem Reaktionskatalysator 28 in Form von Pellets gefüllt, die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformierkatalysator, wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer 26 von ihrem Einlaß 32 bis zu ihrem Auslaß 36 zu füllen. Der Zylinder, der durch die Außenwand 22 gebildet ist, ist an seinem oberen Ende 38 durch eine Endkappe 40 verschlossen. Die Innenwand 24 hat ein oberes Einlaßende 42 und ein unteres Auslaßende 44. Das Einlaßende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so daß der Raum innerhalb der Innenwand 24 in Gasverbindung mit dem Auslaß 36 der Reaktionskammer 26 ist.
In dem Raum innerhalb der Innenwand 24 ist ein Einsatz in Form eines zylindrischen Stopfens 46 angeordnet, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Innenwand 24, 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 Reaktionskammer 26 verlassende Reaktionsprodukte um den Stopfen 46 herum durch die Regenerationskammer 48 strömen müssen. Der Abstand zwischen dem Stopfen 46 und der Innenwand 24 wird durch Ausbauchungen 52 in der Stopfenwand aufrechterhalten.
In den Reaktoren 20 in diesem Ausführungsbeispiel hat die Reaktionskammer 48 die Aufgabe, Wärme von den den Auslaß 36 verlassenden Reaktionsprodukten zurück in das Katalysatorbett in 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 der Innenwand 24 angeordnet angesehen, und zwar trotz der Tatsache, daß der tatsächliche Ringraum, den der Stopfen 46 und die Innenwand 24 zwischen sich begrenzen, sich bis zu dem Auslaßende 44 erstreckt. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung sorgt für eine gewisse Vorwärmung des Prozeßbrennstoffes, bevor dieser in das Katalysatorbett eintritt.
Es sei beachtet, daß die Regenerationskammer 48 von den heißen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist. Zur 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 26 übertragen.
Jeder Reaktor 20 weist einen ersten oberen Teil 56 und einen zweiten unteren Teil 58 auf. 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 20 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 58 der Reaktoren 20, erhöht wird. In dieser Ausführungsform ist der untere Teil 58 jedes Reaktors 20 von einer zylindrischen Wand 62 umgeben, die in äußerem Abstand von der Außenwand 22 angeordnet ist und mit dieser einen ringförmigen Ofengaskanal 64 begrenzt, der einen Einlaß 66 und einen Auslaß 67 hat. Der Auslaß 67 befindet sich neben dem Einlaß 32 der Reaktionskammer 26. Der Ofengaskanal 64 ist mit einem Wärmeübertragungspackmaterial 70 gefüllt, das auf einem Gitter 68 ruht und in vorliegendem Beispiel aus Kugeln aus Aluminiumoxid besteht. Der Zwischenraum 72 zwischen benachbarten Ofengaskanälen 64 ist mit einem nichtwärmeleitendem Material, wie beispielsweise einer Keramikfaserisolierung, gefüllt, das auf einer Platte 74 ruht, die sich über den Ofen 12 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 62 zu strömen.
Zusätzlich zu der Platte 74 erstrecken sich Platten 76, 78 und 80 ebenfalls über den Ofen 12 und begrenzen zwischen sich Verteiler. Die Platte 80 ruht auf der Bodenwand 82 des Ofens 12. 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 Innenwände 24 stoßen an die Bodenplatte 80 an. Die Außenwände 22 der Reaktoren 20 stoßen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände 62 stoßen an die Platte 74 an.
Abschirmelemente in Form von Hülsen 90 aus Blech umgeben den oberen Teil 56 jedes Reaktors 20. Die Hülsen 90 sind aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Hülsen 90 um die Reaktoren 20 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 Brennraumwand 89 abgestrahlt wird. Die Hülsen um die übrigen Reaktoren 20 werden im folgenden als innere Hülsen bezeichnet. Diese inneren Hülsen strahlen Wärme an umgebende Hülsen ab und sind bestrebt, Temperaturfehlverteilungen innerhalb des Brennraums 60 auszugleichen und dadurch Umfangstemperaturdifferenzen um einzelne Reaktoren herum zu verringern. Es können jedoch auch Hülsen nur für diejenigen Reaktoren vorgesehen werden, die sich an der Brennraumwand 89 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 Abschirmelemente werden für 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 20 abgeben.) Der maximale thermische Reaktorwirkungsgrad und die größte 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 Ofengaskanäle 64 erstrecken sich bei dieser Ausführungsform in der gleichen Richtung wie Ringräume 92, die zwischen den Hülsen 90 und den Reaktoren 20 gebildet sind. Die Konvektionswärmeübertragung auf die oberen Teile 56 der Reaktoren 20 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 macht zwar noch einen beträchtlichen Teil der Wärmeübertragung in dem Brennraum 60 aus, sie ist jedoch nun gleichmäßiger auf die Reaktoren 20 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 Außenwand 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 Ofengaskanal 64 strömenden Ofengase, und in Gegenwart des Reaktionskatalysators 28 beginnt das Gemisch zu reagieren. Wenn sich 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 48 hinwegbewegen, wird Wärme von ihnen in die Reaktionskammer 26 zurückgeleitet. Sie treten daraufhin in den Reaktionsproduktverteiler 84 durch Löcher 94 in der Innenwand 24 ein und werden über eine Leitung 96 zur weiteren Verarbeitung, zur Lagerung oder zum Verbrauch von dem Reaktor 20 weggeführt.
Brennstoff für den Ofen 12 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 20 an der Brennraumwand 89 umgeben, schützen die Reaktoren vor zu viel Strahlungswärme von dieser Wand. Die anderen Hülsen unterstützen die gleichmäßige Verteilung der Wärme auf die Reaktoren 20 und um diese herum. Die heißen Gase treten in die Einlässe 104 der Ringräume 92 ein, gehen durch die Ofengaskanäle 64 hindurch und verlassen den Ofen 12 über die Leitung 103, wobei sie Wärme an die Reaktoren 20 abgeben, wenn sie über deren Oberfläche hinweggehen.
Die beschriebenen Abschirmelemente gestatten, viele Reaktoren 20 in einer dicht gepackten Anordnung innerhalb des Ofens 12 anzuordnen, indem eine relativ gleichmäßige Wärmeverteilung auf alle Reaktoren (einschl. derjenigen in der Mitte einer großen regelmäßigen Anordnung) sichergestellt wird und eine übermäßige und ungleichmäßige Erhitzung von Reaktoren an der Brennraumwand 89 verhindert wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Abschirmelemente. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2. In dieser Ausführungsform sind die äußeren Hülsen 90 durch Abschirmelemente 200 ersetzt worden. Jedes Abschirmelement 200 sitzt auf der Oberseite des Reaktors 20 und umgibt teilweise die oberen zwei Drittel der Länge desjenigen Teils des Reaktors 20, der innerhalb des Brennraums 60 angeordnet ist. Der abgeschirmte Teil ist derjenige Teil, der der Brennraumwand 89 zugewandt ist und der sonst der direkten Strahlungserwärmung von dieser Wand her und den höchsten Brennraumtemperaturen ausgesetzt sein würde. Diejenige Seite des Reaktors 20, die von der Brennraumwand 89 abgewandt ist, ist unbedeckt. Das gestattet, eine gleichmäßigere Umfangstemperaturverteilung an dem Reaktor 20 zu erzielen, und ermöglicht einen Heißgasstrom zwischen dem Abschirmelement 200 und dem Reaktor. Eine Wärmeisolation 201 ist zwischen der Endkappe 40 und dem Abschirmelement 200 angeordnet. Die Gastemperaturen und damit die Strahlungserhitzung sind in dem unteren Drittel des Brennraums 60 etwas geringer, da die Energie innerhalb des Brennraums bereits an die obersten Teile der Reaktoren 20 abgegeben worden ist. Abschirmelemente oder Hülsen können deshalb in diesem Bereich weggelassen werden. Reaktoren 20, welche nicht der Wand 89 des Brennraums 60 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 von Abschirmelementen. Bei dieser Ausführungsform ist jeder Reaktor 20 von einer Hülse 204 umgeben, in welcher Ausschnitte 206 gebildet sind. Die Ausschnitte 206 gestatten den heißen Ofengasen innerhalb des Brennraums 60 in einen Ringraum 208, der die Reaktoren 20 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 20 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 der Reaktoren 20 wird wahrscheinlich ein Experimentieren mit verschiedenen Mustern erforderlich sein, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
Die Ausführungsform in den Fig. 6 und 7 zeigt eine Anordnung von Abschirmelementen, 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 Reaktoren ähnlich der in den Fig. 3 und 4 gezeigten und in einer regelmäßigen Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, war jeder Reaktor etwa 1524 mm lang, gemessen ab dem Einlaß 32, und hatte einen Außenwanddurchmesser 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 Brennraumwand 89 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 mm, zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 6,4 mm und zwischen der Wand 62 und der Außenwand 22 31,8 mm. Die Abschirmelemente 200 waren 457 mm lang und umschlossen ihre zugeordneten Reaktoren in einem Bereich von 180°. Die Hülsen 202 und die Abschirmelemente 200 waren aus rostfreiem Stahl hergestellt. Der Ofengaskanal 64 war mit 12,7 mm-Raschigringen aus Aluminiumoxid gefüllt. Der Reaktionskatalysator 28 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 Prozeßbrennstoffdurchsatz betrug etwa 11,3 kg/h pro Reaktor bei einem Gesamtbrennstoffdurchsatz von etwa 215 kg/h.
Eine Umwandlungsleistung von 95% und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 90% wurden erzielt. Die maximale Durchschnittstemperaturänderung von Reaktor zu Reaktor oder umfangsmäßig um einen bestimmten Reaktor herum an demselben axialen Ort wurde auf ungefähr 15,6°C gehalten. Das ist mit einer maximalen Durchschnittstemperaturänderung von etwa 121°C in einem Test vergleichbar, bei welchem eine regelmäßige Anordnung aus sieben Reaktoren (ein Reaktor, der von sechs Reaktoren umgeben ist) zu vergleichen, die keine Abschirmelemente oder Hülsen in dem Brennraumbereich hatte.

Claims

1. Katalytische Reaktoranlage mit einem Brennraum (60) zum Verbrennen von Brennstoff zur Erzeugung heißer Ofengase, mit mehreren rohrförmigen Reaktoren (20), die sich jeweils mit einem ersten Teil (56) in den Brennraum (60) erstrecken und jeweils eine Außenwand (22) und mit Abstand von dieser eine Innenwand (24) haben, die eine einen Reaktionskatalysator (28) aufnehmende ringförmige Reaktionskammer (26) begrenzen, deren Auslaß (36) in dem ersten Teil (56) jedes Reaktors (20) angeordnet ist, wobei jeder Reaktor (20) einen zweiten Teil (58) hat, der außerhalb des eigentlichen Brennraums (60) in einem an diesen anschließenden weiteren Ofenteil angeordnet, aber ebenfalls mit den Ofengasen beaufschlagt ist, mit einer um jeden zweiten Teil (58) jedes Reaktors mit Abstand koaxial angeordneten Wand (62), die mit der Außenwand (22) des Reaktors (20 ) einen schmalen ringförmigen Ofengaskanal (64) begrenzt, dessen Einlaß (66) mit dem Brennraum (60) in Verbindung ist und dessen Auslaß (67) neben dem Einlaß (32) der Reaktionskammer (26) angeordnet ist, und mit einem Einsatz (46), der mit Abstand einwärts der Innenwand (24) jedes Reaktors (20) koaxial angeordnet ist und mit dieser eine schmale ringförmige, neben der Reaktionskammer (26) angeordnete Regenerationskammer (48) begrenzt, deren Einlaß (49) mit dem Auslaß (36) der Reaktionskammer (26) in Verbindung ist, nach Patent 27 51 251, gekennzeichnet durch innerhalb des Brennraums (60) um die Reaktoren (20) angeordnete Abschirmelemente (90; 200; 204; 218) zur Verringerung von Temperaturdifferenzen der Reaktoren (20) untereinander.

2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelemente (90; 204; 218) Hülsen sind, die mit Abstand wenigstens um die ersten Teile (56) der Reaktoren (20) angeordnet sind und mit diesen jeweils einen Ringraum (92; 208) begrenzen, der einen Einlaß (104) für die heißen Ofengase aus dem Brennraum (60) und einen Auslaß aufweist, der mit dem Einlaß (66) des Ofengaskanals (64) in Verbindung steht.

3. Reaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (90; 204; 208) um die ersten Teile (56) der Reaktoren (20), welche der Brennraumwand (89) benachbart sind, und/oder um die ersten Teile (56) der Reaktoren (20), welche der Brennraumwand (89) nicht benachbart sind, angeordnet sind.

4. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die um die der Brennraumwand (89) benachbarten Reaktoren (20) angeordneten Abschirmelemente (200) so ausgebildet sind, daß sie den ersten Teil (56) jedes Reaktors (20) nur auf der dem Brennraum (60) zugewandten Seite und teilweise auf der der Brennraumwand (89) zugewandten Seite abschirmen.