DE2751309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Katalytische Reaktoren zum Umwandeln von Kohlenwasserstoff­ brennstoffen in nutzbare technische Gase, wie beispielswei­ se Wasserstoff, sind bekannt. Beim Dampfreformieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes wird der Prozeßbrennstoff durch einen den Reaktionskatalysator enthaltenden rohrförmigen Reaktor hindurchgeleitet, der in einem Ofen angeordnet ist, welcher die Wärme für den Reak­ tionsvorgang liefert. Wenn der Reaktor vertikal angeordnet ist und das Prozeßgas aufwärts durch ihn hindurchströmt, ist die aufwärts gerichtete Kraft des strömenden Gases ge­ wöhnlich größer als das Gewicht der Katalysatorteilchen, was zu einer ständigen gegenseitigen Bewegung der Kataly­ satorteilchen führt und als Fluidisierung des Katalysator­ bettes bezeichnet wird. Die ständige Bewegung der Teilchen führt zu deren Beschädigung, da die Teilchen in kleinere Teilchen zerbrechen oder durch die gegenseitige Reibung verschlissen werden. Feine Teilchen gehen verloren, weil sie von den Reaktionsgasen aus dem Katalysatorbett mitge­ nommen werden. Über eine längere Zeitspanne kann das Gesamt­ volumen des Reaktionskatalysators innerhalb des Katalysator­ bettes auf einen unannehmbar niedrigen Wert abnehmen, so daß ein Auffüllen des Katalysatorbettes erforderlich wird.

Um das zu verhindern, ist es üblich, ein federbelastetes, perforiertes Teil an der Oberseite des Katalysatorbettes an­ zuordnen und dadurch das Katalysatorbett ständig mit Druck zu beaufschlagen, um so die Fluidisierung des Katalysator­ bettes zu verhindern. Eine solche Einrichtung zur Verhinde­ rung der Fluidisierung ist teuer und häufig ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, ein geeignetes Federmaterial zu finden, das die Umgebung innerhalb eines Reaktors, in welchem es benutzt wird, verträgt.

Aus der US-PS 33 74 052 ist ein Reaktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bekannt, bei dem die perforierte Platte mit einer Antriebsvorrichtung versehen ist, mittels welcher der Druck veränderbar ist, den die perforierte Platte auf das Katalysatorbett ausübt. Die An­ triebsvorrichtung erfordert eine Meßeinrichtung sowie eine Ritzel- und Zahnstangenverbindung mit der perforierten Platte. Bei diesem bekannten Reaktor wird keine vollständige Elimi­ nierung der Fluidisierung des Katalysatorbettes angestrebt. Vielmehr soll das Katalysatorbett in zwei Schichten unter­ teilt werden. Direkt unterhalb der perforierten Platte soll sich eine relativ dichte Schicht von Teilchen ähnlich ei­ nem Festbett befinden, wogegen die übrigen Teilchen in ei­ nem relativ weniger fluidisierten Zustand innerhalb des Katalysatorbettes bleiben sollen. Bei diesem bekannten Reaktor kann die Fluidisierung bei Bedarf zwar ebenfalls verhindert werden, die dafür verwendete Einrichtung ist aber komplex und teuer, weil außer der perforierten Platte noch eine weitere Vorrichtung erforderlich ist, um eine Kraft auf die Oberseite des Katalysatorbettes auszuüben.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Reaktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art auf unkompliziertere und billigere Weise die Fluidisierung des Katalysatorbettes zu verhindern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Bei dem Reaktor nach der Erfindung wird die Fluidisierung des Katalysatorbettes verhindert, ohne daß dafür außer der perforierten Platte noch eine weitere Vorrichtung erfor­ derlich ist, um eine Kraft auf die Oberseite des Kataly­ satorbettes auszuüben. Das Gewicht der perforierten Platte, mit dem diese auf dem Katalysatorbett ruht, ist gering ge­ nug, um die Expansion des Katalysatorbettes während nor­ maler Betriebszustände zu gestatten, und der Rückhalter ver­ hindert, daß die Expansion mehr als einige Prozent des unex­ pandierten Katalysatorbettvolumens übersteigt. Die mit ihrem Eigengewicht auf der Oberseite des Katalysatorbettes ruhen­ de perforierte Platte kann sich aufwärts und abwärts be­ wegen, wenn sich das Katalysatorbett ausdehnt bzw. zusam­ menzieht, wobei die perforierte Platte in ständiger Be­ rührung mit der Oberseite des Katalysatorbettes bleibt. Die perforierte Platte ist zwar nicht schwer genug, um die Aus­ dehnung des Katalysatorbettes zu verhindern, die Fluidi­ sierung wird jedoch trotzdem verhindert, da die Expansion des Katalysatorbettes auf nur wenige Prozent seines nicht­ expandierten Volumens begrenzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegen­ stand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im fol­ genden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilvertikalschnittansicht durch eine Reaktoranlage mit mehreren Reaktoren nach der Er­ findung,

Fig. 2 einen Querschnitt der Anlage im wesentlichen auf der Linie 2-2 in Fig. 1, und

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des oberen Teils eines der Reaktoren von Fig. 1.

Die kataly­ tische Reaktoranlage 10 in den Fig. 1 bis 3 dient zum Dampfreformieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes in Ge­ genwart eines Katalysators, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Anlage 10 enthält einen Ofen 12 mit Brenner­ düsen 14, mit einem Brennstoffverteiler 16 und mit einem Luftverteiler 18. Innerhalb des Ofens 12 sind mehrere rohrförmige Reaktoren 20 angeordnet. In dieser Aus­ führungsform sind neunzehn Reaktoren in der in Fig. 2 gezeig­ ten Weise angeordnet.

Jeder Reaktor 20 hat eine äußere zylindrische Wand 22 und eine innere zylindrische Wand in Form eines Mittelrohres 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 be­ grenzen. Die Reaktionskammer 26 ist mit einem Reaktions­ katalysator 28 in Form von Pellets gefüllt, die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlaß 32 der Reaktions­ kammer angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformier­ katalysator, wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer 26 zu füllen. Eine Einrichtung 33 zur Verhinderung der Fluidisierung des Katalysatorbettes ist an dem Auslaß 36 (Fig. 3) der Reaktionskammer 26 angeordnet und wird im folgenden in Verbindung mit der ausführlicheren Ansicht von Fig. 3 noch ausführlicher erläutert. Der Zylinder, der durch die Auß­ enwand 22 begrenzt ist, ist an seinem oberen Ende 38 durch eine Endkappe 40 verschlossen. Das Mittelrohr 24 hat ein oberes Ende 42 und ein unteres Ende 44. Das obere Ende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so daß das Mittelrohr 24 in Gasverbindung mit dem Auslaß 36 der Reaktions­ kammer 26 ist.

Innerhalb des Mittelrohrs 24 ist ein Einsatz in Form eines zylindrischen Stopfens 46 angeordnet, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Mittelrohrs, so daß zwischen ihnen eine ringförmige Regenerationskammer 48 gebildet ist, die einen Einlaß 49 hat. Der Stopfen 46 kann zwar eine massive Stange sein, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiel ist es jedoch ein Rohr, das durch eine Endkappe 50 an seinem einen Ende verschlossen ist, so daß die Reak­ tionskammer 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 aufrechter­ halten. Die Regenerationskammer 48 hat in der Anlage die Aufgabe, Wärme aus den Reaktionsprodukten, die den Auslaß 36 verlassen, in das Katalysatorbett der Reaktionskammer 26 zurückzuleiten. Die Anordnung, die in Fig. 1 gezeigt ist, sorgt für eine gewisse Vorwärmung des Prozeßbrennstoffes, bevor dieser in das Katalysatorbett eintritt.

Jeder Reaktor 20 weist einen oberen Teil 56 und einen unteren Teil 58 auf. Der obere Teil 56 ist in einem Raum angeordnet, der im fol­ genden 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 werden, stattfindet. Dieses Volumen ist durch sehr hohe Temperaturen, durch beträchtli­ che Strahlungsheizung sowie durch Konvektionserhitzung der Reaktoren 20 und durch axiales (d. h. in der Richtung der Achse der Reaktoren 20 erfolgendes) sowie radiales Vermischen der Gase darin gekennzeichnet.

Der untere Teil 58 jedes Reaktors 20 ist von einer zylindrischen Wand 62 umgeben, die mit Abstand von der äußeren Wand 22 angeordnet ist und mit dieser einen ringförmigen Ofengaskanal 64 begrenzt, welcher 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 Wärmeübertragungsmaterial 70 gefüllt, bei welchem es sich beispielsweise um Kugeln aus Aluminium­ oxid handelt, die auf einem Gitter 68 ruhen. Der Zwischen­ raum 72 zwischen benachbarten zylindrischen Wänden 62 ist mit einem nichtwärmeleitenden Material, beispielsweise einer Keramikfaserisolation, gefüllt, das auf einer Platte 74 ruht, die sich über den Ofen 12 erstreckt und in welcher Löcher gebildet sind, durch die Reaktoren 20 hindurchgeführt sind. 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 Prozeßbrennstoffeinlaß­ verteiler 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 äußeren Wände 22 der Reaktoren 20 stoßen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände 62 stoßen an die Platte 74 an.

Im Betrieb tritt ein Gemisch aus Dampf und reformierbarem Kohlenwasserstoffbrennstoff und aus dem Verteiler 86 in den Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 über Löcher 100 in der äußeren Wand 22 ein. Der Verteiler 86 wird über eine Leitung 102 versorgt. Sofort beginnt die Erhitzung des Gemisches durch die im Gegenstrom zu ihm durch den Ofengaskanal 64 strömenden Ofengase, und das Gemisch beginnt, in Gegenwart des Reaktionskataly­ sators 28 zu reagieren. Wenn sich Brennstoff, Dampf und Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer 26 aufwärts bewegen, reagieren sie weiterhin und nehmen zusätzliche Wärme auf. Die heißen Reaktionsprodukte tre­ ten 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 über Löcher 104 in dem Mittelrohr 24 ein und werden über eine Leitung 106 zur weiteren Verarbeitung, zur Lagerung oder zum Verbrauch aus dem Reaktor 20 abgeführt.

Brennstoff für den Ofen 12 tritt in den Verteiler 16 über eine Leitung 108 ein und gelangt daraufhin über die Düsen 14 in den Brennraum 60. Luft tritt in den Verteiler 18 über eine Leitung 110 ein und gelangt über ringförmige Durchlässe 112, die jede Düse 14 umgeben, in den Brennraum 60. Das Verbrennen des Brennstoffes und der Luft erfolgt innerhalb des Brennraums 60. Die heißen Ofengase aus dem Brenn­ raum 60 bewegen sich durch die Ofengaskanäle 64 in den Verteiler 88 und werden über eine Leitung 113 abgelassen.

Gemäß Fig. 3 besteht die Einrichtung 33 zur Verhinderung der Fludisierung des Katalysatorbettes aus einer ringförmigen Platte 90 und einem Rückhalter 92. Die ringförmige Platte 90 ruht einfach mit ihrem Eigengewicht oben auf dem Katalysatorbett und ist mit der oberen Schicht des Reaktionskatalysators 28 in Berührung. Die Platte 90 ist perforiert, damit die Reaktionsprodukte durch sie hindurchgehen können. Ihre Gewichts- und Druckabfall­ kenndaten sind so gewählt, daß sie nicht von dem Kataly­ satorbett abgehoben wird, sondern ständig mit dessen oberer Schicht während des Betriebes auch dann in Berührung bleibt, wenn das Bett expandiert und kontraktiert. Dadurch wird die obere Schicht der Pellets des Reaktionskatalysators 28 am Fluidisieren gehindert, wodurch wiederum verhindert wird, daß das Katalysator­ bett fluidisiert wird, solange dem Katalysatorbett nicht gestattet wird, sich um mehr als einige Prozent seines Volumens (oder seiner axialen Länge, die zu dem Volumen direkt proportional ist) auszudehnen. Wenn dem Katalysatorbett ge­ stattet wird, sich zu stark auszudehnen, werden die Pellets unterhalb der oberen Schicht fluidisiert, und diese Fluidisierung überträgt sich auf das Katalysatorbett, bis das gesamte Katalysatorbett fluidisiert ist.

Der Rückhalter 92 ist vorgesehen, um die Expansion des Katalysatorbettes durch Stoppen der Aufwärtsbewegung der Platte 90 zu begrenzen. In der gezeigten Ausführungsform hat der Rückhalter 92 eine ringförmige Platte 91, die an ihrem inneren Umfang 94 an die Außenfläche des Mittelrohrs 24 angeschweißt ist. Die Platte 91 ist ebenfalls perforiert, denn sie hat Durchgangslöcher 93. Ein zylindrischer Flansch 96 ist in einem Stück mit der Platte 91 gebildet und erstreckt sich von dieser an ihrem äußeren Rand 98 vertikal abwärts. Die Platte 91 könnte auch an die äußere zylindrische Wand 22 statt an das Mittelrohr 24 angeschweißt worden sein. Die axiale Wärmeausdehnung des Mittelrohrs 24 ist jedoch geringer als die der äußeren Wand 22, so daß die Befe­ stigung der Platte 91 an dem Mittelrohr 24 vorzuziehen ist.

Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Gewicht" der perforierten Platte 90 beinhaltet das Gewicht von all dem, was auf der Platte 90 oder auf einem Teil der Platte ruhen oder an der Platte oder an einem Teil der Platte befestigt sein kann, sich aber gemeinsam mit der Platte bewegt. Beispielsweise kann ein nicht dargestellter Ring an der oberen Fläche der Platte 90 befestigt sein, um zusätzliches Gewicht zu erzeugen. Die Aufwärtsbewegung der Platte 90 wird gestoppt, wenn der Ring den Rückhalter 92 berührt.

Selbst ohne Fluidisierung wird das Katalysatorbett sich während des Betriebes des Reaktors 20 aufgrund von Schwingungen sowie von thermischer Expansion und Kontraktion der äußeren Wand 22 relativ zu dem Mittelrohr 24 absetzen. Das Absetzen des Katalysatorbettes während des Betriebes sollte deshalb so weit wie möglich minimiert werden. Das wird durch Vorabsetzen, d. h. Verdichten des Katalysatorbettes erreicht, beispielsweise durch eine mechanische Rüttelvor­ richtung, wenn die Reaktionskammer 26 während des Zusammen­ baus der Anlage 10 gefüllt wird.

Durch Vorabsetzen des Katalysatorbettes, durch Hinzufügen von Katalysatorteilchen, um den durch die vorabgesetzten Teilchen gelassenen Hohlraum zu füllen, durch erneutes Vorabsetzen des Bettes, usw. kann die Reaktionskammer 26 bis zu dem gewünschten Ausmaß gefüllt werden und das Absetzen während des Betriebes (vorausgesetzt, daß die Fluidisierung verhindert wird) wird dadurch minimiert. Nachdem die Reak­ tionskammer 26 bis zu der gewünschten Höhe mit vorabgesetzten Katalysatorteilchen gefüllt worden ist, wird die perforierte Platte 90 auf das Katalysatorbett aufgebracht, und der Rückhalter 92 wird in seiner richtigen Lage verschweißt. Vorzugsweise ist der Rückhalter 92 so angeordnet, daß der Flansch 96 mit der Platte 90 in Berührung oder ihr so nahe wie möglich ist, denn die Expansion des Katalysatorbettes ist die Summe des Abstandes zwischen der Platte 90 und dem Flansch 96 plus dem Ausmaß der Kontraktion des Bettes aufgrund des unvermeidlichen zusätzlichen Absetzens während des Betrie­ bes des Reaktors 20.

In einem Test wurde ein Reaktor, der in allen wichtigen Punkten wie der Reaktor 20 aufgebaut war, der in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, 732 Stunden lang betrieben, ohne daß sich irgend­ ein Anzeichen für eine Fluidisierung des Katalysatorbettes ergab. In der getesteten Anlage hatte die ringförmige Reak­ tionskammer 26 einen Außendurchmesser von 222 mm, einen Innen­ durchmesser von 168 mm und ein vorabgesetztes Katalysator­ bett mit einer Länge von 1600 mm vor dem Betrieb des Reaktors. Der Reaktionskatalysator 28 hatte die Form von zylindrischen Pellets. Die Platte 90 bestand aus einer hitzebeständigen Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, hatte eine Dicke von 3,2 mm und einen Innen- und einen Außendurchmesser von 168 mm bzw. 217 mm. Sie war auf ihrer gesamten Fläche mit Durchgangslöchern mit einem Durchmesser von 3,2 mm in einem solchen Ausmaß versehen, daß die Platte zu 40% porös war. Die ringförmige Platte 91 des Rückhalters 92 hatte einen Außendurchmesser von 217 mm und war zu 40% porös. Der Flansch 96 war 9,7 mm lang und war vor dem Betrieb des Reak­ tors im wesentlichen mit der Platte 90 in Berührung. Nach 732 Betriebsstunden und 34 Abschaltzyklen (bei welchen die Anlage auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurde) betrug das Absetzen des Katalysatorbettes nur etwa 2% der Bettlänge. Es ist zu erwarten, daß kein weiteres Absetzen bei einem weiteren Betrieb auftritt. Die maximale Expansion des Katalysatorbettes betrug daher etwa 2% der Bettlänge, und es trat keine Fluidi­ sierung auf. Die Zunahme des Bettdruckabfalles wurde auf weniger als 4% begrenzt. Es ist anzunehmen, daß, wenn das Katalysatorbett vorabgesetzt wird, das Abhalten der Platte 90 von einer Aufwärtsbewegung im wesentlichen über ihre Anfangslage hinaus immer die Fluidisierung verhindern wird, da ein weiteres Absetzen des Katalysatorbettes während des Be­ triebes immer innerhalb zulässiger Grenzen liegen wird.

Es ist nicht bekannt, genau wieviel Expansion zugelassen werden kann, ohne daß eine Fluidisierung auftritt. Aus dem vorstehenden Beispiel geht hervor, daß 2% Expansion zu­ lässig sind. Es können vielleicht bis zu 5% Expansion zu­ lässig sein. Wenn vor dem Betrieb des Reaktors 20 der Rück­ halter 92 in einiger Entfernung von der Platte 90 angeord­ net wird (statt so nahe wie möglich an der Platte 90 ange­ ordnet zu sein), wird das Ausmaß der Expansion während des Betriebes um so viel größer sein. Es bringt keinen be­ sonderen Vorteil, die Expansion auf einem absoluten Minimum zu halten, solange die Expansion gestoppt wird, bevor eine Fluidisierung einsetzt.

Der Reaktor 20, der in Verbindung mit der Einrichtung 33 zur Verhinderung der Fluidi­ sierung beschrieben worden ist, dient nur als Beispiel, denn diese Einrichtung wäre ebenso nützlich bei der Verhinderung der Fluidisierung eines zylindrischen Kataly­ satorbettes.

Claims (4)

1. Reaktor für katalytische Reaktionen, mit einer sich vertikal erstreckenden, ein Katalysatorbett aufnehmenden Reaktionskammer, wobei das untere Ende der Reaktionskam­ mer einen Einlaß und das obere Ende einen Auslaß auf­ weist, mit einer über dem Katalysatorbett angeordneten perforierten Platte und mit einem Rückhalter oberhalb der perforierten Platte, dadurch gekennzeich­ net, daß die perforierte Platte (90) mit ihrem Gewicht auf dem Katalysatorbett ruht und bei Expansion und Kon­ traktion des Katalysatorbetts in ständigem Kontakt mit die­ sem bleibt und daß der Rückhalter (92) in einer nicht mehr als einige Prozent der Katalysatorbetthöhe betragenden Ent­ fernung über der perforierten Platte (90) angeordnet ist, um die Aufwärtsbewegung der Platte zu stoppen, bevor die Fluidisierung des Katalysatorbetts einsetzt.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dessen Reaktionskammer eine ringförmige Kammer (26) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierte Platte (90) eine erste ringförmige Platte ist.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückhalter (92) an einem die innere Wand der Reaktionskammer (26) bildenden Mittelrohr (24) starr befestigt ist.

4. Reaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückhalter (92) eine zweite perforierte ringförmi­ ge Platte (91) ist, die einen zylindrischen Flansch (96) auf­ weist, der sich zum Stoppen der Aufwärtsbewegung der ersten ringförmigen Platte (90) vertikal zu dieser erstreckt.