DE2809126A1 - Register-spaltofen - Google Patents

Register-spaltofen

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DE2809126A1 DE19782809126 DE2809126A DE2809126A1 DE 2809126 A1 DE2809126 A1 DE 2809126A1 DE 19782809126 DE19782809126 DE 19782809126 DE 2809126 A DE2809126 A DE 2809126A DE 2809126 A1 DE2809126 A1 DE 2809126A1
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Description

GHT 24.401-7
Gesellschaft für
Hochtemperaturreaktor ^-Technik mbH 5060 Bergisch Gladbach 1
5
Regis ter-Spaltofen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Gas und elektrisch oder nur elektrisch beheizten Spaltofen zur katalytischen Spaltung von Gasen wie z. B. Mischungen aus Methan und Wasserdampf bei hohen Temperaturen. Dieser Spaltofen ist besonders geeignet für große Spaltanlagen zur Kohlevergasung mittels Kernenergie. Bei diesen Anlagenist es von besonderer Bedeutung, daß das Katalysatormaterial schnell und zuverlässig ausgewechselt werden kann und auch die Beheizung schnell überprüft und gegebenenfalls ausgewechselt oder repariert werden kann, um die Stillstandszeiten der Anlage zu verringern. Soweit diese Anlagen mit Helium beheizt werden sollen, ist von Bedeutung, daß Helium keine Strahlungswärme überträgt und daher im wesentlichen die Wärme durch Konvektion übertragen werden muß.
Go/Fe 27.02.1978
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—2— 24.401.7
In der deutschen Offenlegungsschrift 26 16 085 werden Spaltöfen für großtechnische Kohlevergasungsanlagen beschrieben, bei denen Heizgas und Spaltgas Drücke von etwa 40 bar haben sollen und bei denen die Wärme größtenteils durch Konvektion übertragen wird. Das Katalysatormaterial ist in langen, parallelen, senkrechten Rohren enthalten, die oberhalb und unterhalb des Katalysatormaterials im Querschnitt erheblich verengt sind. Über Form und Anordnung des Katalysatormaterials, insbesondere über dessen Auswechselung in diesen auf beiden Seiten verengten Rohren wird nichts gesagt.
In den deutschen Offenlegungsschriften 24 12 840.3 und 24 12 841.4 werden Spaltrohre für die katalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen beschrieben. Diese hängenden, am unteren Ende geschlossenen Spaltrohre tragen im Inneren ein bis zum tiefsten Punkt führendes gewendeltes Rohr als Ableitung für das Spaltgas und sind mit einer losen Füllung von nickelhaltigern Katalysatormaterial gefüllt. Dieses Katalysatormaterial hat in loser Schüttung einen nicht exakt berechenbaren und mit der Zeit veränderlichen Druckverlust, der bei Parallelschaltung zahlreicher Spaltrohre zu unterschiedlichen Durchsatzmengen des Prozeßgases und damit zu unterschiedlichen Temperaturen führt. Bei TemperaturVerminderungen verdichtet sich das Katalysatormaterial, bei Temperaturerhöhungen dehnt es sich wieder aus und belastet dabei das äußere Spaltrohr und das innere Ableitungsrohr. Wenn dieses Katalysatormaterial erschöpft oder zerstört ist, muß es in mühseliger Arbeit, beispielsweise pneumatisch, aus den Spaltrohren entfernt werden. Da die vorgesehenen mit Helium gekühlten Kernenergieanlagen zweckmäßigerweise mit einem hohen Druck von beispielsweise 40 Atmosphären betrieben werden, müssen die Spaltrohxe erhebliche Wandstärken aufweisen.
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die den Wärmeübergang an das Katalysatormaterial verschlechtern. Mit Rücksicht auf die zuverlässige und dichte Befestigung an einem Tragboden müssen diese Spaltrohre einen gewissen Mindestabstand voneinander einhalten. Daher brauchen sie, im Vergleich zu dem vorhandenen Inventar an Katalysatormaterial einen erheblichen Raum. Die für einen hohen konvektiven Wärmeübergang notwendige Gasgeschwindigkeit außerhalb der Spaltrohre wird bei dieser Bauweise kaum erreicht. Auch der Tragboden stellt bei den hohen Temperaturen und dem großen Durchmesser ein aufwendiges metallisches Bauteil dar, das aus Pestigkeitsgründen gekühlt werden muß und daher erhebliche wärmewirtschaftliche Verluste verursacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein mit Gas und elektrisch oder nur elektrisch beheizter Spaltofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hohen Temperaturen, der einen geringen Material- und Raumbedarf aufweist und bei dem das Katalysatormaterial schnell und einfach ausgewechselt·werden kann. Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Spaltofen, bei dem das Spaltgas so hohe Temperaturen erreicht, daß es nahezu restlos gespalten wird. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß ein nicht gespaltener Teilstrom vom Produkt abgetrennt und erneut dem Spaltofen zugeführt werden muß. Auch dadurch wird Material- und Raumbedarf des Spaltofens verringert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Spaltofen nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen. Gegenüber den bekannten, mit Katalysatormaterial gefüllten dickwandigen Spaltrohren wird der Material- und Raumbedarf erheblich verringert, der Wärmeübergang wird verbessert und ein großer Teil der Festigkeitsprobleme erheblich vereinfacht. Durch die abwechselnde und dadurch mechanisch
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ic
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getrennte Anordnung von Beheizung und Katalysatormaterial können beide in bezug auf Wärmeübertragung und Druckverlust optimal ausgelegt werden. Außerdem kann das Auswechseln des Katalysatorraaterials erheblich ver-^ einfacht werden, insbesondere ist es dazu nicht mehr notwendig, Teile der Beheizung zu öffnen oder gar auszubauen. Die Anordnung des Katalysatormaterials z. B. in senkrechten Rahmen, die in ü-förmigen Schienen gehalten sind, bietet besondere Vorteile bei der Auswechselung mittels einer einfachen Hebevorrichtung.
Die vorliegende Erfindung bietet besonders im Zusammenhang mit der vorgesehenen elektrischen Beheizung erhebliche konstruktive Vorteile. Die elektrischen Heizstäbe können beispielsweise als senkrecht hängende Ü-Bögen in Ebenen zwischen dem Katalysatormaterial angeordnet werden. Sie können sich bei Erwärmung frei ausdehnen und können alle Stromansch'lüsse nur auf einer Seite des Spaltgaskanals haben, so daß sie mit geringem Aufwand montiert und mit Strom versorgt werden können. Bei dem an sich geringen Abstand zwischen Beheizung und Katalysatormaterial und den vorgesehenen hohen Temperaturen ist bei dieser Anordnung ein hoher und unmittelbarer Wärmeübergang durch Strahlung von der Beheizung auf das Katalysatormaterial zu erwarten.
Die im 2. Anspruch vorgeschlagene Anordnung gestattet es, die auf hohem Temperaturniveau zugeführte elektrische Wärme weitgehend zur regenerativen Vorwärmung des zu spaltenden Gases auszunutzen. Dabei zeigen sich die erheblichen Vorteile in der Kombination einer elektrischen Beheizung mit der erfindungsgemäßen Anordnung von Katalysatormaterial und Beheizung. Da d-' n. Temperaturen im Spaltgaskanal in Richtung des Spaltgasstromes stetig zunehmen, sind zwischen benachbarten Bauteilen,
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insbesondere in den Seitenwänden des Spaltgaskanals keine wesentlichen Temperaturdifferenzen und damit auch keine großen Wärraespannungen zu erwarten. Durch die mehrfache Umlenkung im Kreuzgegenstrom werden eventuelle Temperatursträhnen im Spaltgaskanal ausgeglichen.
Die im 3. Anspruch vorgeschlagene Anordnung ist besonders geeignet, wenn der Spaltofen mit nuklearer Wärme aus einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor beheizt werden soll. Das aus einem Kernreaktor mit ca. 950 0C austretende Helium gibt seine Wärme nur mit einem Temperaturgefälle an einen ebenfalls Helium enthaltenden Sekundärkreis oder an das Spaltgas ab. Dieser Sekundärkreis oder das Spaltgas hat naturgemäß nur noch
eine maximale Temperatur von ca. 850 0C. Da aber die wesentlichen Spaltprozesse erst bei ca. 1.000 C vollständig ablaufen, ist es zweckmäßig, den fehlenden oberen Temperaturbereich durch elektrische Beheizung zu ersetzen. Der dafür notwendige Strom kann mit der auf
geringem Temperaturniveau zwischen 500 0C und 300 0C abfallenden Reaktorwärme erzeugt werden. Ein Beispiel für eine solche nuklear beheizte Kohlevergasung findet sich in der deutschen Offenlegungsschrift 25 53 506.
Die Figuren 1 «- 5 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen elektrisch beheizten Spaltofen mit Regenerativ-Vorwär- mung des eintretenden zu spaltenden Gases durch das austretende gespaltene Gas.
Figur 2 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen Register-^Spaltofen, der teilweise mit Helium im Kreuz- gegenstrom und teilweise elektrisch beheizt wird.
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Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung einen senkrechten Schnitt durch zwei der in Figur 4 dargestellten Rahmen mit Katalysatorplatten, zwischen denen ein Heizregister angeordnet ist. Bei elektrischer Beheizung werden diese Heizrohre durch ein Register von z. B. ü-förmigen Heizstäben ersetzt.
Figur 4 zeigt einen senkrechten Schnitt durch Figur 1 oder 2 und zwar eine Ansicht auf einen mit quadratischen Katalysatorkörpern gefüllten Rahmen.
Figur 5 zeigt in einer gegenüber den Figuren 3 und 4 nochmals vergrößerten Darstellung einen waagerechten Schnitt durch 2 Rahmen mit Katalysatormaterial und mit zwei dazwischen angeordneten Heizrohrregistern.
In Figur 1 strömt das Spaltgas vom Spaltgaseintrittskanal 4 zunächst gradlinig und dann im Kreuzgegenstrom zurück zum Spaltgasaustrittskanal 5. Der gradlinige Kanal ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten begrenzt durch die Rohrboden 6 und 7, die durch zahlreiche parallele in Ebenen angeordnete Heizrohre 8 verbunden sind, zwischen denen jeweils das Katalysatormaterial 9 mit zahlreichen, in Strömungsrichtung angeordneten kleinen Kanälen 10 angeordnet ist. Im Bereich der niedrigen Gastemperaturen, also in der Nähe des Spaltgaseintrittskanals 4, enthalten diese Rohrboden nur Heizrohre 8,. während sie im Bereich der mittleren Gas— temperaturen abwechselnd Heizrohre 8 und Katalysator— material 9 enthalten. Im Bereich der hohen Gastemperaturen sind anstelle der Rohrboden 6 und 7 geschlossene Wände 12 und 13 vorgesehen, in deren Bereich anstelle der Heizrohre elektrische Heizstäbe 14 angeordnet sind. Nach, dieser elektrischen Beheizung wird das Spaltgas
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durch die Umlenkwände 15 und 16 einem Teil der Heizrohre 8 zugeführt und fließt dann im Kreuzgegenstrom zurück zum Spaltgasaustrittskanal 5, wobei es von den Leitwänden 17, 18, 19, 20 und 21 geführt wird. Zwischen den Umlenk- und Leitwänden und den angrenzenden Rohrboden 6 und 7, wie auch zwischen Spaltgaseintritts- und -austrittskariälen 4 und 5 und den Rohrboden sind jeweils elastische, aber dichte Dehnungsausgleicher angeschweißt. Auf diese Weise entsteht ein kompakter Block, der abwechselnd Katalysatormaterial und elektrische bzw. Gasbeheizung enthält, der nicht durch Wärmespannungen zwischen benachbarten Bauteilen gefährdet ist.
In Figur 2 fließt das Spaltgas annähernd gradlinig vom Spaltgaseintrittskanal 4 zum Spaltgasaustrittskanal 5 und wird dabei, ähnlich wie in Figur 1, zunächst von den Rohrboden 6 und 7 und dann von den geschlossenen Wänden 12 und 13 begrenzt. Das gasförmige Heizmedium, beispielsweise Helium, fließt vom Heizgaseintrittskanal 2 im Kreuzgegenstrom zum Heizgasaustrittskanal 3 und wird dabei durch die Leitwände 23, 24 und 25 geführt. Entsprechend Figur 1 sind auch hier zwischen benachbarten Bauteilen von unterschiedlicher Temperatur Dehnungsausgleicher 22 angeordnet. Im Bereich der hohen Gastemperaturen wird das Spaltgas nicht mit Helium sondern nur mit den elektrischen Heizstäben 14 beheizt. Selbstverständlich ist es bei der in Figur 2 dargestellten Ausführung auch möglich, im Bereich der niedrigen Gastemperaturen nur Rohrregister zum Wärmetausch zwischen dem austretenden Helium und dem eintretenden Spaltgas vorzusehen, ohne daß dort Katalysatormaterial angeordnet werden müßte.
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In den Figuren 3 und 4 werden die quadratischen Katalysatorscheiben 30 in mehreren parallelen senkrechten Reihen übereinandergestapelt und durch dazwischen angeordnete Unförmige Profile 31 sowie durch einen äußeren Rahmen 32 zusammengehalten, an dem beispielsweise zwei U-förmige ösen 33 befestigt sein können, um den ganzen Rahmen 32 anzuheben.
In Figur 5 werden die quadratischen Katalysatorscheiben 30 wie in Figur 3 durch H-förmige Profile 31 zusammengehalten, die wiederum außen durch größere H-förmige Profile 50 geführt sind, die an den in Figur 1 dargestellten Rohrboden 6 befestigt sind. Zwischen den zwei dargestellten, mit Katalysatorscheiben 30 gefüllten Rahmen sind in diesem Fall zwei Ebenen von Heizrohren dargestellt, wobei das eine Rohr im Schnitt und das andere versetzt dahinter in Ansicht dargestellt ist.
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-/14-
e e r s e
it

Claims (3)

  1. GHT 24.401.7
    Gesellschaft für
    Hochtemperaturreaktor-Technik mbH
    5060 Bergisch Gladbach 1
    5
    Register-Spaltofen
    Ansprüche
    1 . Mit Gas und elektrisch beheizter oder nur elektrisch beheizter Spaltofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hohen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet , daß Katalysatormaterial und Beheizung abwechselnd in Ebenen quer zur Strömungsrichtung des Spaltgaskanales angeordnet sind.
  2. 2. Spaltofen nach Anspruch 1, wobei das gespaltene Gas im Kreuzgegenstrom zum zu spaltenden Gas durch den Spaltgaskanal geführt ist, dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich der hohen Spaltgastemperaturen im Spaltgaskanal abwechselnd nur elektrische Beheizung und Katalysatormaterial angeordnet ist, während im Bereich der mittleren Spaltgastemperaturen abwechselnd Katalysatormaterial und Beheizung im Kreuz-Go/Fe 27.02.1978
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    ORiGiNAL INSPECTED
    - 2 " 24.403.7
    gegenstrom angeordnet ist und im Bereich der niedrigen
    Spaltgastercperaturen nur Beheizung zum Wärmeaustausch zwischen dem ein— und austretenden Spaltgas ohne Katalysatormaterial angeordnet sind. 5
  3. 3. Spaltofen nach Anspruch 1, wobei ein Heizgas im Kreuzgegenstrom zum Spaltgas durch den Spaltgaskanal geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der hohen Spaltgastemperaturen abwechselnd nur elektrische Beheizung und Katalysatormaterial angeordnet sind, während im Bereich der mittleren Temperaturen abwechselnd Katalysatormaterial und Beheizung mit Gas angeordnet sind.
    909336/0336
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