DE2809126C2

DE2809126C2 - Spaltofen

Info

Publication number: DE2809126C2
Application number: DE2809126A
Authority: DE
Inventors: Walter Ing.(grad.) 5250 Engelskirchen Jäger; Herbert von Ing.(grad.) 5060 Bergisch Gladbach Waclawiczek
Original assignee: GHT GESELLSCHAFT fur HOCHTEMPERATURREAKTOR-TECHNIK MBH 5060 BERGISCH GLADBACH DE; Ght Gesellschaft Fuer Hochtemperaturreaktor Technik Mbh 5060 Bergisch Gladbach
Current assignee: Waclawiczek Herbert Von Ing (grad) 5060 Bergi
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1986-07-17
Also published as: FR2418670B1; US4302292A; FR2418670A1; DE2809126A1; JPS6327394B2; JPS54123581A; AT388722B; ATA163579A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Gas und 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 Spahanlagen zur Kohleversorgung mittels Kernenergie. Bei diesen Anlagen ist es von besonderer Bedeutung, daß das Katalysatormaterial schnell und zuverlässig ausgewechselt werden kann und such die Beheizung schnell überprüft und gegebenenfalls ausgewechselt oder repariert werden kann, um die Stillstandszeiten dts-Anlage zu verringern. Soweit diese Anlagen mit Helium beheizt werden sollen, ist von Bedeutung, daß Helium k<..ne Strahlungswärme überträgt und daher im wesentlichen die Wärme durch Konvektion übertragen werden muß.

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 und 24 12 841 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 z. B. gewendeltes Rohr als Ableitung für das Spaltgas und sind mit einer losen Füllung von nickelhaltigem 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 Prözeßgäses 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 Spaltrohre erhebliche Wandstärken aufweisen, 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

is stellt bei den hohen Temperaturen und dem großen Durchmesser ein aufwendiges metallisches Bauteil dar, das aus Festigkeitsgründen gekühlt werden muß und daher erhebliche wärmewirtschaftliche Verluste verursacht.

Aus der DE-AS 22 21 288 ist ein Reaktionsapparat zur Durchführung katalytischer Reaktionen in mehreren Stufen bekannt, bei dem Katalysatormaterial und Beheizung in abwechselnden Ebenen quer zur Strömungsrichtung des Reaktionsgases angeordnet sind, wobei die Katalysatorschichten in herausnehmbaren Kästen untergebracht sind. Als Wärmeträger ist dort eine Flüssigkeit mi; einer, bezogen auf den normalen Druck, über 100⁰C liegenden Verdampfungstemperatur vorgesehen, so daß der Fachmann zur Lösung der besonderen Probleme der vorliegenden Erfindung in bezug auf hohe Temperaturen dort keine Anregung finden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein mit Gas und 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 Patentanspruch 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 getrennte Anordnung von Beheizung und Katalysatormaterial können beide in bezug auf Wärmeübertragung und Druckverlust optimal ausgelegt werden. Außerdem kann das Auswechseln des Katalysatormaterials erheblich vereinfacht 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 U-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 U-Bögen in Ebenen zwischen dem Katalysatormate-

rial angeordnet werden. Sie können sich bei Erwärmung frei ausdehnen und können alle Stromanschlüsse 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 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 die Temperaturen im Spaltgaskanal in Richtung des Spaltgasstromes stetig zunehmen, sind zwischen benachbarten Bauteilen, insbesondere in den Seitenwänden des Spaltgaskanals keine wesentlichen Temperaturdifferenzen und damit auch keine großen Wärmespannungen zu erwarten. Durch die mehrfache Umlenkung i«i Kreuzgegenstrom werden eventuelle Temperatursträhnen im Spaltgaskanal ausgeglichen.

Die vorgeschlagene Anordnung ist besonders geeignet, wenn der Spaltofen mit nuklearer Wärme aus einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor beheizt werden soll. Das aus einem Kernreaktor mit ca. 950⁰C 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° C Da aber die wesentlichen Spaltprozesse erst bei ca. 1000⁰C 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 500⁰C und 300⁰C abfallenden Reaktorwärme erzeugt werden. Ein Beispiel für eine solche nuklear beheizte Kohlenvergasung findet sich in der deutschen Offenlegungsschrift 25 53 506.

Die F i g. 1 — 5 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen elektrisch beheizten Spaltofen mit Regenerativ-Vorwärmung des eintretenden zu spaltenden Gases durch das austretende gespaltene Gas.

Fig.2 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen Register-Spaltofen, der teilweise mit Helium im Kreuzgegenstrom und teilweise elektrisch beheizt wird.

F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung einen senkrechten Schnitt durch zwei der in F i g. 4 dargestellten Rahmen mit Katalysatorplatten, zwischen denen ein Heizregister angeordnet ist. Bei elektrischer Beheizung werden diese Heizrohre durch ein Register von z. B. U-förmigen Heizstäben ersetzt.

Fig.4 zeigt einen senkrechten SchniU durch Fig. 1 oder 2 und zwar eine Ansicht auf einen mit quadratischen Katalysatorkörpern gefüllten Rahmen.

F i g. 5 zeigt in einer gegenüber den F i g. 3 und 4 nochmals vergrößerten Darstellung einen waagerechten Schnitt durch 2 Rahmen mit Katalysatormaterial und mit zwei dazwischen angeordneten Heizrohrregistern.

In F i g. 1 strömt das Spaltgas vom Spaltgaseintrittskanal 4 zunächst geradlinig und dann im Kreuzgegenstrom zurück zum Spaltgasaustrittskanal 5. Der geradlinige Kanal ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten begrenzt durch die Rohrböden 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 Rohrböden nur Heizrohre 8, während sie im Bereich der mittleren Gastemperaturen abwechselnd Heizrohre 8 und Katalysatonnaterial 9 enthalten. Im Bereich der hohen Gastemperatur sind anstelle der Rohrböden 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 durch die Umlenkwände 15 und 16 einem Teil der Heizrohre 8 zugeführt and fließt dann im Kreuzgegenstrom zurück zum Spaltgasaustrittskanal 5, wobei es von den Leitwänden 17, 18, 19, 20 und 21 geführt wird. Zwischen den UmlenV.- und Leitwänden und den angrenzenden Rohrböden δ and 7, wie auch zwischen Spaltgaseintritts- und -austrittskanälen 4 und 5 und den Rohrböden sind jeweils elastische, aber dichte Dehnungsausgleicher 22 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 Fig.2 fließt das Spaltgas annähernd geradlinig vom Spaltgaseintrittskanal 4 zum Spaltgasaustrittskanal 5 und wird dabei, ähnlich wie in F i g. 1, zunächst von den Rohrböden 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 F i g. 1 sind auch hier zwischen benachbarten Bauteilen von unterschiedlicher T?mperatur Dehnungsausgleicher 22 angeordnet Im Bereich der hohen Gastemperaturen wird das Spaltgas nicht mit HeLum, sondern nur mit den elektrischen Heizstäben 14 beheizt. Selbstverständlich ist es bei der in F i g. 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.
In den F i g. 3 und 4 werden die quadratischen Katalysatorscheiben 30 in mehreren parallelen senkrechten Reihen übereinandergestapelt und durch dazwischen angeordnete H-förmige Profile 31 sowie durch einen äußeren Rahmen 32 zusammengehalten, an dem beispielweise zwei U-förmige Ösen 33 befestigt sein können, um den ganzen Rahmen 32 anzuheben.

In F i g. 5 werder: Jie quadratischen Katalyyatorscheiben 30 wie in F i g. 3 durch H-förmige Profile 31 zusammengehalten, die wiederum außen durch größere H-förmige Profile 50 geführt sind, die an den in F i g. 1 dargestellten Rohrboden 6 befestigt sind. Zwischen den zwei dargestellten, mit Katalysatorscheiben 30 gefüllten Rahmen sind in diesem Fall zwei Ebenen von Heizrohren 8 dargestellt, wobei das eine Rohr im Schnitt und das andere versetzt dahinter in Ansicht dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Spaltofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hohen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (12, 13) der hohen Spaltgastemperaturen in einem Spaltgaskanal (6, 7, 12,13) abwechselnd nur elektrische Beheizungseinrichtungen (14) und Katalysatormaterial (9) angeordnet sind, im Bereich der mittleren Spaltgastemperaturen abwechselnd Katalysatormaterial (9) und Beheizung durch das gespaltene Gas für eine Kreuzgegenstromführung gegenüber dem zu spaltenden Gas vorgesehen sind, während im Bereich der niedrigen Spaltgastemperaturen nur Einrichtungen zum Wärmeaustausch zwischen den ein- und austretenden Gasen ohne Katalysatormaterial vorgesehen sind.