-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Rohrreaktor, in den eine Wärmeaustauschvorrichtung
integriert ist, die besonders gut dafür geeignet ist, bei im Wesentlichen
isothermen Bedingungen große
Wärmemengen
vom Reaktor abzuleiten.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Viele
großtechnisch
bedeutende chemische Reaktionen und insbesondere katalytische Teiloxidationsreaktionen
aus der Dampfphase werden in Rohrreaktoren durchgeführt, in
denen das Konstanthalten der Temperatur der Recktanten innerhalb
eines kleinen Temperaturbereichs entscheidend für das Erreichen der gewünschten
Produktmenge und – selektivität sowie
der gewünschten
Produkteigenschaften ist. Viele dieser Reaktionen sind schnell und
hochgradig exotherm. Diese Reaktionen werden herkömmlich bei
erhöhten
Temperaturen in heterogenen katalytischen Rohrreaktoren ausgeführt. Meist
sind solche Reaktoren als Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher gestaltet, in
denen die Rohre mit einem geeigneten Katalysator gefüllt sind,
der auf einem porösen
Medium aufliegt. In die Reaktorrohre werden Reaktant-Gase eingeführt, wo
sie am Katalysator vorbei strömen
und zu dem gewünschten
Produkt verreagieren. Die Reaktionswärme wird rasch vom Reaktionsort
zu den Außenwandungen
der Rohre weiter geleitet. Ein zirkulierendes oder siedendes Kühlmittel auf
der Mantelseite leitet die Reaktionswärme ab. Herkömmlich wird
der Sauerstoffgehalt der Recktanten niedrig gehalten, um außerhalb
der Explosionsgrenze der Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Mischung zu
beleiben und die Bildung von Kohlendioxid als Nebenprodukt der vollständigen Oxidation
zu verringern.
-
Zwei
Kühlverfahren
werden gewöhnlich
für Rohrreaktoren verwendet:
der Zwangsumlauf oder das Sieden eines geeigneten Wärmetransferfluids.
Ein schlechter Wärmetransfer
zwischen den Reaktorrohren und dem Wärmetransferfluid führt oft
zu einem unerwünschten
Temperaturprofil entlang des Reaktorrohrs. Üblicherweise ist das Temperaturprofil
einer exothermen katalytischen Reaktion am Zufuhrende niedrig, steigt
in einem mittleren Rohrabschnitt auf ein Maximum an und fällt dann
ab, wenn der Reaktion die Recktanten ausgehen. Folglich weisen katalytische
Dampfphasen-Festbett-Rohrreaktoren einen ausgeprägten und unerwünschten „Temperaturbuckel" oder „Wärmestaupunkt" auf.
-
Reaktortemperaturen,
die die Optimaltemperaturen für
eine gegebene Reaktion übersteigen,
führen zu
einer geringeren Selektivität,
da unerwünschte
Produkte gebildet werden. Unerwünschte
Nebenreaktionen führen
auch zu örtlich
begrenzten Wärmestaupunkten
mit hoher Temperatur, die organische Wärmetransferfluide verkohlen
können.
Eine Reaktion, bei der dies auftreten kann, ist die hochgradig exotherme
Teiloxidation von Ethylen zu Ethylenoxid, bei der das Wärmetransferfluid üblicherweise
DOWTHERN oder Tetrahydronaphtalen oder ein ähnliches Wärmetransferfluid (WTF) ist.
-
Das
Temperaturprofil eines katalytischen Rohrreaktors verändert sich
mit der Zeit oft in dem Maß,
wie der Katalysator deaktiviert wird. Allgemein bewegt sich der
Wärmestaupunkt
eines katalytischen Rohrreaktors tendenziell von dessen Zufuhrende
zu seinem Austrittsende. Es wurden mehrere Verfahren vorgeschlagen, um
die Wärmestaupunkte
in katalytischen Rohrreaktoren zu steuern, aber sie alle gelten
als nicht wünschenswert,
weil sie entweder nicht praktikabel sind oder die unerwünschte Nebenwirkung
der verringerten Selektivität
aufweisen. Beispiele solcher Verfahren nach dem Stand der Technik
sind:
- – Gelbein
( US-Patentschrift 4,261,899 )
schlug die Verwendung eines Rotationskonus-Verfahrens in Verdünnungsphase
(Riser-Reaktor) mit variablem Durchmesser und einem Wirbelschicht-Wärmeaustauscher vor.
- – M.
Yoshida und S. Matsumoto (Journal of Chemical Engineering of Japan,
Bd. 31, Nr. 3, Seiten 381–390, 1998)
empfahlen einen Einzelrohrreaktor mit mehreren elektrischen Heizungen.
- – A.
I. Anastasov und V. A. Nikolov (Industrial. Eng. Chem. Research.
Nr. 37, Seiten 3424–3433,
1998) offenbaren die Verwendung von hintereinander geschalteten
Doppelreaktoren, um die Gesamtleistung zu optimieren.
- – Die
Patentschriften DE 3,935,030 ,
JA 60-7929 und EP 339,748 beschreiben
Reaktoren, bei denen Kühlspiralen
im Katalysatorbett eingebettet sind. Diese Lösung ist nicht praktikabel,
da für
den Wärmetransfer sehr
kleine Rohrgrößen (zwischen
20 und 40 mm) erforderlich sind.
- – In
der US-Patentschrift 5,262,551 wird
Methan statt Stickstoff als Ballastgas verwendet. Methan weist eine
bessere Wärmekapazität und -leitfähigkeit
auf, was zu einem besseren Gaswärmetransfer
führt.
Die Katalysatortemperatur wird dadurch angeblich um 7°C reduziert.
- – Die US-Patentschrift 4,642,360 lehrt
ein Verfahren, bei dem ein inerter Katalysatorträger verwendet wird, um das
einströmende
Gas vorzuheizen.
-
Es
ist kein Stand der Technik bekannt, der eine Möglichkeit zum Umgang mit örtlich begrenzten
Wärmestaupunkten
lehrt, die sich entwickeln, wenn der Gasstrom infolge von Ungleichverteilung
des Gases oder von übermäßigem Druckabfall
in einem bestimmten Rohr verringert wird oder wenn der Katalysator örtlich überaktiv
ist oder wenn der örtliche
Wärmetransfer
beein trächtigt
ist. Das Problem örtlich
begrenzter Wärmestaupunkte
kann besonders störend
sein, wenn sich das Wärmetransferfluid
zu Kohlenstoffblöcken
zersetzt. Dementsprechend wäre
es wünschenswert,
wenn ein Reaktor für
Dampfphasen-Festbett-Katalysereaktionen mit verbesserter Wärmeableitungsleistung
verfügbar
wäre, der
dafür geeignet
ist, ungeachtet der Wärmelast der
einzelnen Rohre ein im Wesentlichen isothermes Temperaturprofil über die
gesamte Länge
des Reaktors aufrechtzuhalten. Es wäre außerdem wünschenswert, wenn solch ein
Reaktor einfach zu konstruieren, zu betreiben und zu warten wäre. Ferner
wäre es
wünschenswert,
wenn die Reaktionswärme
zurückgewonnen
werden könnte,
um Dampf zu erzeugen. Ferner sollte der Reaktor, um das Befüllen mit
neuem Katalysator und das Entfernen des gebrauchten Katalysators
zu erleichtern, vertikale Rohre verwenden, deren Länge 10,5
bis 15 m (35 bis 50 ft) nicht übersteigt.
-
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Der
chemische Reaktor der vorliegenden Erfindung umfasst einen Rohrreaktor,
in den ein Wärmeaustauschgerät integriert
ist, das allgemein als Wärmerohr
bezeichnet wird. Wie in der
US-Patentschrift
Nr. 2,350,348 von Gaugler beschrieben, verwenden Wärmerohre
das Verdampfen eines Wärmetransferfluids
von einem porösen
Medium, das an einer Wärmetransferoberfläche angebracht
ist, um Wärme
zu absorbieren. In der vorliegenden Erfindung ist an mindestens
einem Teil der äußeren Oberfläche eines
Rohreaktors gegenüber
der Reaktionsmischung im Reaktorrohr ein Wärmerohrsystem angebracht, um
die Reaktionswärme
vom Reaktionsgemisch durch Verdunstungskühlung von der Wärmetransferoberfläche des
Wärmerohrsystems
abzuleiten. Das poröse
Medium der Wärmetransferoberfläche wird
allgemein als „Kapillare" bezeichnet. Das
Verdampfen des Wärmetransferfluids
von dem porösen
Medium oder von der Kapillare weist außerordentlich gute Wärmetransferkoeffizienten
auf und ermöglicht
einen außerordentlich
hohen Wärmestrom
bei im Wesentlichen isothermen Bedingungen. Nach Wunsch wird das
verdampfte Wärmetransferfluid
kondensiert und in die Wärmetransferzone
des Reaktors zurückgeführt. Da
die Wärmetransferkoeffizienten,
die mit der Kondensation einhergehen, ebenfalls hoch sind, weist
sowohl das Wärmeabsorptions-
als auch das Wärmeabgabesegment des
mit dem Wärmerohr
ausgestatteten Reaktors sehr hohe Wärmestromraten auf.
-
Der
Nutzen der Verwendung eines Wärmerohr-Wärmetransfergeräts an einem
Rohrreaktor wie beschrieben ergibt sich daraus, dass es das, was
sonst Konvektionswärmetransfer
oder herkömmliches
Verdunstungskühlen
eines nackten Rohrs wäre,
zum Verdunstungskühlen
einer Dünnschicht
von einer porösen Oberfläche umwandelt,
von der das verdampfte Wärmetransferfluid
schnell und leicht entweichen kann. Konvektionswärmetransfer ist durch viele
Faktoren beschränkt,
u. a. durch die Geschwindigkeit des Wärmetransferfluids, den Temperaturunterschied
zwischen dem Reaktionsgemisch und dem Kühlfluid, die Viskosität des Wärmetransferfluids,
die für
den Wärmetransfer
verfügbare
Fläche,
die Konstruktionsmaterialien des Wärmetransfergeräts und den
Zustand der Wärmetransferoberflächen, d.
h. ob sie verschmutzt sind. Herkömmliches Verdunstungskühlen von
einem getauchten Rohr weist viel höhere Wärmetransferkoeffizienten auf
als Konvektionskühlung,
ist aber durch die flüssige
Phase beschränkt,
die die getauchten Rohre umgibt. Das Wärmerohr ersetzt das Sieden
eines getauchten Rohrs durch Dünnschichtverdampfen,
mit einer entsprechenden Verbesserung des Wärmetransferkoeffizienten auf
der Mantelseite um das bis zu Zehnfache. Ferner beruht das Wärmeabgabesegment
des mit einem Wärmerohr
ausgestatteten Rohrreaktors auf der Kondensation des Wärmetransferfluids,
die in einem Kondensator ablaufen kann, der vom Reaktor entfernt
gelegen ist, so dass die zum Kühlen
verfügbare
Fläche
nicht auf die Fläche
der Rohrreaktoroberfläche
beschränkt
werden muss. Dement sprechend können
Kondensatoren mit ausreichender Fläche zum Bewältigen des erforderlichen Wärmestroms
entfernt vom erfindungsgemäßen Rohrreaktor
angeordnet sein und sich dennoch in großer Nähe zu ihm befinden.
-
Weil
die Verdampfung eines reinen Wärmetransferfluids
bei einer einzelnen Temperatur auftritt und die Wärmetransferkoeffizienten
des Wärmerohr-Wärmetransfersystems
der vorliegenden Erfindung sehr gut sind, kann ein Rohrreaktor gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mit einem Wärmerohr-Wärmeaustauschgerät ausgestattet
ist, bei im Wesentlichen isothermen Bedingungen betrieben werden.
Da die Wärmetransferkoeffizienten
bei der Dünnschichtverdampfung
von einem Wärmerohr
deutlich höher
sind als bei Tauchrohrverdampfung, weist der Reaktor der vorliegenden
Erfindung einen wesentlich höheren
Wärmestrom
auf, als er mit herkömmlicher
Kühlung
möglich
wäre.
-
Wie
von Faghri („Heat
Pipe Science and Technology",
Taylor and Francis, 1995) und von Peterson („An Introduction to Heat Pipes", John Wesley & Sons, 1994) beschrieben,
liegen die Wahl des Konstruktionsmaterials, die Wahl des Wärmetransferfluids
und die Gestaltung der Kapillarstruktur für die erfindungsgemäße Wärmerohrvorrichtung
im Ermessen des Fachmanns. Die Konstruktionsmaterialien, die mit
dem Wärmetransferfluid
in Berührung
kommen, werden gewöhnlich
aus Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und seinen Legierungen
und Edelstählen
ausgewählt.
-
Obwohl
in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung der Begriff Wärme-„rohr” verwendet
wird, sind unzählige
Bauformen möglich,
von denen einige weit entfernt von der zylindrischen Form eines
herkömmlichen Rohrs
sind. Möglich
sind zum Beispiel insbesondere flache, rechteckige, ringförmige, polygonale
oder rohrförmige
Formen.
-
Das
Wärmerohr-Wärmetransfersystem
der vorliegenden Erfindung besteht aus zwei oder drei Abschnitten:
(1) einem Verdampferabschnitt, in dem Wärme durch Verdampfen eines
flüssigen
Wärmetransferfluids
absorbiert wird, (2) einem adiabatischen Abschnitt, in den das verdampfte
Wärmetransferfluid
strömt, ohne
seinen Zustand zu ändern,
und optional (3) einem Kondensatorabschnitt, in dem das verdampfte
Wärmetransferfluid
mit Hilfe einer externen Kühlquelle
kondensiert wird. Das Kondensat des Wärmetransferfluids kann durch
Schwerkraft oder durch Pumpen in den Verdampferabschnitt des Rohrreaktors
zurückgeführt werden.
Im Verdampferabschnitt des erfindungsgemäßen Wärmerohr-Wärmetransfersystems wird das
Wärmetransferfluid
einem Reservoir auf dem Boden der mit einer Kapillarstruktur versehenen
Wärmerohroberfläche zugeführt, wo
die Kapillarwirkung der porösen
Oberfläche
oder der Kapillare das Wärmerohr
mit einer dünnen Schicht
des Wärmetransferfluids
benetzt. Da die Kapillarwirkung ein Phänomen der Oberflächenspannung
ist, das in langen Wärmeleitungen
durch Zulaufbedingungen beschränkt
sein kann, ist es mitunter vorzuziehen, wenn ein erfindungsgemäßer Rohrreaktor
einen Wärmerohr-Wärmetransferabschnitt
auf, der in mehrere Wärmerohrwärmetransferzonen
unterteilt ist, von denen jede eine Kapillarhöhe aufweist, die durch Kapillarwirkung des
Wärmetransferfluids
in der Kapillarstruktur benetzt wird.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung speist eine Quelle flüssigen Wärmetransferfluids, bei dem
es sich vorteilhaft um sauberes Boilerwasser handeln kann, den Wärmerohrverdampferabschnitt
des Reaktors, und der Verdampferabschnitt steht mit einem Dampfkopf
in Verbindung. Auf diese Weise kann ein Rohrreaktor gemäß der Erfindung
verwendet werden, um aus der Reaktorabwärme verwendbaren Dampf zu erzeugen
und das Erfordernis von Reaktorkühlern/-kondensatoren
zu beseitigen.
-
Die
Reaktionstemperatur des erfindungsgemäßen Rohrreak tors wird durch
den Siedepunkt des Wärmetransferfluids
geregelt. Durch Verändern
des Drucks des Wärmetransferfluids
ist es möglich,
den Siedepunkt des Wärmetransferfluids
zu variieren.
-
Trotz
der Tatsache, dass der mit einem Wärmerohr ausgestattete Rohrreaktor
der vorliegenden Erfindung Zwischenschritte zum gesamten Wärmetransfermechanismus
hinzufügt,
kann der Wärmetransferstrom des
mit einem Wärmerohr
ausgestatteten Reaktorabschnittes gegenüber herkömmlichen Tauchrohrverdampfungswärmetauschern
um ein Mehrfaches gesteigert werden. Die schnelle Rate des Wärmetransfers
bei der Fluidverdampfung auf einer porösen Oberfläche und der rasche Transport
des Dampfes vom Verdampferabschnitt zum Kondensatorabschnitt des
Wärmerohrs
tragen zu dieser überlegenen
Leistung bei.
-
Im
erfindungsgemäßen Reaktor
ist das Wärmetransferfluid
derart ausgewählt,
dass in Abhängigkeit von
der Betriebstemperatur ein störungsfreier
Betrieb des Wärmerohrs
gewährleistet
ist. Das Fluid kann aus Flüssigkeiten
ausgewählt
sein, die bei einem ausgewählten
Betriebsdruck den gewünschten
Siedepunkt aufweisen. Übliche
Wärmetransferfluide
sind Wasser, Aceton, Alkane, Ammoniak, Fluorkohlenstoffe, aromatische Lösemittel
und sogar reine Flüssigmetalle.
-
Die
in der Erfindung verwendete Kapillarstruktur kann aus Fasermatten,
Sintermetallpulvern mit kugeliger oder nicht kugeliger Form, von
einheitlicher oder unterschiedlicher Größe und Metallsieben in einzelnen oder
mehreren Schichten bestehen, alle mit oder ohne äußere Oberflächenvergrößerungen wie etwa Rippen.
-
In
den meisten Fällen
enthält
die Rohrseite des Reaktors die festen Katalysatorpellets, durch
die die Gasreaktanten strömen.
Die Rohrseite des erfindungsgemäßen Reaktors
ist gegenüber
allen herkömmlichen Rohrreaktoren
unverändert.
-
Der
mit einem Wärmerohr
ausgestattete erfindungsgemäße Rohrreaktor
kann isotherme Bedingungen bei nennenswert großen Unterschieden im Wärmestrom
aufrechterhalten. Solche Unterschiede treten auf, wenn ein örtlich begrenzter
Wärmestaupunkt
beginnt. Bei der Teiloxidationsreaktion von Ethylen zu Ethylenoxid
beispielsweise führt
ein Wärmestaupunkt
zu einen vollständigeren
Oxidation von Ethylen zu Kohlendioxid. Diese Nebenreaktion erzeugt
12,6-mal mehr Wärme
als die erwünschte
Reaktion zu Ethylenoxid. Wird diese erzeugte erhöhte Wärme nicht abgeleitet, kann
sie zu einer überhöhten Reaktortemperatur
führen,
was eine weitere Verschlechterung der Reaktorselektivität und sogar
eine Zerstörung
des Wärmetransferfluids
auf der Mantelseite verursachen kann, was letztendlich den gesamten
Reaktor ruinieren kann. Ein mit einem Wärmerohr ausgestatteter erfindungsgemäßer Rohrreaktor
reagiert auf eine solche Situation mit hohem Wärmestrom durch eine erhöhte Verdampfungsrate
bei gleicher Temperatur. Er reguliert somit ein Durchgehen der Reaktion von
selbst.
-
Die
Fähigkeit
zur Ableitung erhöhter
Wärme im
Wärmestaupunktbereich
des Rohrreaktors ist von großem
Vorteil. Der örtlich
begrenzte Wärmestau,
der zu einer durchgehenden Reaktion führt, wird trotz starker Wärmeerzeugung
beseitigt. Das herkömmliche
buckelförmige
Temperaturprofil einer exothermen katalytischen Reaktion wird somit
abgeflacht und der erfindungsgemäße Reaktor
arbeitet mit einer optimalen Selektivität.
-
Die
Konstruktion des erfindungsgemäßen Reaktors
ist gegenüber
der eines herkömmlichen
Rohrreaktors stark vereinfacht. Zum Beispiel kann in einem Ethylenoxidreaktor,
der direkte Dampferzeugung verwendet, die gewünschte Temperatur 200°C betragen,
was einem Dampfdruck von 1,52 MPa (220 psi) entspricht. Wegen der
Wärmestaupunkte
jedoch, die üblicherweise
in einem herkömmlichen
Ethylenoxidreaktor auftreten, muss das Reaktorgefäß für Temperaturen
bis zu 250°C
ausgelegt sein, was einem Dampfdruck entspricht, der bis zu 3,83
MPa (566 psi) betragen kann. Die Notwendigkeit der Auslegung für Hochdruck
erhöht
die Kosten immens. Aus diesem Grund muss die Verwendung von Wasser
als Wärmetransferfluid,
das kostengünstig
und aus betrieblicher Perspektive vorteilhaft ist, zugunsten eines
Wärmetransferfluids
auf Basis eines niedrig siedenden Kohlenwasserstoffs geopfert werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung tritt zu Tage, wenn
durch menschliches oder maschinelles Versagen zugelassen wird, dass
der Kühlmittelstand
im Reaktor unter seinen normalen Betriebsfüllstand fällt. In herkömmlichen
Reaktoren tritt an der Oberseite des Reaktors schnell ein Wärmestau
auf. Sind die Reaktorrohre des Reaktors der vorliegenden Erfindung über ihre
gesamte Länge
oder mindestens einen Abschnitt ihrer Länge unterhalb des normalen
Kühlmittelbetriebsfüllstands
des Reaktors mit einer porösen Oberfläche ausgestattet,
reagiert der erfindungsgemäße Reaktor
toleranter, da die Rohrabschnitte, die durch den fallenden Kühlmittelstand
freiliegen, vom Tauchbetrieb in einen Wärmerohrmodus umschalten. Die
poröse Oberfläche hat
eine Kapillarwirkung, die die Rohroberfläche benetzen kann.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Wasser als Wärmetransferfluid
beschränkt.
Es kann jede geeignete Flüssigkeit
als Wärmetransferfluid
verwendet werden, die bei der Reaktionstemperatur anwendbar ist.
Bei richtiger Reaktorauslegung kann das Temperaturprofil des erfindungsgemäßen Rohrreaktors auf
1 Grad C genau über
die Rohrlänge
gesteuert werden.
-
Bei
den Konstruktionsmaterialien, die mit dem internen Fluid in Berührung kommen,
kann es sich um Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und seine
Legierungen, verschiedene Edelstähle
oder Nickellegierungen handeln. Sind die Konstruktionsmaterialien,
die mit dem internen Fluid in Berührung kommen, nicht mit der
Prozessflüssigkeit
kompatibel, können
zwei Materialien in Form von Plattierung, Auskleidung oder Beschichtung
verwendet werden. Die internen Flüssigkeiten sind derart ausgewählt, dass
in Abhängigkeit
vom Betriebstemperaturbereich ein störungsfreier Betrieb des Wärmerohrs
gewährleistet
ist. Die Flüssigkeiten
können
ausgewählt
sein aus: Wasser, Aceton, Alkanen, Ammoniak, Fluorkohlenstoffen,
aromatischen Lösemitteln und
reinen Flüssigmetallen.
Bei der Konstruktion der Kapillarstruktur kann es sich um Sintermetallpulver
von einheitlicher oder unterschiedlicher Größe mit kugeliger oder nicht
kugeliger Form, um Metallsiebe in einzelnen oder mehreren Schichten
und mit oder ohne äußere Oberflächen handeln.
-
Ein
katalytischer Rohrreaktor gemäß der Erfindung
umfasst Rohre, die mit porösen
Katalysatorpellets gefüllt
sind. Die den Katalysator enthaltenden Rohre können etwa 10,5 m (35 ft) bis
zu etwa 15 m (50 ft) lang sein. Die Länge des Reaktorrohrs hängt von
praktischen Erwägungen
wie etwa der Montage und Wartung ab und ist nicht entscheidend für die Erfindung.
Die Betttemperatur variiert über
die Rohrlänge
und in Abhängigkeit vom
Alter des Katalysators. Im Allgemeinen bewegt sich der Wärmestaupunkt
des Reaktors, der mit dem aktivsten Reaktorabschnitt einhergeht,
in dem Maß zum
Reaktorauslass hin, wie der Katalysator im Reaktor während seiner
Betriebsdauer weniger aktiv wird. Um sich bewegende Wärmestaupunkte
im Reaktor zu behandeln, ist der erfindungsgemäße Reaktor am besten über eine
Länge mit
Wärmerohrkühlsystemen
ausgestattet, die den erwarteten Wärmestaupunkten des Reaktors
entspricht, wenn der Katalysator im Reaktor neu ist und auch wenn
er gealtert ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Im
Folgenden werden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
eines Rohrreaktors gemäß der Erfindung
mit direkter Dampferzeugung,
-
2 einen
Längsschnitt
eines Mehrzonen-Rohrreaktors gemäß der Erfindung,
-
3 einen
Querschnitt eines mit Finnen ausgestatteten Reaktorrohrs gemäß der Erfindung,
-
4 eine
Perspektivansicht eines mit Finnen versehenen Reaktorrohrs gemäß der Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
werden chemische Reaktoren mit Wärmerohr-Wärmetransfergeräten und
Verfahren zur Verwendung solcher Geräte zur Durchführung chemischer
Reaktionen offenbart. In der folgenden detaillierten Beschreibung
der Erfindung können
zum Zweck der Erläuterung
spezifische Merkmale, Materialien, Abmessungen und dergleichen dargelegt
sein, um ein gründliches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Für den Fachmann wird jedoch
offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese
spezifischen Einzelheiten praktisch umgesetzt werden kann. In einigen
Fällen
sind allgemein bekannte Geräte
in vereinfachter Form oder als Blockdiagramm dargestellt, um nicht
unnötig
von der Erfindung abzulenken.
-
In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines Rohrreaktors 10 abgebildet, der gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist. Zum Zweck der vereinfachten Darstellung
ist der Reaktor 10 mit einem einzigen Reaktorrohr 20 dargestellt.
Ein großtechnischer
Reaktor 10 kann hunderte oder tausende Rohre 20 enthalten.
Das Rohr 20 ist mit porösen
Katalysatorpellets (nicht dargestellt) gefüllt. Der Reaktor 10 kann
mit einem Aufwärts-
oder einem Abwärtsströmungsmuster
betrieben werden. Zu Darstellungzwecken ist in 1 ein
Aufwärtsströmungsmuster
dargestellt. Durch die Einlassdüse 11,
die sich zum Reaktoreinlasskopf 12 öffnet, werden Recktanten in
den Reaktor 10 geführt.
Der Reaktoreinlasskopf 12 verteilt die Recktanten auf die
mehreren Rohre 20, die in Rohrplatten 13 befestigt
sind. Das Produkt aus den Rohren 20 strömt durch den Reaktorauslasskopf 14 zur
Auslassdüse 15.
-
Durch
die WTF-Zufuhrdüse 31 wird
flüssiges
Wärmetransferfluid
(„WTF") in den Mantel geführt, das den
Mantel 30 bis zum Füllstand
L füllt.
Das Rohr 20 ist an seinem Auslassende mit der Kapillarstruktur 21 ausgestattet.
Der Füllstand
L des flüssigen
WTF unterteilt den Reaktor 10 in eine Tauchrohrzone 33 und
eine Wärmerohrzone 34.
-
In
Zone 33 leitet das WTF die Reaktionswärme durch Sieden ab. Die Wärmestromkapazität des Rohrs 20 unterhalb
des Flüssigkeitsfüllstands
L wird durch die Ausweitung der Kapillaroberfläche 21 auf unterhalb des
Flüssigkeitsfüllstands
L deutlich verbessert, da die poröse Oberfläche Keimstellen erzeugt, die
das Sieden fördern.
Ein vollständig
getauchtes Reaktorrohr 20 wird jedoch selbst dann nicht
als Wärmerohr
wirken, wenn es im getauchten Bereich mit einer Kapillaroberfläche 21 ausgestattet
ist, da der Wärmerohrbetrieb
Dampfraum im Bereich der Kapillaroberfläche 21 erfordert,
um die schnelle Übertragung
von Dampf vom Verdampfungsabschnitt des Wärmerohrs zu ermöglichen.
Für maximale
Wärmetransferkapazität und -flexibilität kann die
gesamte Länge
des Rohrs 20 mit einer porösen Oberfläche wie etwa der Kapillaroberfläche 21 bedeckt sein.
Die Ausweitung der Kapillaroberfläche 21 um mindestens
eine kleine Strecke auf unterhalb des Flüssigkeitsfüllstands L hat den Vorteil,
dass dies die Wärmerohrkühlung des
Rohrs 20 in dem Fall ermöglicht, dass der Flüssigkeitsfüllstand
im Mantel 30 aufgrund eines Fehlers des Anlagenführers oder
eines Instrumentenausfalls unter L fällt. Die Kapillaroberfläche 21 taucht
unterhalb des Füllstands
L in das flüssige
WTF ein und die Kapillarwirkung saugt flüssiges WTF in die Kapillarstruktur 21.
Die Reaktionswärme
bewirkt die Verdampfung des WTF auf der Kapillaroberfläche 21,
was über
die Kapillarpumpenwirkung eine weitere Benetzung der Kapillaroberfläche 21 nach
sich zieht. Diese automatische Kühlung
erzeugt eine einheitliche Temperatur selbst an der Position eines
Wärmestaupunkts.
Das verdampfte WTF vom Tauchrohr 20 in Zone 33 und
von der Kapillaroberfläche 21 des
Rohrs 20 in Zone 34 strömt durch den Auslass 32 für verdampftes
WTF.
-
Handelt
es sich bei dem WTF um Wasser oder um eine andere Substanz, die
in der Anlage des Reaktors 10 Anwendung findet, kann das
verdampfte WTF für
verschiedene Verwendungen zu einem Dampfkopf transportiert werden.
Alternativ kann das verdampfte WTF in einem Kondensator (nicht dargestellt)
kondensiert und das Kondensat durch Schwerkraft oder Pumpen an der
WTF-Zufuhrdüse 31 in
den Reaktor 10 zurückgeführt werden.
-
Die
Länge der
Wärmerohrzone 34 ist
durch die maximale Kapillarhöhe
beschränkt.
Gegebenenfalls können
mehrere Wärmerohrzonen
vorhanden sein, um einen langen Abschnitt eines Rohrreaktors zu
bedecken. Am Boden jeder Wärmerohrzone 34 müssen WTF-Reservoirs/Verteiler
bereitgestellt sein.
-
In
Wärmerohren
wird üblicherweise
die Kapillarwirkung verwendet. Bei langen vertikalen Rohren von mehr
als ein paar Fuß Länge reicht
die Oberflächenspannung,
auf der die Kapillarwirkung beruht, nicht aus, um den auf das lange
vertikale Rohr wirkenden hydrostatischen Druck zu überwinden.
In solchen Fällen
wird eine alternative Ausführungsform
bevorzugt, die in 2 dargestellt ist. 2 zeigt
einen Mehrzonen-Rohrreak stellt ist. 2 zeigt
einen Mehrzonen-Rohrreaktor 100, der aus getrennten Zonen
zur Verdampfung von Wärmetransferfluid
besteht. Zum Zweck einer vereinfachten Darstellung ist der Reaktor 100 mit
einem Reaktorrohr 110 und vier Verdampfungszonen 101 bis 104 abgebildet.
Ein handelsüblicher
Reaktor 100 kann hunderte oder tausende Rohre 110 enthalten.
Die Rohre 110 sind mit porösen Katalysatorpellets 220 gefüllt, wie in 3 dargestellt.
-
Die
Rohre 110 sind im Reaktormantel 120 zwischen Rohrplatten 121 angebracht.
Am Reaktoreinlasskopf 122 werden Recktanten in den oberen
Bereich des Reaktors 100 geführt und auf die Rohre 110 verteilt. In
der Figur ist dargestellt, dass die Recktanten durch die porösen Katalysatorpellets 220 in
den Rohren 110 nach unten strömen, doch sie können auch
in die entgegengesetzte Richtung strömen. Nicht verbrauchte Recktanten,
das Produkt und eventuelle Nebenprodukte der Reaktion strömen vom
Boden der Rohre 110 in den Reaktorauslasskopf 123 und
verlassen von dort den Reaktor 100.
-
Über die
Leitung 133 wird flüssiges
WTF in den Abscheider 130 eingeführt und über WTF-Zufuhrleitungen 131 auf
die Wärmerohrverteiler 125 verteilt.
Die Verteiler 125 sind Trennplatten, die perforiert sind,
um das Hindurchführen
der Reaktorrohre 110 zu ermöglichen. Die Perforierungen
in den Verteilern 125 sind nicht straff an die Rohre 110 angepasst,
um das Durchsickern einer gewissen Menge an flüssigem WTF durch die Kapillaroberfläche 111 zur
Wärmerohrzone
darunter zu ermöglichen.
Verdampftes WTF tritt über
die Leitungen 132 aus der Oberseite der Verdampfungszone 101 bis 104 aus
und strömt
zum Abscheider 130, der auch als Vorheizgerät für die Zufuhr 133 von
flüssigem
Wärmetransferfluid
fungiert. Die poröse
Kapillaroberfläche 111 kann
in allen Verdampfungszonen 101 bis 104 auf die
Rohre 110 aufgebracht sein oder alternativ in einer oder mehreren dieser
Zonen.
-
Das
flüssige
WTF wird auf den Verteilern 125 in den Zonen 101 bis 104 auf
dem Füllstand
L1 gehalten, indem der Strom des flüssigen WTF über Steuerventile 135 gesteuert
wird. Die Verteiler 125 dienen dabei als Reservoirs des
flüssigen
WTF für
die Kapillaroberfläche 111 in
jeder der Verdampfungszonen 101 bis 104 und für die Kapillaroberfläche darunter.
Verdampftes WTF verlässt
den Abscheider 130 über
die Dampfableitung 134.
-
In
eng bestückten
Rohrbündeln
kann es sehr schwierig sein, das flüssige WTF gleichmäßig auf
die Rohre zu verteilen. Die Verwendung eines oder mehrerer Verteiler 125 mildert
dieses Problem.
-
Die
mit Kapillaren versehene Wärmerohroberfläche 111 an
der Außenseite
der Reaktorrohre 110 kann aus Sintermetallpulver mit kugeliger
oder unregelmäßiger Form,
aus Sintermetallfasern oder Metallgaze mit oder ohne Finnen bestehen.
Gazefinnen 211, wie sie in 3 und 4 am
Rohr 210 dargestellt sind, können die Verdampfungsfläche deutlich
vergrößern und
somit den Wärmestrom
in einer konkreten Zone eines Reaktorrohrs verringern, etwa im Bereich
eines Wärmestaupunkts,
wo der Wärmestrom
anderenfalls die von den Rohren 110 bereitgestellte normale
Kapazität übersteigen
könnte.
-
Die
Rohre eines erfindungsgemäßen Reaktors
können
jede beliebige Größe aufweisen,
sind aber vorzugsweise Nahtlosrohre mit einem Durchmesser von 1,9
cm (0,75 Inch) bis 3,8 cm (1,5 Inch). Rohre mit kleinerem Durchmesser
vergrößern zwar
die Wärmetransferfläche pro
Einheit des Reaktionsvolumens, doch stellen kleine Rohre häufig aufgrund
einer schlechten Katalysatorbestückung
eine geringe Ausnutzung des Reaktorvolumens bereit und sie erhöhen die
Wahrscheinlichkeit von Katalysatorüberbrückung. Diese Probleme können eine ungleichmäßige Flussverteilung
verursachen. Die Rohrdicke wird in Abhängigkeit vom Prozessdruck ausgewählt. Die
Rohre eines Reaktors gemäß der Erfindung
bestehen aus Metall, das mit den Prozesschemikalien kompatibel ist.
Die Dicke der Kapillaroberfläche
21 und
der mit Kapillaren versehenen Wärmerohroberfläche
111 sollte
im Allgemeinen 1 mm nicht übersteigen. Schlüssel
zu den Figuren
| English | Deutsch |
| Fig.
1 | |
| Vapor
HTF | Verdampftes
WTF |
| Liquid
HTF | Flüssiges WTF |
| Product | Produkt |
| Reaktants | Recktanten |
| Fig.
2 | |
| HTF
liquid in | WTF-Flüssigkeit
ein |
| HTF
vapor out | WTF-Dampf
aus |
| Reactants | Recktanten |
| Product | Produkt |