DE69432233T2

DE69432233T2 - Verfahren zur Durchführung von endothermen Reaktionen

Info

Publication number: DE69432233T2
Application number: DE69432233T
Authority: DE
Inventors: Ralph A. Felice; Robert C. Ruhl
Original assignee: Standard Oil Co
Current assignee: Standard Oil Co
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2014-06-15
Also published as: JP3583780B2; JPH08511503A; US5567398A; MX9404530A; WO1994029013A1; MY138879A; FI119624B; CZ292204B6; EP0895806A2; KR100323275B1; EP0703823A1; DE69419921D1; DK0703823T3; CA2165449C; NZ267919A; DE69432233D1; DK0895806T3; FI955977A; CA2165449A1; CN1091643C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von endothermen Reaktionen und insbesondere ein katalytisches Reformingverfahren zum Reforming von niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen und insbesondere Gemischen von Dampf und/oder Kohlendioxid und niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen.
Bislang wurden eine Reforminganlage und Reformingverfahren zum Durchführen einer Vielzahl von endothermen Reaktionen verwendet. Beispielsweise ist Dampfreforming ein bekanntes Verfahren zum Umwandeln von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas, das gemeinhin als Syngas bezeichnet wird. Eine weitere endotherme Reaktion ist die Umwandlung (Pyrolyse) von Ethan zu Ethylen, die auch das Nebenprodukt Wasserstoff erzeugt. In Abhängigkeit von der endothermen Reaktion kann gegebenenfalls ein Katalysator benötigt werden. Ein zum Dampfreforming von Kohlenwasserstoffen verwendbarer Katalysator ist Nickel auf einem inerten Träger, wie Aluminiumoxid.
Viele industrielle Dampfreformer sind vom Flammrohrtyp, der Katalysator-gefüllte Reaktionsröhren anwendet. Diese Reformer werden indirekt mit einer relativ kleinen Anzahl großer Brenner, beschickt mit Brennstoff und Niederdruckluft, erhitzt. In dem heißesten Bereich wird Wärmeübertragung hauptsächlich durch Gasstrahlung, ergänzt durch Schamottstrahlung und -konvektion, ausgeführt. Gleichförmige Strahlung auf die Reaktionsröhren wurde als kritisch angeführt, da zu starkes örtliches Erhitzen einer Reaktionsrohrwand zu einer verminderten Lebenserwartung der Reformerröhren führt. Um zu starkes örtliches Erhitzen zu vermeiden, war eine Lösung die Herstellung großer Abstände zwischen den Reaktionsröhren, den Ofenwänden und den Brennerflammen. Folglich sind diese Flammrohrreformer groß und bezogen auf das Fassungsvermögen kostspielig. Sie erfordern gewöhnlich auch zusätzliche Wärmetauscher zum Kühlen des Syngasprodukts und zum Vorheizen des Beschickungsgases. Im Allgemeinen eignen sich die Arbeitsprinzipien, die mit diesen üblichen Flammrohrreformern verbunden sind, nicht für einen relativ kostengünstigen, effizienten und kompakten Aufbau zusammen mit einer langen Standzeit der Reaktionsröhren.
Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um eine exotherme Reaktionsapparatur bereitzustellen, die die Aufgaben von kompaktem Aufbau und langer Lebenserwartung löst. In US- Patent Nr. 4 692 306 wird vorgegeben, dass diese Aufgaben durch eine neue Brennerkammerkonfiguration gelöst werden, die das Auftreffen der Flammen oder direkte Sichtlinie zwischen Brennerflamme und Reaktionskammer verhindert.
Folglich richtete sich bei der bekannten endothermen Reaktionsapparatur die übliche Denkweise weg von dem direkten Flammenauftreffen auf Reaktionsröhren, hauptsächlich aufgrund des zu starken örtlichen Erhitzens der Reaktionsröhren, das bei dem direkten Auftreffen der Flammen unter Verwendung von üblichen Brennerkonstruktionen entsteht.
In der veröffentlichten Europäischen Patent-Anmeldung Nr. 0 450 872 A1 wird eine endotherme Reaktionsapparatur zum Ausführen verschiedener Arten endothermer Reaktionen beschrieben. Die Apparatur umfasst ein Gefäß, das ein Katalysatorbett enthält, durch das eine Vielzahl von keramischen Verbrennungsrohren führt. Luft und Brennstoff, die gesondert dem Verbrennungsrohr und einer Brennstoffzuführungsleitung innerhalb des Verbrennungsrohrs zugeführt werden, werden in dem Verbrennungsrohr zur Erzeugung von Wärme verbrannt. Vorzugsweise werden Brennstoff und Luft vorgeheizt, um Selbstentzündung zu erreichen, wenn der Brennstoff und Luft innerhalb des Verbrennungsrohrs vereinigt werden. Ein endothermer Reaktant wird durch das Katalysatorbett außerhalb des Verbrennungsrohrs zugeführt, wo er zur Erzeugung eines endothermen Produkts umgewandelt wird. Wie offenbart, strömen der endotherme Reaktant und endothermes Produkt vorzugsweise durch das Katalysatorbett im Gegenstrom bezüglich des Stroms der exothermen Reaktanten und Reaktionsprodukte; das heißt, der Brennstoff, die Luft und Verbrennungsprodukte. In dieser Anordnung wird eine Vorheizzone innerhalb des Reaktionsgefäßes bereitgestellt, worin Wärme zu der getrennt zugeführten Luft und dem Brennstoff aus dem endothermen Produkt zum Vorheizen der Luft und des Brennstoffs vor der Verbrennung und zum Kühlen des endothermen Produkts vor dem Erscheinen des Reaktionsgefäßes übertragen wird.
Die vorangehende und andere endotherme Reaktionsapparaturen, die in der früher veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung offenbart wurden, haben viele Vorteile. Keramische Röhren können, besser als die meisten Metalle, sehr hohen Temperaturen widerstehen, denen man bei vielen endothermen Reaktionen begegnet. Keramische Röhren können auch durch eine äußerlich angewendete Druckspannung, entweder durch mechanische Mittel, wie Klammern der entgegengesetzten Enden der Röhren, oder durch Erhöhen des Drucks der äußeren Oberflächen der Röhren, wenn die endotherme Reaktion stattfindet, oder Beides, fester und folglich dünner gemacht werden. Leider unterliegen keramische Röhren thermischen Spannungsproblemen, insbesondere, wenn sie zu dick sind. Keramische Röhren sind auch relativ schwierig und kostenaufwendig herzustellen und besondere Aufmerksamkeit gilt der Tatsache, dass keramische Röhren verglichen mit Metallröhren relativ spröde sind.
US-A-3 531 263 beschreibt eine integrierte Reformereinheit zur Erzeugung von Wasserstoff, umfassend eine Apparatur zum Umwandeln von Kohlenwasserstoff zu einem Produkt, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, gefolgt von Kühlen des Produkts und anschließend Ausführen eines Wasserverschiebungsschritts zur Erhöhung des Wasserstoffgehalts. In die Umwandlungsapparatur wird Brennstoff in eine Kammer geleitet, durch die ein Rohr für die Umwandlungsreaktion führt, die durch Verbrennen des Brennstoffs in der Kammer mit Luft, durch Austausch mit dem herauskommenden Umwandlungsprodukt, vorgeheizt wird.
EP-A-0033128 beschreibt eine Kombination von einem konvektiven Reformer und einem zweiten Reformer/Austauscher, wobei der Erstere Brennstoff- und Luftzuführung zu einer Kammer aufweist und verbrennt, wobei die Kammer durch sie zu Röhren zur endothermen Reaktion hindurchgelangt.
Unsere gleichfalls anhängige Europäische Anmeldung Nr. 94919486.4 (Veröffentlichungs-Nr. 0703823) stellt weitere Verbesserungen im Aufbau der endothermen Reaktionsapparatur und insbesondere jener des Typs, der metallische Reaktionsröhren in einer dicht gepackten Anordnung anwendet, sowie in anderen Arten von endothermen Reaktionsapparaturen bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren zum Ausführen einer endothermen Reaktion in einer endothermen Reaktionsapparatur bereit, in der ein endothermer Reaktant durch exotherme Reaktion von zwei Fluiden erhitzt wird, um dadurch den Reaktanten in ein endothermes Produkt umzuwandeln.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausführen einer endothermen Reaktion in einer endothermen Reaktionsapparatur bereit, in, der ein endothermer Reaktant durch exotherme Reaktion von zwei Fluiden erhitzt wird, um dadurch den Reaktanten in ein endothermes Produkt umzuwandeln, umfassend
Veranlassen den Reaktanten zum Strömen durch eine Vielzahl von Reaktionsröhren, worin der Reaktant die endotherme Reaktion eingehen soll, wobei die Reaktionsröhren sich durch eine exotherme Reaktionskammer in voneinander seitlich beabstandeter Beziehung erstrecken,
gesondertes Zuführen der ersten und zweiten exothermen Reaktionsfluide zu der exothermen Reaktionskammer zum Umsetzen in der Kammer, wobei die exothermen Reaktionsprodukte in eine Richtung strömen, die von einem Stromaufwärtsende zu einem Stromabwärtsende der exothermen Reaktionskammer führt, wobei das erste Fluid in die exotherme Reaktionskammer am Stromaufwärtsende davon in einer derartigen Weise eingeführt wird, dass ein im Wesentlichen gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil über die Kammer bereitgestellt wird, und das zweite Fluid zu der exothermen Reaktionskammer bei oder stromabwärts des ersten Fluids und bei einer Vielzahl von diskreten Orten, die zwischen, jedoch seitlich von den Reaktionsröhren abgesetzt angeordnet sind, eingeführt wird, wodurch das erste Fluid mit dem zweiten Fluid zur Erzeugung von Hochtemperaturflammen um die Reaktionsröhren und exothermen Hochtemperatur-Reaktionsprodukten zum Strömen um und entlang der Reaktionsröhren reagiert zum Erhitzen der Reaktionsröhren zur Unterstützung eines endothermen Umsatzes des endothermen Reaktanten zu dem endothermen Produkt, wenn er durch die Reaktionsröhren strömt.
Wie hierin verwendet, bedeutet "endothermer Reaktant" einen Fluidstrom, der eine endotherme Reaktion eingehen wird und eine einzelne Komponente oder ein Gemisch von Komponenten sein kann. Auch bedeutet "endothermes Produkt" hierin den Fluidstrom, der sich aus der endothermen Reaktion ergibt und wird typischerweise ein Gemisch von Komponenten, wie Syngas, sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine breite Vielzahl von endothermen Reaktionen gerichtet, wie das Dampfreforming von niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan, Ethan und Erdgas, die Pyrolyse von Alkanen, wie Ethan und Propan, zu deren entsprechenden Alkenen, Ethylen und Propylen und so weiter. Das Verfahren ist besonders für einen Vorgang im großen Maßstab geeignet, wie die industrielle Herstellung von Synthesegas durch Dampfreforming aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan und Erdgas.
Obwohl hierin auf die Verwendung von Brennstoff und Luft als exotherme Reaktanten hingewiesen wird, ist es selbstverständlich, dass andere exotherme Reaktanten angewendet werden können. Zum Beispiel können Sauerstoff oder andere Sauerstoff-tragende Fluide zum Unterstützen der Verbrennung von oxidierbarem Brennstoff verwendet werden. Jedoch können andere exotherme Reaktionsfluide zum Erzeugen von Flammen und Wärme verwendet werden, wenn sie in der nachstehend beschriebenen Weise umgesetzt werden. Brennstoff, wie ein wasserstoffreiches Anlagenrückstandsgas, das etwa 80% Wasserstoff enthält, kann angewendet werden.
Einige der Verfahren können ohne Katalysator ausgeführt werden, während andere einen geeigneten Katalysator erfordern oder gewöhnlich anwenden. Wenn ein Katalysator verwendet wird, sollte er bei den auftretenden hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum ausreichend Aktivität beibehalten. Der Katalysator sollte fest genug sein, um sein Eigengewicht zu tragen. Er sollte auch eine Teilchengröße aufweisen, die klein genug ist, um geeigneterweise das Innere der Reaktionsröhren zu füllen und um hohe Wärmeübertragungskoeffizienten bereitzustellen, jedoch groß genug sein, um den Druckabfall durch die Reaktionsröhren auf ein annehmbares Niveau zu minimieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Druckabfall über das Bett, bezogen auf die übliche Praxis, tatsächlich sehr groß, um die innere Wärmeübertragung zu maximieren; beispielsweise etwa 0,3556-0,508 MPa (7-10 atm) Auch sollte der Katalysator auch nach langem Aussetzen bei hohen Temperaturen vorzugsweise nicht zu stark mit sich selbst oder an die Reaktionsröhren sintergebunden sein. Eine geeignete Form von Nickel-auf-Aluminiumoxid ist ein möglicher Dampfreforming-Katalysator, jedoch wird berichtet, dass auch andere Katalysatoren für verschiedene endotherme Reaktionen, einschließlich des Reformings von niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen, geeignet sind.
Zur Wasserstofferzeugung kann gegebenenfalls entweder ein Hochtemperaturverschiebungskatalysator und/oder ein Niedertemperaturverschiebungskatalysator in den Reaktionsröhren in der Zone angeordnet sein, wo ein endothermes, Kohlenmonoxid enthaltendes Produkt gekühlt wird, da dies etwas von dem Kohlenmonoxid veranlasst, mit überschüssigem Wasser unter Bildung von zusätzlichem Wasserstoff und Kohlendioxid als ein Nebenprodukt (die sogenannte "Wassergas-Verschiebungs"- Reaktion) zu reagieren.
Dampfreformingreaktionen sind bei höheren Temperaturen begünstigt, wie beispielsweise 800 bis 1000ºC und bevorzugter 870 bis 920ºC, während die meisten Stromabwärts- Anwendungen von Syngas, beispielsweise Methanolsynthese und Fischer-Tropsch-Synthese, bei höheren Drücken, wie beispielsweise mindestens 0,508 MPa (10 atm), vorzugsweise 1,016 bis 3,048 MPa (20 bis 60 atm), bevorzugter 1,524 bis 2,540 MPa (30 bis 50 atm), begünstigt sind. Deshalb ist es erwünscht, innerhalb der Reaktionsröhren bei relativ hohem Druck zu arbeiten. Andererseits ist es erwünscht, die exotherme Reaktion bei beträchtlich niedrigeren Drücken durchzuführen, wodurch der Einsatz von kostspieligen Verdichteren oder dergleichen, die sonst notwendig wären, um den Druck des Brennstoffs und der Luft zu einem hohen Druck zu verstärken, vermieden wird. Beispielsweise kann Luft in dem System bei etwa 0,1035 MPa (15 psi) zugeführt werden, obwohl andere Drücke, wie Drücke im Bereich von 0,069 bis 0,207 MPa (10 bis 30 psi), verwendet werden können. Der Druck der Brennstoffzuführung kann vergleichbar sein und kann beispielsweise etwa 0,138 MPa (20 psi) sein, was ein üblicher Brennstoffzuführungsdruck ist, obwohl andere Brennstoffzuführungsdrücke, wie Brennstoffdrücke im Bereich von 0,069 bis 0,207 MPa (10 bis 30 psi), angewendet werden können.
Im Allgemeinen ist eine endotherme Reaktionsapparatur zur Verwendung mit endothermen Reaktanten-Zuführungsdrücken von mehr als etwa 0,69 MPa (100 psi), bevorzugter mehr als etwa 1,38 MPa (200 psi) und vor allem bei Drücken größer als etwa 2,07 MPa (300 psi) besonders geeignet. Andererseits sind die Zuführungsdrücke von exothermen Reaktanten vorzugsweise niedriger als etwa 0,69 MPa (100 psi), bevorzugter niedriger als 0,345 MPa (50 psi) und noch bevorzugter niedriger als 0,20 MPa (30 psi). Die Apparatur ist auch zur Verwendung beim Erreichen der Reaktantentemperaturen von vorzugsweise mehr als etwa 700ºC, bevorzugter mehr als etwa 800ºC und bevorzugter etwa 900ºC, vorgesehen.
Eine geeignete endotherme Reaktionsapparatur zum Bewirken einer wie hierin vorstehend beschriebenen endothermen Reaktion wird in der vorstehend erwähnten Europäischen Anmeldung Veröffentlichungsnummer 0 703 823 offenbart. Sie umfasst ein Gefäß, das eine Einlassöffnung, für einen endothermen Reaktanten, um einer endothermen Reaktion zum Umwandeln des Reaktanten zu einem endothermen Produkt unterzogen zu werden, eine Auslassöffnung für das endotherme Produkt und eine exotherme Reaktionskammer einschließt. Eine Vielzahl von Reaktionsröhren, die entsprechende Strömungsdurchgänge zwischen der Einlass- und Auslassöffnung bereitstellen, erstreckt sich längs durch die exotherme Reaktionskammer in seitlich voneinander beabstandeter Beziehung. Erste und zweite Zuführung werden innerlich für das Gefäß zum getrennten Zuführen von ersten und zweiten exothermen Reaktionsfluide zu der exothermen Reaktionskammer zum Umsetzen in der exothermen Reaktionskammer und zum Bereitstellen des Stromes von exothermen Reaktionsprodukten in einer Richtung, die von einem Stromaufwärtsende zu einem Stromabwärtsende der exothermen Reaktionskammer führt, bereitgestellt. Die erste Zuführung hat ein erstes Fluidauslassmittel zum Einführen des ersten Fluids in die exotherme Reaktionskammer an dem Stromaufwärtsende davon, in einer derartigen Weise, dass ein im Wesentlichen gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil über die Kammer bereitgestellt wird, und die zweite Zuführung schließt ein zweites Fluidauslassmittel zum Einführen des zweiten Fluids in die exotherme Reaktionskammer bei oder stromabwärts des ersten Fluidauslassmittels und bei einer Vielzahl von diskreten Anordnungen, benachbart, jedoch längsweise abgesetzt (und vorzugsweise beabstandet) von den Reaktionsröhren, ein, wodurch sich das zweite Fluid, das aus dem zweiten Fluidauslassmittel kommt, mit dem ersten Fluid zur Erzeugung von Hochtemperaturflammen um die Reaktionsröhren herum stromabwärts der zweiten Fluidauslassmittel und exothermen Hochtemperatur-Reaktionsprodukten oder zum Strömen um und entlang der Reaktionsröhren zum Erhitzen der Reaktionsröhren vereinigt, zur Unterstützung eines endothermen Umsatzes des endothermen Reaktanten zu dem endothermen Produkt, wenn es durch die Reaktionsröhren strömt. Diese Anordnung ermöglicht die Erzeugung von langen Flammen, die sich in einem wesentlichen Abstand entlang der Länge der Reaktionsröhren erstrecken und dabei hohe Wärmekonzentrationen vermeiden, die ansonsten bei kurzen Flammen entstünden.
Das erste Fluidauslassmittel schließt ein Strömungsverteilungselement, das sich quer zu den Reaktionsröhren erstreckt und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, durch die das erste Fluid in das Stromaufwärtsende der exothermen Reaktionskammer strömt, ein. Die erste Zuführung kann auch eine erste Fluidsammelkammer an der Innenseite des Verteilungselements, entgegengesetzt der exothermen Reaktionskammer, einschließen. Das zweite Fluidauslassmittel schließt eine Vielzahl von Düsenröhren, die von dem Verteilungsglied in die exotherme Reaktionskammer ragen, im Allgemeinen parallel zu und seitlich abgesetzt von den Reaktionsröhren, ein. Die zweite Zuführung kann eine zweite Fluidsammelkammer einschließen, mit der die Vielzahl von Düsenröhren verbunden sind, wobei der zweite Fluidsammelraum entgegengesetzt der exothermen Reaktionskammer auf der Seite des ersten Fluidsammelraums ist.
Die vorangehenden Merkmale haben eine besondere Anwendung bei einer endothermen Reaktionsapparatur, wobei jede der Reaktionsröhren einen Stromabwärtsteil, angeordnet stromabwärts der exothermen Reaktionskammer in der Richtung des Stromes des endothermen Produkts zu der Auslassöffnung aufweist, wobei die erste Zuführung erste Zuführungsröhren einschließt, wobei sich durch jede davon die Stromabwärtsanteile gemeinsam erstrecken, wobei jede von den Reaktionsröhren und jede der ersten Zuführungsröhren und jede der Reaktionsröhren dazwischen erste Fluidstromdurchgänge in Wärmetauschbeziehung (vorzugsweise Gegenstrom) mit dem Stromabwärtsteil von jeder der Reaktionsröhren bildet, wobei die zweite Zuführung zweite Zuführungsröhren einschließt, sodass sich jede davon mit ersten Zuführungsröhren gleichzeitig erstreckt, und die ersten und zweiten Zuführungsröhren dazwischen zweite Fluidstromdurchgängen in Wärmetauschbeziehung (vorzugsweise Gleichstrom) mit jedem der ersten Fliessdurchgänge bildet, welche sich in Wärmetauschbeziehung (vorzugsweise Gegenstrom) mit den Stromabwärtsteilen von jeder der Reaktionsröhren befindet. Die ersten und zweiten Fluidstromdurchgänge werden mit den ersten Fluid- bzw. zweiten Fluidsammelräumen verbunden.
Für jene endothermen Reaktionen, worin ein Katalysator verwendet wird, ist ein endothermer Reaktionskatalysator innerhalb der Reaktionsröhren enthalten, vorwiegend in dem Bereich der exothermen Reaktionskammer, und gegebenenfalls durch die Röhren in dem Gefäß, während inerte Medien, wie keramische Kugeln, auch in den Röhren zum Fördern von hohem Wärmeaustausch oder Übertragungsgeschwindigkeiten, insbesondere stromabwärts der Verteilungsplatte und unmittelbar am Eingang des endothermen Reaktanten, in das Reaktionsgefäß aus der Einlassöffnung verwendet werden.
Die Düsenröhren sind vorzugsweise im Wesentlichen gleichförmig unter der Vielzahl von Reaktionsröhren verteilt. Die Düsenröhren haben vorzugsweise Auslassenden, orientiert zum Richten des zweiten Fluids, das sich daraus, in einer im Wesentlichen zu den Reaktionsröhren parallelen Richtung, erstreckt. Mindestens eine Vielzahl von Düsenröhren kann damit mit einer Strömungs-begrenzenden Öffnung, zum ins Gleichgewicht bringen des Stromes durch die Düsenröhren, die vorzugsweise aus einem üblichen Sammelraum zugeführt werden, verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Apparatur wird Vorsorge zum Verhindern von zu starkem örtlichem Erhitzen der Reaktionsröhren getroffen, wenn ein Abgasrohr angewendet wird, um exotherme Reaktionsprodukte, die aus der exothermen Reaktionskammer austreten, zum Strömen um und entlang des Stromaufwärtsteils einer entsprechenden Reaktionsröhre, bei einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen größer als die Geschwindigkeit der exothermen Reaktionsprodukte durch die exotherme Reaktionskammer ist, zu veranlassen. Die höhere Strömungsgeschwindigkeit erhöht die Wärmeübertragung von den exothermen Reaktionsprodukten auf die Stromaufwärtsteile der Reaktionsröhren zum Erhitzen des endothermen Reaktanten, der durch die Stromaufwärtsteile der Reaktionsröhren strömt und gleichzeitig die exothermen Reaktionsprodukte vor dem Austreten aus dem Gefäß kühlt. Das Abgasrohr, durch das sich der Stromaufwärtsteil eines entsprechenden Reaktionsrohrs gemeinsam erstreckt, bildet mit dem Stromaufwärtsteil der Reaktionsröhre einen Abgasdurchgang für die exothermen Reaktionsprodukte, und die Abgasröhre hat einen Einlassendteil, konfiguriert zum Bereitstellen einer fortschreitenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der exothermen Reaktionsprodukte, die in die Abgasröhre eintreten, wodurch zu starke örtliche Wärmekonzentrationen in der Reaktionsröhre und der Abgasröhre am Einlassende der Abgasröhre vermieden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein solches fortschreitendes Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit durch radial auswärts Erweitern des Einlassendeteils der Abgasröhre von der Reaktionsröhre weg bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform der Apparatur einer endothermen Reaktionsapparatur zum Bewirken von endothermer Reaktion umfasst sie ein Gefäß mit einer Längsachse und einschließlich einer Einlassrohrleitung für einen endothermen Reaktanten, der einer endothermen Reaktion zum Umwandeln des Reaktanten zu einem endothermen Produkt zu unterziehen ist und eine Auslassrohrleitung für das endotherme Produkt. Ein Bündel von sich längs erstreckenden Reaktionsröhren stellt einen Strömungsdurchgang zwischen den Einlass- und Auslassrohrleitungen bereit, und die Reaktionsröhren sind voneinander seitlich beabstandet und erstrecken sich durch eine exotherme Reaktionskammer innerhalb des Gefäßes. Die Reaktionsröhren werden bei entgegengesetzten Enden mit den entsprechenden Röhrenplatten oder dem Äquivalent verbunden, und exotherme Reaktionsvorrichtungen werden zum Erhitzen der Reaktionsröhren zum Unterstützen einer endothermen Umwandlung des endothermen Reaktanten zu einem endothermen Produkt, wenn es durch die Reaktionsröhren strömt, bereitgestellt. Die Einlass- und Auslassrohrleitungen werden in dem Gefäß zur relativen Längsbewegung zum Erlauben von gemeinsamer Ausdehnung und Zusammenziehen des Bündels der Reaktionsröhren angeordnet, und jede einzelne Röhre wird an einem Ende davon durch eine Dehnungsverbindung zu einer der Röhrenplatten verbunden, um Dehnung und Kontraktion von jeder einzelnen Röhre, bezogen auf gesammelte Dehnung und Kontraktion der. Vielzahl von Reaktionsröhren, anzupassen. Bevorzugte Dehnungsausgleicher oder -vorrichtungen sind Metallbälge. Insbesondere hat das Gefäß eine Einlassöffnung für den endothermen Reaktanten und eine Auslassöffnung für das endotherme Produkt, und eine der Einlass- und Auslassöffnungen wird zu einer entsprechenden der Einlass- und Auslassrohrleitungen durch einen primären Metallbalg verbunden und der Dehnungsausgleicher für jede Reaktionsröhre schließt einen sekundären Metallbalg mit einem Dehnungs-/Kontraktionsbereich, im Wesentlichen weniger als der Dehnungs-/Kontraktionsbereich der primären Metallbälge, ein.
Die vorangehenden und weiteren Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend ausführlicher beschrieben und besonders in den Ansprüchen, der nachstehenden Beschreibung und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angegeben.
Fig. 1A-1D sind Längsschnitte mit unterbrochenen Fortsetzungen einer Teilansicht einer endothermen Reaktionsapparatur längs Linie 1-1 von Fig. 2.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer Apparatur längs Linie 2-2 von Fig. 1C.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 1C und 1D.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt längs Linie 4-4 von Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Teilansicht einer anderen endothermen Reaktionsapparatur längs Linie 5-5 von Fig. 6.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt längs Linie 6-6 von Fig. 5.
Unter genauerer Bezugnahme auf die Zeichnungen und ausgehend von Fig. 1A-1D und 2 wird ein endothermes Reaktionsgefäß im Allgemeinen mit Bezugsziffer 10 ausgewiesen. Die endotherme Reaktionsapparatur 10 umfasst ein im Wesentlichen geschlossenes Reaktionsgefäß 11, das vorzugsweise vertikal orientiert ist, wie in Fig. 1A-1D erläutert, obwohl es anders orientiert sein kann, wie beispielsweise horizontal.
Das Gefäß 11 wird durch eine vertikal verlängerte Röhrenschale 12 gebildet, die an ihren Enden durch einen oberen Endverschluss 13 und einen unteren Endverschluss 14 verschlossen ist. Um die Montage, die Wartung und Reparatur zu erleichtern, werden die oberen bzw. unteren Endverschlüsse 13 und 14 zu den oberen und unteren Enden der Schale 12 durch geeignete Vorrichtungen sicher verschlossen. In einer erläuterten Ausführungsform werden das obere Ende von der Schale 12 und das untere Ende des oberen. Endverschlusses 13 mit Befestigungsflanschen 15 bzw. 16 ausgestattet, die miteinander durch Befestiger 17 verbunden sind. In ähnlicher Weise werden das untere Ende der Schale 12 und das obere Ende des Bodenendverschlusses 14 mit Befestigungsflanschen 18 und 19 versehen, die durch Befestiger verbunden sind. Wie aus Fig. 1D ersichtlich, wird eine geeignete Dichtung 21 sandwichartig zwischen den Befestigungsflanschen 18 und 19 angebracht, um die Verbindung zwischen der Schale und dem Bodenendverschluss gegen Auslaufen zu verschließen. Die Verbindung zwischen der Schale und dem oberen Endverschluss ist auch gegen Auslaufen in einer Weise verschlossen, die nachstehend beschrieben wird. In der erläuterten Ausführungsform ist die Schale 12 vorzugsweise zylindrisch und somit von kreisförmigem Querschnitt, obwohl andere Querschnittsformen auch angewendet werden können, wie quadratisch, hexagonal, usw.. Die oberen und unteren Endverschlüsse können auch verschiedene Formen annehmen, obwohl eine Domform in der erläuterten Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, was bevorzugt ist.
Die Schale 12 und Endverschlüsse 13 und 14 werden vorzugsweise aus Metall hergestellt und insbesondere aus Stahl oder Legierungsstahl.
Die Apparatur 10 kann von beträchtlicher Länge sein. Mit Hilfe des Beispiels kann die erläuterte Apparatur eine Gesamtlänge in der Größenordnung von etwa 7,7 m (25 Fuß) aufweisen. In Fig. 1A-1D wurde ein langer Bereich der Apparatur zwischen Fig. 1B und 1C weggelassen, da ein solcher Bereich im Wesentlichen eine Fortsetzung der erläuterten Struktur bildet, die dieselben verbindet. Aufgrund der typischerweise einbezogenen langen Längen kann die Apparatur 10 von einer äußeren Trägerstruktur an einem Punkt nahe seinem oberen Ende aufgehängt sein. Für diesen Zweck hat die Schale 12 daran eine Hängerkonstruktion 25 befestigt, die sich radial auswärts zur Montage an die äußere Trägerstruktur bei einer geeigneten Erhöhung erstreckt, damit das Gefäß größtenteils frei hängen kann, um das Entfernen des Bodenendverschlusses 14 erforderlichenfalls zu erleichtern.
Das Reaktionsgefäß 11 beherbergt ein Bündel von Reaktionsröhren 28. Wie gezeigt, sind die Reaktionsröhren 28 gerade und parallel zu der Längsachse 29 des Gefäßes 11. In der erläuterten Ausführungsform werden 19 Reaktionsröhren bereitgestellt. Jedoch für die meisten industriellen Zwecke werden sie gewöhnlich mindestens etwa 100 Reaktionsröhren, in Abhängigkeit von der Menge des erforderlichen Produktfluids, sein.
Wie in Fig. 1A gezeigt, werden die oberen (stromaufwärts) Enden der Reaktionsröhren 28 an einer fixierten Röhrenplatte 32 durch entsprechende Dehnungsausgleicher oder -vorrichtungen 33, vorzugsweise in Form von gewellten Metallkrägen oder -bälgen, wie gezeigt, angebracht. In der erläuterten Ausführungsform gelangen die Reaktionsröhren 28 durch entsprechende Öffnungen in der Röhrenplatte 32 und ragen oberhalb der Röhrenplatte hervor. Die Dehnungsbälge 33 sind über den herausragenden Endteilen der Röhren teleskopartig angeordnet und ihre oberen Enden sind durch Schweißen an der Röhre befestigt und ihre unteren Enden sind durch Schweißen an die Röhrenplatte 32 befestigt. In dieser Weise verschließen die Bälge und Ringschweißnähte die Spalten zwischen den Reaktionsröhren und der Röhrenplatte, wodurch axiale Bewegung der einzelnen Reaktionsröhren relativ zu der Röhrenplatte möglich ist.
Die Röhrenplatte 32 erstreckt sich längs der Längsachse 29 des Gefäßes 11 und ihr peripherer Kantenteil ist sandwichartig zwischen dem oberen Endverschluss 13 und der Schale 12 angeordnet. Auf diese Weise wird die obere Röhrenplatte 32 an dem Gefäß fest befestigt. Wie gezeigt, werden Dichtungsmanschetten 35 und 36 bereitgestellt, um gegen Auslaufen zwischen der Röhrenplatte 32 und dem oberen Endverschluss 13 und der Schale 12 zu verschließen. Die Röhrenplatte 32 wirkt mit dem oberen Endverschluss 13 zusammen, unter Bildung eines Einlasssammelraums oder einer Rohrleitung 38 zum Aufnehmen endothermer Reaktantenzuführung in das Gefäß 11 durch Einlassöffnung 39, der am oberen Ende des Gefäßes bereitgestellt wird. Die Einlassrohrleitung 38 ist verbunden mit, das heißt in fluider Kommunikation mit, den oberen Enden der Reaktionsröhren 28 zum Strömen des endothermen Reaktanten abwärts durch die Reaktionsröhren.
Am unteren Ende des Gefäßes 11, gezeigt in Fig. 1D, werden die Reaktionsröhren 28 mit ihren unteren (stromabwärts) Enden zu der zweiten Röhrenplatte 40 verbunden, die sich quer, bezüglich der Längsachse 29, des Gefäßes erstreckt. Die unteren Enden der Röhren können befestigt sein und mit der Röhrenplatte 40 durch beliebige geeignete Mittel verschlossen werden und vorzugsweise durch Schweißen, wobei sich die Schweißnaht ringförmig um das entsprechende Reaktionsrohr erstreckt, unter Bereitstellung eines Verschlusses. Die Röhrenplatte 40 bildet einen Teil eines Kopfes 41, hierin ein Schwimmkopf genannt, weil sie nicht steif an der Schale 12 angebracht ist, sondern anstatt dessen sich unabhängig von der Schale 12, entlang der Längsachse der Schale, bewegen kann. Der Schwimmkopf 41 schließt zusätzlich einen Glockendeckel 42 ein. Der Glockendeckel 42 hat einen ringförmigen Flansch 43, an den ein Schlitzklemmring 44 durch Befestiger 45 verbunden ist. Der Klemmring 44 sichert die Röhrenplatte 40 an einem Ende, das zu dem Glockendeckel weist und eine Dichtungsmanschette 46 wird zum Verschließen der Verbindung zwischen der Röhrenplatte 40 und dem Glockendeckel 42 bereitgestellt.
Die Röhrenplatte 40 und Glockendeckel 42 wirken unter Bildung eines Auslasssammelraums oder einer Rohrleitung 49 darin zusammen. Die Auslassrohrleitung ist verbunden mit, das heißt, in fluider Kommunikation mit, den unteren Enden der Reaktionsröhren 28 zum Aufnehmen des endothermen Produkts, das die Reaktionsröhren verlässt. Die Auslassrohrleitung 49 ist auch verbunden durch eine sich längs erstreckende Leitung 50 zu einer Auslassöffnung 51 am Boden des Gefäßes 11. Die Leitung 50 schließt eine röhrenförmige Dehnungsvorrichtung, vorzugsweise in Form eines röhrenförmigen Metallbalges 52, das zur axialen Deflexion angeordnet ist, ein, wodurch man sich den verschiedenen Bewegungen zwischen dem Schwimmkopf 41 und dem unteren Endverschluss 14 und folglich der Schale 12 anpasst. Wie in Fig. 1D gezeigt, hat der Ausdehnungbalg 52 ein Ende, das mit dem Schwimmkopf 41 verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit der Öffnung 51 verbunden ist.
Der Schwimmkopf 41 und die Leitung 50 trennen den Strömungsweg für das endotherme Produktfluid aus einem umgebenden Raum 55 innerhalb des unteren Endverschlusses 14. In der erläuterten, bevorzugten Ausführungsform wird dieser Innenraum 55 normalerweise nur Luft enthalten, und insbesondere unter Druck gesetzte Luft wird zu dem Reaktionsgefäß zum Unterstützen der Verbrennung in der nachstehend beschriebenen Weise zugeführt. Wie nachstehend weiterhin beschrieben wird, wird Luft in das Gefäß über eine Lufteinlassöffnung 56 eingespeist, welche mit einer Lufteinlassrohrleitung oder -sammelraum 58 verbunden ist. Luft aus dem Einlasssammelraum 58 kann den Innenraum 55 füllen, welcher, mit der Ausnahme bei Öffnung 59, sonst nach Außen verschlossen ist. Die Öffnung 59 stellt ein geeignetes Mittel zum Verfolgen des Drucks des endothermen Reaktionsprodukts in dem Innenraum 55, welcher auf ein Leck hinweisend sein würde, bereit. Beispielsweise kann eine Sonde an der Öffnung 59 zum Sensibilisieren auf endothermes Reaktionsprodukt installiert Werden.
Wie am Boden in Fig. 1D gezeigt, wird das untere Ende der Leitung 50 durch einen Spalthaltering 60 gegen Längsbewegung, bezogen auf die Auslassöffnung 51 und die Verbindung zwischen der Leitung und dem Öffnungselement 51, befestigt, durch eine geeignete Dichtung oder ein Verschlusselement 61 verschlossen.
Bezugnehmend auf Fig. 1C und D wird die Lufteinlassrohrleitung 58 von einer Brennstoffeinlassrohrleitung 63 durch eine Luftzuführungsröhrenplatte 64 getrennt. Die Luftzuführungsröhrenplatte 64 ist verbunden und verschlossen damit durch Schweißen oder andere geeignete Mittel mit den unteren Enden einer Vielzahl der Luftzuführungsröhren 65, durch die Teile von entsprechenden Reaktionsröhren 28 sich parallel und vorzugsweise in konzentrischer Beziehung erstrecken. Die anderen Enden der Luftzuführungsröhren sind verbunden und durch Schweißen oder andere geeignete Mittel zu einer oberen Luftzuführungsröhrenplatte 66 verschlossen. Die Luftzuführungsröhrenplatte 66 wird zwischen einer Brennstoffzuführungsröhrenplatte 67 und einer Luftverteilungsplatte 68 angeordnet. Die Platten 66 und 67 und Platte 68 erstrecken sich längs bezüglich der Längsachse 29 von Gefäß 11 und werden durch Schweißen an ihren äußeren peripheren Kanten zu einer röhrenförmigen Trommel oder Gehäuse 69 am oberen Ende des Letzteren, zu dem sich die Röhrenplatte 64 erstreckt, auch durch Schweißen des unteren Endes der Trommel, befestigt und verschlossen. Die Röhrenplatten 66 und 67 sind entlang der Längsachse 29 voneinander beabstandet, wodurch sich dazwischen ein Verteilungssammelraum 70 für vorgeheizten Brennstoff bildet. Die Röhrenplatte 66 und Luftverteilungsplatte 68 werden auch voneinander beabstandet entlang der Längsachse 29 angeordnet und definieren dazwischen einen vorerhitzten Luftverteilungssammelraum 71. Ein oder mehrere Abstandshalter 73 können bereitgestellt werden, um das Beabstanden zwischen den Röhrenplatten 66 und 67 und der Luftverteilungsplatte 68 beizubehalten.
Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, hat jede Luftzuführungsröhre 65 einen Innendurchmesser leicht höher als der Außendurchmesser der Reaktionsröhre 28, die hindurchgelangt, unter dabei Bilden dazwischen eines Luftzuführungsdurchgangs 76. Vorzugsweise liegt die Reaktionsröhre 28 und die Luftzuführungsröhre 65 im Allgemeinen konzentrisch und der Luftzuführungsdurchgang 76 in Form eines Rings von gleichförmiger radialer Dicke, die die Reaktionsröhre 28 umgibt, vor. An der Luftzuführungsröhrenplatte 66 ist der Luftdurchgang 76 mit jeder Luftzuführungsröhre 65 verbunden; das heißt, in fluider Kommunikation mit dem Luftverteilungssammelraum 71. Der Luftverteilungssammelraum ist vorzugsweise von ausreichender Größe, um relativ gleichförmigen Druck über die Rückseite der Luftverteilungsplatte 68 bereitzustellen.
Die Luftverteilungsplatte 68 hat hierin eine Vielzahl von Luftauslassöffnungen oder Löchern 80, die gleichförmig über die Fläche der Verteilungsplatte 68, wie in Fig. 2 angegeben, verteilt sind. Obwohl nur einige der Öffnungen 80 in Fig. 2 gezeigt werden, sollte es selbstverständlich sein, dass die Öffnungen 80 vorzugsweise gleichförmig über die Fläche der Verteilungsplatte 68 verteilt sind und vorzugsweise etwa 2-15% der Gesamtfläche der Platte 68, bevorzugter etwa 4-10% und noch bevorzugter etwa 6% ausmacht. Die Öffnungen 80 können in einer Vielzahl von Mustern, einschließlich einer statistischen Verteilung, in Reihen, die linear oder versetzt sein können, usw., angeordnet sein. Wie nachstehend weiterhin erörtert, sorgen die Öffnungen 80 für eine Einführung von Luft in eine exotherme Reaktionskammer 81 (Fig. 1C) im Wesentlichen gleichförmig quer zur exothermen Reaktionskammer, unter Bildung einer sich bewegenden Luftfront, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen ebenen Front, die sich längs zu der Längsachse 21 des Gefäßes erstreckt. Die Größe und Anordnung der Öffnungen 80 kann allerdings variiert werden, wie es zum Variieren der Form der Front der beweglichen Luftmasse erwünscht sein kann, wenn sie sich in die Flammenzone zum Mischen mit dem in der nachstehenden Weise zugeführten Brennstoffs zu det exothermen Reaktionskammer 81, die sich oberhalb der Platte 68 innerhalb der Schale 12 erstreckt, bewegt.
Mit Bezug auf Fig. 1C und D wird unter Druck gesetzter Brennstoff in das Gefäß 11 über eine Brennstoffeinlassöffnung 84 eingespeist. Der Brennstoffeinlass 84 ist mit der Brennstoffeinlassrohrleitung 63 verbunden, die innerhalb des röhrenförmigen Gehäuses 69 gebildet wird und seine oberen und unteren Enden durch die Brennstoffzuführungsröhrenplatte 67 bzw. die Luftzuführungsröhrenplatte 64 definiert. Die Brennstoffeinlassrohrleitung 63 ist verbunden zu; das heißt in fluider Kommunikation mit, den Einlassenden einer Vielzahl von Brennstoffzuführungsröhren 86. Die Brennstoffzuführungsröhren 86 sind an ihren oberen Enden, wie durch ringförmige Verschweißungen, zu der Brennstoffzuführungsröhrenplatte 67, verbunden und verschlossen.
Wie am besten in Fig. 3 und 4 gezeigt, ist die Brennstoffzuführungsröhre 86 teleskopartig über die Luftzuführungsröhre 65 entlang eines Teils der Länge des Letzteren verbunden. Der Innendurchmesser der Brennstoffzuführungsröhre 86 ist größer als der äußere Durchmesser der Luftzuführungsröhre 65, wodurch sich ein Brennstoffdurchgang 88 bildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzuführungsröhre 86 konzentrisch mit der Luftzuführungsröhre 65 und Reaktionsröhre 28, die sich dort hindurch erstreckt, um einen ringförmigen Durchgang von gleichförmiger radialer Dicke zu bilden, welcher sich entlang der Länge der Brennstoffzuführungsröhre erstreckt.
An ihrem oberen Ende sind die Brennstoffdurchgänge 88 und die Brennstoffzuführungsröhren 86 verbunden zu; das heißt in fluider Kommunikation mit, dem Brennstoffverteilungssammelraum 70. Der Brennstoffverteilungssammelraum 70 wiederum kommuniziert mit den Einlassenden einer Vielzahl von Düsenröhren 90, die verbunden sind über und sich aufwärts erstrecken von der Luftzuführungsröhrenplatte 66. Die Brennstoffdüsenröhren 90 erstrecken sich aufwärts durch und tagen über die Luftverteilungsplatte 80 hinaus, die mit Öffnungen für den Durchgang von Düsenröhren dort hindurch ausgestattet ist. Die Düsenröhren enden vorzugsweise an einer gemeinsamen Ebene längs zu der Längsachse 29 des Gefäßes 11, wobei die Ebene etwa die Luftverteilungsplatte sein kann, jedoch vorzugsweise stromabwärts von der Verteilungsplatte entlang der Längsachse 29 beabstandet ist. Falls erwünscht, können die Längs- und Endpunkte der Düsenröhren 90 aber variiert werden, wenn sie verschiedene Flammprofile erhalten sollen. Vorzugsweise hat jede damit verbundene Brennstoffdüsenröhre 90 eine strömungsbegrenzende Öffnung 91 (Fig. 3), deren Funktion darin besteht, die Brennstoffstromgeschwindigkeiten von Düsenröhre zu Düsenröhre gleichförmiger zu machen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Düsenröhren 90 vorzugsweise gleichförmig seitlich von relativ benachbarten Reaktionsröhren 28 beabstandet. Die Reaktionsröhren in der erläuterten Ausführungsform sind voneinander seitlich beabstandet bei einem konstanten Abstand, und die Düsenröhren sind ähnlich angeordnet mit dem gleichen Abstand, jedoch mit jeder Düsenröhre seitlich angeglichen von den unmittelbar benachbarten Reaktionsröhren durch ein gleiches Maß. Wie vom Fachmann erkennbar, können aridere Reaktionsröhren- und Düsenröhrenanordnungen verwendet werden, wenn sie für eine besondere Anwendung erwünscht sein können. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Düsenröhren zu Reaktionsröhren zwischen 4 : 1 und 1 : 2, bevorzugter zwischen 1,5 : 1 und 1 : 1,5 und vor allem etwa 1 : 1 (gleich), liegen.
Wie nachstehend weiterhin erläutert, werden die Luft und der Brennstoff vorzugsweise auf eine ausreichend hohe Temperatur vorerhitzt, sodass, wenn der Brennstoff aus den Düsenröhren 90 austritt, die Luft in der exothermen Reaktionskammer 81 kontaktiert, wird der Brennstoff sich selbst entzünden. Das heißt, die Luft und der Brennstoff werden so erhitzt, dass das Gemisch bei der Vereinigung eine Temperatur höher als die Brenntemperatur des Brennstoffs aufweisen wird. Die erhaltene Flamme und die Verbrennungsprodukte werden aufwärts durch die exotherme Reaktionskammer innerhalb des Gefäßes strömen und über Abgasröhren 94 austreten, die an deren oberen Enden zu einer Abgasröhrenplatte 95, wie in Fig. 1B gezeigt, verbunden sind.
Die Abgasröhrenplatte 95 definiert das obere Ende der exothermen Reaktionskammer 81 in der erläuterten Ausführungsform. Wie in Fig. 1A und 1B erläutert, kann die Abgasröhrenplatte, abhängig von der Reaktionsröhrenplatte 32, durch Abstandsstäbe 96 unterstützt, werden. Die Abgasröhrenplatte wird vorzugsweise mit einem Schwimmverschluss 98 ausgestattet, der die Abgasröhrenplatte zu der inneren Oberfläche der Schale 12 zum Trennen der exothermen Reaktionskammer 81 aus der Abgasauslassrohrleitung 99 verschließt. Die Abgasauslassrohrleitung wird zwischen der Abgasröhrenplatte und der Reaktionsröhrenplatte 32 gebildet und ist mit einer Abgasauslassöffnung 100 verbunden.
Jede Abgasröhre 94 umgibt eng einen Teil der entsprechenden Reaktionsröhre 28, unter Bildung eines engen Ring- Abgasdurchgangs 104 für Abgase, die aus der exothermen Reaktionskammer zu der Abgasauslassrohrleitung 99 strömen. Vorzugsweise sind die Abgasröhren und die Reaktionsröhren konzentrisch, unter Bildung eines kreisförmigen Durchgangs bei Röhrenplatte 40. Der enge Abgasdurchgang 104 ergibt einen Strom mit hoher Geschwindigkeit des Abgases, der hindurch gelangt zur Erhöhung von Konvektionswärmeübertragung zwischen dem austretenden Abgas und dem hereinkommenden endothermen Reaktanten.
Das Einlassende von jeder Abgasröhre ist radial auswärts erweitert, wie bei 105 in Fig. 1B ausgewiesen, um eine fortschreitende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase, wie sie in die Abgasröhre eintreten, bereitzustellen. Dies vermeidet zu hohe Wärmekonzentration am Einlassende der Abgasröhre, wodurch zu starkes örtliches Erhitzen der Reaktionsröhre und/oder Abgasröhre vermieden wird.
Obwohl die endotherme Reaktionsapparatur 10 soweit beschrieben, zum Ausführen von endothermen Reaktionen in im Wesentlichen der nachstehend beschriebenen Weise verwendet werden kann, können einige endotherme Reaktionen die Verwendung eines Katalysators erfordern oder dadurch erleichtert werden. In der erläuterten Ausführungsform enthalten die Reaktionsröhren 28 einen endothermen Reaktionskatalysator, dessen Auswahl von der jeweiligen endothermen Reaktion, die innerhalb der Apparatur 10 durchgeführt wird, abhängen wird.
In einer erläuterten Ausführungsform werden die Reaktionsröhren 28 mit einem endothermen Reaktionskatalysator 108 gefüllt, der gleichzeitig mit einer exothermen Reaktionszone 81, die sich im Allgemeinen von einem Punkt 109 bei etwa den Auslassenden der Düsenröhren 90 an einem Punkt 110, unmittelbar der Längen der Abgasröhren 94, erstreckt. Der Katalysator kann aus Kugeln gewünschter Größe, beispielsweise etwa 3 Millimeter im Durchmesser, zusammengesetzt sein. Die Reaktionsröhren werden auch vorzugsweise mit inertem Material 112 an beiden Enden des endothermen Reaktionskatalysators 108 ausgestattet. Vorzugsweise ist das inerte Material von einer größeren Teilchengröße, beispielsweise Kugeln mit etwa 6 mm im Durchmesser, um die Druckverluste zu minimieren. In der erläuterten Ausführungsform werden die Reaktionsröhren 28 mit inertem Material 112 von ihren unteren Enden zu ungefähr den Enden der Düsenröhren, wo der endotherme Reaktionskatalysator 109 beginnt, gefüllt. Auch inertes Material wird in die Reaktionsröhren oberhalb des exothermen Reaktionskatalysators, der bei 110 beginnt, gefüllt und wird aufwärts zu etwa der Spitze der Abgasröhren 94 fortgesetzt. Der Katalysator und das inerte Material werden vom Herausfallen aus den unteren Enden der Röhren durch ein Sicherheitssieb 113 (Fig. 1D), das zu der Bodenseite der Röhrenplatte 40 befestigt ist, gehindert.
Zurückkehrend zu Fig. 1C und 1D können das Gehäuse 69, die Luftverteilungsplatte 68 und Röhrenplatten 64, 66 und 67 als eine Einheit, wie gezeigt, hergestellt werden. Der Boden von dieser erzeugten Einheit wird vorzugsweise mit einem Schwimmverschluss 115 an der Röhrenplatte 64 ausgestattet, was die Einheit zu der inneren Oberfläche der Schale 12 verschließt, um den Rückstrom von Verbrennungsprodukten unterhalb des Verschlusses 115 und in die Luftzuführungsrohrleitung 58 auszuschließen.
Um äußere Wärmeverluste zu verhindern, ist das Innere der Schale 12 mit Isolierung ausgekleidet. Insbesondere wird eine Aluminiumoxid-Mattenisolierung 118, benachbart der aus Legierungsstahl herstellbaren Innenoberfläche der Schale, bereitgestellt. Innerhalb der Mattenisolierung 118 wird ein Aluminiumoxidfaser-Isolierungsrohr 119 bereitgestellt, und dieses Rohr kann an seiner Innenoberfläche mit einer Antierosionsfarbe angestrichen sein. Die Oberseite der Röhrenplatte 40 kann in ähnlicher Weise mit Isolierung ausgestattet sein, und das Innere des unteren Endverschlusses 14 kann mit der Mattenisolierung, wie in Fig. 1D gezeigt, ausgekleidet sein. Auch kann das Gefäß mit Sichtöffnungen 121-123 ausgestattet werden.
Das Arbeiten der endothermen Reaktionsapparatur 10 wird nun in Beziehung zu einem Verfahren zum Reforming einer reformierbaren Grundbeschickung beschrieben.
Bei der Verwendung werden unter Druck gesetzte Luft und Brennstoff in das Gefäß durch die Luft- und Brennstoffeinlassöffnungen 56 und 84 eingespeist.
Zu der Lufteinlassöffnung 56 gespeiste Luft gelangt in die Lufteinlassrohrleitung 58. Aus der Lufteinlassrohrleitung wird Luft durch die Luftzuführungsringe 76, die einen Teil der Reaktionsröhren 28 umgeben, bei einer Geschwindigkeit, die aufgrund der kleineren Querschnittsfläche der Ringe im Wesentlichen größer als die Einlasszuführungsgeschwindigkeit ist, strömen. An dem Stromabwärtsende der Luftzuführungsdurchgänge strömt die vorerhitzte Luft in die Luftverteilungsrohrleitung 71 und dann durch die Öffnungen 80 in die exotherme Reaktionskammer 81 in einer parallel zu den benachbarten Reaktionsröhren zum Strom um und entlang der Reaktionsröhrenrichtung.
Brennstoff, wie ein wasserstoffreiches, auf die Anlage zugeschnittenes Gas, der etwa 80% Wasserstoff enthält, wird durch den Brennstoffeinlassöffnung 84 in die Brennstoffeinlassrohrleitung 63 eingespeist. Aus der Brennstoffeinlassrohrleitung wird der Brennstoff durch die Brennstoffzuführungsringe 88, die einen Teil der Luftzuführungsröhren 65 umgeben, mit einer Geschwindigkeit, die aufgrund der kleineren Querschnittsfläche der Ringe im Wesentlichen größer als die Einlasszuführungsgeschwindigkeit ist, strömen. An dem Stromabwärtsende der Brennstoffzuführungsdurchgänge wird der Brennstoff in die Brennstoffverteilungsrohrleitung 70 strömen und anschließend durch die strömungsbegrenzenden Öffnungen 91 in die Düsenröhren 90. Die Düsenröhren richten entsprechende Hochgeschwindigkeitsstrahlen von vorerhitztem Brennstoff in die exotherme Reaktionskammer 81 in einer zu den benachbarten Reaktionsröhren parallelen Richtung. Die Geschwindigkeit des Brennstoffs durch die Düsenröhren ist vorzugsweise größer als etwa 30 m/s und bevorzugter größer als etwa 60 m/s. Wenn die Strahlen des Brennstoffs die Düsenröhren verlassen, wird sich der Brennstoff mischen und mit der vorerhitzten Luft (das heißt, er wird brennen) über einen längs ausgedehnten Flammbereich reagieren. Die erläuterte Anordnung stellt lange, enge Flammen bereit, die ein Hochtemperaturerhitzen der Reaktionsröhren über einen langen Flammenlängsbereich, der vorzugsweise größer als etwa 25 cm, bevorzugter größer als etwa 50 cm und noch bevorzugter größer als etwa 1 Meter oder länger, sein wird, bereitstellen.
Eine lange Flamme ist vorteilhaft, weil sie die Wärme über einen längeren Bereich der benachbarten Reaktionsröhre oder -röhren verbreitet und freisetzt, wodurch die Bildung von zu starken örtlich heißen Flecken an den Wänden der Reaktionsröhren vermieden wird. In anderen Worten, die langen Flammen minimieren, wie heiß der heißeste Fleck der Röhrenwand ist. Grundsätzlich stellt die lange Flamme einen Ausgleich zwischen den Aufgaben des Erhitzens des Katalysators innerhalb der Reaktionsröhren möglichst hoch unter Begrenzen der Röhrenwandtemperatur auf einen Wert, der keinen vorzeitigen Ausfall der Reaktionsröhren verursacht, her.
Eine weitere erwünschte Eigenschaft der durch die Düsenröhren erzeugten Flamme in der erläuterten Apparatur ist, dass die Flamme relativ dünn im Hinblick auf den geschlossenen Raum zwischen den Reaktionsröhren ist. Eine dünne Flamme minimiert das Ausmaß, zu dem die Reaktionsröhren durch Strahlung der Flamme erhitzt werden. Folglich ist der bevorzugte Röhrenabtrennungsabstand sehr klein, verglichen mit üblichen Flammrohrreformern. In der erläuterten Ausführungsform ist das Maß der Reaktionsröhren vorzugsweise etwa 1,25-fach des äußeren Durchmessers der Brennstoffzuführungsröhren 86. Allgemeiner ist der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der Röhren vorzugsweise nicht größer als 4-fach des Durchmessers der Reaktionsröhren und bevorzugter nicht größer als 2-fach des Durchmessers der Reaktionsröhren. Nicht nur die kleine Seitenabtrennung zwischen den Reaktionsröhren vermindert die Strahlungsheizkomponente, sondern sie stellt auch ein kompakteres Reaktionsröhrenbündel und folglich eine kleinere Gefäßgröße in Querabmessung bereit. Zusätzlich zu dem Vorangehenden haben die Reaktionsröhren vorzugsweise einen Innendurchmesser im Bereich von 10 bis 60 Millimetern und bevorzugter zwischen 15 und 45 Millimetern, wie nachstehend weiterhin erläutert wird.
Die Verbrennungsprodukte oder allgemeiner die exothermen Reaktionsprodukte strömen aufwärts um und entlang der Zwischenteile der Reaktionsröhren, die sich durch die exotherme Reaktionskammer 81 erstrecken. Die Verbrennungsprodukte werden fortfahren, den endothermen Reaktionskatalysator in den Reaktionsröhren zu erhitzen und den endothermen Reaktanten durch die Reaktionsröhren strömen zu lassen. Die Verbrennungsprodukte treten aus der exothermen Reaktionskammer durch die Abgasröhren 94, die eng die Reaktionsröhren umgeben, unter Bildung von engen ringförmigen Abgasdurchgängen, unter Bereitstellung von hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Abgasröhren. Dies verstärkt sehr den Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Abgas und endothermen Reaktanten, entgegenströmend durch die Reaktionsröhren bei dem Stromabwärtsende der exothermen Reaktionskammer.
Die Abgasröhren werden radial auswärts an ihren Einlassenden geflammt. Dies stellt eine schrittweise Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bereit, um die Reaktionsrohrwand daran zu hindern, zu heiß zu werden, was andererseits auftreten könnte, wenn sich die Abgasgeschwindigkeit unmittelbar auf einen sehr hohen Wert erhöhen würde. Die schrittweise Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Abgase ermöglicht die Wärmeübertragung innerhalb des Bereichs des Abfackelns zum Abkühlen des heißen Abgases, bevor es die Minimumfläche des Abgasstromdurchgangs zwischen dem Abgasrohr und Reaktionsrohr erreicht. In der erläuterten Ausführungsform ist bei seinem Einlassende der radiale Spalt zwischen der Abgasröhre und der Reaktionsröhre mindestens etwa 2-mal größer als sein minimaler Spalt, bevorzugter mindestens etwa 4-mal größer und noch bevorzugter etwa 5-mal größer.
Von den Abgasröhren strömen die Verbrennungsprodukte in die Abgasrohrleitung 99 zum Ausströmen durch die Abgasauslassöffnung 100. Mit der Zeit erreichen die Verbrennungsprodukte die Abgasauslassöffnung 100; sie werden im Wesentlichen durch Vermeiden des Bedarfs für einen sehr hohen Temperaturfluidverschluss zwischen dem Abgasport 100 und der Wand des Gefäßes 11 gekühlt.
Ein endothermer Reaktant, der beispielsweise ein gasförmiges Gemisch von Dampf und einer reformierbaren Zuführungsbeschickung ist, wird in die Einlassrohrleitung 38 über die Einlassöffnung 39 hinzugefügt. Die Einlassrohrleitung verteilt gleichförmig den endothermen Reaktanten unter die Reaktionsröhren 28 für den Abwärtsstrom dort hindurch. Der endotherme Reaktant wird durch konvektive Wärmeübertragung aus den Verbrennungsprodukten, die gegenstrommäßig durch die Abgasröhren 94 strömen, vorerhitzt. Dieses Vorerhitzen wird bereitgestellt, um zu sichern, dass die Temperatur des endothermen Reaktanten oberhalb einer Minimumtemperatur vor dem Inkontaktbringen des Reaktionskatalysators, unmittelbar entlang der Länge der Abgasröhren, vorliegt. Im Fall eines Dampfes zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen sollte die Temperatur des gasförmigen Reaktanten größer sein als etwa 700ºC (in Abhängigkeit Von der jeweiligen Zuführungszusammensetzung und der Art des verwendeten Katalysators) vor dem Inkontaktbringen des Katalysators, wodurch potentielle Kohlenstoffbildung vermieden wird. Folglich kann ein Reaktant, der in das Gefäß bei etwa 400ºC oder darüber gespeist wird, wie beschrieben auf etwa 700ºC oder höher zum Inkontaktbringen des Reaktionskatalysators vorerhitzt sein.
Wenn sich der endotherme Reaktant durch den Reaktionskatalysator 108 bewegt, wird er Wärme absorbieren und reagieren, unter Erzeugung eines endothermen Produkts. Der endotherme Reaktant wird Wärme aus der Flamme und Verbrennungsprodukten, die im Gegenstrom durch die exotherme Reaktionskammer 81 strömen, absorbieren. Die katalytische Reaktion setzt sich fort, bis das heiße endotherme Produkt hinter den Punkt 109 gelangt, wo es beginnt, durch das inerte Material 112 in die Stromabwärtsendenteile der Reaktionsröhren zu gelangen. In dem Bereich der Luft- und Brennstoffzuführungsröhren 65 und 86 wird Wärme von dem heißen endothermen Produkt zu der Luft und Brennstoff, die durch die Luft- und Brennstoffzuführungsröhren zugeführt werden, überführt, unter Vorerhitzen der Luft und des Brennstoffs, unter ebenfalls Kühlen des heißen endothermen Produkts. Durch diesen Wärmeaustausch wird das endotherme Produkt auf eine ausreichend niedrige Temperatur gekühlt, um den Bedarf für sehr hohe Temperaturverschlüsse an der Auslassöffnung 51 am Boden des Gefäßes 11 zu vermeiden. Auch werden die Luft und der Brennstoff ausreichend vorerhitzt, sodass, wenn in der exothermen Reaktionskammer vermischt, die Temperatur des Gemisches sich oberhalb und vorzugsweise gut oberhalb der Entzündungstemperatur des Brennstoffs befinden wird, wodurch Selbstentzündung des Brennstoffs und fortgesetzte Verbrennung, unabhängig von beliebigen Entzündungsvorrichtungen und/oder großen üblichen Brennerstrukturen, hervorgerufen wird, was bevorzugt ist.
Für Kaltstarts wird ein äußerer Brenner (nicht gezeigt) angewendet, um die hereinkommende Luft auf eine Temperatur oberhalb der Selbstentzündungstemperatur der einzelnen exothermen Reaktanten, die einbezogen sind, und für typische Brennstoffe oberhalb 550ºC vorzuheizen. Nachdem die Apparatur ausreichend vorgeheizt wurde, wird Brennstoff zum Starten der Selbstentzündung hinzugefügt und exothermer Reaktant wird in die Apparatur eingespeist, um inneres Vorheizen der Luft und des Brennstoffes zu bewirken. Nachdem die Selbstentzündung selbstverzögernd würde, kann der äußere Brenner abgeschaltet werden. Dies ist ein bevorzugtes Mittel, das die Reaktionsapparatur kalt startet, obwohl denkbar ist, dass andere Vorrichtungen angewendet werden können.
Obwohl aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, dass die Strömungsgeschwindigkeiten des endothermen Reaktanten und des Produkts und die Größe und Form der verschiedenen Röhren, Durchgänge und Öffnungen derart ausgewählt werden, dass die Luft und der Brennstoff in der exothermen Reaktionszone vermischt werden, werden sie bei oder oberhalb ihrer Selbstentzündungstemperatur liegen. Dadurch werden sie ohne den Bedarf für einen gesonderten Entzünder, wie eine Glimmkerze, Funkenkerze oder dergleichen, sich vermischen, entzünden und verbrennen. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden auch bestimmt, um ein gewünschtes endothermes Reaktantentemperaturprofil und exothermes Reaktantentemperaturprofil zu erhalten. Insbesondere können die Massestromgeschwindigkeit des endothermen Reaktanten und Produkt und die Massestromgeschwindigkeit und Geschwindigkeit des Brennstoffes und der Luft optimiert werden, um die Reaktionsröhrenwandtemperatur unterhalb einer Temperatur zu halten, die zum vorzeitigen Ausfall der Reaktionsröhren führen würde. Diese Temperatur wird von verschiedenen Faktoren, einschließlich Röhrenmaterial. Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite der Reaktionsröhre und Durchmesser und der Dicke der Reaktionsröhre abhängen. In der erläuterten Ausführungsform kann die maximale Außenseitenröhrenwandtemperatur bei etwa 912ºC gehalten werden, unter Erreichen einer maximalen Reaktantentemperatur von 900ºC, wodurch ein Temperaturunterschied von nur etwa 12ºC bereitgestellt wird. Folglich kann der endotherme Reaktant auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, wobei eine Außenwandtemperatur unter einer Temperatur, die einen vorzeitigen Ausfall an Reaktionsröhren verursachen würde, noch beibehalten wird, Gleichzeitig Werden die aus der Apparatur austretenden Fluide auf angemessene Temperaturen gekühlt, während innerhalb des Gefäßes die exothermen Reaktanten auf oberhalb ihrer Entzündungstemperatur erhitzt werden. In der erläuterten Ausführungsform ergibt die enge Annäherung zwischen der Spitzenkatalysatortemperatur und der Spitzenröhrenwandtemperatur zwei Faktoren: 1) einen viel höheren Wärmeübertragungskoeffizienten von der Röhrenwand zu dem Verfahrensgas innerhalb der Reaktionsröhren (in der Größenordnung von 3500 W/m²ºC) gegen den viel niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten von der Flamme zu der Röhrenwand (in der Größenordnung von 80 W/m²ºC), und 2) der Ort der Spitzenflammtemperatur bei einem anderen Ort entlang der Röhre, von dem die Spitzenverfahrenstemperatur auftritt (in der Größenordnung von 50 cm voneinander). Vorzugsweise erstreckt sich der Wärmeübertragungskoeffizient innerhalb der Reaktionsröhre zu dem Wärmeübertragungskoeffizienten außerhalb um einen Faktor von 20 und bevorzugter um einen Faktor von 40 oder mehr.
Die Bestimmung des besten Aufbaus und der besten Arbeitsbedingungen der Apparatur für eine besondere Anwendung hängt von einer Vielzahl von wie hierin erörterten Faktoren ab. Beispielsweise wird Dampf-Methan-Reforming (und viele andere endotherme Reaktionen von Interesse) durch hohe Temperatur und niedrige Drücke begünstigt. Jedoch erfordern die meisten Anwendungen für das endotherme Produkt, Syngas, (und viele andere Produkte), dass das Syngas bei hohem Druck vorliegen muss. Die Verwendung eines Verdichters zum Verdichten von Syngas ist sehr kostspielig; deshalb ist es praktisch, hohe Einführungsdrücke für den endothermen Reaktanten, die in die Apparatur eingeführt werden sollen, anzuwenden, um einen verwendbaren Syngasdruck an der Auslassöffnung der Apparatur zu erhalten.
Es ist aus ökonomischen Gründen bevorzugt, dass der Innendurchmesser der Reaktionsröhren relativ schmal ist, beispielsweise 10 bis 60 Millimeter, vorzugsweise 15 bis 45 Millimeter, obwohl Reaktionsröhren von anderen Durchmessern auch verwendet werden könnten. Ein kleiner Durchmesser erfordert eine dünnere Wand als ein großer Durchmesser für die gleiche Temperatur und verschiedenen Druck und ist folglich weniger kostenaufwendig. Jedoch Röhren, die zu klein sind, werden weitere Röhren erfordern, unter Gewinnung des gleichen Durchsatzes und einer entsprechenden Erhöhung der Kosten. Auch sehr kleine Durchmesser können Katalysatorpackprobleme verursachen, was zu örtlich schlechter Wärmeübertragung führt. Größere Röhren werden unvorteilhafte radiale Temperaturgradienten zeigen.
Das Längenverhältnis der Reaktionsröhren zu deren Innendurchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von 100 : 1 bis 350 : 1, obwohl dies in Abhängigkeit von der Anwendung variieren kann.
Bevorzugte Metalllegierungen zur Verwendung in den Hochtemperaturbereichen der Apparatur haben hohe Temperaturfestigkeit (Beständigkeit gegen Kriechen und Kriechunterbrechung) und hohe Beständigkeit gegen sowohl Oxidation als auch Verfahrensgaskorrosion. Unter den Legierungen, die für typische Anwendungen geeignet sind, sind verschiedene Hochtemperatur-Legierungen auf Nickel-Basis. Beispielsweise können zur Verwendung in einem Dampfreforming von Methan die verschiedenen Röhren aus einer auf Nickel-basierenden Legierung, enthaltend Chrom, Wolfram und Molybdän, wie Haynes® 230 (22% Cr, 14% W, 2% Mo, Ausgleich Ni), erhältlich von Haynes International, Inc., Kokomo, Indiana, hergestellt sein. Falls erwünscht, können die Reaktions- und/oder andere Röhren mit geeigneten Beschichtungen ausgestattet sein, um Metallstaubbildung und andere Formen des Angriffs zu verhindern. Solche Beschichtungen sind auf dem Fachgebiet bekannt, Alonizing ist ein spezielles Beispiel.
Die bevorzugte Spitzenverfahrenstemperatur hängt von dem ausgewählten Druck, dem Röhrenmaterial, der Zuführungsgemischzusammensetzung und den Erfordernissen für äußere Verfahren ab. Es ist häufig erwünscht, bei der höchsten Temperatur zu arbeiten, die annehmbare Standzeit der Röhren unter den ausgewählten Bedingungen ergibt, vorzugsweise länger als ein Jahr und bevorzugter viele Jahre. In diesen Fällen können Metallröhren vorzugsweise im Bereich von etwa 850ºC bis 1000ºC arbeiten. In anderen Fällen können ein überlegener Verfahrenswärmeausgleich und Gesamtkosteneinsparungen erhalten werden, bei etwas niedrigeren Temperaturen als den vorstehenden, mit der bevorzugten Spitzenverfahrenstemperatur für Metallröhren, die etwa 875 bis 925ºC ist.
Wenn es bevorzugt ist, wird die Apparatur so aufgebaut und betrieben, dass während des Beharrungszustandsvorgangs der Unterschied zwischen der Temperatur, auf die Brennstoff und Luft vor dem Vermischen in der Verbrennungszone und der maximalen endothermen Reaktionstemperatur erhitzt werden, weniger als etwa 250ºC ist. Vorzugsweise ist dieser Unterschied 100 bis 200ºC. Da sich die meisten der üblichen gasförmigen Brennstoffe mit Luft bei Temperaturen von etwa 400 bis 600ºC selbst entzünden und da die meisten endothermen Reaktionen von Interesse bei ungefähr 850 bis 950ºC stattfinden, bedeutet dies, dass bei normalem Ablauf die Luft und gasförmiger Brennstoff wesentlich oberhalb ihrer Selbstentzündungstemperatur erhitzt werden sollten, bevor sie in der exothermen Reaktionskammer vereinigt werden, sodass eine Temperatur zwischen 600 und 850ºC auftritt.
Es ist auch erwünscht, die Apparatur derart aufzubauen und arbeiten zu lassen, dass die Verbrennungsproduktgase vor dem Austreten aus dem Ofen wesentlich gekühlt werden, so wie unter 700ºC sind, wodurch Hochtemperaturverschlüsse an den Auslassöffnungen für die Verbrennungsproduktgase vermieden werden. Ebenso ist es erwünscht, das endotherme Produkt wesentlich vor dem Austreten aus dem Ofen, wiederum unter 600ºC und vorzugsweise der Größenordnung von etwa 550ºC oder niedriger, zu kühlen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 weist die Bezugsziffer 150 im Allgemeinen ein anderes endothermes Reaktionsgefäß aus, das nur eine einzige Reaktionsröhre 152 einschließt. Die Reaktionsröhre erstreckt sich durch eine exotherme Reaktionskammer 153, die Von einer äußeren Röhre 154 umgeben ist, die vorzugsweise zylindrisch und mit der Reaktionsröhre konzentrisch ist.
An ihrem Bodenende wird die äußere Röhre 154 durch einen Endstopfen 155 verschlossen, an dessen Stromabwärtsenden Luft- und Brennstoffzuführungsröhren 156 und 157 verbunden sind. Der Endstopfen 155 wirkt wie eine kombinierte Röhrenplatte zum Unterstützen und Beabstanden der Enden von Luft- und Brennstoffzuführungsröhren, die vorzugsweise mit der Reaktionsröhre, die sich dort hindurch erstreckt, konzentrisch sind. Die Luftzuführungsröhre 156 hat einen inneren Durchmesser leicht größer als der äußere Durchmesser der Reaktionsröhre 152, die dort hindurchgelangt, unter Bildung eines Luftzuführungsdurchgangs 158 dazwischen. Das Stromaufwärtsende des Luftdurchgangs 158 ist verbunden; das heißt, in fluider Kommunikation mit einem Lufteinlass (nicht gezeigt). Das Stromabwärtsende des Luftzuführungsdurchgangs ist verbunden mit einem Luftverteilungssammelraum 159, gebildet zwischen dem Endstopfen 155 und der Luftverteilungsplatte 160 innerhalb der äußeren Röhre 154.
Der Luftverteilungssammelraum 159 ist vorzugsweise ausreichend groß, um relativ gleichförmigen Druck über die Rückseite der Luftverteilungsplatte 160 bereitzustellen. Die Luftverteilungsplatte 160 hat hierin eine Vielzahl von Luftauslassöffnungen oder Löcher 161, die in zwei kreisförmigen Reihen konzentrisch mit der Reaktionsröhre, wie in Fig. 6 gezeigt, angeordnet sind.
Die Brennstoffzuführungsröhre 157 ist über der Luftzuführungsröhre 156 teleskopartig angeordnet und hat einen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser der Luftzuführungsröhre 156, unter Bilden eines Brennstoffdurchgangs 164. Das Stromaufwärtsende des Brennstoffdurchgangs 164 ist verbunden; das heißt, in fluider Kommunikation mit einem Brennstoffeinlass (nicht gezeigt). An seinem Stromabwärtsende wird der Brennstoffzuführungsdurchgang 164 verbunden mit; das heißt in fluider Kommunikation mit, einem Brennstoffverteilungssammelraum 166, gebildet am Endstopfen 155. Der Brennstoffverteilungssammelraum 166 wiederum kommuniziert mit den Einlassenden einer Vielzahl von Düsenröhren 167, die verbunden sind mit und sich längs erstrecken von dem Endstopfen 155. Die Brennstoffdüsenröhren 167 erstrecken sich durch und ragen hinter der Luftverteilungsplatte 160 heraus, die mit Öffnungen zum Durchgang von Düsenröhren dort hindurch ausgestattet ist. Die Düsenröhren enden vorzugsweise an der gleichen Längsebene entlang der Längsachse der Reaktionsröhre. Vorzugsweise ist, jede Brennstoffdüsenröhre mit einer strömungsbegrenzenden Öffnung 169 verbunden, die Wirkt, um die Brennstoffströmungsgeschwindigkeiten von Düsenröhre zu Düsenröhre gleichförmiger zu machen.
Wie in Fig. 6 ersichtlich, sind die Düsenröhren 167 vorzugsweise gleichförmig seitlich voneinander beabstandet von der Reaktionsröhre 152 und sind kreisförmig gleich beabstandet um die Reaktionsröhre. Drei Düsenröhren werden in der erläuterten Ausführungsform angewendet, wie im Fall einer einzigen Reaktionsröhre bevorzugt, um Flammen bereitzustellen, die die Reaktionsröhre einkreisen.
Wie in der Apparatur 10 werden die Luft und der Brennstoff vorzugsweise auf eine ausreichend hohe Temperatur vorerhitzt, sodass, wenn der Brennstoff aus den Düsenröhren 167 austritt, die Luft in der exothermen Reaktionskammer 153 in Kontakt kommt, wobei der Brennstoff sich selbst entzünden wird. Die erhaltene Flamme und die Verbrennungsprodukte werden um und entlang der Reaktionsröhre 152 durch die exotherme Reaktionskammer strömen und aus einer Abgasröhre 172 austreten, die an ihrem Stromabwärtsende zu einer Abgasröhrenplatte 174 verbunden ist. Die Abgasröhrenplatte 174 definiert das Ende der exothermen Reaktionskammer 153, entgegengesetzt zu der Luftverteilungsplatte 160.
Die Abgasröhre 172 umgibt eng einen Teil der Reaktionsröhre 152, unter Bildung eines engen, ringförmigen Abgasdurchgangs 175 für die Abgase, die aus der exothermen Reaktionskammer zu einem Abgasauslass strömen (nicht gezeigt). Aus den vorstehend erörterten Gründen wird das Einlassende jeder Abgasröhre radial auswärts, wie in 177 ausgewiesen, aufflammen.
In dem erläuterten Reaktor enthält die Reaktionsröhre einen endothermen Reaktionskatalysator, im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben in Beziehung zur Apparatur 10. Auch wird das Gefäß durch die äußere Röhre 154 und die Brennstoffzuführungsröhre 157 gebildet, welche durch Isolierung zum Minimieren der äußeren Wärmeverluste umgeben sein können. Die Luft- und Brennstoffzuführungsröhren 156 und 157 können an deren Stromaufwärtsenden an entsprechenden Einlasskammern innerhalb eines geeignet aufgebauten Gefäßendverschlusses beendet sein. Ein geeignet konfigurierter Endverschluss wird auch an dem Stromaufwärtsende der Reaktionsröhren bereitgestellt, wobei ein solcher Endverschluss eine Auslasskammer für die Abgase einschließt. Auch ein Dehnungsausgleicher oder -balg können zwischen der Reaktionsröhre und dem Gefäß bereitgestellt werden, um relative Dehnung und Kontraktion anzupassen.
Die endotherme Reaktionsapparatur 150 arbeitet in ähnlicher Weise zu der Apparatur 10. Luft und Brennstoff werden durch die Luft- und Brennstoffzuführungsdurchgänge 158 und 164 zugeführt, worin die Luft und der Brennstoff vorerhitzt werden. Der vorerhitzte Brennstoff strömt zu den Düsenröhren 167, von denen entsprechende Strahlen von Brennstoff auf die exotherme Reaktionskammer 153 in eine Richtung, parallel zu den benachbarten Reaktionsröhren, gerichtet sind. Da die Strahlen des Brennstoffs aus den Düsenröhren austreten, wird sich der Brennstoff mit der vorerhitzten Luft über einen sich längs erstreckenden Flammenbereich vermischen und vereinigen, wobei die vorerhitzte Luft aus der Luftverteilungsplatte strömt. Wie vorstehend, stellt die erläuterte Anordnung lange, enge Flammen bereit, die Hochtemperaturerhitzen der Reaktionsröhren über einen langen Flammenlängenbereich bereitstellen.
Die Verbrennungsprodukte strömen aufwärts um und entlang der Zwischenteile der Reaktionsröhre, die sich durch die exotherme Reaktionskammer 153 erstrecken. Die Verbrennungsprodukte werden das Erhitzen des endothermen Reaktionskatalysators in der Reaktionsröhre und des endothermen Reaktanten, der durch die Reaktionsröhre strömt, fortsetzen. Die Verbrennungsprodukte treten aus der exothermen Reaktionskammer durch das Abgasrohr 172 aus.
Ein endothermer Reaktant wird durch die Reaktionsröhre 152 im Gegenstrom strömen. Der endotherme Reaktant wird durch Umluftwärmeübertragung aus den Verbrennungsprodukten, die im Gegenstrom durch die Abgasröhre 172 strömen, vorerhitzt. Da sich der endotherme Reaktant durch den Reaktionskatalysator bewegt, wird er Wärme absorbieren und zur Erzeugung eines endothermen Produkts reagieren. Der endotherme Reaktant wird Wärme aus den Verbrennungsprodukten, die im Gegenstrom durch die exotherme Reaktionskammer strömen, absorbieren. Die katalytische Reaktion setzt sich fort, bis die heißen endothermen Produkte beginnen, durch das inerte Material in den Stromabwärtsendeteilen der Reaktionsröhren zu gelangen. In den Bereich der Luft- und Brennstoffzuführungsröhren 156 und 157 wird Wärme aus dem heißen endothermen Produkt zu der Luft und dem Brennstoff, die durch die Luft- und Brennstoffzuführungsröhren zugeführt werden, überführt, unter Vorheizen der Luft und des Brennstoffs, während ebenfalls Kühlen des heißen endothermen Produkts. Für andere Arbeitsdetails wird Hinweis auf die vorstehende Beschreibung der Apparatur 10 gemacht, deren Einzelheiten allgemein für die Apparatur 150 gelten.

Claims

1. Verfahren zum Ausführen einer endothermen Reaktion in einer endothermen Reaktionsapparatur, in der ein endothermer Reaktant durch exotherme Reaktion von zwei Fluiden erhitzt wird, um dadurch den Reaktanten in ein endothermes Produkt umzuwandeln, umfassend

Veranlassen den Reaktanten zum Strömen durch eine Vielzahl von Reaktionsröhren, worin der Reaktant die endotherme Reaktion eingehen soll, wobei die Reaktionsröhren sich durch eine exotherme Reaktionskammer in voneinander seitlich beabstandeter Beziehung erstrecken;

gesondertes Zuführen der ersten und zweiten exothermen Reaktionsfluids zu der exothermen Reaktionskammer zum Umsetzen in der Kammer, wobei die exothermen Reaktionsprodukte in eine Richtung strömen, die von einem Stromaufwärtsende zu einem Stromabwärtsende der exothermen Reaktionskammer führt, wobei das erste Fluid in die exotherme Reaktionskammer am Stromaufwärtsende davon in einer derartigen Weise eingeführt wird, dass ein im Wesentlichen gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil über die Kammer bereitgestellt wird, und das zweite Fluid zu det exothermen Reaktionskammer bei oder stromabwärts des ersten Fluids und bei einer Vielzahl von diskreten Orten, die zwischen, jedoch seitlich von den Reaktionsröhren abgesetzt angeordnet sind, eingeführt wird, wodurch das erste Fluid mit dem zweiten Fluid zur Erzeugung von Hochtemperaturflammen um die Reaktionsröhren und exothermen Hochtemperatur-Reaktionsprodukten zum Strömen um und entlang der Reaktionsröhren reagiert zum Erhitzen der Reaktionsröhren zur Unterstützung eines endothermen Umsatzes des endothermen Reaktanten zu dem endothermen Produkt, wenn er durch die Reaktionsröhren strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der endotherme Reaktant ein gasförmiges Gemisch von Dampf und einer reformierbaren Beschickung ist und das endotherme Produkt Synthesegas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die reformierbare Beschickung ein gasförmiger Kohlenwasserstoff ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der gasförmige Kohlenwasserstoff entweder Methan oder Erdgas ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die exothermen Reaktionsfluids Sauerstoff oder anderes Sauerstoff-tragendes Fluid und Brennstoff darstellen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die exothermen Reaktionsfluids Luft und Brennstoff sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brennstoff wasserstoffreiches Anlagenrückstandsgas, das etwa 80% Wasserstoff enthält, ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die endotherme Reaktion in Gegenwart eines Katalysators, der Nickel-auf-Aluminiumoxid ist, ausgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die endotherme Reaktionstemperatur 800 bis 1000ºC ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Fluid in die exotherme Reaktionskammer durch ein erstes Fluidauslassmittel, das ein sich quer zu den Reaktionsröhren erstreckendes und eine Vielzahl von Öffnungen, durch die das erste Fluid in das Stromaufwärtsende der exothermen Reaktionskammer strömt, aufweisendes Strömungsverteilungselement einschließt, eingeführt wird, und das zweite Fluid in die exotherme Reaktionskammer durch ein zweites Fluidauslassmittel, das eine Vielzahl von sich in die Reaktionskammer im Allgemeinen parallel zu und seitlich abgesetzt von den Reaktionsröhren erstreckenden Düsenrohren einschließt, eingeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das erste Fluid Luft ist und das zweite Fluid Brennstoff ist.