DE7409342U - Röhrenreaktor für die katalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Description

HETALLGSSBLLSCHAFT Frankfurt/·Iain, den 7. März 1974 Aktiengesellschaft -'..'cn/HSz-Nr. 7535 Lü

Röhrenreaktor für die katalytische Spaltung vor. Kohlenwasserstoffen

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum Umsetzen g oder verdampfter Kohlenwasserstoffe mit :/asserdampf in indirekt beheizten, Katalysatormaterial enthaltenden Reaktionsrohren zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb Von etwa 700⁰C und einem Brück im Bereich von 5 bic 30 stüi, v.-obei als Hoizinediu^ sin sui? Kühlen eines kernreaktors verwendetes Gas, insbesondere Helium, mit Temperaturen von über 200 C verwendet wird.

Es iat bekannt, die durch Kernspaltung erzeugte "arme in einem Kernreaktor durch ein Gas, insbesondere Helium, abzuführen. 2ei dieser Ar¹; von /ernreaktoren wird das der Kühlung dienende Heliun ineist auf über 800⁰C bis etvra 1100°C aufgeheizt, vorzu_t~sv:eise liegen die Ileliuntemperatüren bei etwa 850 bis 110O⁰C, DaG Heliun tritt aus dem Reaktor mit einem Druck von et*-'a 20 bis 60 atm aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, die fühlbare \/änae des Heliums in einem Röhrenreaktor zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen 2u nutzen. 3in solcher Röhrenreaktor oder Röhrenofen enthält Katalysatormaterial in indirekt behizten Rohren, durch welche die umzusetzenden gasförmigen oder dampfförmigen Kohlenwasserstoffe zusammen mit Wasserdampf durchgeleitet werden. Als Einsatz-Kohlenv/asserstoxfe kommt z.B. das im wesentlichen aus

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Methan bestehende Erdgas oder auch Gemische aus Methan mit höheren Kohlenv/asserstoffen, Wasserstoff und Kohlenoxiden in Frage. Auch höhersiedende Kohlenwasserstoffe als Methan körmcn Umgesetzt werden, sofern sie zuvor in Dampf form gebracht wurden. Auch ein aus verdampften Kohlenwasserstoffen erzeugtes Reichgas kommt als Binsatzmaterial infrage. Als Katalysatoren v/erden vielfach Nickelkatalysatoren mit etwa 5 "bis 20 Gew.Ja Nickel auf einem temperaturfesten Trägermaterial, z.B. Aluminiumoxid, verwendet.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist Reaktionsrohre auf, die über einen Teil ihrer Länge von Heizmedium umgeben sind und mit dem anderen Teil, der mit einer oder mehreren Zufuhrleitungen für die umzusetzenden Reaktionspartner sowie mit einer oder mehreren Ableitungen für das Produktgas versahen ist, sich außerhalb der Heizzone befinden. Dadurch wird das in die Rohre eintretende Einsatzmaterial durch indirekten Wärmeaustausch mit dem austretenden Produktgas vorerhitzt, bevor es in die Heizzone eintritt und dort umgesetzt wird.

Das Helium des Kernreaktors muß als Kühlmedium für den Körnspaltprozeß stets zur Verfügung stehen. Auch führt dieses Helium in Spuren radioaktives Material mit sich. Bs muß deshalb verhindert werden, daß das Helium in das Produktgas der Kohlenwasserstoffspaltung gelangt. Ebenso muß verhindert werden, daß Produktgas in gefährlicher Menge in den Heliumkreislauf eintritt.

Beim Betrieb des Röhrenreaktors muß jedoch auch mit gelegentlichen Undichtigkeiten in den Reaktionsrohren gerechnet werden. Um bei einer Undichtigkeit in einem Rohr nicht den ganzen Reaktor abscMLten zu müssen, sind die Rohre zu einzelnen Gruppen zusammengefaßt, wobei sich verschiedene Gruppen unabhängig voneinander an- und abschalten lassen. Jede Rohrgruppe besitzt eine getrennte gemeinsame Speiseleitung für die

Zufuhr des Einsatzmaterials sowie eine getrennte gemeinsame Ableitung für das Produktgas. Ist nun ein Rohr undicht, wird die zugehörige Rohrgruppe von z.B. 3 Rohren abgeschaltet, während die anderen Reaktionsrohr ungestört weiterarbeiten. Da ein Röhrenreaktor z.B. über 30 bis etwa 300 Rohre und mehr enthalten kann, bedeutet das Abschalten einer kleinen Anzahl von Rohren praktisch keine Leistungsminderung.

Das gruppenweise Abschalten der Rohre bedingt eine Vielzahl von Armaturen, die zuverlässig arbeiten müssen. Vorteilhafterweise befinden sie sich deshalb in einem Bereich des Reaktors, der sich außerhalb der Heizzone befindet und daher höchstens nur auf Temperaturen von 450 bis 55O°C kommt. Durch die konstruktive Gestaltung des Reaktors, dessen Rohre zum Teil innerhalb und zum Teil außerhalb der Heizzone liegen, ist es dadurch auch möglich, die Kosten für die Armaturen niedrig zu halten, da sis in einem Teil des Reaktors mit relativ niedriger Temperatur liegen.

Der Wärmeaustausch des Produktgases mit dem Einsatzraaterial ermöglicht auf einfache V/eise die Ableitung des Produktgases mit Temperaturen von 450 bis 55O⁰C. Wollte man statt dessen das Produktgas z.B. in einem Abhitze-Dampfkessel abkühlen, soLJwäre ein unverhältnismäßig höherer Aufwand erforderlich, da auch hier aus Sicherheitsgründen das Wasser-Wasserdampfsystem in Untereinheiten aufgeteilt werden muß.

Ausführungsbeispiele für den Reaktor werden anhand der Zeichnung erläutert. Ss zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des Reaktors im Längsschnitt und

Fig. 2 die gruppenweise Zusammenfassung von Reaktionsrohren in Draufsicht.

Der Reaktor der Fig. 1 besitzt ein Gehäuse 1 mit einer Abdeckplatte 2 und eine große liahl von Rohren 3. Die Rohre ragen mit einen Teil ihrer Länge in die Heizzone 4, ein Teil der ttphrlänge lizr.i außerhalb O.er Ileizzone. Das Hcismcaiur; für die Heizzone 4 tritt beim Einlaß 5 in die Heizzone ein und beim Auslaß 6 wieder aus. Durch nicht dargestellte Einbauten in der ileizzone 4 des Reaktors wird das heiße Gas so in die Umgebung der Rohre geleitet, daß es möglichst viel V.'ämtD an diese abgeben kann, bevor es wieder bei 6 austritt.

Die Rohre 3 haben eine langgestreckte zylindrische Form und sind innerhalb der Heizzone 4 vollkommen, auch am unteren Ende, abgeschlossen. Jedes Hohr besitzt eine Zufuhrleitung 7 für umzusetzendes Sinsatzmaterial sowie eine Ableitung ο für das erzeugte Produktgas. Die Ableitung 8 ist innerhalb eines jeder. Rohres bis nahe an dessen unteres Ende geführt u-id besitzt dort eine SintrixtsöfirniVj 9.

Die Ableitungen 3 verlaufen innerhalb der Rohre 3 z.3. Zickzack- oder wendelförmig, vie das für ein ilohr dargestellt ist. Reaktionsrohre dieser Art sind in der DOS 1 901 753 und im dazugehörigen US-Patent 3 713 734 beschrieben.

Der in der Heizzone 4 liegende Teil eines jeden Rohres ist um die Ableitung 8 herum mit Katalysatormaterial 13 gefüllt, wie das schraffiert für ein Rohr dargestellt ist. Der außerhalb der Heizzone befindliche Teil der Rohre ist mit inaktivem Füllmaterial 12 gefüllt, um den v/äraeü Der gang von der Ableitung 8 zum Innenraua der Rohre zv verbessern.

Über Sammelleitungen 7a und 7b, die durch Ventile 10 und 11 unabhängig voneinander an- und abschaltbar sind, tritt Einsatzgeaisch in die Zufuhrleitungen 7 und von dort in die einzelnen Rohre 3 ein. Das Einsatzgenisch besteht z.B. aus Methan und Wasserdampf in einem molaren Verhältnis von 1 : 1,2

bis 1 : V, an die Stelle des I-Iethans kann z.B. auch ein ReioV: "3 "treten, das Überwiegend aus Methan besteht und dar.eber: noch ",.'asserstof::, Kohlenoxide sowie einen Anteil höherer ILohlönvasserstoffe enthält. 3in solches Reichgas kanr. in bekannter ",'eise aus Naphtha mit Wasserdampf durch ka τ=¹. IyTis ehe Spaltung an Ilickelkatalysatoren bei Temperaturen von 3'·-C bic 50ö C erzeugt sein.

Das Zjinsatzgenisch v/ird in nicht gezeigter Weise vor Eintritt in die Rohre 3 auf etwa 350 bis 450°C vorgewärmt und durchströmt dann zunächst den oberen Teil der Rohre, v/elcher inaktives, gasdurchlässiges Füllmaterial enthält. Als Füllmaterial können z.B. temperaturbeständige Keramikkörper in Frage. Auf diese ^T.7eise v/ird das Einsatzgemisch beim Durchströmen des Füllkörpermaterials 12 weiter erhitzt und erreicht etwa Temperaturen von 450 bis 550⁰C, wenn es im jeweiligen Rohr die Kühe der Abdeckplatte 2 erreicht hat. Dort trifft das Züinsatz^eaiscli aul das Katalysatormaterial 13_f wodurch die endotherme Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit "Wasserdampf zu CO, COp und H~ einsetzt. Die erforderliche Reaktionswärme wird durch das heiße Helium des Kernreaktors, das sich in der Heizzone 4 befindet, aufgebracht. Am unteren Ende der Rohre 3, wo sich die Eintrittsöffnung 9 für die Produktgas-Ableitung befindet, weist das Gas etwa Temperaturen von 7oo bis 1COO⁰C auf. Durch die Rückführung dieses Produktgases in der rohrförmigen Ableitung 8 wird zusätzlich noch das Kataiysatormaterial 13 erhitzt, sowie in der bereits erwähnten ^T.^reise das Füllkörpermaterial 12. Aa oberen Ende der Ableitungen 8, dort wo sie in die Sammel-Ableitungen 8a und 8b übergehen, hat das Produktgas noch Temperaturen von etwa 450 bis 55O°C. Die Sammel-Ableitungen 8a und 3b sind unabhängig voneinander durch Ventile 14 und 15 an- und. abstellbar.

Der Gasdruck im Innern der Rohre 3 liegt im Bereich von 5 bis ca. 80 ata, vorzugsweise etwa bei 10 bis 60 atm. Bei dieser hohen Belastung lassen sich Undichtigkeiten in den Rohren im Dauerbetrieb nicht völlig ausschließen» In einem solchen Fall muß vor allem verhindert v/erden, daß das heizende Helium·, welches radioaktive Ilaterialien vom Kernreaktor enthält, in bedeutenden Mengen in die Produktgasleitungen 8, 8a und 8b kommt oder Produktgas in gefährlichen Mengen aufnimmt. Eine kleine Anzahl von P.ohren ist deshalb jeweils so zu einer Gruppe zusammengefaßt, daß die Gruppe getrennt von den anderen Rohren an- und abgeschaltet v/erden kann. In Fig. 1 sind zwei ■feie 'drei Rohre jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßt. In Fig.2 ist in Draufsicht schematisch eine aus sechs Rohren bestehende Gruppe gezeigt, deren Px'oduktgasableitungen 8 in eins Sammelleitung 8c münden, die in nicht dargestellter Weise abschalttoaiTist. !'.^rird eines der Rohre der Gruppe undicht, so wird die ganze Rohrgruppe abgeschaltet, ohne jedoch .gleichzeitig auch die anderen Rohre des Reaktors außer Betrieb zu setzen. Der Reaktor kann dann mit nur unwesentlich verminderter Leistung weiterarbeiten. Eine beliebige Zahl von Rohren kann zu getrennt abschaltbaren Gruppen zusammengefaßt sein, z.B. können 1 bis 6 Rohre eine solche Gruppe bilden. Jede Gruppe besitzt Armaturen zum Absperren der Sammel-Zuleitungen 7a bzw. 7b und der Sammel-Ableitungen 8a bzw. 8b (Fig. 1). Die Sammel-Zuleitungen 7a und 7b und die zugehörigen Zufuhrleieungen 7 werden mit einem genügend großen Durchmesser ausgerüstet und so geführt, daß durch sie von außen das Füllmaterial und das Katalysatormaterial in die Rohre 3 eingefüllt und daraus abgezogen v/erden kann.

Es ist auch möglich, anstelle des vorher erwähnten inaktiven Füllmaterials 12 einen hoch aktiven Nickelkatalysator- in den oberen Teil der Rohre einzusetzen« Ein solcher ITickelkatalysator kann z.B„ ein Reichgaskatalysator sein; geeignet sind Katalysatoren mit 40 bis 70 Gew.% Nickel auf einem Trägermaterial wie etwa Magnesiumsilikat. Ein Einsatzgemisch aus Methan und Wasserdampf wird nurjnehr bereits im oberen Teil der Rohre bei Temperaturen etwa von 400 bis 55O°C in einer endothermen Reaktion teilweise zu CO, COp und H₂ gespalten. Die restliche Spaltung erfolgt im unteren Teil der Rohre, wie das zuvor beschrieben wurde. Durch den Einsatz eines hoch aktiven Katalysators im oberen Teil der Reaktionsrohre kann die Durchsatzleistung pro Rohr gesteigert werden, dazu wird auch der Wärmeaustausch mit dem Produktgas verbessert, weil die endotherme Spaltreaktion Wärme verzehrt.

Claims (6)

Schutzansprüche

1) Reaktor zum Umsetzen gasförmiger oder verdampfter Kohlenwasserstoffe mit Via ss er dampf in indirekt beheizten, Katalysatonnaterial enthaltenden Reaktionsrohren zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb von etwa 700⁰C und einem Druck im Bereich von 5 bis 8^r atm, wobei als Heizmedium ein zum Kühlen eines Kernreaktors verwendetes Gas, insbesondere Helium, mit Temperaturen von über 800°C verwendet v/ird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsrohre über einen Teil ihrer Länge von Heizraedium umgeben sind und mit dem .anderen Teil, der mit einer oder mehreren Zufuhrlfcitungen für die umzusetzenden Reaktionsparter sowie mit mindestens einer Ableitung für das Produktgas versehen ist, sich außerhalb der Heizzone befinden.

2) Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß jedes Reaktionsrohr im Innern eine Ableitung für Produktgas enthält, deren Produktgas-Eintrittsöffnung sich in dem von Heizmedium umgebenen Teil des Reaktionsrohres befindet und daß die Ableitung durch den von Heizmedium nicht umgebenen Teil des Reaktionsrohres hindurchführt.

3) Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, änß die Zufuhr- und Ableitungen der Reaktionsrohre einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt unabhängig von den anderen Leitungen an- und abschaltbar sind.

4) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet. daß der von Heizraedium umgebene Teil der Reaktionsrohre Katalysatormaterial und der andere Teil inaktives Füllmaterial enthält.

5) Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht von Heizmediun umgebenen Tolle der Reaktionsrohre in einem Dampferzeuger angeordnet sind.

6) Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, C durch gekennzeichnet, dai3 in dem nicht von Heizmedium umgebenen Teil der Reaktionsrohre ein hoch aktiver Nickelkatalysator eingesetzt ist.