EP3802748A1 - Method, tube bundle reactor and reactor system for carrying out catalytic gas phase reactions - Google Patents

Method, tube bundle reactor and reactor system for carrying out catalytic gas phase reactions

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EP3802748A1
EP3802748A1 EP19719844.3A EP19719844A EP3802748A1 EP 3802748 A1 EP3802748 A1 EP 3802748A1 EP 19719844 A EP19719844 A EP 19719844A EP 3802748 A1 EP3802748 A1 EP 3802748A1
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EP
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reactor
reaction
gas
catalyst
tube
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EP19719844.3A
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German (de)
French (fr)
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Christian SCHUHBAUER
Dieter Verbeek
Rolf Bank
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MAN Energy Solutions SE
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method and a tube reactor for carrying out catalytic gas phase reactions according to the preamble of claim 1 and 11 and to a reactor system for carrying out catalytic gas phase reactions.
  • the invention relates to the performance of exothermic catalytic gas phase reactions with pronounced temperature maxima. An example of such reactions are methanation reactions.
  • substitute natural gas essentially contains methane and minor amounts of unreacted and other gases which must comply with the feed-in specification of the relevant gas network if the SNG is there is to be fed.
  • SNG can be produced on the basis of coal or other carbonaceous substances such as waste or biomass via synthesis gas - a mixture of CO and / or CO2, H2 and possibly other constituents such as water.
  • methanation is used for chemical storage of e.g. Excess electricity used, which arises in the generation of electricity by renewable energy. By electrolysis hydrogen is generated with this stream.
  • Carbon dioxide is preferably recovered from exhaust gases from industrial processes or from biogas plants.
  • the methanation feed gas in this case consists almost exclusively of CO2 and H2.
  • the reactions are i.d.R. catalyzed with elements of VIII. Subgroup, preferably with nickel.
  • Equations (1) and (2) result in a decrease in volume on the product side. Both reactions are also highly exothermic. This causes a high pressure and a low temperature to shift the reaction equilibrium to the product side. As pressure increases, however, its influence on the reaction equilibrium becomes smaller and smaller. In addition, the wall thicknesses of all pressurized parts of the apparatus are getting ever larger and demands on the tightness, reinforced by the small molecular size of the hydrogen, rise. The reaction temperature is limited downwards by the minimum working temperature of the catalyst.
  • reaction equilibrium can be further shifted to the product side by removing the product component water H2O from the reaction system.
  • this promotes soot formation by the Boudouard reaction according to equation (4).
  • this reaction is suppressed.
  • a feed gas with a nearly stoichiometric composition otherwise the superstoichiometric component remains. This is unproblematic as long as this component is still within the specification of the feed gas. In the other case, a separation is necessary, which leads to increased costs.
  • thermometers if they are installed in individual reaction tubes.
  • feed gas The gases participating in the chemical reactions are referred to below as “feed gas”, as long as they are still before entering a tube bundle reactor or in a reactor system. From entry into a tube bundle reactor or into a reactor system, the gases are referred to as “reaction gas”, from the completion of the chemical reactions as “product gas”.
  • GB472629 proposes to continuously or stepwise alter one or more of the surface, thickness, or activity of the catalyst, gas velocity, turbulence, or flow area. So z. B. in areas with strong heat development, a correspondingly large reduction of the flow cross-section required, which in turn has correspondingly high pressure losses result. Such pressure losses necessitate more powerful compressors and thus lead to increased investment and operating costs.
  • each reaction tube coaxially supervise a metering tube in the catalyst bed and initiate the reaction gas in the metering tube.
  • the metering tube extends from the gas inlet-side end of the reaction tube into the catalyst filling, is free of catalyst material and has a plurality of axially distributed outflow openings, all of which open into the catalyst bed.
  • the reaction is distributed over the length of the reaction tube, whereby the reaction intensity is reduced and the temperature temperature increase is lowered.
  • the metering tube causes a reduction of the hydraulic diameter of the catalyst bed and thus a reduction of the radial transport path for the heat of reaction and thus their faster removal.
  • a reaction gas component A can be fed into the metering tube and a reaction gas component B in the beginning of the catalyst bed.
  • DE 102010040757 A1 proposes a tube bundle reactor whose catalyst-filled reaction tubes provided with metering tubes extend through two heat transfer zones, the outflow openings of the metering tubes all opening into the catalyst bed within the first heat transfer zone.
  • the reaction gas is passed in each reaction tube simultaneously both in the inlet of the catalyst bed and in the metering.
  • a widely used method for methanation are reactor systems with at least two reactor stages, wherein the first reactor stage is a high-temperature methanation in which high reaction rates are achieved at high temperature. In a second reactor stage, the reaction is continued in a low-temperature methanation to the desired conversion.
  • the feed gas is fed completely to the first reactor, it is often diluted with circulating gas from downstream reaction stages to avoid excessively high reaction temperatures.
  • the feed gas is tempered with a preheater to the minimum working temperature of the catalyst.
  • a corresponding method is shown in DE2549439A.
  • the feed gas is split and fed in parallel to the inlet of a plurality of adiabatic fixed bed reactors connected in series.
  • the feed gas can additionally be diluted by adding steam.
  • the process is exemplarily operated at about 35 bar, the inlet temperature in the reactors is between 240 ° C and 300 ° C, the outlet temperature at about 600 ° C.
  • the heat of reaction is used in-process for gas tempering and in other parts of the plant.
  • Hydrogen is removed from the product gas and returned to the feed gas.
  • DE1645840A proposes a two-stage methanation process in which after the first methanation stage so much water vapor is removed from the reaction gas that carbon deposition on the catalyst is prevented.
  • a partial condensation is carried out after the reaction gas has passed through two methanization reactors.
  • DE102009059310A1 in the case of two reactors connected in series with external cooling, such a partial condensation is carried out between these two reactors.
  • the invention has the object to improve a method, a tube reactor and a reactor system of the type mentioned so that catalytic gas phase reactions with pronounced tempera rmaxima safer, faster and can be carried out with a small size and at the same time extends the life of the catalyst becomes.
  • this object is achieved by a method according to claim 1, a tube bundle reactor according to claim 11 and a reactor system according to claim 16.
  • catalyst activity is known to those of skill in the art, e.g. in the article "Reschetilowski W .: Introduction to heterogeneous catalysis, Springer Verlag Berlin Heidelberg 2015, pp. 11-20, DOI 10.1007 / 978-3-662-46984-2_2.
  • the effectiveness of catalytic gas phase reactions is considerably improved with increased operational reliability, since a more precise control or guidance of the reaction temperature is achieved and a higher throughput is achieved.
  • the measures according to the invention are based on the finding that in a tube bundle reactor in which a metering tube is embedded in the catalyst bed of the reaction tubes, the interior of which is catalyst-free, not only the radial heat transport path is shortened but also the flow cross-section of the catalyst bed in the flow direction of the reaction gas is reduced and in this reduced flow cross-section reaction gas is introduced at axially different locations as part streams in the catalyst bed, whereby the heat load of the catalyst bed is made uniform and thus the temperature maximum is reduced.
  • the activity of the first catalyst layer is reduced. Since the chemical reactions take place under the influence of catalysts, as a precondition, first of all the conversion decreases. On the other hand, however, there are several influences that lead to an increase in sales and thus approximately cancel the sales-reducing effect of reduced catalyst activity.
  • the reduced catalyst activity initially results in less heat of reaction, which leads to a reduction in the height of the temperature of the hot spot.
  • a reduced gas temperature now reduces the volume flow and thus the dependent of the gas velocity speed pressure loss, which in turn has an increased mass flow through the first catalyst layer result. It establishes a balance with the parallel gas flow inside the metering tube.
  • the conversion at the end of the reaction tube thus remains essentially constant.
  • the temperature control in the initial region of the catalyst bed is significantly improved, with the conversion, the flow cross-section and the pressure loss remain essentially unchanged.
  • the decisive advantage of the measure according to the invention is that the lifetime of the catalyst is significantly increased by the improved control of the temperature of the hot spot in the first catalyst layer.
  • the reactor of the invention has a significantly higher catalyst activity than a reactor designed according to the prior art with undiluted catalyst, so that more product can be produced in a given production period.
  • the degree of conversion achieved with a tube bundle reactor according to the invention is already sufficient for certain purposes.
  • the product gas can be used with the achieved methane concentration for feeding into an L-gas network or for combustion in combined heat and power plants.
  • the reaction conditions can be adapted relatively easily to different requirements and in particular to changing conditions in the tube bundle reactor.
  • a particularly effective temperature control is possible at any time.
  • a controlled hot spot damped according to a specification, is formed. This sounds out and the temperature in the catalyst layer changes only slightly.
  • This last range of the small temperature change preferably accounts for a proportion of 10 to 40% of the first catalyst layer.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the need for recycling partial product streams for cooling or dilution is eliminated.
  • the method is suitable for all heterogeneously catalyzed exothermic gas phase reactions that form a hot spot in the beginning of the catalyst bed.
  • the invention is suitable for those reactions in which this hot spot is particularly pronounced and is correspondingly difficult to control.
  • the catalytic gas phase reaction includes methanation reactions as an example of such reactions.
  • the feed gas for carrying out the process according to the invention preferably consists of CO and H. at Use of CO 2 and H 2 as components of the feed gas in stoichiometric composition after water separation at the end of the process a product gas with a composition according to the equilibrium conditions at a given pressure and temperature is to be expected.
  • the methane content will be slightly lower, perhaps because the reactant gas is not exactly in stoichiometric composition. If the feed gas composition is not stoichiometric, one or the other component will always remain after the reaction.
  • the choice of the feed gas composition depends on the respective feed conditions for the SNG.
  • the process is preferably run in a range between the stoichiometric composition of CO2 / H2 and a slight excess of CO2.
  • the preferred range of ratios of CO2 / H2 in this case is between 0.25: 1 and 0.26: 1.
  • the activity of the first catalyst layer is preferably adjusted to 5% to 90% and particularly preferably to 10% to 40% of the activity of the at least one further catalyst layer.
  • the first and the second catalyst bed can each be subdivided into even further catalyst layers having different catalyst activities, the catalyst activity preferably increasing from catalyst layer to catalyst layer.
  • the reaction parameters in the tube bundle reactor in particular the heat carrier temperature, the bed heights of the individual catalyst layers, the axial distances of discharge points of the partial streams, the partial flow amounts and the catalyst activation are set so that the maximum temperatures in the first and second catalyst layer in a Range of 300 ° C to 900 ° C, preferably between 500 ° C and 700 ° C.
  • the controlled high temperatures within the catalyst bed lead to an optimum in terms of reaction rates and conversion.
  • the tube bundle reactor requires only a relatively small reaction space.
  • the heat of reaction generated in the process is preferably used internally in the process and more preferably also inside the apparatus.
  • the cooling may be more favorable with a heat transfer medium which is liquid under operating conditions.
  • the pressureless operation offers, for example with liquid salt, ionic liquids or a thermal oil.
  • materials for the tube bundle reactor are usually all customary in pressure vessel construction heat-resistant steels into consideration, such. the material with the short name 16Mo3 or similar materials. Depending on the location and the type of stress, other materials may also be used.
  • thermometers To control the temperature of individual reaction tubes are equipped with thermometers, which allow a Temperaturmessu ng along the reaction tubes.
  • the reaction gas is preferably introduced into the crude reactor at a pressure of from 5 bara to 50 bara and preferably from 10 bara to 30 bara and more preferably from 15 bara to 25 bara.
  • This pressure range is optimal in terms of influencing the reaction equilibrium, taking into account the design effort, which consists primarily in the strength design, and the investment and operating costs for compression of the feed gas at the entrance of the tube bundle reactor.
  • the heat carrier temperature of the tube bundle reactor is adjusted so that it is in the range of 240 ° C to 300 ° C.
  • This temperature range is optimal in terms of influencing the reactions in terms of reaction rate and conversion.
  • the inventive method can also be carried out at temperatures in the range between 200 ° C and 350 ° C. Decisive for the lower temperature is always the light-off temperature of the catalyst, which should not be undercut.
  • the tube bundle reactor forms a first reactor stage of a reactor system, which further comprises a condenser, a heating zone and a second reactor stage, all in the flow direction of a reactor system flowing through Reaction gases are arranged one behind the other, with the further steps following step b):
  • step c) heating the reaction gas, from which part of the condensed constituents was derived in step c);
  • the basic idea in these measures is to optimize one reaction parameter in each individual reactor stage.
  • the aim of the first reactor stage is a controlled high reaction rate.
  • the reactor dimensions are minimized and extended the life of the catalyst.
  • the second reactor stage the residual conversion takes place at low temperature. At this residual conversion only little heat of reaction is generated.
  • the structural design of the second reactor stage can be considerably simplified and is usually sufficient for a simple adiabatic catalytic fixed bed reactor.
  • the conversion of the educts at the end of the first reactor stage is in the range of 90% to 99%.
  • the residual conversion takes place in the second reactor stage.
  • the conversion in the first reactor stage is limited by the reaction product water because of the equilibrium reaction. Due to the partial condensation after the first reactor stage, water is removed from the reaction system, so that the reaction equilibrium is further shifted to the product side. Due to the high conversion of the first reactor stage, the heat of reaction in the second reactor stage is so low that i.d.R. a simple adiabatic fixed bed reactor is sufficient for the remaining methanation.
  • the reaction gas is passed through exactly two reactor stages.
  • the reaction parameters can be adjusted so that in the second reactor stage, the remaining reaction of the starting materials takes place and thus the total conversion of the reactants is completed and another reactor stage is no longer required.
  • methanation reactions that after the second reactor stage, the product gas, after condensation of the water content, meets the feed specification of the respective gas network into which it is to be fed.
  • the main objective is to achieve a methane concentration according to the feed specification. This is achieved by a high conversion at a relatively low temperature.
  • the lower temperature limit is determined by the minimum working temperature of the catalyst, also referred to as "light-off temperature”.
  • the upper temperature limit is determined by the temperature resistance of the catalyst and the turnover to be maintained. Conveniently continues to have a high pressure.
  • the reaction gas is cooled to a temperature below the dew point of water in step c) and at least a portion of the condensed water derived. Due to the partial condensation and dissipation of the reaction product water between the first reactor stage and the second reactor stage, the reaction equilibrium is shifted to the product side in a favorable manner.
  • the reaction gas after deriving at least a portion of the condensed water advantageously contains a residual water vapor content of 0% to 30% and preferably from 15% to 25%.
  • a residual water vapor amount in the reaction gas soot formation is prevented, thus stabilizing the process.
  • the reaction gas Before entering the second reactor stage, the reaction gas is heated to something above the light-off temperature analogous to the feed gas in a preheater. With this residual steam content, an optimum is achieved with respect to the shift of the reaction equilibrium on the product side and the prevention of soot deposits.
  • the entire reactor system with a space velocity (GHSV) of 5000 1 / h to 20,000 1 / h, particularly preferably from 8000 1 / h to 15000 1 / h, operated.
  • GHSV space velocity
  • a high space velocity leads to a smaller reactor volume at the same reactor power. This results in reduced investment costs and constructive advantages by reducing space requirements.
  • the reduction of the catalyst activity in a tube bundle reactor according to the invention is preferably achieved by diluting the catalyst with an inert material.
  • the dilution ratio of catalyst to inert material is preferably in a range of 1: 1 to 1:10 and more preferably in a range of 1: 2.5 to 1: 4.
  • the ratios relate to the bulk volumes of the individual components.
  • the degree of dilution of the first catalyst layer with the aim of a reduced catalyst activity depends in particular on the basic activity of the undiluted catalyst, the flow rate, the GHSV and the inlet temperature.
  • the shape of the usable particles for the catalyst is not particularly limited. In principle, all known shaped bodies can be used, e.g. Balls, pellets, saddles or cylinder rings.
  • the particles should have good flow behavior and not settle after filling, i.
  • the height of the bed should ideally not change during operation. They should be such that the flow behavior in the annular space between the reaction tube inner wall and Dosierrohrau touchwand only slightly deviates from the flow behavior of a particle bed with a large flow area. With the flow behavior in particular the pressure loss and the Randauerkeit meant.
  • cylinder pieces with a diameter in the range of 1, 2 mm to 3.0 mm, a length in the range of 3.0 mm to 8.0 mm and a length / diameter ratio in the range of 1: 1 to 8: 1.
  • the particles are preferred for use as a full catalyst.
  • the size and shape of the catalyst particles and inert particles are usually about the same. As a result, segregation of the two types of particles is prevented.
  • catalyst particles and inert particles are different in size and / or in shape.
  • This embodiment can be particularly advantageous if, for example, inert particles such as catalyst particles are difficult to obtain or inert particles of a different type are significantly more economical.
  • the individual parameters of this training can not be determined in advance. They must be examined and determined separately in individual cases.
  • a filling method is preferably used, which is particularly designed to prevent segregation.
  • the proportion of the first catalyst layer at the (first) catalyst bed is preferably 5% by volume and 50% by volume.
  • the proportion of the first catalyst layer with reduced activity on the total catalyst volume is the result of the process simulation. In general, a proportion in a range of 10 vol .-% to 35 vol .-% of the total catalyst volume of the (first) catalyst bed. In the first catalyst layer and in the initial region of the second catalyst layer, a high conversion is achieved at high temperature. The following hot spots following each additional gas discharge point are preferably weaker in their height.
  • the tube bundle reactor is flowed through from bottom to top, d. H. the reaction tubes are flowed through from bottom to top. Accordingly, the metering tube of a reaction tube is attached at the lower end and ends within the catalyst bed.
  • the filling of the catalyst is greatly simplified in the reaction tubes, since the upper ends of the reaction tubes in this arrangement are free of internals.
  • reaction tubes having an outside diameter in the range from 20 mm to 100 mm, preferably in the range from 20 mm to 40 mm, have proven particularly useful with wall thicknesses in the range of 1.5 mm to 3.0 mm.
  • the metering tube preferably has an outer diameter in a range of 6 mm to 85 mm, particularly preferably 6 mm to 15 mm, with a wall thickness in the range of 1, 0 mm to 2.0 mm.
  • the cross-sectional shape of the metering tubes is arbitrary.
  • the cross section may for example be circular or oval or quadrangular.
  • Several parallel metering tubes in a reaction tube are possible.
  • the at least two catalyst layers preferably contain the same catalyst material and the first catalyst layer contains 5% by volume to 90% by volume, preferably 10% to 40% by volume, of the catalyst material of the at least one further catalyst layer.
  • the catalyst activity of the first catalyst layer can be adjusted flexibly by dilution with inert material.
  • process optimization is first performed by numerical simulation. This results in a first, possibly even relatively further optimal range of the degree of dilution. Further optimization can be achieved through pilot plant trials.
  • the first, already determined area is checked and, if necessary, further optimized, ie defined more precisely.
  • the axial distance between the at least one gas inflow and the first gas outflow in the flow direction of the reaction gas the axial distance between the Gasausströmstellen and the axial distance between the last Gasausströmstelle and the end of the metering tube and the number chosen so that a heating surfaces belastu ng by the liberated reaction heat between the Gaseinström- or Gasausströmstellen in the range of 10 kW / m 2 to 150 kW / m 2 , preferably in the range of 20 kW / m 2 to 50 kW / m 2 results.
  • Reference surface here is the tube outer surface.
  • the quadratic ratio of the inner diameter of the reaction tube to the outside diameter of the metering tube is in a range from 2 to 6. With these preferred ratios, an annular gap results, which particularly meets the requirements for a reaction control.
  • the reactor system according to the invention has several components which influence one another.
  • the individual components are designed using a simulation program.
  • a simulation program can be a commercially available program or a program which can be created with known process engineering contexts.
  • the catalysts have different activities depending on the composition.
  • the parameters of the catalyst to be used are determined for this purpose in laboratory experiments and thus adapted to the simulation parameters.
  • the sizes of the first and second reactor stages influence each other. The larger the first reactor stage, ie the more catalyst volume is present there, the greater is the conversion there. The second reactor stage will be less. Conversely, a smaller first reactor stage requires a larger second reactor stage.
  • the reactor system can be optimized, for example, to a minimum total amount of catalyst given given given boundary conditions for mass flow rate and methane concentration.
  • the conversion of the first reaction stage is too low, then it may come in the second reactor stage to a critical operating case in which locally so much heat of reaction is released that the temperature rises so high that, firstly, the catalyst is damaged and secondly, the turnover under one specified value, which is normally at least equal to the feed-in specification. There is also the risk of damage to the reactor.
  • the second reaction stage is therefore preferably dimensioned so that even with a decrease in the conversion in the first reaction stage to a worst-case expected value of the limit in the second Reaction stage, which leads to a critical operating case is not achieved.
  • an adiabatic catalytic fixed bed reactor is preferably used. Its simple structural design increases the efficiency of the reactor system.
  • At least two of the units of the first reactor stage, condenser, heating zone and second reactor stage form a structural unit. If the first and second reactor stages are arranged in a reactor housing, then the two reactor stages can be arranged either sequentially or in parallel. The combination of individual units in a constructive unit leads to a compact production plant. More compact design units increase the clarity of the system and lead to cost savings. In internal heat utilization heat losses are minimized.
  • the second reactor stage can also be designed as an isothermal catalytic reactor. This can be advantageous if both reaction stages are arranged in a reactor housing.
  • the second reactor stage is a cooled reactor whose average heat transfer temperature is 0 K to 30 K lower than the heat carrier temperature of the first reactor stage. This temperature range is optimal in terms of reaction rate, recoverable conversion and overall size of the individual units of the reactor system.
  • the second reactor stage is preferably a tube bundle reactor with a bundle of reaction tubes which are filled with the second catalyst bed and, during operation, are operated by a reaction vessel. gas flows through and are cooled by a heat transfer medium.
  • This variant increases the flexibility of the overall system, because it is possible to reduce the conversion of the first reactor stage and to increase the heat of reaction in the second reactor stage accordingly. This procedure may be useful if, for example, two identical reactors represent an alternative to two different reactors for constructional or economic reasons or offer joint heat utilization.
  • the reaction tubes of the two reactors are located in a common heat carrier space.
  • a reactor is saved.
  • the reactions of both reactor stages can be controlled simultaneously. Nevertheless, very different adapted reaction conditions can be set by the metering tubes in the first reactor stage.
  • FIG. 1 shows a vertical section through a first embodiment of a tube bundle reactor according to the invention
  • FIG. 2 shows on an enlarged scale a sectional view through an exemplary embodiment of a reaction tube from the tube bundle reactor from FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a vertical section through a second exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention
  • FIG. 4 shows a diagram of a first embodiment of a reactor system according to the invention
  • FIG. 5 shows a diagram of a second exemplary embodiment of a reactor system according to the invention, with first and second reactor stages in the same reactor housing,
  • Figure 6 shows a vertical section through a reactor housing of a third embodiment of a tube bundle reactor according to the invention, with first and second reactor stage in the same reactor housing and
  • Figure 7 shows a vertical section through a reactor housing of a fourth embodiment of a tube bundle reactor according to the invention, with first and second reactor stage and capacitor and heating zone in the same reactor housing.
  • FIG. 1 shows a boiling water reactor as an exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention.
  • the tube bundle reactor 12 has a bundle 13 with a multiplicity of catalyst-filled reaction tubes 14, which are located between an upper tube plate 15 and a lower tube plate 16 extend vertically and are enclosed by a cylindrical reactor shell 17. The two
  • reaction tubes 14 are gas-tight welded to the respective tube sheet 15,16.
  • the reaction tubes 14 by a reaction gas 1 1 - in the illustrated embodiment, from top to bottom - flows through and cooled by a heat carrier 18.
  • the two tube sheets 15, 16 together with the jacket 17 a heat transfer chamber 18 A, in which the heat transfer medium 18 enters through an inlet line 52 in the lower end region of the reactor shell 17 and from the heat transfer medium 18 through an outlet line 53 in the upper end region of the reactor shell 17 exit.
  • the upper tube sheet 15 is from a gas inlet hood
  • reaction tubes 14 are filled with a catalyst bed 4, wherein in each reaction tube 14 coaxially to this a metering tube 21 is arranged, whose interior 22 is free of catalyst.
  • FIG. 2 shows a catalyst-filled reaction tube 14 with metering tube 21 in detail.
  • the reaction tube 14 and the metering tube 21 are not shown to scale there and in Figure 1.
  • the length / diameter ratio of reaction tubes 14 and metering tubes 21 is much larger in reality.
  • the metering tube 21 extends by a predetermined length into the reaction tube 14 and is fixed by spacers 23 in its central position.
  • the metering tube 21 is attached in a manner not shown here at its gas inlet end 24 on the reaction tube 14 or on the adjacent upper, gas inlet side tube plate 15.
  • an annular gap 27 is formed whose size is dimensioned so that the square ratio of the inner diameter 28 of the reaction tube 14 to the outer diameter 29 of the metering tube 21 is in a range of 2 to 6 ,
  • a catalyst holder 31 is arranged, on which the catalyst bed 4 rests. This extends from the catalyst holder 31 to the metering tube 21 and then further into the annular space 32 between the reaction tube 14 and metering 21 into a predetermined distance from the gas inlet end 33 of the reaction tube 14.
  • a catalyst-free space 34 is formed , This prevents the way bubbles of catalyst material, because at the gas inlet of the reaction tubes 14, turbulence in the reaction gas stream 1 1 can form.
  • a gas-permeable element for example a perforated plate or a wire mesh, can be arranged in order to fix the catalyst in its position.
  • the ratio of the annular gap 27 between the inner wall 25 of the reaction tube 14 and the outer wall 26 of the metering tube 21 to the particle diameter of the catalyst bed 4 is in the range of 2 to 6.
  • the gas inlet-side end 24 of the metering tube 21 forms an inflow opening 35 for the reaction gas 11.
  • a first Gasausströmstelle 37 A is arranged and in the example shown at further predetermined axial distances from this still a second and a third, last Gasausströmstelle 37 B, 37 C.
  • a Gasausströmstelle is formed by one or more Gasausströmöffn openings 38, which are preferably evenly distributed on the circumference of the metering tube 21.
  • the Gasausströmö réelleen 38 a Gasausströmstelle 37 A, 37 B, 37 C may be offset in the circumferential direction against each other.
  • the size and number of these Gasausströmö réelleen 38 are dimensioned so that sets a predetermined gas flow.
  • 21 throttle openings may be arranged in the manner not shown here within the metering tube.
  • the metering tube 21 has three functions. It reduces the flow cross-section of the catalyst bed 4 in the reaction tube 14 to the cross-section of the annular space 32 between the reaction tube 14 and metering tube 21, whereby the heat of reaction is reduced. Further, the reaction gas 11 is introduced axially stepped, whereby the total heat of reaction is divided into several smaller proportions. And finally, transverse to the flow direction of the reaction gas 11, the heat dissipation path is shortened to the size of the annular gap 27 between the reaction tube 14 and metering tube 21, so that not only less reaction heat is created, but this is also derived even faster.
  • the catalyst bed 4 is divided into two catalyst layers 4a, 4b.
  • the first catalyst layer 4a in the flow direction of the reaction gas 11 has a lower activity than the subsequent second catalyst layer 4b. It, 4a, starts at the gas inlet-side end 36 of the catalyst bed 4 in the annular space 32 and ends upstream of the first gas discharge point 37A.
  • the two catalyst layers 4a, 4b contain the same catalyst material, the first catalyst layer 4a being a mixture comprising 5% by volume to 90% by volume, preferably 10% by volume to 40% by volume of the catalyst material of the second catalyst layer 4b and otherwise contains inert material.
  • the particle sizes of the catalyst material and the inert material are preferably the same in order to avoid segregation, in particular when filling the reaction tubes 14.
  • a preheated feed gas 10 enters the gas inlet hood 19 of the crude reactor 12 through the gas inlet nozzle 50 and distributes there - now referred to as reaction gas 11 - onto the reaction tubes 14.
  • each reaction tube 14 the reaction gas stream entering there is subdivided into a first substream 11.1, which enters directly into the catalyst bed 4 located in the annular space 32 between metering tube 21 and reaction tube 14, and into a second substream 11.2, which enters the inflow opening 35 of the metering tube 21 and there is guided in the bypass to the catalyst bed 4 until it emerges from the gas outflow points 37A, 37B, 37C as part streams 11.2A, 11.2B, 1 1.2C in the catalyst bed 4.
  • the gas inlet-side end 36 of the catalyst bed 4 thus forms the point of introduction for the partial flow 11.1 and the gas outlet points 37A, 37B, 37C form the points of introduction for the partial flows 11.2A, 11B, 11C into the catalyst bed 4.
  • the reaction tube section 14.2 is subdivided into a reaction tube section 14.2a, which contains the first catalyst layer 4a (with a lower activity), and a reaction tube section 14.2b, which contains part of the second catalyst layer 4b.
  • the downstream end 40 of the first catalyst layer 4a is located at a predetermined distance upstream of the first gas discharge point 37A or the second catalyst layer 4b projects upstream from the first gas discharge point 37A by this distance and forms the reaction tube section 14.2b.
  • This reaction tube section 14.2b fulfills the main function of reacting the reaction gas 1 1 almost to the reaction equilibrium until it reaches the first gas discharge point 37A. Another function is to provide a safety zone in the event of possible settling of the catalyst, so that it is ensured that the reaction gas 11, which flows through the first gas outlet 37 A in the catalyst bed 4, flows into an undiluted catalyst layer 4 b and so on optimal conditions.
  • the reaction forms a temperature profile within the first catalyst layer 4a with a hot spot and has progressed far to the downstream end 40 of the first catalyst layer 4a, which is to be understood as a degree of conversion in the range of about 70% to 85%.
  • the required axial extent of the catalyst layer 4a is determined by means of simulation calculations.
  • the reaction tube section 14.3 adjoining the reaction tube section 14.2 is a series of gas outlet points 37A, 37B, 37C and subsequent reaction sections. It starts with the first gas discharge point 37A and ends with the downstream end 39 of the metering tube 21.
  • 11.2B, 1 1.2C of the reaction gas 11 react in the respectively following catalyst layer 4b to the next gas outlet 37B, 37C or to the downstream end 39 of the metering tube 21.
  • the axial distances of the gas outlet 37A, 37B, 37C are dimensioned such that the reaction of the respectively added substreams 1 1 2A, 1 1 2B to the beginning of the next gas outflow point 37B, 37C has progressed far, this also being understood as meaning a degree of conversion in the range from about 70% to 85%. In this case, the conversion of the reaction sections at their downstream ends in the downstream direction from reaction section to reaction section increases.
  • a last reaction tube section 14.4 connects to the last part of the catalyst layer 4b of the catalyst bed 4, in which a residual conversion takes place up to the reactive weight. Because of the small amount of heat of reaction generated there, the effects of the dosing tube 21 are no longer needed.
  • the residence time of the reaction gas 11 is extended, whereby the reaction can be performed almost to the same weight as the reaction weight.
  • the conversion is in the range of 90% to 99%.
  • the reaction gas 11 flows out of the reaction tubes 14 into the
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention.
  • the heat transfer medium is circulated by means of a pump (not shown).
  • a cooler 350 is connected directly to the tube bundle reactor 12, so that together they form a structural unit 300.
  • the tube bundle reactor 12 has - as the tube bundle reactor shown in Figure 1 - a bundle 13 reaction tubes 14 which are filled with the catalyst bed 4 and in each of which a metering tube 21 is at least partially embedded in the catalyst bed 4.
  • the reaction tubes 14 with the metering tubes 21 are flowed through from top to bottom. They correspond to the embodiment shown in Figures 1 and 2, d. H. the catalyst bed 4 is divided into two catalyst layers 4a and 4b as described therein.
  • the upper, gas inlet-side ends of the reaction tubes 14 are gas-tightly secured in an upper tube plate 15, which is spanned by an upper reactor hood or gas inlet hood 19 with a gas inlet nozzle 50.
  • the lower, gas inlet-side ends of the reaction tubes 14 are gas-tightly secured in a lower tube plate 16, on which on the side facing away from the reaction tubes 14 side of the radiator 350 is attached.
  • reaction tubes 14 are also enclosed here by a cylindrical reactor jacket 17, which forms a heat carrier chamber 18A together with the upper and lower tubesheet 15, 16.
  • the reaction tubes 14 are flowed around by a heat carrier 18, the heat carrier 18A supplied from a lower annular channel 352 and in the heat transfer chamber 18A through disc and annular baffles 353 meandering in each radial direction from outside to inside and vice versa and from below above - ie transversely to the reaction tubes 14 and in countercurrent to the reaction gas 1 1 - passed through the tube bundle 13 and is derived from an upper annular channel 354 again from the heat carrier chamber 18A.
  • the annular channels 352, 354 enclose the reactor jacket 17 on the outside thereof and are in fluid communication with the heat carrier chamber 18A through jacket openings 355.
  • the heat transfer medium 18 is via a heat exchanger and a heat transfer pump, both not shown here, led in a circle.
  • the heat carrier 18 is a well-known liquid salt, but other heat transfer can be used, such as thermal oil or ionic liquids.
  • the cooler 350 has a bundle 356 of cooling tubes 357, the number of which may be smaller than the number of reaction tubes 14.
  • the cooling tubes 357 extend from an upper radiator tube bottom 358 vertically to a lower bulb tube bottom 359 and are of one cylindrical radiator sheath 360 enclosed. The ends of the cooling tubes 357 are welded gastight to the respective radiator tube plate 358, 359.
  • the cooling tubes 357 are catalyst-free and are flowed through by the reaction gas 11 from top to bottom.
  • a gas transfer chamber 361 is arranged, into which the reaction gas 11 exits the reaction tubes 14 and from which it enters the cooling tubes 357.
  • the cooling tube bundle 356 is traversed transversely by a heat carrier 362 in a heat carrier circuit independent of the heat transfer medium circuit of the tube bundle reactor 12.
  • the heat transfer fluid enters through an in the lower end region of the radiator 350 arranged inlet nozzle 363 in the radiator 350 and through an upper end of the radiator 350 arranged outlet nozzle 364 from this again.
  • a baffle 365 is arranged between the inlet and the outlet nozzle 363, 364, which extends horizontally through the entire cooling tube bundle 356, so that the heat carrier flow coming from the inlet nozzle 363 and after its deflection to the outlet nozzle 364 out across the entire cooling tube bundle 356 is performed.
  • the lower radiator tube plate 359 is spanned on its side facing away from the cooling tubes 357 by a lower reactor hood or a gas outlet hood 20 with a gas outlet nozzle 51.
  • reaction gas 11 enters the gas outlet hood 20 and is discharged through the gas outlet nozzle 51 - now referred to as product gas 43 - from the cooler.
  • the exemplary embodiment of a reactor system 1 according to the invention shown in FIG. 4 has a preheater 2, a tube bundle reactor according to the invention (eg the exemplary embodiments illustrated in FIG. 1 or 3) as a first reactor stage 3 with a first catalyst bed 4, a condenser 5, a compressor 6, a heating zone 7 and a second reactor stage 8 with a second catalyst bed 9, all in the flow direction of the Reactor system 1 flowing through the feed gas 10 and reaction gas 11 are arranged one behind the other.
  • the feed gas 10 is heated prior to its entry into the tube bundle reactor 12 to at least the so-called light-off temperature of the catalyst of the catalyst bed 4. This is the temperature necessary for a catalytic reaction to take place.
  • the feed gas 10 is adjusted to a temperature which is 5 K to 30 K higher than the light-off temperature. It is also possible to heat in the tube bundle reactor 12 directly in front of the catalyst bed 4. As a result, a part of the system is saved.
  • the reaction gas 11 exiting from the first reactor stage is cooled to a temperature below the dew point of at least a portion of the constituents of the reaction gas 11 and a portion of the condensed constituents 41 are discharged.
  • the water formed during the reactions in the tube bundle reactor 12 is partially condensed out and discharged into lines.
  • the compressed reaction gas 1 1 is heated to at least the light-off temperature of the second catalyst bed 9 of the second reactor stage 8.
  • the second reactor stage 8 is an adiabatic reactor 42.
  • the reaction of the reaction gas 11 is completed by achieving a high conversion at a relatively low temperature.
  • the degree of conversion is in the range from 98.0% to 99.6%.
  • the water produced in the process is generally almost completely condensed out.
  • the product gas 43 now consists largely of methane CH 4 with a methane concentration corresponding to a given feed specification.
  • the first and second reactor stages 3, 8 are designed as a structural unit in the form of a so-called combined reactor 100.
  • Combined reactor 100 has in this embodiment both for the first reactor stage 3
  • Reaction tubes 114A as well as for the second reactor stage 8 reaction tubes 114B, which are combined in a single tube bundle 113 and distributed mixed there.
  • the tube bundle 113 is enclosed by a reactor jacket 117, so that the reaction tubes 114A,
  • reaction tubes 114A, 14B of both the first and second reactor stages 3, 8 are filled with catalyst material and are flowed through by reaction gas 11 during operation, with the reaction tubes 114A of the first reactor stage 3 in fluid communication with another gas distribution space and gas collection space Reaction tubes 114 B of the second reactor stage eighth
  • the reaction tubes 114A of the first reactor stage 3 are filled with the first catalyst bed 4, which, as described above, is subdivided into at least one catalyst layer 4a and one catalyst layer 4b, and flows through from top to bottom. They are attached at their ends with a first upper and a first lower tube sheet 115A, 1 16A gas-tight.
  • a metering tube 21 is arranged coaxially, which is at least partially embedded in the first catalyst bed 4.
  • the metering tubes 21 and this first catalyst bed 4 may be formed, for example, as shown in FIG.
  • the reaction tubes 114B of the second reactor stage 8 are filled with the second catalyst bed 9 and are flowed through from bottom to top. They are gas-tightly secured at their ends to a second upper tube sheet 1 15B spaced above the first upper tube sheet 115A and into a second lower tube sheet 116B spaced below the first lower tube sheet 116A.
  • the reaction tubes 14B of the second reactor stage 8 are filled exclusively with the second catalyst bed 9 and contain no metering tubes.
  • the second upper tube sheet 1 15B is spanned by an upper reactor hood 1 19 and the second lower tube sheet 116B by a lower reactor hood 120.
  • the (first) gas inlet space 119A and the space between the first lower and the second lower tubesheet 16A, 116B form the (first) gas collecting space 120A for the reaction tubes 114A of the first reactor stage 3.
  • the lower reactor hood 120 forms the (second) gas inlet space 1 19B and the upper reactor hood 119 forms the (second) gas collecting space 120B for the reaction tubes 14B of the second reactor stage 8.
  • the exemplary embodiment of a reactor system 101 according to the invention shown in FIG. 5 is operated as follows:
  • a gas stream with a first feed gas component 10a and a gas stream with a second feed gas component 10b are combined into a feed gas 10 in a mixer, not shown here.
  • This is heated to the light-off temperature of the first catalyst bed 4 before it enters the first reactor stage 3 during ongoing stationary operation in countercurrent in a preheater 102 by the product gas 43 coming from the second reactor stage 8.
  • the feed gas 10 is therefore heated during the starting process by a preferably electrically operated starting preheater 102.1.
  • the operation of this Anfahrvor lockerrs 102.1 is possible in any way - for example, with steam, if a steam network is available.
  • the diversion of the feed gas stream 10 takes place by corresponding opening or closing of shut-off valves 150 in the pipeline.
  • the preheated feed gas 10 flows into the (first) gas distribution chamber 119A of the first reactor stage 3 of the combined reactor 100 and from there into the reaction tubes 114A with the metering tubes 21. After emerging from these reaction tubes 14A, the reaction gas 11 is passed into the first gas collection chamber 120A.
  • the water 41 contained in the reaction gas 11 - in the case of methanation - is partially condensed and discharged in a condenser 105, so that the reaction gas 11 only contains a water content of about 20% by volume.
  • the cooled reaction gas 11 is then heated again in the heat exchanger 151 before it is conducted into the (second) gas distribution chamber 1 19B of the second reactor stage 8 of the combined reactor 100. From there, the reaction gas 11 flows into the reaction tubes 14B of the second reactor stage 8, where the residual conversion takes place towards the desired product gas composition.
  • the reaction gas 11 then enters from these reaction tubes 14B into the second gas collection chamber 120B in the upper reactor hood 119, from where it is led out of the combined reactor 100 as product gas 43.
  • the product gas 43 heats the feed gas 10 entering the first reactor stage 3 and is subsequently conducted into a second condenser 152 where the water 153 still formed in the second reactor stage 8 is condensed out and discharged.
  • the dry product gas 43 is then transferred to the gas feed unit.
  • the combination reactor 100 shown is a boiling water reactor.
  • the operating pressure is 55 bara, resulting in an operating temperature of 270 ° C.
  • at least some of the feed water is used as the cooling medium for the condensers.
  • the feed water 155 supplied by means of a pump 154 is used as a coolant in the condenser 105 between the first and second reactor stages 3, 8 before being supplied to the steam drum 156 of the coolant circuit 157 of the boiling water reactor 100.
  • the reactor system 101 is further equipped with a measuring, control and control system, not shown here, as is customary for systems of this type.
  • the composition of the reaction gas 1 1 is analyzed between the first and second reactor stage 3.8. In this case, it is checked whether the conversion of the first reactor stage 3 is sufficiently high, so that the residual conversion in the second reactor stage 8 does not lead to unacceptably high temperatures.
  • Temperature measuring points are furthermore expedient in all process streams and in the second reactor stage 8.
  • the process streams in this case include the feed gas components 10a, 10b before and after the mixture, the reaction gas 11, the heat carrier 118, condensed water 41, 43, feed water 155 for the boiling water cycle 157 and any other auxiliary currents.
  • FIG. 6 shows a variant 200 of the combined reactor 100 shown in FIG. 5.
  • the reaction tubes 214A, 214B of the first and second reaction stages 3, 8 are not distributed uniformly over the reactor cross section, but are arranged in separate regions ,
  • the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3 are arranged in an annular tube bundle 213A, which encloses a central tube bundle 213B with the reaction tubes 214B of the second reactor stage 8.
  • the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3 each contain a coaxially arranged metering tube 21 which is at least partially embedded in the first catalyst bed 4.
  • the first catalyst bed 4 is divided into a catalyst layer 4a and a catalyst layer 4b.
  • the reaction tubes 214B of the second reactor stage 8 are filled exclusively with the second catalyst bed 9; Metering tubes do not contain them.
  • the upper reactor hood 219 forms the (first) gas distributor space 219 A of the first reactor stage 3 and has a gas inlet nozzle 250 A for the feed gas 10.
  • the lower reactor hood 220 forms the (first) gas collecting space 220A of the first reactor stage 3 and has a gas outlet nozzle 251 A for the reaction gas 11.
  • the (second) gas distribution chamber 219B of the second reactor stage 8 is passed through a distributor hood
  • the second gas collection chamber 220B is formed by a collecting hood 253 which is located within the upper reactor hood 219, d. H. within the first gas distribution space 219A, and is connected to a second gas exit port 251B which extends through and out of the upper reactor cap 219.
  • the distributor hood 252 is fastened to the side of the lower tube bottom 216 facing the lower reactor hood 220.
  • the collecting hood 253 is fastened on the side of the upper tube bottom 215 facing the upper reactor hood 219.
  • the second gas inlet nozzle 250B and the second gas outlet nozzle 251 B each have a strain compensator 254.
  • the feed gas 10 is introduced into the first gas distribution chamber 219A and from there enters the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3.
  • reaction gas 11 enters the first gas collection chamber 220A and is discharged from the combination reactor 200 by means of the first gas flow strut 251A.
  • reaction gas 1 1 is cooled so far in a condenser, not shown here, that in the reaction gas 1 1 - in the case of methanation - contained water is condensed and a portion of the water is discharged. Thereafter, the reaction gas 1 1 is heated in a heating zone, also not shown here again to the light-off temperature of the second catalyst bed 9 of the second reaction stage 8. The heated reaction gas 11 enters the second gas inlet port 250B again
  • reaction gas 1 1 enters the reaction tubes 214B of the second reactor stage 8.
  • reaction gas 11 enters the second gas collecting space 220B (the collecting hood 253), and is discharged from the combination reactor 200 by means of the second gas discharge port 251B as the product gas 43.
  • the second reactor stage 8 presented in FIGS. 5 and 6, as a tube bundle reactor integrated in the combined reactor 100, 200, it is possible to control the overall reaction more effectively and to optimize the size of the entire reactor system 101.
  • the particular advantage of these reactor systems 101 is that overheating in the second reactor stage 8 can be ruled out by the cooling and the conversion is kept at a stable and high level, at the same time achieving a compact construction.
  • a combined reactor 400 is shown as an exemplary embodiment, in which all components of the reactor system are housed in a housing.
  • the reaction gas 11 flows through this combined reactor 400 from bottom to top.
  • the combi-reactor 400 contains the following components:
  • a lower reactor hood 420 forms a gas distributor space 419A, into which the feed gas preheated in a preheater 450 enters.
  • the gas distribution chamber 419A is followed by a shell-and-tube reactor 412 as the first reactor stage 3.
  • the reaction tubes 414 of the tube bundle reactor 412 contain the first catalyst bed 4 into which metering tubes 21 are at least partially embedded, similar to that shown in FIG. However, the metering tubes 21 are rotated by 180 ° relative to FIG. 2 so that their gas inlet opening is in each case in flow connection with the gas distributor chamber 419A.
  • the sequence of the catalyst layers 4a, 4b in the flow direction of the reaction gas corresponds to that in FIG. 2. That is, in the tube bundle reactor 412, the catalyst layer 4 a is below the catalyst layer 4 b, so that the reaction gas partial stream 11. 1 entering from below directly into the annular space between the metering tube and the reaction tube again first enters the catalyst layer 4 a lower activity.
  • a heat transfer medium 18 is hereby conducted in cocurrent with the reaction gas 11 through the heat transfer space 418A via a heat carrier inlet connection 451 and a heat transfer outlet connection 452 in a heat transfer circuit.
  • the heat carrier 18 may, for. As liquid salt or boiling water or pressurized water.
  • a working space 453 is arranged for a mechanic.
  • the working space 453 is accessible through a manhole 454 and serves to fill the reaction tubes 414 with catalyst material during the initial filling or to change the catalyst material and for other work, such. B. the installation of thermometers.
  • this working space 453 there is a device 455 for collecting condensed constituents 456 of the reaction gas 11 - in the case of methanation, ie water - and for diverting the condensed constituents 456.
  • the said device 455 is penetrated by at least one covered passage 457 for reaction gas 11 so that the reaction gas 11 can flow from the first reactor stage 3 in the combined reactor 400 further up to the still following components.
  • the roof 458 prevents condensed components from entering the working space 453 or the first reactor stage 3.
  • a condenser 405 connects to a bundle 459 catalyst-free cooling raw re 460, which are traversed by the reaction gas 11, which is cooled so far that a portion of the components - such as water - condenses.
  • the condensed components 456 flow down into the cooling tubes 460 into the collecting and diverting regions 455, 456.
  • the condenser 405 has an inlet connection 461 and an outlet connection 462 for the coolant 463, which here is passed countercurrently to the reaction gas flow through the condenser 405 ,
  • the coolant 463 for example, water can be used.
  • a heating zone 407 Connected to the condenser 405 is a heating zone 407, in which the reaction gas 11 leaving the condenser 405 is heated to the reaction temperature of the second catalyst bed 9 in the second reactor stage 8.
  • the tubes 460 extend continuously through the condenser 405 and the heating zone 407 and are free of catalyst material.
  • heat transfer medium 466 is here in countercurrent to the reaction gas flow through the heating zone 407 guided.
  • the heat transfer medium 466 may, as in the first reactor stage 3 z. As liquid salt or boiling water or pressurized water.
  • the reaction gas 1 1 enters the second reactor stage 8, which is an adiabatic reactor 442 in the illustrated embodiment. It contains the second catalyst bed 9 in which the residual reaction of the reaction gas 11 takes place.
  • reaction gas 11 enters the upper reactor hood 419, which forms a gas collection chamber 420A, from which the finished reaction gas emerges as product gas 43. If the product gas 43 is still too moist, for example during methanation, it can be fed to a further condenser 467, in which this residual moisture 468 is condensed out.

Abstract

In a method for carrying out catalytic gas phase reactions having the steps: a) providing a tube bundle reactor which has a bundle of reaction tubes that are filled with a catalyst charge and are cooled by a heat transfer medium, b) conveying a reaction gas through the catalyst charge, the reaction gas flowing into each reaction tube being divided into at least two part flows which are introduced in the axial direction of the reaction tube at different points in the catalyst charge, the catalyst charge has at least two catalyst layers of different activity, wherein the activity of the first catalyst layer, in the flow direction of the reaction gas, is lower than the activity of the at least one other catalyst layer and in step b) a first part flow is introduced into the first catalyst layer and each further part flow is introduced past the first catalyst layer into the at least one further catalyst layer. Also proposed is a tube bundle reactor for carrying out the method and a reactor system having a tube bundle reactor of this kind.

Description

Verfahren, Rohrbündelreaktor und Reaktorsystem zur Durchführung  Process, tube bundle reactor and reactor system for carrying out
katalytischer Gasphasenreaktionen  catalytic gas phase reactions
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Gasphasenreaktionen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 11 sowie auf ein Reaktorsystem zur Durchführung katalytischer Gasphasenreaktionen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Durchführung exothermer katalytischer Gasphasenreaktionen mit ausgeprägten Temperaturmaxima. Ein Beispiel für solche Reaktionen sind Methanisierungsreaktionen. The invention relates to a method and a tube reactor for carrying out catalytic gas phase reactions according to the preamble of claim 1 and 11 and to a reactor system for carrying out catalytic gas phase reactions. In particular, the invention relates to the performance of exothermic catalytic gas phase reactions with pronounced temperature maxima. An example of such reactions are methanation reactions.
Vor dem Hintergrund endlicher Erdgasvorkommen gibt es ein steigendes Interesse an der Herstellung eines Erdgassubstituts. Dieses als„SNG“ -„substitute natural gas“ oder„synthetic natural gas“ - oder "Austauschgas" bezeichnete Gas enthält im Wesentlichen Methan und geringe Anteile nicht reagierter und anderer Gase, die der Einspeisespezifikation des jeweiligen Gasnetzes entsprechen müssen, wenn das SNG dort eingespeist werden soll. Against the background of finite natural gas deposits, there is an increasing interest in the production of a natural gas substitute. This gas, referred to as "substitute natural gas" or "substitute natural gas", essentially contains methane and minor amounts of unreacted and other gases which must comply with the feed-in specification of the relevant gas network if the SNG is there is to be fed.
SNG kann auf Basis von Kohle oder anderen kohlenstoffhaltigen Stoffen wie Abfall oder Biomasse über Synthesegas - einer Mischung aus CO und/oder CO2, H2 und ggf. anderen Bestandteilen wie Wasser - hergestellt werden. Bei einem anderen Verfahren wird die Methanisierung zur chemischen Speicherung von z.B. Überschussstrom genutzt, welcher bei der Erzeugung von elektrischem Strom durch emeuerbare Energien entsteht. Durch Elektrolyse wird mit diesem Strom Wasserstoff erzeugt. Kohlendioxid wird bevorzugt aus Abgasen industrieller Prozesse oder aus Biogasanlagen gewonnen. Das Feedgas zur Methanisierung besteht in diesem Fall fast ausschließlich aus CO2 und H2. SNG can be produced on the basis of coal or other carbonaceous substances such as waste or biomass via synthesis gas - a mixture of CO and / or CO2, H2 and possibly other constituents such as water. In another method, methanation is used for chemical storage of e.g. Excess electricity used, which arises in the generation of electricity by renewable energy. By electrolysis hydrogen is generated with this stream. Carbon dioxide is preferably recovered from exhaust gases from industrial processes or from biogas plants. The methanation feed gas in this case consists almost exclusively of CO2 and H2.
Die Methanisierung wird durch folgende chemische Reaktionen maßgeblich bestimmt: CO-Methanisierung : The methanation is decisively determined by the following chemical reactions: CO methanation:
CO + 3 H2 CH4 + H2O DHK° = -206 kJ/mol (1 ) CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O DH K ° = -206 kJ / mol (1)
C02-Methanisierung (“Sabatier-Reaktion”) C02 methanation ("Sabatier reaction")
CO2 + 4 H2 <-> CH4 + 2 H2O AHR° = -165 kJ/mol (2) CO2 + 4 H2 <-> CH4 + 2 H2O AH R ° = -165 kJ / mol (2)
Wassergas-Shift-Reaktion (“WGS-Reaktion") Water gas shift reaction ("WGS reaction")
CO + H20 <- H2 + C02 AHR° = -41 kJ/mol (3) CO + H 2 O <- H 2 + C0 2 AHR ° = -41 kJ / mol (3)
Daneben läuft noch eine Vielzahl anderer Nebenreaktionen ab, darunter auch die Boudouard-Re- aktion, bei welcher sich Kohlenmonoxid zu Kohlenstoff und Kohlendioxid zersetzt. Boudouard-Reaktion: In addition, a variety of other side reactions take place, including the Boudouard reaction, in which carbon monoxide decomposes to carbon and carbon dioxide. Boudouard reaction:
2 CO <-> C + C02 DHK° = -173 kJ/mol (4) 2 CO <-> C + C0 2 DH K ° = -173 kJ / mol (4)
Die Reaktionen werden i.d.R. mit Elementen der VIII. Nebengruppe katalysiert, bevorzugt mit Nickel. The reactions are i.d.R. catalyzed with elements of VIII. Subgroup, preferably with nickel.
Alle Reaktionen stehen miteinander im Gleichgewicht, wobei sich die Lage der Gleichgewichte durch geeignete Maßnahmen verändern lässt. Aus den Reaktionsgleichungen ergeben sich für die Lage des Gleichgewichts die Abhängigkeiten von den wesentlichen Verfahrensparametem Druck, Temperatur und Konzentrationen der Reaktionskomponenten: All reactions are in equilibrium with one another, whereby the position of the equilibria can be changed by suitable measures. From the reaction equations, the dependencies of the main process parameters pressure, temperature and concentrations of the reaction components are determined for the position of the equilibrium:
Bei Gleichungen (1 ) und (2) ergibt sich eine Volumenabnahme auf der Produktseite. Beide Reaktionen sind zudem stark exotherm. Dies führt dazu, dass ein hoher Druck und eine niedrige Temperatur das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite verschieben. Mit zunehmendem Druck wird dessen Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht jedoch immer geringer. Zudem werden die Wandstärken aller druckbeaufschlagten Apparateteile immer größer und Anforderungen an die Dichtigkeit, verstärkt auch durch die kleine Molekülgröße des Wasserstoffs, steigen. Die Reaktionstemperatur ist nach unten durch die Mindestarbeitstemperatur des Katalysators begrenzt.Equations (1) and (2) result in a decrease in volume on the product side. Both reactions are also highly exothermic. This causes a high pressure and a low temperature to shift the reaction equilibrium to the product side. As pressure increases, however, its influence on the reaction equilibrium becomes smaller and smaller. In addition, the wall thicknesses of all pressurized parts of the apparatus are getting ever larger and demands on the tightness, reinforced by the small molecular size of the hydrogen, rise. The reaction temperature is limited downwards by the minimum working temperature of the catalyst.
Eine steigende Reaktionstemperatur erhöht zwar die Reaktionsgeschwindigkeit und verkleinert entsprechend den Reaktionsapparat. Nachteilig sind jedoch eine Begrenzung des Umsatzes infolge einer Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes auf die Eduktseite und eine verstärkte Alterung des Katalysators. Although an increasing reaction temperature increases the reaction rate and decreases according to the reactor. However, a disadvantage is a limitation of the conversion due to a shift in the reaction equilibrium on the educt side and increased aging of the catalyst.
Das Reaktionsgleichgewicht lässt sich weiterhin auf die Produktseite verschieben, indem die Produktkomponente Wasser H2O aus dem Reaktionssystem entfernt wird. Dies begünstigt jedoch die Rußentstehung durch die Boudouard-Reaktion gemäß Gleichung (4). Durch einen Mindestgehalt an Wasser wird diese Reaktion unterdrückt. Günstig ist ein Feedgas mit nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung , ansonsten bleibt die ü berstöchiometrische Komponente übrig. Dies ist solange unproblematisch, wie diese Komponente noch innerhalb der Spezifikation des Einspeisegases liegt. Im anderen Fall ist eine Abtrennung notwendig, was zu erhöhten Kosten führt. The reaction equilibrium can be further shifted to the product side by removing the product component water H2O from the reaction system. However, this promotes soot formation by the Boudouard reaction according to equation (4). By a minimum content of water, this reaction is suppressed. Favorable is a feed gas with a nearly stoichiometric composition, otherwise the superstoichiometric component remains. This is unproblematic as long as this component is still within the specification of the feed gas. In the other case, a separation is necessary, which leads to increased costs.
Bei heterogen katalysierten exothermen Gasphasenreaktionen bildet sich im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung oftmals eine Reaktionszone mit besonders starker Wärmeentwicklung aus, wodurch sich in der Katalysatorschüttung in Strömungsrichtung ein mehr oder weniger ausgeprägtes Temperaturprofil mit einem Maximum in dieser Reaktionszone ausbildet. Den Bereich des Temperaturmaximums bezeichnet man auch als„Hot Spot“. Dieses Temperaturmaximum ist an sich erwünscht, solange es eine bestimmte Grenze nicht überschreitet. Die hohe Reaktions- temperatur führt zu einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit, wodurch sich die Länge der Katalysatorschüttung bis zum Reaktionsgleichgewicht verkürzt. Allerdings verringert sich bei exothermenIn the case of heterogeneously catalyzed exothermic gas phase reactions, a reaction zone with particularly pronounced evolution of heat often forms in the initial region of the catalyst bed, as a result of which a more or less pronounced temperature profile with a maximum in this reaction zone forms in the catalyst bed in the direction of flow. The range of the temperature maximum is also called "hot spot". This maximum temperature is desirable per se, as long as it does not exceed a certain limit. The high reaction temperature leads to a high reaction rate, which shortens the length of the catalyst bed up to the reaction equilibrium. However, exothermic decreases
Gleichgewichtsreaktionen bei hoher Temperatur der Umsatz. Zur Erhöhung des Umsatzes muss anschließend die Temperatur des Reaktionsgases verringert werden. Equilibrium reactions at high temperature of the conversion. To increase the conversion then the temperature of the reaction gas must be reduced.
Speziell bei Methanisierungsreaktionen ist dieser Hot Spot stark ausgeprägt. Wird dieser nicht ausreichend kontrolliert, so kann es zu einer übermäßigen Temperaturerhöhung mit der Folge einer verstärkten Alterung des Katalysators und damit verbundener Umsatzminderung kommen. Dies macht häufigere kostenintensive Katalysatorwechsel erforderlich. Außerdem besteht die Gefahr einer Schädigung von Thermometern, wenn diese in einzelnen Reaktionsrohren eingebaut sind. Especially in methanation reactions, this hot spot is very pronounced. If this is not sufficiently controlled, it can lead to an excessive increase in temperature with the result of increased aging of the catalyst and the associated reduction in sales. This requires more frequent costly catalyst changes. In addition, there is a risk of damage to thermometers, if they are installed in individual reaction tubes.
Mit verschiedenen Verfahren, Rohrbündelreaktoren und Reaktorsystemen wurde versucht, diesen reaktionstechnischen Randbedingungen Rechnung zu tragen. With various methods, tube bundle reactors and reactor systems, attempts were made to take these reaction-technical boundary conditions into account.
Die an den chemischen Reaktionen teilnehmenden Gase werden im Folgenden als„Feedgas“ bezeichnet, solange sie sich noch vor dem Eintritt in einen Rohrbündelreaktor bzw. in ein Reaktorsystem befinden. Ab Eintritt in einen Rohrbündelreaktor bzw. in ein Reaktorsystem werden die Gase als„Reaktionsgas“ bezeichnet, ab dem Abschluss der chemischen Reaktionen als„Produktgas“. The gases participating in the chemical reactions are referred to below as "feed gas", as long as they are still before entering a tube bundle reactor or in a reactor system. From entry into a tube bundle reactor or into a reactor system, the gases are referred to as "reaction gas", from the completion of the chemical reactions as "product gas".
Zur Temperaturkontrolle von exothermen katalytischen Gasphasenreaktionen in einem Rohrbündelreaktor mit katalysatorbefüllten Reaktionsrohren schlägt GB472629 vor, kontinuierlich oder gestuft eine oder mehrere der Reaktionsbedingungen Oberfläche, Dicke oder Aktivität des Katalysators, Gasgeschwindigkeit, Turbulenz oder Strömungsquerschnitt zu verändern. So ist z. B. in Bereichen mit starker Wärmeentwicklung eine entsprechend starke Verkleinerung des Strömungsquerschnitts erforderlich, was wiederum entsprechend hohe Druckverluste zur Folge hat. Solche Druckverluste machen leistungsstärkere Verdichter notwendig und führen damit zu erhöhten In- vestitions- und Betriebskosten. For controlling the temperature of exothermic catalytic gas phase reactions in a shell and tube reactor with catalyst-filled reaction tubes, GB472629 proposes to continuously or stepwise alter one or more of the surface, thickness, or activity of the catalyst, gas velocity, turbulence, or flow area. So z. B. in areas with strong heat development, a correspondingly large reduction of the flow cross-section required, which in turn has correspondingly high pressure losses result. Such pressure losses necessitate more powerful compressors and thus lead to increased investment and operating costs.
Bei einer anderen Vorgehensweise zur Kontrolle des Hot Spots in einem Rohrbündeiraktor wird in der gattungsgemäßen US3268299 vorgeschlagen, in jedem Reaktionsrohr ein Dosierrohr koaxial in die Katalysatorschüttung einzu betten und das Reaktionsgas in das Dosierrohr einzuleiten. Das Dosierrohr erstreckt sich vom gaseintrittsseitigen Ende des Reaktionsrohrs in die Katalysatorfüllung hinein, ist frei von Katalysatormaterial und weist mehrere axial verteilte Ausströmöffnungen auf, die alle in die Katalysatorschüttung münden. Hierdurch wird die Reaktion auf die Länge des Reaktionsrohrs verteilt, wodurch sich die Reaktionsintensität vermindert und der Tem- peraturanstieg erniedrigt wird. Zum anderen bewirkt das Dosierrohr eine Reduzierung des hydraulischen Durchmessers der Katalysatorschüttung und damit eine Verringerung des radialen Transportweges für die Reaktionswärme und somit deren schnellere Abführung. In einer anderen Ausführung können eine Reaktionsgaskomponente A in das Dosierrohr geführt werden und eine Reaktionsgaskomponente B in den Beginn der Katalysatorschüttung. In another approach to control the hot spot in a Rohrbündeiraktor is proposed in the generic US3268299, in each reaction tube coaxially einzu a metering tube in the catalyst bed and initiate the reaction gas in the metering tube. The metering tube extends from the gas inlet-side end of the reaction tube into the catalyst filling, is free of catalyst material and has a plurality of axially distributed outflow openings, all of which open into the catalyst bed. As a result, the reaction is distributed over the length of the reaction tube, whereby the reaction intensity is reduced and the temperature temperature increase is lowered. On the other hand, the metering tube causes a reduction of the hydraulic diameter of the catalyst bed and thus a reduction of the radial transport path for the heat of reaction and thus their faster removal. In another embodiment, a reaction gas component A can be fed into the metering tube and a reaction gas component B in the beginning of the catalyst bed.
In DE102010040757 A1 wird ein Rohrbündelreaktor vorgeschlagen, dessen katalysatorbefüllte und mit Dosierrohren versehene Reaktionsrohre sich durch zwei Wärmeträgerzonen hindurch erstrecken, wobei die Ausströmöffnungen der Dosierrohre alle innerhalb der ersten Wärmeträgerzone in die Katalysatorschüttung münden. Das Reaktionsgas wird in jedem Reaktionsrohr gleichzeitig sowohl in den Eintritt der Katalysatorschüttung als auch in das Dosierrohr geführt. Diese Konstruktion ermöglicht zwar eine optimale Reaktionsführung durch die gestufte Reaktionsgaszugabe und eine optimale Tem peratu rfü h ru ng durch unabhängige Wärmeträgerkreisläufe, jedoch ist sie recht aufwändig, wenn in der zweiten Wärmeträgerzone nur noch wenig Wärme erzeugt wird. DE 102010040757 A1 proposes a tube bundle reactor whose catalyst-filled reaction tubes provided with metering tubes extend through two heat transfer zones, the outflow openings of the metering tubes all opening into the catalyst bed within the first heat transfer zone. The reaction gas is passed in each reaction tube simultaneously both in the inlet of the catalyst bed and in the metering. Although this design allows optimum reaction behavior through the gradual addition of reaction gas and optimum temperature control by means of independent heat transfer medium circuits, it is rather complicated if only little heat is generated in the second heat transfer zone.
Ein weit verbreitetes Verfahren zur Methanisierung sind Reaktorsysteme mit mindestens zwei Reaktorstufen, wobei die erste Reaktorstufe eine Hochtemperaturmethanisierung ist, bei der bei hoher Temperatur hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht werden. In einer zweiten Reaktorstufe wird in einer Niedertemperaturmethanisierung die Reaktion bis zum gewünschten Umsatz fortgeführt. A widely used method for methanation are reactor systems with at least two reactor stages, wherein the first reactor stage is a high-temperature methanation in which high reaction rates are achieved at high temperature. In a second reactor stage, the reaction is continued in a low-temperature methanation to the desired conversion.
Oftmals werden mehrere ad ia bäte katalytische Festbettreaktoren mit dazwischen liegenden Kühlstufen in Reihe geschaltet. Wird das Feedgas vollständig dem ersten Reaktor zugeführt, so wird dieses zur Vermeidung von zu hohen Reaktionstemperaturen oftmals mit Kreisgas aus stromab- wärtigen Reaktionsstufen verdünnt. Vor Eintritt in den Reaktor wird das Feedgas mit einem Vorheizer auf die Mindestarbeitstemperatur des Katalysators temperiert. Ein entsprechendes Verfahren ist in der DE2549439A dargestellt. In einem in EP2110425A1 vorgestellten Verfahren wird das Feedgas aufgeteilt und parallel dem Eintritt von mehreren in Reihe geschalteten adiabaten Festbettreaktoren zugeführt. Das Feedgas kann zusätzlich durch Zugabe von Wasserdampf verdünnt werden. Der Prozess wird beispielhaft bei etwa 35 bar betrieben, die Eintrittstemperatur in die Reaktoren liegt zwischen 240°C und 300°C, die Austrittstemperatur bei etwa 600°C. Die Reaktionswärmen werden prozessintern zur Gastemperierung und in anderen Anlagenteilen verwendet. Often, several adiabatic catalytic fixed bed reactors with intervening cooling stages are connected in series. If the feed gas is fed completely to the first reactor, it is often diluted with circulating gas from downstream reaction stages to avoid excessively high reaction temperatures. Before entering the reactor, the feed gas is tempered with a preheater to the minimum working temperature of the catalyst. A corresponding method is shown in DE2549439A. In a process presented in EP2110425A1, the feed gas is split and fed in parallel to the inlet of a plurality of adiabatic fixed bed reactors connected in series. The feed gas can additionally be diluted by adding steam. The process is exemplarily operated at about 35 bar, the inlet temperature in the reactors is between 240 ° C and 300 ° C, the outlet temperature at about 600 ° C. The heat of reaction is used in-process for gas tempering and in other parts of the plant.
Es wurde auch vorgeschlagen, bei hintereinander geschalteten Reaktoren in die Katalysatorschüttung eines dieser Reaktoren Rohrschlangen einzu betten, um das Reaktionsgas effektiver zu kühlen. Solche isothermen Methanisierungsreaktoren mit Siedewasserkühlung in Kombination mit adiabaten Reaktoren sind in DE2705141 A1 oder in DE2940334A1 beschrieben. In letzterer Veröffentlichung wird der Prozess mit Wasserstoffüberschuss gefahren. Der nicht umgesetzteIt has also been proposed to embed coils in successive reactors into the catalyst bed of one of these reactors in order to cool the reaction gas more effectively. Such isothermal Methanisierungsreaktoren with boiling water cooling in combination with adiabatic reactors are described in DE2705141 A1 or in DE2940334A1. In the latter publication, the process is run with hydrogen excess. The unreacted
Wasserstoff wird aus dem Produktgas entfernt und zum Feedgas zurückgeführt. Hydrogen is removed from the product gas and returned to the feed gas.
In DE1645840A wird ein zweistufiges Methanisierungsverfahren vorgeschlagen, bei dem nach der ersten Methanisierungsstufe so viel Wasserdampf aus dem Reaktionsgas entfernt wird, dass eine Kohlenstoffabscheidung auf dem Katalysator verhindert wird. In US2009/0247653A1 wird eine solche Teilkondensation durchgeführt, nachdem das Reaktionsgas zwei Methanisierungsreaktoren durchströmt hat. In der DE102009059310A1 wird bei zwei hintereinander geschalteten Reaktoren mit Außenkühlung eine solche Teilkondensation zwischen diesen beiden Reaktoren durchgeführt. DE1645840A proposes a two-stage methanation process in which after the first methanation stage so much water vapor is removed from the reaction gas that carbon deposition on the catalyst is prevented. In US2009 / 0247653A1, such a partial condensation is carried out after the reaction gas has passed through two methanization reactors. In DE102009059310A1, in the case of two reactors connected in series with external cooling, such a partial condensation is carried out between these two reactors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, einen Rohrbündelreaktor und ein Reaktorsystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass katalytische Gasphasenreaktionen mit ausgeprägten Temperatu rmaxima sicherer, schneller und dabei mit geringer Baugröße durchgeführt werden können und dass dabei gleichzeitig die Lebensdauer des Katalysators verlängert wird. The invention has the object to improve a method, a tube reactor and a reactor system of the type mentioned so that catalytic gas phase reactions with pronounced tempera rmaxima safer, faster and can be carried out with a small size and at the same time extends the life of the catalyst becomes.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 , einem Rohrbündelreaktor gemäß Anspruch 1 1 und einem Reaktorsystem gemäß Anspruch 16 gelöst. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1, a tube bundle reactor according to claim 11 and a reactor system according to claim 16.
Der Begriff der Katalysatoraktivität ist dem Fachmann bekannt und z.B. in dem Artikel„Rescheti- lowski W.: Einführung in die Heterogene Katalyse, Springer Verlag Berlin Heidelberg 2015, S. 11 - 20, DOI 10.1007/978- 3-662-46984-2_2 näher beschrieben. The term catalyst activity is known to those of skill in the art, e.g. in the article "Reschetilowski W .: Introduction to heterogeneous catalysis, Springer Verlag Berlin Heidelberg 2015, pp. 11-20, DOI 10.1007 / 978-3-662-46984-2_2.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bei erhöhter Betriebssicherheit die Effektivität katalytischer Gasphasenreaktionen beträchtlich verbessert, denn es wird eine genauere Kontrolle bzw. Führung der Reaktionstemperatur erreicht und ein höherer Durchsatz erzielt. Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Rohrbündelreaktor, bei dem in die Katalysatorschüttung der Reaktionsrohre ein Dosierrohr eingebettet ist, dessen Innenraum katalysatorfrei ist, dort nicht nur der radiale Wärmetransportweg verkürzt wird, sondern auch der Durchflussquerschnitt der Katalysatorschüttung in Strömungsrichtung des Reaktionsgases reduziert und in diesen reduzierten Durchflussquerschnitt Reaktionsgas an axial unterschiedlichen Stellen als Teilströme in die Katalysatorschüttung eingeleitet wird, wodurch die Wärmebelastung der Katalysatorschüttung vergleichmäßigt und somit das Temperaturmaximum verringert wird. Eine zusätzliche Erkenntnis ist es, dass das aus den Gasausströmstellen des Dosierrohrs strömende Reaktionsgas - d. h. die entsprechenden Teilströme - durch das bereits in der Katalysatorschüttung strömende und stromaufwärts reagierte Reaktionsgas verdünnt wird. Statt eines besonders stark ausgeprägten Temperaturmaximums im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung treten also in Strömungsrichtung des Reaktionsgases mehrere kleinere Term peratu rmaxi ma auf. Somit wird zwar durch die Teilströme lokal die in die Katalysatorschüttung eintretendeWith the measures according to the invention, the effectiveness of catalytic gas phase reactions is considerably improved with increased operational reliability, since a more precise control or guidance of the reaction temperature is achieved and a higher throughput is achieved. The measures according to the invention are based on the finding that in a tube bundle reactor in which a metering tube is embedded in the catalyst bed of the reaction tubes, the interior of which is catalyst-free, not only the radial heat transport path is shortened but also the flow cross-section of the catalyst bed in the flow direction of the reaction gas is reduced and in this reduced flow cross-section reaction gas is introduced at axially different locations as part streams in the catalyst bed, whereby the heat load of the catalyst bed is made uniform and thus the temperature maximum is reduced. An additional finding is that the reaction gas flowing out of the gas outflow points of the metering tube-ie, the corresponding part-flows-is diluted by the reaction gas already flowing in the catalyst bed and reacting upstream. Instead of one Particularly pronounced temperature maximum in the initial region of the catalyst bed thus occur in the flow direction of the reaction gas several smaller term peratu rmaxi ma. Thus, although by the partial flows locally enters the catalyst bed
Menge an Reaktionsgas vermindert und so die frei werdende Reaktionswärme kontrolliert und werden auch die stromabwärts in die Katalysatorschüttung eintretenden Reaktionsgas-Teilströme durch das bereits in der Katalysatorschüttung strömende und stromaufwärts reagierte Reaktionsgas verdünnt, jedoch gibt es bei dem Teilstrom, welcher oberhalb des ersten stromabwärtigen Teilstroms direkt in die Katalysatorschüttung eintritt, einen solchen die Reaktion kontrollierenden Effekt nicht. Hier ist es so, dass das unverdünnte Reaktionsgas schon nach einer kurzen Einlaufstrecke unter dem Einfluss eines unverdünnten Katalysators reagiert und einen ausgeprägten Hot Spot ausbildet. Dieser Hot Spot lässt sich bis zu einem gewissen Maß durch eine entsprechende Dimensionierung des Ringspalts zwischen Dosierrohr und Reaktionsrohr kontrollieren. Reduces the amount of reaction gas and thus controls the liberated heat of reaction and the downstream of the catalyst bed entering reaction gas streams are diluted by the already flowing in the catalyst bed and upstream reaction gas, however, there is at the partial flow, which above the first downstream partial flow directly enters the catalyst bed, such a reaction controlling effect not. Here it is so that the undiluted reaction gas reacts after a short inlet section under the influence of an undiluted catalyst and forms a pronounced hot spot. This hot spot can be controlled to a certain extent by appropriate dimensioning of the annular gap between the metering tube and the reaction tube.
Mit kleiner werdendem Ringspalt verringert sich zunächst der radiale Weg zur gekühlten Reaktionsrohrwand. Jedoch führt der verkleinerte Strömungsquerschnitt zu einem kleineren hydraulischen Durchmesser und damit zu einem größeren Druckverlust. Zum Aufrechterhalten einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit muss der Eingangsdruck erhöht und der Gasstrom im Dosierrohr gedrosselt werden. Die Folge sind erhöhte Investitionskosten und Betriebskosten für den Verdichter. Da das Katalysatorvolu men im Ring raum vermindert ist, muss entsprechend das Reaktionsrohr verlängert werden, um zum Gleichgewichtszustand zu gelangen. Alternativ ist eine Vergrößerung der Anzahl der Reaktionsrohre möglich. In jedem Fall wird das Verhältnis vom hydraulischen Durchmesser des Ringspalts zur Partikelgröße des Katalysator kleiner mit der Folge einer vergrößerten Randgängigkeit und entsprechend Undefinierter Reaktionsbedingungen. As the annular gap narrows, the radial path to the cooled reaction tube wall initially decreases. However, the reduced flow cross-section leads to a smaller hydraulic diameter and thus to a greater pressure loss. To maintain a constant flow rate, the inlet pressure must be increased and the gas flow in the dosing tube throttled. The result is increased investment costs and operating costs for the compressor. Since the Katalysatorvolu men in the ring space is reduced, the reaction tube must be extended accordingly to get to the equilibrium state. Alternatively, an increase in the number of reaction tubes is possible. In any case, the ratio of the hydraulic diameter of the annular gap to the particle size of the catalyst is smaller with the result of increased Randgängigkeit and correspondingly undefined reaction conditions.
Die Nachteile eines leistungstärkeren Verdichters und einer übermäßigen Erhöhung des Katalysatorvolumens werden nun vermieden, indem erfindungsgemäß die Aktivität der ersten Katalysatorschicht verringert wird. Da die chemischen Reaktionen voraussetzungsgemäß unter der Einwirkung von Katalysatoren stattfinden, sinkt daher zunächst einmal der Umsatz. Dem gegenüber stehen jedoch mehrere Einflüsse, die zu einer Erhöhung des Umsatzes führen und damit die umsatzmindernde Wirkung der verringerten Katalysatoraktivität in etwa aufheben. Durch die verringerte Katalysatoraktivität entsteht zunächst einmal weniger Reaktionswärme, was zu einer Senkung der Höhe der Temperatur des Hot Spots führt. Eine verminderte Gastemperatur nun vermindert den Volumenstrom und damit den von der Gasgeschwind ig keit abhängigen Druckverlust, was wiederum einen erhöhten Massenstrom durch die erste Katalysatorschicht zur Folge hat. Es stellt sich ein Gleichgewicht zum parallelen Gasstrom im Inneren des Dosierrohrs ein. Wie eingangs beschrieben steigt nun gleichzeitig der Umsatz mit der sinkenden Temperatur. Die Erhöhung des Gasanteils in der ersten Katalysatorschicht hat weiterhin zur Folge, dass das aus der ersten Gasaustrittsstelle vom Dosierrohr in den Katalysator eintretende Reaktionsgas eine verstärkte Verdünnung erfährt, wodurch der nachfolgende Hot Spot noch wirksamer kontrolliert wird.The disadvantages of a more powerful compressor and an excessive increase in the catalyst volume are now avoided by the present invention, the activity of the first catalyst layer is reduced. Since the chemical reactions take place under the influence of catalysts, as a precondition, first of all the conversion decreases. On the other hand, however, there are several influences that lead to an increase in sales and thus approximately cancel the sales-reducing effect of reduced catalyst activity. The reduced catalyst activity initially results in less heat of reaction, which leads to a reduction in the height of the temperature of the hot spot. A reduced gas temperature now reduces the volume flow and thus the dependent of the gas velocity speed pressure loss, which in turn has an increased mass flow through the first catalyst layer result. It establishes a balance with the parallel gas flow inside the metering tube. As described above, sales are now rising at the same time as the temperature drops. The increase in the gas content in the first catalyst layer has the consequence that the the first gas exit point from the metering tube in the catalyst entering reaction gas undergoes an increased dilution, whereby the subsequent hot spot is more effectively controlled.
Entsprechendes gilt für die nachfolgenden Gasaustrittsstellen bzw. Reaktionsabschnitte. In der Summe bleibt der Umsatz am Ende des Reaktionsrohrs also im Wesentlichen konstant. Auf diese Weise wird die Temperaturkontrolle im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung deutlich verbessert, wobei der Umsatz, der Strömungsquerschnitt und der Druckverlust im Wesentlichen unverändert bleiben. Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme liegt darin, dass durch die verbesserte Kontrolle der Temperatur des Hot Spots in der ersten Katalysatorschicht die Lebensdauer des Katalysators deutlich erhöht wird. So verfügt bei einem gleichen Wechselintervall des Katalysators der erfindungsgemäße Reaktor über eine deutliche höhere Katalysa- toraktiviät als ein gemäß dem Stand der Technik ausgelegter Reaktor mit unverdünntem Katalysator, so dass in einem gegebenen Produktionszeitraum mehr Produkt hergestellt werden kann. The same applies to the subsequent gas outlet points or reaction sections. In sum, the conversion at the end of the reaction tube thus remains essentially constant. In this way, the temperature control in the initial region of the catalyst bed is significantly improved, with the conversion, the flow cross-section and the pressure loss remain essentially unchanged. The decisive advantage of the measure according to the invention is that the lifetime of the catalyst is significantly increased by the improved control of the temperature of the hot spot in the first catalyst layer. Thus, with an identical change interval of the catalyst, the reactor of the invention has a significantly higher catalyst activity than a reactor designed according to the prior art with undiluted catalyst, so that more product can be produced in a given production period.
Der mit einem erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor erreichte Umsatzgrad ist für bestimmte Zwecke bereits ausreichend. So kann im Fall einer Methanisierungsreaktion das Produktgas mit der erreichten Methankonzentration zur Einspeisung in ein L-Gasnetz oder zur Verbrennung in Blockheizkraftwerken verwendet werden. The degree of conversion achieved with a tube bundle reactor according to the invention is already sufficient for certain purposes. Thus, in the case of a methanation reaction, the product gas can be used with the achieved methane concentration for feeding into an L-gas network or for combustion in combined heat and power plants.
Durch Auswechseln des Katalysatormaterials der ersten Katalysatorschicht lassen sich die Reaktionsbedingungen relativ einfach an unterschiedliche Anforderungen und insbesondere an sich ändernde Verhältnisse im Rohrbündelreaktor an passen. Damit ist jederzeit eine besonders effektive Temperaturkontrolle möglich. So bildet sich in dem ersten Bereich der ersten Katalysatorschicht ein kontrollierter, entsprechend einer Vorgabe gedämpfter Hot Spot aus. Dieser klingt anschließend aus und die Temperatur in der Katalysatorschicht ändert sich nur noch wenig. Dieser letzte Bereich der geringen Temperaturänderung macht bevorzugt einen Anteil von 10 bis 40% der ersten Katalysatorschicht aus. By exchanging the catalyst material of the first catalyst layer, the reaction conditions can be adapted relatively easily to different requirements and in particular to changing conditions in the tube bundle reactor. Thus, a particularly effective temperature control is possible at any time. Thus, in the first region of the first catalyst layer, a controlled hot spot, damped according to a specification, is formed. This sounds out and the temperature in the catalyst layer changes only slightly. This last range of the small temperature change preferably accounts for a proportion of 10 to 40% of the first catalyst layer.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Notwendigkeit der Rückführung von Produktteilströmen zwecks Kühlung oder Verdünnung entfällt. A further advantage of the method according to the invention is that the need for recycling partial product streams for cooling or dilution is eliminated.
Das Verfahren ist geeignet für alle heterogen katalysierten exothermen Gasphasenreaktionen , die einen Hot Spot im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung ausbilden. In besonderem Maße ist die Erfindung geeignet für solche Reaktionen, bei denen dieser Hot Spot besonders stark ausgeprägt ist und entsprechend schwierig zu kontrollieren ist. The method is suitable for all heterogeneously catalyzed exothermic gas phase reactions that form a hot spot in the beginning of the catalyst bed. In particular, the invention is suitable for those reactions in which this hot spot is particularly pronounced and is correspondingly difficult to control.
Bevorzugt schließt die katalytische Gasphasenreaktion Methanisierungsreaktionen als Beispiel für solche Reaktionen ein. Für die Methanisierungsreaktion gemäß Gleichung (2) besteht das Feedgas zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt aus CO und H . Bei Verwendung von CO2 und H2 als Komponenten des Feedgases in stöchiometrischer Zusammensetzung ist nach Wasserabscheidung am Ende des Prozesses ein Produktgas mit einer Zusammensetzung gemäß der Gleichgewichtsbedingungen bei gegebenem Druck und Temperatur zu erwarten. Tatsächlich wird der Methangehalt etwas geringer sein, etwa weil das Eduktgas nicht genau in stöchiometrischer Zusammensetzung vorliegt. Bei nicht stöchiometrischer Feedgaszu- sammensetzung bleibt immer die eine oder andere Komponente nach der Reaktion übrig. Die Wahl der Feedgaszusammensetzung richtet sich nach den jeweiligen Einspeisebedingungen für das SNG. Soll beispielsweise der Wasserstoff H2 möglichst vollständig umgesetzt werden, so wird der Prozess bevorzugt in einem Bereich zwischen stöchiometrischer Zusammensetzung von CO2/H2 und einem leichten Überschuss von CO2 gefahren. Der bevorzugte Bereich der Verhältnisse von CO2/H2 liegt in diesem Fall zwischen 0,25:1 und 0,26:1. Preferably, the catalytic gas phase reaction includes methanation reactions as an example of such reactions. For the methanation reaction according to equation (2), the feed gas for carrying out the process according to the invention preferably consists of CO and H. at Use of CO 2 and H 2 as components of the feed gas in stoichiometric composition after water separation at the end of the process a product gas with a composition according to the equilibrium conditions at a given pressure and temperature is to be expected. In fact, the methane content will be slightly lower, perhaps because the reactant gas is not exactly in stoichiometric composition. If the feed gas composition is not stoichiometric, one or the other component will always remain after the reaction. The choice of the feed gas composition depends on the respective feed conditions for the SNG. If, for example, the hydrogen H2 is to be converted as completely as possible, the process is preferably run in a range between the stoichiometric composition of CO2 / H2 and a slight excess of CO2. The preferred range of ratios of CO2 / H2 in this case is between 0.25: 1 and 0.26: 1.
Dabei wird die Aktivität der ersten Katalysatorschicht bevorzugt auf 5 % bis 90 % und besonders bevorzugt auf 10 % bis 40 % der Aktivität der mindestens einen weiteren Katalysatorschicht eingestellt. Durch diese Maßnahme wird die Temperaturhöhe des Hot Spots sicher und definiert gedämpft, wodurch der Umsatz auf einem hohen Niveau bleibt und die Lebensdauer der Katalysatorschüttung verlängert wird. Sind in Reaktionsrohren Temperaturmesseinrichtungen eingebaut, werden diese vor Schädigung geschützt. Dadurch wird eine sichere und dauerhafte Prozessüberwachung sichergestellt. The activity of the first catalyst layer is preferably adjusted to 5% to 90% and particularly preferably to 10% to 40% of the activity of the at least one further catalyst layer. By this measure, the temperature level of the hot spot is safely and defined damped, whereby the turnover remains at a high level and the life of the catalyst bed is extended. If temperature measuring devices are installed in reaction tubes, they are protected against damage. This ensures a secure and permanent process monitoring.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die erste und die zweite Katalysatorschüttung jeweils in noch weitere Katalysatorschichten mit unterschiedlichen Katalysatoraktivitäten gegliedert sein, wobei bevorzugt die Katalysatoraktivität von Katalysatorschicht zu Katalysatorschicht ansteigt. In a further embodiment of the invention, the first and the second catalyst bed can each be subdivided into even further catalyst layers having different catalyst activities, the catalyst activity preferably increasing from catalyst layer to catalyst layer.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Reaktionsparameter im Rohrbündelreaktor, insbesondere die Wärmeträgertemperatur, die Schütthöhen der einzelnen Katalysatorschichten, die axialen Abstände von Einleitungsstellen der Teilströme, die Teilstrommengen und die Katalysatoraktivierung so eingestellt, dass die maximalen Temperaturen in der ersten und zweiten Katalysatorschicht in einem Bereich von 300 °C bis 900°C, vorzugsweise zwischen 500 °C und 700°C liegen. Die kontrolliert hohen Temperaturen innerhalb der Katalysatorschüttung führen zu einem Optimum bezüglich Reaktionsgeschwindigkeiten und Umsatz. Dadurch benötigt der Rohrbündelreaktor nur einen relativ kleinen Reaktionsraum. Durch die gestufte Anordnung der Einleitungsstellen im Rohrbündelreaktor in Verbindung mit Katalysatorschichten unterschiedlicher Aktivität wird sowohl eine besonders hohe kontrollierte Reaktionsgeschwindigkeit mit entsprechend kleinem Reaktionsvolu men erreicht als auch ein besonders hoher Umsatz im Bereich niedrigerer Temperaturen. Auf dieses Weise kann das erforderliche gesamte Katalysatorvolumen weiter minimiert werden. Bevorzugt werden die im Prozess erzeugten Reaktionswärmen prozessintem und besonders bevorzugt auch noch apparateintern genutzt. In an advantageous embodiment of the invention, the reaction parameters in the tube bundle reactor, in particular the heat carrier temperature, the bed heights of the individual catalyst layers, the axial distances of discharge points of the partial streams, the partial flow amounts and the catalyst activation are set so that the maximum temperatures in the first and second catalyst layer in a Range of 300 ° C to 900 ° C, preferably between 500 ° C and 700 ° C. The controlled high temperatures within the catalyst bed lead to an optimum in terms of reaction rates and conversion. As a result, the tube bundle reactor requires only a relatively small reaction space. Due to the stepped arrangement of the introduction points in the tube bundle reactor in conjunction with catalyst layers of different activity both a particularly high controlled reaction rate with a correspondingly small Reaktionsvolu men achieved as well as a particularly high conversion in the range of lower temperatures. In this way, the required total catalyst volume can be further minimized. The heat of reaction generated in the process is preferably used internally in the process and more preferably also inside the apparatus.
Als Wärmeträger kommen wegen der Temperaturbereiche mehrere Arten in Frage. Bevorzugt ist Siedewasser. Jedoch können die Wandstärken bei einem Rohrbündel reaktor mit einem Manteldurchmesser im Bereich von 5 bis 8 Metern bei entsprechendem Druck so groß werden, dass der Rohrbündelreaktor nicht mehr wirtschaftlich gebaut werden kann. Daher kann fallweise die Kühlung mit einem bei Betriebsbedingungen flüssigen Wärmeträger günstiger sein. Hier bietet sich der drucklose Betrieb z.B. mit flüssigem Salz, ionischen Flüssigkeiten oder einem Wärmeträgeröl an. As a heat carrier come because of the temperature ranges of several species in question. Preference is given to boiling water. However, the wall thicknesses in a tube bundle reactor with a cladding diameter in the range of 5 to 8 meters at a corresponding pressure can be so large that the tube bundle reactor can not be built economically. Therefore, on a case by case basis, the cooling may be more favorable with a heat transfer medium which is liquid under operating conditions. Here, the pressureless operation offers, for example with liquid salt, ionic liquids or a thermal oil.
Als Werkstoffe für den Rohrbündelreaktor kommen in der Regel alle im Druckbehälterbau üblichen warmfesten Stähle in Betracht, wie z.B. der Werkstoff mit dem Kurznamen 16Mo3 oder ähnliche Werkstoffe. In Abhängigkeit vom Einsatzort und der Beanspruchungsart können auch andere Werkstoffe zum Einsatz kommen. As materials for the tube bundle reactor are usually all customary in pressure vessel construction heat-resistant steels into consideration, such. the material with the short name 16Mo3 or similar materials. Depending on the location and the type of stress, other materials may also be used.
Zur Kontrolle der Temperatur werden einzelne Reaktionsrohre mit Thermometern ausgestattet, welche eine Temperaturmessu ng entlang der Reaktionsrohre erlauben. To control the temperature of individual reaction tubes are equipped with thermometers, which allow a Temperaturmessu ng along the reaction tubes.
Vorzugsweise wird das Reaktionsgas in den Roh rbü ndel reaktor mit einem Druck von 5 bara bis 50 bara und bevorzugt von 10 bara bis 30 bara und besonders bevorzugt von 15 bara bis 25 bara eingeleitet. Dieser Druckbereich ist optimal bezüglich der Beeinflussung des Reaktionsgleichgewichtes unter Berücksichtigung des konstruktiven Aufwands, der in erster Linie in der festigkeitsmäßigen Auslegung besteht, und der Investions- und Betriebskosten zur Verdichtung des Feed- gases am Eintritt des Rohrbündelreaktors. The reaction gas is preferably introduced into the crude reactor at a pressure of from 5 bara to 50 bara and preferably from 10 bara to 30 bara and more preferably from 15 bara to 25 bara. This pressure range is optimal in terms of influencing the reaction equilibrium, taking into account the design effort, which consists primarily in the strength design, and the investment and operating costs for compression of the feed gas at the entrance of the tube bundle reactor.
Bevorzugt wird die Wärmeträgertemperatur des Rohrbündelreaktors so eingestellt, dass sie im Bereich von 240°C bis 300 °C liegt. Dieser Temperaturbereich ist optimal bezüglich der Beeinflussung der Reaktionen in Hinblick auf Reaktionsgeschwindigkeit und Umsatz. Fallweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Temperaturen im Bereich zwischen 200 °C und 350 °C durchgeführt werden. Maßgeblich für die untere Temperatu rg renze ist immer die Anspringtemperatur des Katalysators, die nicht unterschritten werden sollte. Preferably, the heat carrier temperature of the tube bundle reactor is adjusted so that it is in the range of 240 ° C to 300 ° C. This temperature range is optimal in terms of influencing the reactions in terms of reaction rate and conversion. In some cases, the inventive method can also be carried out at temperatures in the range between 200 ° C and 350 ° C. Decisive for the lower temperature is always the light-off temperature of the catalyst, which should not be undercut.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung bildet der Rohrbündelreaktor eine erste Reaktorstufe eines Reaktorsystems, das weiterhin einen Kondensator, eine Aufheizzone und eine zweite Reaktorstufe aufweist, die alle in Strömungsrichtung eines das Reaktorsystem durchströmenden Reaktionsgases hintereinander angeordnet sind, wobei sich an den Schritt b) die weiteren Schritte anschließen: In a favorable embodiment of the invention, the tube bundle reactor forms a first reactor stage of a reactor system, which further comprises a condenser, a heating zone and a second reactor stage, all in the flow direction of a reactor system flowing through Reaction gases are arranged one behind the other, with the further steps following step b):
c) Abkühlen des aus dem Rohrbündelreaktor ausströmenden Reaktionsgases auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes mindestens eines Teils der Bestandteile des Reaktionsgases und Ableiten mindestens eines Teils der kondensierten Bestandteile; c) cooling the reaction gas flowing out of the tube bundle reactor to a temperature below the dew point of at least part of the constituents of the reaction gas and discharging at least part of the condensed constituents;
d) Aufheizen des Reaktionsgases, aus dem im Schritt c) ein Teil der kondensierten Bestandteile abgeleitet wurde; d) heating the reaction gas, from which part of the condensed constituents was derived in step c);
e) Bereitstellen eines Reaktors mit einer zweiten Katalysatorschüttung als zweite Reaktorstufe; und e) providing a reactor with a second catalyst bed as the second reactor stage; and
f) Hindurchleiten des aufgeheizten Reaktionsgases durch die zweite Katalysatorschüttung. f) passing the heated reaction gas through the second catalyst bed.
Bei diesen Maßnahmen liegt der Grundgedanke darin, in jeder einzelnen Reaktorstufe jeweils einen Reaktionsparameter zu optimieren. Ziel der ersten Reaktorstufe ist eine kontrollierte hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Hierdurch werden zudem die Reaktorabmessungen minimiert und die Lebensdauer des Katalysators verlängert. In der zweiten Reaktorstufe findet bei niedriger Temperatur der Restumsatz statt. Bei diesem Restumsatz wird nur noch wenig Reaktionswärme erzeugt. Zur Erfüllung dieser Funktion und kann die konstruktive Ausbildung der zweiten Reaktorstufe erheblich vereinfacht werden und reicht in der Regel ein einfacher adiabater katalytischer Festbettreaktor aus. The basic idea in these measures is to optimize one reaction parameter in each individual reactor stage. The aim of the first reactor stage is a controlled high reaction rate. As a result, the reactor dimensions are minimized and extended the life of the catalyst. In the second reactor stage, the residual conversion takes place at low temperature. At this residual conversion only little heat of reaction is generated. To fulfill this function and the structural design of the second reactor stage can be considerably simplified and is usually sufficient for a simple adiabatic catalytic fixed bed reactor.
Der Umsatz der Edukte am Ende der ersten Reaktorstufe liegt im Bereich von 90% bis 99%. Die Restumsetzung erfolgt in der zweiten Reaktorstufe. Der Umsatz in der ersten Reaktorstufe ist durch das Reaktionsprodukt Wasser wegen der Gleichgewichtsreaktion begrenzt. Durch die Teilkondensation nach der ersten Reaktorstufe wird Wasser aus dem Reaktionssystem genommen, so dass das Reaktionsgleichgewicht weiter auf die Produktseite verschoben wird. Durch den hohen Umsatz der ersten Reaktorstufe ist die Reaktionswärme in der zweiten Reaktorstufe so gering, dass hier i.d.R. ein einfacher adiabater Festbettreaktor für die restliche Methanisierung ausreicht. The conversion of the educts at the end of the first reactor stage is in the range of 90% to 99%. The residual conversion takes place in the second reactor stage. The conversion in the first reactor stage is limited by the reaction product water because of the equilibrium reaction. Due to the partial condensation after the first reactor stage, water is removed from the reaction system, so that the reaction equilibrium is further shifted to the product side. Due to the high conversion of the first reactor stage, the heat of reaction in the second reactor stage is so low that i.d.R. a simple adiabatic fixed bed reactor is sufficient for the remaining methanation.
Vorzugsweise wird das Reaktionsgas durch genau zwei Reaktorstufen geleitet. Wie bereits oben erwähnt, können die Reaktionsparameter so eingestellt werden, dass in der zweiten Reaktorstufe die restliche Umsetzung der Edukte erfolgt und damit der Gesamtumsatz der Edukte abgeschlossen ist und eine weitere Reaktorstufe nicht mehr erforderlich ist. Das bedeutet insbesondere bei Methanisierungsreaktionen, dass nach der zweiten Reaktorstufe das Produktgas nach Auskondensieren des Wasseranteils die Einspeisespezifikation des jeweiligen Gasnetzes erfüllt, in das es eingespeist werden soll. Bei der Auslegung der zweiten Reaktorstufe ist im Fall einer Methanisierung das Hauptziel das Erreichen einer Methankonzentration entsprechend der Einspeisespezifikation. Dies wird erreicht durch einen hohen Umsatz bei relativ niedriger Temperatur. Die Temperaturuntergrenze wird bestimmt durch die Mindestarbeitstemperatur des Katalysators, auch als„Anspringtemperatur“ bezeichnet. Die obere Temperaturgrenze wird bestimmt durch die Temperaturbeständigkeit des Katalysators und den einzuhaltenden Umsatz. Günstig wirkt sich weiterhin ein hoher Druck aus. Preferably, the reaction gas is passed through exactly two reactor stages. As already mentioned above, the reaction parameters can be adjusted so that in the second reactor stage, the remaining reaction of the starting materials takes place and thus the total conversion of the reactants is completed and another reactor stage is no longer required. This means, in particular in methanation reactions, that after the second reactor stage, the product gas, after condensation of the water content, meets the feed specification of the respective gas network into which it is to be fed. In the design of the second reactor stage, in the case of methanation, the main objective is to achieve a methane concentration according to the feed specification. This is achieved by a high conversion at a relatively low temperature. The lower temperature limit is determined by the minimum working temperature of the catalyst, also referred to as "light-off temperature". The upper temperature limit is determined by the temperature resistance of the catalyst and the turnover to be maintained. Conveniently continues to have a high pressure.
Als Material für den Katalysator kommen alle bekannten Vollkatalysatoren und Schalenkatalysatoren zur Methanisierung in Frage. Diese enthalten in der Regel Elemente der VIII. Nebengruppe, bevorzugt Nickel. As the material for the catalyst, all known unsupported catalysts and shell catalysts for methanation come into question. These usually contain elements of VIII. Subgroup, preferably nickel.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung wird im Schritt c) das Reaktionsgas auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes von Wasser abgekühlt und zumindest ein Teil des kondensierten Wassers abgeleitet. Durch die teilweise Kondensation und Ableitung des Reaktionsprod u kts Wasser zwischen der ersten Reaktorstufe und der zweiten Reaktorstufe wird auf günstige Weise das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite verschoben. In a favorable embodiment of the invention, the reaction gas is cooled to a temperature below the dew point of water in step c) and at least a portion of the condensed water derived. Due to the partial condensation and dissipation of the reaction product water between the first reactor stage and the second reactor stage, the reaction equilibrium is shifted to the product side in a favorable manner.
Dabei enthält das Reaktionsgas nach dem Ableiten zumindest eines Teils des kondensierten Wassers vorteilhafterweise einen Restwasserdampfgehalt von 0 % bis 30 % und bevorzugt von 15 % bis 25 %. Durch das Behalten einer Restwasserdampfmenge im Reaktionsgas wird Rußbildung verhindert und damit der Prozess stabilisiert. Vor Eintritt in die zweite Reaktorstufe wird das Reaktionsgas analog zum Feedgas in einem Vorwärmer auf etwas über die Anspringtemperatur erwärmt. Mit diesem Restwasserdampfgehalt wird ein Optimum erreicht bezüglich der Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes auf die Produktseite und der Vermeidung von Rußablagerungen. The reaction gas after deriving at least a portion of the condensed water advantageously contains a residual water vapor content of 0% to 30% and preferably from 15% to 25%. By keeping a residual water vapor amount in the reaction gas soot formation is prevented, thus stabilizing the process. Before entering the second reactor stage, the reaction gas is heated to something above the light-off temperature analogous to the feed gas in a preheater. With this residual steam content, an optimum is achieved with respect to the shift of the reaction equilibrium on the product side and the prevention of soot deposits.
Bevorzugt wird das gesamte Reaktorsystem mit einer Raumgeschwindigkeit (GHSV) von 5000 1/h bis 20000 1/h, besonders bevorzugt von 8000 1/h bis 15000 1/h, betrieben. Hierbei bedeutet die Raumgeschwindigkeit„GHSV“ die„gas hourly space velocity“. Sie ist der auf das Schüttvolumen des gesamten im Reaktorsystem enthaltenen Katalysators bezogene Normvolu menstrom , wobei sich hier das Schüttvolumen auf Katalysatorschüttungen jeglicher Art - ob unverdünnt oder verdünnt - bezieht. Eine hohe Raumgeschwindigkeit führt bei gleicher Reaktorleistung zu einem kleineren Reaktorvolumen. Dadurch ergeben sich verringerte Investitionskosten und konstruktive Vorteile durch einen verringerten Platzbedarf. Preferably, the entire reactor system with a space velocity (GHSV) of 5000 1 / h to 20,000 1 / h, particularly preferably from 8000 1 / h to 15000 1 / h, operated. Here, the space velocity "GHSV" means the "gas hourly space velocity". It is based on the bulk volume of the total catalyst contained in the reactor system Normvolu menstrom, here refers to the bulk volume on catalyst beds of any kind - whether undiluted or diluted - relates. A high space velocity leads to a smaller reactor volume at the same reactor power. This results in reduced investment costs and constructive advantages by reducing space requirements.
Die Verminderung der Katalysatoraktivität in einem erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor wird bevorzugt erreicht durch Verdünnung des Katalysators mit einem Inertmaterial. Das Verdünnungsverhältnis von Katalysator zu Inertmaterial liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 :1 bis 1 :10 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 :2,5 bis 1 :4. Die Verhältnisse beziehen sich auf die Schüttvolumina der einzelnen Komponenten. The reduction of the catalyst activity in a tube bundle reactor according to the invention is preferably achieved by diluting the catalyst with an inert material. The dilution ratio of catalyst to inert material is preferably in a range of 1: 1 to 1:10 and more preferably in a range of 1: 2.5 to 1: 4. The ratios relate to the bulk volumes of the individual components.
Durch das Verdünnen des Katalysators mit Inertpartikeln zum Erreichen einer bestimmten Aktivität ist man sehr flexibel in der Auswahl eines geeigneten Katalysators. By diluting the catalyst with inert particles to achieve a particular activity, one is very flexible in choosing a suitable catalyst.
Falls ein Katalysatorwechsel erforderlich werden sollte, so wird sich dieser oftmals nur auf denIf a catalyst change should be necessary, this will often only on the
Bereich mit den höchsten Reaktionstemperaturen beschränken, also auf den Bereich mit dem verdünnten Katalysator. Hier ist die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung am größten. Restrict the area with the highest reaction temperatures, ie to the area with the dilute catalyst. Here the likelihood of injury is greatest.
Der Verdünnungsgrad der ersten Katalysatorschicht mit dem Ziel einer verringerten Katalysatoraktivität hängt dabei insbesondere von der Grundaktivität des unverdünnten Katalysators, von der Strömungsgeschwindigkeit, dem GHSV sowie von der Eintrittstemperatur ab. The degree of dilution of the first catalyst layer with the aim of a reduced catalyst activity depends in particular on the basic activity of the undiluted catalyst, the flow rate, the GHSV and the inlet temperature.
Die Form der verwendbaren Partikel für den Katalysator ist nicht besonders beschränkt. Es können grundsätzlich alle bekannten Formkörper verwendet werden, so z.B. Kugeln, Pellets, Sättel oder Zylinderringe. Die Partikel sollten ein gutes Fließverhalten aufweisen und sich nach dem Einfüllen nicht setzen, d.h. die Höhe der Schüttung sollte sich im Betrieb im Idealfall nicht verändern. Sie sollen so beschaffen sein, dass das Durchströmungsverhalten im Ringraum zwischen Reaktionsrohrinnenwand und Dosierrohraußenwand nur wenig abweicht von dem Durchströmungsverhalten einer Partikelschüttung mit großer Durchströmungsfläche. Mit dem Durchströmungsverhalten sind im Besonderen der Druckverlust und die Randgängigkeit gemeint. The shape of the usable particles for the catalyst is not particularly limited. In principle, all known shaped bodies can be used, e.g. Balls, pellets, saddles or cylinder rings. The particles should have good flow behavior and not settle after filling, i. The height of the bed should ideally not change during operation. They should be such that the flow behavior in the annular space between the reaction tube inner wall and Dosierrohraußenwand only slightly deviates from the flow behavior of a particle bed with a large flow area. With the flow behavior in particular the pressure loss and the Randgängigkeit meant.
Besonders bevorzugt sind Zylinderstücke mit einem Durchmesser im Bereich von 1 ,2 mm bis 3,0 mm, einer Länge im Bereich von 3,0 mm bis 8,0 mm sowie einem Längen/Durchmesserverhältnis im Bereich von 1 :1 bis 8:1. In dieser Ausführung sind die Partikel zur Verwendung als Vollkatalysator bevorzugt. Particularly preferred are cylinder pieces with a diameter in the range of 1, 2 mm to 3.0 mm, a length in the range of 3.0 mm to 8.0 mm and a length / diameter ratio in the range of 1: 1 to 8: 1. In this embodiment, the particles are preferred for use as a full catalyst.
Die Größe und die Form der Katalysatorpartikel und Inertpartikel sind in der Regel etwa gleich. Hierdurch wird einer Entmischung der beiden Partikelsorten vorgebeugt. The size and shape of the catalyst particles and inert particles are usually about the same. As a result, segregation of the two types of particles is prevented.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind Katalysatorpartikel und Inertpartikel in der Größe und/oder in der Form unterschiedlich. Diese Ausbildung kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn z.B. Inertpartikel in der Art von Katalysatorpartikeln schwer beschaffbar sind oder Inertpartikel einer anderen Art deutlich wirtschaftlicher sind. Es kann auch Kombinationen unterschiedlicher Merkmale geben, mit denen Eigenschaften wie Druckverlust, Wärmeleitung oder Wärmeübergang gezielt optimiert werden können. Die einzelnen Parameter dieser Ausbildung können im Voraus nicht festgelegt werden. Sie müssen im Einzelfall gesondert untersucht und festgelegt werden. In a further embodiment of the invention, catalyst particles and inert particles are different in size and / or in shape. This embodiment can be particularly advantageous if, for example, inert particles such as catalyst particles are difficult to obtain or inert particles of a different type are significantly more economical. There may also be combinations of different features with which properties such as pressure loss, heat conduction or heat transfer can be specifically optimized. The individual parameters of this training can not be determined in advance. They must be examined and determined separately in individual cases.
Bei Abweichungen von Form und Größe der beiden Partikelsorten zueinander wird bevorzugt ein Einfüllverfahren eingesetzt, welches besonders darauf ausgerichtet ist, Entmischungen zu verhindern. In the case of deviations from the shape and size of the two particle types to one another, a filling method is preferably used, which is particularly designed to prevent segregation.
Bevorzugt beträgt bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor der Anteil der ersten Katalysatorschicht an der (ersten) Katalysatorschüttung 5 Vol.-% und 50 Vol.-%. In the tube bundle reactor according to the invention, the proportion of the first catalyst layer at the (first) catalyst bed is preferably 5% by volume and 50% by volume.
Der Anteil der ersten Katalysatorschicht mit verringerter Aktivität am gesamten Katalysatorvolumen ist das Ergebnis der Prozesssimulation. In der Regel ergibt sich ein Anteil in einem Bereich von 10 Vol.-% bis 35 Vol.-% des gesamten Katalysatorvolumens der (ersten) Katalysatorschüttung. In der ersten Katalysatorschicht und im Anfangsbereich der zweiten Katalysatorschicht wird bei hoher Temperatur ein schneller Umsatz erreicht. Die nachfolgenden Hot Spots im Anschluss an jede weitere Gasausströmstelle sind in ihrer Höhe bevorzugt schwächer ausgeprägt. The proportion of the first catalyst layer with reduced activity on the total catalyst volume is the result of the process simulation. In general, a proportion in a range of 10 vol .-% to 35 vol .-% of the total catalyst volume of the (first) catalyst bed. In the first catalyst layer and in the initial region of the second catalyst layer, a high conversion is achieved at high temperature. The following hot spots following each additional gas discharge point are preferably weaker in their height.
Vorzugsweise wird der Rohrbündelreaktor von unten nach oben durchströmt, d. h. werden die Reaktionsrohre von unten nach oben durchströmt. Entsprechend ist das Dosierrohr eines Reaktionsrohrs am unteren Ende befestigt und endet innerhalb der Katalysatorschüttung. Durch diese Anordnung wird das Einfüllen des Katalysators in die Reaktionsrohre stark vereinfacht, da die oberen Enden der Reaktionsrohre bei dieser Anordnung frei von Einbauten sind. Preferably, the tube bundle reactor is flowed through from bottom to top, d. H. the reaction tubes are flowed through from bottom to top. Accordingly, the metering tube of a reaction tube is attached at the lower end and ends within the catalyst bed. By this arrangement, the filling of the catalyst is greatly simplified in the reaction tubes, since the upper ends of the reaction tubes in this arrangement are free of internals.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors für Methanisierungsreaktionen haben sich Reaktionsrohre mit einem Au ßend u rchmesser im Bereich von 20 mm bis 100 mm, bevorzugt im Bereich von 20 mm bis 40 mm, besonders bewährt bei Wandstärken im Bereich von 1 ,5 mm bis 3,0 mm. Das Dosierrohr hat bevorzugt einen Außendurchmesser in einem Bereich von 6 mm bis 85 mm, besonders bevorzugt von 6 mm bis 15 mm, bei einer Wandstärke im Bereich von 1 ,0 mm bis 2,0 mm. When using the tube bundle reactor according to the invention for methanation reactions, reaction tubes having an outside diameter in the range from 20 mm to 100 mm, preferably in the range from 20 mm to 40 mm, have proven particularly useful with wall thicknesses in the range of 1.5 mm to 3.0 mm. The metering tube preferably has an outer diameter in a range of 6 mm to 85 mm, particularly preferably 6 mm to 15 mm, with a wall thickness in the range of 1, 0 mm to 2.0 mm.
Die Querschnittsform der Dosierrohre ist beliebig. So kann der Querschnitt beispielsweise kreisrund oder oval oder auch viereckig ausgeführt sein. Auch mehrere parallele Dosierrohre in einem Reaktionsrohr sind möglich. The cross-sectional shape of the metering tubes is arbitrary. Thus, the cross section may for example be circular or oval or quadrangular. Several parallel metering tubes in a reaction tube are possible.
Vorzugsweise enthalten die mindestens zwei Katalysatorschichten das gleiche Katalysatormaterial und enthält die erste Katalysatorschicht 5 Vol.-% bis 90 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 40 Vol.-%, des Katalysatormaterials der mindestens einen weiteren Katalysatorschicht. Auf diese Weise muss nur eine einzige Katalysatorsorte beschafft werden. Mit dieser einen Katalysatorsorte kann die Katalysatoraktivität der ersten Katalysatorschicht durch Verdünnung mit Inertmaterial flexibel eingestellt werden. In der Praxis wird eine Prozessoptimierung zunächst durch numerische Simulation durchgeführt. Hierdurch ergibt sich ein erster, gegebenenfalls noch relativ weiter optimaler Bereich des Verdünnungsgrades. Eine weitere Optimierung kann durch Technikumsversuche erreicht werden. Hierbei wird der erste, bereits ermittelte Bereich überprüft und ggf. noch weiter optimiert, d. h. genauer festgelegt. The at least two catalyst layers preferably contain the same catalyst material and the first catalyst layer contains 5% by volume to 90% by volume, preferably 10% to 40% by volume, of the catalyst material of the at least one further catalyst layer. In this way, only a single type of catalyst needs to be procured. With this one type of catalyst can the catalyst activity of the first catalyst layer can be adjusted flexibly by dilution with inert material. In practice, process optimization is first performed by numerical simulation. This results in a first, possibly even relatively further optimal range of the degree of dilution. Further optimization can be achieved through pilot plant trials. Here, the first, already determined area is checked and, if necessary, further optimized, ie defined more precisely.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt bei jedem Reaktionsrohr das Verhältnis des Ringspalts zwischen der Innenwand des Reaktionsrohrs und der Außenwand des Dosierrohrs zu dem Partikeldurchmesser der ersten Katalysatorschicht im Bereich von 2 bis 6. Dieses Verhältnis ist besonders vorteilhaft hinsichtlich Handhabbarkeit, Wärmeübergang und katalytischer Wirksamkeit. In an advantageous embodiment of the invention, the ratio of the annular gap between the inner wall of the reaction tube and the outer wall of the metering tube to the particle diameter of the first catalyst layer in the range of 2 to 6 in each reaction tube. This ratio is particularly advantageous in terms of handleability, heat transfer and catalytic activity.
Vorzugsweise werden der axiale Abstand zwischen der mindestens einen Gaseinströmstelle und der in Strömungsrichtung des Reaktionsgases ersten Gasausströmstelle, der axiale Abstand zwischen den Gasausströmstellen und der axiale Abstand zwischen letzter Gasausströmstelle und Ende des Dosierrohrs und deren Anzahl so gewählt, dass sich eine Heizflächen belastu ng durch die freiwerdende Reaktionswärme zwischen den Gaseinström- bzw. Gasausströmstellen im Bereich von 10 kW/m2 bis 150 kW/m2, vorzugsweise im Bereich von 20 kW/m2 bis 50 kW/m2 ergibt. Bezugsfläche ist hierbei die Rohraußenfläche. Mit dieser Randbedingung bezüglich der Wärmeproduktion wird ein günstiges Verhältnis zum Wärmeabtransport erreicht, was wiederum zu vorteilhaften Reaktionstemperaturen führt. Preferably, the axial distance between the at least one gas inflow and the first gas outflow in the flow direction of the reaction gas, the axial distance between the Gasausströmstellen and the axial distance between the last Gasausströmstelle and the end of the metering tube and the number chosen so that a heating surfaces belastu ng by the liberated reaction heat between the Gaseinström- or Gasausströmstellen in the range of 10 kW / m 2 to 150 kW / m 2 , preferably in the range of 20 kW / m 2 to 50 kW / m 2 results. Reference surface here is the tube outer surface. With this boundary condition with regard to the heat production, a favorable ratio to the heat removal is achieved, which in turn leads to advantageous reaction temperatures.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung liegt das quadratische Verhältnis des Innendurchmessers des Reaktionsrohrs zum Au ßend u rch messer des Dosierrohres in einem Bereich von 2 bis 6. Mit diesen bevorzugten Verhältnissen ergibt sich ein Ringspalt, welcher den Anforderungen an eine Reaktionskontrolle besonders entgegenkommt. In a favorable development of the invention, the quadratic ratio of the inner diameter of the reaction tube to the outside diameter of the metering tube is in a range from 2 to 6. With these preferred ratios, an annular gap results, which particularly meets the requirements for a reaction control.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem weist mehrere Komponenten auf, die sich gegenseitig beeinflussen. Bevorzugt werden die einzelnen Komponenten mit Hilfe eines Simulationsprogramms ausgelegt. Ein solches Simulationsprogramm kann ein kommerziell verfügbares Programm sein oder ein Programm, welches mit bekannten prozesstechnischen Zusammenhängen selbst erstellt werden kann. Die Katalysatoren haben je nach Zusammensetzung unterschiedliche Aktivitäten. Die Parameter des zu verwendenden Katalysators werden hierfür in Laborversuchen ermittelt und damit die Simulationsparameter angepasst. Die Größen der ersten und zweiten Reaktorstufen beeinflussen sich gegenseitig. Je größer die erste Reaktorstufe, d.h. je mehr Katalysatorvolumen dort vorhanden ist, umso größer ist dort der Umsatz. Die zweite Reaktorstufe wird entspre- chend kleiner. Umgekehrt gilt, dass eine kleinere erste Reaktorstufe eine größere zweite Reaktorstufe erfordert. In Optimierungsrechnungen kann das Reaktorsystem beispielsweise auf eine minimale Gesamtkatalysatormenge bei gegebenen Randbedingungen zu Massendurchsatz und Methankonzentration optimiert werden. The reactor system according to the invention has several components which influence one another. Preferably, the individual components are designed using a simulation program. Such a simulation program can be a commercially available program or a program which can be created with known process engineering contexts. The catalysts have different activities depending on the composition. The parameters of the catalyst to be used are determined for this purpose in laboratory experiments and thus adapted to the simulation parameters. The sizes of the first and second reactor stages influence each other. The larger the first reactor stage, ie the more catalyst volume is present there, the greater is the conversion there. The second reactor stage will be less. Conversely, a smaller first reactor stage requires a larger second reactor stage. In optimization calculations, the reactor system can be optimized, for example, to a minimum total amount of catalyst given given boundary conditions for mass flow rate and methane concentration.
Ist der Umsatz der ersten Reaktionsstufe zu gering, so kann es in der zweiten Reaktorstufe zu einem kritischen Betriebsfall kommen, bei dem lokal so viel Reaktionswärme freigesetzt wird, dass die Temperatur so stark ansteigt, dass erstens der Katalysator geschädigt wird und zweitens der Umsatz unter einen spezifizierten Wert sinkt, der normalerweise mindestens dem der Einspeisespezifikation entspricht. Es besteht zudem die Gefahr einer Schädigung des Reaktionsapparates. Um eine Reserve zu schaffen für den Fall eines Absinkens der Katalysatoraktivität der ersten Reaktionsstufe im Laufe der Betriebszeit, wird daher bevorzugt die zweite Reaktionsstufe so dimensioniert, dass auch bei einem Absinken des Umsatzes in der ersten Reaktionsstufe auf einen schlechtesten erwartbaren Wert der Grenzumsatz in der zweiten Reaktionsstufe, der zu einem kritischen Betriebsfall führt, nicht erreicht wird. If the conversion of the first reaction stage is too low, then it may come in the second reactor stage to a critical operating case in which locally so much heat of reaction is released that the temperature rises so high that, firstly, the catalyst is damaged and secondly, the turnover under one specified value, which is normally at least equal to the feed-in specification. There is also the risk of damage to the reactor. In order to create a reserve in the event of a decrease in the catalyst activity of the first reaction stage in the course of the operating time, the second reaction stage is therefore preferably dimensioned so that even with a decrease in the conversion in the first reaction stage to a worst-case expected value of the limit in the second Reaction stage, which leads to a critical operating case is not achieved.
Für die zweite Reaktorstufe wird bevorzugt ein adiabater katalytischer Festbettreaktor verwendet. Sein einfacher konstruktiver Aufbau erhöht die Wirtschaftlichkeit des Reaktorsystems. For the second reactor stage, an adiabatic catalytic fixed bed reactor is preferably used. Its simple structural design increases the efficiency of the reactor system.
Vorteilhafterweise bilden mindestens zwei der Einheiten erste Reaktorstufe, Kondensator, Aufheizzone und zweite Reaktorstufe eine konstruktive Einheit. Sind erste und zweite Reaktorstufe in einem Reaktorgehäuse angeordnet, so können die beiden Reaktorstufen entweder sequentiell oder parallel angeordnet werden. Das Zusammenfassen einzelner Einheiten in einer konstruktiven Einheit führt zu einer kompakten Produktionsanlage. Kompaktere konstruktive Einheiten erhöhen die Übersichtlichkeit der Anlage und führen zu Kosteneinsparungen. Bei apparateinternen Wärmenutzungen werden Wärmeverluste minimiert. Fallweise kann die zweite Reaktorstufe auch als isothermer katalytischer Reaktor ausgeführt werden. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn beide Reaktionsstufen in einem Reaktorgehäuse angeordnet sind. Advantageously, at least two of the units of the first reactor stage, condenser, heating zone and second reactor stage form a structural unit. If the first and second reactor stages are arranged in a reactor housing, then the two reactor stages can be arranged either sequentially or in parallel. The combination of individual units in a constructive unit leads to a compact production plant. More compact design units increase the clarity of the system and lead to cost savings. In internal heat utilization heat losses are minimized. In some cases, the second reactor stage can also be designed as an isothermal catalytic reactor. This can be advantageous if both reaction stages are arranged in a reactor housing.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Reaktorstufe ein gekühlter Reaktor, dessen mittlere Wärmeträgertemperatur um 0 K bis 30 K geringer ist als die Wärmeträgertemperatur der ersten Reaktorstufe. Dieser Temperaturbereich ist optimal bezüglich Reaktionsgeschwindigkeit, erzielbarem Umsatz und Gesamtgröße der einzelnen Einheiten des Reaktorsystems. In a favorable embodiment of the invention, the second reactor stage is a cooled reactor whose average heat transfer temperature is 0 K to 30 K lower than the heat carrier temperature of the first reactor stage. This temperature range is optimal in terms of reaction rate, recoverable conversion and overall size of the individual units of the reactor system.
Dabei ist bevorzugt die zweite Reaktorstufe ein Rohrbündelreaktor mit einem Bündel Reaktionsrohre, die mit der zweiten Katalysatorschüttung befüllt sind und im Betrieb von einem Reaktions- gas durchströmt und von einem Wärmeträger gekühlt werden. Diese Variante erhöht die Flexibilität des Gesamtsystems, denn es ist möglich, den Umsatz der ersten Reaktorstufe zu verringern und entsprechend die Reaktionswärme in der zweiten Reaktorstufe zu erhöhen. Diese Verfahrensweise kann sinnvoll sein, wenn z.B. zwei gleiche Reaktoren aus konstruktiven oder wirtschaftlichen Gründen eine Alternative zu zwei unterschiedlichen Reaktoren darstellen oder sich gemeinsame Wärmenutzungen anbieten. In this case, the second reactor stage is preferably a tube bundle reactor with a bundle of reaction tubes which are filled with the second catalyst bed and, during operation, are operated by a reaction vessel. gas flows through and are cooled by a heat transfer medium. This variant increases the flexibility of the overall system, because it is possible to reduce the conversion of the first reactor stage and to increase the heat of reaction in the second reactor stage accordingly. This procedure may be useful if, for example, two identical reactors represent an alternative to two different reactors for constructional or economic reasons or offer joint heat utilization.
Besonders bevorzugt befinden sich dabei die Reaktionsrohre der beiden Reaktoren in einem gemeinsamen Wärmeträgerraum. Mit der Anordnung der beiden Reaktorstufen in einem gemeinsamen Wärmeträgerraum wird ein Reaktionsapparat eingespart. Die Reaktionen beider Reaktorstufen können gleichzeitig kontrolliert werden. Durch die Dosierrohre in der ersten Reaktorstufe können trotzdem sehr unterschiedliche angepasste Reaktionsbedingungen eingestellt werden. Particularly preferably, the reaction tubes of the two reactors are located in a common heat carrier space. With the arrangement of the two reactor stages in a common heat transfer space, a reactor is saved. The reactions of both reactor stages can be controlled simultaneously. Nevertheless, very different adapted reaction conditions can be set by the metering tubes in the first reactor stage.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, 1 shows a vertical section through a first embodiment of a tube bundle reactor according to the invention,
Figur 2 in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Reaktionsrohrs aus dem Rohrbündelreaktor aus Figur 1 ,  2 shows on an enlarged scale a sectional view through an exemplary embodiment of a reaction tube from the tube bundle reactor from FIG. 1, FIG.
Figur 3 einen Vertikalschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors,  FIG. 3 shows a vertical section through a second exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention,
Figur 4 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems,  FIG. 4 shows a diagram of a first embodiment of a reactor system according to the invention,
Figur 5 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems, mit erster und zweiter Reaktorstufe im selben Reaktorgehäuse,  FIG. 5 shows a diagram of a second exemplary embodiment of a reactor system according to the invention, with first and second reactor stages in the same reactor housing,
Figur 6 einen Vertikalschnitt durch ein Reaktorgehäuse eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit erster und zweiter Reaktorstufe im selben Reaktorgehäuse und  Figure 6 shows a vertical section through a reactor housing of a third embodiment of a tube bundle reactor according to the invention, with first and second reactor stage in the same reactor housing and
Figur 7 einen Vertikalschnitt durch ein Reaktorgehäuse eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit erster und zweiter Reaktorstufe sowie Kondensator und Aufheizzone im selben Reaktorgehäuse.  Figure 7 shows a vertical section through a reactor housing of a fourth embodiment of a tube bundle reactor according to the invention, with first and second reactor stage and capacitor and heating zone in the same reactor housing.
In Figur 1 ist als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors ein Siedewasserreaktor dargestellt. FIG. 1 shows a boiling water reactor as an exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention.
Der Rohrbündelreaktor 12 weist ein Bündel 13 mit einer Vielzahl katalysatorbefüllter Reaktionsrohre 14 auf, die sich zwischen einem oberen Rohrboden 15 und einem unteren Rohrboden 16 vertikal erstrecken und von einem zylindrischen Reaktormantel 17 umschlossen sind. Die beidenThe tube bundle reactor 12 has a bundle 13 with a multiplicity of catalyst-filled reaction tubes 14, which are located between an upper tube plate 15 and a lower tube plate 16 extend vertically and are enclosed by a cylindrical reactor shell 17. The two
Enden der Reaktionsrohre 14 sind mit dem jeweiligen Rohrboden 15,16 gasdicht verschweißt. Im Betrieb werden die Reaktionsrohre 14 von einem Reaktionsgas 1 1 - im dargestellten Ausführungsbeispiel von oben nach unten - durchströmt und von einem Wärmeträger 18 gekühlt. Dabei bilden die beiden Rohrböden 15, 16 zusammen mit dem Mantel 17 einen Wärmeträgerraum 18A, in den der Wärmeträger 18 durch eine Eintrittsleitung 52 im unteren End bereich des Reaktormantels 17 eintritt und aus dem der Wärmeträger 18 durch eine Austrittsleitung 53 im oberen End bereich des Reaktormantels 17 austritt. Der obere Rohrboden 15 wird von einer GaseintrittshaubeEnds of the reaction tubes 14 are gas-tight welded to the respective tube sheet 15,16. In operation, the reaction tubes 14 by a reaction gas 1 1 - in the illustrated embodiment, from top to bottom - flows through and cooled by a heat carrier 18. The two tube sheets 15, 16 together with the jacket 17 a heat transfer chamber 18 A, in which the heat transfer medium 18 enters through an inlet line 52 in the lower end region of the reactor shell 17 and from the heat transfer medium 18 through an outlet line 53 in the upper end region of the reactor shell 17 exit. The upper tube sheet 15 is from a gas inlet hood
19 mit einem Gasei ntri ttsstu tzen 50 und der untere Rohrboden 16 von einer Gasaustrittshaube19 with a Gasi ntri ttsstu tzen 50 and the lower tube sheet 16 of a gas outlet hood
20 mit einem Gasaustrittsstutzen 51 überspannt. 20 spans with a gas outlet port 51.
Die Reaktionsrohre 14 sind mit einer Katalysatorschüttung 4 befüllt, wobei in jedem Reaktionsrohr 14 koaxial zu diesem ein Dosierrohr 21 angeordnet ist, dessen Innenraum 22 katalysatorfrei ist. In Figur 2 ist ein katalysatorbefülltes Reaktionsrohr 14 mit Dosierrohr 21 im Detail dargestellt. Das Reaktionsrohr 14 und das Dosierrohr 21 sind dort und auch in Figur 1 nicht maßstabsgerecht dargestellt. Das Längen-/Durchmesser-Verhältnis von Reaktionsrohren 14 und Dosierrohren 21 ist in der Realität wesentlich größer. The reaction tubes 14 are filled with a catalyst bed 4, wherein in each reaction tube 14 coaxially to this a metering tube 21 is arranged, whose interior 22 is free of catalyst. FIG. 2 shows a catalyst-filled reaction tube 14 with metering tube 21 in detail. The reaction tube 14 and the metering tube 21 are not shown to scale there and in Figure 1. The length / diameter ratio of reaction tubes 14 and metering tubes 21 is much larger in reality.
Das Dosierrohr 21 erstreckt sich um eine vorgegebene Länge in das Reaktionsrohr 14 hinein und wird durch Abstandshalter 23 in seiner zentralen Lage fixiert. Das Dosierrohr 21 ist in hier nicht dargestellter Weise an seinem gaseintrittsseitigen Ende 24 am Reaktionsrohr 14 oder auch am benachbarten oberen, gaseintrittsseitigen Rohrboden 15 befestigt. Zwischen der Innenwand 25 des Reaktionsrohrs 14 und der Außenwand 26 des Dosierrohrs 21 ist ein Ringspalt 27 ausgebildet, dessen Größe so dimensioniert ist, dass das quadratische Verhältnis des Innendurchmessers 28 des Reaktionsrohrs 14 zum Außendurchmesser 29 des Dosierrohres 21 in einem Bereich von 2 bis 6 liegt. The metering tube 21 extends by a predetermined length into the reaction tube 14 and is fixed by spacers 23 in its central position. The metering tube 21 is attached in a manner not shown here at its gas inlet end 24 on the reaction tube 14 or on the adjacent upper, gas inlet side tube plate 15. Between the inner wall 25 of the reaction tube 14 and the outer wall 26 of the metering tube 21, an annular gap 27 is formed whose size is dimensioned so that the square ratio of the inner diameter 28 of the reaction tube 14 to the outer diameter 29 of the metering tube 21 is in a range of 2 to 6 ,
Im gasaustrittsseitigen End bereich 30 jedes Reaktionsrohrs 14 ist eine Katalysatorhalterung 31 angeordnet, auf der die Katalysatorschüttung 4 aufliegt. Diese erstreckt sich von der Katalysatorhalterung 31 bis zum Dosierrohr 21 und dann weiter in den Ring raum 32 zwischen Reaktionsrohr 14 und Dosierrohr 21 hinein bis zu einem vorgegebenen Abstand vom gaseintrittsseitigen Ende 33 des Reaktionsrohrs 14. Am gaseintrittsseitigen Reaktionsrohrende 33 wird hierdurch ein katalysatorfreier Freiraum 34 ausgebildet. Dieser verhindert das Weg blasen von Katalysatormaterial, denn am Gaseintritt der Reaktionsrohre 14 können sich Turbulenzen im Reaktionsgasstrom 1 1 ausbilden. Zusätzlich kann in hier nicht dargestellter Weise im unteren Bereich des Freiraums 34 ein gasdurchlässiges Element, z.B. ein Lochblech oder ein Maschendrahtgeflecht, angeordnet werden, um den Katalysator in seiner Lage zu fixieren. Das Verhältnis des Ringspalts 27 zwischen der Innenwand 25 des Reaktionsrohrs 14 und der Außenwand 26 des Dosierrohrs 21 zu dem Partikeldurchmesser der Katalysatorschüttung 4 liegt im Bereich von 2 bis 6. In the gas outlet end region 30 of each reaction tube 14, a catalyst holder 31 is arranged, on which the catalyst bed 4 rests. This extends from the catalyst holder 31 to the metering tube 21 and then further into the annular space 32 between the reaction tube 14 and metering 21 into a predetermined distance from the gas inlet end 33 of the reaction tube 14. At the gas inlet end of the reaction tube 33, a catalyst-free space 34 is formed , This prevents the way bubbles of catalyst material, because at the gas inlet of the reaction tubes 14, turbulence in the reaction gas stream 1 1 can form. In addition, in a manner not shown here in the lower region of the free space 34, a gas-permeable element, for example a perforated plate or a wire mesh, can be arranged in order to fix the catalyst in its position. The ratio of the annular gap 27 between the inner wall 25 of the reaction tube 14 and the outer wall 26 of the metering tube 21 to the particle diameter of the catalyst bed 4 is in the range of 2 to 6.
Das gaseintrittsseitige Ende 24 des Dosierrohrs 21 bildet eine Einströmöffnung 35 für das Reaktionsgas 11 aus. In einem vorgegebenen axialen Abstand vom gaseintrittsseitigen Ende 36 der Katalysatorschüttung 4, d. h. stromabwärts vom Freiraum 34, ist eine erste Gasausströmstelle 37A angeordnet und im dargestellten Beispiel in weiteren vorgegebenen axialen Abständen zu dieser noch eine zweite und eine dritte, letzte Gasausströmstelle 37B, 37C. Eine Gasausströmstelle wird gebildet durch eine oder mehrere Gasausströmöffn ungen 38, die bevorzugt gleichmäßig am Umfang des Dosierrohrs 21 verteilt sind. Die Gasausströmöffnungen 38 einer Gasausströmstelle 37 A, 37B, 37C können in Umfangsrichtung auch gegeneinander versetzt sein. Die Größe und Anzahl dieser Gasausströmöffnungen 38 werden so dimensioniert, dass sich ein vorgegebener Gasdurchfluss einstellt. Weiterhin können in hier nicht dargestellter Weise noch innerhalb des Dosierrohrs 21 Drosselöffnungen angeordnet sein. The gas inlet-side end 24 of the metering tube 21 forms an inflow opening 35 for the reaction gas 11. At a predetermined axial distance from the gas inlet end 36 of the catalyst bed 4, d. H. downstream of the free space 34, a first Gasausströmstelle 37 A is arranged and in the example shown at further predetermined axial distances from this still a second and a third, last Gasausströmstelle 37 B, 37 C. A Gasausströmstelle is formed by one or more Gasausströmöffn openings 38, which are preferably evenly distributed on the circumference of the metering tube 21. The Gasausströmöffnungen 38 a Gasausströmstelle 37 A, 37 B, 37 C may be offset in the circumferential direction against each other. The size and number of these Gasausströmöffnungen 38 are dimensioned so that sets a predetermined gas flow. Furthermore, 21 throttle openings may be arranged in the manner not shown here within the metering tube.
Das Dosierrohr 21 hat drei Funktionen. Es reduziert den Strömungsquerschnitt der Katalysatorschüttung 4 im Reaktionsrohr 14 auf den Querschnitt des Ringraums 32 zwischen Reaktionsrohr 14 und Dosierrohr 21 , wodurch die sich einstellende Reaktionswärme reduziert wird. Ferner wird das Reaktionsgas 11 axial gestuft eingeleitet, wodurch die gesamte Reaktionswärme im mehrere kleinere Anteile aufgeteilt wird. Und schließlich wird quer zur Strömungsrichtung des Reaktionsgases 11 der Wärmeableitungsweg verkürzt auf die Größe des Ringspaltes 27 zwischen Reaktionsrohr 14 und Dosierrohr 21 , sodass nicht nur weniger Reaktionswärme entsteht, sondern diese auch noch schneller abgeleitet wird. The metering tube 21 has three functions. It reduces the flow cross-section of the catalyst bed 4 in the reaction tube 14 to the cross-section of the annular space 32 between the reaction tube 14 and metering tube 21, whereby the heat of reaction is reduced. Further, the reaction gas 11 is introduced axially stepped, whereby the total heat of reaction is divided into several smaller proportions. And finally, transverse to the flow direction of the reaction gas 11, the heat dissipation path is shortened to the size of the annular gap 27 between the reaction tube 14 and metering tube 21, so that not only less reaction heat is created, but this is also derived even faster.
Die Katalysatorschüttung 4 ist in zwei Katalysatorschichten 4a, 4b gegliedert. Die in Strömungsrichtung des Reaktionsgases 1 1 erste Katalysatorschicht 4a hat eine geringere Aktivität als die anschließende zweite Katalysatorschicht 4b. Sie, 4a, beginnt am gaseintrittsseitigen Ende 36 der Katalysatorschüttung 4 im Ringraum 32 und endet stromaufwärts der ersten Gasausströmstelle 37A. The catalyst bed 4 is divided into two catalyst layers 4a, 4b. The first catalyst layer 4a in the flow direction of the reaction gas 11 has a lower activity than the subsequent second catalyst layer 4b. It, 4a, starts at the gas inlet-side end 36 of the catalyst bed 4 in the annular space 32 and ends upstream of the first gas discharge point 37A.
Die zwei Katalysatorschichten 4a, 4b enthalten das gleiche Katalysatormaterial , wobei die erste Katalysatorschicht 4a eine Mischung ist, die 5 Vol.-% bis 90 Vol.-%, bevorzugt 10 Vol.-% bis 40 Vol.-% des Katalysatormaterials der zweiten Katalysatorschicht 4b und im übrigen Inertmaterial enthält. Die Partikelgrößen des Katalysatormaterials und des Inertmaterials sind bevorzugt gleich, um eine Entmischung insbesondere beim Befüllen der Reaktionsrohre 14 zu vermeiden. Der axiale Abstand zwischen dem gaseintrittsseitigen Ende 36 der Katalysatorschüttung 4 und der ersten Gasausströmstelle 37A, die axialen Abstände zwischen den Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C und der axiale Abstand zwischen der letzten Gasausströmstelle 37C und dem stroma b- wärtigen Ende 39 des Dosierrohrs 21 werden so vorgegeben, dass sich eine Heizflächen belas- tung durch die frei werdende Reaktionswärme zwischen den Gaseinström- bzw. Gasausströmstellen 35, 37A, 37B, 37C im Bereich von 10 kW/m2 bis 150 kW/m2, vorzugsweise im Bereich von 20 kW/m2 bis 50 kW/m2, ergibt. The two catalyst layers 4a, 4b contain the same catalyst material, the first catalyst layer 4a being a mixture comprising 5% by volume to 90% by volume, preferably 10% by volume to 40% by volume of the catalyst material of the second catalyst layer 4b and otherwise contains inert material. The particle sizes of the catalyst material and the inert material are preferably the same in order to avoid segregation, in particular when filling the reaction tubes 14. The axial distance between the gas inlet end 36 of the catalyst bed 4 and the first Gasausströmstelle 37A, the axial distances between the Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C and the axial distance between the last Gasausströmstelle 37C and the current b- wärtigen end 39 of the metering tube 21 so given that a heating surface loading by the heat of reaction liberated between the Gaseinström- or Gasausströmstellen 35, 37A, 37B, 37C in the range of 10 kW / m 2 to 150 kW / m 2 , preferably in the range of 20 kW / m 2 to 50 kW / m 2 , yields.
Im Folgenden wird der Strömungsweg des Reaktionsgases 11 durch den Rohrbündelreaktor 3 anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben. The flow path of the reaction gas 11 through the tube bundle reactor 3 will now be described with reference to FIGS. 1 and 2.
Ein vorgewärmtes Feedgas 10 tritt durch den Gasei ntri ttsstu tzen 50 in die Gaseintrittshaube 19 des Roh rbü ndel reaktors 12 ein und verteilt sich dort - nunmehr bezeichnet als Reaktionsgas 11 - auf die Reaktionsrohre 14. A preheated feed gas 10 enters the gas inlet hood 19 of the crude reactor 12 through the gas inlet nozzle 50 and distributes there - now referred to as reaction gas 11 - onto the reaction tubes 14.
In jedem Reaktionsrohr 14 wird der dort eintretende Reaktionsgasstrom in einen ersten Teilstrom 11.1 , der direkt in die im Ringraum 32 zwischen Dosierrohr 21 und Reaktionsrohr 14 befindliche Katalysatorschüttung 4 eintritt, und in einen zweiten Teilstrom 11.2 aufgeteilt, der in die Einströmöffnung 35 des Dosierrohrs 21 eintritt und dort im Bypass zu der Katalysatorschüttung 4 geführt wird, bis er aus den Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C als Teilströme 11.2A, 11.2B, 1 1.2C in die Katalysatorschüttung 4 austritt. Das gaseintrittsseitige Ende 36 der Katalysatorschüttung 4 bildet somit die Einleitungsstelle für den Teilstrom 1 1.1 und die Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C bilden die Einleitungsstellen für die Teilströme 11.2A, 11 2B, 11 2C in die Katalysatorschüttung 4. In each reaction tube 14, the reaction gas stream entering there is subdivided into a first substream 11.1, which enters directly into the catalyst bed 4 located in the annular space 32 between metering tube 21 and reaction tube 14, and into a second substream 11.2, which enters the inflow opening 35 of the metering tube 21 and there is guided in the bypass to the catalyst bed 4 until it emerges from the gas outflow points 37A, 37B, 37C as part streams 11.2A, 11.2B, 1 1.2C in the catalyst bed 4. The gas inlet-side end 36 of the catalyst bed 4 thus forms the point of introduction for the partial flow 11.1 and the gas outlet points 37A, 37B, 37C form the points of introduction for the partial flows 11.2A, 11B, 11C into the catalyst bed 4.
Der erste, direkt in den Ringraum 32 eingeleitete Teilstroml 1.1 durchströmt den Freiraum 34 - Reaktionsrohrabschnitt 14.1 - und tritt dann im Reaktionsrohrabschnitt 14.2 in die Katalysatorschicht 4a der Katalysatorschüttung 4 ein. The first, directly introduced into the annulus 32 Teilstroml 1.1 flows through the space 34 - reaction tube section 14.1 - and then enters in the reaction tube section 14.2 in the catalyst layer 4a of the catalyst bed 4 a.
Der Reaktionsrohrabschnitt 14.2 ist in einen Reaktionsrohrabschnitt 14.2a, der die erste Katalysatorschicht 4a (mit geringerer Aktivität) enthält, und einen Reaktionsrohrabschnitt 14.2b gegliedert, der einen Teil der zweiten Katalysatorschicht 4b enthält. The reaction tube section 14.2 is subdivided into a reaction tube section 14.2a, which contains the first catalyst layer 4a (with a lower activity), and a reaction tube section 14.2b, which contains part of the second catalyst layer 4b.
In bevorzugter Weise befindet sich das stromabwärtige Ende 40 der ersten Katalysatorschicht 4a in einem vorgegebenen Abstand stromaufwärts der ersten Gasausströmstelle 37A bzw. ragt die zweite Katalysatorschicht 4b um diesen Abstand stromaufwärts über die erste Gasausströmstelle 37A hinaus und bildet den Reaktionsrohrabschnitt 14.2b. Dieser Reaktionsrohrabschnitt 14.2b erfüllt die Hauptfunktion, das Reaktionsgas 1 1 bis nahezu zum Reaktionsgleichgewicht umzusetzen, bis es die erste Gasausströmstelle 37A erreicht. Eine weitere Funktion liegt in der Bereitstellung einer Sicherheitszone für den Fall von eventuellen Setzungen des Katalysators, so dass sichergestellt ist, dass das Reaktionsgas 11 , welches durch die erste Gasausströmstelle 37 A in die Katalysatorschüttung 4 strömt, in eine unverdünnte Katalysatorschicht 4b strömt und so unter optimalen Bedingungen reagieren kann. Preferably, the downstream end 40 of the first catalyst layer 4a is located at a predetermined distance upstream of the first gas discharge point 37A or the second catalyst layer 4b projects upstream from the first gas discharge point 37A by this distance and forms the reaction tube section 14.2b. This reaction tube section 14.2b fulfills the main function of reacting the reaction gas 1 1 almost to the reaction equilibrium until it reaches the first gas discharge point 37A. Another function is to provide a safety zone in the event of possible settling of the catalyst, so that it is ensured that the reaction gas 11, which flows through the first gas outlet 37 A in the catalyst bed 4, flows into an undiluted catalyst layer 4 b and so on optimal conditions.
Die Reaktion bildet innerhalb der ersten Katalysatorschicht 4a ein Temperaturprofil mit einem Hot Spot aus und ist zum stromabwärtigen Ende 40 der ersten Katalysatorschicht 4a weit fortgeschritten, wobei hierunter ein Umsatzgrad im Bereich von etwa 70% bis 85% zu verstehen ist. Die erforderliche axiale Ausdehnung der Katalysatorschicht 4a wird dabei mit Hilfe von Simulationsrechnungen ermittelt. The reaction forms a temperature profile within the first catalyst layer 4a with a hot spot and has progressed far to the downstream end 40 of the first catalyst layer 4a, which is to be understood as a degree of conversion in the range of about 70% to 85%. The required axial extent of the catalyst layer 4a is determined by means of simulation calculations.
Der sich an den Reaktionsrohrabschnitt 14.2 anschließende Reaktionsrohrabschnitt 14.3 ist eine Folge von Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C und anschließenden Reaktionsabschnitten. Er beginnt mit der ersten Gasausströmstelle 37A und endet mit dem stromabwärtigen Ende 39 des Dosierrohrs 21. Die in den Gasausströmstellen 37 A, 37B, 37C zugegebenen Teilströme 11 .2A,The reaction tube section 14.3 adjoining the reaction tube section 14.2 is a series of gas outlet points 37A, 37B, 37C and subsequent reaction sections. It starts with the first gas discharge point 37A and ends with the downstream end 39 of the metering tube 21. The partial streams 11 .2A added in the gas discharge points 37A, 37B, 37C,
11.2B, 1 1.2C des Reaktionsgases 1 1 reagieren in der jeweils nachfolgenden Katalysatorschicht 4b bis zur nächsten Gasausströmstelle 37B, 37C bzw. bis zum stromabwärtigen Ende 39 des Dosierrohrs 21. Die axialen Abstände der Gasausströmstellen 37A, 37B, 37C werden so bemessen, dass die Reaktion der jeweils zugegebenen Teilströme 1 1 2A, 1 1 2B bis zum Beginn der nächsten Gasausströmstelle 37B, 37C weit fortgeschritten ist, wobei hierunter ebenfalls ein Umsatzgrad im Bereich von etwa 70% bis 85% zu verstehen ist. Dabei steigt der Umsatz der Reaktionsabschnitte an deren stromabwärtigen Enden in stromabwärtiger Richtung von Reaktionsabschnitt zu Reaktionsabschnitt an. Diese Umsatzsteigerung ist das Ergebnis des zunehmenden Verdünnungsgrades und der stärker werdenden Wärmeabfuhr durch die immer größer werdende Strömungsgeschwindigkeit. Beide Effekte begünstigen die Temperaturkontrolle. Am Ende des letzten Reaktionsabschnittes zwischen der letzten Gasausströmstelle, hier 37C, und dem stromabwärtigen Ende 39 des Dosierrohrs 21 liegt der Umsatzgrad im Bereich von etwa 80% bis 90%. 11.2B, 1 1.2C of the reaction gas 11 react in the respectively following catalyst layer 4b to the next gas outlet 37B, 37C or to the downstream end 39 of the metering tube 21. The axial distances of the gas outlet 37A, 37B, 37C are dimensioned such that the reaction of the respectively added substreams 1 1 2A, 1 1 2B to the beginning of the next gas outflow point 37B, 37C has progressed far, this also being understood as meaning a degree of conversion in the range from about 70% to 85%. In this case, the conversion of the reaction sections at their downstream ends in the downstream direction from reaction section to reaction section increases. This increase in sales is the result of the increasing degree of dilution and the increasing heat dissipation due to the ever-increasing flow velocity. Both effects favor the temperature control. At the end of the last reaction section between the last Gasausströmstelle, here 37C, and the downstream end 39 of the metering tube 21, the degree of conversion is in the range of about 80% to 90%.
Nach dem stromabwärtigen Dosierrohrende 39 schließt sich ein letzter Reaktionsrohrabschnitt 14.4 mit dem letzten Teil der Katalysatorschicht 4b der Katalysatorschüttung 4 an, in dem ein Restumsatz bis zum Reaktionsg leichgewicht stattfindet. Wegen der dort nur noch geringen entstehenden Reaktionswärme werden die Wirkungen des Dosierrohrs 21 nicht mehr benötigt.After the downstream metering tube end 39, a last reaction tube section 14.4 connects to the last part of the catalyst layer 4b of the catalyst bed 4, in which a residual conversion takes place up to the reactive weight. Because of the small amount of heat of reaction generated there, the effects of the dosing tube 21 are no longer needed.
Durch den größeren Strömungsquerschnitt verlängert sich die Verweilzeit des Reaktionsgases 11 , wodurch die Reaktion bis nahezu zum Reaktionsg leichgewicht geführt werden kann. Am Ende des Reaktionsrohrabschnittes 14.4 liegt dann der Umsatz im Bereich von 90% bis 99%. Im Weiteren strömt mit Bezug auf Fig. 1 das Reaktionsgas 11 aus den Reaktionsrohren 14 in dieDue to the larger flow cross-section, the residence time of the reaction gas 11 is extended, whereby the reaction can be performed almost to the same weight as the reaction weight. At the end of the reaction tube section 14.4 then the conversion is in the range of 90% to 99%. In addition, with reference to FIG. 1, the reaction gas 11 flows out of the reaction tubes 14 into the
Gasaustrittshaube 20 des Rohrbündel reaktors 12 und von dort durch den Gasaustrittsstutzen 51 - nunmehr als Produktgas 43 bezeichnet - aus diesem heraus. Gas outlet hood 20 of the tube bundle reactor 12 and from there through the gas outlet nozzle 51 - now referred to as product gas 43 - out of this.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor dargestellt. Hier wird der Wärmeträger mittels einer (nicht dargestellten) Pumpe im Kreis geführt. Ferner ist an den Rohrbündelreaktor 12 ein Kühler 350 unmittelbar angeschlossen, sodass beide zusammen eine konstruktive Einheit 300 bilden. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a tube bundle reactor according to the invention. Here, the heat transfer medium is circulated by means of a pump (not shown). Furthermore, a cooler 350 is connected directly to the tube bundle reactor 12, so that together they form a structural unit 300.
Der Rohrbündelreaktor 12 weist - wie der in Figur 1 dargestellte Rohrbündelreaktor - ein Bündel 13 Reaktionsrohre 14 auf, die mit der Katalysatorschüttung 4 gefüllt sind und in denen jeweils ein Dosierrohr 21 zumindest teilweise in die Katalysatorschüttung 4 eingebettet ist. Die Reaktionsrohre 14 mit den Dosierrohren 21 werden von oben nach unten durchströmt. Sie entsprechen dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, d. h. die Katalysatorschüttung 4 ist wie dort beschrieben in zwei Katalysatorschichten 4a und 4b gegliedert. The tube bundle reactor 12 has - as the tube bundle reactor shown in Figure 1 - a bundle 13 reaction tubes 14 which are filled with the catalyst bed 4 and in each of which a metering tube 21 is at least partially embedded in the catalyst bed 4. The reaction tubes 14 with the metering tubes 21 are flowed through from top to bottom. They correspond to the embodiment shown in Figures 1 and 2, d. H. the catalyst bed 4 is divided into two catalyst layers 4a and 4b as described therein.
Ebenfalls sind die oberen, gaseintrittsseitigen Enden der Reaktionsrohre 14 in einem oberen Rohrboden 15 gasdicht befestigt, der von einer oberen Reaktorhaube bzw. Gaseintrittshaube 19 mit einem Gaseintrittsstutzen 50 überspannt wird. Also, the upper, gas inlet-side ends of the reaction tubes 14 are gas-tightly secured in an upper tube plate 15, which is spanned by an upper reactor hood or gas inlet hood 19 with a gas inlet nozzle 50.
Die unteren, gaseintrittsseitigen Enden der Reaktionsrohre 14 sind in einem unteren Rohrboden 16 gasdicht befestigt, an dem auf der den Reaktionsrohren 14 abgewandten Seite der Kühler 350 befestigt ist. The lower, gas inlet-side ends of the reaction tubes 14 are gas-tightly secured in a lower tube plate 16, on which on the side facing away from the reaction tubes 14 side of the radiator 350 is attached.
Die Reaktionsrohre 14 sind auch hier von einem zylindrischen Reaktormantel 17 umschlossen, der zusammen mit dem oberen und unteren Rohrboden 15,16 einen Wärmeträgerraum 18A bildet. The reaction tubes 14 are also enclosed here by a cylindrical reactor jacket 17, which forms a heat carrier chamber 18A together with the upper and lower tubesheet 15, 16.
Im Wärmeträgerraum 18A werden die Reaktionsrohre 14 von einem Wärmeträger 18 umströmt, der dem Wärmeträgerraum 18A von einem unteren Ringkanal 352 zugeleitet und in dem Wärmeträgerraum 18A durch scheiben- und ringförmige Umlenkbleche 353 mäanderförmig in jeweils radialer Richtung von außen nach innen und umgekehrt und von unten nach oben - d. h. quer zu den Reaktionsrohren 14 und im Gegenstrom zu dem Reaktionsgas 1 1 - durch das Rohrbündel 13 geführt und von einem oberen Ringkanal 354 wieder aus dem Wärmeträgerraum 18A abgeleitet wird. Die Ringkanäle 352, 354 umschließen den Reaktormantel 17 auf dessen Außenseite und stehen mit dem Wärmeträgerraum 18A durch Mantelöffnungen 355 in Strömungsverbindung. Der Wärmeträger 18 wird über einen Wärmetauscher und eine Wärmeträgerpumpe, die beide hier nicht dargestelit sind, im Kreis geführt. Bevorzugt ist der Wärmeträger 18 ein allgemein bekanntes flüssiges Salz, jedoch können auch andere Wärmeträger verwendet werden, wie beispielsweise Wärmeträgeröl oder ionische Flüssigkeiten. In the heat carrier chamber 18A, the reaction tubes 14 are flowed around by a heat carrier 18, the heat carrier 18A supplied from a lower annular channel 352 and in the heat transfer chamber 18A through disc and annular baffles 353 meandering in each radial direction from outside to inside and vice versa and from below above - ie transversely to the reaction tubes 14 and in countercurrent to the reaction gas 1 1 - passed through the tube bundle 13 and is derived from an upper annular channel 354 again from the heat carrier chamber 18A. The annular channels 352, 354 enclose the reactor jacket 17 on the outside thereof and are in fluid communication with the heat carrier chamber 18A through jacket openings 355. The heat transfer medium 18 is via a heat exchanger and a heat transfer pump, both not shown here, led in a circle. Preferably, the heat carrier 18 is a well-known liquid salt, but other heat transfer can be used, such as thermal oil or ionic liquids.
Der Kühler 350 weist ein Bündel 356 Kühlrohre 357 auf, deren Anzahl geringer sein kann als die Anzahl der Reaktionsrohre 14. Die Kühlrohre 357 erstrecken sich von einem oberen Kühler-Rohr- boden 358 vertikal zu einem unteren Kü hler-Rohrboden 359 und sind von einem zylindrischen Kühler-Mantel 360 umschlossen. Die Enden der Kühlrohre 357 sind mit dem jeweiligen Kühler- Rohrboden 358, 359 gasdicht verschweißt. Die Kühlrohre 357 sind katalysatorfrei und werden von dem Reaktionsgas 11 von oben nach unten durchströmt. The cooler 350 has a bundle 356 of cooling tubes 357, the number of which may be smaller than the number of reaction tubes 14. The cooling tubes 357 extend from an upper radiator tube bottom 358 vertically to a lower bulb tube bottom 359 and are of one cylindrical radiator sheath 360 enclosed. The ends of the cooling tubes 357 are welded gastight to the respective radiator tube plate 358, 359. The cooling tubes 357 are catalyst-free and are flowed through by the reaction gas 11 from top to bottom.
Zwischen dem unteren Rohrboden 16 des Rohrbündelreaktors 12 und dem oberen Kühler-Rohr- boden 358 ist ein Gasübertrittsraum 361 angeordnet, in den das Reaktionsgas 11 aus den Reaktionsrohren 14 austritt und aus dem es in die Kühlrohre 357 eintritt. Between the lower tube sheet 16 of the tube bundle reactor 12 and the upper cooler tube bottom 358, a gas transfer chamber 361 is arranged, into which the reaction gas 11 exits the reaction tubes 14 and from which it enters the cooling tubes 357.
Das Kühlrohrbündel 356 wird in einem von dem Wärmeträgerkreislauf des Rohrbündelreaktors 12 unabhängigen Wärmeträgerkreislauf von einem Wärmeträger 362 quer durchströmt. Der Wärmeträgerstrom tritt durch einen im unteren End bereich des Kühlers 350 angeordneten Eintrittsstutzen 363 in den Kühler 350 ein und durch einen im oberen End bereich des Kühlers 350 angeordneten Austrittsstutzen 364 aus diesem wieder aus. In halber Höhe des Kühlers 350 ist zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsstutzen 363, 364 ein Umlenkblech 365 angeordnet, das sich horizontal durch das gesamte Kühlrohrbündel 356 erstreckt, sodass der Wärmeträgerstrom vom Eintrittsstutzen 363 kommend und nach seiner Umlenkung zum Austrittsstutzen 364 hin quer durch das gesamte Kühlrohrbündel 356 geführt wird. The cooling tube bundle 356 is traversed transversely by a heat carrier 362 in a heat carrier circuit independent of the heat transfer medium circuit of the tube bundle reactor 12. The heat transfer fluid enters through an in the lower end region of the radiator 350 arranged inlet nozzle 363 in the radiator 350 and through an upper end of the radiator 350 arranged outlet nozzle 364 from this again. Halfway up the radiator 350, a baffle 365 is arranged between the inlet and the outlet nozzle 363, 364, which extends horizontally through the entire cooling tube bundle 356, so that the heat carrier flow coming from the inlet nozzle 363 and after its deflection to the outlet nozzle 364 out across the entire cooling tube bundle 356 is performed.
Der untere Kühler-Rohrboden 359 wird auf seiner den Kühlrohren 357 abgewandten Seite von einer unteren Reaktorhaube bzw. einer Gasaustrittshaube 20 mit einem Gasaustrittsstutzen 51 überspannt. The lower radiator tube plate 359 is spanned on its side facing away from the cooling tubes 357 by a lower reactor hood or a gas outlet hood 20 with a gas outlet nozzle 51.
Aus den Kühlrohren 356 tritt das Reaktionsgas 11 in die Gasaustrittshaube 20 ein und wird durch den Gasaustrittsstutzen 51 - nunmehr als Produktgas 43 bezeichnet - aus dem Kühler ausgeleitet. From the cooling tubes 356, the reaction gas 11 enters the gas outlet hood 20 and is discharged through the gas outlet nozzle 51 - now referred to as product gas 43 - from the cooler.
Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems 1 weist einen Vorwärmer 2, einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor (z.B. die in Figur 1 oder 3 dargestellten Ausführungsbeispiele) als eine erste Reaktorstufe 3 mit einer ersten Katalysatorschüttung 4, einen Kondensator 5, einen Verdichter 6, eine Aufheizzone 7 und eine zweite Reaktorstufe 8 mit einer zweiten Katalysatorschüttung 9 auf, die alle in Strömungsrichtung eines das Reaktorsystem 1 durchströmenden Feedgases 10 bzw. Reaktionsgases 11 hintereinander angeordnet sind. The exemplary embodiment of a reactor system 1 according to the invention shown in FIG. 4 has a preheater 2, a tube bundle reactor according to the invention (eg the exemplary embodiments illustrated in FIG. 1 or 3) as a first reactor stage 3 with a first catalyst bed 4, a condenser 5, a compressor 6, a heating zone 7 and a second reactor stage 8 with a second catalyst bed 9, all in the flow direction of the Reactor system 1 flowing through the feed gas 10 and reaction gas 11 are arranged one behind the other.
In dem Vorwärmer 2 wird das Feedgas 10 vor seinem Eintritt in den Rohrbündelreaktor 12 auf mindestens die sogenannte Anspringtemperatur des Katalysators der Katalysatorschüttung 4 erwärmt. Dies ist die notwendige Temperatur, damit eine katalytische Umsetzung stattfindet. Bevorzugt wird das Feedgas 10 auf eine Temperatur eingestellt, die um 5 K bis 30 K höher ist als die Anspringtemperatur. Es ist auch eine Erwärmung im Rohrbündelreaktor 12 direkt vor der Katalysatorschüttung 4 möglich. Hierdurch wird ein Anlagenteil eingespart. In the preheater 2, the feed gas 10 is heated prior to its entry into the tube bundle reactor 12 to at least the so-called light-off temperature of the catalyst of the catalyst bed 4. This is the temperature necessary for a catalytic reaction to take place. Preferably, the feed gas 10 is adjusted to a temperature which is 5 K to 30 K higher than the light-off temperature. It is also possible to heat in the tube bundle reactor 12 directly in front of the catalyst bed 4. As a result, a part of the system is saved.
Der Strömungsweg des Reaktionsgases durch den Rohrbündelreaktor der ersten Reaktorstufe wurde bereits anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben. The flow path of the reaction gas through the tube bundle reactor of the first reactor stage has already been described with reference to FIGS. 1 to 3.
In dem Kondensator 5 wird das aus der ersten Reaktorstufe austretende Reaktionsgas 11 auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes mindestens eines Teils der Bestandteile des Reaktionsgases 11 abgekühlt und ein Teil der kondensierten Bestandteile 41 abgeleitet. Im Fall einer Methanisierung wird das während der Reaktionen im Rohrbündelreaktor 12 entstandene Wasser teilweise auskondensiert und in Leitungen abgeleitet. In the condenser 5, the reaction gas 11 exiting from the first reactor stage is cooled to a temperature below the dew point of at least a portion of the constituents of the reaction gas 11 and a portion of the condensed constituents 41 are discharged. In the case of methanation, the water formed during the reactions in the tube bundle reactor 12 is partially condensed out and discharged into lines.
Die Reaktionen in der ersten Reaktorstufe 3 und die Temperaturabnahme im Kondensator 5 führen zu einer Volumenabnahme. Zur Herstellung optimaler Reaktionsbedingungen zur Maximierung des Umsatzes in der zweiten Reaktorstufe 8 wird der Druck anschließend im Verdichter 6 erhöht. The reactions in the first reactor stage 3 and the temperature decrease in the condenser 5 lead to a decrease in volume. To produce optimum reaction conditions to maximize the conversion in the second reactor stage 8, the pressure is subsequently increased in the compressor 6.
In der Aufheizzone 7 wird das verdichtete Reaktionsgas 1 1 auf mindestens die Anspringtemperatur der zweiten Katalysatorschüttung 9 der zweiten Reaktorstufe 8 erwärmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Reaktorstufe 8 ein adiabater Reaktor 42. In dem adiabaten Reaktor 42 wird die Umsetzung des Reaktionsgases 11 abgeschlossen, indem bei relativ niedriger Temperatur ein hoher Umsatz erreicht wird. Im Fall einer Methanisierung liegt der Umsatzgrad im Bereich von 98,0 % bis 99,6 % Im Anschluss an die zweite Reaktorstufe 8 wird in der Regel das im Prozess erzeugte Wasser nahezu vollständig auskondensiert. Das Produktgas 43 besteht nun weitgehend aus Methan CH4 mit einer Methankonzentration entsprechend einer vorgegebenen Einspeisespezifikation. In the heating zone 7, the compressed reaction gas 1 1 is heated to at least the light-off temperature of the second catalyst bed 9 of the second reactor stage 8. In the illustrated embodiment, the second reactor stage 8 is an adiabatic reactor 42. In the adiabatic reactor 42, the reaction of the reaction gas 11 is completed by achieving a high conversion at a relatively low temperature. In the case of methanation, the degree of conversion is in the range from 98.0% to 99.6%. Following the second reactor stage 8, the water produced in the process is generally almost completely condensed out. The product gas 43 now consists largely of methane CH 4 with a methane concentration corresponding to a given feed specification.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems 101 sind die erste und die zweite Reaktorstufe 3, 8 als konstruktive Einheit in Form eines so genannten Kombireaktors 100 ausgebildet. Der Kombireaktor 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel sowohl für die erste Reaktorstufe 3In the exemplary embodiment of a reactor system 101 according to the invention shown in FIG. 5, the first and second reactor stages 3, 8 are designed as a structural unit in the form of a so-called combined reactor 100. Combined reactor 100 has in this embodiment both for the first reactor stage 3
Reaktionsrohre 114A als auch für die zweite Reaktorstufe 8 Reaktionsrohre 114B auf, die in einem einzigen Rohrbündel 113 zusammengefasst und dort gemischt verteilt sind. Das Rohrbündel 113 wird von einem Reaktormantel 117 umschlossen, sodass sich die Reaktionsrohre 114A,Reaction tubes 114A as well as for the second reactor stage 8 reaction tubes 114B, which are combined in a single tube bundle 113 and distributed mixed there. The tube bundle 113 is enclosed by a reactor jacket 117, so that the reaction tubes 114A,
114B der ersten und der zweiten Reaktorstufe 3, 8 in einem gemeinsamen Wärmeträgerraum 118A befinden, in dem sie von einem Wärmeträger 118 gekühlt werden. Ferner sind die Reaktionsrohre 114A, 1 14B sowohl der ersten als auch der zweiten Reaktorstufe 3, 8 mit Katalysatormaterial befüllt und werden im Betrieb von Reaktionsgas 11 durchströmt, wobei die Reaktionsrohre 114A der ersten Reaktorstufe 3 mit einem anderen Gasverteilerraum und Gassammelraum in Strömungsverbindung stehen als die Reaktionsrohre 114B der zweiten Reaktorstufe 8. 114B of the first and the second reactor stage 3, 8 are located in a common heat carrier space 118A in which they are cooled by a heat carrier 118. Further, the reaction tubes 114A, 14B of both the first and second reactor stages 3, 8 are filled with catalyst material and are flowed through by reaction gas 11 during operation, with the reaction tubes 114A of the first reactor stage 3 in fluid communication with another gas distribution space and gas collection space Reaction tubes 114 B of the second reactor stage eighth
Die Reaktionsrohre 114A der ersten Reaktorstufe 3 sind mit der ersten Katalysatorschüttung 4 befüllt, die wie oben beschrieben mindestens in eine Katalysatorschicht 4a und eine Katalysatorschicht 4b gegliedert ist, und werden von oben nach unten durchströmt. Sie sind an ihren Enden mit einem ersten oberen und einem ersten unteren Rohrboden 115A, 1 16A gasdicht befestigt. In jedem Reaktionsrohr 114A der ersten Reaktorstufe 3 ist ein Dosierrohr 21 koaxial angeordnet, das in die erste Katalysatorschüttung 4 zumindest teilweise eingebettet ist. Die Dosierrohre 21 und diese erste Katalysatorschüttung 4 können beispielsweise wie in Figur 2 dargestellt ausgebildet sein. The reaction tubes 114A of the first reactor stage 3 are filled with the first catalyst bed 4, which, as described above, is subdivided into at least one catalyst layer 4a and one catalyst layer 4b, and flows through from top to bottom. They are attached at their ends with a first upper and a first lower tube sheet 115A, 1 16A gas-tight. In each reaction tube 114A of the first reactor stage 3, a metering tube 21 is arranged coaxially, which is at least partially embedded in the first catalyst bed 4. The metering tubes 21 and this first catalyst bed 4 may be formed, for example, as shown in FIG.
Die Reaktionsrohre 114B der zweiten Reaktorstufe 8 sind mit der zweiten Katalysatorschüttung 9 befüllt und werden von unten nach oben durchströmt. Sie sind an ihren Enden mit einem zweiten oberen Rohrboden 1 15B, der mit Abstand über dem ersten oberen Rohrboden 115A angeordnet ist, und in einem zweiten unteren Rohrboden 116B, der mit Abstand unter dem ersten unteren Rohrboden 116A angeordnet ist, gasdicht befestigt. Die Reaktionsrohre 1 14B der zweiten Reaktorstufe 8 sind ausschließlich mit der zweiten Katalysatorschüttung 9 befüllt und enthalten keine Dosierrohre. The reaction tubes 114B of the second reactor stage 8 are filled with the second catalyst bed 9 and are flowed through from bottom to top. They are gas-tightly secured at their ends to a second upper tube sheet 1 15B spaced above the first upper tube sheet 115A and into a second lower tube sheet 116B spaced below the first lower tube sheet 116A. The reaction tubes 14B of the second reactor stage 8 are filled exclusively with the second catalyst bed 9 and contain no metering tubes.
Der zweite obere Rohrboden 1 15B wird von einer oberen Reaktorhaube 1 19 und der zweite untere Rohrboden 116B von einer unteren Reaktorhaube 120 überspannt. The second upper tube sheet 1 15B is spanned by an upper reactor hood 1 19 and the second lower tube sheet 116B by a lower reactor hood 120.
Der Zwischenraum zwischen dem ersten oberen und dem zweiten oberen Rohrboden 1 15A,The space between the first upper and second upper tubesheet 1 15A,
115B bildet den (ersten) Gaseintrittsraum 119A und der Zwischenraum zwischen dem ersten unteren und dem zweiten unteren Rohrboden 1 16A, 116B den (ersten) Gassammelraum 120A für die Reaktionsrohre 114A der ersten Reaktorstufe 3. Die untere Reaktorhaube 120 bildet den (zweiten) Gaseintrittsraum 1 19B und die obere Reaktorhaube 119 den (zweiten) Gassammelraum 120B für die Reaktionsrohre 1 14B der zweiten Reaktorstufe 8. 115B, the (first) gas inlet space 119A and the space between the first lower and the second lower tubesheet 16A, 116B form the (first) gas collecting space 120A for the reaction tubes 114A of the first reactor stage 3. The lower reactor hood 120 forms the (second) gas inlet space 1 19B and the upper reactor hood 119 forms the (second) gas collecting space 120B for the reaction tubes 14B of the second reactor stage 8.
Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems 101 wird wie folgt betrieben: The exemplary embodiment of a reactor system 101 according to the invention shown in FIG. 5 is operated as follows:
Ein Gasstrom mit einer ersten Feedgaskomponente 10a und ein Gasstrom mit einer zweiten Feedgaskomponente 10b, im Fall einer Methanisierung beispielsweise ein Gasstrom aus CO2 und ein Gasstrom aus H2, werden in einem hier nicht dargestellten Mischer zu einem Feedgas 10 zusammengeführt. Dieses wird vor Eintritt in die erste Reaktorstufe 3 im laufenden, stationären Betrieb im Gegenstrom in einem Vorwärmer 102 durch das aus der zweiten Reaktorstufe 8 kommende Produktgas 43 auf die Anspringtemperatur der ersten Katalysatorschüttung 4 erwärmt. Beim Anfahren des Reaktorsystems 101 jedoch gibt es noch kein heißes Produktgas 43. Das Feedgas 10 wird daher während des Anfahrvorgangs durch einen vorzugsweise elektrisch betriebenen Anfahrvorwärmer 102.1 erwärmt. Der Betrieb dieses Anfahrvorwärmers 102.1 ist auf jede beliebige Weise möglich - beispielsweise mit Dampf, falls ein Dampfnetz vorhanden ist. Die Umleitung des Feedgasstroms 10 erfolgt durch entsprechendes Öffnen bzw. Schließen von Absperrventilen 150 in der Rohrleitung. A gas stream with a first feed gas component 10a and a gas stream with a second feed gas component 10b, in the case of methanation, for example, a gas stream of CO2 and a gas stream of H2, are combined into a feed gas 10 in a mixer, not shown here. This is heated to the light-off temperature of the first catalyst bed 4 before it enters the first reactor stage 3 during ongoing stationary operation in countercurrent in a preheater 102 by the product gas 43 coming from the second reactor stage 8. When starting the reactor system 101, however, there is still no hot product gas 43. The feed gas 10 is therefore heated during the starting process by a preferably electrically operated starting preheater 102.1. The operation of this Anfahrvorwärmers 102.1 is possible in any way - for example, with steam, if a steam network is available. The diversion of the feed gas stream 10 takes place by corresponding opening or closing of shut-off valves 150 in the pipeline.
Anschließend strömt das vorgewärmte Feedgas 10 in den (ersten) Gasverteilerraum 119A der ersten Reaktorstufe 3 des Kombireaktors 100 und von dort in die Reaktionsrohre 114A mit den Dosierrohren 21 . Nach dem Austritt aus diesen Reaktionsrohren 1 14A wird das Reaktionsgas 11 in den ersten Gassammel raum 120A geleitet. Subsequently, the preheated feed gas 10 flows into the (first) gas distribution chamber 119A of the first reactor stage 3 of the combined reactor 100 and from there into the reaction tubes 114A with the metering tubes 21. After emerging from these reaction tubes 14A, the reaction gas 11 is passed into the first gas collection chamber 120A.
Von dort wird es in einen Wärmeü bertrager 151 geführt, wo es einen ersten Teil seiner Wärme abgibt. From there it is conveyed to a heat exchanger 151, where it gives off a first part of its heat.
Anschließend wird das im Reaktionsgas 11 - im Fall einer Methanisierung - enthaltene Wasser 41 teilweise in einem Kondensator 105 kondensiert und abgeleitet, so dass das Reaktionsgas 11 nur noch einen Wassergehalt von etwa 20 Vol.-% enthält. Das gekühlte Reaktionsgas 11 wird anschließend in dem Wärmeü bertrager 151 wieder aufgeheizt, bevor es in den (zweiten) Gasverteilerraum 1 19B der zweiten Reaktorstufe 8 des Kombireaktors 100 geleitet wird. Von dort strömt das Reaktionsgas 11 in die Reaktionsrohre 1 14B der zweiten Reaktorstufe 8, wo der Restumsatz hin zur gewünschten Produktgaszusammensetzung stattfindet. Das Reaktionsgas 11 tritt anschließend aus diesen Reaktionsrohren 1 14B in den zweiten Gassammelraum 120B in der oberen Reaktorhaube 119 ein, von wo aus es als Produktgas 43 aus dem Kombireaktor 100 herausgeführt wird. In dem anschließenden, oben erwähnten Vorwärmer 102 erwärmt das Produktgas 43 das in die erste Reaktorstufe 3 eintretende Feedgas 10 und wird anschließend in einen zweiten Kondensator 152 geführt, wo das in der zweiten Reaktorstufe 8 noch entstandene Wasser 153 auskondensiert und abgeleitet wird. Das trockene Produktgas 43 wird dann der Gaseinspeiseeinheit übergeben. Subsequently, the water 41 contained in the reaction gas 11 - in the case of methanation - is partially condensed and discharged in a condenser 105, so that the reaction gas 11 only contains a water content of about 20% by volume. The cooled reaction gas 11 is then heated again in the heat exchanger 151 before it is conducted into the (second) gas distribution chamber 1 19B of the second reactor stage 8 of the combined reactor 100. From there, the reaction gas 11 flows into the reaction tubes 14B of the second reactor stage 8, where the residual conversion takes place towards the desired product gas composition. The reaction gas 11 then enters from these reaction tubes 14B into the second gas collection chamber 120B in the upper reactor hood 119, from where it is led out of the combined reactor 100 as product gas 43. In the subsequent preheater 102 mentioned above, the product gas 43 heats the feed gas 10 entering the first reactor stage 3 and is subsequently conducted into a second condenser 152 where the water 153 still formed in the second reactor stage 8 is condensed out and discharged. The dry product gas 43 is then transferred to the gas feed unit.
Bei dem gezeigten Kombireaktor 100 handelt es sich um einen Siedewasserreaktor. Der Betriebsdruck liegt bei 55 bara, so dass sich eine Betriebstemperatur von 270°C ergibt. Damit das Wärmemanagement möglichst effizient ist, wird als Kühlmedium für die Kondensatoren zumindest teilweise Speisewasser verwendet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das mittels einer Pumpe 154 zugeführte Speisewasser 155 im Kondensator 105 zwischen erster und zweiter Reaktorstufe 3,8 als Kühlmittel verwendet, bevor es der Dampftrommel 156 des Kühlmittelkreislaufs 157 des Siedewasserreaktors 100 zugeführt wird. The combination reactor 100 shown is a boiling water reactor. The operating pressure is 55 bara, resulting in an operating temperature of 270 ° C. In order for the heat management to be as efficient as possible, at least some of the feed water is used as the cooling medium for the condensers. In the illustrated embodiment, the feed water 155 supplied by means of a pump 154 is used as a coolant in the condenser 105 between the first and second reactor stages 3, 8 before being supplied to the steam drum 156 of the coolant circuit 157 of the boiling water reactor 100.
Das Reaktorsystem 101 ist weiterhin ausgestattet mit einer hier nicht dargestellten Mess-, Steuern ngs- und Regelanlage, wie sie für Anlagen dieses Typs üblich ist. Insbesondere wird die Zusammensetzung des Reaktionsgases 1 1 zwischen erster und zweiter Reaktorstufe 3,8 analysiert. Hierbei wird kontrolliert, ob der Umsatz der ersten Reaktorstufe 3 ausreichend hoch ist, damit der Restumsatz in der zweiten Reaktorstufe 8 nicht zu unzulässig hohen Temperaturen führt. Tempe- raturmessstellen sind weiterhin zweckmäßig bei allen Prozessströmen sowie in der zweiten Reaktorstufe 8. Die Prozessströme umfassen dabei die Feedgaskomponenten 10a, 10b vor und nach der Mischung, das Reaktionsgas 11 , den Wärmeträger 118, auskondensiertes Wasser 41 , 43, Speisewasser 155 für den Siedewasserkreislauf 157 sowie eventuelle andere Hilfsströme. The reactor system 101 is further equipped with a measuring, control and control system, not shown here, as is customary for systems of this type. In particular, the composition of the reaction gas 1 1 is analyzed between the first and second reactor stage 3.8. In this case, it is checked whether the conversion of the first reactor stage 3 is sufficiently high, so that the residual conversion in the second reactor stage 8 does not lead to unacceptably high temperatures. Temperature measuring points are furthermore expedient in all process streams and in the second reactor stage 8. The process streams in this case include the feed gas components 10a, 10b before and after the mixture, the reaction gas 11, the heat carrier 118, condensed water 41, 43, feed water 155 for the boiling water cycle 157 and any other auxiliary currents.
Fig. 6 zeigt eine Variante 200 des in Fig. 5 dargestellten Kombireaktors 100. Der Unterschied liegt darin, dass die Reaktionsrohre 214A, 214B der ersten und zweiten Reaktionsstufe 3,8 nicht gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt sind, sondern in jeweils eigenen Bereichen angeordnet sind. So sind die Reaktionsrohre 214A der ersten Reaktorstufe 3 in einem ringförmigen Rohrbündel 213A angeordnet, das ein zentrales Rohrbündel 213B mit den Reaktionsrohren 214B der zweiten Reaktorstufe 8 umschließt. FIG. 6 shows a variant 200 of the combined reactor 100 shown in FIG. 5. The difference is that the reaction tubes 214A, 214B of the first and second reaction stages 3, 8 are not distributed uniformly over the reactor cross section, but are arranged in separate regions , Thus, the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3 are arranged in an annular tube bundle 213A, which encloses a central tube bundle 213B with the reaction tubes 214B of the second reactor stage 8.
Die Reaktionsrohre 214A der ersten Reaktorstufe 3 enthalten wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 jeweils ein koaxial angeordnetes Dosierrohr 21 , das zumindest teilweise in die erste Katalysatorschüttung 4 eingebettet ist. Wie oben beschrieben, ist die erste Katalysatorschüttung 4 in eine Katalysatorschicht 4a und eine Katalysatorschicht 4b gegliedert. Die Reaktionsrohre 214B der zweiten Reaktorstufe 8 sind ausschließlich mit der zweiten Katalysatorschüttung 9 befüllt; Dosierrohre enthalten sie nicht. Die obere Reaktorhaube 219 bildet den (ersten) Gasverteilerraum 219A der ersten Reaktorstufe 3 und weist einen Gaseintrittsstutzen 250A für das Feedgas 10 auf. Die untere Reaktorhaube 220 bildet den (ersten) Gassammelraum 220A der ersten Reaktorstufe 3 und weist einen Gasaustrittsstutzen 251 A für das Reaktionsgas 11 auf. As in the exemplary embodiment according to FIG. 5, the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3 each contain a coaxially arranged metering tube 21 which is at least partially embedded in the first catalyst bed 4. As described above, the first catalyst bed 4 is divided into a catalyst layer 4a and a catalyst layer 4b. The reaction tubes 214B of the second reactor stage 8 are filled exclusively with the second catalyst bed 9; Metering tubes do not contain them. The upper reactor hood 219 forms the (first) gas distributor space 219 A of the first reactor stage 3 and has a gas inlet nozzle 250 A for the feed gas 10. The lower reactor hood 220 forms the (first) gas collecting space 220A of the first reactor stage 3 and has a gas outlet nozzle 251 A for the reaction gas 11.
Der (zweite) Gasverteilerraum 219B der zweiten Reaktorstufe 8 wird durch eine VerteilerhaubeThe (second) gas distribution chamber 219B of the second reactor stage 8 is passed through a distributor hood
252 gebildet, die innerhalb der unteren Reaktorhaube 220, d. h. innerhalb des ersten Gassammelraums 220A, angeordnet und an einen zweiten Gaseintrittsstutzen 250B angeschlossen ist, der sich durch die untere Reaktorhaube 220 hindurch und aus dieser heraus erstreckt. Der zweite Gassammelraum 220B wird durch eine Sammelhaube 253 gebildet, die innerhalb der oberen Reaktorhaube 219, d. h. innerhalb des ersten Gasverteilerraums 219A, angeordnet und an einen zweiten Gasaustrittsstutzen 251 B angeschlossen ist, der sich durch die obere Reaktorhaube 219 hindurch und aus dieser heraus erstreckt. 252 formed within the lower reactor hood 220, d. H. within the first gas collection chamber 220A, and is connected to a second gas inlet nozzle 250B that extends through and out of the lower reactor cap 220. The second gas collection chamber 220B is formed by a collecting hood 253 which is located within the upper reactor hood 219, d. H. within the first gas distribution space 219A, and is connected to a second gas exit port 251B which extends through and out of the upper reactor cap 219.
Die Verteilerhaube 252 ist an der der unteren Reaktorhaube 220 zugewandten Seite des unteren Rohrbodens 216 befestigt. Die Sammelhaube 253 ist auf der der oberen Reaktorhaube 219 zugewandten Seite des oberen Rohrbodens 215 befestigt. The distributor hood 252 is fastened to the side of the lower tube bottom 216 facing the lower reactor hood 220. The collecting hood 253 is fastened on the side of the upper tube bottom 215 facing the upper reactor hood 219.
Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und von Temperaturdehnungen weisen der zweite Gaseintrittsstutzen 250B und der zweite Gasaustrittsstutzen 251 B jeweils einen Dehnungskompensator 254 auf. To compensate for manufacturing tolerances and thermal expansions, the second gas inlet nozzle 250B and the second gas outlet nozzle 251 B each have a strain compensator 254.
Die Betriebsweise ist wie folgt: The operation is as follows:
Das Feedgas 10 wird in den ersten Gasverteilerraum 219A eingeleitet und tritt von dort in die Reaktionsrohre 214A der ersten Reaktorstufe 3 ein. The feed gas 10 is introduced into the first gas distribution chamber 219A and from there enters the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3.
Aus den Reaktionsrohren 214A der ersten Reaktorstufe 3 tritt das Reaktionsgas 11 in den ersten Gassammelraum 220A ein und wird mittels des ersten Gasau stri ttsstu tzens 251 A aus dem Kombireaktor 200 ausgeleitet. From the reaction tubes 214A of the first reactor stage 3, the reaction gas 11 enters the first gas collection chamber 220A and is discharged from the combination reactor 200 by means of the first gas flow strut 251A.
Anschließend wird das Reaktionsgas 1 1 in einem hier nicht dargestellten Kondensator so weit abgekühlt, dass das im Reaktionsgas 1 1 - im Fall einer Methanisierung - enthaltene Wasser kondensiert wird und ein Teil des Wassers abgeleitet wird. Danach wird das Reaktionsgas 1 1 in einer hier ebenfalls nicht dargestellten Aufheizzone wieder auf die Anspringtemperatur der zweiten Katalysatorschüttung 9 der zweiten Reaktionsstufe 8 erwärmt. Das erwärmte Reaktionsgas 11 tritt durch den zweiten Gaseintrittsstutzen 250B wieder in denSubsequently, the reaction gas 1 1 is cooled so far in a condenser, not shown here, that in the reaction gas 1 1 - in the case of methanation - contained water is condensed and a portion of the water is discharged. Thereafter, the reaction gas 1 1 is heated in a heating zone, also not shown here again to the light-off temperature of the second catalyst bed 9 of the second reaction stage 8. The heated reaction gas 11 enters the second gas inlet port 250B again
Kombireaktor 200 ein und wird dem zweiten Gasverteilerraum 219B (der Verteilerhaube 252) zugeführt. Combined reactor 200 and is the second gas distribution chamber 219 B (the distributor hood 252) supplied.
Von der Verteilerhaube 252 aus tritt das Reaktionsgas 1 1 in die Reaktionsrohre 214B der zweiten Reaktorstufe 8 ein. From the distributor hood 252, the reaction gas 1 1 enters the reaction tubes 214B of the second reactor stage 8.
Aus diesen Reaktionsrohren 214B tritt das Reaktionsgas 11 in den zweiten Gassammelraum 220B (die Sammelhaube 253) ein und wird mittels des zweiten Gasaustrittsstutzens 251 B als Produktgas 43 aus dem Kombireaktor 200 ausgeleitet. From these reaction tubes 214B, the reaction gas 11 enters the second gas collecting space 220B (the collecting hood 253), and is discharged from the combination reactor 200 by means of the second gas discharge port 251B as the product gas 43.
Es wird der Gaseinspeiseeinheit übergeben und gegebenenfalls vorher noch einem weiteren Kondensator zum Auskondensieren des noch im Reaktionsgas 1 1 nach der zweiten Reaktorstufe 8 bzw. im nunmehrigen Produktgas 43 enthaltenen Wassers. It is transferred to the gas feed unit and possibly before a further condenser for condensing out of the water still contained in the reaction gas 1 1 after the second reactor stage 8 and in the now existing product gas 43.
Durch die in Fig. 5 und Fig. 6 vorgestellten Ausführungsbeispiele der zweiten Reaktorstufe 8 als in den Kombireaktor 100, 200 integrierter Rohrbündelreaktor ist es möglich, die Gesamtreaktion noch wirkungsvoller zu kontrollieren und Größe des gesamten Reaktorsystems 101 zu optimieren. Der besondere Vorteil dieser Reaktorsysteme 101 liegt darin, dass durch die Kühlung eine Überhitzung in der zweiten Reaktorstufe 8 ausgeschlossen werden kann und der Umsatz auf einem stabilen und hohen Niveau gehalten wird, wobei gleichzeitig eine kompakte Bauweise erreicht wird. By way of the exemplary embodiments of the second reactor stage 8 presented in FIGS. 5 and 6, as a tube bundle reactor integrated in the combined reactor 100, 200, it is possible to control the overall reaction more effectively and to optimize the size of the entire reactor system 101. The particular advantage of these reactor systems 101 is that overheating in the second reactor stage 8 can be ruled out by the cooling and the conversion is kept at a stable and high level, at the same time achieving a compact construction.
In Figur 7 ist als Ausführungsbeispiel ein Kombireaktor 400 dargestellt, bei dem sämtliche Komponenten des Reaktorsystems in einem Gehäuse untergebracht sind. Das Reaktionsgas 11 durchströmt diesen Kombireaktor 400 von unten nach oben. Im Einzelnen enthält der Kombireak- tor 400 folgende Komponenten: In Figure 7, a combined reactor 400 is shown as an exemplary embodiment, in which all components of the reactor system are housed in a housing. The reaction gas 11 flows through this combined reactor 400 from bottom to top. In detail, the combi-reactor 400 contains the following components:
Eine untere Reaktorhaube 420 bildet einen Gasverteilerraum 419A, in den das in einem Vorwärmer 450 vorgewärmte Feedgas 10 eintritt. A lower reactor hood 420 forms a gas distributor space 419A, into which the feed gas preheated in a preheater 450 enters.
An den Gasverteilerraum 419A schließt sich ein Rohrbündelreaktor 412 als erste Reaktorstufe 3 an. Die Reaktionsrohre 414 des Rohrbündelreaktors 412 enthalten die erste Katalysatorschüttung 4, in die Dosierrohre 21 zumindest teilweise eingebettet sind, ähnlich wie in Figur 2 gezeigt. Die Dosierrohre 21 sind jedoch gegenüber Figur 2 um 180° gedreht, sodass ihre Gaseintrittsöffnung jeweils mit dem Gasverteilerraum 419A in Strömungsverbindung steht. Die Reihenfolge der Katalysatorschichten 4a, 4b in Strömungsrichtung des Reaktionsgases entspricht der in Figur 2. Das heißt, bei dem Rohrbündelreaktor 412 liegt die Katalysatorschicht 4a unter der Katalysatorschicht 4b, sodass der von unten direkt in den Ringraum zwischen Dosierrohr und Reaktionsrohr eintretende Reaktionsgas-Teilstrom 11 .1 wieder zuerst in die Katalysatorschicht 4a geringerer Aktivität eintritt. The gas distribution chamber 419A is followed by a shell-and-tube reactor 412 as the first reactor stage 3. The reaction tubes 414 of the tube bundle reactor 412 contain the first catalyst bed 4 into which metering tubes 21 are at least partially embedded, similar to that shown in FIG. However, the metering tubes 21 are rotated by 180 ° relative to FIG. 2 so that their gas inlet opening is in each case in flow connection with the gas distributor chamber 419A. The sequence of the catalyst layers 4a, 4b in the flow direction of the reaction gas corresponds to that in FIG. 2. That is, in the tube bundle reactor 412, the catalyst layer 4 a is below the catalyst layer 4 b, so that the reaction gas partial stream 11. 1 entering from below directly into the annular space between the metering tube and the reaction tube again first enters the catalyst layer 4 a lower activity.
Über einen Wärmeträger-Eintrittsstutzen 451 und einen Wärmeträger-Austrittsstutzen 452 wird in einem Wärmeträger-Kreislauf ein Wärmeträger 18 hier im Gleichstrom mit dem Reaktionsgas 11 durch den Wärmeträgerraum 418A geführt. Der Wärmeträger 18 kann z. B. Flüssigsalz oder Siedewasser oder Druckwasser sein. A heat transfer medium 18 is hereby conducted in cocurrent with the reaction gas 11 through the heat transfer space 418A via a heat carrier inlet connection 451 and a heat transfer outlet connection 452 in a heat transfer circuit. The heat carrier 18 may, for. As liquid salt or boiling water or pressurized water.
Oberhalb des Rohrbündelreaktors 412 der ersten Reaktorstufe 3 ist ein Arbeitsraum 453 für einen Monteur angeordnet. Der Arbeitsraum 453 ist durch ein Mannloch 454 zugänglich und dient zum Befüllen der Reaktionsrohre 414 mit Katalysatormaterial bei der Erstbefüllung oder zum Wechseln des Katalysatormaterials sowie für andere Arbeiten, wie z. B. die Installation von Thermometern. Above the tube bundle reactor 412 of the first reactor stage 3, a working space 453 is arranged for a mechanic. The working space 453 is accessible through a manhole 454 and serves to fill the reaction tubes 414 with catalyst material during the initial filling or to change the catalyst material and for other work, such. B. the installation of thermometers.
Über diesem Arbeitsraum 453 befindet sich eine Vorrichtung 455 zum Auffangen von kondensierten Bestandteilen 456 des Reaktionsgases 11 - im Fall einer Methanisierung also von Wasser - und zum Ableiten der kondensierten Bestandteile 456. Die besagte Vorrichtung 455 wird von mindestens einem überdachten Durchlass 457 für Reaktionsgas 11 durchbrochen, damit das Reaktionsgas 11 von der ersten Reaktorstufe 3 im Kombireaktor 400 weiter nach oben zu den noch folgenden Komponenten strömen kann. Das Dach 458 verhindert, dass kondensierte Bestandteile zurück in den Arbeitsraum 453 oder in die erste Reaktorstufe 3 gelangen können. Above this working space 453 there is a device 455 for collecting condensed constituents 456 of the reaction gas 11 - in the case of methanation, ie water - and for diverting the condensed constituents 456. The said device 455 is penetrated by at least one covered passage 457 for reaction gas 11 so that the reaction gas 11 can flow from the first reactor stage 3 in the combined reactor 400 further up to the still following components. The roof 458 prevents condensed components from entering the working space 453 or the first reactor stage 3.
Über diesem Bereich schließt sich ein Kondensator 405 mit einem Bündel 459 katalysatorfreier Kühl roh re 460 an, die von dem Reaktionsgas 11 durchströmt werden, das dabei so weit abgekühlt wird, dass ein Teil der Bestandteile - beispielsweise Wasser - kondensiert. Die kondensierten Bestandteile 456 fließen in den Kühlrohren 460 nach unten in den Auffang- und Ableitbereich 455, 456. Der Kondensator 405 weist einen Eintrittsstutzen 461 und einen Austrittsstutzen 462 für das Kühlmittel 463 auf, das hier im Gegenstrom zum Reaktionsgasstrom durch den Kondensator 405 geleitet wird. Als Kühlmittel 463 kann zum Beispiel Wasser eingesetzt werden. Above this area, a condenser 405 connects to a bundle 459 catalyst-free cooling raw re 460, which are traversed by the reaction gas 11, which is cooled so far that a portion of the components - such as water - condenses. The condensed components 456 flow down into the cooling tubes 460 into the collecting and diverting regions 455, 456. The condenser 405 has an inlet connection 461 and an outlet connection 462 for the coolant 463, which here is passed countercurrently to the reaction gas flow through the condenser 405 , As the coolant 463, for example, water can be used.
An den Kondensator 405 schließt sich eine Aufheizzone 407 an, in der das aus dem Kondensator 405 austretende Reaktionsgas 11 auf die Reaktionstemperatur der zweiten Katalysatorschüttung 9 in der zweiten Reaktorstufe 8 aufgeheizt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Rohre 460 durchgehend durch den Kondensator 405 und die Aufheizzone 407 und sind frei von Katalysatormaterial . Über einen Eintrittsstutzen 464 und einen Austrittsstutzen 465 wird Wärmeträger 466 hier im Gegenstrom zum Reaktionsgasstrom durch die Aufheizzone 407 geführt. Der Wärmeträger 466 kann wie in der ersten Reaktorstufe 3 z. B. Flüssigsalz oder Siedewasser oder Druckwasser sein. Connected to the condenser 405 is a heating zone 407, in which the reaction gas 11 leaving the condenser 405 is heated to the reaction temperature of the second catalyst bed 9 in the second reactor stage 8. In the illustrated embodiment, the tubes 460 extend continuously through the condenser 405 and the heating zone 407 and are free of catalyst material. Via an inlet connection 464 and an outlet connection 465, heat transfer medium 466 is here in countercurrent to the reaction gas flow through the heating zone 407 guided. The heat transfer medium 466 may, as in the first reactor stage 3 z. As liquid salt or boiling water or pressurized water.
Aus der Aufheizzone 407 tritt das Reaktionsgas 1 1 in die zweite Reaktorstufe 8 ein, die im dargestellten Ausführungsbeispiel ein adiabater Reaktor 442 ist. Er enthält die zweite Katalysatorschüttung 9, in der die Restumsetzung des Reaktionsgases 11 erfolgt. From the heating zone 407, the reaction gas 1 1 enters the second reactor stage 8, which is an adiabatic reactor 442 in the illustrated embodiment. It contains the second catalyst bed 9 in which the residual reaction of the reaction gas 11 takes place.
Aus der zweiten Reaktorstufe 8 tritt das Reaktionsgas 11 in die obere Reaktorhaube 419 ein, die einen Gassammelraum 420A bildet, aus dem das fertige Reaktionsgas als Produktgas 43 austritt. Falls das Produktgas 43 - beispielsweise bei einer Methanisierung - noch zu feucht ist, kann es einem weiteren Kondensator 467 zugeführt werden, in dem diese Restfeuchte 468 auskondensiert wird. From the second reactor stage 8, the reaction gas 11 enters the upper reactor hood 419, which forms a gas collection chamber 420A, from which the finished reaction gas emerges as product gas 43. If the product gas 43 is still too moist, for example during methanation, it can be fed to a further condenser 467, in which this residual moisture 468 is condensed out.
Die Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung in den Ausgestaltungen der Erfindung dar. Insbesondere können einzelne Merkmale eines bestimmten Ausführungsbeispiels in angepasster Ausführung vorteilhaft in anderen Ausführungen verwendet werden. So ist es beispielsweise ebenso möglich, dass der Roh rbü nd el reaktor in Fig. 1 von unten nach oben durchströmt wird wie in Fig. 7 dargestellt. The embodiments are not limiting in the embodiments of the invention. In particular, individual features of a particular embodiment in an adapted embodiment can be advantageously used in other embodiments. For example, it is also possible for the crude reactor to flow through from bottom to top in FIG. 1, as shown in FIG. 7.

Claims

Patentansprüche claims
1. 1.
Verfahren zur Durchführung katalytischer Gasphasenreaktionen mit den folgenden Schritten:  Process for carrying out catalytic gas phase reactions comprising the following steps:
a) Bereitstellen eines Rohrbündelreaktors, der ein Bündel Reaktionsrohre aufweist, die mit einer Katalysatorschüttung befüllt sind und von einem Wärmeträger gekühlt werden, a) provision of a tube bundle reactor which has a bundle of reaction tubes which are filled with a catalyst bed and are cooled by a heat carrier,
b) Hindurchleiten eines Reaktionsgases durch die Katalysatorschüttung, wobei das jeweils in ein Reaktionsrohr einströmende Reaktionsgas in mindestens zwei Teil- ströme aufgeteilt wird, die in axialer Richtung des Reaktionsrohrs an unterschiedli- chen Stellen in die Katalysatorschüttung eingeleitet werden, b) passing a reaction gas through the catalyst bed, wherein the respective reaction gas flowing into a reaction tube is divided into at least two partial streams which are introduced into the catalyst bed at different locations in the axial direction of the reaction tube,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Katalysatorschüttung (4) mindestens zwei Katalysatorschichten (4a, 4b) unter- schiedlicher Aktivität aufweist, the catalyst bed (4) has at least two catalyst layers (4a, 4b) of different activity,
wobei die Aktivität der in Strömungsrichtung des Reaktionsgases (11 ) ersten Kataly- satorschicht (4a) geringer ist als die Aktivität der mindestens einen weiteren Kataly- satorschicht (4b) und wherein the activity of the first catalyst layer (4a) in the flow direction of the reaction gas (11) is lower than the activity of the at least one further catalyst layer (4b) and
im Schritt b) ein erster Teilstrom (1 1.1 ) in die erste Katalysatorschicht (4a) und jeder weitere Teilstrom (1 1.2) an der ersten Katalysatorschicht (4a) vorbei in die mindes- tens eine weitere Katalysatorschicht (4b) eingeleitet wird. in step b), a first partial stream (1.1.1) is introduced into the first catalyst layer (4a) and each further partial stream (1.2) is introduced past the first catalyst layer (4a) into the at least one further catalyst layer (4b).
2. Second
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Gaspha- senreaktion Methanisierungsreaktionen einschließt.  A method according to claim 1, characterized in that the catalytic gas phase reaction includes methanation reactions.
3. Third
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität der ersten Katalysatorschicht (4a) auf 5% bis 90%, bevorzugt auf 10% bis 40%, der Akti- vität der mindestens einen weiteren Katalysatorschicht (4b) eingestellt wird. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the activity of the first catalyst layer (4a) is adjusted to 5% to 90%, preferably to 10% to 40%, of the activity of the at least one further catalyst layer (4b).
4. 4th
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsparameter im Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412), insbeson- dere die Wärmeträgertemperatur, die Schütthöhen der einzelnen Katalysatorschich- ten (4a, 4b), die axialen Abstände von Einleitungsstellen (36, 37A, 37B, 37C) der Teilströme (11.1 , 1 1.2A, 11.2B, 1 1.2C), die Teilstrommengen und die Katalysatorakti- vierung so eingestellt werden, dass die maximalen Temperaturen in der ersten und zweiten Katalysatorschicht (4a, 4b) in einem Bereich von 300°C bis 900°C, vorzugs- weise von 500°C bis 700°C, liegen.  Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction parameters in the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412), in particular the heat carrier temperature, the bed heights of the individual catalyst layers (4a, 4b), the axial distances of discharge points ( 36, 37A, 37B, 37C) of the partial flows (11.1, 1 1.2A, 11.2B, 1 1.2C), the partial flow amounts and the catalyst activation are adjusted so that the maximum temperatures in the first and second catalyst layer (4a, 4b ) in a range of 300 ° C to 900 ° C, preferably from 500 ° C to 700 ° C, lie.
5. 5th
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas (1 1 ) in den Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) mit einem Druck von 5 bara bis 50 bara und bevorzugt von 10 bara bis 30 bara und besonders bevorzugt von 15 bara bis 25 bara eingeleitet wird.  Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction gas (1 1) in the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) with a pressure of 5 bara to 50 bara and preferably from 10 bara to 30 bara and more preferably from 15 bara to 25 bara is initiated.
6. 6th
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgertemperatur des Rohrbündelreaktors (12, 100, 200, 412) so ein- gestellt wird, dass sie im Bereich von 240°C bis 300°C liegt.  Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat carrier temperature of the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) is adjusted so that it is in the range of 240 ° C to 300 ° C.
7. 7th
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) eine erste Reaktorstufe (3) eines Reaktorsystems (1 ) bildet, das weiterhin einen Kondensator (5), eine Aufheizzone (7) und eine zweite Reaktorstufe (8) aufweist, die alle in Strömungsrichtung eines das Reaktorsystem (1 ) durchströmenden Reaktionsgases (11 ) hintereinander angeordnet sind, wobei sich an den Schritt b) die weiteren Schritte anschließen:  Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) forms a first reactor stage (3) of a reactor system (1), which further comprises a condenser (5), a heating zone (7) and a second reactor stage (8) which are arranged one after the other in the flow direction of a reaction system (11) flowing through the reactor system (1), the further steps being followed by step b):
c) Abkühlen des aus dem Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) ausströmenden Re- aktionsgases (1 1 ) auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes mindestens eines Teils der Bestandteile des Reaktionsgases (11 ) und Ableiten mindestens eines Teils der kondensierten Bestandteile (41 ); d) Aufheizen des Reaktionsgases (1 1 ), aus dem im Schritt c) ein Teil der kondensier- ten Bestandteile (41 ) abgeleitet wurde; c) cooling the reaction gas (11) flowing out of the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) to a temperature below the dew point of at least part of the constituents of the reaction gas (11) and discharging at least part of the condensed constituents (41 ); d) heating the reaction gas (1 1), from which in step c) a part of the condensed constituents (41) was derived;
e) Bereitstellen eines Reaktors (42) mit einer zweiten Katalysatorschüttung (9) als zweite Reaktorstufe (8); und e) providing a reactor (42) with a second catalyst bed (9) as a second reactor stage (8); and
f) Hindurchleiten des aufgeheizten Reaktionsgases (1 1 ) durch die zweite Katalysator- schüttung (9). f) passing the heated reaction gas (1 1) through the second catalyst bulk (9).
8. 8th.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) das Reakti- onsgas (1 1 ) auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes von Wasser abgekühlt und zumindest ein Teil des kondensierten Wassers (41 ) abgeleitet wird.  A method according to claim 7, characterized in that in step c) the reaction ongas (1 1) is cooled to a temperature below the dew point of water and at least a portion of the condensed water (41) is derived.
9. 9th
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas (1 1 ) nach dem Ableiten zumindest eines Teils des kondensierten Wassers (41 ) einen Restwasserdampfgehalt von 0% bis 30% und bevorzugt von 15% bis 25% enthält.  A method according to claim 8, characterized in that the reaction gas (1 1) after deriving at least a portion of the condensed water (41) contains a residual water vapor content of 0% to 30% and preferably from 15% to 25%.
10. 10th
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) bzw. das gesamte Reaktorsystem (1 ) mit einer Raumgeschwindigkeit (GHSV) von 5000 1/h bis 20000 1/h, vorzugs- weise von 8000 1/h bis 15000 1/h, betrieben wird.  Method according to one of the preceding claims, characterized in that the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) or the entire reactor system (1) with a space velocity (GHSV) of 5000 1 / h to 20,000 1 / h, preferably from 8000 1 / h to 15000 1 / h.
1 1. 1 1.
Rohrbündelreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Bündel Reaktionsrohre, die mit einer Katalysatorschüttung befüllt sind und im Betrieb von dem Reaktionsgas durchströmt und von einem Wärmeträger gekühlt werden, wobei in jedem Reaktionsrohr koaxial zu diesem ein Dosierrohr zu- mindest teilweise in die Katalysatorschüttung eingebettet ist, dessen Innenraum kata- lysatorfrei ist und das sich vom gaseintrittsseitigen Ende der Katalysatorschüttung eine vorgegebene Länge in diese hinein erstreckt und außerhalb der Katalysator- schüttung mindestens eine Gaseinströmstelle und im Bereich der Katalysatorschüt- tung mindestens eine Gasausströmstelle aufweist, wobei die in Strömungsrichtung des Reaktionsgases erste Gasausströmstelle in einem vorgegebenen Abstand zum gaseintrittsseitigen Ende der Katalysatorsch üttu ng angeordnet ist, sodass dort ein Teilstrom des jeweils in ein Reaktionsrohr einströmenden Reaktionsgases im Bypass zur Katalysatorschüttung strömt, Tubular bundle reactor for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, with a bundle of reaction tubes which are filled with a catalyst bed and in operation flows through the reaction gas and cooled by a heat carrier, wherein in each reaction tube coaxially to this at least one dosing embedded in the catalyst bed, the interior of which is catalyzer-free and has a predetermined length extending from the gas inlet end of the catalyst bed and at least one gas inlet point outside the catalyst bed and at least one gas outlet in the area of the catalyst bed the first Gasausströmstelle in the flow direction of the reaction gas at a predetermined distance from Gas inlet-side end of the Katalysatorsch uttu ng is arranged so that there flows a partial stream of each flowing into a reaction tube reaction gas in the bypass to the catalyst bed,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die erste Katalysatorschüttung (4) mindestens zwei Katalysatorschichten (4a, 4b) un- terschiedlicher Aktivität aufweist, wobei die Aktivität der in Strömungsrichtung des Reaktionsgases (11 ) ersten Katalysatorschicht (4a) geringer ist als die Aktivität der mindestens einen weiteren Katalysatorschicht (4b) und die in Strömungsrichtung des Reaktionsgases (11 ) erste Gasausströmstelle (37A) in die mindestens eine weitere Katalysatorschicht (4b) mündet. the first catalyst bed (4) has at least two catalyst layers (4a, 4b) of different activity, wherein the activity of the first catalyst layer (4a) in the flow direction of the reaction gas (11) is lower than the activity of the at least one further catalyst layer (4b) and in the flow direction of the reaction gas (11) first gas discharge point (37A) opens into the at least one further catalyst layer (4b).
12. 12th
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Katalysatorschichten (4a, 4b) das gleiche Katalysatormaterial enthalten und die erste Katalysatorschicht (4a) 5 Vol.-% bis 90 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 40 Vol.-%, des Katalysatormaterials der mindestens einen weiteren Katalysatorschicht (4b) enthält.  Tube bundle reactor according to claim 11, characterized in that the at least two catalyst layers (4a, 4b) contain the same catalyst material and the first catalyst layer (4a) 5 vol.% To 90 vol.%, Preferably 10 to 40 vol.%, of the catalyst material of the at least one further catalyst layer (4b).
13. 13th
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei je- dem Reaktionsrohr (14, 114A, 214A, 414) das Verhältnis des Ringspalts (27) zwi- schen der Innenwand (25) des Reaktionsrohrs (14, 1 14A, 214A, 414) und der Au- ßenwand (26) des Dosierrohrs (21 ) zu dem Partikeldurchmesser der ersten Katalysa- torschicht (4a) im Bereich von 2 bis 6 liegt.  Tube bundle reactor according to claim 11 or 12, characterized in that for each reaction tube (14, 114A, 214A, 414) the ratio of the annular gap (27) between the inner wall (25) of the reaction tube (14, 1 14A, 214A, 414) and the outer wall (26) of the metering tube (21) to the particle diameter of the first catalyst layer (4a) is in the range of 2 to 6.
14. 14th
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen der mindestens einen Gaseinströmstelle (35) und der in Strömungsrichtung des Reaktionsgases (11 ) ersten Gasausströmstelle (37A), der axiale Abstand zwischen den Gasausströmstellen (37A, 37B, 37C) und der axiale Abstand zwischen letzter Gasausströmstelle (37C) und Ende (39) des Dosierrohrs (21 ) und deren Anzahl so gewählt werden, dass sich eine Heizflächenbelastung durch die freiwerdende Reaktionswärme zwischen den Gaseinström- bzw. Gasaus- strömstellen (35, 37A, 37B, 37C) im Bereich von 10 kW/m2 bis 150 kW/m2, vorzugs- weise im Bereich von 20 kW/m2 bis 50 kW/m2, ergibt. Tube bundle reactor according to one of claims 1 1 to 13, characterized in that the axial distance between the at least one gas inlet point (35) and in the flow direction of the reaction gas (11) first Gasausströmstelle (37A), the axial distance between the Gasausströmstellen (37A, 37B 37C) and the axial distance between the last gas outlet point (37C) and the end (39) of the metering tube (21) and the number thereof are selected such that a heating surface load is generated by the released heat of reaction between the gas inlet or gas outlet points (35, FIG. 37A, 37B, 37C) in the range from 10 kW / m 2 to 150 kW / m 2 , preferably in the range from 20 kW / m 2 to 50 kW / m 2 .
15. 15th
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das quadratische Verhältnis des Innendurchmessers (28) des Reaktionsrohres (14, 114A, 214A, 414) zum Außendurchmesser (29) des Dosierrohres (21 ) in einem Bereich von 2 bis 6 liegt.  Tube bundle reactor according to one of claims 1 1 to 14, characterized in that the square ratio of the inner diameter (28) of the reaction tube (14, 114A, 214A, 414) to the outer diameter (29) of the metering tube (21) in a range of 2 to 6 lies.
16. 16th
Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 10, mit einer ersten Reaktorstufe (3), einem Kondensator (5), einer Aufheizzone (7) und einer zweiten Reaktorstufe (8), die alle in Strömungsrichtung eines das Reaktor- system (1 ) durchströmenden Reaktionsgases (1 1 ) hintereinander angeordnet sind, wobei  Reactor system for carrying out the method according to one of Claims 7 to 10, having a first reactor stage (3), a condenser (5), a heating zone (7) and a second reactor stage (8), all in the flow direction of a reactor system ( 1) flowing through the reaction gas (1 1) are arranged one behind the other, wherein
- die erste Reaktorstufe (3) ein Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15 mit einer ersten Kata lysatorsch üttu ng (4) ist, durch die das in das Reaktorsystem (1 ) einströmende Reaktionsgas (1 1 ) hindurchleitbar ist, - The first reactor stage (3) is a tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) according to one of claims 1 1 to 15 with a first Kata lysatorsch uttu ng (4) through which in the reactor system (1) incoming reaction gas ( 1 1) is passable,
- der Kondensator (5) dazu eingerichtet ist, das aus dem Rohrbündelreaktor (12, 100, 200, 412) ausströmende Reaktionsgas (1 1 ) auf eine Temperatur unterhalb des Tau- punktes mindestens eines Teils der Bestandteile des Reaktionsgases (11 ) abzuküh- len und mindestens ein Teil der kondensierten Bestandteile (41 ) abzuleiten,- The condenser (5) is adapted to the cooled from the tube bundle reactor (12, 100, 200, 412) effluent reaction gas (1 1) to a temperature below the dew point of at least a portion of the components of the reaction gas (11) cool and derive at least a portion of the condensed constituents (41),
- die Aufheizzone (7) dazu eingerichtet ist, das Reaktionsgas (1 1 ) aufzuheizen, aus dem im Kondensator (5) ein Teil der kondensierten Bestandteile (41 ) entfernt wor- den ist, und - The heating zone (7) is adapted to heat the reaction gas (1 1), from which in the condenser (5) a part of the condensed constituents (41) has been removed, and
- die zweite Reaktorstufe (8) ein Reaktor (42) mit einer zweiten Katalysatorschüttung (9) ist, durch die das aus der Aufheizzone (7) ausströmende Reaktionsgas (1 1 ) hin- durchleitbar ist.  - The second reactor stage (8) is a reactor (42) having a second catalyst bed (9) through which the out of the heating zone (7) effluent reaction gas (1 1) is durchleitbar.
17. 17th
Reaktorsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Einheiten erste Reaktorstufe (3), Kondensator (5), Aufheizzone (7) und zweite Reaktorstufe (8) eine konstruktive Einheit (100, 200, 400) bilden. Reactor system according to claim 16, characterized in that at least two of the units of the first reactor stage (3), condenser (5), heating zone (7) and second reactor stage (8) form a structural unit (100, 200, 400).
18. 18th
Reaktorsystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reaktorstufe (8) ein gekühlter Reaktor ist, dessen mittlere Wärmeträgertemperatur um 0 K bis 30 K geringer ist als die Wärmeträgertemperatur des Reaktors (12) der ersten Reaktorstufe (3).  Reactor system according to claim 16 or 17, characterized in that the second reactor stage (8) is a cooled reactor whose average heat transfer temperature is 0 K to 30 K lower than the heat carrier temperature of the reactor (12) of the first reactor stage (3).
19. 19th
Reaktorsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reak- torstufe (8) ein Rohrbündelreaktor mit einem Bündel Reaktionsrohre ist, die mit der zweiten Katalysatorschüttung (9) befüllt sind und im Betrieb von einem Reaktionsgas (11 ) durchströmt und von einem Wärmeträger gekühlt werden.  Reactor system according to claim 18, characterized in that the second reactor stage (8) is a tube bundle reactor with a bundle of reaction tubes, which are filled with the second catalyst bed (9) and in operation flows through a reaction gas (11) and cooled by a heat carrier become.
20. 20th
Reaktorsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reakti- onsrohre (114A, 114B; 214A, 214B) der beiden Reaktoren der ersten und zweiten Reaktorstufe (3, 8) in einem gemeinsamen Wärmeträgerraum (118A) befinden.  Reactor system according to claim 19, characterized in that the reaction tubes (114A, 114B, 214A, 214B) of the two reactors of the first and second reactor stages (3, 8) are located in a common heat carrier space (118A).
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