WO2005016517A1 - Reaktoranlage mit einem rohrreaktor - Google Patents

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WO2005016517A1
WO2005016517A1 PCT/EP2004/008878 EP2004008878W WO2005016517A1 WO 2005016517 A1 WO2005016517 A1 WO 2005016517A1 EP 2004008878 W EP2004008878 W EP 2004008878W WO 2005016517 A1 WO2005016517 A1 WO 2005016517A1
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reactor
coil
winding radius
pipe
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Thomas Clavey
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • B01J19/243—Tubular reactors spirally, concentrically or zigzag wound
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
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    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B01J2219/00099—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor the reactor being immersed in the heat exchange medium

Definitions

  • the invention relates to a reactor system with a tubular reactor according to the preamble of independent claim 1.
  • Reactor systems with tubular reactors are used, for example, for homogeneous reactions in liquids as they occur in a preliminary stage of vitamin synthesis.
  • the reactants have a defined residence time in the reactor and that they are mixed as ideally as possible.
  • the reaction conditions are kept constant in a certain range, which e.g. means that heat must be removed in exothermic reactions and heat must be added in endothermic reactions.
  • reactor systems with double-wall tubular reactors which comprise a first tube which is arranged coaxially in a second tube.
  • the reactants flow through the first (inner) tube at a constant flow rate, so that, with a quasi-ideal mixing, they have a uniform reaction time until they exit the reactor.
  • jacketed tubes can be connected in series in a reactor system, so that at a given flow rate of the reactants the residence time required for the reaction in the tube reactor is reached.
  • the individual jacketed tubes can be connected to a tube package, for example, by means of tube bends, as a result of which a large reactor tube length can be achieved with a relatively small space requirement.
  • a further challenge for such a double-jacket tube reactor is the turbulent flow in the first (inner) tube, which is required for uniform heat transfer.
  • the reactants either have to flow at relatively high flow rates or have to be vortexed by suitable means.
  • the object of the following invention is therefore to propose a reactor system which in a simple manner ensures that the temperature of the reactants in the tubular reactor is as uniform as possible.
  • the object is achieved by a reactor system as is characterized by the features of independent patent claim 1.
  • Advantageous refinements of the reactor system according to the invention result from the features of the dependent claims 2 to 10.
  • the reactor system comprises a reactor vessel, means for supplying or discharging a heat exchange medium into the reactor vessel and a tubular reactor with a tube through which a reaction medium can flow.
  • This tube has a coil section in which it is wound in a coil shape with a constant winding radius.
  • Such a reactor system is characterized by a very large surface area of the tube through which the reaction medium flows, which is virtually completely surrounded by the heat exchange medium.
  • a desired heat exchange is achieved on the one hand with relatively small temperature gradients between the reaction medium and the heat exchange medium and on the other hand largely by means of free convection.
  • the shape of the pipe coil area means that a uniformly turbulent flow in the reaction medium can be achieved with little effort.
  • the individual turns of the coil section of the tube reactor can each have a constant distance from the adjacent turns. This ensures that the pipe in the area of the coil is sufficient Heat exchange medium can flow around.
  • the tube of the tube reactor can comprise a plurality of coaxially arranged tube coil regions, each with a different winding radius, a tube coil region with a smaller winding radius being arranged in each case within a tube coil region with a larger winding radius.
  • a shape of the tube means that the tube reactor takes up little space, even with large tube lengths, which enables a smaller reactor vessel size.
  • Two adjacent tube coil regions of the tube reactor can each have a constant distance from one another. This ensures that the heat exchange medium can also flow around the pipe to a sufficient extent between several pipe coil regions.
  • the tube of the tube reactor can comprise a plurality of tube pieces that are tightly welded to one another and seamless in the longitudinal direction of the tube. Such seamless pipe sections ensure a minimal weld seam length.
  • Connections for supplying or discharging the reaction medium can be arranged on the tube of the tube reactor at several different locations. With the choice of suitable connections for the supply or discharge of the reaction medium, the residence time of the reactants in the tubular reactor can be adjusted in a simple manner.
  • the tube can be fastened to a frame in the tube coil area of the tube reactor.
  • the frame supports and supports the tubular reactor, which protects it from mechanical stress during operation. protects against stress and damage (vibrations).
  • the tube can be mounted on the frame as a separate unit before being inserted into the reactor vessel, which simplifies the installation and removal of the tube reactor in the reactor vessel.
  • the frame can comprise a tripod, the legs of which are arranged in one plane and in such a way that two adjacent legs each enclose an angle of approximately 120 °.
  • the tripod can have on each leg from the intersection of the three legs at a distance from the winding radius of the respective coil section, a support arranged at right angles to the tripod, to which the pipe is fastened in the respective coil section.
  • a downpipe projecting into the interior of the reactor vessel can be arranged, through which the heat exchange medium supplied to the side of the downpipe and rinsing the tube reactor, e.g. Cooling water can be removed from the reactor boiler.
  • the heat exchange medium supplied to the side of the downpipe and rinsing the tube reactor e.g. Cooling water can be removed from the reactor boiler.
  • the reactor boiler can be connected to a condenser be so that evaporated liquid heat exchange medium can be removed from the reactor vessel, can be conducted through the condenser and the condensate can be returned to the reactor vessel as a liquid heat exchange medium.
  • a reactor system enables a largely closed circuit of the heat exchange medium and thus a minimal consumption of heat exchange medium.
  • Another independent aspect of the invention relates to the tubular reactor, as it is characterized by the features of independent claim 11.
  • Advantageous refinements of the tubular reactor according to the invention result from the features of the dependent claims 12 to 18.
  • Such a tubular reactor can be manufactured as a separate unit for already existing reactor boilers and can be used practically prefabricated directly in the reactor vessel.
  • a tube of the tube reactor through which a reaction medium can flow has a tube coil area in which it is wound in a coil shape with a constant winding radius.
  • a tubular reactor is characterized 'by a very large surface area, which may be surrounded, for example, a heat exchange medium.
  • the shape of the tube coil area means that a turbulent flow in the reaction medium can be achieved with little effort.
  • the individual turns of the coil section can each have a constant distance from the adjacent turns. This ensures that a sufficient amount of heat exchange medium can flow around the pipe in the coil area.
  • the tube can comprise a plurality of coaxially arranged tube coil regions, each with a different winding radius, a tube coil region with a smaller winding radius being arranged in each case within a tube coil region with a larger winding radius.
  • a shape of the tube means that the tube reactor takes up little space even with large tube lengths.
  • Two adjacent coil sections can each have a constant distance from one another. This ensures that a sufficient amount of heat exchange medium can flow around the pipe even between several coil sections.
  • the tube can comprise a plurality of tube pieces that are tightly welded to one another and seamless in the longitudinal direction of the tube. Such seamless pipe sections ensure a minimal weld seam length.
  • Connections for supplying or removing a reaction medium can be arranged on the tube at several different locations.
  • the residence time of the reactants in the tubular reactor can be adapted by selecting suitable connections for the supply or discharge of the reaction medium.
  • the tube can be attached to a frame in the coil area.
  • the frame supports and supports the tubular reactor, which protects it from mechanical stress and damage (vibrations) during operation.
  • the tube can be mounted on the frame as a separate unit before being inserted into the reactor vessel, which simplifies the installation and removal of the tube reactor in the reactor vessel.
  • the frame can comprise a tripod, the legs of which are arranged in one plane and in such a way that two adjacent legs each enclose an angle of approximately 120 °.
  • the tripod can have on each leg, from the intersection of the three legs, at a distance from the winding radius of the respective coil section, a support arranged at right angles to the tripod, to which the pipe is fastened in the respective coil section.
  • Such a frame enables the individual windings of the respective coil section to be fastened to three supports, and thus the tubular reactor is supported and carried in a particularly advantageous and uniform manner across all coil sections.
  • FIG. 3 shows a section through the tubular reactor from FIG. 1 with an exemplary embodiment of a frame in the region around the tripod of the frame,
  • FIG. 4 is a plan view of the tubular reactor from FIG. 3, and
  • Fig. 5 shows a section through an embodiment of an attachment of the tube of the tube reactor of Fig. 1 on the frame.
  • the tube reactor 2 comprises a tube 20 which has four coil sections 201.
  • the tube 20 is wound in a coil shape around a winding axis 2010, each with a constant winding radius 2011.
  • the winding radius 2011 corresponds in each case to the distance between the winding axis 2010 and the closest point to a wall of the tube 20 in the individual coil sections 201.
  • the four coil sections 201 are arranged one inside the other coaxially around the winding axis 2010 and are connected to the adjacent coil sections 201 via a connecting pipe section 200 , Connections 21 are arranged on the tube 20 at different heights.
  • a reaction medium is fed to the tube 20 via a first of the connections 21 and flows through the tube coil regions 201 from bottom to top. Via the vertically arranged connecting pipes 200, the reaction medium is led directly from the upper end of the one pipe coil area 201 to the lower end of the adjacent pipe coil area 201, which in turn flows through it from bottom to top.
  • the reaction medium is discharged again from the tubular reactor 2 through a second of the connections 21. With the choice of suitable connections 21 for the supply or discharge of the reaction medium, the Residence time of the reaction medium in the reactor 2 can be set.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a reactor system 1 according to the invention.
  • the reactor system 1 comprises a reactor vessel 3, in which the tubular reactor 2 according to the invention from FIG. 1 is arranged vertically.
  • a down pipe 4 projecting into the interior of the reactor vessel 3 is arranged in the interior of the coil area 201 with the smallest winding radius 2011.
  • the reactor vessel 3 is connected to a condenser 5 by a cover 30 via a steam line 50 or a condensate line 51.
  • the reactor vessel 3 is connected to cooling water supply lines 60.
  • the cooling water discharge lines 61 are also connected to the lower edge of the reactor vessel 3, but within the downpipe 4.
  • the cooling water supply lines 60 are connected to one end and the cooling water discharge lines 61 to the other end of a cooling water pump 6 in such a way that the removed cooling water can be fed back into the reactor vessel.
  • the cooling water supply lines 60 are connected to a cooling water supply 62 before they enter the reactor boiler 3, via which cooling water losses, for example due to leaks, can be compensated.
  • the reactor vessel 3 is filled with cooling water during operation at least up to the height of the upper end of the tubular reactor 2. Heat is continuously released to the cooling water via the tube walls of the tube reactor 2 surrounded by the cooling water, in the tube 20 of which an exothermic reaction takes place.
  • the cooling water in the immediate border area to the tube reactor 2 is therefore warmer than the rest of the cooling water, which leads to free convection in the cooling water and to a resulting flow of cooling water around the tube 20.
  • suitable conditions such as temperature and pressure and a suitable dimensioning of the tube reactor 2 and the reactor vessel 3
  • the free convection leads to a flow around the tube reactor 2 which is sufficient for a suitable cooling Circulation are generated in the reactor vessel 3, so that the cooling water flows through the cooling water supply lines 60 from the bottom upwards around the tube reactor 2 through the reactor vessel 3 and flows through the downpipe 4 via the cooling water discharge lines 61 again.
  • Evaporated cooling water is discharged via the steam line 50 from the reactor vessel 3 into a condenser 5, where it can be returned as condensate through the condensate line 51 to the reactor vessel 3 as liquid cooling water.
  • FIG. 3 shows a section through the tubular reactor 2 from FIG. 1 with an exemplary embodiment of a frame 22 in the area around a tripod 221 of the frame 22.
  • the tube 20 of the tube reactor 2 is formed in the coaxially arranged tube coil regions 201 such that both the vertical distances 2013 of the individual turns to the respectively adjacent turns is constant, as is the horizontal distances 2012 between the individual coil sections 201 and their adjacent coil sections 201.
  • the distances 2012 and 2013 enable the pipe 20 to be inserted into a reactor vessel 3 built-in tubular reactor 2 is always completely and sufficiently surrounded by cooling water.
  • they prevent the pipe 20 in the pipe coil areas 201 from colliding with adjacent areas of the pipe 20 in the event of any vibrations occurring and thereby being mechanically damaged.
  • the frame 22 comprises a horizontally located tripod 221 with supports 220 arranged vertically at a distance from the respective winding radii 2011 from the winding axis 2010.
  • the pipe 20 is fastened to the supports 220 in each winding in the pipe coil regions 201, which means the pipe reactor 2 as a whole makes a stable construction that can be mounted outside the boiler and then easily inserted into the boiler.
  • FIG. 4 shows a top view of the tube reactor 2 from FIG. 3.
  • the tripod 221, which is arranged horizontally below the tube coil regions 201 comprises three legs extending radially from a center, which are each arranged at a uniform distance from their adjacent legs and thus each at an angle from 120 ° to your neighboring legs.
  • Each leg is fixedly connected to the vertically arranged supports 220 at a distance of the four winding radii 2010 from the center.
  • the carriers 220 are U-shaped in cross-section and are arranged within the respective coil sections 201.
  • the arrival Keys 21 are also arranged horizontally at various locations on the tube 20.
  • FIG. 5 shows a section through an exemplary embodiment of an attachment 2200 of the tube 20 of the tube reactor 2 from FIG. 1 to its frame 22.
  • the tube 20 is adjacent to the supports 220 in the tube coil regions 201, in the center of attachments which are U-shaped in cross section 2200 arranged.
  • the fasteners 2200 are firmly connected to the supports 220, for example welded, and fix the tube 20 to the support 220, so that there is always a constant vertical distance 2013 between two turns.

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Abstract

Eine Reaktoranlage (1) umfasst einen Rohrreaktor (2) mit einem von einem Reaktionsmedium durchströmbaren Rohr (20). Sie umfasst weiter einen Reaktorkessel (3) und Mittel zum Zuführen bzw. Abführen eines Wärmetauschmediums in den Reaktorkessel (3). Das Rohr (20) des Rohrreaktors (2) weist einen Rohrschlangenbereich (201) auf, in welchem es spulenförmig mit konstantem Wickelradius (2011) aufgewickelt ist.

Description

Reaktoranlage mit einem Rohrreaktor
Die Erfindung betrifft eine Reaktoranlage mit einem Rohrreaktor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Reaktoranlagen mit Rohrreaktoren werden beispielsweise für homogene Reaktionen in Flüssigkeiten eingesetzt, wie sie bei einer Vorstufe der Vitamin-Synthese vorkommen. Für einen guten Reaktionsverlauf mit einer geringen Nebenproduktbildung ist es dabei unter anderem von Bedeutung, dass die Reaktanten eine definierte Verweilzeit im Reaktor haben und dass sie möglichst ideal durchmischt sind. Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Reaktionsbedingungen konstant in einem bestimmten Bereich gehalten werden, was z.B. bedeutet, dass bei exothermen Reaktionen Wärme abgeführt und bei endothermen Reaktionen Wärme zugeführt werden muss.
Mit dem Ziel der Durchführung einer homogenen Reaktion mit einem möglichst optimalen Verlauf werden heute verschiedene konstruktive Lösungen von Reaktoranlagen mit Rohrreaktoren eingesetzt. Beispielsweise werden Reaktoranlagen mit Doppelmantelrohrreaktoren eingesetzt, die ein erstes Rohr umfassen, welches koaxial in einem zweiten Rohr angeordnet ist. Das erste (innere) Rohr wird von den Reaktanten mit einer konstanten Fliessgeschwindigkeit durchströmt, sodass sie bei einer quasi idealen Durchmischung eine einheitliche Reaktionszeit bis zum Austritt aus dem Reaktor aufweisen. Zwischen dem ersten (inneren) und dem zweiten (äusseren) Rohr strömt ein Wärmetauschmedium, welches über die Rohrwand des ersten Rohres die Reaktanten kühlt bzw. heizt. Mehrere solche Doppelmantelrohre können in einer Reaktoranlage hinter- einandergeschaltet werden, sodass bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit der Reaktanten die für die Reaktion erforderliche Verweilzeit im Rohrreaktor erreicht ist. Die einzelnen Doppelmantelrohre können beispielsweise über Rohrbögen zu einem Rohrpaket verbunden sein, wodurch eine grosse Reaktorrohrlänge mit verhältnismässig kleinem Raumbedarf er- reicht werden kann.
Um einen gleichförmigen Wärmeaustausch über die ganze Rohrlänge eines solchen Doppelmantelrohrreaktors zu erreichen, werden insbesondere bei langen Doppelmantelrohrreaktoren insofern hohe Ansprüche an die Druckverhältnisse im Wärmetauschmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr gestellt, als das Wärmetauschmedium über die ganze Länge des Reaktors gleichmässig und idealerweise turbulent strömen soll. Dies zieht komplexe Anlagen nach sich, die aufwändig betrieben werden müssen. Ein ungleichmässiger Wärmetausch über den Reaktor kann zu einer ungleichmässigen Temperatur der Reaktanten und somit zu einem unvorteilhaften Reaktionsverlauf führen, insbesondere zur Bildung von unerwünschten Nebenprodukten .
Eine weitere Herausforderung an einen solchen Doppel- mantelrohrreaktor stellt die für einen gleichmässigen Wärmeübergang erwünschte turbulente Strömung im ersten (inneren) Rohr dar. Die Reaktanten müssen dazu entweder mit verhältnismässig hohen Fliessgeschwindigkeiten strömen oder durch geeignete Mittel verwirbelt werden. Aufgabe der nachfolgenden Erfindung ist es daher, eine Reaktoranlage vorzuschlagen, welche auf eine einfache Weise eine möglichst gleichmässige Temperatur der Reaktanten im Rohrreaktor gewährleistet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Reaktoranlage gelöst, wie sie durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 charakterisiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Reaktoranlage ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 2 bis 10. Insbesondere umfasst die Reaktoranlage einen Reaktorkessel, Mittel zum Zuführen bzw. Abführen eines Wärmetauschmediums in den Reaktorkessel und einen Rohrreaktor mit einem von einem Reaktionsmedium durchströmbaren Rohr. Dieses Rohr weist einen Rohrschlangenbereich auf, in welchem es spulen- förmig mit konstantem Wickelradius aufgewickelt ist. Eine solche Reaktoranlage zeichnet sich durch eine sehr grosse Oberfläche des vom Reaktionsmedium durchströmten Rohres aus, welches quasi vollständig vom Wärmetauschmedium umgeben ist. Dadurch wird ein erwünschter Wärmetausch einerseits mit ver- hältnismässig kleinen Temperaturgradienten zwischen Reaktionsmedium und Wärmetauschmedium und andererseits grösstenteils mittels freier Konvektion erreicht. Zusätzlich ist durch die Form des Rohrschlangenbereichs mit wenig Aufwand eine gleichmässig turbulente Strömung im Reaktionsmedium zu erreichen.
Die einzelnen Windungen des Rohrschlangenbereichs des Rohrreaktors können jeweils einen konstanten Abstand von den benachbarten Windungen aufweisen. Dadurch ist gesichert, dass das Rohr im Rohrschlangenbereich in ausreichendem Mass vom Wärmetauschmedium umströmbar ist.
Das Rohr des Rohrreaktors kann mehrere koaxial angeordnete Rohrschlangenbereiche mit jeweils einem unterschiedlichen Wickelradius umfassen, wobei ein Rohrschlangen- bereich mit kleinerem Wickelradius jeweils innerhalb eines Rohrschlangenbereichs mit grösserem Wickelradius angeordnet ist. Durch eine solche Form des Rohres beansprucht der Rohrreaktor auch bei grossen Rohrlängen wenig Platz, was eine geringere Grosse des Reaktorkessels ermöglicht. Zwei benachbarte Rohrschlangenbereiche des Rohrreaktors können jeweils einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Dadurch ist gesichert, dass das Rohr auch zwischen mehreren Rohrschlangenbereichen vom Wärmetauschmedium in ausreichendem Mass umströmbar ist. Das Rohr des Rohrreaktors kann mehrere miteinander dicht verschweisste, in Längsrichtung des Rohres nahtlose Rohrstücke umfassen. Solche nahtlosen Rohrstücke gewährleisten eine minimale Schweissnahtlänge.
Am Rohr des Rohrreaktors können an mehreren ver- schiedenen Stellen Anschlüsse zum Zuführen oder Abführen des Reaktionsmediums angeordnet sein. Mit der Wahl geeigneter Anschlüsse für das Zuführen bzw. das Abführen des Reaktionsmediums kann man auf einfache Weise die Verweilzeit der Reaktanten im Rohrreaktor anpassen. Das Rohr kann im Rohrschlangenbereich des Rohrreaktors an einem Rahmen befestigt sein. Der Rahmen stützt und trägt den Rohrreaktor, was ihn im Betrieb vor mechanischer Bean- spruchung und Beschädigung (Schwingungen) schützt. Die Montage des Rohres am Rahmen als separate Einheit kann vor dem Einsetzen in den Reaktorkessel ausgeführt werden, wodurch der Ein- bzw. Ausbau des Rohrreaktors in den Reaktorkessel vereinfacht wird.
Der Rahmen kann ein Dreibein umfassen, dessen Beine in einer Ebene angeordnet sind und zwar derart, dass jeweils zwei benachbarte Beine einen Winkel von etwa 120° ein- schliessen. Das Dreibein kann an jedem Bein jeweils vom Schnittpunkt der drei Beine aus im Abstand des Wickelradius des jeweiligen Rohrschlangenbereichs einen rechtwinklig zum Dreibein angeordneten Träger aufweisen, an welchem das Rohr im jeweiligen Rohrschlangenbereich befestigt ist. Ein solcher Rahmen ermöglicht, dass die einzelnen Windungen des je- weiligen Rohrschlangenbereichs jeweils an drei Trägern befestigt sind und damit der Rohrreaktor in besonders vorteilhafter und gleichmässiger Art und Weise über alle Rohrschlangenbereiche hinweg gestützt und getragen wird.
Im Reaktorkessel im Innern des Rohrschlangenbereichs mit dem kleinsten Wickelradius kann ein in den Innenraum des Reaktorkessels ragendes Fallrohr angeordnet sein, durch welches das seitlich des Fallrohres dem Reaktorkessel zugeführte und den Rohrreaktor umspülende Wärmetauschmedium, z.B. Kühlwasser, aus dem Reaktorkessel abführbar ist. Eine solche Konstruktion ermöglicht einen Umlauf des Wärmetauschmediums im Reaktorkessel, mit dem die Konvektion im Wärmetauschmedium im Vergleich zur reinen freien Konvektion erhöht wird.
Der Reaktorkessel kann mit einem Kondensator verbunden sein, so dass verdampftes flüssiges Wärmetauschmedium aus dem Reaktorkessel abführbar, durch den Kondensator leitbar und das Kondensat wieder als flüssiges Wärmetauschmedium in den Reaktorkessel rückführbar ist. Eine solche Reaktoranlage ermöglicht einen weitgehend geschlossenen Kreislauf des Wärmetauschmediums und somit einen minimalen Verbrauch an Wärmetauschmedium.
Ein weiterer selbstständiger Aspekt der Erfindung betrifft den Rohrreaktor, wie er durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 11 charakterisiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Rohrreaktors ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 12 bis 18. Ein solcher Rohrreaktor kann für bereits bestehende Reaktorkessel als gesonderte Einheit hergestellt werden und praktisch vorgefertigt direkt in den Reaktorkessel eingesetzt werden.
Insbesondere weist ein von einem Reaktionsmedium durchströmbares Rohr des Rohrreaktors einen Rohrschlangenbereich auf, in welchem es spulenförmig mit konstantem Wickelradius aufgewickelt ist. Ein solcher Rohrreaktor zeichnet sich' durch eine sehr grosse Oberfläche aus, die beispielsweise von einem Wärmetauschmedium umgeben sein kann. Ausserdem ist durch die Form des Rohrschlangenbereichs mit wenig Aufwand eine turbulente Strömung im Reaktionsmedium zu erreichen. Die einzelnen Windungen des Rohrschlangenbereichs können jeweils einen konstanten Abstand von den benachbarten Windungen aufweisen. Dadurch ist gesichert, dass das Rohr im Rohrschlangenbereich stets ausreichend von einem Wärmetauschmedium umströmbar ist. Das Rohr kann mehrere koaxial angeordnete Rohrschlangenbereiche mit jeweils einem unterschiedlichen Wickelradius umfassen, wobei ein Rohrschlangenbereich mit kleinerem Wickelradius jeweils innerhalb eines Rohrschlangenbereichs mit grösserem Wickelradius angeordnet ist. Durch eine solche Form des Rohres beansprucht der Rohrreaktor auch bei grossen Rohrlängen wenig Platz.
Zwei benachbarte Rohrschlangenbereiche können jeweils einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Dadurch ist gesichert, dass das Rohr auch zwischen mehreren Rohrschlangenbereichen stets ausreichend von einem Wärmetauschmedium umströmbar ist.
Das Rohr kann mehrere miteinander dicht verschweisste, in Längsrichtung des Rohres nahtlose Rohrstücke umfassen. Solche nahtlosen Rohrstücke gewährleisten eine minimale Schweissnahtlänge .
Am Rohr können an mehreren verschiedenen Stellen Anschlüsse zum Zuführen oder Abführen eines Reaktionsmediums angeordnet sein. Durch die Wahl geeigneter Anschlüsse für das Zuführen bzw. das Abführen des Reaktionsmediums kann man die Verweilzeit der Reaktanten im Rohrreaktor anpassen.
Das Rohr kann im Rohrschlangenbereich an einem Rahmen befestigt sein. Der Rahmen stützt und trägt den Rohrreaktor, was ihn im Betrieb vor mechanischer Beanspruchung und Beschädigung (Schwingungen) schützt. Die Montage des Rohres am Rahmen als separate Einheit kann vor dem Einsetzen in den Reaktorkessel ausgeführt werden, wodurch der Ein- bzw. Ausbau des Rohrreaktors in den Reaktorkessel vereinfacht wird. Der Rahmen kann ein Dreibein umfassen, dessen Beine in einer Ebene angeordnet sind und zwar derart, dass jeweils zwei benachbarte Beine einen Winkel von etwa 120° ein- schliessen. Das Dreibein kann an jedem Bein jeweils vom Schnittpunkt der drei Beine aus im Abstand des Wickelradius des jeweiligen Rohrschlangenbereichs einen rechtwinklig zum Dreibein angeordneten Träger aufweisen, an welchem das Rohr im jeweiligen Rohrschlangenbereich befestigt ist. Ein solcher Rahmen ermöglicht, dass die einzelnen Windungen des je- weiligen Rohrschlangenbereichs jeweils an drei Trägern befestigt sind und damit der Rohrreaktor in besonders vorteilhafter und gleichmässiger Art und Weise über alle Rohrschlangenbereiche hinweg gestützt und getragen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er- geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Hilfe der schematischen Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Rohrreaktors,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Reaktoranlage,
Fig. 3 ein Schnitt durch den Rohrreaktor aus Fig. 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines Rahmens im Bereich um das Dreibein des Rahmens,
Fig. 4 eine Aufsicht auf den Rohrreaktor aus Fig. 3, und
Fig. 5 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Befestigung des Rohres des Rohrreaktors aus Fig. 1 am Rahmen.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemässen Rohrreaktors 2 dargestellt. Der Rohrreaktor 2 umfasst ein Rohr 20, welches vier Rohrschlangenbereiche 201 aufweist. In jedem der vier Rohrschlangenbereiche 201 ist das Rohr 20 um eine Wickelachse 2010 mit jeweils einem konstanten Wickelradius 2011 spulenförmig aufgewickelt. Der Wickelradius 2011 entspricht jeweils dem Abstand zwischen der Wickelachse 2010 und dem nächstgelegenen Punkt einer Wand des Rohres 20 in den einzelnen Rohrschlangenbereichen 201. Die vier Rohrschlangenbereiche 201 sind koaxial um die Wickelachse 2010 ineinander angeordnet und über jeweils einen Verbindungsrohrbereich 200 mit den benachbarten Rohrschlangenbereichen 201 verbunden. Auf verschiedenen Höhen sind am Rohr 20 Anschlüsse 21 angeordnet. Über einen ersten der Anschlüsse 21 wird dem Rohr 20 ein Reaktionsmedium zugeführt, welches jeweils von unten nach oben durch die Rohrschlangenbereiche 201 strömt. Über die vertikal angeordneten Verbindungsrohre 200 wird das Reaktionsmedium direkt vom oberen Ende des einen Rohr- Schlangenbereichs 201 zum unteren Ende des benachbarten Rohrschlangenbereichs 201 geführt, welchen es wiederum von unten nach oben durchströmt. Durch einen zweiten der Anschlüsse 21 wird das Reaktionsmedium wieder aus dem Rohrreaktor 2 abgeführt. Mit der Wahl geeigneter Anschlüsse 21 für die Zuführung bzw. Abführung des Reaktionsmediums kann die Verweilzeit des Reaktionsmediums im Reaktor 2 eingestellt werden.
Für die gesamte weitere Beschreibung gilt folgende Festlegung. Sind in einer Figur zum Zweck zeichnerischer Ein- deutigkeit Bezugszeichen enthalten, aber im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erwähnt, so wird auf deren Erläuterung in vorangehenden Figurenbeschreibungen Bezug genommen .
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemässen Reaktoranlage 1. Die Reaktoranlage 1 umfasst einen Reaktorkessel 3, in dem der erfindungsgemässe Rohrreaktor 2 aus Fig. 1 vertikal angeordnet ist. Im Innern des Rohrschlangenbereichs 201 mit dem kleinsten Wickelradius 2011 ist ein in den Innenraum des Reaktorkessels 3 ragendes Fallrohr 4 angeordnet. Durch einen Deckel 30 ist der Reaktorkessel 3 über eine Dampfleitung 50 bzw. eine Kondensatleitung 51 mit einem Kondensator 5 verbunden. An seiner unteren Umrandung, ausserhalb des Fallrohres 4 ist der Reaktorkessel 3 mit Kühlwasserzuleitungen 60 verbunden. Ebenfalls an der unteren Umrandung des Reaktorkessels 3 aber innerhalb des Fallrohres 4 sind die Kühlwasserableitungen 61 angeschlossen. Die Kühlwasserzuleitungen 60 sind mit dem einen Ende und die Kühlwasserableitungen 61 mit dem anderen Ende einer Kühlwasserpumpe 6 so verbunden, dass das abgeführte Kühlwasser wieder in den Reaktorkessel zugeführt werden kann. Die Kühlwasserzuleitungen 60 sind vor ihrem Eintritt in den Reaktorkessel 3 mit einer Kühlwasserspeisung 62 verbunden, über welche allfällige Kühlwasserverluste, beispielsweise durch Undichtigkeiten, ausgeglichen werden können. Der Reaktorkessel 3 ist im Betrieb mindestens bis auf die Höhe des oberen Endes des Rohrreaktors 2 mit Kühlwasser gefüllt. Über die Rohrwände des vom Kühlwasser umgebenen Rohrreaktors 2, in dessen Rohr 20 eine exotherme Reaktion abläuft, wird laufend Wärme an das Kühlwasser abgegeben. Das Kühlwasser im unmittelbaren Grenzbereich zum Rohrreaktor 2 ist dadurch wärmer als der Rest des Kühlwassers, was zu einer freien Konvektion im Kühlwasser und zu einem daraus resultierenden Umströmen des Rohres 20 mit Kühlwasser führt. Bei einer geeigneten Reaktion im Rohrreaktor 2, geeigneten Bedingungen wie Temperatur und Druck und einer geeigneten Dimensionierung des Rohrreaktors 2 und des Reaktorkessels 3 führt die freie Konvektion zu einer für eine geeignete Kühlung ausreichenden Umströmung des Rohreaktors 2. Zu- sätzlich kann mittels der Kühlwasserpumpe 6 eine Zirkulation im Reaktorkessel 3 erzeugt werden, sodass das Kühlwasser über die Kühlwasserzuleitungen 60 von unten nach oben um den Rohrreaktor 2 herum durch den Reaktorkessel 3 strömt und durch das Fallrohr 4 über die Kühlwasserableitungen 61 wieder abfliesst.
Verdampftes Kühlwasser wird über die Dampfleitung 50 aus dem Reaktorkessel 3 in einen Kondensator 5 abgeführt, wo es als Kondensat durch die Kondensatleitung 51 wieder dem Reaktorkessel 3 als flüssiges Kühlwasser zugeführt werden kann.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Rohrreaktor 2 aus Fig. 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines Rahmens 22 im Bereich um ein Dreibein 221 des Rahmens 22 dargestellt. Das Rohr 20 des Rohrreaktors 2 ist in den koaxial angeordneten Rohrschlangenbereichen 201 so ausgebildet, dass sowohl die vertikalen Abstände 2013 der einzelnen Windungen zu den jeweilig benachbarten Windungen konstant ist, als auch die horizontalen Abstände 2012 zwischen den einzelnen Rohrschlangenbereichen 201 und ihren benachbarten Rohrschlangen- bereichen 201. Die Abstände 2012 bzw. 2013 ermöglichen, dass das Rohr 20 eines in einen Reaktorkessel 3 eingebauten Rohrreaktors 2 stets vollständig und ausreichend von Kühlwasser umgeben ist. Ausserdem verhindern sie, dass das Rohr 20 in den Rohrschlangenbereichen 201 bei allfälligen auftretenden Schwingungen mit benachbarten Bereichen des Rohres 20 kollidiert und dadurch mechanisch beschädigt wird.
Der Rahmen 22 umfasst ein horizontal liegendes Dreibein 221 mit daran im Abstand der jeweiligen Wickelradien 2011 von der Wickelachse 2010 aus vertikal ange- ordneten Träger 220. Das Rohr 20 ist in jeder Windung in den Rohrschlangenbereichen 201 an den Trägern 220 befestigt, was den Rohrreaktor 2 als Ganzes zu einer stabilen Konstruktion macht, die ausserhalb des Kessels montiert und dann einfach in den Kessel eingesetzt werden kann. Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf den Rohrreaktor 2 aus Fig. 3. Das horizontal unterhalb der Rohrschlangenbereiche 201 angeordnete Dreibein 221 umfasst drei radial von einem Zentrum ausgehende Beine, die jeweils in einem gleichmässigen Abstand von ihren benachbarten Beinen angeordnet sind und somit jeweils einen Winkel von 120° zu ihren benachbarten Beinen einschliessen. Jedes Bein ist im Abstand der vier Wickelradien 2010 vom Zentrum aus mit den vertikal angeordneten Trägern 220 fest verbunden. Die Träger 220 sind im Querschnitt U-förmig ausgestaltet und innerhalb der je- weiligen Rohrschlangenbereiche 201 angeordnet. Die An- Schlüsse 21 sind auch horizontal an verschiedenen Stellen am Rohr 20 angeordnet.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Befestigung 2200 des Rohres 20 des Rohrreaktors 2 aus Fig. 1 an seinem Rahmen 22. Das Rohr 20 ist in den Rohrschlangenbereichen 201 an die Träger 220 angrenzend, im Zentrum von im Querschnitt U-förmigen Befestigungen 2200 angeordnet. Die Befestigungen 2200 sind mit den Trägern 220 fest verbunden, beispielsweise verschweisst, und fixieren das Rohr 20 am Träger 220, sodass immer ein konstanter vertikaler Abstand 2013 zwischen zwei Windungen besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktoranlage (1) mit einem Rohrreaktor (2), der ein von einem Reaktionsmedium durchströmbares Rohr (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoranlage (1) einen Re- aktorkessel (3) und Mittel zum Zuführen bzw. Abführen eines Wärmetauschmediums in den Reaktorkessel umfasst, und dass das Rohr (20) des Rohrreaktors (2) einen Rohrschlangenbereich (201) aufweist, in welchem es spulenförmig mit konstantem Wickelradius (2011) aufgewickelt ist.
2. Reaktoranlage (1) nach Anspruch 1, bei welcher die einzelnen Windungen des Rohrschlangenbereichs (201) des Rohrreaktors (2) jeweils einen konstanten Abstand (2013) von den benachbarten Windungen aufweisen.
3. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden An- sprüche, bei welcher das Rohr (20) des Rohrreaktors (2) mehrere koaxial angeordnete Rohrschlangenbereiche (201) mit jeweils einem unterschiedlichen Wickelradius (2011) umfasst, wobei ein Rohrschlangenbereich (201) mit kleinerem Wickelradius (2011) jeweils innerhalb eines Rohrschlangenbereichs (201) mit grösserem Wickelradius (2011) angeordnet ist.
4. Reaktoranlage (1) nach Anspruch 3, bei welcher zwei benachbarte Rohrschlangenbereiche (201) des Rohrreaktors (2) jeweils einen konstanten Abstand (2012) zueinander aufweisen.
5. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden An- sprüche, bei welcher das Rohr (20) des Rohrreaktors (2) mehrere miteinander dicht verschweisste, in Längsrichtung des Rohres (20) nahtlose Rohrstücke umfasst.
6. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher am Rohr (20) des Rohrreaktors (2) an mehreren verschiedenen Stellen Anschlüsse (21) zum Zuführen oder Abführen des Reaktionsmediums angeordnet sind.
7. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Rohr (20) des Rohrreaktors (2) im Rohrschlangenbereich (201) an einem Rahmen (22) befestigt ist.
8. Reaktoranlage (1) nach Anspruch 7, bei welcher der
Rahmen (22) ein Dreibein (221) umfasst, dessen Beine in einer Ebene angeordnet sind und zwar derart, dass jeweils zwei benachbarte Beine einen Winkel von etwa 120° einschliessen, und welches Dreibein (221) an jedem Bein jeweils vom Schnittpunkt der drei Beine aus im Abstand des Wickelradius (2011) des jeweiligen Rohrschlangenbereichs (201) einen rechtwinklig zum Dreibein (221) angeordneten Träger (220) aufweist, an welchem das Rohr (20) im jeweiligen Rohrschlangenbereich (201) befestigt ist.
9. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher im Reaktorkessel (3) im Innern des Rohrschlangenbereichs (201) mit dem kleinsten Wickelradius (2011) ein in den Innenraum des Reaktorkessels (3) ragendes Fallrohr (4) angeordnet ist, durch welches das seitlich des Fallrohres (4) dem Reaktorkessel (3) zugeführte und den Rohrreaktor (2) umspülende Wärmetauschmedium, z.B. Kühlwasser, aus dem Reaktorkessel (3) abführbar ist.
10. Reaktoranlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Reaktorkessel (3) mit einem Kondensator (5) verbunden ist, so dass verdampftes flüssiges Wärmetauschmedium aus dem Reaktorkessel (3) abführbar, durch den Kondensator (5) leitbar und das Kondensat wieder als flüssiges Wärmetauschmedium in den Reaktorkessel (3) rückführbar ist.
11. Rohrreaktor (2) mit einem von einem Reaktionsmedium durchströmbaren Rohr (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (20) einen Rohrschlangenbereich (201) aufweist, in welchem es spulenförmig mit konstantem Wickelradius (2011) aufgewickelt ist.
12. Rohrreaktor (2) nach Anspruch 11, bei welchem die einzelnen Windungen des Rohrschlangenbereichs (201) jeweils einen konstanten Abstand (2013) von den benachbarten Windungen aufweisen.
13. Rohrreaktor (2) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei welchem das Rohr (20) mehrere koaxial angeordnete Rohrschlangenbereiche (201) mit jeweils einem unter- schiedlichen Wickelradius (2011) umfasst, wobei ein Rohrschlangenbereich (201) mit kleinerem Wickelradius (2011) jeweils innerhalb eines Rohrschlangenbereichs (201) mit grösseren Wickelradius (2011) angeordnet ist.
14. Rohrreaktor (2) nach Anspruch 13, bei welchem zwei benachbarte Rohrschlangenbereiche (201) jeweils einen konstanten Abstand (2012) zueinander aufweisen.
15. Rohrreaktor (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei welchem das Rohr (20) mehrere miteinander dicht verschweisste, in Längsrichtung des Rohres (20) nahtlose Rohrstücke umfasst.
16. Rohrreaktor (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei welchem am Rohr (20) an mehreren verschiedenen Stellen
Anschlüsse (21) zum Zuführen oder 'Abführen eines Reaktionsmediums angeordnet sind.
17. Rohrreaktor (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem das Rohr (20) im Rohrschlangenbereich (201) an einem Rahmen (22) befestigt ist.
18. Rohrreaktor (2) nach Anspruch 17, bei welchem der Rahmen (22) ein Dreibein (221) umfasst, dessen Beine in einer Ebene angeordnet sind und zwar derart, dass jeweils zwei benachbarte Beine einen Winkel von etwa 120° einschliessen und welches Dreibein (221) an jedem Bein jeweils vom Schnittpunkt der drei Beine aus im Abstand des Wickelradius (2011) des jeweiligen Rohrschlangenbereichs (201) einen rechtwinklig zum Dreibein angeordneten Träger (220) aufweist, an welchem das Rohr (20) im jeweiligen Rohrschlangenbereich (201) befestigt ist.
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