WO2015140008A1 - Reaktorsystem und verwendung desselben - Google Patents

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WO2015140008A1
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Ulrich Hammon
Thomas Walter
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Basf Se
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Definitions

  • the present invention relates to a reactor system with a reactor, at least one condenser connected to the reactor, and at least one pump, which serves for circulating the liquid heat carrier via the reactor and the at least one condenser.
  • DE 22 07 166 A1 describes a reactor system with a cooling unit for reactors with a recirculated heat transfer medium, for which a circulation pump and a cooler are arranged outside of a reaction vessel.
  • the circulation pump and the radiator are housed in two juxtaposed housings.
  • an expansion vessel for the heat transfer medium is arranged above and in connection with the pump housing and a vapor separator for the coolant immediately above the radiator housing and in connection with the radiator tubes.
  • DE 10 2006 034 81 1 A1 describes in connection with a method for changing the temperature of a tube bundle reactor, a reactor system with a Salzbadkühler whose cooling medium is not particularly limited.
  • the cooler has an expansion tank in which a level measurement is arranged.
  • WO 2004/090066 A1 discloses the use of an ionic liquid, which is used according to a particularly preferred embodiment as a heat transfer medium for the indirect supply or removal of heat from a tube bundle reactor.
  • a shell and tube reactor consisting of a cylindrical container in which a bundle of catalyst tubes is housed in a vertical arrangement.
  • These catalyst tubes which may optionally contain supported catalysts, are sealingly secured with their ends in tube sheets and open in each one at the upper or in the lower end connected to the container hoods.
  • the reaction tubes flowing through the reaction mixture is supplied or removed.
  • a heat carrier circuit is passed to compensate for the heat balance, especially in reactions with strong heat of reaction.
  • a substantially homogeneous temperature distribution of the heat carrier is realized in each horizontal section of the reactor in order to avoid all contact tubes to participate equally in the reaction process. Furthermore, deflecting disks can be installed, which leave a passage cross section alternately in the reactor center and at the reactor edge.
  • reservoir for heat transfer within the respective system are arranged and are usually at the same height at ground level, since both reactor and container can weigh several hundred tons. If the reactor, for example, in the course of a catalyst change or to be cooled for repair or maintenance, the heat transfer medium from the reactor must be removed beforehand, otherwise caused by the freezing heat transfer stresses in particular during reheating within the reactor and can damage the reactor.
  • the object of the present invention is to provide an improved reactor system which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a reactor system is to be created in which safe handling of a liquid heat carrier is ensured.
  • a container (11) connected to the reactor (3) and / or the at least one cooler (5) for receiving the liquid heat carrier (9),
  • the reactor system according to the invention is characterized in particular by the fact that the liquid heat carrier (9) can be emptied easily.
  • the object is achieved by the use of the reactor system (1) according to the invention, as defined above, for carrying out exothermic reactions. The invention will be described in more detail below.
  • a first subject of the present invention is a reactor system (1) which comprises a reactor (3), at least one cooler (5) connected to the reactor (3), at least one with the reactor (3) and / or the at least one cooler ( 5) connected pump (7) for circulating at least a portion of a liquid heat carrier (9) and connected to the reactor (3) and / or the at least one cooler (5) connected container (1 1) for receiving the liquid heat carrier (9) includes.
  • the container (1 1) below the reactor (3) and / or the at least one cooler (5) is arranged.
  • the arrangement of the container (1 1) below the reactor (3) and / or the radiator (5) is initially the advantage that the liquid heat carrier (9) can be easily emptied from the system, since the liquid heat carrier (9 ) flows under its hydrostatic pressure in the container (1 1). Furthermore, the liquid heat carrier (9) emptied from the reactor system (1) is not stored in a higher-lying tank as in the prior art, but in a lower-lying container (11), so that there is little or no danger to humans and humans Environment of the liquid heat carrier (9) go out.
  • the container (11) is preferably installed in a pit integrated in the bottom plate.
  • the lower-lying arrangement of the container (1 1) also has the advantage that the reactor system (1) does not have to be built in the height to accommodate the container (1 1).
  • the pit has the advantage that in case of leakage, the escaping heat transfer medium (9) can be safely collected.
  • the term "below” is to be interpreted in the sense of the present invention so that the container (1 1) in relation to the reactor (3) and / or the cooler (5) is arranged so that the liquid heat carrier (9) due to its hydrostatic Pressure can flow without the need for additional promotion in the container (1 1).
  • the container (11) has a heating device (13) for heating the liquid heat carrier (9).
  • the liquid heat carrier (9) is usually media that is solid or very high viscosity at ambient temperature. The liquid state reach the heat transfer medium (9) only from a certain temperature, usually above 140 ° C.
  • a heating device (13) is advantageous.
  • the heating device (13) can be designed so that heating elements on the outside of the container (1 1) are arranged to heat over the container wall, the heat carrier (9). Additionally or alternatively, one or more heating elements may be present in the container (11) itself.
  • the heating device (13) can be operated with liquid and / or gaseous media, in particular by steam, or be equipped with electrical heating elements.
  • the container (1 1) is at least partially disposed below the bottom level. As already mentioned above, can be reduced by the underlying arrangement of the container (1 1), the entire height of the reactor system (1).
  • the expression "at least partially below the ground level” in the present invention means that the container (11) is arranged in a depression of the terrain, in particular in a pit
  • the recess can be designed so that it absorbs the leaking liquid heat carrier (9) in the event of leakage of the container (1 1) and man in this way and protects the environment from dangers.
  • the container (1 1) further comprises a pump (15) by means of which in the container (1 1) existing liquid heat carrier (9) in the system, that is in the reactor (3) and / or the at least one cooler (5), can be returned.
  • the container (1 1) serve not only as a collecting device for the liquid heat carrier (9), but also as a storage vessel and means for intermediate storage of the liquid heat carrier (9).
  • the volume of the container (11) is 10% greater than the volume of the liquid heat carrier (9) theoretically contained in the reactor (3) and / or the cooler (5).
  • the container (11) should be able to receive at least 20% of the liquid heat carrier (9) located in the reactor system (1) from the reactor (3) and the at least one cooler (5).
  • the density of the liquid heat carrier usually changes with temperature, it is advantageous to provide a safety margin of at least 10% in order not to expose the container (1 1) excessive loads.
  • the container (11) can be connected to the lowest point of the reactor (3) and / or the cooler (5) via discharge lines (17a, 17b).
  • the discharge lines are preferably installed with a slope to the container (1 1) and provided with a heat tracing.
  • the container (1 1) via at least one return line (19) each with the reactor (3) and / / or the at least one cooler (5) to connect.
  • the liquid heat carrier (9) present in the container (11) can be pumped back into the reactor (3) and / or the cooler (5).
  • the pump (15) is preferably designed as a submersible pump, in which the drive motor is in dry installation and the actual pump housing is flooded by the heat carrier (9).
  • all lines of the reactor system (1) are at least partially accompanied by heating.
  • Another advantage of the reactor system (1) according to the invention is that the liquid heat carrier (9) does not cool significantly and then does not have to be reheated. This saves energy on the one hand. On the other hand, damage in or on the reactor system (1) is avoided, which can occur when the liquid heat carrier (9) becomes highly viscous or solid, thereby changing its density. This applies in particular to the pump (7) and the lines (17a, 17b, 19).
  • the reactor (3) is a shell-and-tube reactor for carrying out exothermic reactions.
  • the cooler (5) may be a salt bath cooler and the liquid heat carrier (9) may be a molten salt.
  • molten salt a mixture of alkali nitrates and alkali nitrite is preferable.
  • a particularly preferred salt mixture consists of 53% by weight of potassium nitrate, 40% by weight of sodium nitrite and 7% by weight of sodium nitrate. This mixture forms a eutectic, which melts at about 142 ° C.
  • the working temperature of this salt bath is between 200 ° C and 500 ° C.
  • the present invention is also überagbar to heat transfer oils. These heat transfer oils are limited in their maximum operating temperature but usually at 250 ° C to 280 ° C, which is not sufficient for the tempering of many reactions, for example in tube bundle reactors.
  • the use of the reactor system (1) as described above is used to conduct exothermic reactions.
  • exothermic reactions the removal of the heat of reaction is a great challenge.
  • generic reactor systems are used, in which the heat of reaction is removed from a reactor via a liquid heat carrier. The heated by the heat of reaction liquid heat carrier is cooled down in a connected cooler, the energy released there is used for example for the generation of water vapor.
  • the use of the reactor system (1) according to the invention has proven to be advantageous.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reactor system 1 in one
  • FIG. 1 schematically illustrates a preferred embodiment of the reactor system 1 according to the invention.
  • the reactor system 1 comprises a reactor 3, which is provided with a Radiator 5 is connected.
  • a pump 7 circulates at least a part of the liquid heat carrier 9 through the reactor 3 and the condenser 5.
  • the pump 7 is in particular a circulating pump.
  • the cooler 5 has a Notentlastungsstutzen 21 and a safety device 23 in order to dissipate this with increasing pressure of the liquid heat carrier 9 via a line 27 into the container 1 1 and thus bring about in this way a pressure relief of the reactor housing.
  • the reactor system 1 according to the invention is designed essentially without pressure.
  • pressureless means that no precautions against pressures of more than 5 bar have to be made.
  • the reactor 3 and the cooler 5 are designed for this pressure, for example, the pump 7 and the hydrostatic pressure of the heat carrier 9 applies. Higher pressures are not generated according to the invention, or in particular prevented by the safety device 23.
  • the cooler 5 is expediently flanged or welded to the reactor 3.
  • the control valve 29 is used to adjust the temperature of the reactor by the flow of the heat carrier is regulated via the radiator.
  • the catalyst tubes can be filled with a bed of catalyst material (fixed bed catalyst).
  • the contact tubes are surrounded by the liquid heat carrier 9, which absorbs and dissipates the heat generated during the exothermic reaction.
  • the constant reaction conditions are created by the fact that at a predetermined temperature, the heat carrier 9 is circulated by a pump 7 for cooling.
  • the catalyst located in the reactor tubes must be replaced.
  • the reactor must be cooled.
  • at least 20% of the heat transfer medium content must be removed.
  • the complete removal of the heat carrier 9 is preferred in order to minimize the time for cooling and reheating the heat carrier 9 remaining in the reactor 3.
  • a discharge line 17a, 17b is provided, which leads into the container 11 according to the invention.
  • the discharge lines 17a, 17b at the lowest point of the reactor 3, or the cooler 5, are also provided with shut-off valves 29c, 29d.
  • the shut-off valves 29c or 29d mounted as close to the reactor or radiator housing. When draining the liquid heat carrier, this flows into the container 1 1, which is arranged in the embodiment shown in FIG 1 partially below the ground level in a pit.
  • the embodiment shows a container 1 1 with a heating device 13 arranged in its interior, which is operated for example by means of water vapor.
  • a pump 15 is disposed in the container 1 1, which can return the liquid heat carrier 9 via a return line 19.
  • the pump 15 is in particular a delivery pump.
  • a check valve 29e it is expedient to provide a check valve 29e. If the heat carrier 9 is conveyed into the reactor system 1, the shut-off valve 29f is closed. If the heat carrier 9 in the container 1 1 circulate for the purpose of heat balance, the valve 29f is open.
  • the container 1 1 may be appropriate to provide the container 1 1 additionally with an agitator to move the liquid heat carrier 9 and thus to ensure a uniform temperature distribution.
  • FIG. 1 shows a configuration of the reactor system 1 in which the return line 19 opens into the discharge lines 17a, 17b, so that the discharge lines 17a, 17b also partly serve for returning the liquid heat carrier 9.
  • the invention is not limited thereto. It is also possible that the return line 19 leads directly as a separate line in the reactor 3 and / or the radiator 5.
  • the embodiment shown in Figure 1 further comprises a safety device 23 downstream separator 25 and a pipe 27. on. In the event of a radiator leak, if steam enters the heat carrier 9 and this is expanded into the container via the safety device 23, the separator should receive the liquid content of the safety device 23. In this way, the pressure building up in the piping system (safety device 23 + pipe 27) is reduced and rapid relaxation of the reactor housing is achieved.
  • the exiting heat carrier in the container 1 1 is collected by the pipe 27 and separated from the penetrated by the leakage point in the heat carrier 9 into vapor by gravity separation.
  • the escaping heat transfer medium 9 can be reliably collected, separated from the steam and returned to the reactor 3 after repair of the cooler 5.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Reaktorsystem (1), umfassend- einen Reaktor (3),- mindestens einen mit dem Reaktor (3) verbundenen Kühler (5),- mindestens eine mit dem Reaktor (3) und/oder dem Kühler (5) verbundene Pumpe (7) 0zum Umwälzen zumindest eines Teils eines flüssigen Wärmeträgers (9) und - einen mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundenen Behälter (11) zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgers (9), wobei der Behälter (11) unterhalb des Reaktors (3) und/oder des mindestens einen Kühlers (5) angeordnet ist. Ferner wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems (1) zur Durchführung exothermer Reaktionen beschrieben.

Description

Reaktorsystem und Verwendung desselben
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Reaktorsystem mit Reaktor, mindestens einem Kühler, der mit dem Reaktor verbunden ist, und mindestens einer Pumpe, die zum Umpumpen des flüssigen Wärmeträgers über den Reaktor und den mindestens einen Kühlern dient.
Gattungsgemäße Reaktorsysteme sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt.
So beschreibt DE 22 07 166 A1 ein Reaktorsystem mit einem Kühlaggregat für Reaktionsapparate mit einem im Kreislauf geführten Wärmeträger, für den eine Umwälzpumpe und ein Kühler außerhalb eines Reaktionsbehälters angeordnet sind. Hierin sind die Umwälzpumpe und der Kühler in zwei nebeneinander angeordneten Gehäusen untergebracht. Ferner ist ein Ausdehnungsgefäß für den Wärmeträger über und in Verbindung mit dem Pumpengehäuse sowie ein Dampfabscheider für das Kühlmittel unmittelbar über dem Kühlergehäuse und in Verbindung mit den Kühlerrohren angeordnet.
DE 10 2006 034 81 1 A1 beschreibt im Zusammenhang mit einem Verfahren zur Temperaturänderung eines Rohrbündelreaktors ein Reaktorsystem mit einem Salzbadkühler, dessen Kühlmedium nicht speziell beschränkt wird. Der Kühler verfügt über einen Ausgleichsbehälter, in dem eine Füllstandmessung angeordnet ist.
WO 2004/090066 A1 offenbart die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit, die nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Wärmeträger für die indirekte Zu- oder Abführung von Wärme aus einem Rohrbündelreaktor verwendet wird. Hierin wird ein Rohrbündelreaktor beschrieben, der aus einem zylinderförmigen Behälter besteht, in dem ein Bündel von Kontaktrohren in vertikaler Anordnung untergebracht ist. Diese Kontaktrohre, die gegebenenfalls geträgerte Katalysatoren enthalten können, sind mit ihren Enden in Rohrböden abdichtend befestigt und münden in jeweils einer am oberen beziehungsweise im unteren Ende mit dem Behälter verbundenen Hauben. Über die Hauben wird das die Kontaktrohre durchströmende Reaktionsgemisch zu- beziehungsweise abgeführt. Durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum wird ein Wärmeträgerkreislauf geleitet, um die Wärmebilanz, insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, auszugleichen. In den beschriebenen Rohrbündelreaktoren wird in jedem waagrechten Schnitt des Reaktors eine weitgehend homogene Temperaturverteilung des Wärmeträgers realisiert, um möglichst alle Kontaktrohre gleichmäßig am Reaktionsgeschehen zu beteiligen. Ferner können Umlenkscheiben eingebaut sein, die abwechselnd in der Reaktormitte und am Reaktorrand einen Durchtrittsquerschnitt freilassen. Nachteilig an den bekannten Reaktorsystemen ist, dass Vorratsbehälter für Wärmeträger innerhalb der jeweiligen Anlage angeordnet sind und sich in der Regel auf der gleichen Höhe auf Bodenniveau befinden, da sowohl Reaktor wie auch Auffangbehälter mehrere hundert Tonnen wiegen können. Muss der Reaktor z.B. im Zuge eines Katalysatorwechsels oder zu Reparatur bzw. Wartungsarbeiten abgekühlt werden, muss der Wärmeträger aus dem Reaktor zuvor entfernt werden, da sonst durch den einfrierenden Wärmeträger Spannungen insbesondere beim Wiederaufheizen innerhalb des Reaktors entstehen und den Reaktor schädigen können. Hierbei muss der jeweilige Wärmeträger zum Bevorraten in den höher liegenden Behälter gepumpt werden oder der Salzraum des Reaktors unter Gasdruck gestellt werden, was einen hohen konstruktiven Aufwand bedeutet. Zudem gehen im Falle einer Leckage des Behälters aufgrund der relativ hohen Temperatur und der brandfördernden Wirkung des austretenden Wärmeträgers Gefahren für Mensch und Umwelt aus. Angesichts dieser Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Reaktorsystem bereitzustellen, das die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Reaktorsystem geschaffen werden, bei dem eine sichere Handhabung eines flüssigen Wärmeträgers gewährleistet ist.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Reaktorsystem (1 ) gelöst, umfassend
- einen Reaktor (3),
- mindestens einen mit dem Reaktor (3) verbundenen Kühler (5),
- mindestens eine mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundene Pumpe (7) zum Umwälzen zumindest eines Teils eines flüssigen
Wärmeträgers (9) und
- einen mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundenen Behälter (1 1 ) zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgers (9),
wobei der Behälter (1 1 ) unterhalb des Reaktors (3) und/oder des mindestens einen Kühlers (5) angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der flüssige Wärmeträger (9) leicht entleert werden kann. In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems (1 ), wie es vorstehend definiert wurde, zur Durchführung exothermer Reaktionen gelöst. Nachfolgend wird die Erfindung detaillierter beschrieben.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Reaktorsystem (1 ), das einen Reaktor (3), mindestens einen mit dem Reaktor (3) verbundenen Kühler (5), mindestens eine mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundene Pumpe (7) zum Umwälzen zumindest eines Teils eines flüssigen Wärmeträgers (9) und einen mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundenen Behälter (1 1 ) zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgers (9) umfasst. Dabei ist der Behälter (1 1 ) unterhalb des Reaktors (3) und/oder des mindestens einen Kühlers (5) angeordnet.
Durch die Anordnung des Behälters (1 1 ) unterhalb des Reaktors (3) und/oder des Kühlers (5) wird zunächst der Vorteil erreicht, dass sich der flüssige Wärmeträger (9) leicht aus der Anlage entleeren lässt, da der flüssige Wärmeträger (9) unter seinem hydrostatischen Druck in den Behälter (1 1 ) fließt. Ferner wird der aus dem Reaktorsystem (1 ) entleerte flüssige Wärmeträger (9) nicht in einem höher liegenden Tank wie im Stand der Technik bevorratet, sondern in einem tiefer liegenden Behälter (1 1 ), so dass keine oder nur eine geringe Gefahr für Mensch und Umwelt von den flüssigen Wärmeträger (9) ausgehen. Hierzu wird bevorzugt der Behälter (1 1 ) in einer in die Bodenplatte integrierten Grube installiert. Die tiefer liegende Anordnung des Behälters (1 1 ) weist zudem den Vorteil auf, dass das Reaktorsystem (1 ) nicht in die Höhe gebaut werden muss, um den Behälter (1 1 ) unterzubringen. Die Grube hat den Vorteil, dass im Falle einer Leckage der austretende Wärmeträger (9) sicher aufgefangen werden kann. Die Formulierung„unterhalb" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung so auszulegen, dass der Behälter (1 1 ) im Verhältnis zum Reaktor (3) und/oder zum Kühler (5) so angeordnet ist, dass der flüssige Wärmeträger (9) aufgrund seines hydrostatischen Drucks ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Förderung in den Behälter (1 1 ) fließen kann.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems (1 ) weist der Behälter (1 1 ) eine Heizvorrichtung (13) zum Heizen des flüssigen Wärmeträgers (9) auf. Bei dem flüssigen Wärmeträger (9) handelt es sich in der Regel um Medien, die bei Umgebungstemperatur fest oder sehr hochviskos sind. Den flüssigen Zustand erreichen die Wärmeträger (9) erst ab einer gewissen Temperatur, in der Regel oberhalb von 140 °C. Um nun ein Erhöhen der Viskosität beziehungsweise ein Erstarren des flüssigen Wärmeträgers (9) in dem Behälter (1 1 ) zu verhindern, ist eine Heizvorrichtung (13) vorteilhaft. Die Heizvorrichtung (13) kann so ausgeführt sein, dass Heizelemente auf der Außenseite des Behälters (1 1 ) angeordnet sind, um über die Behälterwand den Wärmeträger (9) zu beheizen. Zusätzlich oder alternativ können im Behälter (1 1 ) selbst eines oder mehrere Heizelemente vorhanden sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Dimension des Behälters (1 1 ) eine gewisse Größe erreicht und dadurch eine über die Außenwände des Behälters (1 1 ) eingebrachte Heizleistung für den flüssigen Wärmeträger (9) nicht mehr ausreichend ist. Die Heizvorrichtung (13) kann mit flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere durch Wasserdampf, betrieben werden oder mit elektrischen Heizelementen ausgestattet sein. Vorzugsweise ist der Behälter (1 1 ) zumindest teilweise unterhalb des Bodenniveaus angeordnet. Wie vorstehend schon angesprochen, kann durch die tieferliegende Anordnung des Behälters (1 1 ) die gesamte Bauhöhe des Reaktorsystems (1 ) verringert werden. Die Formulierung„zumindest teilweise unterhalb des Bodenniveaus" bedeutet in der vorliegenden Erfindung, dass der Behälter (1 1 ) in einer Vertiefung des Geländes, insbesondere in einer Grube, angeordnet ist. Eine solche Vertiefung kann zum einen für die Wärmedämmung des Behälters (1 1 ) vorteilhaft sein, da ein überirdisch angeordneter Tank den Witterungseinflüssen in größerem Umfang ausgesetzt wäre. Andererseits kann die Vertiefung so ausgelegt werden, dass sie im Falle einer Leckage des Behälters (1 1 ) den austretenden flüssigen Wärmeträger (9) auffängt und auf diese Weise Mensch und Umwelt vor Gefahren schützt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Behälter (1 1 ) ferner eine Pumpe (15) auf, mittels derer der im Behälter (1 1 ) vorhandene flüssige Wärmeträger (9) in die Anlage, das heißt in den Reaktor (3) und/oder den mindestens einen Kühler (5), zurückgeführt werden kann. Auf diese Weise kann der Behälter (1 1 ) nicht nur als Auffangvorrichtung für den flüssigen Wärmeträger (9) dienen, sondern auch als Vorratsgefäß und Einrichtung zur Zwischenlagerung des flüssigen Wärmeträgers (9). Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Volumen des Behälters (1 1 ) um 10 % größer ist als das theoretisch in dem Reaktor (3) und/oder dem Kühler (5) enthaltene Volumen des flüssigen Wärmeträgers (9). Der Behälter (1 1 ) sollte mindestens 20 % des im Reaktorsystem (1 ) befindlichen flüssigen Wärmeträgers (9) aus dem Reaktor (3) und dem mindestens einen Kühler (5) aufnehmen können. Da jedoch die Dichte des flüssigen Wärmeträgers sich mit der Temperatur in der Regel ändert, ist es vorteilhaft, einen Sicherheitsbereich von mindestens 10 % vorzusehen, um den Behälter (1 1 ) keinen übermäßigen Belastungen auszusetzen.
In einer Weiterbildung kann ferner der Behälter (1 1 ) über Ablassleitungen (17a, 17b) jeweils mit dem niedrigsten Punkt des Reaktors (3) und/oder des Kühlers (5) verbunden sein. Die Ablassleitungen werden vorzugsweise mit Gefälle zum Behälter (1 1 ) installiert und mit einer Begleitheizung versehen. Diese Anordnung ermöglicht eine nahezu vollständige Entleerung des flüssigen Wärmeträgers (9) aus dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5), da der flüssige Wärmeträger (9) aufgrund seines hydrostatischen Drucks am tiefsten Punkt (nahezu) vollständig herausfließen kann.
Um den flüssigen Wärmeträger (9) zu rezyklieren, beziehungsweise den Behälter (1 1 ) auch als Vorratsbehälter nutzen zu können, ist es zweckmäßig, den Behälter (1 1 ) über mindestens eine Rückführleitung (19) jeweils mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) zu verbinden. Hierdurch und mit Hilfe der Pumpe (15) kann der in dem Behälter (1 1 ) vorhandene flüssige Wärmeträger (9) in den Reaktor (3) und/oder den Kühler (5) zurückgepumpt werden. Die Pumpe (15) ist dabei vorzugsweise als Eintauchpumpe ausgeführt, bei der der Antriebsmotor sich in Trockenaufstellung befindet und das eigentliche Pumpengehäuse von dem Wärmeträger (9) überflutet ist.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ablassleitungen (17a, 17b) und/oder die Rückführleitung (19) jeweils eine Heizvorrichtung aufweisen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise verhindert, dass sich die Viskosität des flüssigen Wärmeträgers (9) in den Leitungen erniedrigt oder der Wärmeträger (9) erstarrt und somit das System blockiert.
Vorzugsweise sind alle Leitungen des Reaktorsystems (1 ) zumindest teilweise begleitbeheizt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktorsystems (1 ) ist, dass der flüssige Wärmeträger (9) nicht wesentlich abkühlt und anschließend nicht wieder aufgeheizt werden muss. Hierdurch wird einerseits Energie eingespart. Zum anderen werden Schäden im oder am Reaktorsystems (1 ) vermieden, die entstehen können, wenn der flüssige Wärmeträger (9) hochviskos oder fest wird und dabei seine Dichte ändert. Dies gilt insbesondere für die Pumpe (7) und die Leitungen (17a, 17b. 19).
In einer bevorzugten Ausführungsform des Reaktorsystems (1 ) ist der Reaktor (3) ein Rohrbündelreaktor zur Durchführung exothermer Reaktionen. Alternativ oder zusätzlich können in dieser Ausführungsform der Kühler (5) ein Salzbadkühler und der flüssige Wärmeträger (9) eine Salzschmelze sein.
Als Salzschmelze ist eine Mischung von Alkalinitraten und Alkalinitriten bevorzugt. Eine besonders bevorzugte Salzmischung besteht aus 53 Gew.-% Kaliumnitrat, 40 Gew.-% Natriumnitrit und 7 Gew.-% Natriumnitrat. Diese Mischung bildet ein Eutektikum, das bei ca. 142 °C schmilzt. Die Arbeitstemperatur dieses Salzbades liegt zwischen 200 °C und 500 °C. Neben einem flüssigen Wärmeträger (7) in Form einer Salzschmelze, ist die vorliegende Erfindung auch auf Wärmeträgeröle übertagbar. Diese Wärmeträgeröle sind in ihrer maximalen Betriebstemperatur jedoch in der Regel auf 250 °C bis 280 °C beschränkt, was für das Temperieren vieler Reaktionen, beispielsweise in Rohrbündelreaktoren, nicht ausreichend ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung des Reaktorsystems (1 ), wie vorstehend beschrieben wurde, zur Durchführung exothermer Reaktionen verwendet. Bei exothermen Reaktionen stellt die Abführung der Reaktionswärme eine große Herausforderung dar. Hierzu werden gattungsgemäße Reaktorsysteme verwendet, in denen die Reaktionswärme aus einem Reaktor über einen flüssigen Wärmeträger abgeführt wird. Der durch die Reaktionswärme aufgeheizte flüssige Wärmeträger wird in einem angeschlossenen Kühler heruntergekühlt, wobei die dort frei werdende Energie beispielsweise für die Erzeugung von Wasserdampf genutzt wird. Um Schwankungen in der Abführung der Reaktionswärme auszugleichen, hat sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktorsystems (1 ) als vorteilhaft erwiesen.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Reaktorsystems 1 in einer
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 stellt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems 1 dar. Das Reaktorsystem 1 umfasst einen Reaktor 3, der mit einem Kühler 5 verbunden ist. Eine Pumpe 7 wälzt zumindest einen Teil des flüssigen Wärmeträgers 9 durch den Reaktor 3 und den Kühler 5 um. Die Pumpe 7 ist insbesondere eine Umwälzpumpe. Der Kühler 5 weist einen Notentlastungsstutzen 21 und eine Sicherheitseinrichtung 23 auf, um bei steigendem Druck des flüssigen Wärmeträgers 9 diesen über eine Leitung 27 in den Behälter 1 1 abführen zu können und so auf diese Art und Weise eine Druckentlastung des Reaktorgehäuses herbeizuführen.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem 1 ist im Wesentlichen drucklos ausgelegt. Drucklos bedeutet in diesem Fall, dass keine Vorkehrungen gegen Drücke von mehr als 5 bar getroffen werden müssen. Natürlich sind der Reaktor 3 und der Kühler 5 für diesen Druck ausgelegt, den beispielsweise die Pumpe 7 und der hydrostatische Druck des Wärmeträgers 9 aufbringt. Höhere Drücke werden erfindungsgemäß jedoch nicht erzeugt, bzw. insbesondere durch die Sicherheitseinrichtung 23 verhindert.
Der Kühler 5 ist zweckmäßigerweise an dem Reaktor 3 angeflanscht oder angeschweißt. Die Regelarmatur 29 dient der Temperatureinstellung des Reaktors, indem der Fluss der Wärmeträgers über den Kühler reguliert wird. In dieser Ausführungsform wird insbesondere auf Rohrbündelreaktoren Bezug genommen, in denen ein Bündel vertikal ausgerichteter Kontaktrohre zwischen zwei Rohrböden angeordnet ist. Die Kontaktrohre können dabei je nach Anwendungsfall mit einer Schüttung aus Katalysatormaterial (Festbettkatalysator) gefüllt sein. Die Kontaktrohre werden von dem flüssigen Wärmeträger 9 umspült, der die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme aufnimmt und ableitet. Die konstanten Reaktionsbedingungen werden dadurch geschaffen, dass bei einer vorgegebenen Temperatur der Wärmeträger 9 mit einer Pumpe 7 zur Kühlung umgewälzt wird.
Beispielsweise kann es notwendig sein, dass nach einer gewissen Betriebszeit der in den Reaktorrohren befindliche Katalysator ausgetauscht werden muss. Um den Austausch vornehmen zu können, muss der Reaktor abgekühlt werden. Um den Reaktor 3 beim Wiederaufheizen nicht zu schädigen, müssen mindestens 20 % des Wärmeträgerinhalts entfernt werden. Bevorzugt wird allerdings das komplette Entfernen des Wärmeträgers 9, um die Zeit für das Abkühlen und des Wiederaufheizens des im Reaktor 3 verbleibenden Wärmeträgers 9 zu minimieren.
Zum Ablassen ist am niedrigsten Punkt des Reaktors 3, ebenso wie am niedrigsten Punkt des Kühlers 5, eine Ablassleitung 17a, 17b vorgesehen, die in den erfindungsgemäßen Behälter 1 1 führt. Zweckmäßigerweise sind die Ablassleitungen 17a, 17b am niedrigsten Punkt des Reaktors 3, beziehungsweise des Kühlers 5, ebenfalls mit Absperrventilen 29c, 29d versehen. Dabei sind die Absperrarmaturen 29c bzw. 29d möglichst nahe am Reaktor- bzw. Kühlergehäuse angebracht. Beim Ablassen des flüssigen Wärmeträgers fließt dieser in den Behälter 1 1 , der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform teilweise unterhalb des Bodenniveaus in einer Grube angeordnet ist. Die Ausführungsform zeigt einen Behälter 1 1 mit einer in seinem Inneren angeordneten Heizvorrichtung 13, die beispielsweise mittels Wasserdampf betrieben wird. In dieser Ausführungsform ist in dem Behälter 1 1 eine Pumpe 15 angeordnet, die über eine Rückführleitung 19 den flüssigen Wärmeträger 9 zurückführen kann. Die Pumpe 15 ist insbesondere eine Förderpumpe. Auch hier ist es zweckmäßig, ein Absperrventil 29e vorzusehen. Wird der Wärmeträger 9 in das Reaktorsystem 1 gefördert, ist die Absperrarmatur 29f geschlossen. Soll der Wärmeträger 9 im Behälter 1 1 zwecks Wärmeausgleich zirkulieren, ist die Armatur 29f geöffnet.
Obwohl in Figur 1 nicht dargestellt, kann es zweckmäßig sein, den Behälter 1 1 zusätzlich mit einem Rührwerk zu versehen, um den flüssigen Wärmeträger 9 zu bewegen und damit für eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu sorgen.
In Figur 1 ist eine Konfiguration des Reaktorsystems 1 dargestellt, in der die Rückführleitung 19 in die Ablassleitungen 17a, 17b mündet, so dass die Ablassleitungen 17a, 17b auch teilweise zum Rückführen des flüssigen Wärmeträgers 9 dienen. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Ebenso ist es möglich, dass die Rückführleitung 19 direkt als eigene Leitung in den Reaktor 3 und/oder den Kühler 5 führt. Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform weist ferner einen der Sicherheitseinrichtung 23 nachgelagerten Abscheider 25 und eine Rohrleitung 27 auf. auf. Der Abscheider soll im Falle einer Kühlerleckage, wenn Dampf in den Wärmeträger 9 eintritt und dieser über die Sicherheitseinrichtung 23 in den Behälter entspannt wird, den Flüssigkeitsinhalt der Sicherheitseinrichtung 23 aufnehmen. Auf diese Art und Weise wird der sich im Rohrleitungssystem (Sicherheitseinrichtung 23 + Rohrleitung 27) aufbauende Druck reduziert und eine schnelle Entspannung des Reaktorgehäuses erreicht. Ferner wird durch die Rohrleitung 27 der austretende Wärmeträger im Behälter 1 1 gesammelt und von dem durch die Leckagestelle in den Wärmeträger 9 hinein eingedrungenen Dampf durch Schwerkraftabscheidung getrennt. In diesem Fall kann bei einer Leckage der austretende Wärmeträger 9 sicher aufgefangen, vom Dampf getrennt und nach Reparatur des Kühlers 5 wieder in den Reaktor 3 zurückgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
Reaktorsystem (1 ), umfassend
- einen Reaktor (3),
- mindestens einen mit dem Reaktor (3) verbundenen Kühler (5),
- mindestens eine mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundene Pumpe (7) zum Umwälzen zumindest eines Teils eines flüssigen Wärmeträgers (9) und
- einen mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbundenen Behälter (1 1 ) zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgers (9), wobei der Behälter (1 1 ) unterhalb des Reaktors (3) und/oder des mindestens einen Kühlers (5) angeordnet ist.
Reaktorsystem (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der Behälter (1 1 ) eine Heizvorrichtung (13) zum Heizen des flüssigen Wärmeträgers (9) aufweist.
Reaktorsystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Behälter (1 1 ) zumindest teilweise unterhalb des Bodenniveaus angeordnet ist.
Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Behälter (1 1 ) ferner eine Pumpe (15) aufweist.
Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Volumen des Behälters (1 1 ) um 10 % größer ist als das theoretisch in dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) enthaltene Volumen des flüssigen Wärmeträgers (9).
Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Behälter (1 1 ) über Ablassleitungen (17a, 17b) jeweils mit dem niedrigsten Punkt des Reaktors (3) und/oder des mindestens einen Kühlers (5) verbunden ist.
Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Behälter (1 1 ) über mindestens eine Rückführleitung (19) jeweils mit dem Reaktor (3) und/oder dem mindestens einen Kühler (5) verbunden ist.
Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ablassleitungen (17a, 17b) und/oder die Rückführleitung (19) jeweils eine Heizvorrichtung aufweisen.
9. Reaktorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Reaktor (3) ein Rohrbündelreaktor zur Durchführung exothermer Reaktionen ist und/oder
der mindestens eine Kühler (5) ein Salzbadkühler und der flüssige Wärmeträger (9) eine Salzschmelze ist.
10. Verwendung des Reaktorsystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Durchführung exothermer Reaktionen.
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