DE2412841C2

DE2412841C2 - Reaktor zum Spalten von Kohlenwasserstoffen an einem indirekt beheizten Katalysator

Info

Publication number: DE2412841C2
Application number: DE2412841A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6000 Bergen-Enkheim Cornelius; Heinz Dipl.-Ing. 6081 Klein-Gerau Jockel; Hans 6000 Frankfurt Küpfer
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US3972688A; GB1458801A; JPS5850921B2; BR7501570A; FR2264768B1; FR2264768A1; JPS50129603A; DE2412841A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum katalytischen Umsetzen von gasförmigen oder verdampften Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb von 700⁰C und Drücken von 5—80 bar in das Katalysatormaterial enthaltenden Röhren, die mit mindestens einem Teil ihrer Länge in einer Heizzone im Reaktor angeordnet sind und durch ein gasförmiges Heizmedium indirekt beheizt werden.

Ein solcher Reaktor ist aus der DE-OS 21 47 802 bekannt Reaktoren dieser Art werden häufig kurz als Röhrenofen oder Röhrenreaktor bezeichnet Als Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial können z.B. Erdgas oder verdampftes Naphtha verwendet werden; auch ein Reichgas, bestehend vor allem aus Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Wasserstoff, kann in dem Reaktor weiter umgesetzt werden.

Die Spaltung der Kohlenwasserstoffe zu CO und H2 erfolgt katalytisch in einer endothermen Reaktion, weshalb das Katalysatorimterial indirekt beheizt sein muß.

Die Katalysatoren enthalten meist Nickel auf einem temperaturfesten Trägermaterial, z. B. Aluminiumoxid. Der nachfolgend beschriebene Reaktor ist jedoch nicht auf die Verwendung eines bestimmten Katalysators zugeschnitten.

Röhrenreaktoren, deren Heizgas Temperaturen von über 800 und vorzugsweise etwa 850 bis 1100⁰C besitzt, wobei das Heizmedium zusätzlich einen Druck von 20 bis über 80 bar, vorzugsweise 30—60 bar, aufweist, brauchen ein aufwendiges, druckfestes Gehäuse. Aufgabe der Erfindung ist es, den baulichen Aufwand für das Reaktorgehäuse niedrig zu halten. Die Lösung besteht darin, daß im Reaktorgehäuse eine die Röhren umgebende trichterartige Abschirmwand und um die Abschirmwand ein Abschirmgehäuse angeordnet sind, wobei der Raum innerhalb der Abschirmwand und der Raum zwischen Abschirmwand und Abschirmgehäuse miteinander in Verbindung stehen, der Raum innerhalb der Abschirmwand eine Zuleitung für das gasförmige

Heizmedium, der Raum zwischen der Abschirmwand und dem Abschirmgehäuse eine Ableitung für das gasförmige Heizmeuium und der Raum zwischen dem Abschirmgehäuse und dem Reaktorgehäuse eine Eintrittsleitung und eine Austrittsleitung für das nach Austritt durch die Ableitung außerhalb des Reaktors weiter gekühlte gasförmige Heizmedium aufweist

Durch diese baulichen Maßnahmen wird die Heizzone mit ihrer hohen Temperatur im Abstand vom Reaktorgehäuse gehalten, gleichzeitig kann gekühltes Heizgas zwischen dem Reaktorgehäuse und dem Abschirmgehäuse hindurchgeleitet werden. Die Kühlung des Reaktorgehäuses erhöht dessen Stabilität, so daß es auch bei extrem hohen Drücken und Temperaturen noch mit relativ niedrigem Aufwand und damit kosten günstig hergestellt werden kana

Der Reaktor ist nicht allein, jedoch vorzugsweise dafür vorgesehen, um als Heizmedium ein in einem Kernreaktor aufgeheiztes Gas zu verwenden. Ein solches Gas ist z. B. Helium, das zum Abführen der in einem Kernreaktor erzeugten Wurme dient Dieses Helium wird dann in die Heizzone des Röhrenreaktors eingeleitet und sein Energieinhalt zumindest teilweise zum indirekten Beheizen des Katalysatormaterials verwendet Das Helium kommt mit Temperaturen von etwa 800 bis 1100⁰C, vorzugsweise 850 bis 110O⁰C, aus dem Kernreaktor und ist dabei auf 20 bis 80, vorzugsweise 30 bis 60 bar, komprimiert Für die weitere Verwendung des Heliums nach seiner Benutzung als Heizmedium im Reaktor ist es zweckmäßig, das Helium

So nicht wesentlich zu entspannen, um es ohne großen Aufwand wieder in den Kernreaktor zurückführen zu können. Das Helium gibt im Reaktor einen Teil seiner fühlbaren Wärme ab, wird dann aus dem Reaktor geleitet und außerhalb weiter gekühlt, wobei es noch eine Temperatur von etwa 200—35O⁰C behält Dieses außerhalb gekühlte Helium wird wieder in den Röhrenreaktor zurückgeführt und kühlt das Reaktorgehäuse, bevor es zurück in den Kernreaktor gegeben wird Diese Kühlung ist besonders für den von den Röhren durchzoge-

i5o nen Teil des Gehäuses, der auch als Abdeckplatte bezeichnet wird, zweckmäßig. Zur zusätzlichen Entlastung kann die Abdeckplatte durch einen von außen aufgegebenen Gegendruck abgestützt werden. Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Reaktorkon struktion ist in der Zeichnung dargestellt Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Reaktor, F i g. 2 einen Querschnitt durch den Reaktor nach der

Linie H-II in F i g. 1 in verkleinertem Maßstab und

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Abdeckplatte und ihre Kühleinrichtung.

Der Röhrenreaktor besitzt ein Gehäuse 1, zu dem auch eine Abdeckplatte 2 gehört Im Innern dieses Gehäuses herrschen Drücke bis etwa 80 bar. Durch das Gehäuse 1 ist eine Zuleitung 3 für gasförmiges Heizmedium hindurchgeführt, wobei es sich z. B. um Helium handeln kann. Vorzugsweise kommt dieses Helium von einem Kernreaktor, aus dem es mit Temperaturen von etwa 850— 1100⁰C und Drücken bis zu 80 bar, vorzugsweise 30—60 bar, austritt

Die Zuleitung 3 führt zu der Heizzone 4 des Reaktors, die von einer trichterartigen Abschirmwand 5 umgeben ist In die Heizzone 4 hinein ragen eine Vielzahl von Röhren 6, die im Innern Katalysatormaterial sowie eine Abzugsleitung 7 für Produktgas enthalten. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist die Abzugsleitung 7 sowie auch die Speiseleitung 8 für das umzusetzende Einsatzmaterial nur für eine Röhre dargestellt Reaktionsröhren, wie sie z. B. hier verwendet werden können, sind in der DE-OS 19 01 758 und im US-Pateat 37 13 784 beschrieben.

Die Abschirmwand 5 ist oben offen, so daß das Heizgas in Richtung der Pfeile 9 in einen Zwischenraum 10 strömen kann, der nach innen von der Abschirmwand 5 und nach außen von einem Absch'rmgehäuse 11 begrenzt ist Das Abschirmgehäuse 11 ist nach oben geschlossen und verhindert, daß heißes Helium der Heizzone 4 bis zur Abdeckplatte 2 gelangen kana Das Helium, welches in der Heizzone 4 einen Teil seiner fühlbaren Wärme an die Röhren 6 und die darin ablaufende chemische Umsetzung abgegeben hat, wodurch sich seine Temperatur etwa um 200—500⁰C gegenübr der Eintrittstemperatur verminderte, strömt im Zwischenraum 10 nach unten (Pfeile 12 und 13) und verläßt den Reaktor über die Ableitung 14.

Das aus der Ableitung 14 kommende Helium wird außerhalb des Reaktorgehäuses in nicht dargestellter Weise durch einen Wärmeaustauscher hindurchgefördert, wodurch seine Temperatur auf etwa 200—350⁰C absinkt Dieses gekühlte Helium tritt durch die Eintrittsleitung 15 wieder in den Röhrenreaktor eia Im Bereich des Gehäuses 1 verläuft die Eintrittsleitung 15 koaxial zur Ableitung 14. Das gekühlte Helium tritt in den Kühlbereich zwischen dem Gehäuse 1 und dem Abschirmgehäuse 11 ein und strömt dem GehSuse entlang nach obea

Für die Stabilität des Reaktorgehäuses entscheidend wichtig ist daß dieses kühle Helium auch entlang der Abdeckplatte 2 geführt w;rd, wie dies durch die Pfeile 16 und 17 angedeutet ist Das Abschirmgehäuse 11 bildet dabei mit άττ Abdeckplatte Kühlkanäle zwischen den Röhren 6, durch welche das Helium hindurchströmen kann. Durch die Austrittsleitung 18 verläßt das kühle Helium den Röhrenreaktor wieder und wird zur Weiterverwendung dem Kernreaktor zugeleitet, worauf hier jedoch im einzelnen nicht mehr eingegangen werden soll. Für die Austrittsleitung 18 und die Zuleitung 3 ist die in F i g, 1 dargestellte koaxiale Anordnung vorteilhaft

In der Nähe der Ableitung 14 besitzt das Abschirmgehäuse 11 einen Kompensator 19, der Längenveränderungen durch elastische Verformung aufnehmen kann.

ίο Bis auf die Ableitung 14 stellt das Abschirmgehäuse einen geschlossenen Behälter dar, der im Reaktorgehäuse 1 auf Stützen 20 ruht

F i g. 2, welche einen verkleinerten Querschnitt durch den Röhrenreaktor darstellt, macht deutlich, wie die Abis schirmungen 5 und 11 und das Gehäuse 1 Ringzonen ausbilden. Zwei Trennwände 21 und 22 halbieren den Zwischenraum zwischen dem Reaktorgehäuse 1 und dem Abschirmgehäuse 11, wobei der eine Halbraum 23 für nach oben zur Abdeckplatte 2 strömendes Helium und der andere Halbraum 24 für das zur Austrittsleitung 18 strömende Helium bestimmt ist Die Trennwände 21 und 22, die in einer senkrerf;,>;n Ebene verlaufen, dienen so der Strömungsführung jür das kühlende Helium.

In F i g. 3 ist eine besondere Ausgestaltung der unter der Abdeckplatte 2 verlaufenden Kühlkanäle gezeigt Charakteristisch hierfür ist daß die Röhren 6 jeweils von Zylinderstücken 25 umgeben sind, wobei zwischen der Außenseite der Röhren und der Innenseite der Zylinderstücke ein Trennraum 26 bleibt

In diesen Trennraum kann das hei3e Helium der Heizzone 4 eindringen, so daß die Röhren 6 nicht durch das in den Kanälen 27 strömende Helium direkt gekühlt werden.

Das Abschirmgehäuse 11 bildet einen Boden zwischen benachbarten Zylinderstücken 25, wodurch Kühlkanäle 27 entstehen, welche dem Hindurchleiten von kühlem Helium dienen. Die Kühlung verhindert eine Überhitzung der Abdeckplatte 2. Da die Abdeckplatte auch bei ausreichender Kühlung noch sehi masijv gestaltet sein muß, um die innerhalb des Gehäuses herrschenden hohen Drücke aufzunehmen, kann es ratsam sein, durch einen Gegendruck die Platte 2 zu entlasten. In F i g. 1 ist dafür gestrichelt eine Druckhaube 30 eingezeichnet Diese Haube 30 ist mit der Platte 2 verbunden und wölbt sich über das obere Ende der Röhren 6. Die Haube besitzt Durchführungen für die Abzugsleitungen 7 des Produktgases und die Speiseleitungen 8 für in die Röhren einzuführendes Einsatzgemisch. Durch eine Verbindungsleitung 31 zwischen der Austrittsleitung 18 für kühles Helium und der Haube 30 wird eine Heliumatmosphäre unter der Haube aufrechterhalten, welche den Druck innerhalb des Reaktorgehäuses 1 kompensiert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1) Röhrenreaktor zum katalytischer! Umsetzen von gasförmigen oder verdampften Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasen bei Temperaturen oberhalb von 700⁰C und Drücken von 5—80 bar in das Katalysatormaterial enthaltenen Röhren, die mit mindestens einem Teil ihrer Länge in einer Heizzone im Reaktor angeordnet sind und durch ein gasförmiges Heizmedium indirekt beheizt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorgehäuse (1) eine die Röhren (6) umgebende trichterartige Abschirmwand (5) und um die Abschirmwand ein Abschirmgehäuse (11) angeordnet sind, wobei der Raum innerhalb der Abschirmwand (5) und der Raum zwischen Abschirmwand (5) und Abschirmgehäuse (11) miteinander in Verbindung stehen, der Raum innerhalb der Abschirmwand eine Zuleitung (3) für das gasförmige Heizmedium, der Raum (10) zwischen der Abschirmwand und dem Äbschirmgehäuse eine Ableitung (14) für das gasförmige Heizmedium und der Raum zwischen dem Abschirmgehäuse und dem Reaktorgehäuse eine Eintrittsleitung (15) und eine Austrittsleitung (18) für das nach Austritt durch die Ableitung (14) außerhalb des Reaktors weiter gekühlte gasförmige Heizmedium aufweist

2) Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (3) und die Austrittsleitung (18) so ,vie die Ableitung (14) und die Eintrittsleitung (15) jeweils koaxial .meinander angeordnet sind.

3) Reaktor nach Anspruch ' oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abschirmgehäuse (11) und der Abdeckplatte (2) des Reaktorgehäuses zu den Röhren (6) koaxiale Zylinderstücke (25) angeordnet sind.

4) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Abschirmgehäuse und dem Reaktorgehäuse durch Strömungsleitwände (21, 22) unterteilt ist