DE102010014643A1

DE102010014643A1 - Rohrbündelreaktor

Info

Publication number: DE102010014643A1
Application number: DE102010014643A
Authority: DE
Inventors: Manfred Lehr
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Für einen Rohrbündelreaktor für katalytische Gasphasenreaktionen, mit einem Bündel vertikal angeordneter Reaktionsrohre, einem oberen und einem unteren Rohrboden, die mit den oberen bzw. unteren Enden der Reaktionsrohre dicht verbunden sind und durch die hindurch die Reaktionsrohre in Gaszuführungs- und Gasableitungseinrichtungen münden, einem Reaktormantel, der das Rohrbündel umschließt und mit den Rohrböden dicht verbunden ist, um mit diesen einen Druckraum auszubilden, in dem die Reaktionsrohre im Betrieb von einem Wärmeträger umspült werden, und mit mindestens einem Umlenkblech, das sich quer durch das Rohrbündel erstreckt und dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingt und eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilässt, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt, werden Maßnahmen vorgeschlagen, um mit dem Rohrbündelreaktor sowohl einen trieb durchführen zu können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündelreaktor für katalytische Gasphasenreaktionen, mit einem Bündel vertikal angeordneter Reaktionsrohre, einem oberen und einem unteren Rohrboden, die mit den oberen bzw. unteren Enden der Reaktionsrohre dicht verbunden sind und durch die hindurch die Reaktionsrohre in Gaszuführungs- und Gasableitungseinrichtungen münden, einem Reaktormantel, der das Rohrbündel umschließt und mit den Rohrböden dicht verbunden ist, um mit diesen einen Druckraum auszubilden, in dem die Reaktionsrohre im Betrieb von einem Wärmeträger umspült werden, und mit mindestens einem Umlenkblech, das sich quer durch das Rohrbündel erstreckt und dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingt und eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilässt, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt.
Bei solchen Rohrbündelreaktoren wird der Wärmeträger, beispielsweise Salzschmelze, von den Umlenkblechen im Zwangsumlauf mäanderförmig durch das Rohrbündel geführt, um eine Queranströmung der Reaktionsrohre zu bewirken. Die Queranströmung bewirkt einen hohen Wärmeübergang, der eine ausreichende Wärmeableitung bei hohen Reaktionstemperaturen gewährleistet. Entscheidend für die Produktionsqualität und -ausbeute ist dabei eine über den Reaktorquerschnitt möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung, d. h. ein über den Reaktorquerschnitt möglichst gleichmäßiger Wärmeübergang. Ein maßgeblicher Einflussfaktor für den Wärmeübergang ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers. Diese variiert bei üblichen, zylindrischen Rohrbündelreaktoren jedoch in radialer Richtung, da der Strömungsquerschnitt radial einwärts abnimmt und deswegen die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.
Zur Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers wurde daher in WO 2004/052524 A1 für Rohrbündelreaktoren mit ring- und scheibenförmigen Umlenkblechen vorgeschlagen, in den Umlenkblechen zwischen den Reaktionsrohren Bypassöffnungen anzuordnen, deren Gesamt-Öffnungsquerschnitt radial einwärts zunimmt und durch die Teilmengen des Wärmeträgers abströmen, sodass sich dementsprechend dessen Strömungsgeschwindigkeit verringert.
Die Umlenkbleche können auch alternierend gegenüberliegend angeordnet sein, wie z. B. in WO 2004/052776 A1 beschrieben und dargestellt. Dort ist auch beschrieben und dargestellt, dass eine gewisse Leckage durch die Durchtrittsbohrungen für die Reaktionsrohre in den Umlenkblechen auftritt, da aufgrund unvermeidlicher Rohrtoleranzen und Bohrungstoleranzen Spalte zwischen Rohraußenwand und Bohrungswand nicht zu vermeiden sind. Jedoch sollen diese Ringspalte ausreichend gering sein, um eine sichere Stützung der Reaktionsrohre in den Bohrungen zu gewährleisten. Zudem variieren sie in der Größe in Abhängigkeit von den Toleranzen relativ stark. Ein sicheres Abströmen vorgegebener Teilmengen des Wärmeträgers ist durch diese Ringspalte daher nicht gegeben.
Bei Rohrbündelreaktoren mit Zwangsumlauf ist somit ein erheblicher Aufwand zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung notwendig. Zudem ist eine Umwälzeinrichtung für den Wärmeträger erforderlich, was die Fertigungskosten erhöht und zusätzlichen Aufwand für Wartung und Reparatur mit sich bringt.
Zur Steuerung der Wärmeträgermenge, die ein Rohrbündel durchströmt, wird für einen Rohrbündelreaktor mit Zwangsumlauf in der US 5615738 vorgeschlagen, innerhalb des Reaktors außerhalb des Rohrbündels auf einer Seite in allen sich dort erstreckenden Umlenkblechen eine verschließbare Öffnung auszubilden, die im geöffneten Zustand einem Teil des Wärmeträgerstroms ermöglicht, parallel zu den Reaktionsrohren an diesen vorbei vom Wärmeträgereinlass zum Wärmeträgerauslass zu strömen, d. h. außerhalb des Rohrbündels einen vom Wärmeträgereinlass zum Wärmeträgerauslass durchgängigen inneren Bypass auszubilden. Ferner wird noch vorgeschlagen, eine Umkehröffnung vollständig zu verschließen (12 und 13), um den Wärmeträgerstrom durch den Rohrbündelreaktor vollständig zu stoppen und den gesamten Wärmeträgerstrom über einen externen Bypass zu leiten.
Um die Schwierigkeiten bezüglich der Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung bei Zwangsumlauf zu vermeiden, wird daher in einem Reaktionstemperaturbereich von etwa 150°C bis etwa 280°C häufig mit Siedewasserkühlung gearbeitet, bei der der Wärmeträger verdampft und in dem Maße, wie der Wärmeträger verdampft, flüssiger Wärmeträger zugeführt wird. Eine Umwälzung des Wärmeträgers stellt sich hier aufgrund des Dichteunterschiedes beim Übergang von der Flüssigphase in die Dampfphase von selbst ein; dies wird als Naturumlauf bezeichnet. Der Wärmeträger strömt hierbei vorwiegend axial in Längsrichtung der Reaktionsrohre. Ein guter Wärmeübergang erfolgt hierbei allein durch den Siedevorgang und bedarf keiner gerichteten Anströmung.
Bei Siedewasser-Rohrbündelreaktoren kommt es für eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf die gleichmäßige Verteilung eines homogenen Wasser-Dampf-Gemisches im Druckraum an. Nicht oder nur schwach durchströmte Bereiche sollen vermieden werden, um ein lokales Austrocknen und Überhitzen der Reaktionsrohre zu verhindern. Dies wird z. B. durch spezielle Haltescheiben oder Haltegitter erreicht. Diese erfüllen zwei Aufgaben: zum einen stützen sie durch Federelemente die Reaktionsrohre ab und verhindern damit strömungsinduzierte Schwingungen. Zum anderen besitzen sie Strömungsleiteinrichtungen zur Turbulenzerzeugung, um den Wärmeübergang zu erhöhen, den Wärmeträger zu mischen und gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt zu verteilen. Als Beispiel sei hier die US 5303276 genannt.
Bei Haltescheiben schlägt EP 0382098 A2 vor, die Haltescheiben in unterschiedliche Kreisringe zu unterteilen und die Ringspalte zwischen den Reaktionsrohren und ihren Durchtrittsbohrungen von Kreisring zu Kreisring unterschiedlich groß auszubilden. Dabei weisen zwei miteinander fluchtende Kreisringe zweier benachbarter Haltescheiben unterschiedlich große Ringspalte auf, sodass dem an sich axial strömenden Wärmeträger zur Verbesserung des Wärmeübergangs eine gewisse Querstromkomponente aufgezwungen wird, wenn er zwischen nicht miteinander fluchtenden Kreisringen benachbarter Haltescheiben strömt.
In der US 3147743 wird ein Dampferzeuger mit integriertem Überhitzer beschrieben. Dieser besitzt im Verdampfungsbereich perforierte Haltebleche. Im Überhitzungsteil sind die Umlenkbleche ringförmig und scheibenförmig ausgeführt, um dem zu erhitzenden Fluid eine Strömungsrichtung quer zu den Rohren zu geben und dadurch den Wärmeübergang zu verbessern.
In Abhängigkeit von dem zu erwartenden Bereich der Reaktionstemperaturen wird entweder ein Rohrbündelreaktor mit Zwangsumlauf-Betrieb oder ein Rohrbündelreaktor mit Siedewasser-Betrieb vorgesehen. Liegen einige der vorgesehenen Reaktionen im Temperaturbereich für einen Zwangsumlauf-Betrieb und andere Reaktionen in einem Temperaturbereich für einen Siedewasser-Betrieb, sind zwei entsprechend ausgelegte Rohrbündelreaktoren erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrbündelreaktor vorzuschlagen, mit dem sowohl ein Zwangsumlauf-Betrieb als auch ein Siedewasser-Betrieb durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Rohrbündelreaktor mit den Merkmalen gemäß der Ansprüche 1, 3 oder 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Anspruch 1 wird die Aufgabe bei einem Rohrbündelreaktor der eingangs genannten Art, der Bypassöffnungen aufweist, die in dem mindestens einen Umlenkblech in dessen berohrten Bereich angeordnet sind, gelöst durch eine Verstellvorrichtung zum Verstellen des Strömungswiderstandes in der Umkehröffnung, wobei die Verstellvorrichtung von einer ersten Position, in der der Strömungswiderstand eine mäanderförmig Umkehrung der Strömungsrichtung einer vorgegebenen Teilstrommenge des Wärmeträgers ermöglicht, in mindestens eine zweite Position bewegbar ist, in der der Strömungswiderstand soweit erhöht ist, dass diese Teilstrommenge verringert ist.
Unter Bypassöffnungen werden hierbei die Ringspalte zwischen den Reaktionsrohren und ihren Durchtrittsbohrungen durch das Umlenkblech sowie zusätzliche Durchgangsbohrungen zwischen den Reaktionsrohr-Durchtrittsbohrungen verstanden.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Teilstrommenge des Wärmeträgers, die als Querstrom die Umkehröffnung erreicht und diese dann durchströmt, d. h. die nicht vorher durch die Bypassöffnungen abgeströmt ist, eingestellt. Mit anderen Worten, es wird das Verhältnis des Querstromanteils, der das Rohrbündel mäanderförmig durchströmt, zum Axialstromanteil, der das Rohrbündel durch die Bypassöffnungen hindurch axial durchströmt, eingestellt. Eine Umstellung des Betriebes zwischen Zwangsumlauf, bei dem die Querströmung überwiegt, auf Siedewasser-Betrieb mit Naturumlauf und überwiegendem Axialstromanteil ist auf diese Weise ohne weiteres möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verstellvorrichtung dazu eingerichtet, in einer Position die Umkehröffnung zu schließen. Hierdurch wird eine mäanderförmige Um kehrung einer Teilstrommenge des Wärmeträgers in der Umkehröffnung vollständig unterbunden und somit der Querstromanteil auf Null reduziert. Der Rohrbündelreaktor wird dann wie übliche Siedewasserreaktoren ausschließlich mit Axialströmung des Wärmeträgers betrieben.
Gemäß Anspruch 3 wird die Aufgabe bei einem Rohrbündelreaktor der eingangs genannten Art, der mindestens zwei Umlenkbleche aufweist, die sich quer durch das Rohrbündel erstrecken, in Längsrichtung der Reaktionsrohre übereinander angeordnet sind, dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingen und jeweils eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilassen, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt, dadurch gelöst, dass im Druckraum mindestens ein rohrfreier Bereich ausgebildet ist, in mindestens einem ersten der Umlenkbleche im rohrfreien Bereich außerhalb der Umkehröffnung mindestens eine Dampfablassöffnung ausgebildet ist und das zweite Umlenkblech im rohrfreien Bereich außerhalb der Umkehröffnung im Wesentlichen geschlossen ist, und dass eine Verstellvorrichtung für jede Dampfablassöffnung ausgebildet ist, wobei die Verstellvorrichtung zwischen einer Schließstellung, in der sie die Dampfablassöffnung verschließt, und einer Offenstellung, in der sie die Dampfablassöffnung freigibt, bewegbar ist.
Der Ausdruck „im Wesentlichen geschlossen” soll besagen, dass Leckagen auftreten können, z. B. durch Verschlusseinrichtungen aufgrund von Toleranzen, Montageunterstützungen, Halterungen, Verdrehsicherungen, Abstützungen oder durch Inspektionsöffnungen oder Ähnliches.
Unter dem Begriff „rohrfreier Bereich” wird zum einen jeder Bereich außerhalb des Rohrbündels im Druckraum verstanden, wie beispielsweise ein rohrfreier Außenring zwischen Rohrbündel und Reaktormantel und ein rohrfreies Zentrum, zum anderen aber auch jede Unterbrechung der regulären Rohranordnung innerhalb des Rohrbündels, d. h. freigelassene Rasterpunkte.
Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen einen Siedewasserbetrieb mit Naturumlauf bei einer mäanderförmigen Führung des Wärmeträgers durch das Rohrbündel. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Siedewasserbetrieb mit Querstromführung im Querstrom eine verstärkte Trennung von Wasser und Dampf stattfindet und sich unter dem Umlenkblech ein Dampfpolster sammelt. Der Wärmeübergang von den Reaktionsrohren zum Dampf ist deutlich schlechter als derjenige zum Wasser, sodass die Reaktionsrohre im Bereich des Dampfpolsters schlechter gekühlt werden. Dies hat in jedem Fall eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zur Folge, gegebenenfalls sogar eine nicht ausreichende Kühlung. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer Dampfablassöffnung in diesem Bereich wird eine Ableitung des Dampfes und damit eine weitestgehende Reduzierung des Dampfpolsters erreicht. Wird der Betrieb von Siedewasserkühlung – d. h. Verdampfungskühlung – auf eine nicht verdampfende Kühlung umgestellt, so kann mit der Verstellvorrichtung die Dampfablassöffnung verschlossen werden und die Axialströmung dort hindurch unterbunden werden, wodurch dann dort die gleichen Strömungsverhältnisse wie in einem herkömmlichen Rohrbündelreaktor für Zwangsumlauf vorliegen. Wichtig ist dabei, dass mindestens ein Umlenkblech in den rohrfreien Bereichen geschlossen ist, in denen andere Umlenkbleche Dampfablassöffnungen aufweisen, um bei offenen Dampfablassöffnungen die Entstehung eines Bypasses über die gesamte Höhe des Druckraums zu vermeiden. Durch einen solchen Bypass würde der Wärmeträger am Rohrbündel vorbei in der Art eines Kurzschlusses durchschießen. Dies wäre nachteilig für den kühlenden Wassergehalt im Rohrbündel.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Dampfablassöffnung des ersten Umlenkblechs nahe der Umkehröffnung des zweiten Umlenkbleches angeordnet und die Verstellvorrichtung dazu eingerichtet, in einer Offenstellung die Umkehröffnung zu schließen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Verstellvorrichtungen in dem Druckraum erheblich reduziert werden.
Bevorzugt sind Dampfablassöffnungen in Form einer Reihe oder eines Rings oder auf einer kompakten Fläche angeordnet. Eine ausreichende Ableitung von gegebenenfalls erheblichen bei Querströmungen entstehenden Dampfmengen ist dadurch gewährleistet.
Gemäß Anspruch 6 ist die Aufgabe bei einem Rohrbündelreaktor der eingangs genannten Art, der Bypassöffnungen aufweist, die in dem mindestens einen Umlenkblech in dessen berohrten Bereich angeordnet sind, gelöst durch eine Verstellvorrichtung zum Verstellen des Strömungswiderstands in mindestens einem Teil der Bypassöffnungen.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme können die Querschnitte der Bypassöffnungen so groß gewählt werden, dass sie den Anforderungen an einen Siedewasserbetrieb entsprechen, wenn der Strömungswiderstand der Bypassöffnungen nicht verstellt ist. Soll der Rohrbündelreaktor mit Zwangsumlauf betrieben werden, kann der Strömungswiderstand der Bypassöffnungen mit Hilfe der Verstellvorrichtung auf die Größe verstellt bzw. reduziert werden, die für einen Zwangsumlauf-Betrieb geeignet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstellvorrichtung dazu eingerichtet, in einer Position die Bypassöffnungen zu verschließen, um einen maximalen Strömungswiderstand zu erzeugen.
Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktoren eine Betätigungsvorrichtung auf, mit der die jeweilige Verstellvorrichtung von einer Position in eine andere Position bewegbar ist. Eine Betätigungsvorrichtung ermöglicht einen einfachen Zugriff auf die Verstellvorrichtung.
Dabei ist die Betätigungsvorrichtung vorteilhafterweise mit mehreren Verstellvorrichtungen verbunden und betätigt diese gleichzeitig. Hierdurch wird zum einen der Zeitaufwand für das Verstellen mehrerer Verstellvorrichtungen erheblich verkürzt, und zum anderen wird der Platzbedarf für die Betätigungsvorrichtungen deutlich reduziert.
Bevorzugt ist die Betätigungsvorrichtung innerhalb des Druckraums angeordnet. Hierdurch entfallen Hindurchführungen für die Betätigungsvorrichtungen, einschließlich der entsprechenden Dichtungen und der Gefahr von Leckagen.
Dabei weist der Druckraum bevorzugt einen verschließbaren Stutzen auf, durch den hindurch die Betätigungsvorrichtung von außerhalb des Druckraums betätigbar ist. Ein einfacher Zugang zur Betätigungsvorrichtung ist damit gewährleistet.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist die Betätigungsvorrichtung und ist/sind die zugehörigen) Verstellvorrichtung(en) durch den Stutzen hindurch montierbar und demontierbar. Wartungs- und Reparaturarbeiten können auf diese Weise ohne großen Aufwand durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Betätigungsvorrichtung mittels eines Antriebselements betreibbar, das ein Gehäuse aufweist, das mit dem Druckraum dicht verbunden ist und eine Durchtrittsöffnung aufweist, die mit einer Zugangsöffnung zum Druckraum fluchtet und aus der ein bewegbares Element aus dem Gehäuse vorragt, das mit der Betätigungsvorrichtung verbunden ist. Durch diese Maßnahmen ist ein maschinelles Bewegen der Verstellvorrichtungen möglich. Auf diese Weise können auch Vorrichtungen bewegt werden, die ein hohes Gewicht aufweisen, wie z. B. eine Betätigungsvorrichtung, die mit mehreren Verstellvorrichtungen verbunden ist.
Dabei ist das Antriebsmedium des Antriebselements vorzugsweise das gleiche Medium, das als Wärmeträger eingesetzt wird. In diesem Fall muss die Durchtrittsöffnung des Gehäuses nicht vollständig gegen die Zugangsöffnung zum Druckraum abgedichtet werden, da aus dem Gehäuse austretendes Antriebsmedium ohne weiteres in den Druckraum eintreten kann, da es sich um das gleiche Medium wie der Wärmeträger handelt.
Bevorzugt ist als Antriebselement ein Hubzylinder. Dies ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, das Antriebselement konstruktiv auszubilden.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung können auch die Merkmale mindestens zweier der Rohrbündelreaktoren gemäß der Ansprüche 1, 3 oder 6 miteinander kombiniert werden. Die Merkmale ergänzen einander und verbessern durch ihr Zusammenwirken je nach Position der Verstellvorrichtungen den Zwangsumlauf-Betrieb bzw. den Siedewasser-Betrieb.
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Rohrbündelreaktor eine Dampftrommel auf, die oberhalb des Druckraums angeordnet ist und über mindestens eine Steigleitung und nur eine Fallleitung mit dem Druckraum in Strömungsverbindung steht, wobei die Fallleitung eine Absperreinrichtung und vor und nach der Absperreinrichtung jeweils mindestens einen verschließbaren Abzweig aufweist. Mit diesen Maßnahmen kann für den Zwangsumlauf-Betrieb eine externe Umwälzeinrichtung für den Wärmeträger auf einfache Weise in den Wärmeträgerkreislauf geschaltet werden, indem die Abzweige mit dem Einlass bzw. Auslass der Umwälzeinrichtung verbunden werden.
Dabei verläuft die Fallleitung bevorzugt außerhalb und längs des Druckraums. Hierdurch wird die Zugänglichkeit der Abzweige weiter verbessert.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Dampftrommel auf der Fallleitung gelagert. Gesonderte Stützvorrichtungen für die Dampftrommel sind in diesem Fall nicht mehr erforderlich.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein solcher Rohrbündelreaktor, bei dem die Dampftrommel über nur eine Fallleitung mit dem Druckraum in Verbindung steht, mit Zuleitungs- und mit Ableitungsrohren für den Wärmeträger versehen ist, die sich in axialer Richtung durch die Rohrböden erstrecken, wie dies in DE 10 2007 024 934 A1 , z. B. 8, dargestellt ist. Durch den Wegfall der Ringleitung ist eine besonders nahe Anordnung der Fallleitung am Reaktormantel und damit eine direkte Abstützung der Fallleitung an der Außenseite des Reaktormantels oder an der Standzarge möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Rohrbündelreaktor eine Temperiervorrichtung zu seinem Temperieren mittels eines Temperiergases auf, wobei die Temperiervorrichtung mit einem Wärmeträgereinlass und einem Wärmeträgerauslass des Druckraums in Strömungsverbindung bringbar ist und das Temperiergas die Temperiervorrichtung und den Druckraum im Kreislauf durchströmt, mit einer Gasversorgung, einer Heizeinrichtung für das Temperiergas, einer Fördereinrichtung für das Temperiergas, wobei die Gasversorgung eine Druckgasversorgung ist.
Mit Hilfe einer solchen Temperiervorrichtung werden erfindungsgemäß die oben beschriebenen Rohrbündelreaktoren, deren Druckraum Teil eines Wärmeträgerkreislaufes ist, mittels eines Temperiergases temperiert, indem die Temperiervorrichtung in den Wärmeträgerkreislauf geschaltet wird, der Wärmeträgerkreislauf mit dem Temperiergas mit einem vorgegebenen Druck befüllt wird und das Temperiergas umgewälzt wird.
Im Temperaturbereich von etwa 250 bis 650°C werden oft Salzschmelzen zur Wärmeabfuhr benutzt. Diese Wärmeträger haben einen sehr niedrigen Dampfdruck und werden im Betrieb drucklos betrieben. Für darunter liegende Temperaturen bis etwa 400°C kommen organische Wärmeträger wie z. B. Wärmeträgeröle zum Einsatz. Rohrbündelreaktoren für diesen Wärmeträgertyp sind z. B. aus der DE 2 207 166 A1 oder der EP 1 569 745 A1 bekannt.
Ein besonderes Problem kann dann auftreten, wenn es bei der Inbetriebnahme oder bei der Außerbetriebnahme eines Rohrbündelreaktors und auch während des Betriebes erforderlich ist, den Katalysator zu konditionieren. Unter „konditionieren” wird verstanden, den Katalysator mit bestimmten Eigenschaften zu versehen.
So kann es notwendig sein, den Katalysator vor bzw. bei Inbetriebnahme des Rohrbündelreaktors von einem inaktiven Zustand, der sich z. B. durch Kontakt mit Luftsauerstoff beim Transport und Füllen in den Katalysatorraum ergeben hat, in einen aktiven Zustand für die Produktion zu bringen. Umgekehrt kann es notwendig sein, bei bzw. nach der Außerbetriebnahme eines Rohrbündelreaktors den noch aktiven Katalysator für den sicheren Austausch und Abtransport zu deaktivieren.
Ferner lässt bei verschiedenen chemischen Reaktionen die Aktivität des Katalysators im Betrieb allmählich nach, der Katalysator wird hier ebenfalls, allerdings unerwünscht deaktiviert. Dies kann verschiedene Ursachen haben. Der Katalysator kann z. B. im Laufe der Zeit oxidiert werden oder die Katalysatoroberfläche wird mit Ruß oder anderen Verunreinigungen überzogen. Zur Sicherstellung einer wirtschaftlichen Produktion muss die Aktivität des Katalysators wiederhergestellt werden. Ein kompletter Austausch des Katalysators ist aufwändig und teuer, so dass man nach Möglichkeit eine Konditionierung des Katalysators, die in diesem Fall auch als Regeneration bezeichnet wird, in situ bevorzugt. Die Regenerationsintervalle hängen von den jeweiligen Prozessen ab.
Die Konditionierung erfolgt dadurch, dass durch die Katalysatorschüttung für einen relativ kurzen Zeitraum in der Größenordnung von mehren Stunden bis zu wenigen Tagen ein Konditioniergas geleitet wird. Dieses hat eine Zusammensetzung, eine Temperatur und einen Druck, die dem jeweiligen Prozess angepasst sind. Es finden Oxidationsreaktionen oder Reduktionsreaktionen statt. Jede Einflussgröße hat entsprechende konstruktive Maßnahmen zur Folge. Die Zusammensetzung und den Druck kann man durch Umschaltvorrichtungen vor dem Reaktor in der Regel gut verändern.
Das wesentliche Problem eines jeden Konditionierungsprozesses ist die Einhaltung einer bestimmten Temperatur an jeder Stelle der Katalysatorschüttung. Hierfür reicht es nicht aus, nur das Konditioniergas vor dem Reaktor zu temperieren, da dieses schon nach einer kurzen Einlaufstrecke die gerade im Reaktor vorherrschende Temperatur annimmt. Zudem ist der Konditionierungsprozess meist entweder endotherm oder exotherm. Eine Temperierung der Katalysatorschüttung von der Wärmeträgerseite ist somit unabdingbar. Die Schwierigkeit liegt nun darin, dass das jeweilige Wärmeträgersystem aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel sehr speziell an den jeweiligen Produktionsprozess angepasst ist und die erforderliche Konditionierungstemperatur erheblich über der Reaktionstemperatur im Produktionsprozess liegt und damit nicht eingestellt werden kann. Für die Dauer der Konditionierung wird daher der produktions- bzw. betriebsmäßige Wärmeträger durch einen solchen ersetzt, welcher die Konditionierungstemperatur einhalten kann.
Bei chemischen Produktionsprozessen mit Reaktionstemperaturen unter 300°C, die z. B. im Siedewasserbetrieb gefahren werden können, werden nur wegen kurzzeitiger Regenerationsprozesse mit Temperaturen über 400°C Salzschmelzen als Wärmeträger für den gesamten Betrieb verwendet. Die Verwendung von Salzschmelzen als Wärmeträger ist jedoch aufwändiger als eine direkte Siedewasserkühlung.
Ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren ist aus der DE 38 19 357 A1 bekannt. Das Verfahren betrifft die Regeneration eines körnigen Katalysators in den Reaktionsrohren eines Rohrbündelreaktors, welcher für einen Druck von 20 bis 150 bar ausgelegt ist, und dessen Reaktionsrohre durch eine den Mantelraum durchströmende Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Bei diesem Regenerationsprozess wird zunächst die Kühlflüssigkeit aus dem Mantelraum entfernt, anschließend wird der Katalysator im direkten Kontakt mit heißem Regeneriergas auf Temperaturen erhitzt, die 100 bis 400°C über denjenigen bei Produktionsbedingungen liegen. Anschließend wird in den Mantelraum ein gas- oder dampfförmiges Heizmedium eingeleitet, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite der Reaktionsrohre und der Innenseite des Reaktormantels auf höchstens 100°C gehalten wird. Vor Beginn der Regeneration kann der Katalysator mit heißem Stickstoff gespült werden. Als Wärmeträger kann z. B. heißer Stickstoff oder überhitzter Wasserdampf verwendet werden. Die Wechsel der Betriebszustände werden mit Hilfen von Ventilen herbeigeführt. Angaben zu weiteren Einzelheiten des im Regenerationsprozess verwendeten Wärmeträgersystems werden nicht gemacht. Bei dieser Art der Temperierung verändert sich jedoch die Temperatur des gas- oder dampfförmigen Heizmediums auf dessen Weg vom Eintritt in den Mantelraum bis zum Austritt beträchtlich, so dass in Längsrichtung der Reaktionsrohre die Temperaturverteilung stark ungleichmäßig wird, was nachteilig ist für eine gleichmäßige Regeneration des Katalysators.
Die WO2009/118372 A1 beschreibt ein Verfahren zur in-situ-Regeneration eines in einem Fischer-Tropsch-Prozess deaktivierten Kobalt und Titan enthaltenden Katalysators in einem Festbett durch einen Oxidationsschritt bei einer Temperatur zwischen 580°C und 670°C und einem nachfolgenden Reduktionsschritt mit einem wenigstens teilweise Wasserstoff enthaltenden Gas. Der Katalysator befindet sich vorzugsweise in Reaktionsrohren eines Rohrbündelreaktors, die auf der Mantelseite während der Regeneration von Wasser und/oder Dampf gekühlt werden. Im stationären Betrieb wird der Fischer-Tropsch-Prozess bei Temperaturen zwischen 100 und 600°C und Drücken zwischen 5–150 bar durchgeführt. Weitere Angaben zum Wärmeträgersystem werden nicht gemacht.
Mit der vorgeschlagenen Temperiervorrichtung und dem vorgeschlagenen Verfahren zum Temperieren, insbesondere zum Konditionieren, eines Rohrbündelreaktors können eine gleichmäßigere Temperaturverteilung sowie eine bessere Wärmeabfuhr oder -zufuhr erzielt und gleichzeitig der technische sowie der Kostenaufwand weiter verringert werden.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Temperierleistung deutlich gesteigert und dabei der für die Temperiervorrichtung erforderliche Bauraum deutlich reduziert. Dadurch dass die Gasversorgung eine Druckgasversorgung ist, sind bei gleichem Massendurchsatz der Volumenstrom und damit die Strömungsgeschwindigkeit geringer. Der Druckverlust sinkt damit annähernd linear mit steigendem Druck bei gleichem Massendurchsatz.
Umgekehrt ist es möglich, bei gegebenen Strömungsquerschnitten des Reaktorsystems einen höheren Massendurchsatz bei bleibendem Druckverlust umzuwälzen. Ein höherer Massendurchsatz bedeutet eine höhere Wärmeaufnahmefähigkeit des Temperiergases und einen höheren Wärmeübergang an den Reaktionsrohrwänden. Dabei erhöht sich die Temperatur des Druckgases im Rohrbündelreaktor nur geringfügig, so dass die Temperaturverteilung sowohl über den Querschnitt des Rohrbündelreaktors als auch in Längsrichtung der Reaktionsrohre äußerst gleichmäßig ist. Damit kann die Temperierleistung deutlich gesteigert werden, ohne einen überproportional starken Anstieg der Antriebsleistung des Umwälzgebläses in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann Platz und Gewicht beim Antriebsmotor und dessen elektrischen Versorgungseinrichtungen gespart werden. Gleichzeitig können die Strömungsquerschnitte der Apparate und inneren Rohrleitungen der Temperiervorrichtung kleiner gewählt werden, wodurch sich ihr Bauraum verringert.
Vorzugsweise weist die Druckgasversorgung einen Kompressor auf. Das Druckgas kann damit auf einfache und kostengünstige Weise erzeugt werden.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung weist das Druckgas einen Druck im Bereich von 3 bis 100 bar, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 bar und besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 bar auf. In diesen Druckbereichen, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 bar, wird bereits eine erhebliche Steigerung der Temperierleistung erzielt mit einem nur relativ geringen Anstieg der Antriebsleistung des Umwälzgebläses.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Temperiervorrichtung auf einem transportierbaren Rahmen montiert. Dies ist möglich aufgrund der wegen des verringerten Bauraums sehr kompakten Ausbildung der Temperiervorrichtung. Diese kann damit auf einfache Weise zu verschiedenen Reaktorsystemen transportiert werden. Durch den Einsatz einer mobilen Temperiervorrichtung nacheinander an mehreren Reaktorsystemen reduzieren sich die relativen Investitionskosten pro Reaktorsystem. Die Außenmaße eines solchen transportierbaren Rahmens entsprechen dabei vorzugsweise der Grundfläche handelsüblicher Frachtcontainer, beispielsweise beträgt die Breite 2,438 m (8 Fuß) bei einer Länge von 6,058 m (20 Fuß) oder 12,192 m (40 Fuß).
Vorzugsweise weist die Temperiervorrichtung zwei Anschlussleitungen zum Anschluss an den Wämreträgereinlass bzw. den Wärmeträgerauslass des Wärmeträgerraums auf, von denen zumindest eine ein elastisches Zwischenstück aufweist. Durch diese flexiblen Anschlüsse sind aufwändige Anpassungen an den Anschlüssen des Reaktorsystems zum Ausgleich von Lagetoleranzen nicht erforderlich. Insbesondere bei einer mobilen Ausführung der Temperiervorrichtung wird durch diese Maßnahmen ein Anschluss an unterschiedliche Reaktorsysteme ohne weiteres möglich.
Dabei weisen die elastischen Zwischenstücke einstellbare Zugentlastungen zur Aufnahme von Innendruckkräften auf. Hierdurch können die elastischen Zwischenstücke auf einfache Weise Innendruckkräfte aufnehmen, ohne die anschließenden Rohrleitungsteile zu belasten.
Bevorzugt enthält das Temperiergas Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder ein Gemisch daraus. Diese Gase sind einfach verfügbar und damit relativ kostengünstig.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung weist die Temperiervorrichtung eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Temperiergases auf, die dazu eingerichtet ist, Wasser direkt in den Temperiergas-Kreislauf einzuspritzen. Hierdurch ist eine einfache und schnelle Einstellung der Soll-Temperatur des Temperiergases möglich.
Bevorzugt weist die Temperiervorrichtung Regeleinrichtungen zum Regeln der Temperatur und des Drucks des Temperiergases auf. Temperatur und Druck des Temperiergases können so zuverlässig gehalten werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Konditionieren einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor, dessen Wärmeträgerkreislauf in der Produktionsphase von einem flüssigen oder teilverdampfenden Wärmeträger durchströmt wird, während des Umwälzens des Temperiergases die Temperatur und gegebenenfalls der Druck des Temperiergases auf die Starttemperatur des Konditioniervorganges erhöht und das Konditioniergas durch die Katalysatorschüttung geleitet. Das Konditionieren einer Katalysatorschüttung umfasst auch das Regenerieren einer gebrauchten Katalysatorschüttung. Mit diesen Maßnahmen ist auf einfache Weise eine in-situ-Konditionierung einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor möglich. Aufgrund des Druckgases ist die Temperaturverteilung des Temperiergases sowohl quer zu den Reaktionsrohren als auch in deren Längsrichtung äußerst gleichmäßig, so dass auch der Konditioniervorgang innerhalb der gesamten Katalysatorschüttung gleichmäßig abläuft und somit eine gleichmäßige Qualität der Katalysatorschüttung gewährleistet ist. Zur Unterstützung des Arbeitsvorganges kann im Schritt d) des Anspruchs 29 auch ein Heizgas vor dem Konditioniergas durch die Katalysatorschüttung geleitet werden.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist dabei die Temperiervorrichtung auf einem transportierbaren Rahmen montiert und wird sie zum Temperieren zum Rohrbündelreaktor hintransportiert und nach Beendigung des Temperiervorganges wieder abtransportiert. Hierdurch werden die Kosten für eine stationäre Temperiervorrichtung vermieden, die ansonsten bei jedem Rohrbündelreaktor vorgesehen sein müsste. Die relativen Investitionskosten der Temperiervorrichtung pro Rohrbündelreaktor werden auf diese Weise signifikant reduziert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit verstellbarer Umkehröffnung und verstellbarer Dampfablassöffnung;
2 in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt eines Umlenkblechs aus 1;
3 einen Teil-Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit verstellbarer Umkehröffnung, verstellbarer Dampfablassöffnung und innerhalb des Druckraums angeordneten Betätigungsvorrichtungen;
4a einen Teil-Querschnitt durch ein Umlenkblech einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit verstellbaren Bypassöffnungen, wobei die Verstellvorrichtung axial beweglich ist;
4b einen der 4a ähnlichen Teil-Querschnitt, wobei die Verstellvorrichtung lateral beweglich ist;
5a einen Teil-Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit verstellbarer Umkehröffnung, wobei die Verstellvorrichtung als zylindrisches Drehventil im rohrfreien Innenbereich eines ringförmigen Rohrbündels ausgebildet ist;
5b einen Horizontalschnitt durch die Verstellvorrichtung aus 5a längs Linie Vb-Vb;
6 einen Vertikalschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors, mit durch Hubzylinder verstellbaren Umkehröffnungen und Dampfablassöffnungen, wobei das Arbeitsmedium der Hubzylinder das Wärmeträgermedium ist; und
7 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor mit einer Dampftrommel für den Siedewasserbetrieb, wobei die Dampftrommel über nur eine Fallleitung mit dem Druckraum verbunden ist und die Fallleitung eine Absperreinrichtung und Abzweige aufweist.
8 ein Fließbild für eine erste Ausführungsform einer Temperiervorrichtung, die in den Wärmeträgerkreislauf eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors geschaltet ist;
9a in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf eine zweite Ausführungsform einer Temperiervorrichtung, die in den Wärmeträgerkreislauf eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors geschaltet ist; und
9b in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform aus 9a.
Obwohl die in 1, 3 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Rohrbündelreaktoren 1 jeweils sowohl Dampfablassöffnungen 2 und Verstellvorrichtungen 3 für diese als auch Verstellvorrichtungen 4 für Umkehröffnungen 5 aufweisen, wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf diese Kombination beschränkt ist, sondern nach der Erfindung auch gattungsgemäße Rohrbündelreaktoren für einen Betrieb mit Zwangsumlauf und mit Naturumlauf geeignet werden, wenn sie

a) nur Verstellvorrichtungen 4 für Umkehröffnungen 5 oder
b) nur Dampfablassöffnungen 2 mit zugehörigen Verstellvorrichtungen 3 aufweisen.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass nach der Erfindung gattungsgemäße Rohrbündelreaktoren 1 für einen Betrieb mit Zwangsumlauf und mit Naturumlauf geeignet werden, wenn sie c) nur Verstellvorrichtungen 6 für Bypassöffnungen 7 aufweisen, wie sie z. B. in den 4a und 4b dargestellt sind,
jedoch der Rahmen der Erfindung auch die Kombination der Maßnahme c) mit einer oder beiden der Maßnahmen a) und b) umfasst.
1 zeigt schematisch einen einzonigen und vom Wärmeträger 8 im dargestellten Fall im Zwangsumlauf radial durchströmten Rohrbündelreaktor 1 mit verstellbaren Strömungswiderständen im Bereich von Umlenkblechen 26a + b, 27, so dass der Rohrbündelreaktor 1 auch geeignet ist für exotherme Reaktionen, bei denen Reaktionsrohre 9 durch einen teilweise verdampfenden Wärmeträger 8 auf der Mantelseite im Naturumlauf gekühlt werden. Nicht dargestellt sind die einzelnen Komponenten des Wärmeträgersystems, wie z. B. Umwälzeinrichtung, Kühleinrichtung, Dampftrommel, Aufheizer.
Der Rohrbündelreaktor 1 weist eine Vielzahl vertikal verlaufender Reaktionsrohre 9 auf, die in einem ringförmigen Rohrbündel 10 mit einem äußerem Rohrkreis 11 und einem innerem Rohrkreis 12 angeordnet und von einem zylindrischen Reaktormantel 13 umschlossen sind. Das Rohrbündel 10 weist ein rohrfreies Zentrum 14 auf. Zwischen Rohrbündel 10 und Reaktormantel 13 ist ein rohrfreier Außenring 15 gebildet. Die Enden der Reaktionsrohre 14 sind abdichtend in einem oberen Rohrboden 16 und in einem unteren Rohrboden 17 befestigt. Die Rohrböden 16, 17 sind an ihrem Außenbereich mit dem Reaktormantel 13 dicht verbunden. Rohrböden 16, 17 und Reaktormantel 13 bilden gemeinsam einen Druckraum 18 für den Wärmeträger. Der obere Rohrboden 16 ist durch einen oberen Flansch 19 mit einer oberen Gaseintrittshaube 20 verbunden, die einen Gaseintrittsstutzen 21 aufweist und in die die oberen Enden der Reaktionsrohre 9 münden. Der untere Rohrboden 17 ist durch einen unteren Flansch 22 mit einer unteren Gasaustrittshaube 23 verbunden, die einen Gasaustrittsstutzen 24 aufweist und in die die unteren Enden der Reaktionsrohre 9 münden. Das Reaktionsgas 25 tritt über den Gaseintrittsstutzen 21 in die Gaseintrittshaube 20 ein, wird dort auf den oberen Rohrboden 16 verteilt, strömt durch die Reaktionsrohre 9 und durch den Gasaustrittsstutzen 24 der Gasaustrittshaube 23 aus dem Reaktor 1 wieder heraus.
Das Rohrbündel 10 wird durch zwei ringförmige Umlenkbleche 26 und ein scheibenförmiges Umlenkblech 27 in vier Rohrbündelabschnitte 28, 29, 30, 31 unterteilt, die im Folgenden von unten nach oben als erster 28, zweiter 29, dritter 30 und vierter bzw. letzter 31 bezeichnet werden. Vorzugsweise reichen die Umlenkbleche 26a + b, 27 bis an die Enden des Rohrbündels 10 heran, d. h. die Rohre 9 am inneren Rohrkreis 12 werden sicher am Innendurchmesser der ringförmigen Umlenkbleche 26a + b unterstützt und die Rohre 9 am äußeren Rohrkreis 11 werden sicher am Außendurchmesser des scheibenförmigen Umlenkblechs 27 unterstützt.
In Höhe des ersten Rohrbündelabschnitts 28 verläuft auf der Außenseite des Reaktormantels 13 in Umfangsrichtung ein unterer Ringkanal 32, der einen Eintrittsstutzen 33 für den Wärmeträger 8 aufweist und über eine Vielzahl geeignet gestalteter Mantelfenster 34, die über den gesamten Reaktorumfang verteilt sind, mit dem Druckraum 18 in Strömungsverbindung steht. Der Wärmeträger 8 wird in dem unteren Ringkanal 32 über den Umfang verteilt und tritt durch die Mantelfenster 34 gleichmäßig über den Reaktorumfang verteilt in den Druckraum 18 ein.
In Höhe des letzten Rohrbündelabschnitts 31 verläuft auf der Außenseite des Reaktormantels 13 in Umfangsrichtung ein oberer Ringkanal 35, der einen Austrittsstutzen 36 für den Wärmeträger 8 aufweist und wie der untere Ringkanal 32 über eine Vielzahl geeignet gestalteter, über den gesamten Reaktorumfang verteilter Mantelfenster 37 mit dem Druckraum 18 in Strömungsverbindung steht. Der Wärmeträger 8 tritt aus dem Druckraum 18 durch die Mantelfenster 37 in den oberen Ringkanal 35 ein und aus diesem durch den Austrittsstutzen 36 aus.
Die zentrale Öffnung 38 in jedem ringförmigen Umlenkblech 26a + b sowie die Öffnung 39 zwischen dem Außenrand scheibenförmiger Umlenkbleche 27 und dem Reaktormantel 13 werden im Folgenden auch als Umkehröffnung 5 bezeichnet, da sich dort bei Zwangsumlauf die Strömungsrichtung des Wärmeträgers 8 mäanderförmig umkehrt, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Im rohrfreien Zentrum 14 ist eine erste Verstellvorrichtung 4 zum Verstellen des Strömungswiderstands in der Umkehröffnung 5 des unteren ringförmigen Umlenkbleches 26a ausgebildet. Die erste Verstellvorrichtung 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Deckel ausgebildet, der mittels einer ersten Betätigungsstange 40 vertikal von einer Position, in der der Deckel 4 nahe der Unterseite des benachbarten Umlenkbleches 27 ist und den Strömungswiderstand der Umkehröffnung 5 des unteren Umlenkbleches 26a nicht verstellt, bis zu einer Position bewegbar ist, in der der Deckel 4 auf der Umkehröffnung 5 aufliegt und diese im wesentlichen verschließt. Der Ausdruck „im wesentlichen” soll besagen, dass Leckagen z. B. auf Grund von Unebenheiten möglich sind.
Die erste Betätigungsstange 40 durchläuft das mittlere scheibenförmige Umlenkblech 27 und den oberen Rohrboden 16, gegen den sie abgedichtet ist, und ragt in die Gaseintrittshaube 20 hinein.
Im rohrfreien Außenring 15 sind im oberen ringförmigen Umlenkblech 26b Öffnungen 2 ausgebildet, die im Folgenden als Dampfablassöffnungen bezeichnet werden. Bei Siedewasserbetrieb kann durch die Dampfablassöffnungen 2 Dampf durchtreten, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Dampfablassöffnungen können auch in rohrfreien Bereichen innerhalb des Rohrbündels 10 angeordnet sein. Dabei ist die Form des rohrfreien Bereiches bzw. der Anordnung der Dampfablassöffnung 2 beliebig, z. B. gassenförmig, kompakt oder ringförmig.
Mit zweiten Verstellvorrichtungen 3 können die Dampfablassöffnungen 2 im wesentlichen verschlossen werden, um bei Zwangsumlauf dort eine mäanderförmige Querströmung zu erzwingen. Diese zweiten Verstellvorrichtungen 3 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Deckel ausgebildet und jeweils mittels einer zweiten Betätigungsstange 41 zwischen der Schliessstellung, in der der Deckel 3 auf der Dampfablassöffnung 2 aufliegt, und einer Offenstellung bewegbar, in der der Deckel 3 die Dampfablassöffnung 2 freigibt.
Die zweiten Betätigungsstangen 41 durchlaufen den oberen Rohrboden 16 und die Gaseintrittshaube 20, gegen die sie jeweils abgedichtet sind, und ragen aus dieser nach außen vor, so dass sie von außerhalb des Rohrbündelreaktors 1 bedienbar sind.
Die Bestätigungsstangen 40, 41 werden entweder rein mechanisch direkt oder über ein Getriebe manuell oder mit maschineller Hilfe betätigt.
Die Verstellvorrichtungen 3, 4 werden jedoch in der Regel nur in größeren Zeitabständen zum Wechsel der Betriebszustände betätigt. Es kann daher auch sinnvoll sein, die Betätigungsvorrichtungen 40, 41 vollständig im Reaktorinneren anzuordnen.
In allen Umlenkblechen 26a + b, 27 sind im berohrten Bereich zwischen den Reaktionsrohren 9 Haupt-Bypassöffungen 42 ausgebildet, durch die Teilmengen des Wärmeträgers 8 hindurchströmen.
Ferner durchströmen Teilmengen des Wärmeträgers 8 auch Ringspalte 43 (2, 4a, 4b) zwischen den Außendurchmessern der Reaktionsrohre 9 und den Rohrbohrungen 44, in denen die Reaktionsrohre 9 die Umlenkbleche 26a + b, 27 durchlaufen. Diese Ringspalte 43 sind auf Grund der Toleranzen unvermeidbar und können nur mit erheblichem Aufwand abgedichtet werden. Im Rahmen dieser Anmeldung werden unter dem Begriff „Bypassöffnungen” 7 auch solche Ringspalte 43 verstanden; sie werden als „Neben-Bypassöffnungen” bezeichnet.
Im Fall eines ersten Betriebszustandes mit einem im Zwangsumlauf geführten Wärmeträger 8 im rein flüssigen Zustand oder im rein gasförmigen Zustand ist die erste Verstellvorrichtung 4 in der Position, in der sie den Strömungswiderstand in der Umkehröffnung 5 nicht verstellt, d. h. die Umkehröffnung 5 freigibt, und verschließen die zweiten Verstellvorrichtungen 3 die Dampfablassöffnungen 2. Der Wärmeträger 8 strömt im ersten Rohrbündelabschnitt 28 radial nach innen. Eine Teilmenge des Wärmeträgers 8 strömt über die Haupt-Bypassöffnungen 42 in dem ringförmigen Umlenkblech 26a in den benachbarten Rohrbündelabschnitt 29, damit die Strömungsgeschwindigkeit des radial nach innen strömenden Wärmeträgers 8 durch den sich stetig verkleinernden Strömungsquerschnitt nicht zu groß wird. Vorzugsweise werden die Haupt-Bypassöffnungen 42 in den Umlenkblechen 26a + b, die den Wärmeträger 8 radial einwärts führen, radial von außen nach innen größer.
In 2 wird ein Ausschnitt eines Umlenkblechs 26a + b, 27 gezeigt mit der Hindurchführung der Reaktionsrohre 9 durch die Rohrbohrungen 44 im Umlenkblech 26a + b, 27. Die Rohrbohrungen 44 haben – wie oben erwähnt – immer einen konstruktiv bedingten Spalt 43 zu den Reaktionsrohren 9. Ursache hierfür sind die Herstellungstoleranzen sowohl beim Außendurchmesser der Reaktionsrohre 9 als auch bei den Bohrungsdurchmessern. Ein für alle Rohre 9 genau definierter Spalt 43 mit einem Querschnitt zur Festlegung von bestimmten Teilströmen von einem Rohrbündelabschnitt zu einem anderen kann auf Grund der Toleranzen nicht festgelegt werden. Zudem wird meist angestrebt, den Spalt 43 klein zu machen, damit die Reaktionsrohre 9 zur Vermeidung von strömungsinduzierten Schwingungen sicher vom Umlenkblech 26a + b, 27 gehalten werden.
Eine Lösung für diese Problematik bieten die Haupt-Bypassöffnungen 42 zwischen den Rohrbohrungen 44. Diese können auf einfache Art und Weise im Zuge der Herstellung der Rohrbohrungen 44 hergestellt werden und sind in ihrer Größe gut kontrollierbar. Der Strömungswiderstand solcher Haupt-Bypassöffnungen 42 ist außerdem gut berechenbar und reproduzierbar.
Nachdem der Wärmeträger 8 den ersten Rohrbündelabschnitt 28 am inneren Rohrkreis 12 verlassen hat, wird er in der Umkehröffnung 5 des ringförmigen Umlenkblechs 26a zunächst axial nach oben und anschließend im zweiten Rohrbündelabschnitt 29 von innen nach außen geführt. Auch hier strömen Teilmengen des Wärmeträgers 8 über Haupt-Bypassöffnungen 42 in dem scheibenförmigen Umlenkblech 27 in den benachbarten, dritten Rohrbündelabschnitt 30. Allerdings ist dies nicht bei Zwangsumlauf notwendig, sondern damit bei Naturumlauf gasförmiger und flüssiger Wärmeträger 8 axial strömen kann, wie im folgenden für den zweiten Betriebszustand noch näher erläutert wird. Die Haupt-Bypassöffnungen 42 in dem scheibenförmigen Umlenkblech 27 haben eine Mindestgröße, um Verstopfungen zu vermeiden, und sind vorzugsweise gleich groß. Nach Verlassen des zweiten Rohrbündelabschnitts 29 am äußeren Rohrkreis 11 wird der Wärmeträger 8 in der Umkehröffnung 5 im rohrfreien Bereich 15 zwischen dem äußerem Durchmesser des scheibenförmigen Umlenkblechs 27 und der Reaktorinnenwand 45 zunächst axial nach oben geführt, anschließend im dritten Rohrbündelabschnitt 30 radial wieder von außen nach innen wie bei der Passage durch den ersten Rohrbündelabschnitt 28 und nach axialem Durchströmen der Umkehröffnung 5 im oberen ringförmigen Umlenkblech 26b wieder von innen nach außen wie bei der Passage durch den zweiten Rohrbündelabschnitt 29, wonach er in den oberen Ringkanal 35 austritt. Die Anordnung und die Öffnungen der Umlenkbleche 26a + b, 27 bewirken somit eine vorherrschende Queranströmung der Reaktionsrohre 9 mit entsprechend hohem Wärmeübergang.
Der Rohrbündelreaktor 1 ist auch für einen zweiten Betriebszustand geeignet, bei dem ein Wärmeträger 8 in flüssigem Zustand in den Rohrbündelreaktor 1 eingeführt wird und im Verlauf des Fließweges unter Einfluss der von den Reaktionsrohren 9 abgegebenen Reaktionswärme teilweise verdampft. Da der Wärmeübergang hier vornehmlich durch den Verdampfungsprozess selbst gewährleistet ist, ist eine Queranströmung der Reaktionsrohre 9 nicht mehr erforderlich, ja wegen des Risikos der Wasser-Dampftrennung sogar unerwünscht.
Für einen solchen zweiten Betriebszustand wird die erste Verstellvorrichtung 4, wie in 1 dargestellt, nach unten bewegt, um die Umkehröffnung 5 des unteren ringförmigen Umlenkblechs 26a zumindest teilweise zu verschließen. Die erste Verstellvorrichtung 4 befindet sich im ersten Betriebszustand (Zwangsumlauf) nahe an der Unterseite des scheibenförmigen Umlenkblechs 27. Im zweiten Betriebszustand (Naturumlauf) wird sie nach unten in den Bereich der Umkehröffnung 5 des unteren ringförmigen Umlenkblechs 26a geführt. Die Verstellvorrichtung 4 verschließt dabei die Umkehröffnung 5 vorzugsweise nicht vollständig, sondern belässt einen freien Strömungsquerschnitt im Bereich von 1 bis 20%. Der Wärmeträger 8 strömt nun verstärkt über die Bypassöffnungen 7 des ringförmigen Umlenkblechs 26a in den zweiten Rohrbündelabschnitt 29, womit der Querstromanteil stark reduziert ist.
Über die Bypassöffnungen 7 in den darüber liegenden Umlenkblechen 27, 26b strömt der Wärmeträger 8 nun ebenfalls verstärkt axial in die folgenden Rohrbündelabschnitte 29, 30, 31, so dass auch hier der Axialstromanteil erheblich zunimmt. Bevorzugt weisen alle Umlenkbleche 26a + b, 27 Haupt-Bypassöffnungen 42 mit einer Mindestgröße auf, um immer den Durchtritt eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches zu gewährleisten.
Im oberen ringförmigen Umlenkblech 26b befinden sich im rohrfreien Außenring 15 die Dampfablassöffnungen 2, welche im Falle des zweiten Betriebszustandes, bei dem im oberen Bereich ein Dampf-Wasser-Gemisch mit überwiegendem Dampfvolumenanteil vorliegt, geöffnet sind. Hierdurch kann insbesondere der gasförmige Anteil des Wärmeträgers 8 besser nach oben entweichen. Somit können an der Unterseite des Umlenkblechs 26b Bereiche mit hohem Dampfanteil, der dem Wärmeübergang behindert, vermieden werden. Die 3 zeigt zwei Ausführungsformen von innerhalb des Druckraums 18 gelegenen ersten und zweiten Verstellvorrichtungen 4, 3 für Umkehröffnungen 5 und Dampfablassöffnungen 2 bei einer Reaktorausführung mit alternierend gegenüberliegenden Umlenkblechen 46. Die erste Verstellvorrichtung 4 ist als Klappe ausgebildet, die an der Innenwand 45 des Reaktormantels angelenkt ist und von einer Offenstellung, in der sie die Umlenköffnung 5 freigibt, bis zu einer Schließstellung verschwenkbar ist, in der sie die Umkehröffnung 5 im wesentlichen verschließt. Die zweite Verstellvorrichtung 3 ist als Deckel ausgebildet, der mittels einer als Hebel ausgebildeten Betätigungsvorrichtung 41 von einer Schließstellung, in der der Deckel 3 die Dampfablassöffnung 2 im wesentlichen verschließt, in eine Offenstellung bringbar ist, in der der Deckel 3 die Dampfablassöffnung 2 freigibt.
Die erste Verstellvorrichtung 4 für eine Umkehröffnung 5 ist dabei im ersten Betriebszustand (Zwangsumlauf) offen, um dem das Rohrbündel 10 quer durchströmenden flüssigen Wärmeträger 8 einen freien Durchtritt in den nächsten Rohrbündelabschnitt zu ermöglichen. In einem zweiten Betriebszustand (Naturumlauf) mit teilweise verdampfendem Wärmeträger 8 wird der Wärmeübergang von der Reaktionsrohraußenwand zum Wärmeträger 8 in erster Linie durch die Blasenbildung erreicht. Die Führung des Wärmeträgers 8 quer zu den Reaktionsrohren 9 ist in diesem Fall nicht mehr erforderlich bzw. unerwünscht. Vorrangiges Ziel ist es nun, den Gasanteil des Wärmeträgers 8 möglichst schnell ohne Totzonen über den gesamten Reaktorquerschnitt in Rohrachsrichtung aus dem Druckraum 18 des Reaktors 1 heraus zu führen. Durch Bewegen der ersten Verstellvorrichtung 4 in Richtung Schließstellung wird der Strömungswiderstand durch die Umkehröffnung 5 deutlich erhöht. Der Wärmeträger 8 wird gezwungen, vorrangig direkt über die Bypassöffnungen 7 der Umlenkbleche 46 in den nächsten Rohrbündelabschnitt zu strömen. Durch einen Restöffnungsquerschnitt der Umkehröffnung 5 neben dem Rohrbündel 10 kann vorrangig der Gasanteil des Wärmeträgers 8 leicht nach oben entweichen.
Im Gegensatz zur Umkehröffnung 5 ist die Dampfablassöffnung 2 im ersten Betriebszustand geschlossen, damit der flüssige Wärmeträger 8 dort in die Querströmung gezwungen wird und quer das Rohrbündel 10 durchströmt. Im zweiten Betriebszustand jedoch wird die Dampfablassöffnung 2 zumindest teilweise geöffnet, damit dort ein Durchströmungsquerschnitt geschaffen wird, der vorzugsweise so groß ist wie der Restöffnungsquerschnitt der Umkehröffnung 5 im zweiten Betriebszustand. Der Wärmeträger 8 kann so einerseits über die gesamte berohrte Fläche über die Bypassöffnungen 7 in den nachfolgenden Rohrbündelabschnitt strömen, andererseits kann der Gasanteil des Wärmeträgers 8 leicht über neben dem Rohrbündel 10 befindliche Dampfablassöffnungen 2 in den nächsten Rohrbündelabschnitt entweichen. Der Durchströmungsquerschnitt der Umkehr- und der Dampfablassöffnungen 5, 2 ist in seiner Form und Größe nicht besonders beschränkt. Aus strömungstechnischer Sicht ist ein durchgängiger poröser Durchströmungsquerschnitt entlang der Rohrbündelaußenseite vorteilhaft, wie z. B. ein Lochblech. Dies macht eine entsprechende großflächige Verstellvorrichtung erforderlich. Mehrere kleinere Durchströmungsquerschnitte vereinfachen die Verstellkonstruktion.
Die Betätigungsvorrichtungen 41 für die Verstellvorrichtungen 4, 3 sind in den gezeigten Ausführungen innerhalb des Druckraums 18 angeordnet. Sie können sich durch den Reaktormantel 13 hindurch erstrecken, beispielsweise mittels einer kleinen Öffnung 47, die einerseits so groß ist, dass eine einwandfreie Funktion möglich ist, anderseits so klein, dass eine Strömungsbeeinflussung des Wärmeträgers 8 im Druckraum 18 des Reaktors 1 minimiert wird.
Da die Verstellvorrichtungen 4, 3 nur im Zuge von Änderungen des Betriebszustandes betätigt werden, bei denen in der Regel auch gleichzeitig der Wärmeträger 8 aus dem Reaktor 1 entfernt wird, so bieten sich einfache Stutzen 48 am Reaktormantel 13 als Umhüllung für die Betätigungselemente 41 an. Die Stutzen 48 werden durch Blinddeckel 49 verschlossen. Ein aufwändiges druckdichtes Herausführen der Betätigungselemente 41 aus dem Druckraum 18 kann dadurch entfallen.
Wie oben bereits erläutert, sind die Anforderungen an die Bypassöffnungen 7 bei Zwangsumlauf und bei Naturumlauf deutlich unterschiedlich. So sollten z. B. bei Zwangsumlauf im Radialstrom die Umlenkbleche 27, die den Wärmeträger 8 radial nach außen führen, frei von Bypassöffnungen 7 sein, damit sich bei vergrößerndem Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit nicht noch mehr verringert. Dagegen sollten bei Naturumlauf sämtliche Umlenkbleche 26a + b, 27 möglichst viele und große Bypassöffnungen 7 aufweisen, um eine ungehinderte Axialströmung ohne Wasser-Dampftrennung zu ermöglichen. Es hat sich herausgestellt, dass allein durch eine Verstellung des Strömungswiderstands in zumindest einem Teil der Bypassöffnungen 7 ein gattungsgemäßer Rohrbündelreaktor 1 von dem einen Betriebszustand auf den anderen Betriebszustand umstellbar ist.
4a und 4b zeigen zwei Beispiele für Verstellvorrichtungen 6 für die Veränderung von Strömungswiderständen in bzw. Durchströmungsquerschnitten von Haupt-Bypassöffnungen 42. Die 4a zeigt einen Ausschnitt aus einem Umlenkblech 26a + b, 27 ähnlich wie in 2. Der Durchfluss durch die Haupt-Bypassöffnungen 42 kann hier mit Hilfe einer rechenartigen Verstellvorrichtung 6a, welche in Rohrachsrichtung beweglich ist, verändert werden. In der dargestellten Offenstellung strömt der Wärmeträger 8 zwischen den Stegen des Rechens 6a und den Reaktionsrohren 9 von einem Rohrbündelabschnitt in den nächsten. Ein anderes Beispiel für Verstellvorrichtungen 6 zum Verstellen des Strömungswiderstands in Bypassöffnungen 7 ist in 4b gezeigt. Hier liegt eine plattenförmige Verstellvorrichtung 6b direkt auf dem mit Haupt-Bypassöffnungen 42 versehenen Umlenkblech 26a + b, 27 auf. In Offenstellung lässt die Platte 6b den aus den Haupt-Bypassöffnungen 42 heraus tretenden Wärmeträger 8 durch entsprechende Öffnungen 50 frei durchtreten. Durch Verschieben der Platte 6b achsnormal zu den Reaktionsrohren 9 können die Haupt-Bypassöffnungen 42 des Umlenkblechs 26a + b, 27 ganz oder teilweise verschlossen werden.
Der Strömungswiderstand von Umkehröffnungen 5 kann nicht nur in Achsrichtung des Reaktors 1 verändert werden, wie in 1 und 3 dargestellt, sondern auch achsnormal, wie 5a und 5b zeigen. Hier ist ein mit Fenstern 51 versehener Zylinder 52 hinter dem Austritt des Wärmeträgers 8 aus einem Rohrbündelabschnitt am inneren Rohrkreis 12 angeordnet, wobei die Stege 53 zwischen den Fenstern 51 mindestens den gleichen Öffnungswinkel haben wie die Fenster 51. In diesem Zylinder 52 befindet sich ein zweiter konzentrischer Zylinder 54 mit projektionsgleichen Fenstern 55 und Stegen 56. Der zweite, innere Zylinder 54 ist über eine perforierte kegelförmige Verbindungskonstruktion 57 zum einen z. B. mit einem in der Reaktorachse befindlichen drehbaren Stab 58 verbunden und durch diesen drehbar beweglich 59 und zum anderen mit dem in Strömungsrichtung des Wärmeträgers 8 nächsten Rohrbündelabschnitt in Strömungsverbindung. Durch die Drehung des inneren Zylinders 54 wird der Strömungsquerschnitt verkleinert und der Strömungswiderstand vergrößert. Eine analoge Konstruktion ist – hier nicht dargestellt – am äußeren Rohrkreis 11 möglich. Der Antrieb des beweglichen, mit Fenstern 55 versehenen Zylinders 54, erfolgt z. B. mit einem Zahnradgetriebe. Die Fenstergrößen des inneren Zylinders 54 können beispielsweise auch mit einem hier nicht gezeigten axial beweglichen Zylinderschieber bei entsprechender Gestaltung der Fenster verändert werden.
Die 6 zeigt eine Variante der in 1 bzw. 3 beschriebenen Verstellvorrichtungen 4, 3 für Umkehröffnungen 5 und für Dampfablassöffnungen 2 bei einem Rohrbündelreaktor 1 mit alternierend gegenüberliegenden Umlenkblechen 46, 46a, 46b. Bei dieser Ausführungsform ist eine Verstellvorrichtung 60 (in 6 die rechte) dazu eingerichtet, in einer Position eine Umkehröffnung 5 und in einer anderen Position eine Dampfablassöffnung 2 im wesentlichen zu verschließen bzw. deren Strömungswiderstände zu verstellen. In der in 6 dargestellten Position verschließt die rechte Verstellvorrichtung 60 die dortigen Dampfablassöffnungen 2 und gibt die Umkehröffnungen 5 in den benachbarten Umlenkblechen 46 frei, so dass ein Betrieb mit mäanderförmigem Zwangsumlauf des Wärmeträgers 8 möglich ist. Dabei verschließen die mittlere und die linke Verstellvorrichtung 3a, 3b zentrische bzw. im rohrfreien Außenring 15 angeordnete Dampfablassöffnungen 2a, 2b. Im Gegensatz zu 1, bei der die zentrische Öffnung die Umkehröffnung eines ringförmigen Umlenkbleches ist, ist in 6 die zentrische Öffnung die Dampfablassöffnung 2a eines sich – bei der dargestellten Position der rechten Verstellvorrichtung 60 – einseitig von der rechten Reaktorinnwand 45 aus erstreckenden Umlenkblechs 46.
Wie in 6 dargestellt, können mehrere (hier: drei bzw. zwei übereinander angeordnete) Verstellvorrichtungen 60, 3a, 3b mit derselben Betätigungsvorrichtung 61, 41a, 41b (hier: eine Betätigungsstange) verbunden sein und auf diese Weise gleichzeitig bewegt werden.
Die rechten und die mittleren Verstellvorrichtungen 60, 3a sind hier nicht als auf einer Öffnung aufliegende Deckel ausgebildet, sondern als in eine Öffnung eingesetzte Verstellvorrichtungen. Diese Ausbildung stellt erhöhte Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit, da hier die Toleranzmaße kleiner sind als bei der Ausführung der Verstellvorrichtungen als Deckel. Die linke Verstellvorrichtung 3b ist dagegen wie in 1 als Deckel ausgebildet.
Für einen Siedewasserbetrieb, d. h. Naturumlaufbetrieb, wird die in 6 rechte Verstellvorrichtung 60 um einen Rohrbündelabschnitt nach unten verschoben, so dass die Verstellvorrichtungen 60, die vorher die Dampfablassöffnungen 2 in Umlenkblechen 46a verschlossen hatten, nunmehr die Umkehröffnungen 5 der benachbarten (alternierend angeordneten) Umlenkbleche 46b verschließen und der Wärmeträger 8 in eine Axialströmung durch (nicht dargestellte) Bypassöffnungen 7 in den Umlenkblechen 46 gezwungen wird. Dabei werden die mittleren und die linken Verstellvorrichtungen 3a, 3b in eine Position bewegt, in der sie die entsprechenden Dampfablassöffnungen 2a, 2b freigeben.
Die Betätigungsvorrichtungen 61, 41a, 41b für die Verstellvorrichtungen 60, 3a, 3b führen bei dieser Variante nicht durch den Reaktormantel 13, sondern durch den oberen Rohrboden 16. Sie sind jeweils mit einem Hubzylinder 62 verbunden, die alle im Gaseintrittsraum der oberen Gaseintrittshaube 20 angeordnet sind. Die Hubzylinder 62 können beispielsweise als hydraulische Hubvorrichtung ausgestaltet sein mit dem vorhandenen Wärmeträgermedium als Arbeitsmedium. Damit müssen keine besonderen Ansprüche an die Dichtungen der Schubstangen 63 des Hubzylinders 62 gestellt werden, da eventuelle Leckagen problemlos in den Wärmeträgerraum 18 geleitet werden können. Die Gehäuse 64 der Hubzylinder 62 sind mit dem Rohrboden 16, d. h. mit dem Druckraum 18, dicht verbunden und weisen jeweils eine Durchtrittsöffnung 65 auf, die mit einer Zugangsöffnung 66 zum Druckraum 18 fluchtet. Durch die Durchtrittsöffnung 65 ragt eine Schubstange 63 des Hubzylinders 62 hervor, die mit der zugehörigen Betätigungsstange 61, 3a, 3b verbunden ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann in der Gaseintrittshaube 20 ein Stutzen 67 angeordnet sein, der mit einer Betätigungsstange 61 fluchtet und durch den die gesamte zugehörige Verstellvorrichtung 60 für Wartungs- und Reparaturarbeiten herausziehbar ist. Alternativ sind alle Verstellvorrichtungen 60, 3a, 3b gleichzeitig betätig- und herausnehmbar, wenn die gesamte obere Haube vom Reaktor gelöst wird.
Sind mehrere als Deckel ausgebildete Verstellvorrichtungen an derselben Betätigungsvorrichtung befestigt und sollen sie mit dieser gemeinsam aus dem Druckraum herausnehmbar sein, so ist es von Vorteil, wenn diese Deckel von oben nach unten kleiner werden in der Art eines umgedrehten Christbaums, damit die Deckel durch die jeweils über ihnen liegenden Öffnungen einfach hindurchführbar sind.
In 7 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors 1 dargestellt, der einen Wärmeträgerkreislauf aufweist, der besonders einfach von Siedewasser-Betrieb auf Zwangsumlauf-Betrieb und umgekehrt umstellbar ist. Wie weiter oben bereits erläutert, beruht das Kühlungskonzept bei Siedewasser-Betrieb darauf, dass die in den Reaktionsrohren 9 entstehende Reaktionswärme durch den Verdampfungsvorgang eines Wärmeträgers 8 abgeführt wird. Die Dampfdrücke der üblicherweise verwendeten Siedetemperaturen sind dabei recht hoch, so dass der Reaktor 1 als Druckbehälter mit entsprechend großen Wandstärken ausgeführt ist. Zur Begrenzung der Wandstärke der Ringleitungen 32, 35 für die gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgers 8 auf den Umfang des Reaktors 1 werden diese ebenso wie die zuführenden und ableitenden Rohrleitungen im dargestellten Ausführungsbeispiel mit rundem Querschnitt ausgeführt. Die Verbindung der Ringleitungen 32, 35 mit dem Druckraum 18 des Reaktors 1 erfolgt über eine Vielzahl von kurzen Verbindungsleitungen 68. Das im Druckraum 18 des Reaktors 1 entstandene Wasser-Dampf-Gemisch 69 steigt wegen seiner geringeren Dichte durch mindestens eine Steigleitung 70 in eine Dampftrommel 71, wo es in seine Bestandteile Dampf und Flüssigphase getrennt wird. Der Dampf 72 wird über einen oberen Stutzen 73 einer weiteren Nutzung zugeführt. Die Flüssigphase 74 wird erfindungsgemäß über nur eine Fallleitung 75 wieder in den unteren Teil des Reaktors 1 über einen unteren Ringkanal 32 zurückgeführt. Die als Dampf 72 die Dampftrommel 71 und damit den Wärmeträgerkreislauf verlassende Wassermenge wird als Speisewasser dem Wärmeträgerkreislauf an geeigneter – in der Figur nicht gezeigter – Stelle wieder ergänzt. Der Reaktor 1 ist in üblicher – hier nicht dargestellter – Weise gegen Wärmeverluste isoliert, um die Dampfausbeute nicht zu vermindern.
Die einzige Fallleitung 75 verfügt weiterhin in ihrem senkrechten Teil über einen oberen verschließbaren Abzweigstutzen 76 und über einen unteren verschließbaren Abzweigstutzen 77, zwischen denen sich ein Absperrventil 78 befindet. An den oberen und an den unteren Abzweigstutzen 76, 77 in der Fallleitung 75 kann, z. B. bei Änderung des Betriebszustandes, in einfacher Weise ein System für einen anderen flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger angeschlossen werden, der im Zwangsumlauf geführt werden kann, wenn das zwischen den Abzweigstutzen 76, 77 liegende Absperrventil 78 geschlossen wird. Statt des Absperrventils 78 kann z. B. auch eine Steckscheibe zum Verschließen der Fallleitung 75 verwendet werden. Mindestens einer der Abzweigstutzen 76, 77 kann weiterhin zur Zufuhr von ergänzendem Speisewasser genutzt werden oder für Vorrichtungen zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur.
Die Dampftrommel 71 ist auf der Fallleitung 75 gelagert, die ihrerseits einen vertikalen Festpunkt 79 mit einem Niveau 80 besitzt, welches auf dem Niveau 81 der Auflagerung 82 des Hauptreaktorteils 83 liegt. In beiden Betriebszuständen hat das Wärmeträgersystem an jeder Stelle nahezu die gleiche Temperatur. Da i. d. R. der Hauptreaktorteil 83 und die Rohrleitungen 70, 75 aus Werkstoffen mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, dehnen sich der Hauptreaktorteil 83 und die Rohrleitungen 70, 75 beim Übergang vom kalten zum warmen Zustand beim Anfahren (und umgekehrt auch beim Abfahren) in gleicher Weise aus und Wärmespannungen werden auf Grund dieser konstruktiven Maßnahme weitgehend vermieden. Damit können aufwändige Maßnahmen zur Kompensation der Wärmedehnungen entfallen und wird eine kompakte Bauweise ermöglicht.
Die Merkmale der Erfindung sind nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So können diese beispielsweise in jeder geeigneten Weise miteinander kombiniert werden. Auch ist bei Zwangsumlauf der Betrieb mit einem rein gasförmigen Wärmeträger möglich.
Insbesondere sind die Verstellvorrichtungen nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So sind z. B. Verstellvorrichtungen denkbar, die den Auftrieb nutzen.
Ferner ist auch daran gedacht, die Umlenkbleche zu den Dampfablassöffnungen hin nach oben geneigt anzuordnen bzw. mit einer nach oben geneigten Unterseite auszubilden. Der Dampf wird durch die geneigten Flächen zu den Dampfablassöffnungen hingeführt und somit die Dampfableitung verbessert.
8 zeigt schematisch ein Fließbild mit einem Rohrbündelreaktor 100 und den Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 102.
Der hier gezeigte Rohrbündelreaktor 100 ist einzonig ausgeführt. Er weist eine Vielzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren 103 auf, die in einem Rohrbündel 104 angeordnet sind. Die Reaktionsrohre 103 sind abdichtend in einem oberen Rohrboden 105 und in einem unteren Rohrboden 106 befestigt. Die Rohrböden 105, 106 sind an ihrem Außenbereich mit einem zylindrischen Reaktormantel 107 verbunden, der das Rohrbündel 104 umschließt. Rohrböden 105, 106 und Reaktormantel 107 bilden gemeinsam einen Druckraum 108 aus, in dem ein im Normalbetrieb Wärmeträger 109 die Reaktionsrohre 103 umspült. Das Rohrbündel 104 kann z. B. über einen vollflächigen Querschnitt berohrt sein oder ringförmig mit einem rohrfreien Innenraum ausgeführt sein. Häufig ist auch zwischen einem ringförmigen Rohrbündel 104 und dem Reaktormantel 107 ein rohrfreier Aussenring ausgebildet. Der obere Rohrboden 105 kann durch einen oberen Flansch mit einer oberen Gaseintrittshaube 110 verbunden sein, der untere Rohrboden 106 durch einen unteren Flansch mit einer unteren Gasaustrittshaube 111. Bei hohen Betriebsdrücken auf der Reaktionsgasseite und/oder der Wärmeträgerseite kann es vorteilhaft sein, die Flanschverbindungen durch Schweißverbindungen zu ersetzen, wie in 8 dargestellt. Die Reaktionsrohre 103 münden in die Gaseintrittshaube 110 und in die Gasaustrittshaube 111. Die Gaseintrittshaube 110 weist einen Gaseintrittsstutzen 112, die Gasaustrittshaube 111 einen Gasaustrittsstutzen 113 auf. Der Wärmeträger 109 wird durch geeignete Strömungsleiteinrichtungen durch den Druckraum 108 des Rohrbündelreaktors 100 geführt. Er wird bei dem dargestellten Reaktor 100 über eine obere und untere Ringleitung 114, 115 und jeweiligen oberen bzw. unteren Verbindungsleitungen 116, 117 auf den Umfang des Reaktors 100 verteilt bzw. gesammelt. Das zugehörige, hier nicht dargestellte Wärmeträgersystem, mit einer Umwälzeinrichtung, Temperiervorrichtungen und evtl. weiteren Komponenten, ist an ersten (in 8 rechten) Stutzen 118 der Ringleitungen 114, 115 angeschlossen. Im übrigen weist der Rohrbündelreaktor 100 in den 8, 9a und 9b nicht dargestellte Verstellvorrichtungen 4, 51–56 zum Verstellen des Strömungswiderstands in Umkehröffnungen 5 und/oder Dampfablassöffnungen 2, 2a, 2b mit zugehörigen Verstellvorrichtungen 3, 3a, 3b und/oder Verstellvorrichtungen 6, 6a, 6b zum Verstellen des Strömungswiderstands in Bypassöffnungen 7, 42 auf, wie sie weiter oben für die Rohrbündelreaktoren 1 beschrieben sind. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hier darauf Bezug genommen.
Die Temperiervorrichtung 102 weist ein erstes Umlaufgebläse 119 auf, das an die untere Ringleitung 115 angeschlossen ist. An die obere Ringleitung 114 ist ein Kühler 120 angeschlossen, der ein Wärmeaustauschteil 121 und ein zweites Gebläse 122 aufweist, das Umgebungsluft durch das Wärmeaustauschteil 121 fördert. In Strömungsrichtung hinter dem Kühler 120 ist ein Aufheizer 123 angeordnet. Bevorzugt ist ein Elektroaufheizer, weil elektrischer Strom meist leicht verfügbar ist und die Heizleistung in einem großen Bereich veränderbar ist. Die Heizleistung ist über eine Regeleinrichtung 124 einstellbar. Zwischen Aufheizer 123 und erstem Umlaufgebläse 119 ist eine Druckgasversorgung 125 angeschlossen. Diese ist als Kompressor ausgebildet, der über ein Rückschlagventil 126 Umgebungsluft fördert. Der Kompressor 125 ist Teil einer Druckregelanlage 127, die auch einen Druckaufnehmer 128 und ein Entspannungsventil 129 aufweist.
Nachfolgend wird der Betrieb für einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand beschrieben. Unter einem ersten Betriebszustand wird hier der Normalbetrieb des Rohrbündelreaktors 100 verstanden, bei dem Reaktionsgase 130 in den Reaktor 100 hineingeführt werden, in diesem chemisch reagieren und aus diesem wieder herausgeführt werden, wobei der im Druckraum 108 des Rohrbündelreaktors 100 umlaufende Wärmeträger 109 die Reaktionstemperatur kontrolliert. Unter einem zweiten Betriebszustand wird im Folgenden ein Konditioniervorgang verstanden, bei dem der Reaktor 100 auf der Rohrseite mit einem Gas 131 durchströmt wird, welches eine andere Zusammensetzung besitzt als das im ersten Betriebszustand verwendete. Außerdem hat bei diesem zweiten Betriebszustand der Wärmeträger 132 andere Eigenschaften als der im ersten Betriebszustand. Insbesondere ist er ein Druckgas und hat ferner z. B. eine andere Zusammensetzung, eine andere Temperatur, oder eine Kombination dieser Eigenschaften. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 findet vorzugsweise für diesen zweiten Betriebszustand Anwendung. Bei diesem Betriebszustand wird beispielsweise ein Gas zur Regeneration des Katalysators durch die Reaktionsrohre 103 geführt und die Temperatur des Wärmeträgers 132 deutlich über diejenige des ersten Betriebszustandes erhöht unter Verwendung eines gasförmigen Wärmeträgers.
Im ersten Betriebszustand tritt das Reaktionsgas 130 über den oberen Gaseintrittsstutzen 112 in die obere Gaseintrittshaube 110 ein, wird dort auf den oberen Rohrboden 105 verteilt, strömt durch die Reaktionsrohre 103 und durch den unteren Gasaustrittsstutzen 113 der unteren Gasaustrittshaube 111 aus dem Reaktor 100 wieder heraus. Gleichfalls ist es möglich, das Reaktionsgas 130 von unten nach oben durch den Reaktor 100 zu führen.
Die im ersten Betriebszustand ablaufenden Reaktionen werden mit dem im Druckraum 108 umlaufenden Wärmeträger 109 kontrolliert. Dabei kann der Wärmeträger 109 entweder in die untere oder in die obere Ringleitung 115, 114 eingeführt werden und aus der jeweils anderen Ringleitung 114, 115 wieder heraus geführt werden. Im Falle der Kühlung einer exothermen Reaktion mit Hilfe eines verdampfenden Wärmeträgers, bevorzugt Wasser, wird der flüssige Wärmeträger 109 in den unteren Ringkanal 115 eingeführt und dort über den Umfang verteilt. Über eine Vielzahl von unteren Verbindungsleitungen 117 wird er in den Druckraum 108 des Reaktors 100 hineingeführt und dort mit geeigneten, hier nicht dargestellten, Strömungsleiteinrichtungen gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Reaktors 100 verteilt. Das im Reaktor 100 entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird über eine Vielzahl von oberen Verbindungsleitungen 116 in den oberen Ringkanal 114 geleitet und von diesem durch einen oberen Stutzen aus dem Reaktor 100 heraus geführt.
Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 findet vorzugsweise Anwendung für den zweiten Betriebszustand. Hierbei wird das Reaktionsgas 130 ersetzt durch ein Konditioniergas 131, dessen Zusammensetzung, Druck und Temperatur von der Art des verwendeten Katalysators abhängig ist. Bei diesem zweiten Betriebszustand wird das Wärmeträgersystem des ersten Betriebszustandes ersetzt oder ergänzt durch die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102. Hierfür wird im Fall einer Regeneration zunächst der flüssige Wärmeträger 109 aus dem Mantelraum 108 des Rohrbündelreaktors 100 entfernt. Die von den Ringleitungen 114, 115 wegführenden Wärmeträgerleitungen des Wärmeträgersystems für den ersten Betriebszustand können zur Vermeidung unerwünschter Bypässe abgesperrt werden. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 wird über zwei Anschlussleitungen 133, 134 mit Flanschverbindungen 135, 136 vorzugsweise an separate Stutzen 137, 138 an der oberen Ringleitung 114 und an der unteren Ringleitung 115 des Rohrbündelreaktors 100 angeschlossen. Alternativ kann der Anschluss an anderen Stellen der Wärmeträgerleitungen erfolgen, bevorzugt nahe beim Rohrbündelreaktor 100.
Als Wärmeträger 132 des zweiten Betriebszustandes wird Druckgas im geschlossenen Kreislauf geführt. Das Druckgas 132 enthält dabei Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder einem Gemisch daraus. Es wird mit dem ersten Umlaufgebläse 119 in den Rohrbündelreaktor 100 gefördert. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs wird das Druckgas 132 mit Strömungsleiteinrichtungen vorzugsweise quer durch das Rohrbündel 104 geführt, ggf. unter Verwendung von speziellen Vorrichtungen. Das Druckgas 132 tritt über die oberen Verbindungsleitungen 116 aus dem Reaktor 100 heraus, wird im oberen Ringkanal 114 gesammelt und tritt aus diesem aus einem oberen Stutzen 137 heraus. Je nach Art des Konditionierprozesses wird den Reaktionsrohren 103 entweder Wärme zugeführt oder Wärme von diesen abgeführt. Entsprechend muss das Druckgas 132 entweder gekühlt oder aufgeheizt werden. Im Falle einer Kühlung durchströmt das vom oberen Ringkanal 114 kommende Druckgas 132 einen Kühler 120, der bevorzugt als Luftkühler ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Druckgas 132 durch eine in 1 nicht gezeigte Mischvorrichtung gekühlt werden, in welcher das Druckgas 132 durch Direkteinspritzung von Wasser gekühlt wird.
Ist der Konditionierprozess endotherm, nimmt also Wärme auf, so wird das Druckgas 132 in dem Aufheizer 123 aufgeheizt. Anschließend wird das Druckgas 132 über das erste Umlaufgebläse 119 wieder in den Rohrbündelreaktor 100 gefördert. Die in Serie geschalteten Komponenten der Temperiervorrichtung 102 können dabei in ihrer Reihenfolge auch verändert werden. So kann es sinnvoll sein, den Aufheizer erst in Strömungsrichtung hinter dem ersten Umlaufgebläse oder parallel zu diesem anzuordnen. Zur Aufrechterhaltung des Betriebsdrucks im Wärmeträgersystem ist die Druckregelanlage 127 vorgesehen. Dabei misst der Druckaufnehmer 128 den Druck. Ist der Druck zu niedrig, wird dieser durch den Kompressor 125 erhöht, der an einer geeigneten Stelle im Wärmeträgersystem angeschlossen ist. Bei zu hohem Druck wird ein Entspannungsventil 129 geöffnet.
Als Beispiel für die Effizienz der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 102 und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aktivierung einer neuen Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor 100 mit radialer Führung des Wärmeträgers für den darauffolgenden Normalbetrieb berechnet. Zum Vergleich wurde die Aktivierung im Fall 1 mit Luft bei Umgebungsdruck und im Fall 2 mit Druckluft berechnet.
Technische Daten:

13300 Reaktionsrohre mit Außendurchmesser 30 mm und Länge 8 m.
Manteldurchmesser 4900 mm.
Ein- und Austrittsstutzen des Wärmeträgers Nennweite DN800.

Die Aktivierung soll bei ca. 300°C durchgeführt werden und eine Wärme von 200 KW aus dem Reaktor abgeführt werden.

Fall 1: Umwälzung von Luft mit 300°C Eintrittstemperatur bei Umgebungsdruck durch eine Temperiereinrichtung mit 50000 m³/h Fördermenge.

Fall 2: Umwälzung von Luft mit 300°C Eintrittstemperatur bei 20 bar Absolutdruck durch eine erfindungsgemäße Temperiereinrichtung mit 19000 m³/h Fördermenge. Tabelle 1: Vergleichsberechnung

		Fall 1	Fall 2
Massenstrom	kg/h	30400	231000
Druckverlust des Kreislaufs	Pa	5830	15420
Theoretisch erforderliche Umwälzleistung	kW	81	81,4
Temperaturerhöhung der Luft im Reaktor	K	22,7	3,0
Mittlerer Wärmeübergangskoeffizient Luft/Rohre	W/m2K	60	190

Wie den in Tabelle 1 wiedergegebenen Ergebnissen zu entnehmen ist, beträgt die Erhöhung der Lufttemperatur im Reaktor im Fall 1 22,7 K und im Fall 2 lediglich 3,0 K. Der mittlere Wärmeübergangskoeffizient Luft/Reaktionsrohre beträgt im Fall 1 60 W/m2K und im Fall 2 190 W/m2K. Im Fall 2 lässt sich somit ein deutlich besserer Grad der Temperierung, d. h. der Temperaturgleichheit und des Wärmeübergangs zum Reaktionsrohr 103 erzielen, bei annähernd gleicher erforderlicher Umwälzleistung.
In den 9a und 9b ist eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 als kompakt auf einem transportierbaren Rahmen 139 montierte Einheit gezeigt. Der Rahmen 139 kann, wie hier gezeigt, mit Hebeösen 140 angehoben und von einem Transportwagen an den Aufstellungsort gehoben werden. Es sind auch andere Konstruktionen möglich. Beispielsweise kann der Rahmen als Container ausgeführt sein mit Gleitkufen und einem Hebeanschluss, an den ein Zughaken eines Lastkraftwagens ansetzen kann, um den Container auf seine Ladefläche zu ziehen. Nach der Aufstellung erfolgt der Anschluss über eine Anschlussleitung 134 der Druckseite und über eine Anschlussleitung 133 der Saugseite. Die von den Ringleitungen 114, 115 des Reaktors 100 kommenden Reaktoranschlüsse müssen mit den Anschlusspositionen der Temperiervorrichtung 102 möglichst gut übereinstimmen. Die Anschlusspositionen können praktisch jedoch nur begrenzt eingehalten werden, beispielsweise auf Grund von Toleranzen oder örtlichen Gegebenheiten, die einen Lageversatz hervorrufen. Mindestens eine der Anschlussleitungen 133, 134 verfügt daher über eine Flanschverbindung 135, 136 mit elastischem Zwischenstück 141, 142. Hierdurch sind Lageversätze von Anschlüssen in einem gewissen Bereich ausgleichbar. Sind die Leitungen miteinander verbunden, so werden die Verbindungsstellen mit den elastischen Zwischenstücken 141, 142 durch einstellbare Zugentlastungen 143, 144 zur Aufnahme der Innendruckkräfte in ihrer Lage fixiert.
Die einzelnen Komponenten der Temperiervorrichtung 102 sind auf dem transportierbaren Rahmen 139 in einer kompakten, Platz sparenden Einheit angeordnet. Die Anschlussleitung 133 der Saugseite führt zum Kühler 120, der hier als Luftkühler ausgeführt ist. Von dort führt eine Druckgasleitung 145 in den Elektroaufheizer 123 und von dort in das erste Umlaufgebläse 119, von wo sie über ein elastisches Zwischenstück 142 zum Reaktor 100 führt. Der Druck wird durch einen neben dem Elektroaufheizer 123 angeordneten Kompressor 125 aufrecht erhalten. Die Druckleitung 146 vom Kompressor 125 führt oberhalb des Elektroaufheizers 123 zur Zuleitung zum ersten Gebläse 119. Der Anschluss kann jedoch auch an anderer Stelle erfolgen, z. B. über eine kurze Verbindungsleitung vom Kompressor 125 bis zur Rohrleitung 145 zwischen Kühler 120 und Elektroaufheizer 123. Die Regeleinrichtungen sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.
Die Merkmale der Erfindung sind nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So können diese beispielweise in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Die Vorrichtung ist weiterhin sinngemäß einsetzbar bei mehrzonigen Rohrbündelreaktoren, wie sie z. B. in EP 1 590 076 A1 beschrieben sind, mit Anschluss an die Wärmeträgerseite einer oder mehrerer Zonen. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet für einen Einsatz bei nicht betriebsmäßigen Zuständen und Prozessen. Sie kann eingesetzt werden z. B. für die Aktivierung und Regenerierung des Katalysators, ferner für die gezielte Deaktivierung des Katalysators durch einen Oxidationsprozess, wenn ein stark reaktiver Katalysator aus dem Inneren des Reaktors entfernt werden soll, oder für Kalzinierungsprozesse.
Besonders einfach kann die Temperiervorrichtung 102 in den Wärmeträgerkreislauf geschaltet werden, wenn der Rohrbündelreaktor 1, 100 nur eine Fallleitung 74 aufweist, entsprechend dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei ist es unerheblich, ob der Wärmeträger über Ringleitungen durch den Reaktormantel hindurch (wie in 7 dargestellt) oder über Zu- und Ableitungsrohre geführt wird, die sich axial durch die Rohrböden hindurch erstrecken. Beide Ausführungsformen sind in Kombination mit der Temperiervorrichtung 102 von der Erfindung umfasst. Die Anschlussleitungen 134, 133 der Temperiervorrichtung 102 werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 an die Abzweigstutzen 76, 77 und bei den Ausführungsbeispielen gemäß 8, 9a, 9b an die Stutzen 137, 138 angeschlossen. Die Abzweigstutzen 76, 77 und die Stutzen 137, 138 entsprechen somit einander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/052524 A1 [0003]
WO 2004/052776 A1 [0004]
US 5615738 [0006]
US 5303276 [0008]
EP 0382098 A2 [0009]
US 3147743 [0010]
DE 102007024934 A1 [0040]
DE 2207166 A1 [0043]
EP 1569745 A1 [0043]
DE 3819357 A1 [0050]
WO 2009/118372 A1 [0051]
EP 1590076 A1 [0137]

Claims

Rohrbündelreaktor für katalytische Gasphasenreaktionen, mit einem Bündel vertikal angeordneter Reaktionsrohre, einem oberen und einem unteren Rohrboden, die mit den oberen bzw. unteren Enden der Reaktionsrohre dicht verbunden sind und durch die hindurch die Reaktionsrohre in Gaszuführungs- und Gasableitungseinrichtungen münden, einem Reaktormantel, der das Rohrbündel umschliesst und mit den Rohrböden dicht verbunden ist, um mit diesen einen Druckraum auszubilden, in dem die Reaktionsrohre im Betrieb von einem Wärmeträger umspült werden, mindestens einem Umlenkblech, das sich quer durch das Rohrbündel erstreckt und dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingt und eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilässt, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt, und mit Bypassöffnungen, die in dem mindestens einen Umlenkblech in dessen berohrten Bereich angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Verstellvorrichtung (4, 51–56) zum Verstellen des Strömungswiderstands in der Umkehröffnung (5), wobei die Verstellvorrichtung (4, 51–56) von einer ersten Position, in der der Strömungswiderstand eine mäanderförmige Umkehrung der Strömungsrichtung einer vorgegebenen Teilstommenge des Wärmeträgers (8) ermöglicht, in mindestens eine zweite Position bewegbar ist, in der der Strömungswiderstand soweit erhöht ist, dass diese Teilstrommenge verringert ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (4) dazu eingerichtet ist, in einer Position die Umkehröffnung (5) zu schließen.
Rohrbündelreaktor für katalytische Gasphasenreaktionen, mit einem Bündel vertikal angeordneter Reaktionsrohre, einem oberen und einem unteren Rohrboden, die mit den oberen bzw. unteren Enden der Reaktionsrohre dicht verbunden sind und durch die hindurch die Reaktionsrohre in Gaszuführungs- und Gasableitungseinrichtungen münden, einem Reaktormantel, der das Rohrbündel umschliesst und mit den Rohrböden dicht verbunden ist, um mit diesen einen Druckraum auszubilden, in dem die Reaktionsrohre im Betrieb von einem Wärmeträger umspült werden, mindestens zwei Umlenkblechen, die sich quer durch das Rohrbündel erstrecken, in Längsrichtung der Reaktionsrohre übereinander angeordnet sind, dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingen und jeweils eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilassen, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckraum (18) mindestens ein rohrfreier Bereich (14, 15) ausgebildet ist, in einem ersten der Umlenkbleche (26b, 46a) im rohrfreien Bereich (14, 15) außerhalb der Umkehröffnung (5) mindestens eine Dampfablassöffnung (2, 2a, 2b) ausgebildet ist und das zweite Umlenkblech (26a, 46b) im rohrfreien Bereich (14, 15) außerhalb der Umkehröffnung (5) im Wesentlichen geschlossen ist, und dass eine Verstellvorrichtung (3, 3a, 3b) für jede Dampfablassöffnung (2, 2a, 2b) ausgebildet ist, wobei die Verstellvorrichtung (3, 3a, 3b) zwischen einer Schließstellung, in der sie die Dampfablassöffnung (2, 2a, 2b) verschließt, und einer Offenstellung, in der sie die Dampfablassöffnung (2, 2a, 2b) freigibt, bewegbar ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Dampfablassöffnung (2) des ersten Umlenkbleches (46a) nahe der Umkehröffnung (5) des zweiten Umlenkbleches (46b) angeordnet ist, und dass die Verstellvorrichtung (60) dazu eingerichtet ist, in einer Offenstellung die Umkehröffnung (5) zu schließen.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Dampfablassöffnungen (2, 2a, 2b) in Form einer Reihe oder eines Rings oder auf einer kompakten Fläche angeordnet sind.
Rohrbündelreaktor für katalytische Gasphasenreaktionen, mit einem Bündel vertikal angeordneter Reaktionsrohre, einem oberen und einem unteren Rohrboden, die mit den oberen bzw. unteren Enden der Reaktionsrohre dicht verbunden sind und durch die hindurch die Reaktionsrohre in Gaszuführungs- und Gasableitungseinrichtungen münden, einem Reaktormantel, der das Rohrbündel umschliesst und mit den Rohrböden dicht verbunden ist, um mit diesen einen Druckraum auszubilden, in dem die Reaktionsrohre im Betrieb von einem Wärmeträger umspült werden, mindestens einem Umlenkblech, das sich quer durch das Rohrbündel erstreckt und dem Wärmeträger eine Querströmung aufzwingt und eine Umkehröffnung für den Wärmeträger freilässt, sodass der Wärmeträger das Rohrbündel in dessen Längsrichtung mäanderförmig durchströmt, und mit Bypassöffnungen, die in dem mindestens einen Umlenkblech in dessen berohrten Bereich angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Verstellvorrichtung (6, 6a, 6b) zum Verstellen des Strömungswiderstands in zumindest einem Teil der Bypassöffnungen (7, 42).
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (6, 6a, 6b) dazu eingerichtet ist, in einer Position die Bypassöffnungen (7, 42) zu verschließen.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Betätigungsvorrichtung (40, 41, 41a, 41b, 58, 61), mit der die Verstellvorrichtung (3, 3a, 3b, 4, 51–56, 60) von einer Position in eine andere Position bewegbar ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (41a, 41b, 61) mit mehreren Verstellvorrichtungen (3a, 3b, 60) verbunden ist und diese gleichzeitig betätigt.
Rohrbündelreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (41) innerhalb des Druckraums (18) angeordnet ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (18) einen verschließbaren Stutzen (48) aufweist, durch den hindurch die Betätigungsvorrichtung (41) von außerhalb des Druckraums (18) betätigbar ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (41) und die zugehörigen) Verstellvorrichtung(en) (3) durch den Stutzen (48) hindurch montierbar und demontierbar ist.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (41a, 41b, 60) mittels eines Antriebselements (62) betreibbar ist, das ein Gehäuse (64) aufweist, das mit dem Druckraum (18) dicht verbunden ist und eine Durchtrittsöffnung (65) aufweist, die mit einer Zugangsöffnung (66) zum Druckraum (18) fluchtet und aus der ein bewegbares Element (63) aus dem Gehäuse (64) vorragt, das mit der Betätigungsvorrichtung (41a, 41b, 60) verbunden ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium des Antriebselements das gleiche Medium ist, das als Wärmeträger (8) eingesetzt wird.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (62) ein Hubzylinder ist.
Rohrbündelreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombination der Merkmale von mindestens zweien der Ansprüche 1, 3 und 6.
Rohrbündelreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dampftrommel (71), die oberhalb des Druckraums (18) angeordnet ist und über mindestens eine Steigleitung (70) und nur eine Fallleitung (75) mit dem Druckraum (18) in Strömungsverbindung steht, wobei die Fallleitung (75) eine Absperreinrichtung (78) und vor und nach der Absperreinrichtung (78) jeweils mindestens einen verschließbaren Abzweig (76, 77) aufweist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallleitung (75) außerhalb und längs des Druckraums (18) verläuft.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampftrommel (71) auf der Fallleitung (75) gelagert ist.
Rohrbündelreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperiervorrichtung (102) zu seinem Temperieren mittels eines Temperiergases (132), wobei die Temperiervorrichtung (102) mit einem Wärmeträgereinlass (77, 138) und einem Wärmeträgerauslass (76, 137) des Druckraums (18, 108) in Strömungsverbindung bringbar ist und das Temperiergas (132) die Temperiervorrichtung (102) und den Druckraum (18, 108) im Kreislauf durchströmt, mit einer Gasversorgung (125), einer Heizeinrichtung (123) für das Temperiergas (132), einer Fördereinrichtung (119) für das Temperiergas (132), wobei die Gasversorgung eine Druckgasversorgung (125) ist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasversorgung einen Kompressor (125) aufweist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas (132) einen Druck im Bereich von 3 bis 100 bar, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 bar und besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 bar aufweist.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem transportierbaren Rahmen (139) montiert ist.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch zwei Anschlussleitungen (134, 133) zum Anschluss an den Wärmeträgereinlass (77, 138) bzw. den Wärmeträgerauslass (76, 137) des Druckraums (18, 108), von denen zumindest eine ein elastisches Zwischenstück (141, 142) aufweist.
Rohrbündelreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Zwischenstücke (141, 142) einstellbare Zugentlastungen (143, 144) zur Aufnahme von Innendruckkräften aufweisen.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiergas (132) Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder ein Gemisch daraus enthält.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 20 bis 26, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Temperiergases (132), die dazu eingerichtet ist, Wasser direkt in den Temperiergas-Kreislauf einzuspritzen.
Rohrbündelreaktor nach einem der Ansprüche 20 bis 27, gekennzeichnet durch Regeleinrichtungen (124, 127) zum Regeln der Temperatur und des Drucks des Temperiergases (132).
Verfahren zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mittels eines Temperiergases (132), wobei der Druckraum (18, 108) Teil eines Wärmeträgerkreislaufes ist, in dem das Temperiergas (132) geführt wird, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Temperiervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 20 bis 28; b) Schalten der Temperiervorrichtung (102) in den Wärmeträgerkreislauf; c) Befüllen des Wärmeträgerkreislaufes mit dem Temperiergas (132) mit einem vorgegebenen Druck; und d) Umwälzen des Temperiergases (132).
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konditionieren einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor (1, 100), dessen Wärmeträgerkreislauf in der Produktionsphase von einem flüssigen oder teilverdampfenden Wärmeträger (8, 109) durchströmt wird, während Schritt d) folgende Schritte durchgeführt werden: e) Erhöhen der Temperatur und gegebenenfalls des Drucks des Temperiergases (132) auf die Starttemperatur des Konditioniervorganges; und f) Leiten des Konditioniergases (131) durch die Katalysatorschüttung.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, jeweils in Verbindung mit einer Temperiervorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) das Transportieren der Temperiervorrichtung (102) zum Rohrbündelreaktor (1, 100) umfasst und nach Beendigung des Temperiervorgangs die Temperiervorrichtung (102) abtransportiert wird.