DE102014011274A1

DE102014011274A1 - Plattenförmiger Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102014011274A1
Application number: DE102014011274.8A
Authority: DE
Inventors: Freimut Marold; Jachin Gorre; Renee Spekschoor; Harry Nykamp
Original assignee: Etogas GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Etogas GmbH
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen plattenförmiger Wärmetauscher für den Einsatz innerhalb eines auf einem ersten Druckniveau druckbeständigen Druckbehälters eines Reaktors, insbesondere Methanisierungsreaktors, in welchem ein wenigstens zwei Gasbestandteile aufweisendes Eduktgas chemisch in Anwesenheit eines Katalysators zu einem Komponenten beider Gasbestandteile aufweisenden Produktgas reagiert, mit einer auf einem zweiten Druckniveau von bevorzugt einem Überdruck, weiterbevorzugt von 2 bar oder höher, insbesondere 40 bar oder höher druckbeständigen Außenhülle, über die eine thermische Kopplung zwischen einem innerhalb der Außenhülle strömenden Wärmeträger und der chemischen Reaktion geschaffen ist, und einem innerhalb der Außenhülle von einem Eingang zu einem ersten Ausgang verlaufenden ersten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung wenigstens ein Mengenanteil des Wärmeträgers aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden ersten Wärmeaustausches seinen Aggregatszustand ändert, und mit einem innerhalb der Außenhülle verlaufenden, näher am ersten Ausgang als am Eingang gelegenen und in einen vom ersten Ausgang abweichenden zweiten Ausgang mündenden zweiten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung der Wärmeträger aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden, gegenüber dem ersten Wärmeaustausch geringeren zweiten Wärmeaustausch seine Temperatur ändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen plattenförmigen Wärmetauscher für den Einsatz innerhalb eines auf einem ersten Druckniveau druckbeständigen Druckbehälters eines Reaktors, insbesondere Methanisierungsreaktors, in welchem ein wenigstens zwei Gasbestandteile aufweisendes Eduktgas chemisch in Anwesenheit eines Katalysators zu einem Komponenten beider Gasbestandteile aufweisenden Produktgas reagiert, mit einer auf einem zweiten Druckniveau von insbesondere 40 bar oder höher druckbeständigen Außenhülle, über die eine thermische Kopplung zwischen einem innerhalb der Außenhülle strömenden Wärmeträger und der chemischen Reaktion geschaffen ist, einem innerhalb der Außenhülle von einem Eingang zu einem ersten Ausgang verlaufenden ersten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung wenigstens ein Mengenanteil des Wärmeträgers aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden ersten Wärmeaustausches seinen Aggregatszustand ändert, eine Wärmetauscheranordnung mit wenigstens einem solchen Wärmetauscher sowie einem eine solche Wärmetauscheranordnung aufweisenden Reaktor, insbesondere Methanisierungsreaktor, wie auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reaktors.
Derartige gattungsgemäße plattenförmige Wärmetauscher sind in der Technik gut bekannt. Beispielsweise sind mehrere solcher Platten im Inneren eines Methanisierungsreaktors angeordnet, wobei Strömungswege für die Gase der Methanisierungsreaktion in den Zwischenräumen zwischen den Platten gebildet sind, in denen sich auch die Katalysatorschüttung befindet. Dabei nimmt ein beispielsweise im Gegenstrom innerhalb der Wärmetauscherplatten strömendes Wärmeträgermedium die bei der exothermen Methanisierung anfallende Wärme auf und kühlt die Reaktion bevorzugt in einer Weise, dass sich ein Temperaturgefälle von einem Hot-Spot Bereich nahe eines Eingangsbereichs der Eduktgase der Reaktion hin zum Ausgang des für die Produktgase des Reaktors ergibt, um eine möglichst effiziente Umwandlungsrate zu erhalten.
Wird als Wärmeträgermedium H₂O verwendet, insbesondere in einem unter Überdruck stehenden Kühlkreis, wird mit einem Großteil der aufgenommenen Wärme ein Übergang flüssig zu gasförmig eines Teils des Mediums erreicht, so dass an dem Ausgang des Plattenreaktors ein Gemisch aus Wasser und Wasserdampf austritt. Dieses kann dann in einer nachgeschalteten Dampftrommel in die Bestandteile Wasser und Wasserdampf getrennt werden, wobei zugleich ein Teil des Wasserdampfes aus dem Kühlkreis ausgekoppelt wird und durch frisches Kesselspeisewasser ersetzt wird.
Weitere Details zur katalytischen Methanisierung sind beispielsweise in WO 2011/076315 A2 erläutert, auf welches diesbezüglich Bezug genommen wird. Eine Darstellung eines wie eingangs erläuterten Kühlsystems mit einer Dampftrommel findet sich in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2014 015 055.3 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine Auskoppelbarkeit des Wärmeträgermediums aus einem Wärmeaustauschkreislauf zu verbessern.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art erreicht, die im wesentlichen gekennzeichnet ist durch einen innerhalb der Außenhülle verlaufenden, näher am ersten Ausgang als am Eingang gelegenen und in einen vom ersten Ausgang abweichenden zweiten Ausgang mündenden zweiten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung der Wärmeträger aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden, gegenüber dem ersten Wärmeaustausch geringeren zweiten Wärmeaustausch seine Temperatur ändert.
Der erfindungsgemäße plattenförmige Wärmetauscher eröffnet somit die Möglichkeit, noch innerhalb des Wärmetauschers einen Anteil des Wärmeträgers in überhitzter gasförmiger Form bereitzustellen und über den zweiten Ausgang zu entkoppeln, ohne dass das Wärmeträgermedium nach Austritt aus dem zweiten Ausgang noch in eine Dampftrommel überführt werden müsste. Dies führt zu einer Erhöhung der Dauerhaftigkeit von an den zweiten Ausgang nachfolgenden Rohrleitungen und Apparaten, da eine Flüssigkeitsbildung aufgrund des vorliegenden überhitzten gasförmigen Wärmeträgermediums vermieden wird, im Gegensatz zu dem Fall eines beispielsweise Sattdampfaustritts. Wenn es sich bei dem zugrundeliegenden Kreislauf um einen Wasser-Dampf-Kreislauf handelt, kann ein Hauptanteil der Wärme im Wege des Durchlaufens des ersten Strömungsweges aufgenommen werden. Parallel dazu kann im zweiten Strömungsweg eine Temperierung des Wärmeträgermediums/Kühlmediums erfolgen.
Während insoweit eine Anwendung für exotherme Reaktionen bevorzugt wird, ist auch ein Einsatz in umgekehrten endothermen Reaktionen denkbar. In diesem Fall wird mit den zusätzlichen Wärmetauscherflächen eine zusätzliche Wärmequelle zur Einkopplung von Verbrauchswärme bereitgestellt. Bei endothermen Reaktionen ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Strömungsrichtung des Heizmediums (z. B. Dampf/Wasser/überhitzter Dampf) nur in Richtung Schwerkraft möglich ist, woraus sich eine Umkehrung der Strömungsrichtung ergibt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Strömungsweg aus dem ersten Strömungsweg abzweigt. Somit strömt das Wärmeträgermedium zunächst durch den gleichen Eingang bis zu einer Weiche, ab dem ein Teil des Wärmeträgermediums auf dem ersten Strömungsweg weiterströmt, wogegen ein anderer Teil entlang des zweiten Strömungsweges strömt.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Ausdrücke „Eingang”, „Ausgang” und „Strömungswege” durchaus so zu verstehen sind, dass der Eingang/Ausgang körperlich aus mehreren Öffnungen bestehen kann, wie auch die Strömungswege mehrere „Parallel”-Äste aufweisen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bildet die Abzweigung und/oder der zweite Strömungsweg ein einen Druckabfall bewirkendes Strömungshindernis. Aufgrund des Strömungshindernisses kommt es für das den zweiten Strömungsweg beschreitenden Wärmeträgermediums zu einem Druckabfall und damit zu einer Siede. punktserniedrigung, wodurch ein den zweiten Strömungsweg beschreitendes Wärmeträgermedium als Flüssigkeits-Gasgemisch einen sehr raschen vollständigen Übergang in den gasförmigen Zustand erfährt.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis des Strömungsquerschnitts des zweiten Strömungsweges zu dem des ersten Strömungsweges nahe dem ersten Ausgang kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4 und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/9, insbesondere größer 1/7.
Auf diese Weise wird erreicht, dass ein überwiegender Anteil des Wärmeträgermediums weiterhin den ersten Strömungsweg beschreitet, und somit die globale gewünschte Temperaturlenkung im Reaktor nicht unangemessen eingeschränkt wird.
So kann bei typischen Verfahrensparametern der katalytischen Methanisierung beispielsweise am ersten Ausgang das Wärmeträgermedium als ein Flüssigkeits-/Gasgemisch im Verhältnis von ca. 4/1 austreten, beispielsweise ein Wasser/Wasserdampfgemisch, wogegen gesättigter Dampf in den zweiten Strömungsweg eintritt, dort aber umgehend in einen überhitzten Dampf umgewandelt wird und als solcher durch den zweiten Ausgang austritt. Mit einer ausgetauschten Wärmemenge von 1 kWh können dabei ca. 2,27 kg Wasser bei 273,8°C und 59 bare verdampft werden.
Zudem ist abhängig von der Entnahmemenge des überhitzten Dampfes trotz der möglichen diesbezüglichen großen Spannweite erreichbar, dass sich am Ort des zweiten Strömungsweges kein lokaler Hot Spot bildet, da umliegende Bereiche des ersten Strömungsweges überschüssige Reaktionswärme auch dann aus dem System entkoppeln können, wenn der Volumenstrom auf dem zweiten Strömungsweg gedrosselt oder gar gestoppt wird. Tatsächlich bleiben die Hot Spot Bereiche, die unter üblichen Verfahrensbedingungen bei einer katalytischen Methanisierung auftreten, dabei nahezu unbeeinflusst.
In diesem Zusammenhang ist auch bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis der Strömungsweglänge des zweiten Strömungsweges zu der zwischen dem Eingang und der Abzweigung liegenden Strömungsweglänge kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4, und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/14, insbesondere größer als 1/9.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das gesamte Wärmeträgermedium für einen überwiegenden Strömungsweg zunächst gemeinsam im Wege des ersten Wärmeaustausches wirken, also ein nach Erreichen der Siedetemperatur zunehmender Anteil des Wärmeträgerfluids von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht, wogegen die Abzweigung erst zu einem späteren Punkt erfolgt, aber dennoch eine zur Sicherstellung des vollständigen Phasenübergangs und des zweiten Wärmeaustausches ausreichende Strömungsweglänge verbleibt.
Es kann vorgesehen werden, dass der zweite Strömungsweg mäanderförmig ist, oder jedenfalls nach Bewertungskriterien der Mäanderform eine höhere Wertungszahl besitzt als der erste Strömungsweg nach der Abzweigung. Auch auf diese Weise kann gegenüber dem restlichen Verlauf des ersten Strömungsweges ein Strömungshindernis gegeben sein, der den zur Siedepunktserniedrigung führenden Druckabfall bewirkt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform muss sich dagegen die Strömungswegform des zweiten Strömungsweges nicht besonders von der des verbleibenden Strömungsweges nach der Abzweigung unterscheiden. So kann das Strömungshindernis auch durch körperliche Störflächen im Strömungsweg erreicht werden, beispielsweise ein Gitter, oder ein Metallfilz, der als Steuerschwamm wirkt. Letztlich kann ein relativer Druckverlust von 1% oder auch weniger ausreichend sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Bei Druckbereichen von mehr als 40 bar, bevorzugt mehr als 60 bar, insbesondere im Bereich zwischen 70 und 80 bar könnte der Druckverlust beispielsweise bei 1 bar +–0,4 bar liegen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass eine vorgegebene Entnahme beispielsweise überhitzten Wasserdampfs auch dann erfolgen soll, wenn ein Reaktor in Teil-Last betrieben wird, also mit nicht mehr als 80%, auch nicht mehr als 70%, insbesondere nicht mehr als 60% seiner Maximal-Leistung.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Wärmetauscherplatten können diese nach einem Verfahren hergestellt sein, das sich als Druckaufblasen zweier an ihren Rändern verbundener Platten beispielsweise aus rostfreiem Stahl beschreiben lässt, wobei die Platten auch an Zwischenpunkten beispielsweise durch Punktschweißen verbunden sind, wodurch sich durch das Aufblasen ein Thermoblech in Form einer Art „Luftmatratzenform” bildet. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 995 491 B1 (darin insbesondere 3) beschrieben, auf die diesbezüglich des Herstellungsverfahrens der Platte Bezug genommen wird.
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt vorgesehen, dass auch die Struktur des ersten und zweiten Strömungsweges über die Art der Verbindung der Platten vor dem Druckaufblasen vorgegeben wird. Insbesondere wird es bevorzugt, dass das Strömungshindernis durch ein Gitter gebildet ist, welches beispielsweise durch Punktschweißungen der beiden Platten vor deren Druckaufblasen definiert ist.
Eine Begrenzung zwischen dem zweiten Strömungsweg und dem weiteren Abschnitt des ersten Strömungsweges nach der Abzweigung kann somit ebenfalls durch Punktschweißungen im Vorfeld hergestellt werden, die deutlich engmaschiger sind, so dass in diesem Bereich ein Zwischenraum der Platten beim Druckaufblasen nicht entstehen wird. Im Bereich des Gitters ist der Abstand der Punktschweißungen dagegen ausreichend groß, so dass sich die Platten beim Druckaufblasen zwischen zwei benachbarten Punktschweißungen nach außen verformen können und somit einen Zugang zum zweiten Strömungsweg schaffen.
Die die thermische Kopplung zum zweiten Strömungsweg bildenden Flächen stellen somit Überhitzerheizflächen dar. Insoweit offenbart die Erfindung als allgemeinst schutzwürdig einen plattenförmigen Wärmetauscher, insbesondere in Form eines Thermoblechs mit einer integrierten Überhitzerheizfläche.
Desweiteren unter Schutz gestellt ist auch eine Wärmetauscheranordnung mit wenigstens einem, insbesondere einer Mehrzahl von plattenförmigen Wärmetauschern gemäß einem der vorgenannten Aspekte, sowie ein mit einer solchen Wärmetauscheranordnung ausgestatteter Reaktor, insbesondere Methanisierungsreaktor. In letzterem können die Wärmetauscherplatten wie üblich beispielsweise auf einem Gitter abgestützt beabstandet angeordnet werden, und der Zwischenraum zwischen den Platten die Katalysatorschüttung aufweisen.
In einer bevorzugten Gestaltung des Reaktors ist ein Kühlsystem vorgesehen, das an den wenigstens einen Eingang und die wenigstens zwei Ausgänge der wenigstens einen Wärmetauscherplatte angeschlossen ist. Das Kühlsystem kann insbesondere eine Dampftrommel aufweisen, bevorzugt angekoppelt an den wenigstens einen Eingang und den ersten Ausgang.
Zudem wird bevorzugt vorgesehen, dass bei dem Reaktor das Kühlsystem Wärmeträgermaterial auskoppelt, insbesondere in Form überhitzten Wasserdampfs über den zweiten Ausgang.
Dementsprechend wird als Wärmeträgermedium bevorzugt H₂O eingesetzt, obwohl die Erfindung nicht auf diese spezielle Art des Wärmeträgermediums/Kühlmediums eingeschränkt ist und andere Wärmeträgermedien oder -mischungen davon eingesetzt werden können. Für das bevorzugte Methanisierungsverfahren sollten im Phasendiagramm des Wärmeträgermediums Siedepunktsbereiche (druckabhängig) im Temperaturintervall zwischen 200 und 400°C, bevorzugt zwischen 200 und 300°C erreichbar sein.
Der über den zweiten Ausgang austretende Volumenstrom des Wärmeträgermediums ist bei dem Reaktor bevorzugt über eine Durchfluss-Steuerung einstellbar, insbesondere über eine Regelung. Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich denkbar, den Druck in der Dampftrommel zu überwachen und zunächst darüber einen Naturumlauf zu regeln. In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung keine besonderen Einschränkungen vor, so ist insbesondere auch denkbar, dass zusätzlich eine Wärmeträgermediumsauskopplung über die Dampftrommel erfolgt. Wie oben bereits erläutert, ist die Entnahmemenge über den zweiten Ausgang in großen Spannweiten einstellbar, und durch entsprechende Ventilanordnungen steuerbar. Dabei kann es auch zu einer längeren Aufenthaltsdauer von Wärmeträgermedium im zweiten Strömungsweg kommen. Aufgrund des fortlaufend weiteren Wärmeeintrags wird bei den vorliegenden Drücken von beispielsweise 40 bar oder mehr sichergestellt, dass das Wärmeträgermedium nicht wieder unter den Siedepunkt zurückfällt und somit nicht kondensiert, bzw. im Falle des Wasserdampfs nicht in Richtung des Nassdampfgebietes kommt.
Aus Sicht einer durch die Wärmetauscherplatte strömenden Menge an Wärmetauschermedium kommt es erfindungsgemäß bevorzugt somit dazu, dass ein Anteil des in den Eingang eingeführten Wärmeträgermediums nach einmaligem Durchlaufen des Wärmetauschers aus dem Wärmekreis ausgekoppelt wird, ohne nach dem Durchlauf nochmals die Dampftrommel zu durchlaufen. Dieser Aspekt wird von der Erfindung ebenfalls als eigenständig schutzwürdig offenbart. Die Erfindung betrifft somit ebenfalls einen Reaktor mit einem innerhalb des Reaktors angeordneten Wärmetauscherplatten aufweisenden Kühlsystems, mit einem von wenigstens einem Teil des Wärmeträgermediums des Kühlsystems durchströmbaren Strömungsweg von einer Dampftrommel zu einem Platteneingang im flüssigen Zustand, einem eine vollständige Umwandlung in die gasförmige Phase bewirkenden Strömungsweg durch die Wärmetauscherplatte und einem Auskoppelweg nach Austritt aus der Wärmetauscherplatte aus dem Kreislauf ohne erneutes Durchströmen der Dampftrommel.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors nach einem der oben erläuterten Aspekte, bei dem man im Reaktor eine chemische Reaktion ablaufen lässt, diese mittels eines Wärmeträgers beeinflusst, insbesondere kühlt, und den Wärmeträger zu unterschiedlichen Ausgängen der Wärmetauscherplatte strömen lässt. Im Falle endothermer chemischer Reaktionen dreht sich das Verhältnis Ausgang/Eingang um.
Desweiteren ist in verfahrenstechnischer Hinsicht insbesondere vorgesehen, dass man einen Wärmeträger, insbesondere H₂O durch die plattenförmigen Wärmetauscher leitet, um insbesondere aus einer im Reaktor stattfindenden katalytischen Reaktion entstehende Reaktionswärme aufzunehmen, wobei man insbesondere den über den zweiten Strömungsweg geleiteten Volumenstrom in Abhängigkeit vorgegebener Kriterien einstellt, insbesondere einer gewünschten Wärmeträgermaterialauskopplung.
Bevorzugt werden dabei Verfahrensparameter der im Reaktor ablaufenden Reaktion so aufeinander abgestimmt, dass der Wärmeträgerstrom des zweiten Strömungsweges aufgrund des Strömungshindernisses einen Druckabfall von wenigstens 0,5%, bevorzugt wenigstens 0,8%, insbesondere wenigstens 1% erfährt. Bei einem Druck im Kreislauf von größenordnungsmäßig zwischen 50 und 80 bar reicht somit ein Druckabfall von weniger als 1 bar insbesondere im Vorlastbetrieb durchaus aus. Insbesondere sollte der geometrisch bedingte Druckabfall 20% nicht überschreiten, insbesondere 10% nicht überschreiten.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen der erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauscher und des erfindungsgemäßen Reaktors.
Desweiteren ist in verfahrenstechnischer Hinsicht als erfindungsgemäß schutzwürdig angesehen die Herstellung eines plattenförmigen Wärmetauschers nach einem der vorgenannten Aspekte, bei dem man eine Begrenzung des zweiten Strömungsweges über Verbindungen zweier an ihren Rändern verbundenen Platten definiert und den ersten wie auch den zweiten Strömungsweg durch Schaffung eines Zwischenraumes zwischen den Platten mittels Druckaufblasen erzeugt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, von denen
1 in einer schematischen Axialansicht eine Wärmetauscherplatte einer Ausführungsform zeigt, und
2 eine schematische Anordnung mehrerer Wärmetauscherplatten einer anderen Ausführungsform in einer Perspektivansicht zeigt.
Die in 1 dargestellte Wärmetauscherplatte 10 weist einen Eingang 5 auf, durch den ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser nahe am Siedepunkt, unter hohem Druck von etwa 70 bar in die Wärmetauscherplatte 10 eingeleitet werden kann. Die Wärmetauscherplatte 10 ist auf diesem Druckniveau druckbeständig, aufgrund ihrer Herstellung. Bei dieser wurden nämlich die zwei nunmehr die Seitenplatten der Wärmetauscherplatte 10 bildenden Metallplatten übereinander gelegt und miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Die Verbindung besteht zum einen an den Rändern unter Freilassung der Ein- und Austrittsöffnungen, sowie an den mit Verpressungspunkten 18, die in der Darstellung von 1 als X dargestellt sind. Aufgrund den zwischen den Verpressungspunkten 18 gebildeten Durchgängen besteht ein erster Strömungsweg 5 → 1 zu ersten Ausgängen 1 der Wärmetauscherplatte 10, so dass das in der Wärmetauscherplatte 10 im Einsatz beispielsweise eines Methanisierungsreaktors die Wärmetauscherplatte 10 beispielsweise im Gegenstromverfahren durchströmt. Da sich das Wärmeträgermedium, hier H₂O, beim Eintritt bereits nahe am Siedepunkt befindet, erfährt das Wärmeträgermedium während seines Durchganges durch den ersten Strömungsweg 5 → 1 eine Aggregatsänderung dahingehend, dass ein Teil der Flüssigkeit in Gas umgewandelt wird, am ersten Ausgang 1 somit ein Gemisch aus Wasser und Wasserdampf austritt, beispielsweise im Verhältnis von ca. 4/1. Soweit bis hierher beschrieben, unterscheidet sich die Wärmetauscherplatte 10 nicht besonders von bekannten Wärmetauscherplatten, die mit einer ähnlichen Technik hergestellt wurden.
Im Bereich des in 1 oberen Drittels weist die Wärmetauscherplatte 10 jedoch eine integrierte Überhitzerheizfläche 16 in Form einer Begrenzung eines zweiten Strömungsweges 3 → 2 auf, der an der Stelle einer Weiche 3 aus dem ersten Strömungsweg 5 → 1 abzweigt und in einen zweiten Ausgang 2 der Wärmetauscherplatte 10 mündet. Wärmeträgermedium, welches am zweiten Ausgang 2 austritt, durchläuft somit zunächst einen Abschnitt 5 → 3 des ersten Strömungsweges 5 → 1 und anschließend den zweiten Strömungsweg 3 → 2.
Die Weiche 3 und der zweite Strömungsweg 3 → 2 sind gegenüber dem letzten Abschnitt 3 → 1 des ersten Strömungsweges 5 → 1 derart gestaltet, dass das Wärmeträgermedium bei dessen Durchströmen einen Druckverlust von beispielsweise etwas über 1% erfährt, z. B. ca. 1 bar bei einem Verfahrensdruck von 70 bar. Dieser Druckverlust entsteht primär durch Durchströmen eines Gitters 26 zu Beginn des zweiten Strömungsweges 3 → 2. Das Gitter ist in ähnlicher Weise hergestellt wie die Verpressungspunkte 18, allerdings durch enger beabstandete Verschweißungsstellen zwischen den beiden Seitenwänden der Wärmetauscherplatte 10. Zudem ergibt sich das schematisch durch Richtungsumkehrpfeile 6 dargestellte Strömungsmuster für das den zweiten Strömungsweg beschreitende Wärmeträgermedium, das zu einem weiteren Anteil an Druckverlust führt.
Aufgrund des Druckverlustes verändert sich der Siedepunkt des Wärmeträgermediums (P-T-Diagramm), so dass es zu einer raschen Umwandlung des Sattdampfs in Heißdampf kommt, und durch die integrierte Überhitzerheizfläche 16 eine weitere Aufheizung zu überhitztem Dampf erfolgt, welcher am zweiten Ausgang 2 austritt.
Nicht in 1 dargestellt, aber stromabwärts des zweiten Ausgangs 2 befindet sich ein Regelventil, mit dem sich der Durchfluss durch den zweiten Strömungsweg einstellen lässt, und auch schließen lässt. Auf diese Weise lässt sich der den zweiten Strömungsweg 3 → 2 beschreitende Anteil des Wärmeträgermediums einstellen, welches anschließend als überhitzter Dampf aus dem Kühlkreis ausgekoppelt und üblichen Nutzungsarten von überhitztem Dampf zugeführt werden kann.
Der den ersten Strömungsweg 5 → 1 vollständig beschreitende Anteil des Wärmeträgermediums, das beim Austritt durch den ersten Ausgang 1 in einem Verhältnis Wasser/Wasserdampf von ca. 4/1 vorliegt, wird einer Dampftrommel zugeführt, aus dem eine Materialauskopplung nicht mehr erfolgen muss, da diese bereits über den zweiten Ausgang 2 realisierbar ist. Materialkompensation erfolgt wie üblich durch Zuführung von Kesselspeisewasser, und die nicht dargestellte Dampftrommel ist in üblicher Art und Weise mit dem Eingang 1 für das Wärmeträgermedium verbunden.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform dahingehend, dass der zweite Strömungsweg 4 → 2', bei deren Beschreiten das Wärmeträgermedium im Einsatz in überhitztes Gas umgewandelt wird, nicht aus dem ersten Strömungsweg 5' → 1' abzweigt, sondern über einen getrennten Eingang 4 in die Wärmetauscherplatte 10' eingeleitet wird. In diesem Fall kreuzen der erste und der zweite Strömungsweg miteinander, und das dem Eingang 4 zugeführte Wärmeträgermedium wird als Sattdampf an der Grenze zu Heißdampf eingeführt. Auch hier bildet wiederum die Begrenzung des zweiten Strömungsweges 4 → 2' eine in die Wärmetauscherplatte 10' integrierte Überhitzerheizfläche. Mit dem Bezugszeichen 7 ist in 2 noch die Zugabe der Reaktionsgase eingezeichnet, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein zur katalytischen Methanisierung im richtigen stöchiometrischen Verhältnis gebildetes Eduktgas mit Wasserstoff und Kohlendioxidanteilen. In den zwischen den Wärmetauscherplatten 10' gebildeten Zwischenräumen befindet sich eine Katalysatorschüttung zur Katalysierung der Methanisierung.
Die Erfindung ist nicht auf die in der Beschreibung mit Bezug auf die Figuren dargestellten Merkmale eingeschränkt. Vielmehr können Merkmale der nachfolgenden Ansprüche wie auch der obigen Beschreibung einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/076315 A2 [0004]
DE 102014015055 [0004]
EP 0995491 B1 [0020]

Claims

Plattenförmiger Wärmetauscher (10; 10') für den Einsatz innerhalb eines auf einem ersten Druckniveau druckbeständigen Druckbehälters eines Reaktors, insbesondere Methanisierungsreaktors, in welchem ein wenigstens zwei Gasbestandteile aufweisendes Eduktgas chemisch in Anwesenheit eines Katalysators zu einem Komponenten beider Gasbestandteile aufweisenden Produktgas reagiert, mit einer auf einem zweiten Druckniveau von bevorzugt einem Überdruck, weiter bevorzugt von 2 bar oder höher, insbesondere 40 bar oder höher druckbeständigen Außenhülle, über die eine thermische Kopplung zwischen einem innerhalb der Außenhülle strömenden Wärmeträger und der chemischen Reaktion geschaffen ist, und einem innerhalb der Außenhülle von einem Eingang (5; 5') zu einem ersten Ausgang (1; 1') verlaufenden ersten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung wenigstens ein Mengenanteil des Wärmeträgers aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden ersten Wärmeaustausches seinen Aggregatszustand ändert, gekennzeichnet durch einen innerhalb der Außenhülle verlaufenden, näher am ersten Ausgang (1; 1') als am Eingang (5; 5') gelegenen und in einen vom ersten Ausgang (1; 1') abweichenden zweiten Ausgang (2; 2') mündenden zweiten Strömungsweg, bei dessen Durchströmung der Wärmeträger aufgrund eines über die thermische Kopplung erfolgenden, gegenüber dem ersten Wärmeaustausch geringeren zweiten Wärmeaustausch seine Temperatur ändert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem der zweite Strömungsweg aus dem ersten Strömungsweg abzweigt.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem die Abzweigung (3) und/oder der zweite Strömungsweg ein einen Druckabfall bewirkendes Strömungshindernis bildet.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis des Strömungsquerschnitts des zweiten Strömungswegs zu dem des ersten Strömungswegs nahe dem ersten Ausgang kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4, und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/9, insbesondere größer als 1/7.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Verhältnis der Strömungsweglänge des zweiten Strömungsweges zu der zwischen dem Eingang und der Abzweigung liegenden Strömungsweglänge kleiner ist als 2/3, bevorzugt kleiner als 3/7, insbesondere kleiner als 1/4, und insbesondere größer ist als 1/19, bevorzugt größer als 1/14, insbesondere größer als 1/9.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der zweite Strömungsweg länger ist als ein zwischen der Abzweigung und dem ersten Ausgang liegender Abschnitt des ersten Strömungsweges.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der innerhalb der Außenhülle gebildeter Raum durch Druckaufblasen zweier an ihren Rändern und insbesondere an weiteren Stützpunkten (18) verbundener Platten gebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Strömungshindernis durch ein Gitter (26) gebildet ist, welches insbesondere durch Punktschweißungen der beiden Platten vor deren Druckaufblasen definiert ist.
Wärmetauscheranordnung mit wenigstens einem, insbesondere einer Mehrzahl von plattenförmigen Wärmetauschern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Reaktor mit Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 9.
Reaktor nach Anspruch 10, mit einem an dem wenigstens einen Eingang und die wenigstens zwei Ausgänge angeschlossenen Kühlsystem, welches insbesondere eine Dampftrommel aufweist.
Reaktor nach Anspruch 11, bei dem das Kühlsystem Wärmeträgermaterial auskoppelt, insbesondere in Form überhitzten Wasserdampfs über den zweiten Ausgang.
Reaktor nach Anspruch 11 oder 12, bei dem stromabwärts des zweiten Ausgangs eine Durchfluss-Steuerung, insbesondere in Form eines Regelventils vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Reaktors gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem man im Reaktor eine chemische Reaktion ablaufen lässt, diese mittels eines Wärmeträgers kühlt und den Wärmeträger zu unterschiedlichen Ausgängen einer Wärmetauscherplatte strömen lässt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem man einen Wärmeträger, insbesondere H₂O, durch die plattenförmigen Wärmetauscher leitet, um insbesondere aus einer im Reaktor stattfindenden katalytischen Methanisierung entstehende Reaktionswärme aufzunehmen, wobei man insbesondere den über den zweiten Strömungsweg geleiteten Volumenstrom in Abhängigkeit vorgegebener Kriterien einstellt, insbesondere einer gewünschten Wärmeträgermaterialauskopplung.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem Verfahrensparameter der im Reaktor ablaufenden Reaktion so aufeinander abgestimmt werden, dass der Wärmeträgerstrom des zweiten Strömungsweges aufgrund des Strömungshindernisses einen Druckabfall von wenigstens 0,5%, bevorzugt wenigstens 0,8%, insbesondere wenigstens 1% erfährt.
Herstellung eines plattenförmigen Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem man eine Begrenzung des zweiten Strömungsweges über Verbindungen zweier an ihren Rändern verbundenen Platten definiert, und den ersten wie insbesondere auch den zweiten Strömungsweg durch Schaffung eines Zwischenraumes zwischen den Platten mittels Druckaufblasen erzeugt.