DE1961320A1 - Sammel- und Reaktorrohr - Google Patents

Sammel- und Reaktorrohr

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sammel- und Reaktorrohrkonstruktion zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen.
Kohlenwasserstoff umwandelnde öfen für die katalytische Reaktion von flüssigen Kohlenwasserstoffen mit Dampf sind allgemein bekannt. Bei derartigen Konstruktionen werden die Reaktionsmittel einem hängenden katalytischen Umwandlungsrohr von einer oberen Sammelleitung zugeführt, und die Reaktionsprodukte einem unteren Sammelrohr zugeleitet. Ein derartiger Aufbau kann auch umgekehrt werden.
In einem bekannten Prozess wird ein flüssiger Kohlenwasserstoff» wie Methan, katalytisch bei erhöhten Temperaturen mit Dampf zur Reaktion gebracht, um ein umgewandeltes Gasgemisch zu erzeugen,
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das grundsätzlich Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd enthält. Die Reaktion wird vorzugsweise bei erhöhten Drucken durchgeführt; jedoch wird der Vorgang auch bei angenähert atmosphärischem Druck vorgenommen. Die Gesamtreaktion ist endotherm und demzufolge besteht das übliche Verfahren zur Durchführung der Reaktion darin, daß eine Mischung von Kohlenwasserstoff und Dampf durch ein von außen erhitztes Rohr oder durch eine Gruppe von Röhren durchgeleitet wird, wobei diese Röhren mit festem katalytischen Granulat gefüllt sind. Das sich ergebende Produkt (Umgewandelte Gasmischung) wird aus den Röhren der Umwandlungseinheit abgezogen und kann, falls es erforderlich ist, für nachfolgende Prozesse weitergeleitet werden.
Die äußere Heizung der mit einem Katalysator gefüllten Umwandlungsröhren wird gewöhnlich durch Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Luft durchgeführt, obwohl oft andere Heizungsarten wie z. B. eine elektrische Widerstandsheizung, verwendet werden. Da die Umwandlungsreaktion bei beträchtlich erhöhten Temperaturen durchgeführt werden muß, ist es üblich, entweder innen oder außen angeordnete Abwärmekessel zu verwenden, um eine merkliche Wärme aus den Abgasen wiederzugewinnen. Die Brenner sind gewöhnlich am Boden und an den Seiten des Ofens angebracht, um eine äußere Heizung für die Umwandlungsröhren zu erreichen, wobei eine primäre Aufgabe darin besteht, eine wirklich gleichförmige Erwärmung zu erzielen.
Auf diesem technischen Gebiet ist man ständig bemüht, nach wirtschaftlichen Prozessabläufen zu suchen und die vorliegende Erfindung betrifft daher eine verbesserte Reaktorrohrkonstruktion, die gegen die nachteiligen Einwirkungen der Schwefel enthaltenden Brennstoffe geschützt ist, bei der keine heißen Sammelröhren benötigt werden (und daher auch keine komplizierten Verbindungselemente zu diesen Röhren) und mit der erhebliche Einsparungen bei der Wiedergewinnung der Wärme aus den Reaktionsprodukten erzielt werden und wobei gleichzeitig die zugeführten Reaktionsstoffe erwärmt werden.
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Diese Verbesserungen werden in einer Reaktorrohrkonstruktion erreicht, die mehrere zylindrische Elemente besitzt, welche in einer koaxialen Anordnung aufgebaut sind, die ein zentral angeordnetes Produktrohr enthält, das sich innerhalb einer äußeren zusammengesetzten Wand befindet, welche von dieser durch einen ringförmigen Raum getrennt und dazwischen mit einem festen Katalysator gefüllt ist, der kornförmig ausgebildet ist oder eine spezielle Form aufweist. Die zusammengesetzte äußere Wand verwendet in Kombination ein inneres impermeables Metallrohr, von der aus die zusammengesetzte Wand von dem ProduktsammeIrohr herunterhängt und ein schützendes Refraktorgehäuse bildet die äußere Abdeckung für dieses Metallrohr.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Gesamtschnitt im Aufriß einer Reaktorofeneinheit, welche die Lage mehrerer Reaktorröhren gemäß der Erfindung aufzeigt und
Figur 2 ein ins einzelne gehender Längsschnitt durch ein Reaktorrohr gemäß der Erfindung.
Wie aus Figur 1 zu entnehmen ist, wird die Reaktorofeneinheit 10 durch die Behälterwand 11, durch das Oberteil 12 und Unterteil begrenzt. Diese Behälterwandungen sind im Inneren mit konventionellen feuerfesten Materialien ausgelegt, wie beispielsweise Chamottesteine, um eine thermische Barriere aufrechtzuerhalten. Eine Wand aus'Isoliersteinen wird vorzugsweise als eine äußere Abdeckung für die Chamottesteinzone IM verwendet. Die Behälterwand 11 kann die Form eines vertikal sich erstreckenden hexagonalen Prismas oder eines rechtwinkligen Zylinders besitzen, obwohl natürlich auch andere Formen verwendet werden können.
Der Raum innerhalb des Ofens 10 besteht primär aus der Verbrennungszone 14, in der die Reaktorröhren 16 hängen. Zur Vereinfachung ist die Ofeneinheit 10 nur mit einem einzigen Brenner 17 versehen, der zentral angeordnet ist, um eine sich in die Zone 14 erstreckende Flamme zu erzeugen, so daß das Äußere der Röhren
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16 erwärmt wird, die in Reihen aufgehängt aind und von denen 6 eine hexagonale Forst bilden. Die Reaktorröhren 16 können natürlich auch in einer zylinder-kreis-förmigen Anordnung oder in For« eine» Körpers mit rechteckigem Querschnitt angeordnet werden· wobei der Brenner 17 sich entlang deren Achse erstreckt. Jedes der zuvor genannten Muster kann in einem Reaktorofen mehrfach wiederholt werden, so daß eine größere Anzahl von Verbrennungssonen und Brenner entstehen. Bei einem hexagonalen Nüster würde daher eine Vervielfachung im Querschnitt wie eine Honigwabe aussehen. Bei den zuvor genannten Vielfachbrenneranordnungen sind die vertikalen Röhren 16 in vorteilhafter Weise auf allen Seiten viel gleichmäßiger der Strahlung des großen Flammenkegels ausgesetzt.
Die Reaktorröhren 16 hängen von fortlaufenden Versorgungssammelröhren herunter und führen durch mehrere öffnungen 21 und 22, die das Oberteil 12 und Unterteil 13» wie dargestellt, durchdringen. Die Teile des Rohres 16, die sich oberhalb des Oberteils 12 befinden, sind zum Zwecke der Isolierung mit einer Verkleidung 23 abgedeckt. Falls erforderlich, kann das Gewicht eines jeden mit einem Katalysator beladenen Rohres 16 teilweise oder vollständig durch eine nach oben wirkende Feder 24 abgefangen werden, wobei die axiale Belastung der Röhre wegen des inneren Druckes, der variieren kann, durch einen druckbetätigten Kolben und Zylinder 25 kompensiert wird. Anstelle der Feder 24 kann auch eine Hebelkonstruktion verwendet werden.
Da die verbesserte Reaktorrohrkonstruktion und die Anordnung der Röhren für eine gleichmäßigere Erwärmung ihres Äußeren, wie hier beschrieben, ideal dazu geeignet sind, um pulverförmige Kohle als Brennstoff für den Brenner 17 zu verwenden, ist das Unterteil 13 abgeschrägt, um die Asche und Reste besser sammeln und abführen zu können. Solche Abfallmaterialien können durch die AustritÄür 26 entfernt werden. Die in Figur 1 dargestellte Ofenkonstruktion wird in einer aufrechten Lage durch Formstahletrukturelemente getragen, jedoch können auch andere Strukturstützen, wie beispielsweise verstärkte Betonsäulen verwendet werden. Die gasförmigen Produkte der Verbrennung werden aus dem Ofen 10 über den Abgaskanal 27 entfernt, von wo aus sie evtl.
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- 5 zu einem nicht dargestellten Kamin geleitet, werden.
Wie in Figur 2 im einzelnen näher dargestellt ist, besteht das Reaktorrohr 16 aus einem zentral angeordneten Produktrohr 31* um das die Prozessgase (gewöhnlich unter Druck) aus dem Prozessgas s amme Ir ohr 32 gelangen, die durch den ringförmigen mit einem Katalysator gefüllten Raum 33 nach unten zwischen der Metall-Leitung 34 und dem Produktrohr 31 strömen. In der Nähe des Bodens des Reaktorrohres 16 gelangt das Prozessgas in das Produktrohr 31 und steigt darin auf, um in das Produktsammeirohr 36 zu gelangen.
Konzentrisch um das dichte Metallrohr 34 sind ein oder mehr feuerfeste Gehäuseteile 37 vorhanden (z. B. aus Keramik mit verschiedenen Formen von Silikonkarbiden,beispielsweise torvgebundene, nitrit^-gebundene oder mit sich selbst gebundene Silikonkarbide). Das feuerfeste Gehäuse 37 ist bei hohen Temperaturen stark genug, um zu verhindern, daß das Rohr 3*1 unter dem inneren Druck durch Kriechrisse zerplatzt. Das Rohr 34, das zusammen mit dem zentral angeordneten Versorgungsrohr 31 den ringförmigen Raum 33 festlegt, dient verschiedenen Zwecken, nämlich das unter Druck stehende Prozessgemisch, das während des Durchganges erwärmt wird, um den Katalysator für die Reaktion aufzunehmen,und sein eigenes Gewicht, das Gewicht des Gehäuses 37« und den im ringförmigen Raum 33 befindlichen Katalysator ganz oder teilweise zu tragen (aufgrund der Verbindung des oberen Endes mit dem Versorgungssamme1-rohr 32).
Das Gehäuse 37 reicht über den oberen Teil 12 des Ofens bis zu einem Punkt hinaus, bei dem das Rohr 34 noch stark genug ist, um bei Betriebstemperaturen den inneren Druck ebenso wie das Gewicht der hängenden Einheit aufzunehmen. Falls erforderlich, kann die Rohrwandung 34, wo sie aus der schützenden Umhüllung 37 herausragt, vergtärkt oder durch ein anderes Material ausgetauscht werden.
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Aus dem US-Patent 3 270 780 sind für eine gegebene Rohrkorabination 34 und ein Gehäuse 37 Materialien angegeben. Zwischen dem Rohr 34 und dem Gehäuse 37 ist ein bestimmter radialer Kältespalt (Spiel) notwendig. Dieses Spiel basiert auf den unterschiedlichen Ausdehnungseigenschaften der Materialien, so daß bei den Spitzentemperaturen,der die Anordnung während des Betriebes unterworfen ist, die radiale Ausdehnung des Metallrohres 34, das einen größeren Ausdehnungskoeffizieten als die Gehäusekomponennten besitzt, dadurch verursacht wird, so daß ein enger körperlicher Kontakt mit der inneren Oberfläche des äußeren Gehäuses 37 bewirkt wird. Die Komponenten 34 und 37, die.durch die Ausdehnung bei Betriebstemperaturen vereinigt sind, ergänzen ihre komplementären Eigenschaften, so daß das Rohr 34 zur Leckdichtung der Anordnung und das äußere Gehäuse zur größeren Stärke beiträgt, die erforderlich ist, um dem inneren Druck standzuhalten.
Die verbesserte Wirkungsweise der vorteilhaften Reaktorrohrkonstruktion gemäß der Erfindung wird optimiert, indem auf der Innen- und Außenseite im oberen Drittel bis in der oberen Hälfte der Gesamtlänge des inneren Rohres 31 vorspringende Kühlrippen 38 bzw. 39 angebracht werden. Falls erforderlich, können eine wendelförmig fortlaufende vorspringende Kühlrippenkonstruktion oder auch andere bekannte herausragende Wärmeübergangsoberflächen verwendet werden. Auf diese Weise wird die Erwärmung des einströmenden Prozessgases und gleichzeitig die Kühlung des erzeugten Produktgases, das damit im Wärmetausch steht, in diesem Konvektionsbereich sehr schnell erreicht, da sowohl die auf jeder Seite des Rohres 31 befindlichen Gase sich im allgemeinen auf hohem Druck befinden als auch die innere und äußere Oberfläche des Rohres 31 vergrößert wurde. Da der Druckverlust entlang der Wand ' des inneren Rohres 31 primär durch den festen Katalysator im ringförmigen Raum 33 bewirkt wird, kann die Wand des Versa?gingsrohres 31 beispielsweise 0,8 mm dünn sein (1/32 inch).
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel bestehen 6 Reihen (jeweils 8 Röhren) aus 4 m hohen (13 Puss) Reaktorröhren mit einem
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Außendurchmesser von 3*8 cm (2 3/4 inch), die somit eine Gesamtaußenheizflache von 420 dem (450 square feet) aufweisen. Die Feuerung kann beispielsweise mit pulverisierter Kohle, Holzkohle, Restölen oder destilierten ölen durchgeführt werden* Die Beschik- kung für das Verfahren besteht aus einem Gemisch von 94,5 bis 473 kg/h (210 bis 1050 p.p.h.) eines natürlichen Gases und 675 bis 3380 kg/h (15OO bis 7500 p.p.h.) eines gesättigten Dampfes bei einem Druck in einen Bereich von 9*85 bis 70,3 kp/cm(140 bis 1000 psi), welche von dem Sammelrohr 32 in den ringförmigen Raum 33 gelangen. Die Temperatur des Katalysators (z. B. Nickel auf Aluminiumbasis oder andere im Handel erhältliche Katalysato ren) im Raun 33 wird innerhalb eines Bereiches von 815 bis 98O0C (1500 bis 1800° F) aufrechterhalten. Je nach den gewünschten Produkten kann die Einheit derart ausgestaltet werden, um als Re aktor- oder als Cracking-Rohr zu arbeiten. Unter Verwendung des Rohres als Umwandler erstreckt sich der Wärmefluß von 94,8 bis 544 kcal/dm2/h (4000 bis 20,000 Btu per square, foot-hour). Wenn es wünschenswert ist, den Ofen 10 als Crack-Ofen zu verwenden, müßte sich der Wärmefluss auf einen Bereich von etwa 272 bis I36O kcal/da /h (10 000 bis 50 000 Btu per square foot hour) er strecken. Der gesamte Strahlungswärmeflusβ für die Umwandlung würde sich von etwa 0,454 bis 0,23 x 106 kcal/h (1,8 bis 9 χ ΙΟ6 Btu per hour) erstrecken und bei der Verwendung als Crack-Ofen würde sich die gesamte Warmestrahlungsflussmenge auf einen Bereich von etwa 1,13 bis 5,66 χ 106 kcal/h (4,5 - 22,5 x 106 Btu per hour) erstrecken. Eine Analyse des umgewandelten Produktstromes sieht beispielsweise folgendermaßen aus: 45,4 bis 227 kg/h (101 bis 505 PPh) Wasserstoff; 92,6 bis 464 kg/h (206 bis I030 pph) Kohlenstoffmonoxyd; 147 bis 720 kg/h (326 bis I63O pph) Kohlenstoffdioxyd; 481 bis 25IO kg/h (1070 bis 5350 pph) Dampf.
Die Prozessbeschickung würde bei oder über der Temperatur des gesättigten Dampfes oder eines flüssigen Kohlenwasserstoffes bei Betriebsdruck liegen. Mit der vom Sammelrohr 32 aus erfolgenden Einspeisung, die durch den ringförmigen Raum 33 abwärtsströmt, wobei zur gleichen Zeit die Produktgase innerhalb des Produktrohres 31 aufwärts^strömen, findet ein regenerativer Wärme-
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effekt statt. Dieser Wärmeaustausch ergibt sich durch die gleichzeitige Erwärmung der Einspeisung und Kühlung der Produktgase (von der Betriebstemperatur" zur Sammelrohrtemperatur von etwa 260 bis 65O0 C (500 bis 1200° P) auf einen Temperaturbereich, ' der die Verwendung von kohlenstoffhaltigem Stahl oder Röhren aus rostfreiem Stahl mit einem genormten Gewicht und genormten · verschraubbaren Anschlußstücken anstelle einer schwerwandigen Konstruktion aus insgesamt geschweißtem rostfreien Stahl, welcher für Temperaturen im Bereich von 815 bis 980° C (I5OO bis 1800° F) erforderlich ist, zuläßt. Wegen der Möglichkeit, genormte Verbindungsstücke zu verwenden, können die Sammelleitungen 32 und 36 in Teile.auseinandergenommen werden, so daß getrennte Reihen von Reaktorröhren 16 herausgenommen werden können, z. B. zur Inspektion oder zur Nachfüllung von Katalysatoren. Nach der Entfernung einer Reihe von Röhren können einige zusammengesetzte Wände (Elemente 3*1 und 37) von dem Sammelrohr 32 gelöst werden. Eine solche Service-Möglichkeit ist sehr erwünscht und kann nicht erreicht werden, wo heiße Sammelröhren erforderlich sind und wo die Reaktorröhren an den oberen und unteren Enden befestigt sind. Das Prozessgasgemisch erreicht schnell die Betriebstemperatur und bewegt sich abwärts durch den Katalysator, -der die Umwandlungsreaktion fördert. Die Umwandlungsprodukte erreichen sodann das untere Ende des inneren Rohres 31 und bewegen sich aufwärts zum Produktsammeirohr 36. Die verbrauchten Verbrennungsgase treten aus dem Abgaskanal 27 aus und gelangen zum Kamin.
Die Reaktorrohranordnung kann, wie dargestellt, aufrecht hängen, wobei die thermische Beanspruchung minimal ist, da die unteren Enden der Röhren nicht mit irgendeinem Sammelrohr, wie es allgemein üblich ist, verbunden sind. Der verbrauchte Katalysator kann entfernt werden, in dem einfach die Kappe 41 abgenommen wird, wodurch das Gewicht verringert wird, wenn die Röhren 16 angehoben werden. Nach der Entfernung ist es einfach, die Röhren l6 durch das untere Ende wieder mit Katalysatoren zu füllen, in dem das Rohr 16 umgekehrt aufgestellt wird.
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Falls es vorteilhaft sein sollte, kann natürlich auch die Richtung des Prozessflusses durch die Apparatur gemäß der Erfindung umgekehrt werden. In einem solchen Falle würde das Prozessgas durch das zentral angeordnete Rohr eindringen und, nachdem es durch den Katalysator gelangt ist, entlang des ringförmigen Raumes zwischen dem zentral angeordneten Rohr und der gegenüberliegenden Wand wieder austreten. Die Verwendung des Gerätes in der beschriebenen Weise stellt das bevorzugte Ausführungsbeispiel dar.
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Claims (8)

  1. - ίο -
    Ansprüche
    liySammel- und Reaktorrohrkonstruktion zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen unter Mitwirkung von Katalysatoren in Teilen der Reaktorröhren, die in einer Ofenverbrennungszone erwärmt werden, welche aus einem ersten im wesentlichen horizontal angeordneten Sammelrohr (32) und einer in Längsrichtung sich erstreckenden zylindrischen zusammengesetzten Wand, die von dem ersten Sammelrohr herabhängt und die am unteren Ende geschlossen ist, besteht, wobei die zusammengesetzte Wand im Schnitt aus einem äußeren feuerfesten Gehäuse (37) und einem dünnen dichten Metallrohr (34) besteht, das dazu im wesentlichen konzentrisch angeordnet ists wobei das Metallrohr einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt s der größer als derjenige des feuerfesten Gehäuses ist, welches im nicht erwärmten Zustand lose hineinpasst und das bei Betriebstemperaturen von ihm gestützt wird, wobei das erste Sammelrohr mit dem inneren Volumen des Metallrohres strömungsmäßig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß sich innerhalb der zusammengesetzten Wand unter einem gewissen Abstand zu ihr und im wesentlichen koaxial ein inneres Rohr (3D erstreckt, das an seinem unteren Ende mit dem inneren Volumen des Metallrohres strömungsmäßig verbunden ist, daß ein im wesentlichen horizontal gelagertes zweites Sammelrohr (36) mit dem inneren Volumen des inneren Rohres am oberen Ende desselben strömungsmäßig verbunden ist und daß Wärmeübergangsoberflächen (3d,39) vorhanden sind, die sich sowohl von der } äußeren als auch inneren Oberfläche aus etwa im oberen Drittel bis zur Hälfte der Gesamtlänge des inneren Rohres erstrecken«
  2. 2. Sammel- und Reaktorrohrkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des inneren Rohres (31) sich durch das
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    - ii -
    erste Sammelrohr (32) zum zweiten Sammelrohr (36) erstreckt.
  3. 3. Sammel- und Reaktorrohrkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelrohre aus Teilen von Sammelrohren bestehen, die mit genormten Schraubverschlüssen verbunden sind.
  4. 4. Sammel- und Reaktorrohrkonstruktion nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (34) der zusammengesetzten Wand mit dem ersten Sammelrohr verbunden ist, wobei die zusammengesetzte Wand dadurch gehalten wird.
  5. 5. Sammel- und Reaktorrohr nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem inneren Rohr (31) und dem Metallrohr (34) Katalysatormaterial (33) enthält.
  6. 6. Sammel- und Reaktorrohr nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das erste Sammelrohr (32) mit einer Quelle verbunden ist, die Prozessgas unter Druck enthält.
  7. 7. Verfahren zur Durchführung einer Hochtemperaturreaktion unter Mitwirkung von Katalysatoren, bei dem ein abgeschlossener Reaktionsgasstrom unter Druck in nahezu vertikaler Abwärtsrichtung durch ein durch Strahlung erwärmtes Volumen strömt, das Katalysatorteilchen enthält, in dem die zuvor genannte Reaktion stattfindet, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Transport der gebildeten heißen, gasförmigen Reaktionsprodukte in einem in nahezu vertikaler Aufwärtsrichtung strömenden begrenzten Strom1, der von dem zuvor genannten und nach unten gerichteten abgeschlossenen Gasreaktionsstrom getrennt ist und mit ihm im Wärmeaustausch steht.
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  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der die Katalysatorteilchen enthaltende Raum ringförmigen Querschnitt hat und den abgeschlossenen aufwärts gerichteten Gasreaktionsproduktstrom umgibt.
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