DE19936675A1

DE19936675A1 - Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden Reaktors sowie nach diesem Verfahren arbeitender Reaktor

Info

Publication number: DE19936675A1
Application number: DE1999136675
Authority: DE
Inventors: Bernd Marsch
Original assignee: BORSIG ENERGY GmbH
Current assignee: Balcke Duerr Energietechnik GmbH
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2001-07-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden, mindestens zwei über eine Umlenkkammer (4) miteinander verbundene, parallel zueinander verlaufende und durch eine Trennwand (5) getrennte Reaktorräume (1, 2) aufweisenden Festbett-Reaktors mit wandernden Reaktionszonen einer exothermen chemischen Reaktion. Um eine kontinuierlich ablaufende und kostengünstig zu betreibende Reaktion bereitzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Reaktor thermisch regenerativ betrieben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden, mindestens zwei über eine Umlenkkammer miteinander verbundene, parallel zueinander verlaufende und durch eine Trennwand getrennte Reaktor räume aufweisenden Festbett-Reaktors mit wandernden Reaktionszonen einer exothermen chemischen Reaktion. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Phänomen wandernder Reaktionszonen ist in katalytischen Festbett- Reaktoren weitgehend bekannt und in der Regel wegen der Bevorzugung örtlich stationärer Betriebsverhältnisse unerwünscht. In der Abgasreinigung gibt es ver einzelt Anwendungen, in denen der sogenannte Matrox-Reaktor eingesetzt wird, bei dem die wandernde Reaktionszone durch geeignete Umschaltung der Strömungsrichtung im Festbett gehalten wird. Zwar weist diese Verfahrensvariante den Vorteil auf, daß auf Vorwärmung und/oder rekuperative Wärmerückgewinnung verzichtet werden kann, jedoch ist ein so großer Armaturen- und Steuerungs aufwand für die Umschaltung der Strömungsrichtung im Festbett notwendig, daß die Vorteile durch den hiermit verbundenen Kostenaufwand aufgehoben werden.

Um auf die Strömungsumschaltung verzichten zu können, ist es versuchsweise bekannt, katalytische Festbett-Reaktoren mit wandernden Reaktionszonen als sogenannte "Zirkulationsreaktoren" oder "Gilles-Reaktoren" auszugestalten, die einen kontinuierlichen Betrieb wandernder Reaktionszonen in katalytischen Fest bett-Reaktoren ermöglichen. Die Verwendung katalytischer Festbett-Reaktoren hat jedoch den Nachteil, daß das katalytische Festbett in der Herstellung sehr teuer ist und darüber hinaus auch die Aufbereitung des katalytischen Festbetts mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß es kontinuierlich und preiswert durchführbar ist. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens bereitzustellen.

Die verfahrensmäßige Lösung der Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor thermisch regenerativ betrieben wird.

Die thermisch regenerative Betriebsweise des Reaktors hat den Vorteil, daß als Festbett eine preisgünstige und leicht auswechselbare Schüttung verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum thermisch regenerativen Betrieb des Reaktors ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Externes Aufheizen des Festbettes zumindest im Aufgabebereich für das Prozeßgas bis auf die zum Zünden der Reaktion notwendige Temperatur T₀;
b) Abschalten der Heizung;
c) kontinuierliches Einleiten des Prozeßgases auf das Festbett eines ersten Reaktorraumes mit einer Temperatur kleiner T₀;
d) Erwärmen des Prozeßgases bis zur spezifischen Aktivierungstemperatur durch Wärmeaufnahme von dem erhitzten Festbett;
e) Ablauf der exothermen chemischen Reaktion;
f) Erwärmen des Reaktionsgases über die freiwerdende Reaktionswärme;
g) Erwärmen des Festbetts im Bereich hinter der Reaktionszone über das erwärmte Reaktionsgas;
h) Erwärmen des in den Reaktor nachströmenden Prozeßgases bis zur spezifi schen Aktivierungstemperatur über das im Verfahrensschritt g) aufgeheizte Festbett;
i) erneute exotherme chemische Reaktion und
j) kontinuierlicher Ablauf der Verfahrensschritte f) bis i).

Wie diese Aufzählung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäß thermisch regenerativ ablaufenden Verfahren zeigen, genügt zum Starten der exothermen chemischen Reaktion prinzipiell das einmalige Aufheizen des Fest bettes bis auf eine zum Zünden der Reaktion notwendige Temperatur T₀. Danach läuft die Reaktion kontinuierlich selbständig dadurch ab, daß die bei der exothermen chemischen Reaktion freiwerdende Reaktionswärme das Festbett in dem Bereich hinter der Reaktionszone aufwärmt und das nachströmende Prozeß gas durch dieses aufgewärmte Festbett bis zur Aktivierungsenergie erwärmt wird, so daß die exotherme chemische Reaktion erneut startet.

Die Kontinuität dieses thermisch regenerativ ablaufenden Verfahren wird weiterhin dadurch aufrechterhalten, daß die bei der exothermen Reaktion im zweiten Reaktorraum freiwerdende Reaktionswärme zur Erwärmung des Prozeßgases und des Festbetts im ersten Reaktorraum bis auf die Aktivierungstemperatur über die Trennwand zwischen den beiden Reaktorräumen in den ersten Reaktorraum übertragen wird. Durch diese Ausbildung der Trennwand zwischen den beiden Reaktorräumen als zur Wärmeübertragung zwischen beiden Räumen geeignete Wand, ist es möglich, daß das im ersten Reaktorraum angeordnete Festbett und das in den ersten Reaktorraum einströmende Prozeßgas über die Reaktions wärme erwärmt werden, die bei Reaktionen im zweiten Reaktorraum freigesetzt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein in den beiden Reaktionsräumen des Reaktors zirkulierend umlaufender Ablauf der wandernden Reaktionszonen.

Für den Fall, daß die freiwerdende Reaktionswärme nicht mehr ausreicht, um das Festbett und das einströmende Prozeßgas bis auf die Aktivierungstemperatur zu erwärmen, wird vorgeschlagen, daß das Festbett zumindest im Aufgabebereich des Prozeßgases durch erneutes externes Aufheizen bis auf die zum Zünden der Reaktion notwendige Temperatur T₀ erwärmt wird, so daß das in den Reaktor ein strömende Prozeßgas sofort beim Eintritt in den ersten Reaktorraum bis auf die Aktivierungstemperatur erwärmt wird und die exotherme chemische Reaktion von neuem gestartet werden kann.

Ein Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens zwei über eine Umlenkkammer miteinander verbundene, parallel zu einander verlaufende und durch eine Trennwand getrennte Reaktorräume auf, wobei die Reaktorräume mit einer Festbettschüttung gefüllt sind. Ein erfindungs gemäßer Reaktor zeichnet sich dabei dadurch aus, daß die Festbettschüttung aus einem inerten wärmespeichernden Material besteht. Erst durch die Ausbildung der Festbettschüttung als aus einem wärmespeichernden Material bestehend ist es möglich, den beschriebenen kontinuierlich thermisch regenerativen Ablauf des Verfahrens zu gewährleisten, da die freiwerdende Reaktionswärme der exothermen chemischen Reaktion in dem Festbett im Bereich hinter der Reaktionszone gespeichert wird, bis diese wieder an das nachströmende Prozeß gas abgegeben wird, um die exotherme chemische Reaktion bei Erreichen der Aktivierungstemperatur erneut zu starten.

Gemäß einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Reaktors wird vorge schlagen, daß mehrere aus jeweils zwei parallel zueinander verlaufenden Reaktor räumen gebildete Reaktoren im wesentlichen parallel zueinander in einem Reaktorgehäuse angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, bei spielsweise Rohrbündelreaktoren oder Plattenreaktoren bereitzustellen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich thermisch regenerativ zu betreiben sind.

Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die mehreren in einem Reaktorgehäuse angeordneten Reaktoren mit für alle Reaktoren gemeinsamen Umlenk-, Gaseintritts- und Gasaustrittskammern versehen sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele zur Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1a einen schematischen Querschnitt durch einen zwei parallel zueinander angeordnete Reaktorräume aufweisenden Festbett-Reaktors;

Fig. 1b eine zur Abbildung Fig. 1a korrespondierende graphische Darstellung der Temperaturverläufe der Temperatur des Festbetts während verschiedener Reaktionsstadien;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen als Rohrbündelreaktor ausgelegten erfindungsgemäßen Zirkulationsreaktor;

Fig. 3a einen schematischen Längsschnitt durch einen als Plattenreaktor aus gelegten erfindungsgemäßen Zirkulationsreaktor und

Fig. 3b einen um 90° gedrehten schematischen Längsschnitt durch den Platten reaktor gemäß Fig. 3a.

Der in Fig. 1a dargestellte Reaktor besteht aus einem ersten Reaktorraum 1 und einem zweiten Reaktorraum 2, die parallel zueinander verlaufen und jeweils mit einer Festbettschüttung 3 gefüllt sind. Die beiden Reaktorräume 1 und 2 sind über einen nicht mit einer Festbettschüttung 3 gefüllten Umlenkraum 4 miteinander ver bunden. Bis auf diese die beiden Reaktorräume 1 und 2 miteinander verbindenden Umlenkraum 4 sind die beiden parallel zueinander verlaufenden Reaktorräume 1 und 2 über eine Trennwand 5 voneinander getrennt.

Zum Betrieb des Reaktors wird das Prozeßgas über einen Gaseintritt 6 in den ersten Reaktorraum 1 eingeleitet. Nach Ablauf der exothermen chemischen Reaktion verläßt das Reaktionsgas den zweiten Reaktorraum 2 über einen Gas austritt 7. Der Ablauf des Verfahrens zum Betreiben des in Fig. 1a dargestellten Reaktors wird nachfolgend anhand des Temperaturverlaufs im Festbett gemäß Abbildung Fig. 1b beschrieben.

In einem ersten Verfahrensschritt wird die Festbettschüttung 3 über eine - nicht dargestellte - externe Heizung zumindest im Gaseintrittsbereich 6 des ersten Reaktorraumes 1 bis auf die zum Zünden der exothermen chemischen Reaktion notwendige Temperatur T₀ erwärmt. Anschließend wird über den Gaseintritt 6 das Prozeßgas in den ersten Reaktorraum 1 des Reaktors eingeleitet, wobei die Temperatur des Prozeßgases deutlich unterhalb der Temperatur T₀ der aufge heizten Festbettschüttung 3 im Gaseintritt 6 des ersten Reaktorraumes 1 liegt.

Das in den ersten Reaktorraum 1 einströmende Prozeßgas kühlt die Festbett schüttung 3 im vorderen Teil des ersten Reaktorraums 1 örtlich ab und nimmt seinerseits die Wärme aus der Festbettschüttung 3 auf. Sobald das Prozeßgas beim Durchströmen der Festbettschüttung die spezifische Aktivierungstemperatur erreicht hat, setzt die exotherme chemische Reaktion ein.

Durch die freiwerdende Reaktionswärme erhöht sich die Gastemperatur über die örtliche Festbettemperatur hinaus, wodurch das Reaktionsgas nunmehr die Fest bettschüttung hinter der Reaktionszone auf die Temperatur T₁ erwärmt.

Die aufgrund der permanenten Abkühlung der Festbettschüttung 3 am Gaseintritt 6 in Strömungsrichtung des Prozeßgases wandernde Hauptreaktionszone wird durch eine Temperaturwelle gekennzeichnet, deren Scheitelpunkt deutlich über der Aktivierungstemperatur liegt. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Reaktions zone ist unter technischen Bedingungen wesentlich kleiner als die Strömungs geschwindigkeit des Prozeßgases.

Auch beim Übertritt der Reaktionszone über den Umlenkraum 4 in den zweiten Reaktorraum 2 bleibt die Reaktion erhalten, wie dies mit der Temperatur T₂ in der Graphik gemäß Fig. 1b dargestellt ist. Durch Wärmeübertragung der Reaktions wärme aus der Reaktionszone im zweiten Reaktorraum 2 über die Trennwand 5 in den ersten Reaktorraum 1 werden das hier kühl vorliegende Prozeßgas und die abgekühlte Festbettschüttung 3 erneut bis auf die Aktivierungstemperatur aufge heizt, wodurch eine neue Reaktion im ersten Reaktorraum 1 gezündet wird, die ihrerseits wieder durch die Festbettschüttung 3 getrieben wird. Die Reaktion im zweiten Reaktorraum 2 erlischt nach der Wärmeübertragung über die Trennwand 5 hin zum ersten Reaktorraum 1, wie dies mit der Temperatur T₃ gemäß Fig. 1b dargestellt ist, die unterhalb der zum Starten der exothermen chemischen Reaktion notwendigen Aktivierungstemperatur liegt.

Die zweite Temperaturwelle nimmt prinzipiell denselben Verlauf wie die erste, so daß sich ein kontinuierlicher Zyklus wandernder Reaktionszonen einstellt, der die permanente exotherme chemische Reaktion im Reaktor ohne Eingriff in die Prozeßgasführung gewährleistet. Die zweite im ersten Reaktorraum 1 gezündete Temperaturwelle ist in der graphischen Darstellung gemäß Fig. 1b mit T₄ gekenn zeichnet.

In Fig. 2 ist schließlich ein Rohrbündelreaktor 8 dargestellt, in dessen Reaktor gehäuse 9 mehrere der aus jeweils zwei Reaktorräumen 1 und 2 bestehenden, in Fig. 1a dargestellten Reaktoren nebeneinander angeordnet sind. Das über den Gaseintritt 6 in das Reaktorgehäuse 9 einströmende Prozeßgas durchströmt zunächst die Festbettschüttung 3 der ersten Reaktorräume 1 unter gleichzeitigem Ablauf der exothermen chemischen Reaktion, bevor die Reaktionszone über die Umlenkkammer 4 in die zweiten Reaktionsräume 2 wandert.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Rohrbündelreaktor 8 sind sowohl die Rohre der Reaktoren als auch der Mantelraum mit der wärmespeichernden Festbett schüttung 3 gefüllt. Das in dem Reaktorgehäuse 9 angeordnete Rohrbündel ist nur auf einer Seite dicht mit einer Rohrscheibe 10 verschweißt. Dieser Bereich stellt zusammen mit dem Reaktorgehäuse 9 den Gaseintritt 6 dar. Das Prozeßgas durchströmt von dort die ersten Reaktionsräume 1, bis es in die für alle Rohr bündel gemeinsame Umlenkkammer 4 eintritt. In der Umlenkkammer 4 wird die Strömung in den Mantelraum des Reaktors umgelenkt und durchströmt von dort die in dem Mantelraum des Reaktors gebildeten zweiten Reaktorräume 2. Nach Ende der chemischen Reaktion verläßt das Reaktionsgas die Festbettschüttung 3 durch den Gasaustritt 7, der durch einen schüttungsfreien Spalt zwischen der Rohrscheibe 10 des Gaseintritts 6 und der Festbettschüttung 3 der im Mantelraum des Reaktorgehäuses 9 ausgebildeten zweiten Reaktorräume 2 ausgebildet ist. Vom Gasaustritt 7 wird das Reaktionsgas über Stutzen abgezogen und der weiteren Verwendung zugeführt.

In Fig. 3a und 3b ist schließlich ein Zirkulationsreaktor in Form eines Platten reaktors 11 dargestellt. Der Plattenreaktor 11 wird im wesentlichen durch einen beidseitig mit der wärmespeichenden Festbettschüttung 3 gefüllten Plattenwärme übertrager in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise gebildet.

Das Prozeßgas wird nach dem Austritt aus den ersten Reaktorräumen 1 des Plattenreaktors 11 in der Umlenkhaube 4 auf die zweite Seite des Plattenreaktors 11, d. h. in die zweiten Reaktorräume 2 umgeleitet. Wie aus Fig. 3b ersichtlich, verläßt das Reaktionsgas den Plattenreaktor 11 entgegengesetzt zu dem Gasein tritt 6 und von diesem durch eine geeignete Trennwand 12 abgeteilt durch den Gasaustritt 7.

Durch den dargestellten und beschriebenen Verfahrensablauf ist es durch die Verwendung der wärmespeichernden Festbettschüttung 3 möglich, den Zirkulationsreaktor als kontinuierlichen thermisch regenerativen Reaktor zu betreiben. Um die Reaktion einmal zu starten ist es lediglich notwendig, die als inerte wärmespeichernde Festbettschüttung 3 ausgestaltete Füllung der Reaktor räume 1 und 2 einmalig zumindest im Gaseintrittsbereich 6 so weit zu erwärmen, daß das einströmende Prozeßgas bis auf seine spezifische Aktivierungsenergie aufgewärmt wird. Durch die dann ablaufende exotherme chemische Reaktion wird dann jeweils so viel Reaktionswärme freigesetzt, daß die Festbettschüttung 3 hinter der Reaktionszone derart aufgewärmt wird, daß sie das nachströmende Prozeßgas wieder bis mindestens zur Aktivierungsenergie erwärmt, so daß die exotherme chemische Reaktion erneut abläuft und somit die Reaktionszone in Strömungsrichtung durch die Reaktorräume 1 und 2 wandert.

Sollte aufgrund einer zu großen Zuströmgeschwindigkeit des Prozeßgases oder aufgrund einer zu niedrigen Temperatur des einströmenden Prozeßgases die frei werdende Reaktionswärme nicht mehr ausreichen, um das einströmende Prozeß gas wieder bis auf die Aktivierungstemperatur zu erwärmen, so kann die Festbett schüttung 3 im Bereich des Gaseintritts 6 erneut durch die externe Heizung bis auf die Zündtemperatur für die Reaktion erwärmt werden.

Bezugszeichenliste

1

erster Reaktionsraum

2

zweiter Reaktionsraum

3

Festbettschüttung

4

Umlenkkammer

5

Trennwand

6

Gaseintritt

7

Gasaustritt

8

Rohrbündelreaktor

9

Reaktorgehäuse

10

Rohrscheibe

11

Plattenreaktor

12

Trennwand
T₀

Festbett-Temperatur zur Zeit t₀

T₁

Festbett-Temperatur zur Zeit t₁

T₂

Festbett-Temperatur zur Zeit t₂

T₃

Festbett-Temperatur zur Zeit t₃

T₄

Festbett-Temperatur zur Zeit t₄

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines kontinuierlich arbeitenden, mit mindestens zwei über eine Umlenkkammer (4) miteinander verbundene, parallel zueinander verlaufende und durch eine Trennwand (5) getrennte Reaktorräume (1, 2) aufweisenden Festbett-Reaktors mit wandernden Reaktionszonen einer exothermen chemischen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor thermisch regenerativ betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Externes Aufheizen des Festbettes zumindest im Aufgabebereich für das Prozeßgas bis auf die zum Zünden der Reaktion notwendige Temperatur T₀;
b) Abschalten der Heizung;
c) kontinuierliches Einleiten des Prozeßgases auf das Festbett eines ersten Reaktorraumes mit einer Temperatur kleiner T₀;
d) Erwärmen des Prozeßgases bis zur spezifischen Aktivierungstemperatur durch Wärmeaufnahme von dem erhitzten Festbett;
e) Ablauf der exothermen chemischen Reaktion;
f) Erwärmen des Reaktionsgases über die freiwerdende Reaktionswärme;
g) Erwärmen des Festbetts im Bereich hinter der Reaktionszone über das erwärmte Reaktionsgas;
h) Erwärmen des in den Reaktor nachströmenden Prozeßgases bis zur spezifischen Aktivierungstemperatur über das im Verfahrensschritt g) aufgeheizte Festbett;
i) erneute exotherme chemische Reaktion und
j) kontinuierlicher Ablauf der Verfahrensschritte f) bis i).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der exothermen Reaktion im zweiten Reaktorraum (2) freiwerdende Reaktionswärme zur Erwärmung des Prozeßgases und der Festbettschüttung (3) im ersten Reaktorraum (1) bis auf die Aktiverungstemperatur über die Trennwand (5) in den ersten Reaktorraum (1) übertragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Erneutes externes Aufheizen der Festbettschüttung (3) zumindest im Aufgabebereich für das Prozeßgas bis auf die zum Zünden der Reaktion notwendigen Temperatur (T₀), wenn das einströmende Prozeßgas nicht mehr ausreichend über die Reaktionswärme aus dem zweiten Reaktorraum (2) erwärmt wird.

5. Reaktor mit mindestens zwei über eine Umlenkkammer (4) miteinander verbundene, parallel zueinander verlaufende und durch eine Trennwand (5) getrennte Reaktorräume (1, 2), wobei die Reaktorräume (1, 2) mit einer Festbettschüttung (3) gefüllt sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Festbettschüttung (3) aus einem inerten wärmespeichernden Material besteht.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Reaktorgehäuse (9) mehrere parallel und mit Abstand zueinander angeordnete, erste mit einer Festbettschüttung (3) gefüllte Reaktorräume (1) bildende Rohre bzw. Platten angeordnet sind und die zweiten mit einer Festbettschüttung (3) gefüllten Reaktorräume (2) durch das die Rohre bzw. Platten umgebende Reaktorgehäuse (9) gebildet sind.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Reaktorgehäuse (9) ausgebildeten Reaktorräume (1 und 2) eine gemeinsame Umlenkkammer (4) sowie einen gemeinsamen Gaseintritt (6) und Gasaustritt (7) aufweisen.