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Rohrbündelreaktoren sind chemische Reaktoren für katalysierte Reaktionen, die in der Chemietechnik in den allermeisten verfahrenstechnischen Prozessen ablaufen. Hierbei werden Katalysatoren als Festbettschüttung in bis zu 40.000 parallel aufgebauten Rohren angeordnet, die als Wärmetauscher zwischen dem mit Katalysator gefüllten Innenraum und dem Außenraum wirken. Der Innendurchmesser solcher Rohre kann zwischen 10 und 50 cm und die Höhe bis zu 4 m (Ausnahmen 15 m) betragen.
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Rohrbündelreaktoren werden für stark exotherme oder endotherme Reaktionen verwendet, bei denen für einen intensiven Wärmeaustausch gesorgt werden muss.
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Bei der exothermen Prozessführung kann die freiwerdende Reaktionswärme an Kühlmittel (Wärmeträgerölen, Salzschmelzen, Wasser, etc.), das um die Rohre fließt, abgeführt werden.
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Bei der endothermen Prozessführung kann die benötigte Wärme, z.B. durch eine sehr hohe Anzahl von Deckenbrennern (bis zu 3000), an die Rohrbündelrohre übertragen werden. Hierbei soll die Wärme der Feuerungsflamme durch die Rohrwand weiter nach innen an die Katalysatorschüttung und an das durchströmende Fluid transportiert werden. Durch Wärmetransportmechanismen aufgrund der unzureichenden Wärmeleitung der keramischen Katalysatoren und die gleichzeitig ablaufenden endothermen Reaktionen stellt sich ein unterschiedliches axiales und gleichzeitig ein radiales Temperaturprofil innerhalb der Reaktionsrohre ein.
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Die endotherme Verfahrensführung ist zwar Stand der Technik, aber sie erfordert einen sehr hohen peripheren Aufwand für die Brennstoffvorhaltung, Wärmezuführung und nicht zuletzt für sicherheitsrelevante Überwachungen bei Ausfall dieser Komponenten.
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Seit Jahrzehnten erfolgen endotherme Reaktionen in Rohrbündelreaktoren mittels keramischer Katalysatoren. Dieses Konzept ist allgemein bekannt, relativ einfach und lässt sich durch Ändern der Anzahl der Rohre relativ unproblematisch skalieren. Ein Nachteil fast aller Festbettkonfigurationen ist jedoch das Wärmemanagment, da eine sehr große Anzahl kleiner Rohre erforderlich ist, um das Temperaturprofil innerhalb der Schüttung zu vergleichmäßigen und mögliche schädliche Hot Spots zu vermeiden. Der Temperaturunterschied zwischen der außen beheizten Rohrwand und Rohrzentrum kann radial bis 150 °K niedriger sein. Dies führt oft zu unerwünschten Nebenreaktionen, die man durch unterschiedliche Gegenmaßnahmen, wie z.B. Regeneration, versucht zu vermeiden oder aber zu minimieren. Zur erforderlichen Regenerierung der Katalysatorschüttung muss die Brennerleistung in regelmäßigen Abständen auf sehr niedrige Werte reduziert werden und die Ofenraumtemperatur kann soweit abfallen, dass die Brenner, bei Bedarf, nicht mehr spontan zünden, sondern auf externe Zündquellen angewiesen sind. Dies erfordert, dass jeder der hundertfachen Brenner mit einer Flammenüberwachung mit entsprechender Instrumentierung und Wartung ausgestattet sein muss. Auch steht die Problematik der Verschmutzung der Schaugläser im Fokus des Anlagenbetriebes.
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Die Notwendigkeit, sehr kleine Rohrdurchmesser auswählen zu müssen, kann zusätzlich zu Einschränkungen in der Katalysatorteilchengröße der keramischen Schüttung und / oder Probleme im Zusammenhang mit dem Druckverlust in diesen Rohren führen. Je kleiner der Durchmesser der Rohre ist, umso kleiner müssen die Katalysatorgrößen sein. Hierdurch wird zusätzlich die Gefahr von Kriechströmungen an der Rohrwand signifikant erhöht.
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Zur Vergleichmäßigung der Brennerstömung und Temperatur in Feuerräumen von endothermischen Rohrbündelreaktoren werden in der Patentliteratur eine ganze Reihe von Maßnahmen vorgestellt:
- In EP 0247384 A2 wird vorgeschlagen, außen die einzelnen Rohre des Rohrbündelreaktors mit einer Wärmeträgerschüttung auszustatten, die entsprechend aufgeheizt und als Wärmereservoir für den Rohrbündelreaktor fungieren soll. Die gleichmäßige Erwärmung des Wärmeträgers um die Rohre erscheint bei diesem Vorschlag anspruchsvoll, hinzu kommt noch, dass diese Anordnung sehr träge reagiert.
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Die Patentschrift
DE 10357064 A1 schlägt vor „dass die äußeren, im Bereich der Ofenwand angeordneten Brenner, eine Brenneraustrittsöffnung aufweisen, welche vom Zentrum des Ofens wegführend gegenüber der Vertikalen geneigt ist“. Hier bleibt festzuhalten, dass die mangelhafte Wärmeleitung innerhalb der Reaktorrohre als physikalische Größe eine Stoffeigenschaft der Keramik und unabhängig vom Ort der Wärmequelle ist.
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Die
EP 1178 278 A2 möchte zur Lösung des erwähnten Problems, Wärmeübertragungsrohre mit gedrallten Innenrippen einsetzen. Auch hier ist die Wirtschaftlichkeit bei Tausenden von Reaktionsrohren und eine gleichmäßige Befüllung der Rohre nicht realisierbar.
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In
EP 1 681091 A2 werden ebenfalls Rohrbündelreaktoren zur Durchführung exothermer oder endothermer Gasphasenreaktionen vorgestellt. Bei diesem Vorschlag sollen um die Reaktionsrohre außen jeweils eine Vielzahl von Strömungseinbauten zur Verbesserung des Wärmeübergangs angeordnet werden. Hiervon bleibt aber die Wärmeleitung innerhalb der nicht wärmeleitenden keramischen Schüttung in den Rohren unbeeinflusst.
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In
WO 2016 106293 A1 wird vorgeschlagen die Rohrbündel außen mit Rippen zu versehen, auch hier wird die Wärmeleitung innerhalb der Rohre nicht verändert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmebedarf von endothermischen Rohrbündelreaktoren zentral aus einer externen Brennkammer zur Verfügung zu stellen, ohne dass man hunderte, in einigen Fällen tausenden, störanfällige und wartungsintensive Einzelbrenner einsetzt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rohre der Rohrbündelreaktoren nicht, wie im Stand der Technik etabliert, mit keramischen Schütschichtkatalysatoren, sondern mit in Form und Struktur gleichmäßigen metallischen Katalysatoren befüllt. Die Wirkung dieser Maßnahme kann durch die katalytische Innenbeschichtung der einzelnen Reaktionsrohre erheblich intensiviert werden.
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Durch diese metallischen Einbauten wird erreicht, dass eine Verstärkung und Vegleichmäßigung des Wärmetransportes sowohl axial als auch radial innerhalb der Rohre erzielt wird. Hierdurch können Rohre mit erheblich größerem Durchmesser und geringeren Höhen und als Folge sehr kompakte Rohrbündelreaktoren eingesetzt weden.
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Weiterhin ist bekannt, dass metallischen Katalysatorträger über eine geringe Wärmekapazität und höhere Temperaturwechselbeständigkeit verfügen. Hierdurch und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der metallischen Katalysatorträger ist ein schnelleres und gleichmäßigeres Aufheizen der Reaktionsvorrichtung auf ihre Betriebstemperatur als bei der Verwendung von keramischen Katalysatorträgern durchführbar. Ein Fachmann erkennt, dass durch ein schnelleres Aufheizen der Reaktionsvorrichtung auf ihre Betriebstemperatur die Kapazität einer Reaktionsvorrichtung gesteigert werden kann und damit ihre Betriebskosten gesenkt werden können.
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Zusätzlich können die genannten metallischen Katalysatoren als flexible Presspackung innerhalb der Rohre positioniert werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein intensiver Kontakt zwischen Rohrinnenwand und Einbauelement immer gegeben ist. Bekanntlich ist der große Nachteil von keramischen katalytischen Schüttungen die sehr geringe Wärmeübertragung zwischen Rohrinnenwand und Katalysator. Dies führt zu Kriechströmung und erheblich geringerer Produktausbeute. Aufgrund der endothermischen Reaktionen ist es auch erstrebenswert, eine ausgeprägte Strömung von der von außen beheizten Rohrwand in zentrale Richtung der einzelnen Rohre anzustreben. Natürlich kann durch alternierende Strömungswechsel der Stoffaustausch positiv beeinflusst werden.
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Durch Einsatz von metallischen Katalysatoren, und der dadurch bedingten Erhöhung der Wärmeleitung innerhalb der einzelnen Rohren, ist es erfindungsgemäß möglich, das benötigte Wärmereservoir zur konvektiven Wärmeübertragung nicht durch eine sehr hohe Anzahl von einzelnen zu regelnden Brennern innerhalb des Reaktors, sondern wenigstens durch eine separate externe Brennkammer zur Verfügung zu stellen.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Zuführung des Wärmestromes vom Feuerungsraum der Brennkammer in den Reaktionsraum des Rohrbündelreaktors axial und/oder, zur Verbesserung der Wärmeübertragung, über Dralleinbauten erfolgen kann.
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Nach Verlassen des Reaktionsraumes können die Abgase anschließend zur Vorwärmung der Verbrennungsmedien, zur Produktion von Prozessdampf oder zur Beheizung anderer relevanter Einrichtungen innerhalb des Anlagenkomplexes verwendet werden.
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Insgesamt können durch die hier vorgestellte Erfindung die bekannten Störanfälligkeiten von konventionellen endothermischen katalytischen Rohrbündelreaktoren in Hohem Maße gemindert und die Produktausbeute signifikant erhöht werden.
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Weiter Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen, dies zeigt in
- 1 eine vereinfachte Schnittzeichnung durch einen Rohrbündelreaktor gemäß Stand der Technik mit keramischen Katalysatoren innerhalb der Reaktionsrohre und Deckenbrennern (nur 3 dargestellt),
- 2 eine vereinfachte Schnittzeichung durch einen erfindungsgemässen Rohrbündelreaktor mit metallischen Katalysatoren innerhalb der Reaktionsrohre und externer Brennkammer mit axialer Durchströmung des Rohrbündelreaktors,
- 3 eine vereinfachte Schnittzeichung eines erfindungsgemässen Rohrbündelreaktor mit metallischen Katalysatoren und externer Brennkammer mit Dralleinbauten im Deckenbereich des Rohrbbündelreaktors zur Erzielung von Rotationsströmungen innerhalb des Reaktors.
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Der in 1 allgemein als 1 bezeichnete Rohrbündelreaktor besteht aus einer Vielzahl von Rohren (2). Innerhalb dieser Rohre befindet sich eine keramische katalytische Schüttung (3). Das zu behandelnde Fluid tritt in (4) ein und nach der Reaktion in (5) wieder aus. Die für die endotherme Reaktion benötigte Wärme wird über Deckenbrenner (6) erzeugt. In (7) strömen die Abgase aus.
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In 2 ist, ebenfalls als 1 ein Rohrbündelreaktor dargestellt, der aus einer Vielzahl von Rohren (2) aufgebaut ist. Innerhalb dieser Rohre sind hochwärmeleitende metallische Katalysatoren (3a) positioniert. Das zu behandelnde Fluid tritt in (4) ein und nach der Reaktion in (5) wieder aus. In (6) wird ein Verbrennungsmedium im Brenner (8) innerhalb der externen Brennkammer (9) verbrannt. Nach einer axialen Dürchströmung (10) durch den Rohrbündelreaktors und Wärmeabgabe an die Reaktionsrohre, treten die Abgase in (7) wieder aus.
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In 3 ist der Rohrbündelreaktor ebenfalls als 1 bezeichnet. Dieser ist ebenfalls aus einer Vielzahl von Rohren (2) aufgebaut. Innerhalb dieser Rohre sind hochwärmeleitende metallische Katalysatoren (3a) positioniert. Das zu behandelnde Fluid tritt in (4) ein und nach der Reaktion in (5) wieder aus. In (6) wird ein Verbrennungsmedium im Brenner (8) in der externen Brennkammer (9) verbrannt. Nach einer Rotationsströmung (11) innerhalb des Rohrbündelreaktors und Wärmeabgabe an die Reaktionsrohre, treten die Abgase in (7) wieder aus.
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Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Optimierung von katalytischen Reaktionen durch Verwendung metallischer katalytischer Vorrichtungen und externer Brennkammer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0247384 A2 [0008]
- DE 10357064 A1 [0009]
- EP 1178278 A2 [0010]
- EP 1681091 A2 [0011]
- WO 2016106293 A1 [0012]
