DE2317893C3 - Vorrichtung zur Durchführung katalytischer endothermer Reaktionen - Google Patents

Description

Gemäß Patent 20 55 439, Figur 4 bis Figur 8, ist eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer endothermer Reaktionen bekannt In ihr werden in den katalysatorgefüllten Reaktionsrohrer* Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Dampf unter erhöhtem Druck gespalten. Zur Minderung der Rohrbeanspruchung wird auch die Heizgasseile unter erhöhtem Druck betrieben. Die Endtemperatur des Produktgases ist in der Regel höher als 700°C, vorzugsweise höher als 800°C. Damit ergibt sich das Problem, das heiße Produktgas in einer Vielzahl von Rohren durch den Ofenboden zu führen.

ίο Die Aufgabe besteht insbesondere darin, für jedes Rohr eine getrennte Zu- und Abführung in das bzw. aus dem unter Heizgasdruck stehende Gefäß zu finden, ohne das .Gefäß unnötig zu vergrößern oder eine unvertretbare Verschwächung der Böden durch eine Vielzahl von Rohrdurchtritten zu schaffen. Getrennte Zu- und Ableitungen sind erforderlich, damit im Schadensfall einzelne Reaktionsrohre von außen blindgeflanscht werden können.

Die Zuleitung der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe erfolgt über einzelne flexible dünne Rohrleitungen, die zur Kompensation der thermischen Dehnungen dienen. Wegen der niedrigen Temperatur der Einsatzstoffe von etwa 500°C stellt die Konstruktion an dieser Stelle kein Problem dar. Anders ist es am Austritt. Die hohe Temperatur sowohl auf der Produkt- als auf der Heizgasseite schließt eine normale Durchführung und Einschweißung der Rohre durch den Boden aus. Die Durchführung durch den Boden wird dadurch ermöglicht, daß das heiße Gas aus dem Reaktionsrohr in ein

JO dünnes Rohr geleitet wird, das über eine Kühlkappe mit dem Boden gasdicht verschweißt ist; der Boden wird von einem Kühlmittel in einem direkt an den Boden angebauten Wärmetauscher gekühlt, z. B. Wasser, das vorzugsweise unter einem günstigen Druck gehalten

J5 wird. Damit trennt der Boden im Bereich der Rohrdurchführung gleichzeitig drei Medien, nämlich Produktgas, Heizgas und Kühlmittel.

Nicht ganz befriedigend ist, daß das dünne Auslaßrohr mit zusätzlichen kritischen Schweißnähten einerseits im Heizgasraum und andererseits auch im Wasserraum als Bauelement vorhanden ist. Dieses Bauelement muß wegen der thermischen Bedingungen aus einem hochlegierten Austenit bestehen. Auf der Wasserseite sind andererseits Austenite gefährdet

Ί5 durch Spannungsrißkorrosion.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchführung der heißen Produktgase durch den Druckgefäßboden günstig zu gestalten, ohne die Vorteile gemäß des Patents 20 55 439 aufzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlrohre des Wärmelauschers den äußeren Boden des Wärmetauschers durchdringen, mit demselben dicht verbunden sind und am oder im Zwischenboden fest verbunden sind, daß die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre im unteren Teil Katalysatoriragroste aufweisen, dabei ein katalysaiorfreies Reaklionsrohrstück in einer Länge von mindestens dem einfachen Rohrdurchmesser verbleibt, an die Tragroste sich gasdicht je ein wärmeisoliertes Produktgasablei-

ho tungsrohr anschließt, das Produktgasableitungsrohr zentral in dem katalysatorfreien Rohrstück angeordnet ist und es berührungsfrei in das Kühlrohr hineinragt und der Raum zwischen Produktgasableitungsrohr und Reaktionsrohr mit Isolierwerkstoff gefüllt ist.

t>s Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Produktgasableitungsrohr innerhalb des Kühlrohrcs bis zum äußeren Behälterboden des Wärmetauschers oder darüber hinaus verlängert.

Die nit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf der Gassehe austenitisches Material für die hohe Wärmebelastung eingesetzt werden kann ohne daß dieses austenilische Material mit dem Kühlmedium in Berührung kommt. Der Boden des Druckgefäßes in dem das Heizgas sich befindet steht nicht in direktem Kontakt mit den produktgasdurchströmten Reaktionsrohren. Über das katalysatorfreie Rohrstück des Reaktionsrohres findet ein genügend großer Tetnperaturabbau statt, so daß der Zwischenbo- ι ο den zwischen Wärmetauscher und Druckgefäß eine verminderte Betriebstemperatur aufweist.

Die Erfindung wird anhand der F i g. 1 beispielhaft beschrieben.

Das Innere 23 des Reaktionsrohres 4 ist mit Katalysator gefüllt, der auf dem Katalysatortragrost 24 liegt. Unter dem Katalysatortragrost 24 irt ein konisches Rohrstück 25 innerhalb des Reaktionsrohres 4 dicht eingesetzt. Mit dem konischen Rohrstück 25 ist ein Produktgasableitungsrohr 15 verbunden, das über den Gefäßboden 1 des innen isolierten Druckgefäßes hinausreicht und innerhalb des Kühlrohres 17 endet, so daß die heißen Produktgase über das konische Rohrstück 25 und das Produktgasableitungsrohr 15 in das Kühlrohr 17 gelangen, ohne dabei das Reaktionsrohr 4 im unteren Bereich und den Boden 1 am Durchtritt 26 konvektiv aufzuheizen. Der Wärmetauscherraum 27 zwischen dem Gefäßboden 1 und Wärmetauscher 16 und um das Kühlrohr 17 ist mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, gefüllt. Zur m Verminderung einer möglichen Wärmeübertragung durch Strahlung ist der Zwischenraum zwischen dem Produktgasableitungsrohr 15 und dem Reaktionsrohr 4 in bekannter Weise mit einer Wärmeisolierung 28 gefüllt, wobei das Produktgasableitungsrohr 15 eine )5 separate dünne Isolierummantelung 29 erhält. Der Druckgefäßbehälterboden 1 muß auf der Heizgasseite ebenfalls mit einer Wärmeisolierung 30 versehen werden. Je nach den Betriebsbedingungen wird auch ein Teil des über die Isolierung 30 hinausragenden Teiles des Reaktionsrohres 4 mit einer äußeren Isolierung 31 verschen. Das Kühlrohr 17 ist einerseits mit dem Behälterboden 1 und andererseits mit dem Boden des Wärmetauschers 16 verbunden. Aus dem Kühlrohr 17 tritt das Produktgas nach Abkühlung aus und kann dann in Dekannter Weise zu einem Sammelgefäß, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, fortgeleitet werden- Im Sammelgefäß werden die einzelnen Produktgasströme aus einer Vielzahl von Rohren, wovon nur eine dargestellt ist, zusammengeführt. Die Abkühlung der Produktgase kann im wesentlichen in zweifacher Hinsicht beeinflußt werden und zwar einmal über die Länge des Kühlrohres 17 und zum anderen über die Länge des isolierten Produktgasableitungsrohres 15. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist gewährleistet, daß die heißen Produktgase gefahrlos durch den Druckgefäßboden 1 geführt werden bei einer vertretbaren Verschwächung des Gefäßbodens 1 durch die Vielzahl der notwendigen Durchführungen Die Schweißnaht 32 liegt in einem Bereich, in dem die Temperatur des Reaklionsrohres 4 durch die Art der Kombination von Kühlung, Isolierung und Prozeßgasführung derart abgebaut ist, daß ein Werkstoffwechsel von hochtemperaturbeständigem CrNi-Stahl des Rohres 4 auf einen normalen Kesselbaustahl für den Behälterboden 1 erfolgen kann.

F i g. 2 zeigt eine weitere Ausstattung der Erfindung. Hier erstreckt sich das isolierte Produktgasableitungsrohr 15 über die ganze Länge des Kühlrohres 17, so daß das Produktgas praktisch ohne Abkühlung den Wärmetauscher verläßt. In den Wärmetauscherraum 27 wird nur soviel Kühlwasser eingeführt, daß die Temperatur des Druckgefäßbodens 1 auf den zulässigen Wert gekühlt wird.

Fig. 3 verdeutlicht eine weitere Maßnahme zum Abbau der hohen Wandtemperatur des Reaktionsrohres 4 vom beheizten Bereich bis hin zum Druckgefäßboden 1, die darin besteht, daß der Wärmefluß zum Gefäßboden 1 durch eine Verschwächung der Wanddikke des Reaktionsrohres 4 unterhalb des Katalysaiorrostes 24 beginnend, vermindert wird. Der Übergang vom Anschluß des Reaktionsrohres 4 zum Gefäßboden 1 kann wieder in normaler Stärke ausgeführt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren zum Spalten gasförmiger Kohlenwasserstoffe im Gemisch mit Wasserdampf, zwecks Herstellung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen, bei Drücken über 5 bar im Druckgefäß und in den Reaktionsrohren und bei Temperaturen über 700° C, wobei die Reaktionsrohre mit Heizgas beheizt werden, das den Ringspalt zwischen Reaktionsrohr und das dieses umgebende Mantelrohr;durchströmt, wobei das Gewicht der Mantelrohre und der Reaktionsrohre von einer Tragkonstruktion innerhalb des Druckgefäßes aufgenommen wird und wobei die Resktionsrphre mit katalysatorfreiem Gaszuführungs- und abführungsrohren versehen sind, die Tragkonstruktion am oberen Gefäßboden befestigt ist, die /Tragkonstruktion aus einer Mehrzahl von mindestens zweiteiligen Zugankern und aus einer an den !Zugankern befestigten Tragplatte besteht, die Tragplatte den vollen Querschnitt des Druckgefäßes einnimmt, gasdicht und gleitbar an der Innenisolierung anliegt, die Mantelrohre am oberen Ende in der Tragplatte gasdicht befestigt sind, die Reaktionsrohre sich auf der Tragplatte abstützen, die katalysatorfreien Gaszuführungsrohre gruppenweise durch Stutzen des Druckgefäßes geführt, die katalysatorfreien Gasabfuhrungsrohre der Reaktionsrohre einzeln durch den unteren Druckgefäßboden hindurchgeführt sind, die Gasabfuhrungsrohre außerhalb des Druckgefäßes ais Wärmetauscherrohre durch ein Wärmetauschergefäß geführt sind, wobei das Wärmetauschergefäß derart unmittelbar an den unteren Boden des Druckgefäßes anschließt, daß der untere Druckgefäßboden gleichzeitig obere Wärmetauscherwand ist und wobei das Wärmetauschergefäß Zu- und Ableitungsstutzen für d?s Kühlmedium aufweist, nach Patent 20 55 439, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (17) des Wärmetauschers den äußeren Boden (16) des Wärmetauschers durchdringen, mit demselben dicht verbunden sind und am oder im Druckgefäßboden (1) fest verbunden sind, daß die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre (4) im unteren Teil Katalysatortragroste (24) aufweisen, dabei ein katalysatorfreies Reaktionsrohrstück in einer Länge von mindestens dem einfachen Rohrdurchmesser verbleibt, an die Tragroste (24) sich gasdicht je ein wärmeisoliertes Produktgasableitungsrohr (15) anschließt, das Produktgasableitungsrohr (15) zentral in dem katalysatorfreien Rohrstück angeordnet ist und es berührungsfrei in das Kühlrohr hineinragt und der Raum zwischen Produktgasableitungsrohr (15) und Reaktionsrohr (4) mit Isolierwerkstoff (28) gefüllt ist.
2. 2. Innenisoliertes Druckgefäß nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß sich das wärmeisolierte Produktgasableitungsrohr (15) innerhalb des Kühlrohres (17) bis zum äußeren Behälterboden (16) des Wärmetauschers (16) erstreckt oder darüber hinaus.