DE2412840C2

DE2412840C2 - Röhrenreaktor für die katalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE2412840C2
Application number: DE2412840A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6000 Bergen-Enkheim Cornelius; Heinz Dipl.-Ing. 6081 Klein-Gerau Jockel; Hans 6000 Frankfurt Küpfer
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1982-11-11
Also published as: BR7501569A; JPS50129604A; FR2264769B1; DE2412840A1; FR2264769A1; GB1470631A

Description

Die Erfindung betrifft einen Röhrenreaktor zum Umsetzen gasförmiger oder verdampfter Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf in zahlreichen, Katalysatormaterial enthaltenden, senkrecht angeordneten Reaktionsrohren zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Produktgas bei Temperaturen oberhalb von etwa 700⁰C und einem Druck im Bereich von 5—80 bar, wobei die Reaktionsrohre in einer Heizzone durch ein zum Kühlen eines Kernreaktors verwendetes Gas, insbesondere Helium, von Temperaturen über 800⁰C indirekt beheizt werden.

Diese Ausbildung und Anwendung eines Röhrenreaktors ist aus DE-PS 12 98 233 bekannt Der Aufbau einer bestimmten Röhrenreaktorform ist in der DE-OS 21 47 802 beschrieben.

Wenn man die durch Kernspaltung erzeugte Wärme in einem Kernreaktor durch ein Gas, insbesondere Helium, abführt, wird das der Kühlung dienende Helium meist auf über 800⁰C bis etwa 1100⁰C aufgeheizt Vorzugsweise liegen die Heliumtemperaturen bei etwa 850 bis HOO⁰C und das Helium tritt aus dem Kernreaktor mit einem Druck von etwa 20 bis 60 bar aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Röhrenreaktor der

eingangs genannten Art an die besonderen Betriebsbedingungen anzupassen, die durch das heiße Helium gegeben sind, und eine kostengünstige Lösung zu Finden. Erfindungsgemäß geschieht dies durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Als Einsatz-Kohlenwasserstoffe kommt z. B. das- im wesentlichen aus Methan bestehende Erdgas oder auch Gemische aus Methan roh höheren Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff und Kohlenoxiden in Frage. Ferner

ίο können höhersiedende Kohlenwasserstoffe als Methan umgesetzt werden, sofern sie zuvor verdampft wurden. Auch ein aus verdampften Kohlenwasserstoffen erzeugtes Reichgas kommt als Einsatzmaterial in Frage. Als Katalysatoren werden vielfach Nickelkatalysatoren

is mit etwa 5 bis 20 Gew.% Nickel auf einem temperaturfesten Trägermantel, z. B. Aluminiumoxid, verwendet

Das Helium des Kernreaktors muß als Kühlmedium für den Kernspaltprozeß stets zur Verfügung stehen. Auch führt dieses Helium in Spuren radioaktives Mate rial mit sich. Es muß deshalb verhindert werden, daß das Helium in das Produktgas der Kohlenwasserstoffspaltung gelangt Ebenso muß verhindert werden, daß Produktgas in gefährlicher Menge in den Heliumkreislauf eintritt

Das gruppenweise Abschalten der Rohre bedingt eine Vielzahl von Armaturen, die zuverlässig arbeiten müssen. Diese Armatures befinden sich deshalb in einem Bereich des Reaktors außerhalb der Heizzone, wo höchstens Temperaturen von 450 bis 550⁰C herrschen.

Durch die konstruktive Gestaltung des Reaktors, dessen Rohre zum Teil innerhalb und zum Teil außerhalb der Heizzone liegen, wird es so möglich, die Kosten für die Armaturen niedrig zu halten. Der Wärmeaustausch des Produktgases mit dem Einsatzmaterial ermöglicht auf einfache Weise die Ableitung des Produktgases mit Temperaturen von 450 bis 550° C Wollte man statt dessen das Produktgas z. B. in einem Abhitze-Dampfkessel abkühlen, so wäre ein unverhältnismäßig höherer Aufwand erforderlich, da auch hier aus Sicherheitsgründen das Wasser-Wasserdampfsystem in Untereinheiten aufgeteilt werden muß.

Ausführungsbeispiele für den Reaktor werden anhand der Zeichnung erläutert Es zeigen Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des Reaktors im Längsschnitt und

Fig. 2 die gruppenweise Zusammenfassung von Reaktionsrohren in Draufsicht

Der Reaktor der Fig. I besitzt ein Gehäuse 1 mit einer Abdeckplatte 2 und eiine große Zahl von Rohren 3.

so Die Rohre ragen mit einem Teil ihrer Länge in die Heizzone 4, ein Teil der Rohrlänge liegt außerhalb der Heizzone. Das Heizmedium für die Heizzone 4 tritt beim Einlaß S in die Heizzone ein und beim Auslaß 6 wieder aus. Durch nicht dargestellte Einbauten in der Heizzone 4 des Reaktors wird das heiße Gas so in die Umgebung der Rohre geleitet, daß es möglichst viel Wärme an diese abgeben kann, bevor es wieder bei 6 austritt

Die Rohre haben eine langgestreckte zylindrische Form und sind innerhalb der Heizzone 4 vollkommen, auch am unteren Ende, abgeschlossen. Jedes Rohr besitzt eine Zufuhrleitung 7 für umzusetzendes Einsatzmaterial sowie eine Ableitung 8 für das erzeugte Produktgas. Die Ableitung 8 ist innerhalb eines jeden Rohres bis nahe an dessen unteres Ende geführt und besitzt dort eine Eintrittsöffnung 9

Die Ableitungen 8 verlaufen innerhalb der Rohre 3 z. B. Zickzack- oder wendelförmig, wie das für ein Rohr dargestellt ist Reaktionsrohre dieser Art sind in der

DE-OS 19 01 758 und im dazugehörigen US-Patent 37 13 784 beschrieben.

Der in der Heizzone 4 liegende Teil eines jeden Rohres ist um die Ableitung 8 mit Katalysatormaterial 13 gefüllt, wie das schraffiert für ein Rohr dargestellt ist Der außerhalb der Heizzone befindliche Teil der Rohre ist mit Füllmaterial 12 gefüllt, um den Wärmeübergang von der Ableitung 8 ram Innenraum der Rohre zu verbessern.

Über Sammelleitungen 7a und 7b, die durch Ventile 10 und 11 unabhängig voneinander an- und abschaltbar sind, tritt Einsatzgemisch in die Zufuhrleitungen 7 und von dort in die einzelnen Rohre 3 ein. Das Einsatzgemisch besteht z. B. aus Methan und Wasserdampf in einem molaren Verhältnis von 1 :1,2 bis 1 :7, an die Stelle des Methans kann z. B. auch ein Reichgas treten, das überwiegend aus Methan besteht und daneben noch Wasserstoff, Kohlenoxide sowie einen Anteil höherer Kohlenwasserstoffe enthält Ein solches Reichgas kann in bekannter Weise aus Naphtha mit Wasserdampf durch katalytische Spaltung an Nickelkatalysatoren bei Temperaturen von 300 bis 500° C erzeugt sein.

Das Einsatzgemisch wird in nicht gezeigter V-'eise vor Eintritt in die Rohre 3 auf etwa 350 bis 450⁰C vorgewärmt und durchströmt dann zunächst den oberen Teil der Rohre, welcher gasdurchlässiges Füllmaterial enthält Als Füllmaterial kommen z. B. temperaturbeständige Keramikkörper in Frage. Auf diese Weise wird das Einsatzgemisch beim Durchströmen des Füllkörpermaterials 12 weiter erhitzt und erreicht etwa Temperaturen von 450 bis 550° C, wenn es im jeweiligen Rohr die Höhe der Abdeckplatte 2 erreicht hat Dort trifft das Einsatzgemisch auf das Katalysatormaterial 13, wodurch die endotherme Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf zu CO, CO2 und Hz einsetzt Die erforderliche Reaktionswärme wird durch das heiße Helium des Kernreaktors, das sich in der Heizzone 4 befindet, aufgebracht Am unteren Ende der Rohre 3, wo sich die Eintrittsöffnung 9 für die Produktgas-Ableitung 8 befindet, weist das Gas etwa Temperaturen von 700 bis 1000°C auf. Durch die Rückführung dieses Produktgases in der rohrförmigen Ableitung 8 wird zusätzlich noch das Katalysatormaterial 13 erhitzt, sowie in der bereits erwähnten Weise das Füllkorpermaterial IZ Am oberen Ende der Ableitungen 8, dort wo sie in die Sammel-Ableitungen 8a und Sb übergehen, hat das Produktgas noch Temperaturen von etwa 450 bis 550⁰C Die Sammel-Ableitungen 8a und 9b sind unabhängig voneinander durch Ventile 14 und 15 an- und abstellbar.

Der Gasdruck im Innern der Rohre 3 liegt im Bereich von 5 bis ca. 80 bar, vorzugsweise etwa bei 10 bis 60 bar. Bei dieser hohen Belastung lassen sich Undichtigkeiten in den Rohyen im Dauerbetrieb nicht völlig au^chließen. In eintm solchen Fall muß vor allem verhindert werden, daß das heizende Helium, welches radioaktive Materialien vom Kernreaktor enthält, in bedeutenden Mengen in die Produktgasleitungen 8,8a und Sb kommt oder Produktgas in gefährlichen Mengen aufnimmt Eine kleine Anzahl von Rohren ist deshalb jeweils so zu einer Gruppe zusammengefaßt, daß die Gruppe getrennt von den anderen Rohren an-und abgeschaltet werden kann. In F i g. 1 sind zwei bzw. drei Rohre jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßt In F i g. 2 ist in Draufsicht schematisch eine aus sechs Rohren bestehende Gruppe gezeigt, deren Produktgasableitungen 8 in eine Sammelleitung 8c münden, die in nicht dargestellter Weise abschaltbar ist Wird eines der Rohre der Gruppe undicht, so wird die ganze Rohrgruppe abgeschaltet, ohne jedoch gleichzeitig auch die anderen Rohre des Reaktors außer Betrieb zu setzen. Der Reaktor kann dann mit nur unwesentlich verminderter Leistung weiterarbeiten. Eine beliebige Zahl von Rohren kann zu getrennt abschaltbaren Gruppen zusammengefaßt sein, z. B. können 1 bis 6 Rohre eine solche Gruppe bilden. Jede Gruppe besitzt Armaturen zuir Absperren der Sammel-Zuleitungen 7a bzw. 7b und der Sammel-Ableitungen 8a bzw. Sb(Fig. 1). Die Sammel-Zuleitungen 7a und 7b und die zugehörigen Zufuhrleitungen 7 werden mit einem genügend großen Durchmesser ausgerüstet und so geführt, daß durch sie von außen das Füllmaterial und das Katalysatormaterial in die Rohre 3 eingefüllt und daraus abgezogen werden kann.

Es ist auch möglich, anstelle des vorher erwähnten Füllmaterials 12 einen hoch aktiven Nickelkatalysator in den oberen Teil der Rohre einzusetzen. Ein solcher Nickelkatalysator kann z. B. ein Reichgaskatalysator sein; geeignet sind Katalysatoren mit 40 bis 70 Gew.% Nickel auf einem Trägermaterial wie etwa Magnesiumsilikat Ein Einsatzgemisch aus Methan und Wasserdampf wird nunmehr bereits im oberen Teil der Rohre bei Temperaturen etwa von 400 bis 550⁰C in einer endothermen Reaktion teilweise zu CO, CO2 und H2 gespalten. Die restliche Spaltung erfolgt im unteren Teil der Rohre, wie das zuvor beschrieben wurde. Durch den Einsatz eines hoch aktiven Katalysators im oberen Teil der Reaktionsrohre kann die Durchsatzleistung pro Rohr gesteigert werden, dazu wird auch der Wärmeaustausch mit dem Produktgas verbessert, weil die endotherme Spaltreaktion Wärme verzehrt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenreaktor zum Umsetzen gasförmiger oder verdampfter Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf in zahlreichen, Katalysatormaterial enthaltenden, senkrecht angeordneten Reaktionsrohren zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Produktgas bei Temperaturen oberhalb von etwa 700^cC und einem Druck im Bereich von 5—80 bar, wobei die Reaktionsrohre in einer Hetzzone durch ein zum Kühlen eines Kernreaktors verwendetes Gas, insbesondere Helium, von Temperaturen über 800°C indirekt beheizt werden, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Reaktionsrohr (3) einen oberen, außerhalb der Heizzone liegenden Rohrabschnitt und einen nach unten anschließenden, bis zum unteren freien Rohrende in der Heizzone (4) liegenden Rohrabschnitt aufweist,

daß sich im Innern eines jeden Reaktionsrohres eine Ableitung (8) für Produktgas befindet, deren Eintrittsöffnung (9) nahe am unteren Ende des Reaktionsrohres liegt,

daß die Ableitung (8) im unteren, innerhalb der Heizzone liegenden Rohrabschnitt von Katalysatormaterial und im oberen, außerhalb der Heizzone liegenden Rohrabschnitt von temperaturbeständigem Fallmaterial umgeben ist, daß am oberen Ende eines jeden Reaktionsrohres eine Zufuhrleitung (J) für die Kohlenwasserstoffe ansetzt und die Produktgas-Ableitung herausgeführt ist, und

daß die Zufuhr-und Ableitungen der Reaktionsrohre in Gruppen zusammengefc 3t unabhängig von den Leitungen anderer Gruppen an- und abschaltbar ausgebildet sind

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Füllmaterials im oberen Rohrabschnitt ein hochaktiver Nickelkatalysator angeordnet ist