DE2550565A1 - Roehrenreaktor zur durchfuehrung endothermer gasreaktionen - Google Patents

Roehrenreaktor zur durchfuehrung endothermer gasreaktionen

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DE2550565A1 DE19752550565 DE2550565A DE2550565A1 DE 2550565 A1 DE2550565 A1 DE 2550565A1 DE 19752550565 DE19752550565 DE 19752550565 DE 2550565 A DE2550565 A DE 2550565A DE 2550565 A1 DE2550565 A1 DE 2550565A1
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Description

Dr.W.P.Radt ,, 2550560
Dipl.-Ing. E. E. Finkener
Dipl.-Ing. W. Ernesti Dr- 0# Otto & Gomp^
Patentanwälte Gesellschaft mit beschränkter
463 Bochum Haftung
Heinridi-König-Straße 12 «~"ö
Fernsprecher 415 50, 4 23 27 ΙΧ£Λ B O C h U Dl
Telegrammadresse: Radtpatent Bochum '' ' ' ' ' '
Christstraße 9
26/75
EEF/US
Röhrenreaktor zur Durchführung endothermer Gasreaktionen
Die Erfindung betrifft einen Röhrenreaktor zur Durchführung endothermer Gasreaktionen, z.B. zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zur Erzeugung von Gasen, die CO, Hp, CH. und CO2 enthalten, wobei zur Deckung der Endothermie ein 600 bis 1000° heißes Gas, insbesondere ein Edelgas, wie z.B. Helium, dient, das unter einem Druck von 10 bis 100 bar steht und in einem Kernreaktor auf die not-. wendige Temperatur erhitzt wird.
Es ist bekannt, das wärmeabgebende Gas durch isolierte Druckbehälter zu leiten, in den die meist mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre eingehängt sind. Die Reaktionsrohre erfahren bei der Aufheizung vom kalten Zustand auf Betriebstemperatur eine beträchtliche Längendehnung. Aus diesem Grunde werden als Reaktionsrohre Doppelrohre benutzt, die aus einem äußeren Reaktionsrohr und einem innen liegenden Rückführrohr bestehen und bei denen der Eintritt des zur Reaktion vorgesehenen Gasgemisches und der Austritt des Reaktionsgases auf einer Seite liegen. Dabei strömt das zur Reaktion vorgesehene Gasgemisch in den mit Katalysator gefüllten Ringraum zwischen dem äußeren Reaktionsrohr und dem inneren Rückführrohr von unten nach oben. Die Reaktion ist am unteren Punkt des Ringraumes abgeschlossen und das Reaktionsgas kann durch das Rückführrohr nach oben aus dem Reaktionsrohr austreten. Das wärmeabgebende Gas, z.B. Helium, umströmt dabei das Reaktionsrohr im Gegenstrom zum Reaktionsgemisch von unten nach oben. Auf
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diese Weise kann der obere Punkt des Reaktionsrohres, der im kalten Teil des Heliumstromes liegt, als Festpunkt ausgebildet werden. Das Rohr selbst kann sich frei nach unten ausdehnen und die Führung des Hgtails vom Reaktionsrohr durch die Wand des Druckbehälters wird erleichtert.
Da das wärmeabgebende Gas keine nennenswerten Strahlungseigenschaften besitzt, erfolgt die Wärmeübertragung an die Reaktionsrohre überwiegend durch Konvektion. Zur Erzielung günstiger Wärmeübergangs zahlen auf der Beheizungsseite sind mehrere Tor schlage bekanntgeworden.
Man hat beispielsweise auch für gasbeheizte Reaktionsrohre bereits Dmlenkbleche, sogenannte Baffles, verwendet, wie sie bei Wärmeaustauschern üblich sind, durch die eine Querströmung des Heliums erreicht wird. Die Anordnung von Baffles erfordert die zusätzliche Anordnung von Tragrohren, an denen die "ümlenkbleche befestigt werden. Außerdem ist der minimale Abstand der Reaktionsrohre dadurch begrenzt, daß aus Festigkeits- und Fertigungsgründen zwischen den einzelnen Bohrungen ein genügend breiter Steg erhalten werden muß. Hierdurch und durch die zusätzlich erforderlichen ÜJragrohre ergeben sich große Durchmesser der Druckbehälter und damit hohe Kosten. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Konstruktion ist die Relativbewegung zwischen Reaktionsrohren und Baffles, die sich durch das An- und Abheizen ergeben und die durch Schwingungen im System hervorgerufen werden kann. An der Berührungsstelle zwischen den Reaktionsrohren und den TJmlenkblechen ist dadurch die Möglichkeit der Zerstörung der unter Druck stehenden Reaktionsrohre gegeben.
Bei einer anderen, ebenfalls bekannten Ausführungsform, bei der das wärmeabgebende Gas durch einen Ringspalt in Längsrichtung zum Reaktionsrohr strömt, wird in den Innenraum
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des Druckbehälters ein Block aus Kohlenstoff stein oder gebranntem, hochreinem Aluminiumoxyd eingebracht, dessen Länge der aktiven Länge der Reaktionsrohre entspricht. Der aus Einzellagen bestehende Block wird in Längsrichtung zum Druckbehälter so durchbohrt, daß nach Einbringen der Reaktionsrohre in diese Bohrungen ein Ringspalt gebildet wird, durch den das wärmeabgebende Gas strömen kann. Da beim Bohren der Blöcke ein Steg zwischen den Bohrungen erhalten bleiben muß, ergibt sich z.B. für ein Reaktionsrohr mit einem äußeren Durchmesser von 120 mm bei den verwendeten Materialien ein minimaler Abstand von 170 mm. Eine Verkleinerung der Rohrteilung ist dabei nicht möglich.
Es ist ferner bekannt, die Längsbohrungen zum Einschieben der Reaktionsrohre dadurch herzustellen, daß man die Rohre mit einem inneren Durchmesser, der der erforderlichen Bohrung entspricht, am oberen Ende in eine Tragplatte einschweißt. Solche Tragplatten werden aus Gründen der Festigkeit und der angemessenen Führungslänge für die Reaktionsrohre sehr dick. Außerdem können die die Bohrung bildenden Rohre nur von der oberen Seite durch Schweißen befestigt werden. Gegenüber der zuletzt genannten Konstruktion ist eine Verringerung des Abstandes der Rohre kaum möglich.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, die Nachteile der bekannten Reaktoren zu vermeiden.
Ausgehend von einem Röhrenreaktor der eingangs beschriebenen Art, der aus einem Druckmantel mit einer innen liegenden Isolierung besteht, in den senkrecht angeordnete Doppelrohre eingesetzt sind, die aus einem gegebenenfalls mit einem Katalysator gefüllten Reaktionsrohr und einem Umhüllungsrohr bestehen, das das Reaktionsrohr unter Bildung eines Ringspaltes umgibt, den das wärmeabgebende Gas von unten nach oben durchströmt, besteht die Erfindung darin, daß die Umhüllungsrohre zu einem Bündel zusammengefaßt sind, bei dem sich die Rohre wenigstens im oberen
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Abschnitt gegenseitig "berühren und die gedachte Verbindungslinie der Mittelpunkte von jeweils drei sich berührenden Rohren ein gleichseitiges Dreieck bildet, und daß die Umhüllungsrohre an ihren oberen Enden an sechs gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen mit Längs schlitz en versehen sind, in die Verbindungselemente eingeschoben sind, die in etwa die gleiche Länge haben wie die Schlitze, mit den Umhüllungsrohren durch Schweißen fest verbunden sind und an deren Kopffläche die Reaktionsrohre zur Anlage kommen.
Auf diese Weise entsteht eine durch die Umhüllungsrohre selbst gebildete Tragkonstruktion mit minimalem Rohrabstand« S1Ur Reaktionsrohre mit einem Außendurchmesser von 120 mm ergibt sich somit ein Rohrabstand, gemessen zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Rohre, der kleiner als 150 mm ist. Bei Reaktoren, die 300 und mehr Rohre enthalten, bedeutet dies eine beträchtliche Reduzierung des Durchmessers des Druckbehälters gegenüber den bekannten Konstruktionen.
Die Erfindung sieht ferner vor, daß die zu einem Bündel zusammengefaßten Umhüllungsrohre an ihren oberen Enden durch einen das Bündel umschließenden Tragring zusammengehalten werden, der mit den außen liegenden Rohren fest verbunden und mit einer Auflagefläche versehen ist, mit der er auf einem Absatz aufliegt, der am inneren Umfang der Isolierung angebracht ist·
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Schlitze in den Umhüllungsrohren an den Berührungsstellen der Rohre angebracht sind, und daß die Verbindungselemente JO aus im Querschnitt rechteckigen Stegen bestehen, die über ihre Länge beidseitig mit einer mittigen Ausnehmung versehen sind, deren Breite der doppelten Wandstärke der Umhüllungsrohre entspricht, während die verstärkten Ab-
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schnitte Distanzköpfe "bilden, durch die die Reaktionsrohre in den Umhüllungsrohren zentriert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Schlitze in der Mitte zwischen den Berührungsstellen der Umhüllungsrohre und die Verbindungselemente bestehen aus Stegen mit einem dreiarmigen Sternprofil. Dabei sind die einzelnen Arme beidseitig mit in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen versehen, deren Breite der Wandstärke der Umhüllungsrohre entspricht j auch hier bilden die verstärkten Endabschnitte der Arme Distanzköpfe.
Bei Reaktoren der beschriebenen Art kann es, wenn auch sehr selten, z.B. durch Materialfehler oder durch andere Einflüsse zu Undichtigkeiten der Reaktionsrohre kommen. Es ist üblich, in derartigen Fällen solche Rohre dadurch totzulegen, daß man die mit den Reaktionsrohren verbundenen Hgtails außerhalb des Druckapparates abklemmt. Das betroffene Umhüllungsrohr nimmt dann gegenüber den anderen Rohren eine höhere Temperatur an, weil aus dem wärme abgebenden Gas, beispielsweise dem Helium, keine Wärme abgeführt werden kann. Es ist daher erforderlich, zu vermeiden, daß die Umhüllungsrohre unterhalb der Verbindungselemente in direkte Berührung kommen, weil sonst bei den benachbarten Umhüllungsrohren an den Berührungsstellen ebenfalls zu hohe Temperaturen entstehen, so daß die Gefahr besteht, daß sich die Rohre ausbiegen. Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, daß der Außendurchmesser der Umhüllungsrohre unterhalb der Verbindungselemente kleiner ist als im Bereich der Verbindungsstellen. Um Fertigungsungenauigkeiten beim Zusammensetzen des Bündels auszugleichen, sind die Umhüllungsrohre im unteren Bereich mit Distanzstücken versehen, die die Umhüllungsrohre berühren und jeweils an einem Umhüllungsrohr durch He ft schweißung befestigt sind. Auf diese Weise werden die Rohre in diesem Bereich im Abstand voneinander gehalten, ohne daß sie da-
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ran gehindert werden, sich in Längsrichtung auszudehnen. Zweckmäßigerweise sind die Distanzstücke in der Höhe versetzt angeordnet.
Beim Zusammensetzen der Umhüllungsrohre entsteht zwischen diesen ein Freiraum, der einen Durchfluß des wärmeabgebenden Gases, z.B. des Heliums, gestattet. 0m diese Strömung zu verhindern, sieht die Erfindung vor, daß der zwischen den IMLÜllungsrohren befindliche freie Raum oberhalb der Verbindungselemente durch Einschweißen von dünnen Blechzwickein gasdicht verschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind an den Reaktionsrohren an den Stellen, an denen diese aus den oberen Enden der Umhüllungsrohre austreten, dreieckförmige Tragpratzen befestigt, die auf den oberen Enden der Umhüllungsrohre aufliegen und die Lage der Reaktionsrohre fixieren.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es ζeigens
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Re aktor gemäß vorliegender Erfindung,
Figur 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht,
Figuren
3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsformen von Verbindungsstücken und
Figur 5 eine Verbindungsstelle zwischen zwei Umhüllungsrohren in vergrößerter Darstellung.
Der auf Figur 1 schematisch dargestellte Reaktor besteht aus dem Druckmantel 1 und einer inneren Isolierung 2, die
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im oberen Abschnitt stufenförmig abgesetzt ist. Auf dem Absatz liegt der waagerechte Flansch des Tragringes 3 auf, der im Querschnitt winkelförmig ausgebildet ist und die zu einem Bündel zusammengefaßten, unten offenen UmhüTlungsrohre 4 an ihren oberen Snden umschließt. In die ümhüllungsrohre 4 sind unter Freilassen eines Singspaltes 5 die Heaktionsrohre 6 eingesetzt, die unten geschlossen sind und ebenfalls unter Bildung eines Singraumes, der gegebenenfalls mit einer Katalysatormasse gefüllt ist, Hückführungsrohre 16 enthalten, die unten offen sind, Bas am oberen Side in den Hingraum des Seaktionsrohres eingeleitete, au spaltende Gasgemisch durchströmt den Hingraum von oben nach unten und tritt dann in das Hückführungsrohr ein, aus dem es am oberen £nde abgezogen wird» ItLe Järwärmung er—
Ί5 folgt beispielsweise durch Helium, das in einem Kernreaktor die notwendige feisperatur von 600 bis 1000° 0 erhalten hat und die fiingspalte 5 von unten naeh oben durchströmt. Die Zuleitnangen für das zu spaltende Sas und die Ableitungen für das Spaltgas und das Helium sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Beaktionsrohre 6 werden durch an diesen fest angebrachte Iragprataen i5, die Ton der Seite gesehen dreieckartig ausgebildet sind und auf den oberen Sö&en der ISahiillungsrohre aufliegen, fixiert.
Figur 2 zeigt schematisch die Anordnung der Bohre in dem Beaktor, wobei die linke Hälfte der Abbildung eine Braufsicht ist, während die rechte Hälfte einen Schnitt darstellt* üer angedeutete Mantel 1 des Reaktors enthält die innen liegende Isolierung 2, auf deren in der Abbildung 1 erkennbarem stufenförmigem Absatz der waagerechte Flansch des im vorliegenden Fall sechseckig ausgebildeten Tragringes 3 aufliegt. Sie öshüllungsrohre 4 sind innerhalb des Sragringes 3 so-angeordnet, daß sie sich gegenseitig
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berühren und daß die gedachten Verbindungen der Mittelpunkte von jeweils drei sich gegenseitig berührenden Umhüllungsrohren ein gleichseitiges Dreieck bilden. Konzentrisch zu den Umhüllungsrohren 4 sind die Reaktionsrohre 6 unter Freilassen des Ringspaltes 5 in den Umhüllungsrohren angeordnet. Auf der linken Hälfte der Abbildung sind die Tragpratzen 15 zu erkennen, die an die Reaktionsrohre 6 angeschweißt sind und auf den oberen Enden der Umhüllungsrohre befestigt sind. Die Rückführungsrohre sind nicht dargestellt.
Die dreieckförmigen Zwischenräume zwischen den Umhüllungsrohren und zwischen dem Tragring und den außen liegenden Rohren sind durch Einschweißen von dünnen Blechzwickeln gasdicht verschlossen. Die Verbindung zwischen den einzelnen Umhüllungsrohren erfolgt mit den auf den Figuren 3 und 4- dargestellten Verbindungsstücken. Wenn die Verbindungsstücke 13 verwendet werden, schlitzt man die Umhüllungsrohre 4- an den sechs gleichmäßig über den Umfang verteilten Beruh rungs stellen mit den umgebenden Rohren über ein Stück ihrer Länge auf und schiebt von oben die Verbindungsstücke 13 in den Schlitz ein. Die Verbindungsstücke sind so ausgebildet, daß sie über ihre Länge beidseitig mit einer mittigen Ausnehmung versehen sind, so daß sie im Querschnitt gesehen, einen mittleren verdünnten Abschnitt 7 und zwei äußere verstärkte Abschnitte haben, die Distanzköpfe 8 bilden. Die Breite der Ausnehmung entspricht der doppelten Wandstärke der zu verbindenden Umhüllungsrohre. Die Übergänge von dem mittleren, dünner ausgebildeten Abschnitt zu den Distanzköpfen können als abgeschrägte Flächen 17 ausgebildet sein; in diesem Fall haben die Schlitze 10 in den Umhüllungsrohren an den entsprechenden Stellen ebenfalls abgeschrägte Abschnitte 9> wie sich aus Figur 5 ergibt. Zur Verbindung von zwei Umhüllungsrohren werden die Verbindungselemente 13 in der aus Figur 5 ersichtlichen Weise von oben in die Schlitze
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der Umhüllungsrohre e ing e schob en und an den in der Zeichnung gekennzeichneten Stellen verschweißt. Wie sich aus Figur 2 und insbesondere aus Figur 5 ergibt, kommen die Distanzköpfe 8 zur Anlage an den Reaktionsrohren 6, die 5> auf diese Weise zentriert werden.
Figur 4 zeigt ein Verbindungselement, das aus Stegen mit einem dreiarmigen Sternprofil besteht, wobei die einzelnen Arme in gleicher Weise ausgebildet sind, wie es in Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben wurde, nämlich aus einem verdünnten Abschnitt 7 und einem verstärkten Abschnitt 8, dem Distanzkopf. Die Befestigung der Umhüllungsrohre mit den auf Figur 4 dargestellten Stegen erfolgt in analoger Weise; dabei sind die sechs Schlitze nicht an den Berührungsstellen der Umhüllungsrohre angebracht, sondern in der Mit- te zwischen den Berührungsstellen, so daß die sternförmigen Verbindungselemente 14- in dem Raum liegen, der von jeweils drei aneinanderliegenden Umhüllungsrohren umschlossen wird. Wie sich aus Figur 2 ergibt, erfolgt die Verbindung der Umhüllungsrohre mit dem Tragring 3 in ähnlicher Weise.
Aus den vorstehend schon erwähnten Gründen haben die Umhüllungsrohre 5 unterhalb der Befestigungsstellen einen kleineren Durchmesser. Um zu verhindern, daß sie sich unter bestimmten Bedingungen verbiegen und gegenseitig berühren, sind sogenannte Distanzzwickel 12 vorgesehen, die durch Heftschweißung an jeweils einem Rohr befestigt sind, so daß die Längenausdehnung der Rohre nicht beeinträchtigt wird. Die Distanzzwickel 12 sind in gleicher Weise ausgebildet wie die für die obere Abdichtung vorgesehenen Zwickel 11.
Ansprüche
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Leerseite

Claims (8)

Patentansprüche
1. Röhrenreaktor zur Durchführung endothermer Gasreaktionen, "bei dem zur Deckung der Endothermie ein etwa 600 "bis 1000° heißes und unter Druck stehendes Gas, insbesondere ein Edelgas, benutzt wird, das in einem Kernreaktor auf die notwendige Temperatur erhitzt wird und der aus einem Druckmantel mit einer innen liegenden Isolierung besteht, in den senkrecht angeordnete Doppelrohre eingesetzt sind, die aus einem gegebenenfalls mit einem Katalysator gefüllten Reaktionsrohr und einem Umhüllungsrohr bestehen, das das Reaktionsrohr unter Bildung eines Ringspaltes umgibt, den das wärme abgebende Gas von unten nach oben durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungsrohre (4) zu einem Bündel zusammengefaßt sind, bei dem sich die Rohre wenigstens im oberen Abschnitt gegenseitig berühren und die gedachte Verbindungslinie der Mittelpunkte von drei sich berührenden Rohren ein gleichseitiges Dreieck bildet, und daß die Umhüllungsrohre an ihren oberen Enden an sechs gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen mit Längsschlitzen (1O) versehen sind, in die Verbindungselemente (13» 14) eingeschoben sind, die in etwa die gleiche Länge haben wie die Schlitze, mit den Umhüllungsrohren (4) durch Schweißen fest verbunden sind und an deren Kopfflächen die Reaktionsrohre zur Anlage kommen.
2. Röhrenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Bündel zusammengefaßten Umhüllungsrohre
(4) an ihren oberen Enden durch einen das Bündel umschließenden Tragring (3) zusammengehalten werden, der mit den außen liegenden Rohren fest verbunden und mit einer Auflagefläche versehen ist, mit der er auf einem Absatz des inneren Umfanges der Isolierung (2) aufliegt.
3. Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (9, 10) in den Umhül-
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lungsrohren (4) an den Berührungsstellen der Rohre angebracht sind, und die Verbindungselemente (13) aus im Querschnitt rechteckigen Stegen bestehen, die über ihre Länge beidseitig mit einer mittigen Ausnehmung versehen sind, deren Breite der doppelten Wandstärke der Umhüllungsrohre (4) entspricht, während die verstärkten Abschnitte Distanzköpfe (8) bilden.
4. Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (9, 10) in der latte zwisehen den Berührungs stellen der Umhüllungsrohre (4) angebracht sind und die Verbindungselemente aus Stegen (14-) mit einem dreiarmigen Sternprofil bestehen, wobei die einzelnen Arme beidseitig in Längsrichtung verlaufende Ausnehmungen aufweisen, deren Breite der Wandstärke der Umhüllungsrohre entspricht, und die verstärkten Endabschnitte der Arme Distanzköpfe (8) bilden.
5- Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Umhüllungsrohre (4-) unterhalb der Verbindungselemente kleiner ist als im Bereich der Verbindungsstellen.
6. Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Umhüllungsrohren befindliche freie Raum oberhalb der Verbindungselemente durch Einschweißen von dünnen Blechzwickeln (11) gasdicht verschlossen ist.
7- Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungsrohre (4·) im unteren Bereich mit Distanzstücken (12) versehen sind, die die Umhüllungsrohre berühren und jeweils an einem Umhüllungsrohr durch Heftschweißung befestigt sind.
8. Röhrenreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 7> dadurch ge-
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kennzeichnet, daß an den Reaktionsrohren (6), an den Stellen, an denen diese aus den oberen Enden der Umhüllungsrohre (4) austreten, dreieckförmige Tragpratzen (15) befestigt sind, die auf den oberen Enden der Umhüllungsrohre (4-) aufliegen und die die Lage der Reaktionsrohre fixieren.
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DE19752550565 1975-11-11 1975-11-11 Roehrenreaktor zur durchfuehrung endothermer gasreaktionen Withdrawn DE2550565A1 (de)

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