DE2751251C2

DE2751251C2 - Katalytische Reaktoranlage

Info

Publication number: DE2751251C2
Application number: DE2751251A
Authority: DE
Inventors: Richard Floyd Glastonbury Conn. Buswell; Richard Allan Newington Conn. Sederquist; Daniel Jerome Wethersfield Conn. Snopkowski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1986-11-20
Also published as: IL53400A; CH631637A5; GB1545669A; IT1143715B; NL184770C; JPS577538B2; DE2751251A1; FR2374946B1; DK158385B; DK514477A; SE7713226L; NL184770B; DK158385C; ES464565A1; AU511188B2; AU3072477A; NL7712716A; JPS5378983A; IL53400A0; FR2374946A1

Description

Die Erfindung betrifft eine katalytische Reaktoranlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Katalytische Reaktoranlagen zum Umwandern von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in nutzbare technische Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, sind bekannt. Sie sind im allgemeinen für eine hohe Ausbeute an Produktgas ausgelegt Die Anlagengröße ist im allgemeinen von sekundärer Bedeutung, da die Kosten zur Erzeugung des Produktgases einen kleinen Bruchteil des Preises der aus dem Produktgas hergestellten Produkte ausmachen. Das üblichste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist das Dampf-Reformieren oder Steam-Reforming eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes durch Hindurchleiten desselben durch Reaktions- oder Reaktorröhren, die mit einem erhitzten Katalysator gefüllt und innerhalb eines Ofens angeordnet sind. Typischerweise sind die Reaktionsröhren 6,1 bis 12,2 mm lang und die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich (in der Größenordnung von 70%) durch Abstrahlung von den Ofenwänden auf die Reaktionsröhren. Das erfordert einen relativ breiten Zwischenraum zwischen den Röhren und die Anbringung der Röhren neben den Wänden des Ofens, damit jede Röhre durch Abstrahlung von den Wänden gleichmäßig erhitzt wird. Diese technischen Wasserstofferzeugungsanlagen haben eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistung in der Größenordnung von 54 260 bis 67 825 kcal/m² Reaktionsröhrenoberflächeninhalt und pro Stunde. Dieser Anlagenlyp ist jcdoch hauptsächlich von Strahlungswärme abhängig und der thermische Reaktorwirkungsgrad beträgt nur 40 bis 60%. Es können zwar hohe Wasserstoffumwandlungsleistungen erzielt werden, ein grcSer Prozentsatz der in dem Ofen erzeugten Wärmeenergie ve riäßt jedoch den Ofen in Form von Abgasen hoher Temperatur (d. h. in Form von Verlustwärme). Zur Erzielung hoher Heizleistungen müssen daher große Mengen an Brennstoff verbrannt werden. Wenn die Wärmeenergie nicht in einem gesonderten Prozeß ausgenutzt wird, beispielsweise /ur Erzeugung von Dampf, muß sie als Verlustencrgie abgeführt werden. Selbst wenn die Verlustwärme ausgenutzt wird, wird sie nicht zur Erzeugung von Wasserstoff benutzt, wodurch der Wärmewirkungsgrad des Reaktors reduziert wird und die Kosten des erzeugten Wasserstoffes erhöht werden.

Zusammen mit der Entwicklung von Brennsioff/elleiikraftanlagen kam der Bedarf an billigem Wasserstoff als Brennstoff sowie der Bedarf an niedrigen Ankifiekosten auf, um die Brennstoffzellenkraftanlagcn gegcnüber bestehenden Stromerzeugungsanlagen wirtschaftlich konkurrenzfähig machen zu können. Dieser Bedarf brachte einen zusätzlichen Anreiz mit sich, die Größe und die Betriebskosten von Brennstoffverarbeitungsanlagen für die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlcnwasserstoffbrennstoffen zu reduzieren. Die US-PS 31 44 312 und 35 41 729 beschreiben Versuche zur Verringerung der Größe von Reaktoranlagen und zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Das Ausmaß, in welchem diese Versuche erfolgreich waren, wenn sie überhaupt erfolgreich waren, kann nicht ohne weiteres festgestellt werden. Weiter unten sind jedoch die Nachteile der aus diesen US-Patentschriften bekannten Konstruktionen im Vergleich mit der Erfindung eingelegt. ■

Die US-PS 39 09 299 beschreibt eine katalytische Reaktoranlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, die weder mit hohen thermischen Reaktorwirkungsgraden arbeiten kann noch einen kompakten Aufbau hat

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße katalytische Reaktoranlage so auszubilden, daß sie kompakt ist, hohe thermische Reaktorwirkungsgrade hat und in uer Lage ist, mit hohen Heizleistungen zu arbeiten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der kalalytischen Reaktoranlage nach der Erfindung wird Wärme für die Reaktion durch 1) heißes Ofengas, das im Gegenstrom zu dem Strom durch die Rcakfionskammer in dem schmalen ringförmigen Ofengaskanal an der Außenwand der Reaktionskammer strömt, und 2) durch Regenerativwärme aus den Reaktionsprodukten erzeugt, die die Reaktionskammer verlassen und im Gegenstrom zu dem Strom durch die Reaktionskammer in der Regenerationskammer an der Innenwand der Reaktionskammer strömen i»nd von den Heizeinflüssen der heißen Ofengase im wesentlichen isoliert sind. Die Erfindung ist besonders dafür geeignet, eine große Anzahl von Reaktoren in einem kompakten Ofenvolumen unterzubringen.

Zur Erzielung niedriger Kosten sind hohe Heizleistungen (d. h. hohe Geschwindigkeiten, mit welchen Wärme aus den heißen Ofengasen in dem Ofen auf den Reaktionsstrom pro Einheit des Wandoberflächenhhalts, der die beiden Ströme voneinander trennt, übertragen wird) und eine kompakte Anordnung erforderlich. Ein hoher thermischer Reaktorwirkungsgrad erfordert eine hohe Geschwindigkeit der Umwandlung von Pro/eßbrennstoif in Wasserstoff unter Verbrennung einer minimalen Menge an Brennstoff in dem Ofen. Aufwendige und teuere Konstruktionen zur Vermeidung von übermäßigen Wärmespannungen, die durch Temperaturdifferenzen zwischen miteinander verbundenen Teilen erzeugt werden, sollten nicht erforderlich sein.

All das wird durch die Erfindung erreicht, gemäß welcher zwei Ströme benutzt werden, um den Reaktionsgasstrom zu erhitzen. Die Hauptwärmequelle ist der Gegensfom von heißen Ofengaso durch den schmalen ringförmigen Ofengaskanal an der Außenwand der Reaktionskammer. Die andere Wärmequelle ist Regenerativwärme aus den Reaktionsprodukten, die die ringförmige Reaktionskammev verlassen und im Gegenstrom durch die Regenerationskammer an der Innenwand der so Rcaktiorskammer strömen. Diese Verwendung der Gegenströme und des Ofengaskanals sowie der Regenerationskammer sind kritische Faktoren für die Maximierung der Heizleistung und des thermischen Reaktorwirkungsgrades. Ein hoher Regeneratorwärmeübertragungswirksamkeitsgrad reduziert die erforderliche Ofcnheizleistung pro Einheit der Prozeßbrennstoffzufuhr. Es kann deshalb bei derselben Menge an in dem Ofen verwendetem Brennstoff mehr Brennstoff verarbeitet werden (d. h. die Anlage arbeitet mit einem höheren thermischen Gesamtwirkungsgrad).

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Die Größe des Ringspalts gemäß den Ansprüchen 3 und 4, d. h. des Abstands zwischen den Wänden des Olcngaskanals und d<v Regenerationskammer, die heiße Gase in Wärmeaustauschbeziehung mit der Reaklionskammer führen, ist ein kritischer Faktor bei der Bestimmung, wieviel von der verfügbaren Wärme in den Heizströmen tatsächlich auf den Reaktionsgasstrom übertragen wird.

Zur Erläuterung der Erfindung ist es von Nutzen, einen Parameter zu betrachten, der als Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad e bezeichnet wird. Der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad ist gleich der Änderung der Enthalpie des Heizstroms dividiert durch die theoretische maximale Änderung der Enthalpie. Mit anderen Worten, wenn der Heizstrom eine Enthalpie E₁ bei seiner Eintrittstemperatur Γι und eine Enthalpie E₂ bei seiner Austrittstemperatur Ti hat und wenn der beheizte Strom eine Temperatur Tj bei seinem Eintritt hat, so ist der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad zwischen den beiden Strömen durch folgende Gleichung gegeben:

^S ~ E₁ - E₃

wobei £3 die Enthalpie des Heizstrom' ist. berechnet bei der Temperatur T₃.

Es ist außerdem wichtig, den thermischen Reaktorwirkungsgrad η zu definieren:

(N₁₁.) ■ (LHV₁₁,)

' (F_r)(LHK) + F₁(LHV₁)

wobei Nh, die Gesamtmenge an erzeugtem Wasserstoff, LHVh₁ der untere Heizwert von Wasserstoff, F_r die Menge an dem Reaktor zugeführtem Prozeßbrennstoff, Ff die Menge an dem Ofen zugeführtem Brennstoff ist und wobei LHV_r und LHVf die unteren Heizwerte des Prozeßbrennstoffes bzw. des Ofenbrennstoffes sind. Vorstehend ist angenommen worden, daß Wasserstoff das gewünschte Reaktionsprodukt ist Die Gleichung kann ohne weiteres für andere Reaktionsprodukte modifiziert werden.

Es sollte stets im Auge behalten werden, daß // etwa direkt proportional zu ε ist und daß deshalb ein hoher Wirkungsgrad einen hohen Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad erfordert.

Der Vorteil der Reaktoranlage besteht hauptsächlich darin, daß sie einen hohen thermischen Reaktorwirkungsgrad in einem großen Bereich von Heizleistungen (einschließlich sehr hohen Heizleistungen) aufweist, während die Anlage eine kompakte Größe hat. Das Ergebnis ist eine langlebige, kompakte, wirtschaftliche und wirksame Konstruktion, die in der Lage ist. mit hohen Prozeßbrennstoffdurchsätzen zu arbeiten.

An dieser Stelle ist es interessant, die Erfindung mit den Anlagen zu vergleichen, die aus den oben genannten US-PS 35 41 729 und 31 44 312 bekannt sind. Bei der aus der US-PS 35 41 729 bekannten Anlage strömt das Ofengas in derselben Richtung wie der Strom durch das ringförmige Katalysatorbett längs der Innenwand desselben. Diese Lösung ist klar weniger wirksam und unterscheidet sich von dem Gegenstrom, der gemäß der Erfindung an der Außenwand des Katalysatorbettes entlang geht. Bei der aus der US-PS 35 41 729 bekannten Anlage herrschen die höchsten Ofan£asiemperaturen an dem Einlaßende des Katalysatorbettes, welches das kühlste Ende ist, und die Wärmeübertragung in diesem Bereich ist wahrscheinlich so groß, daß eine beträchtliche Menge der Wärme aus den Ofengasen auf die oberen Teile des Regenerationsstroms übertragen wird. Diese Wärme verläßt den Ofen zusammen mit den Reaktionsprodukten, wodurch der thermische Reaktor-

gesamtwirkungsgrad verringert wird. Das ist bei der Erfindung nicht der Fall, weil das Ofengas an dem Reaktionskammereinlaß infolge des Gegenstroms am kältesten ist.

Die aus der US-PS 31 44 312 bekannte Anlage unterscheidet sich von der Anlage nach der Erfindung dadurch, daß die Ofengase sich an dem inneren ringförmigen Katalysatorbett befinden. Außerdem strömen die Ofengase sowohl neben dem inneren als auch neben dem äußeren Reaktionsstrom, was im Gegensatz zur Erfindung steht bei der der Regenerationsstrom von den heißen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist, was gemäß der Erfindung eine wichtige Forderung ist. Außerdem ist zu beachten, daß eine relativ kühle zylindrische Außenwand an einer relativ heißen zylindrischen Innenwand starr befestigt ist. Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen diesen beiden Wänden verursacht werden, sind wahrscheinlich üiizüiääsig hoch und können Störungen verursachen. Weiter ist keine der aus den beiden US-Patentschriften bekannten Anlagen für eine Verwendung mit mehreren Reaktoren in einem einzigen Ofen geeignet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilvertikalschnittansicht einer katalytischer! Reaktoranlage nach der Erfindung, und

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Anlage von F i g. 1 im wesentlichen auf der Linie 2-2 von Fig. I.

Die katalytische Reaktoranlage 10 von Fig. 1 und 2 dient zum Dampf-Reformieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes in Gegenwart eines Katalysators, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Anlage 10 enthält einen Ofen 12 mit Brennerdüsen 14, mit einem Brennstoffverteiler 16 und mit einem Luftverteiler 18. Innerhalb des Ofens 12 sind mehrere röhrenförmige Reaktoren 20 angeordnet.

Jeder Reaktor 20 hat eine zylindrische Außenwand 22 und eine zylindrische Innenwand 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 begrenzen. Die Reaktionskammer 26 ist mit einem Reaktionskatalysator 28 in Form von Pellets gefüllt die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformierkatalysator, wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer 26 von ihrem Einlaß 32 bis zu ihrem Auslaß 36 zu füllen. Der Zylinder, der durch die Außenwand 22 gebildet ist ist an seinem oberen Ende 38 durch eine Endkappe 40 verschlossen. Die Innenwand 24 hat ein oberes Einlaßende 42 und ein unteres Ausiaßende 44. Das Einlaßende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so daß der Raum innerhalb der Innenwand 24 in Gasverbindung mit dem Auslaß 36 der Reaktionskammer 26 ist

In dem Raum innerhalb der Innenwand 24 ist ein Einsatz in Form eines zylindrischen Stopfens 46 angeordnet dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Innenwand 24, wodurch eine ringförmige Regenerationskammer 48 zwischen dem Stopfen und der Innenwand gebildet ist die einen Einlaß 49 hat. Der Stopfen 46 kann zwar eine massive Stange sein, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jedoch ein Rohr, das durch eine Endkappe SO an seinem einen Ende verschlossen ist so daß die Reaktionskammer 26 verlassende Reaktionsprodukte um den Stopfen 46 herum durch die Regenerationskammer 48 strömen müssen. Der Abstand zwischen dem Stopfen 46 und der Innenwand 24 wird durch Ausbauchungen 52 in der Stopfenwand aufrechterhalten.

Die Regenerationskammer 48 dient dem Zweck, Wärme aus den Reaktionsprodukten, die den Auslaß 36 verlassen, in das Katalysatorbett in der Reaktionskammer 26 zurückziehen. Deshalb wird hier der Auslaß 54 der Reaktionskammer 48 als neben dem Einlaß 32 des Katalysatorbettes statt als an dem Auslaßende 44 der Innenwand 24 angeordnet angesehen, und zwar trot/, der Tatsache, daß der tatsächliche Ringraum, der zwi sehen dem Stopfen 46 und dem Mittelrohr 24 gebildet ist, sich bis zu dem Auslaßende 44 erstreckt. Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung sorgt für eine gewisse Vorwärmung des Prozeßbrennstoffes, bevor dieser in das Katalysatorbett eintritt. Das ist aber für die vorliegende Erfindung unkritisch. Außerdem erstreckt sich in dieser Ausführungsform der Stopfen 46 über die gesamte Länge der Reaktionskammer 26, so daß der Einlaß 49 der Regenerationskammer 48 sich neben dem Auslaß 36 der ResktionskänüRer 26 befindet. DaE wird zv^sr für eine maximale Regenerierung bevorzugt, der Regenerationskammereinlaß 49 kann jedoch irgendwo zwischen dem Einlaß 32 und dem Auslaß 36 der Reaktionskammer 26 angeordnet werden, indem ein kürzerer Stopfen 46 benutzt wird.

Es ist zu beachten, daß die Regenerationskammer 48 von den heißen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist. Zur Erzielung eines maximalen Reaktorgesamtwirkungsgr&-!ss ist es wichtig, die Wärmeenergie des Ofengases daran zu hindern, die Reaktionsprodukte inner- halb der Regenerationskammer 48 zu erhitzen. Es ist außerdem wichtig, das Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff oder Wasserstoff innerhalb der Regenerationskammer 48 zu verhindern. Nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten am Auslaß 36 vor handen ist, wird auf die Reaktionskammer 26 übertra gen.

Jeder Reaktor 20 weist einen ersten, oberen Teil 56 und einen zweiten, unteren Teil 58 auf. Der obere Teil 56 ist in einem Raum angeordnet der im folgenden als Brennraum 60 bezeichnet wird. Der Brennraum 60 ist dasjenige Volumen des Ofens 12, innerhalb welchem die tatsächliche Verbrennung des Brennstoffes und der Luft die in den Ofen eingeleitet werden, stattfindet. Dieser Raum ist durch sehr hohe Temperaturen, beträchtli- ehe Strahlungsheizung sowie Konvektionsbeheizung der Reaktoren 20 und durch axiale (d. h. in der Richtung der Achse der Reaktoren 20) sowie radiales Vermischen der Gase darin gekennzeichnet

Der untere Teil 58 jedes Reaktors 20 ist von einer

zylindrischen Wand 62 umgeben, die in äußerem Abstand von der Außenwand 22 angeordnet ist unu mit dieser einen ringförmigen Ofengaskanal 64 mit einem Einlaß 66 und einem Auslaß 67 begrenzt Der Auslaß 67 befindet sich neben dem Einlaß 32 der Reaktionskam mer 26. Der Ofengaskanal 64 ist mit einem Wärmeüber tragungspackmaterial 70 gefüllt das auf einem Gitter 68 ruht und in vorliegendem Beispiel aus Kugeln aus Aluminium besteht Der Zwischenraum 72 zwischen benachbarten zylindrischen Wänden 62 ist mit einem nichtwärmeleitenden Material, wie beispielsweise einer Keramikfaserisolation, gefüllt das auf einer Platte 74 ruht die sich über den Ofen 12 erstreckt und in welcher Löcher gebildet sind, durch die die Reaktoren 20 hindurchgehen. Die Platte 74 und das Material innerhalb des Zwischenraums 72 hindern die Ofengase daran, um die Außenseite der zylindrischen Wände 62 zu strömen. Zusätzlich zu der Platte 74 erstrecken sich Platten 76, 78 und 80 ebenfalls über den Ofen 12 und begrenzen

/wischen sich Verteiler. Die Platte 80 ruht auf der Bodenwand 82 des Ofens 12. Die Platten 78 und 80 begrenzen /.wischen sich einen Reaktionsproduktverteiler 84. Die Platten 76 und 78 begrenzen zwischen sich einen Prozcßbrennstol'feinlaßverteiler 86. Die Platten 74 und 76 begrenzen zwischen sich einen Ofengasauslaßverteilcr 88. Die Stopfen 46 und die Innenwände 24 stoßen an die bodenplatte 80 an. Die Außenwände 22 der Reaktoren 20 stoßen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände 62 stoßen an die Platte 74 an.

Im Betrieb tritt ein Gemisch aus Ddvnpf und reformierbarem Kohlenwasserstoffbrennstoff aus dem Verteiler 86 in den Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 über Löcher 90 in der Außenwand 22 ein; der Verteiler 86 wird über eine Leitung 93 versorgt. Sofort beginnt die Lrhii/ung des Gemisches durch die im Gegenstrom zu ihm durch den Ofengaskanal 64 strömenden Ofengase, und das Gemisch beginnt, in Gegenwart des Reaktionskataiysators 2S zu reagieren. Wenn sieh Breiiiuiu'i. Dampf und Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer 26 aufwärts bewegen, reagieren sie weiterhin und nehmen zusätzliche Wärme auf. An dem Auslaß 36 erreicht die Temperatur der Reaktionsprodukte ein Maximum. Die heißen Reaktionsprodukte treten in den Einlaß 49 der Regenerationskammer 48 ein. Wenn die Reaktionsprodukte sich über die Länge der ringförmigen Regenerationskammer 48 hinwegbewegen, wird Wärme von ihnen in die Reaktionskammer 26 zurückgelcitct. Sie treten daraufhin in den Reaktionsproduktvertciler 84 durch Löcher 94 in der Innenwand 24 ein und werden über eine Leitung 96 zur weiteren Verarbeitung, zur Lagerung oder zum Verbrauch von dem Reaktor 20 weggeführt.

Brennstoff für den Ofen 12 tritt in den Verteiler 16 über eine Leitung 98 ein und gelangt daraufhin über die Düsen 14 in den Brennraum 60. Luft tritt in den Verteiler 18 über eine Leitung 100 ein und gelangt über ring förmigc Durchlässe 102, die jede Düse 14 umgeben, in den Brennraum 60. Das Verbrennen des Brennstoffes und der Luft erfolgt innerhalb des Brennraums 60. Die heißen Ofengase aus dem Brennraum 60 bewegen sich durch die Ofengaskanäle 64 in den Verteiler 88 und werden über eine Leitung 103 abgelassen. Innerhalb des Brennraums 60 sind die Temperaturen im allgemeinen ausreichend hoch, so daß hohe Heizleistungen im Bereich der oberen Teile 56 der Reaktoren 20 trotz des relativ niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten in diesem Bereich erzielt werden. Wenn die Temperatur der Ofengase absinken würde, während sich die Ofengase von den Brennerdüsen 14 wegbewegen, würde die Heizleistung normalerweise unzulässig niedrig werden. Dem wird jedoch hier durch die Verwendung der ringförmigen Ofengaskanäle 64 über den unteren Teilen 58 der Reaktoren 20 entgegengewirkt. Die Ofengaskanäle 64 erhöhen, wenn sie richtig dimensioniert sind, den örtlichen Wärmeübertragungskoeffizienten und daher die Wärmeübertragungswirksamkeitswerte. Das führt zu hohen Heizleistungen sowohl über den oberen Teilen 56 als auch über den unteren Teilen 58, und zwar trotz der niedrigen Temperaturen der Ofengase im Bereich der unteren Teile 58.

Von primärer Bedeutung bei der Erzielung von hohen Heizleistungen ist die Ringspaltgröße, d. h. der Abstand zwischen den Wänden des Ofengaskanals 64, der Reaktionskammer 26 und der Regenerationskammer 48. Diese Spalte sind bei der hier beschriebenen Reaktoranlage so dimensioniert, daß sich der höchst mögliche Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad ergibt, der mit den gewünschten Abgustcmperaturen der Ofengase und der Reaktionsprodukte vereinbar ist. Obgleich theoretisch der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad mit enger werdendem Ofengaskanal 64 und mit abnehmender Regenerationskammerspaligröße zunimmt, sind praktische Grenzwerte, wie die maximal zulässigen Wandtemperaturen und Druckabfälle innerhalb der Ringspalte, wichtige Faktoren bei der Festlegung der minimal zulässigen Spaltgrößen für einen besonderen Anwendungsfall. Die Ringspaltgröße der Reaktionskammer 26 wird in Verbindung mit den Spaltgrößen des Ofengaskanals 64 und der Regenerationskammer 48 so gewählt, daß sich ausreichend hohe Temperaturen in dem gesamten Katalysatorbett ergeben, ohne daß Ofengase in dem Ofengaskanal 64 die Reaktionsprodukte innerhalb der Regenerationskammer 48 auf der anderen Seite des Katalysatorbettes erhitzen. Die Regenerationskammer 48 muß also, wie oben bereits erwähnt, gegenüber den WariTiccinilü55eri der Ofengasc Sm wesentlichen isoliert werden.

Es ist festgestellt worden, daß ein relativ schmaler Bereich von Spaltgrößen gute thermische Reaktorwirkungsgrade sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Prozeßbrennstoffdurchsätzen ergibt. Das Wärmeübertragungspackmaterial 70, das innerhalb der Ofengaskanäle 64 angeordnet ist, sorgt für eine weitere Verbesserung des Wärmeübertragungswirksamkeitsgrades und der Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung zu einem Ring von derselben Größe, aber ohne Wärmeübertragungspackmaterial. Da der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad mit abnehmender Ringspaltgröße zunimmt, könnte das Wärmeübertragungspackmaterial 70 weggelassen werden, wenn die Größe des ringförmigen Ofengaskanals 64 verringert würde. Das liegt zwar im Rahmen der Erfindung, ein breiterer ringförmiger Ofengaskanal mit Wärmeübertragungspackmaterial wird jedoch bevorzugt, da es schwieriger und teurer ist. zulässige Abmessungstoleranzen einzuhalten, wenn der Spalt kleiner wird. Zulässige Bereiche für Spaltgrößen mit und ohne Wärmeübertragungspackmaterial sind in Tabelle 1 angegeben, während beste Ergebnisse, die unter Verwendung der bevorzugten Bereiche erzielt worden sind, in Tabelle 2 angegeben sind. Die angegebenen Bereiche sind gesicherte Schätzwerte, die zum großen Teil auf Testergebnissen basieren. Es sei beachtet, daß für Reaktoren mit sehr kleinem oder mit sehr großem Durchmesser die angegebenen Bereiche ausgedehnt werden können.

Tabelle 1

Zulässige Ringspaltgrößen

Reaktionskammer 7,6—50,8 mm

Regenerationskammer 2,5—25.4 mm
Ofengaskanal

(ohne Packmaterial) 2,5—25.4 mm

Ofengaskanal

(mit Packmaterial) 12,7—76.2 mm

Tabelle 2

Bevorzugte Ringspaltgrößen

Reaktionskammer 12,7—38.1 mm

Regenerationskammer 3,2 — 12.7 mm
Ofengaskanal

(ohne Packmaterial) 6.4 — 12.7 mm

Ofengaskanal

(mit Packmaterial) 12.7—50.8 mm

Einige weitere Faktoren, die die Wahl der Spaltgröße bestimmen, sind: Eigenschaften der Gase und des Reaktionskatalysators 28, die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit der Wände, welche die Ofengase und die beheizten Gase voneinander trennen, und die Reynolds-Zahl der verschiedenen Ströme. Die Wände, die die Gegenströme voneinander trennen, werden üblicherweise möglichst so dünn ausgeführt, wie es sich mit der baulichen Integrität verträgt, und aus Werkstoffen hergestellt, die nicht sehr teuer sind, aber eine gute Wärmeleitfähigkeit haben. Der Reaktionskatalysator wird im allgemeinen so gewählt, daß er ein gutes Reaktionsvermögen und eine lange Lebensdauer hat. Die Katalysatorteilchengröße wird im allgemeinen so klein wie möglich gewählt, um die Katalysatoroberfläche zu maximieren, aber nicht so klein, daß ein unannehmbarer Druckabfall in der Reaktionskammer 26 erzeugt wird.

Obgleich in den Zeichnungen nicht dargestellt, sollten Mittel vorgesehen sein, die eine Fluidisiert^ des Katalysatorbettes infolge des aufwärts strömenden Prozeßgases verhindern.

Beispiel I:

In einer Dampfreformierreaktoranlage ähnlich der von F i g. 1 und 2 mit neunzehn röhrenförmigen Reaktoren hate jeder Reaktor eine Länge von etwa 1524 mm. gemessen ab dem Einlaß 32, und einen Außenwanddurchmesser von 229 mm. Die Hälfte der Länge (762 mm) des Reaktors erstreckte sich in den Brennraum 60. Die Außenwände 22 von benachbarten Reaktoren hatten einen Abstand von 76 mm. Die Reaktoren an der Ofenwand waren von dieser zwischen 102 mm und 127 mm entfernt. Der Spalt zwischen der Außenwand 22 und der Innenwand 24 betrug 27,9 mm, der zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 betrug

6.4 mm und der zwischen der zylindrischen Wand 62 und der Außenwand 22 betrug 31.8 mm. Der Ofengaskanal war mit 12.7-mm-Durchmesser-Raschigringen aus Aluminiumoxid gefüllt. Der Reaktionskatalysator hatte die Form von zylindrischen Pellets. Der Prozeßbrennstoff war Naphtha, das in das Kaariysatorbett als ein mit etwa

4.5 Gewichtsteilen Wasserdampf vermischter Dampf eintrat. Der Prozeßbrennstoffdutchsatz betrug etwa 11,3 kg/h pro Reaktor bei einem Gesamtbrennstoffdurchsatz von etwa 215 kg/h. Eine Umwandlungsleistung von 95% und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 90% wurden erzielt.

Beispiel II:

In einer Dampfreformierreaktoranlage der hier beschriebenen Art mit nur einem einzigen rohrförmigen Reaktor betrug die Reaktorlänge 1524 mm, gemessen ab dem Einlaß 32, und der Reaktor hatte einen Außenwanddurchmesser von 229 mm. Die Hälfte der Länge (762 mm) des Reaktors erstreckte sich in den Brennraum 60. Die Ofenwand hatte rundum einen Abstand von 76 mm von der Reaktoraußenwand. Der Spalt zwischen der Außenwand 22 und der Innenwand 24 betrug 27.9 mm, der zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 betrug 6,4 mm und der zwischen der zylindrischen Wand 62 und der Außenwand 22 betrug 31,8 mm. Der Ofengaskanal war mit Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser von 12,7 mm gefüllt. Der Reaktionskatalysator hatte die Form von zylindrischen Pellets. Der Prozeßbrennstoff war Naphtha, welches in das Katalvsatcrbett als ein mit etwa 4,5 Gewichtsteilen Wasserdampf vermischter Dampf eintrat. Der Pro/.eßbrennstoffdurchsau betrug 12,7 kg/h. Eine Umwandlungsleistung von 88% und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 87% wurden erzielt.

Die Verteileranordnung und die Brennerkonsiruktion, die in den Zeichnungen dargestellt sind, dienen lediglich als Beispiel und sind für die Erfindung oder für einen Teil derselben unkritisch, denn die Erfindung isi bei einem Einzelreaktor innerhalb eines Ofens ebenso anwendbar wie bei vielen Reaktoren, wie vorstehende Beispiele gezeigt haben. Die Erfindung bringt jedoch besondere Vorteile mit sich, wenn mehrere Reaklorcn in einem einzigen Ofen angeordnet werden, da sie gestattet, die Reaktorer dicht zu packen, indem sie sowohl

!5 eine gleichmäßige als auch eine äußerst wirksame Erhitzung der unteren Teile der Reaktoren sicherstellt.

Dicht gepackt angeordnete Reaktoren stellen eine nichtlineare regelmäßige Anordnung von wenigstens Ηγρι Reaktoren dar. wobei die Anordnung das Brcnnraumvolumen im wesentlichen ausfüllt und wobei die Reaktoren im wesentlichen gleichmäßig verteilt und im wesentlichen in gleichen und engen gegenseitigen Abständen innerhalb des Brennraumvolumens angeordnet sind. Beispielsweise kann, wenn ein zylindrischer Brcnnraum angenommen wird, eine Anordnung aus drei dich! gepackten Reaktoren die Form eines gleichseitigen Dreiecks haben, mit einem Reaktor an jeder Ecke. Eine Anordnung aus vier dicht gepackten Reaktoren knnn die Form eines Quadrates haben, mit einem Reaktor an jeder Ecke. Eine Anordnung mit fünf Reaktoren kann einen zentralen Reaktor enthalten, der durch eine quadratische Anordnung von vier Reaktoren umgeben ist. Neun Reaktoren können eine quadratische Anordnung aus drei parallelen Reihen mit jeweils drei Reaklorcn haben. Eine hexagonale Anordnung mit neunzehn Reaktoren ist in Fig.2 gezeigt. In allen Fällen empfängt wenigstens ein Teil jedes Reaktors in der Anordnung eine wesentlich geringere Menge an direkter Strahlung von der Brennraumwand. Beispielsweise empfangen Reaktoren an der Wand wesentlich weniger Strahlung auf der von der Wand abgewandten Seite. Außerdem empfangen Teile der Reaktoren eine wesentlich geringere Strahlungsmenge infolge der Blockierung der Strahlung durch andere Reaktoren in der regelmäßigen Anordnung.

Die Erfindung ist nicht auf das Dampf-Reformicrcn von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zur Erzeugung von Wasserstoff beschränkt. Die Wärmeübertragungsprinzipien, auf denen die Erfindung basiert, könnten ebensogut bei anderen endothermen katalytischcn Reaktionen angewandt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Katalytische Reaktoranlage mit einem Brennraum (60) zum Verbrennen von Brennstoff zur Erzeugung heißer Ofengase und mit wenigstens einem rohrförmigen Reaktor (20), der sich mit einem ersten Teil (56) in den Brennraum (60) erstreckt und eine Außenwand (22) und mit Abstand von dieser eine Innenwand (24) hau die eine einen Reaktionskatalysator (28) aufnehmende ringförmige Reaktionskammer (26) begrenzen, deren Auslaß (36) in dem ersten Teil (56) des Reaktors (20) angeordnet ist, wobei der Reaktor (20) einen zweiten Teil (58) hat, der außerhalb des eigentlichen Brennraums (60) in einem an diesen anschließenden weiteren Ofenteil angeordnet, aber ebenfalls mit den Ofengasen beaufschlagt ist, gekennzeichnet durch eine um den zweiten Teil (58) jedes Reaktors mit Abstand koaxial angeordnete Vand (62), die mit der Außenwand (22) des Reaktors (20) einen schmalen ringförmigen Ofengaskanal (64) begrenzt, dessen Einlaß (66) mit dem Brennraum (60) in Verbindung ist und dessen Auslaß (67) neben dem Einlaß (32) der Reaktionskammer (26) angeordnet ist und durch einen Einsatz (46). der mit Abstand einwärts der Innenwand (24) des Reaktors (20) koaxial angeordnet ist und mit dieser eine schmale ringförmige, neben der Reaktionskammer (26) angeordnete Regenerationskammer (48) begrenzt, deren Einlaß (49) mit dem Auslaß (36) der Ueaktionskammer (26) in Verbindung ist.

2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (4-^Ä) ein zylindrischer Stopfen ist.

3. Reaktoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wänden der Regenerationskammer (48) zwischen 2,5 mm und 25,4 mm liegt, daß der Abstand zwischen den Wänden des Ofengaskanals (64) zwischen 2.5 mm und 76.2 mm liegt und daß der Abstand zwischen den Wänden (22, 24) der Reaktionskammei (26) zwischen 7,6 mm und 50.8 mm liegt.

4. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis

3. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wänden der Regenerationskammer (48) zwischen 3.2 mm und 12.7 mm liegt, daß der Abstand zwischen den Wänden des Ofengaskanals (64) zwischen 12.7 mm und 50.8 mm liegt und daß der Abstand zwischen den Wänden (22, 24) der Reaktionskammer (26) zwischen 12.7 mm und 38,1 mm liegt.

5. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis

4. dadurch gekennzeichnet, daß der Ofengaskanal (64) mit einem Wärmeübertragungspackmaterial (70) gefüllt ist.

6. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis

5. bei der der Reaktor (20) vertikal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Auslaß (36) der Reaktionskammer (26) an deren oberem Ende befindet.

7. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis

6. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Regenerationskammer (48) über die volle Länge der Reaklionskammer (26) erstreckt.

8. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis

7. bei der mehrere Reaktoren (20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (72) zwischen benachbarten Wänden (62) der Ofengaskanäle (64) gegenüber dem Brennraum (60) verschlossen sind