DE3540782C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur endothermen katalytischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan, unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, mit einem zylindrischen Druckbehälter, einer Mehrzahl von einseitig geschlossenen Reaktionsrohren, in die Innenrohre eingesteckt sind, den Ringraum zwischen Reaktionsrohr und Innenrohr ausfüllenden Spaltkatalysator und Heizgas- Rohren, drei Rohrböden für die Befestigung der Innenrohre, der Reaktionsrohre und der Heizgas-Rohre sowie mit Zu- und Ableitungsstutzen für Einsatzgas, Heizgas und Produktgas, wie z. B. Spaltgas. Solch eine Vorrichtung dient zur Erzeugung von Spaltglas als Ausgangsstoff für verschiedene Syntheseverfahren wie auch zur Erzeugung von Wasserstoff. Unter erhöhtem Druck soll der Druckbereich von 5 bis 100 bar und unter erhöhter Temperatur der Temperaturbereich von 500°C und höher verstanden werden.

Zur endothermischen katalytischen Spaltung wird Heizwärme in beträchtlicher Menge benötigt. Mittels indirektem Wärmeaustausch erfolgt die Wärmeübertragung an das Reaktionsgemisch.

Bekannt ist, daß die benötigte Wärmemenge durch direkte Verbrennung von Brenngasen in unmittelbarer Umgebung der Reaktionsrohre bereitgestellt wird. Im Rahmen der Bemühungen, Wärme aus kerntechnischen Anlagen, z. B. als heißes Helium einzusetzen, wurden Vorrichtungen entwickelt, die praktisch einem Gas/Gas-Wärmetauscher entsprechen. Diese Vorrichtungen sind Druckbehälter mit einem inneren Rohrsystem mit Rohrböden und Gefäßstutzen für das Heizmedium und für Einsatzrohstoff sowie Produktgas und werden allgemein als Dampf-Reformer bezeichnet.

Aus "Nuclear Engineering and Design", Volumen 78, No. 2, 1. April 1984, Seite 180 Fig. 1 und Seite 186 Fig. 8 sind Dampf-Reformer bekannt, die aus einem Drei-Rohr-System mit drei Rohrböden bestehen. Dabei werden mindestens die Heizrohre in einem Rohrboden über Kompensatoren befestigt. So ist es möglich, die auftretenden radialen Wärmeausdehnungen des heißen Rohrbodens, der Heizgaseintritt vom Heiz­ gasaustritt trennt, aufzufangen. Kompensatoren vergrößern dabei zwangsläufig die Rohrteilung im Rohrboden und führen somit zur Vergrößerung des Durchmessers des zylindrischen Druckbehälters weit über das notwendige verfahrenstechnische Mindestmaß hinaus. Diese Vergrößerung des Durchmessers stellt hinsichtlich des übermäßigen Materialaufwandes einen Mangel dar.

Aus der Offenlegungsschrift DE 32 45 636 ist ein Röhrenspaltofen mit einer Mehrzahl umhüllter Spaltrohre bekannt, bei dem zwischen Hüll- und Spaltrohr ein Ringspalt mit verhältnismäßig kleinem Querspalt geschaffen wird. In den Ringspalt strömt das Heizgas. Abstandshalter im Ringspalt sorgen für die Verwirbelung des Heizgases, um die über dem Umfang gleichmäßige Temperaturverteilung auf der gesamten Länge des Spaltrohres zu erhalten. Eine Ausführung sieht vor, daß die Hüllrohre an ihrem unteren Ende in einem Rohrboden befestigt sind und an ihrem oberen Ende im Abstand vom oberen Rohrboden offen enden. Die Spaltrohre jedoch sind in einem oberen Rohrboden nach unten frei hängend befestigt.

Durch die getrennte Befestigung von Hüll- und Spaltrohr können diese in axialer Richtung eine gegenseitig in unterschiedlicher Richtung erfolgende Wärmeausdehnung unbehindert ausführen.

Der untere Rohrboden ist der Eintrittstemperatur des heißen Heizgases ausgesetzt, der obere Rohrboden ist der Austrittstemperatur des abgekühlten Heizgases ausgesetzt. Die Rohrböden dehnen sich demzufolge in radialer Richtung um unterschiedliche Beträge.

Das führt dazu, daß Hüllrohre und Spaltrohre eine gegeneinander exzentrische Lage einzunehmen bestrebt sind, d. h. die Orte ihrer Längsachsen bleiben nicht identisch.

Dadurch würde die Geometrie des Ringspaltes ungleichförmig, und die über den Umfang gleichmäßige Temperaturverteilung wäre nicht mehr gewährleistet. Um das zu verhindern, sind im Ringspalt Abstandshalter vorhanden, die bei anliegendem Spaltrohr das Spaltrohr zusätzlich belasten. Diese zusätzlichen Belastungen sind für den thermisch hochbeanspruchten Spaltrohrwerkstoff unvorteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung so zu gestalten, daß einerseits in bezug auf den Stand der Technik einer dichter gepackte Anordnung der Mehrzahl der Spaltrohre in einem Bündel erreicht wird und andererseits die zusätzliche Belastung der Spaltrohre aus unterschiedlicher radialer Wärmeausdehnung vom oberen und unteren Rohrboden vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Ausbildung der Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Um wechselnden und besonderen Ansprüchen gerecht zu werden, wird die Vorrichtung ausgebildet gemäß den Kennzeichen der Unteransprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch die Kühlung aller drei Rohrböden unterschiedliche radiale Verschiebungen vermieden werden, so daß der Einsatz von Kompensatoren entbehrlich wird. Durch Anwendung des Prinzips der inneren Rückführung des Produktsgases im Reaktionsrohr gelingt es, die axiale Längendehnung infolge hoher Betriebstemperaturen zu überwinden. Die erfindungsgemäße Aufhängung der Wärmetauscherrohre mindert den Wärmeabfluß in die drei Rohrböden.

Darüber hinaus ermöglicht die neue konstruktive Gestaltung des Dampf-Reformers das Produktgas heiß, d. h. mit nahezu Reaktionstemperatur ohne Wärmetausch mit dem einströmenden Einsatzgas, aus dem Dampf-Reformer abzuziehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 Gesamtvorrichtung im Längsschnitt

Fig. 2 Schnitt der drei Rohrbodendurchdringungen

Fig. 3 Reaktionsrohraufhängung im Längsschnitt

Die Vorrichtung zur endothermen katalytischen Spaltung von Methan, im folgenden als Dampf-Reformer bezeichnet, nach Fig. 1 und Fig. 2 besteht aus dem Druckbehälter 1 mit den Zu- und Abführungsstutzen 2, 3 für das Einsatzgas, eine Mischung aus Methan und Wasserdampf, das Produktgas und den Zu- und Abführungsstutzen 4, 5 für das heiße Heizgas Helium und das abgekühlte Heizgas Helium. Der Rohrboden 6 trennt Ein- und Austrittsteil für die katalytische Spaltung vom Ein- und Austrittsteil für das Heizgas. Der Rohrboden 7 trennt den Eintrittsteil vom Austrittsteil der katalytischen Spaltung und der Rohrboden 8 trennt den Heizgaseintritt vom Heizgasaustritt. Durch den Zuführungsstutzen 2 tritt das Einsatzgas, eine Mischung aus Methan und Wasserdampf, in den Verteilerraum 9 ein und von hier in die Reaktionsrohre 10, dargestellt in Fig. 1 lediglich ein Rohr. Darin strömt es abwärts und wird in Gegenwart des Katalysators 11 und unter Wärmeaufnahme von außen zu dem Produktgas gespalten. Am Ende des Reaktionsrohres ist die katalytische Spaltung beendet und das Produktgas tritt unten in das Innenrohr 12 ein um nach oben abzuströmen. Das aus allen Innenrohren 12 in den Sammelraum 13 austretenden Produktgas verläßt durch den Abführungsstützen 3 den Röhrenspaltofen.

Das für die Durchführung der endothermen katalytischen Spaltung notwendige Heizgas Helium wird mit einer Temperatur von oberhalb 800°C über den Zuführungsstutzen 4 in den Verteilerraum 14 geleitet. Von hier aus tritt es in den Ringspalt 15 ein, der zwischen dem Reaktionsrohr 10 und dem Heizgas-Rohr 16 besteht. Durch diesen Ringspalt strömt das Heizgas unter Wärmeabgabe an das Reaktionsrohr 10 und die darin stattfindende katalytische Reaktion nach oben in den Sammelraum 17 und von hier durch den Abführungsstutzen 5 zurück zum Kernspaltreaktor.

Das Reaktionsrohr 10 ist nach Fig. 2 und Fig. 3 an seinem oberen Ende mit einem Tragrohr 18 im Rohrboden 6 verbunden. Das Tragrohr ist an beiden Seiten der Ringbodenplatte dicht verschweißt. Die Rohrbodenbohrung hat im inneren Plattenbereich einen größeren freien Durchmesser als außen. Dadurch entsteht zwischen Bohrung und Tragrohr ein Spalt 19. Die Spalte 19 dieses Rohrbodens sind beidseitig an ein Kanalsystem für ein Kühlfluid angeschlossen, das über den Zufluß 20 in den Rohrboden 6 und über den Abfluß 21 austritt. Der Raum zwischen Reaktionsrohr 10 und Tragrohr 18 ist mit Wärmeisolierung 22 ausgefüllt. Der Rohrboden selbst ist beidseitig zum Schutz gegen hohe Temperaturen mit Isolierung 23 versehen. Dabei kann der obere Teil des Tragrohres in der Isolierschicht eingebettet sein.

Die Aufhängung der Innenrohre 12 für das abströmende Produktgas am Rohrboden 7 erfolgt dem Prinzip nach gleich wie für die Reaktionsrohre über das Tragrohr 24. Die Verbindung Innenrohr-Tragrohr ist im vorliegenden Fall lösbar gestaltet. Dadurch kann nach Ziehen des Innenrohres der Katalysator aus dem Reaktionsrohr abgesaugt werden. Um einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen Einsatzgas und Produktgas zu verhindern, ist das Innenrohr 12 auf der Innenseite mit einer Wärmeisolierung versehen.

Die Abstützung der Heizgas-Rohre 16, die die Reaktionsrohre 10 im Bereich der Katalysatorfüllung umgeben, erfolgt dem Prinzip nach gleich wie für die Reaktionsrohre und die Innenrohre, nur daß hierbei die Tragrohre 17 nach unten aus dem Rohrboden 8 herausragen. An diesen herausragenden Teilen sind die Heizgas-Rohre 16 befestigt. Auf diese Weise können sie sich unter dem Einfluß der hohen Betriebstemperatur frei nach oben ausdehnen.

Die in Fig. 2 dargestellten Rohrbodendurchdringungen zeigen darüber hinaus schematisch Einzelheiten der Vorrichtung. Der Rohrboden 7 als Trennorgan zwischen Einsatzgas und Produktgas ist ebenfalls als gekühlte Konstruktion ausgebildet. Das Tragrohr 24 ist vorsorglich innen mit einer Isolierung 22 versehen, um den Wärmeübergang vom Innenrohr 12 auf das Tragrohr 24 zu mindern. Das Kanalsystem besteht im wesentlichen aus den Zufluß- und Abflußkanälen 20, 21, den oberen und unteren Verteilerkammern 26 und den Spalten 19. Die Spalten 19 sind so dimensio­ niert, daß eine definierte Strömung in ihnen erhalten wird, wodurch eine bestimmte Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Für die drei Rohrböden 6, 7, 8, in der Regel un­ terschiedlicher Bodendicke, werden Tragrohrinnenisolierungen, Spaltbreite und Kühlmitteldurchfluß so ausgelegt, daß die mittlere Rohrbodentemperatur in allen drei Rohrböden in etwa gleich groß ist. Dadurch erzielt man innerhalb der Rohrböden in etwa gleiche radiale Ausdehnung. Es kommt nicht zu einer Durchbiegung der Reaktionsrohre 10 und der Innenrohre 12. Die Tragrohre 25 für die Heizgas-Rohre 16 werden zweckmäßigerweise innerhalb der Isolierung 27 mit den Heizgas-Rohren verbunden. So wird erreicht, daß der Wärmeabfluß zum Rohrboden hin gemindert wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Reaktionsrohraufhängung im Schnitt zeigt beispielhaft den konstruktiven Aufbau des doppelseitig und rohrseitig gekühlten Rohrbodens. Wesentlich ist, daß bei jeglicher konstruktiver Variation der Rohrboden einmal in der Lage ist, die auf ihn wirkenden Druckunterschiede aufzunehmen und zum anderen infolge günstiger Plazierung und Dimensionierung der Kühlkanäle die Betriebstemperatur entsprechend zu reduzieren. Die Isolierung 22 zwischen Reaktionsrohr 10 und Tragrohr 18 mindert einen Wärmeabfluß aus dem Reaktionsrohr.

Beispiel

Ein Dampf-Reformer für die industrielle Produktion von Spaltgas weist in etwa folgende Daten auf:

Spaltgas-Produktion:
9450 m³/h
(CO+H₂)	Normalzustand
Betriebsüberdruck:	50 bar
Spaltgasendtemperatur:	775°C
Druckbehälterinnendurchmesser:	5900 mm
Zylindrische Länge des Behälters:	16 500 mm
Anzahl der Reaktionsrohre:	150
Durchmesser des Reaktionsrohres:	125 mm
Länge des Reaktionsrohres:	7000 mm

Claims (4)

1. Vorrichtung zur endothermischen katalytischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan, unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, mit einem zylindrischen Druckbehälter (1), einer Mehrzahl von einseitig geschlossenen Reaktionsrohren (10), in die Innenrohre (12) eingesteckt sind, einem den Ringraum zwischen Reaktionsrohr und Innenrohr ausfüllenden Spaltkatalysator (11) und Heizgas-Rohren (16), drei Rohrböden (6, 7, 8) für die Befestigung der Innenrohre (12), der Reaktionsrohre (10) und der Heizgas-Rohre (16) sowie Zu- und Ableitungsstutzen (2, 3, 4, 5) für Einsatzgase, Heizgas und Produktgas dadurch gekennzeichnet, daß
die Rohrböden (6, 7, 8) beidseitig Isolierungen (23, 27) aufweisen,
die Rohrböden beidseitig mit Verteilerkammern (26) für Kühlflüssigkeit versehen sind,
innen isolierte Tragrohre in den Bohrungen der Rohrböden (6, 7, 8) beidseitig eingeschweißt sind,
die Heizgas-Rohre (16) an den Tragrohren (25) abgestützt,
die Reaktionsrohre (10) an den Tragrohren (18) aufgehängt
und die Innenrohre (12) an den Tragrohren (24) aufgehängt sind,
zwischen den Tragrohren (18, 24, 25) und den Rohrböden (6, 7, 8) Spalten (19) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (12) innen isoliert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre doppelwandig sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (12) lösbar an den Tragrohren (24) befestigt sind.