DE2055439C3

DE2055439C3 - Innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren

Info

Publication number: DE2055439C3
Application number: DE2055439A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl.-Ing. 4600 Dortmund Marsch
Original assignee: Friedrich Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1970-11-11
Filing date: 1970-11-11
Publication date: 1978-10-26
Also published as: DE2055439B2; GB1376187A; BE774699A; JPS4738580A; FR2113946B1; DE2055439A1; FR2113946A1; JPS5427361B2; CS181703B2; NL7115132A; SE376551B; CH562053A5; IT953115B; CA960598A

Description

Die Erfindung betrifft ein innenisoliertes Druckgefäß mit einer Mehrzahl von katalysatorgefüllten Reaktions· rohren zum Spalten gasförmiger Kohlenwasserstoffe im Gemisch mit Wasserdampf, zwecks Herstellung von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigcn Gasen, bei Drükken über 5 bar im Drückgefäß Und in den Reaktionsrohren und bei Temperaturen über 700⁶C, wobei die Reäktionsröhre mit Heizgas beheizt werden, welches 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 Reaktionsrohre mit katalysatorfreien Gaszuführungs- und abführungsrohren versehen sind.

Für derartige katalytische Reaktionen sind Vorrichtungen erforderlich, bei denen durch indirekten Wärmetausch die endotherme Reaktion aufrechterhalten, die Druckbelastung der katalysatorgefüllten Rohre gemindert wird und die Wärmedehnungen der Teile

ίο ohne Auswirkung auf die Funktion der Vorrichtung bleiben. Gewöhnlich werden Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Naphtha oder Erdgas im Gemisch mit Dampf durch Reaktionen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einer Vorrichtung in Gegenwart eines Katalysators gespalten. Als Produkt erhält man eine Mischung aus Wasserstoff, Oxyden des Kohlenstoffs und Methan. Diese Mischung wird u. a. für die Produktion von Ammoniak, Methanol, Stadtgas, Salpetersäure oder Harnstoff verwendet. Die bekannten Vorrichtungen bestehen aus einem drucklosen Ofenraum, in dem eine Vielzahl von Reaktionsrohren, welche mit Katalysator gefüllt sind, vertikal angeordnet sind. In diese Rohre strömen die zu spaltenden Kohlcnwasscr Stoffe im Gemisch mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck von über 5 bar. In einer endothermen Reaktion werden die Kohlenwasserstoffe gespalten und das Produktgas verläßt die Vorrichtung über ein Sammelrohr. Die Beheizung der Reaktionsrohre erfolgt mittels Brenner, die je nach Bauart des Ofens im Boden, der

JO Decke oder in den Seitenwänden angeordnet sind und bei Atmosphärendruck arbeiten. Zur Erreichung der Reaktionsbedingunget) in den Reaktionsrohren sind Temperaturen über 700°C erforderlich. Die Temperaturen im Verbrennungsraum liegen zwischen ca. 900 und

J5 1400"C. Um die hohe Belastung der Rohrwand durch die hohen Temperaturen und durch die Druckdifferenz von normalerweise 10-40 at zu mindern, ist weiterhin bekannt, die Beheizung ebenfalls unter Druck durchzuführen Der Beheizungsdruck liegt dabei entweder auf

■Ό gleicher Höhe wie der Reaktionsdruck oder er ist geringfügig niedriger oder höher. Die Ceheizung selbst kann derart ausgeführt werden, daß das Heizgas im Druckgefäß erzeugt oder außerhalb erzeugt wird und im letzten Falle zur Wärmeabgabe durch dieses hindurchgeleitet wird. Bekannte Vorrichtungen wie nach OS 18 02 505 für die Durchleitung von Heizgas bestehen aus einem innenisolierten Druckgefäß, einem zentralen Heizgasrohr mit zahlreichen Öffnungen in der Wandung und aus einseitig geschlossenen Reaktions rohren mit Katalysatorfüllung, in die jeweils ein dünnes Gasauslaßrohr eingesteckt ist. Das Gasauslaßrohr reicht fast bis an das verschlossene Ende des Reaktionsrohres. Reaktionsrohre und Gasauslaßrohre werden jeweils von einem Rohrboden getragen, die beide gegeneinander abgedichtet sein müssen. Druckgefäße der bekannten Bauart sind wegen der Schwierigkeit in der gleichmäßigen Heizgasverteilung und der dichten Ausbildung der beiden Rohrböden nur für begrenzte Durchmesser geeignet. Für große Gasmengen, z.B. 80 000NmVh und mehr, sind mehrere Vorrichtungen erforderlich. Falls einzelne oder mehrere Rohre in Folge der hohen Betriebstemperaturen undicht Werden, lassen sich diese nicht absperren; Produktgas gelangt in das Heizgas. Weiterhin hat die Einsteckröhrausführung ein ungünstiges Temperaturbild zur Folge, insbesondere bei Teillast. Der endotherme Reaktionsablauf wird dadurch ungünstig beeinflußt Druckgefäße mit Rohrböden haben weiterhin den

Nachteil, daß bei plötzlich auftretenden Druckdifferenzen in Folge Druckabfall auf einer Mediumseite eine hohe Belastung der Rohrböden auftritt.

Als weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Effektivität an Vorrichtungen für das Spalten von gasförmigen Kohlenwasserstoffen sind nach US-PS 25 18 583 und US-PS 29 25 319 Doppelrohre bekannt, durch welche die Wärmeübertragung erhöht wird. Diese Maßnahme allein reicht jedoch nicht aus, um ein Optimum zu erreichen.

Nach US-PS 33 43 923 sind Sammelrohre bekannt, in die das erhaltene wasserstoffhaltige Gas aus mehreren einzelnen Reaktionsrohren geführt wird. Da diese Sammelrohre außerhalb des drucklosen Ofenraumes liegen, ist die Einzeldurchführung der Ableitungsrohre der Reaktionsrohre problemlos. Für die kataiytische Spaltung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen großer Durchsatzmengen und für reduzierte Druckbelastung der Rohrwände kann den genannten Veröffentlichungen keine Lehre entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein innenisoliertes Druckgefäß zur Durchführung von katalytischen endothermen Reaktionen derart zu gestalten, daß große Gasmengen, ca. 80 000 Nm^J/h und mehr, in einer Vorrichtung produziert werden kennen. Dabei müssen konventionelle Konstruktionselemente für Druckgefäße, wie Rohrboden, vermieden werden. Die Heiigasführung für die endothermen Reaktionen sollte gegenüber bekannten Ausführungen verbessert sein, auftretende Wärmedehnungen müssen ohne Wirkung auf das Druckgefäß bleiben und die Reakiionsrohre sollen einzeln absperrbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tragkonstruktion am oberen Gefäßboden befestigt ist. die Tragkonstruktion 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 und daß die katalysatorfreien Gaszuführungsrohre gruppenweise durch Stutzen des Druckgefäßes geführt sind.

Soll der erzeugte Wasserstoff bzw. das wasserstoffhaltige Gas aus den Reaktionsrohren nicht zur weiteren Reaktion auf etwa gleicher Temperaturhöhe in ein weiteres Reaktionsgefäß geführt, sondern abgekühlt werden, werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die katalysatorfreien Gasabführungsrohre der Reaktionsrohre einzeln durch den unteren Druckgefäßboden hindurchgeführt t'nd die Gasabführungsrohre außerhalb des Druckgefäßes als Wärmetauscherrohre durch ein Wärmetauschergefäß geführt, 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 das Kühlmedium aufweist.

Um die Montage und Demontage der Tragkonstruktion mit den zweiteiligen Zugankern einfach durchführen zu können, weisen die zweiteiligen Zuganker im Trennbereich ösen auf und die ösen sind mittels Bölzenstangen verbunden.

Die Verbindung Tragplatte-Zuganker wird so ausgeführt, daß sie Von außerhalb des Reaktionsgefäßes lösbar ist,

Die nach außen führpnden Gaszuführungs- und/oder Gasabführungsrohre können zum Zwecke des Stille·

gens. einzelner Reaktionsrohre mit Absperrorganen versehen werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in einem innenisolierten Druckgefäß eine Vielzahl von Reaktionsrohren angeordnet werden können und raumbeanspruchende Gasrückführungen für Produktgas und Heizgas, wie sie in einem Druckgefäß mit Einsteck-Doppelrohren notwendig sind, vermieden werden. Die Führung der Heizgase an den Reaktionsrohren mittels der Mantelrohre ist eindeutig und gleichmäßig über Umfang und Länge der Reaktionsrohre. Wärmedehnungen werden entweder durch Gleichläufigkeit ihrer Richtung weitgehend ausgeglichen und/oder durch die Gaszuführungsrohre und Gasabführungsrohre aufgenommen, wobei mindestens die Gaszuführungsrohre im Druckgefäß angeordnet sind. Durch die Gegenstromführung des Einsatzgemisches und des Heizgases und durch Anordnung einer definierten Länge der Gaszuführungsrohre im oberen reaklionsfreien Teil des Druckgefäßes läßt sich eine Vorwärmung des Einsatzgemisches und damit eine weitere Nutzung der Heizga ,-arme erzielen. Soil der Wasserstoff bzw. die wasserstoff tu itigen Gase nach Verlassen der Reaktionsrohre abgekühlt werden, so läßt sich durch die kompakte Bauweise mit dem anschließenden Wärmetauscher eine zusätzliche Kühlung des Daickgefäßbodens erreichen. Das nachfolgende Zahlenbeispiel weist Betriebsdaten und Mengen für ein erfindungsgemäßes Druckgefäß aus. Zur Bereitstellung der erforderlichen Synthesegasmenge für eine Ammoniakanlage zur Erzeugung von 13'j0t NH3 pro Tag werden dem innenisolierten Druckgefäß zugeführt:

Erdgas:	35220 NmVh	3,00 Voi.-%
Menge	40 bar	0.00 Vol.-%
Druck	390 C	3.00 Vol.-%
Temp.	CO,	85,00 Vol.-%
Analyse:	Hi	5.00 Vol.%
	Ni	3.00 Vol.-%
	CH₄	1,00 Vol.-%
	C₂H₆
	C,H₈	kg/h
	C₄H₁₀

Dampf:	116 200	und eine geringe Menge Hydriergas
Menge	363 bar
Druck	500°C
Temp.

Als wasserstoffhaltiges Gas wird erhalten:

Menge: Trockengas 126 659NmVh

Wasserdampf 106 041NmVh
Druck 323 bar

Temp. 812,5°C

Analyse: (Trockenbasis)

CO₂ 1l,40Vol.-%

CO 931 Vol.-o/o

H, 67,77 Vol.-o/o

N₂ 1,31 VqL-%

CH₄ 10,16 Vol.*%

Ar 0,01 Vol.-%

NH₃ 0,04Vol.-%

In einem der Spaltanlage nacngeschalteten Sekundäf-Reformer wird das wasserstoffhaltige Gas unter Zugabe

von Luft weifef umgewandelt, so daß folgendes wasserstoflhaltige Gas erhalten wird:

Menge:

Analyse:

Trockengas	183 109NmVh
Wasserdampf	114 291 NmVh
Druck	32,2 bar
Temp.	988⁰C
(Trockenbasis)
CO₂	8,40 Vol.-%
CO	12,67 VoI.-%
H₂	56,03 Vol.-%
N₂	22,28 Vol.-%
CH₄	0.30 Vol.-%
Ar	0,26 Vol.-%
NHj	0.06 Vol.-%

Dieses wassersloffhallige Gas kann, wie eingangs beschrieben, weiter zu Ammoniak, Methanol oder

c ι. ι—:»-*»-._—i~-»

oiuuigcis vciaiuciici irurutn.

Konstruktive Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt eines Druckgefäßes mit frei hängenden Reaktionsrohren,

Fig.2 den Querschnitt des Druckgefäßes aus Fig. 1, oberhalb der Tragplatte,

Fig.3 den Querschnitt des Druckgefäßes aus Fig. 1, unterhalb der Tragplatte,

Fig.4 im Detail Tragplatte, Mantelrohr, Reaktionsrohre mit Tragpratzen,

F i g. 5 Draufsicht auf die Tragplatte in vergrößertem Maßstab,

Fig.6 den Längsschnitt des Druckgefäßes mit abgestützten Reaktionsrohren und nachgeschaltetem Wärmetauscher,

Fig. 7 den Längsschnitt des Druckgefäßes mit Vorwärmesektion,

Fig.8 den Längsschnitt der Reaktionsrohre-Abstützung nach F i g. 6 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 9 die lösbare Aufhängevorrichtung von Zuganker und Tragplatte.

Nach F i g. 1 sind in dem innenisolierten Druckgefäß 1 mit dem Heizgaseinlaufstutzen 2 und Auslaßstutzen 3 eine Vielzahl Reaktionsrohre 4 in der Tragplatte 5 hängend angeordnet. Die Reaktionsrohre sind mit Katalysator gefüllt und eingangsseitig mit den Zuführungsrohren 6 für das Einsatzgemisch und abgangsseitig mit Abführungsrohren 7 für das wasserstoffhaltige Gas verbunden. Die Zuführungsrohre 6 sind bündelweise durch Stutzen nach außen geführt, wo sie an eine nicht dargestellte Leitung angeschlossen sind. Die Abführungsrohre 7 werden sternförmig an mehreren Sammelrohren 8 angeschlossen, die durch den Druckgefäßdekkel nach außen führen. Der Festpunkt der Sammelrohre liegt im Druckgefäßdeckel, d. h. unter hoher Temperatur dehnen sich die Sammelrohre in Richtung Druckgefäßboden aus. Die Reaktionsrohre sind am oberen Ende mit angeschweißten Tragpratzen 9 versehen, die auf der Tragplatte 5 aufliegen. Der Durchmesser der Tragplatte ist etwa gleich dem Innendurchmesser des Druckgefäßes. Die Abdichtung zwischen innenisolierter Gefäßwand, die mit einem Gleitblech 10 versehen ist, und Tragplatte erfolgt mittels bekannter Dichtungskonstruktion. In die Löcher der Tragplatte, durch die die Reaktionsrohre hindurchführen, sind die Mantelrohre 11 eingesetzt und hängen frei in den unteren Teil des Druckgefäßes. Die Länge der Mantelrohre ist mindestens gleich der Länge der Katalysatorfüllung in den Reaktionsrohren. Reaktionsrohre und Mantelrohre haben solchen Außen- bzw. innendurchmesser, daß ein Ringspalt verbleibt, durch den das Heizgas aus dem unteren Teil des Druckgefäßes im Gegenstrom zu der Strömungsrichtung in den Reaktionsrohren in den

5 oberen Teil des Druckgefäßes strömt. Zentrierrippen sorgen für einen gleichmäßigen Ringspalt. Das Gewicht der Tragplatte mit den darin dichtverschweißten Mantelrohren und den auf der Tragplatte und in den Mantelrohren hängenden Reaktionsrohren wird über

ίο Zuganker 12 in den Druckgefäßdcckel übertragen. Doppelösen 13 in den zweiteiligen Zugankern 12 und eine Bolzenstange 14 ermöglichen, Gefäßdeckel und Tragplatte zu trennen und das Gefäß zu öffnen. Die Tragplatte wird vorher mittels hydraulischer Montagewerkzeuge anderweitig im Gefäß abgestützt.

in F i g. 2 wird die Lage der Reaktionsrohre zu einem Sammelrohr gezeigt. Die Teilung für die Mantelrohre in der Tragplatte 5 wird so klein wie möglich gehalten, um

hen zu lassen. Der Druckgefäßdurchmesser wird dadurch optimal ausgenutzt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, verlaufen die Gasabführungsrohre im unteren Teil des Druckgefäßes sternförmig zu den einzelnen Gassammeirohren. Eine gleichmäßige Verteilung der Reaktionsrohre auf die Gassammelrohre ist nicht erforderlich. Der Druckverlust innerhalb der katalysatorgefüllten Reaktionsrohre ist höher als der Druc!»'verlust in dem Gassammeirohr, wodurch eine gleichmäßige Gasverteilung auf die Reaktionsrohre gewährleistet ist. Die in Fig.4 und 5 dargestellten Ausschnitte der Tragplatte 5, der Mantelrohre 11, der Reaktionsrohre 4 mit den Tragpratzen 9 zeigen im Schnitt und in der Draufsicht die konstruktive Ausführung detailliert.

Nach F i g. 6 sind in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Reaktionsrohre nicht mit Tragpratzen versehen, da die Reaktionsrohre nicht von der Tragplatte gehalten werden. Die Tragplatte hat in Verbindung mit den dicht eingeschweißten Mantelrohren nur die Aufgabe, den Druckgefäßraum in zwei Räume zu teilen und das Heizgas zwangsläufig durch die Mantelrohre zu führen. Die Tragplatte ist, wie in Fig. 1, gegen die innenisolierte Gefäßwand abgedichtet. Die Reaktionsrohre in den Mantelrohren stützen sich auf den Boden des Druckgefäßes ab. Die Gasabführungsrohre 15 sind einzeln durch den Gefäßboden geführt und werden im direkt anschließenden Wärmetauscher 16 als Wärmetauscherrohre 17 wirksam. Das Kühlmedium im Wärmetauscher, der z. B. als Speisewasservorwärmer oder Dampferzeuger dient, kühlt gleichzeitig den Boden des Druckgefäßes. Das GasabführungVohr 15 wird nach Fig.7 zwischen Reaktionsrohr 4 und Dichtkappe 18 dehnbar gestaltet Das Reaktionsrohr ruht auf dem Tragring 19, der durch den an den Boden angeschweißten Zentrierring 20 positioniert wird. Die über die dünnwandige Dichtkappe und den Tragring bewirkte Aufheizung des Bodens wird mittels des Kühlmediums gering gehalten. Die auf den Druckgefäßboden sich abstützenden Reaktiorisrohre dehnen sich

M> unter Temperatureinfluß nach oben aus. Die Gaszuführungsrohre werden so verlegt, daß sie die Ausdehnung der Reaktionsrohre aufnehmen.

Nach Fig.7 werden die Mantelrohre 11 im oberen Bereich über die Reaktionsrohre hinaus verlängert Die

es Reaktionsrohre selbst ruhen wie in Fig.6 auf dem Dnickgefäßboden. In den verlängerten Mantelrohren sind die Gaszuführungsrohre 21 derart angeordnet, z. B. wendelförmig, daß das Einsatzgemisch vorgewärmt

wird. Auf diese Weise wird die Wärme des Heizgases weiter ausgenutzt. Die Tfagsektion 22 mit der Tragplatte für die Mantelrohre wird zweckmäßigerweise im Gefäßmahlel abgestützt. Die Gasabfiihrungsrohre 15 werden, wie in F i g. 6, einzeln durch den Gefäßboden geführt und als Wärmetauscherrohre im Wärmetauscher 16 wirksam.

Der Tragring 19 in Fig.8 für das Reaktionsrohr 4 ragt üböi' die Isolierung des Druckgefäßbodens hinaus. Falls ein Reaktionsrohr ausgewechselt werden muß, kann es nach oben aus dem Druckgefäß herausgezogen

werden, ohne daß die Inncnisolicrung des Druckgefäßes beschädigt wird. Die Dichtkappe wird vorher vom Gasabführungsrohr getrennt.

Soll der Deckel des Druckgefäßes, an dem nach Fig. I und 6 die Tragplatte 5 hängt, geöffnet werden, Wird nach Fig.9 die Tragplatte 5 soweit angehoben, daß die Bolzeristange 14 herausgezogen wefdeh kann. Die Doppclösen 13 der Zuganker 12 lösen sich voneinander und der Druckgcfäßdeckel kann abgehoben werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 700⁰C, 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 Reaktionsrohre mit katalysatorfreiem Gaszuführungs- und -abführungsrohren versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (5,12, 13) am oberen Gefäßboden befestigt ist, die Tragkonstruktion aus einer Mehrzahl von mindestens zweiteiligen Zugankern (12) und aus einer an den Zugankern befestigten Tragplatte (5) besteht, die Tragplatte (5) den vollen Querschnitt des Druckgefäßes (1) einnimmt, gasdicht und gleitbar an der Innenisolierung anliegt, die Mantelrohre (11) am oberen Ende in der Tragplatte (5) gasdicht befestigt sind, die Reaktionsrohre (4) sich a.if der Tragplatte (5) abstützen und daß die katalysatorfreien Gaszuführungsrohre gruppenweise durch Stutzen des Druckgefäßes geführt sind.

2. Innenisoliertes Druckgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn, sehnet, daß die katalysatorfreien Gasabführungsrohre (15) der Reaktionsrohr (4) einzeln durch den unteren Druckgefäßboden hindurchgeführt sind, die Gasabfuhrurgsrohre außerhalb des Druckgefäßes als Wärmetauscherrohre (17) durch ein Wärmetauschergefäß (16) geführt sind, wobei das Wärmetauschergefäß (16) 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 das Kühlmedium aufweist.

3. Innenisoliertes Druckgefäß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiteiligen Zuganker (12) im Trennbereich ösen aufweisen und diese ösen mittels Bolzenstangen (14) verbunden sind.