DE2651908A1

DE2651908A1 - Prozesswaermetauscher mit erleichterter katalysatorerneuerung

Info

Publication number: DE2651908A1
Application number: DE19762651908
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Grad Jaeger; Wolfgang Dipl Ing Niemeyer; Helmut Ing Grad Swars
Original assignee: Ght Hochtemperaturreak Tech
Current assignee: Ght Hochtemperaturreak Tech
Priority date: 1976-11-13
Filing date: 1976-11-13
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2651908C2

Description

Prozeßwärmetauscher mit erleichterter Katalysatorerneuerung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prozeßwärmetauscher, bestenend aus einem beheizbaren Rohrbündel in einem druckdichten Gehäuse mit einer. Füllung von Katalysatormaterial, mittels dessen hindurchgeleitetes Prozeßgas zur Reaktion gebracht wird. Ein solcher Prozeßwärmetauscher kann beispielsweisedazu verwendet werden, ein Gemisch von Methan und Wasserdampf unter Wärmezufuhr in Wasserstoff und Kohlenmonoxyd aufzuspalten. Als Heizfluid für diesen Prozeß kann beispielsweise Helium dienen, das in einem Hochtemperatur-Kernreaktor auf eine Temperatur von ca. 1.300 K aufgeheizt wird.
Derartige Prozeßwärmetauscher sind an sich in Form sogenannter Spaltrohröfen bekannt, bei denen das Spaltgas durch Rohre geleitet wird, die mit einer Füllung von Katalysatormaterial, beispielsweise von Nickeloxyd versehen sind und von außen mit dem Heizgas beaufschlagt werden.
Um eine ausreichende enge an Katalysatormaterial unterbringen und dem Spaltgas einen genügend großen Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellen zu können, sind die Spaltrohre von verhältnismäßig großem Durchmesser und entsprechender Wandstärke, was den Wärmeübergang vom Heizgas auf das Spaltgas erschwert. Derartige Prozeßwärmetauscher sind beispielsweise aus der DT-OS 24 12 840 bekannt. Vor allem aber ist die Erneuerung des nach einer gewissen Betriebszeit erschöpften Katalysatormaterials in Prozeßwärmetauschern dieser Art nicht befriedigend gelöst. Die als Sackrohre ausgebildeten Spaltrohre müssen hierzu ausgebaut9 d. h.¢ der Kreislauf des Heizgases'muß geöffnet werden und danach muß aus dem langen'und engen Spaltrohr mühsam die Katalysatorfüllung entfernt werden. Auch eignen' sich solche Prozeßwärmetauscher wenig für den Betrieb bei geringeren Temperaturen, da dann die Spaltrate von Methan absinkt und zum Ausgleich hierfür ein erhöhter Durchsatz an Spaltgas notwendig wäre, um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu gewährleisten.
Dieser Erhöhung des Durchsatzes steht jedoch der mit steigender Strömungsgeschwindigkeit sehr rasch ansteigende Strömungswiderstand im Katalysatorbett entgegen, zu dessen Überwindung die Gebläseleistung auf ein nicht mehr vertretbares Maß gesteigert werden müßte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Prozeßwärmetauscher insbesondere für die Methanspaltung mit verbessertem WärRveübergang vom Heizfluid zum Prozeßgas, bei dem erschöpftes Katalysatormaterial möglichst einfach ausgewechselt werden kann, und zwar ohne den Kreislauf des Heizfluids öffnen zu müssen, was von besonderer Bedeutung ist, wenn dieser durch einen Kernreaktor beheizt wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Rohre von innen beheizbar sind, der Katalysator fließfähig ist und daß am oberen Ende des Gehäuses Einrichtungen für die Zufuhr und am unteren Ende des Gehäuses Einrichtungen für den Abzug des Katalysators vorhanden sind. Der Durchmesser der Rohre kann geringer gehalten und deren Wandstärke herabgesetzt werden, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. Um einen ausreichenden Durchsatz an Heizfluid zu bewirken, wird es einer größeren Anzahl derartiger Rohre bedürfen, die jedoch in Abhängigkeit von Durchmesser und Länge des Einzelrohres so bemessen werden kann, daß damit das Verhältnis zwischen Grundfläche und Höhe des Prozeßwarmetauschers den Einbaugegebenheiten5 zO B. in den Kavernen eines Kernreaktors angepaßt werden kann.
Werden die einzelnen Heizrohre in größerem Abstand voneinander angeordnet, so wird zwar das Katalysatorbett bei gleicher Temperatur des Heizfluids weniger stark erwärmt, es bietet jedoch bei gleicher Anzahl der Heizrohre dem Prozeßgas einen vergrößerten Strömungsquerschnitt, so daß ein erhöhter Durchsatz ohne Steigerung der Durchsatzgeschwindigkeit und damit des Druckverlustes erzielbar ist. Schließlich bietet eine zwischen den Heizrohren gelegene Schüttung eines fließfähigen Katalysatormaterials wesentlich bessere Voraussetzungen für dessen Entfernung im Zuge einer Erneuerung des Katalysatorbettes, da die Zwischenräume zwischen den Heizrohren so durch einfaches Abfließenlassen des rieselfähigen Katalysatormaterials mittels entsprechender Einrichtungen entleert werden können.
Der Prozeßwärmetauscher ist daher am oberen Ende mit Einrichtungen für die Zufuhr und am unteren Ende mit Einrichtungen für den Abzug von Katalysatormaterial versehen. Beide Einrichtungen zusammen ermöglichen einen raschen und problemlosen Austausch des Katalysatormaterials und sind ohne weiteres fernbedient zu handhaben, was für Wärmetauscher in Kernenergieanlagen von besonderer Bedeutung ist. Durch Abziehen jeweils kleiner Mengen des Katalysatormaterials und Zugabe entsprechend kleiner Mengen frischen Materials kann eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Erneuerung des Katalysatorbettes erreicht werden. Der Kreislauf des Heizfluids bleibt von diesen Maßnahmen unbetroffen und braucht nicht geöffnet zu werden. Durch Veränderung der Schüttnöhe des Katalysatormaterials kann die Leistung des Prozeßwärmetauschers unterschiedlichen Betriebsbedingungen angepaßt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Einrichtungen für die Zufuhr bzw. den Abzug de-s Katalysators mit gasdichten Absperrorganen versehen, die zweckmäßigerweise die Form von Schleusen haben, damit der Katalysator auch bei im Gehäuse anstehendem Druck, d. h., wänrend des.- Betriebes ausgewechselt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt diese einen Prozeßwärmetauscher im Längsschnitt.
Der Prozeßwärmetauscher besteht aus einer Kammer oder Kaverne 1, die mit einer Wärmeisolierung 2 versehen in dem hier nur teilweise gezeigten Sicherheitsbehälter 3 eines Kernreaktors angeordnet ist. Das von diesem erhitzte Heizfluid, hier Helium, strömt über einen Hauptkanal 4 in mehrere davon abzweigende Nebenkanäle 5, die an ihrem oberen Ende mit Rohrböden 6 verschlossen sind. In den Rohrböden 6 sind zahlreiche Heizrohre 7 eingewalzt, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur wenige gezeigt sind und die selbstverständlich nicht nur die hier gezeigte gerade Form haben können, sondern auch andere der aus dem Bau von Wärmetauschern her bekannten Formen, z. B.
U-förmig gebogen oder wendelförmig sein können. Die Heizrohre 7 enden in oberen Rohrböden 8, wo das abgekühlte Heizfluid über weitere einzelne Kanäle 9 bis zu einem Sammler 10 und von diesem entweder zurück zum Kernreaktor oder aber zu weiteren Wärmeverbrauchsstellen, beispielsweise zu einem Dampferzeuger geleitet wird. Im Gegenstrom zum Heizfluid strömt das Prozeßgas, hier eine Mischung aus Methan und Wasserdampf aus einem Einlaßkanal 11 in die Kammer 1 und näch Umsetzung zu Wasserstoff und Kohlenmonoxyd aus dieser über einen Auslaßkanal 12 wieder hinaus.
Die Strömungsrichtung in der Kammer 1 von oben nach unten ist am besten geeignet, ein Katalysatorbett 13 aus einer Schüttung-von Nickeloxydgranulat gegen einen doppeltrichterförmig ausgebildeten Zwischenboden 14 in der Kammer 1 zu drücken. An den Tiefpunkten des Zwischenbodens 14 nehmen Abzugsrohre 15 ihren Ausgang, die durch als Schleusen ausgebildete Ventile 16 absperrbar sind und über die erschöpftes Katalysatormaterial aus dem Bett 13 abgezogen werden kann. Der Nachschub an frischem Katalysatormaterial geschieht über Zuleitungen 17, die durch weitere, ebenfalls als Schleusen ausgebildete Ventile 18 absperrbar sind, die ebenso wie die Ventile 16 mit hier nicht dargestellten Einrichtungen zur Messung der abgezogenen bzw. zugegebenen Menge an Katalysatormaterial versehen sein können. Gegenüber herkömmlichen Spaltrohröfen gleicher Leistung weist der beschriebene Prozeßwärmetauscher nur etwa die halbe Bauhöhe auf. Schutzansprüche

Claims

Schutzansprüche 1. Prozeßwärmetauscher, bestehend aus einem beheizbaren Rohrbündel in einem druckdichten Gehäuse mit einer Füllung von Katalysatormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) von innen beheizbar sind, der Katalysator (13) fließfähig ist und daß am oberen Ende des Gehäuses (1) Einrichtungen (17) für die Zufuhr und am unteren Ende des Gehäuses Einrichtungen (15) für den Abzug des Katålysators vorhanden sind.
2. Prozeßwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (17 bzw. 15) für die Zufuhr bzw. den Abzug des Katalysators mit gasdichten Absper:r-und Schleusorganen (18 bzw. 16) versehen sind.