DE60224068T2

DE60224068T2 - Verfahren und reaktor zur durchführung chemischer reaktionen unter pseudoisothermen bedingungen

Info

Publication number: DE60224068T2
Application number: DE60224068T
Authority: DE
Inventors: Ermanno Filippi; Enrico Rizzi; Mirco Tarozzo
Original assignee: Methanol Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: EP1304159A1; EP1436076A1; CN1571696A; UA78724C2; BR0213342A; US7638038B2; US20040266893A1; CA2463047C; WO2003035242A1; CA2463047A1; AR036841A1; DE60224068D1; DK1436076T3; RU2004115334A; MXPA04003654A; RU2306173C2; ATE380583T1; EP1436076B1; CN100351009C; EG23280A

Description

Gebiet der Anmeldung
In ihrem allgemeinsten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ausführen von chemischen Reaktionen unter sogenannten pseudo-isothermischen Bedingungen, anders ausgedrückt unter solchen Bedingungen, bei denen die Reaktionstemperatur in einem begrenzten Bereich von Werten um einen vorbestimmten optimalen Wert eingeregelt wird.
Diese Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren der vorstehend erwähnten Art zur Steuerung der Temperatur von katalysierten Reaktionen basierend auf dem Einsatz von Wärmetauschern, die in Kontakt mit der Reaktionszone stehen.
Noch spezieller, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren, bei dem die Steuerung der Reaktionstemperatur durch den Einsatz von rohrförmigen oder plattenförmigen Wärmetauschern erhalten wird, die in ein katalytisches Bett eingetaucht sind, in welchem eine vorbestimmte chemische Reaktion stattfindet, und die innen von einem geeigneten Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchquert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher, der zur Durchführung des vorstehend erwähnten Verfahrens ausgelegt ist.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass für eine optimale Vollendung von exothermen und endothermen chemischen Reaktionen, wie zum Beispiel Synthesereaktionen von Ammoniak, Methanol, Formaldehyd bzw. Styrol, es notwendig ist, von der Zone, in der die Reaktion stattfindet, entweder Wärme abzuziehen oder ihr zuzuführen, um ihre Temperatur innerhalb vorgegebener Grenzen um einen vorbestimmten theoretischen Wert einzuregeln.
Und es ist auch bekannt, dass zu dem vorstehend erwähnten Zweck als Wärmetauscher verschiedene Arten von Wärmetauschereinheiten in großem Umfang eingesetzt werden, zum Beispiel Einheiten in der Rohrbündelbauart, d. h. eine Vielzahl von rohrförmigen Wärmetauschern um fassend, oder auch aus Platten hergestellt, d. h. eine Vielzahl von im Wesentlichen kastenförmigen Plattenelementen umfassend, wobei eine neben der anderen angeordnet ist.
Die Rohre oder die plattenförmigen Elemente können in die Reaktionszone (im Allgemeinen ein katalytisches Bett) eingetaucht sein und innen von einem entsprechenden Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchquert werden. Andernfalls, und zwar im Falle von Rohrbündel-Wärmetauschern, können die Rohre mit einem Katalysator gefüllt sein und von einem Reaktionsfluid durchströmt werden, während sie auf der Außenseite von dem Wärmeaustausch-Betriebsfluid überstrichen werden.
Der Grad der Pseudo-Isothermizität der Reaktion und somit der Grad des Fortschritts oder der Vollendung der Reaktion selbst hängt insbesondere von der Fähigkeit des Rohrbündels oder der plattenförmigen Elemente ab, der Reaktionszone Wärme zuzuführen oder von ihr abzuziehen (Wärmeübertragungswirkungsgrad).
Dagegen hat die Komplexität des Aufbaus und der Einsatz solcher Wärmetauscher dazu geführt, dass auf diesem Gebiet schon immer ein Weg gesucht wurde, den Wärmeaustausch zwischen dem Betriebsfluid und den gasförmigen Reaktionspartnern zu maximieren und gleichzeitig die Wärmeaustauschoberfläche (und von daher die Anzahl von Rohren oder Platten), die zur Erlangung des gewünschten Grads der Pseudo-Isothermizität der Reaktion erforderlich ist, so weit wie möglich zu verkleinern.
All dies dient dem Zweck, die Herstellung solcher Wärmetauschereinheiten zu vereinfachen und ihren Betrieb und ihre Steuerung zu erleichtern.
Anhand von durch den Anmelder durchgeführten Untersuchungen wurde überraschenderweise festgestellt, dass, so sehr sie in vielen Aspekten günstig sind, die bisher übernommenen Verfahren des Stands der Technik zur Ausführung einer chemischen Reaktion unter Pseudo-isothermischen Bedingungen einen gravierenden Nachteil haben, der sich im industriellen Maßstab als gewisse Grenze bezüglich des Grads des Fortschritts oder Abschlusses der Reaktion selbst darstellt.
Das einen Wärmetauscher durchströmende und einem vorbestimmten Pfad vom Einlass zum Auslass folgende Betriebsfluid macht notwendi gerweise eine beträchtliche Temperaturveränderung durch, wobei es Wärme mit der Zone (zum Beispiel einem katalytischen Bett) austauscht, die in Kontakt mit diesem Wärmetauscher steht.
Bezüglich dieser Temperaturveränderung des Betriebsfluids, die entlang eines solchen Pfades im Wesentlichen kontinuierlich ist, muss gesagt werden, dass die während der chemischen Reaktion durch das Betriebsfluid abzuziehende oder zuzuführende Reaktionswärme nicht konstant ist, sondern auch mit der Veränderung der Konzentration des Reaktionsfluids schwankt, das innerhalb der Reaktionszone strömt.
Aufgrund dieser Temperaturveränderungen des Betriebsfluids bzw. der Reaktionswärme, in Verbindung mit der Erfordernis, die Wärmeaustauschoberfläche der Wärmetauscher aus den zuvor angeführten Gründen so stark wie möglich zu begrenzen, ist es notwendig, das Betriebsfluid (oder ein Teil von ihm) mit einer stark unterschiedlichen Temperatur (höher oder niedriger) in Bezug auf die in der Reaktionszone herrschende Temperatur einzuleiten, um zu vermeiden, dass während der chemischen Reaktion die Temperaturdifferenz zwischen dem inneren und äußeren Fluid, und von daher der Wärmeaustausch, zum Nachteil des Betriebswirkungsgrads des Wärmetauschers zu stark reduziert wird.
Dabei findet eine anerkannte drastische Reduzierung der Umwandlungsausbeute des Reaktionsfluids im Allgemeinen in bestimmten Bereichen der Reaktionszone in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschers statt, was den Grad des Abschlusses der betrachteten chemischen Reaktion begrenzt. Dabei handelt es sich um Bereiche, die in der Reaktionszone gut in Abhängigkeit der chemischen/physikalischen Eigenschaften des katalytischen Betts definiert werden können (Beschaffenheit und Partikelgröße des Katalysators, sein Kompaktheitsgrad, die thermodynamischen und kinetischen Verhältnisse der Reaktion, der Durchfluss der Reaktionsgase und des für den Wärmeaustausch verwendeten Betriebsfluids, der Aufbau, die Form, Größe und Anordnung der Wärmetauscher). Diese Bereiche sind für den restlichen Teil der Beschreibung und in den darauf folgenden Ansprüchen mit dem Ausdruck "kritische Bereiche" der Reaktionszone definiert.
Tatsächlich hat man festgestellt, dass in solchen kritischen Bereichen eine übermäßig hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeaus tausch-Betriebsfluid und der Reaktionszone zu einer Verlangsamung und in bestimmten Fällen sogar zu einem Abbruch der Reaktion selbst führt.
Infolgedessen ist die Pseudo-Isothermizität der Reaktionsbedingungen, die durch Verfahren und Wärmetauscher aus dem Stand der Technik erzielt werden, gekennzeichnet durch eine nicht gleichmäßige Reaktionstemperatur innerhalb der Reaktionszone, die innerhalb eines Bereichs von Werten relativ großzügig in Bezug auf die der Referenzisotherme entsprechenden Temperatur gesteuert wird, was der Umwandlungsausbeute der betrachteten chemischen Reaktion sehr zum Nachteil gereicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zum Steuern der Pseudo-Isothermizität einer chemischen Reaktion in einer entsprechenden Reaktionszone bereitzustellen, in welcher der Einsatz von Wärmetauschern vorgesehen ist, welches Verfahren die Reaktionstemperatur auf einem konstanten vorbestimmten Wert zu halten in der Lage ist oder die Temperatur zumindest innerhalb eines sehr begrenzten Bereichs von Werten auch in den kritischen Bereichen der vorstehend erwähnten Zone steuern kann, um den in Bezug auf den Stand der Technik, wie er durch die GB-A-758 538 oder DE-A-19 806 810 dargestellt wird, angeführten Nachteil zu überwinden.
Das oben umrissene technische Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Pseudo-Isothermizität einer chemischen Reaktion in einer entsprechenden Reaktionszone, in welcher der Einsatz von Wärmetauschern vorgesehen ist, die von einem Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchströmt werden und in denen kritische Bereiche des Wärmeaustauschs ausgewiesen sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass in den kritischen Bereichen der Reaktionszone der Wert des Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen dem Betriebsfluid und der Zone durch thermische Isolierung der sich in diesen Bereichen erstreckenden Abschnitte der Wärmetauscher verringert und gesteuert wird.
Indem die thermisch zu isolierenden Wärmetauscherabschnitte und der relative Grad der thermischen Isolierung entsprechend gewählt werden, wird an diesen Abschnitten in vorteilhafter Weise eine geeignete Re duzierung des Wärmeaustauschkoeffizienten erhalten. Es ist somit möglich, die Temperatur innerhalb der Reaktionszone nahe des Wärmetauschers, d. h. in den kritischen Bereichen, innerhalb eines sehr eingeschränkten Bereichs von Werten um einen vorbestimmten konstanten Wert (Referenzisotherme) herum zu halten, auch wenn die Temperatur des Betriebsfluids sich sehr stark (höher oder niedriger) von diesem vorbestimmten Wert unterscheidet.
Es wäre festzuhalten, dass die vorstehend erwähnte Eigenschaft der gesteuerten Reduzierung des Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen dem Wärmeaustausch-Betriebsfluid und der Reaktionszone in vorbestimmten Abschnitten des Wärmetauschers in klarem Kontrast zur beständig vorgebrachten Lehre des Stands der Technik ist, die ganz im Gegensatz eine Maximierung des Wärmeaustauschs über den ganzen Wärmetauscher hinweg vorsieht.
Dank der vorliegenden Erfindung konnte überraschenderweise festgestellt werden, dass eine gezielte Isolierung des Wärmetauschers, obwohl sie lokal den Wärmeaustauschkoeffizienten reduziert, es ermöglicht, die Umwandlungsausbeute des Reaktionsfluids in den Bereichen der Reaktionszone nahe den thermisch isolierten Wärmetauscherabschnitten in Bezug auf die Verfahren des Stands der Technik wesentlich zu steigern. Und somit ermöglicht sie es, dass der gewünschte Grad der Vervollständigung der betrachteten chemischen Reaktion erreicht werden kann. All dies erhält man, ohne dass die Einlasstemperatur oder der Durchfluss des Wärmeaustausch-Betriebsfluids verändert werden muss.
Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher mit solchen strukturellen und funktionellen Merkmalen, die sich zur Ausführung des vorstehend erwähnten Verfahrens eignen.
Die Merkmale und Vorteile eines Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung von einigen aufzeigenden und nicht einschränkenden Beispielen davon, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen zur Verfügung gestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines Reaktors zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktio nen mit einer Wärmetauschereinheit, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
2 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit der Wärmetauschereinheit von 1;
3 zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines Reaktors zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen mit einer weiteren Wärmetauschereinheit, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4 zeigt schematisch eine vergrößerte und perspektivische Ansicht einer Einzelheit der Wärmetauschereinheit von 3;
5 zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines Reaktors zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen mit einer weiteren Wärmetauschereinheit, die zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
6 zeigt schematisch eine vergrößerte und perspektivische Ansicht einer Einzelheit der Wärmetauschereinheit von 5;
7 zeigt schematisch eine Längsschnittansicht eines Reaktors zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen mit einer weiteren Wärmetauschereinheit, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezug auf 1 und 2 ist bei 1 ein pseudo-isothermischer Reaktor zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen insgesamt und schematisch dargestellt, welcher Reaktor eine zylindrische Hülle 2 aufweist, die an den entgegengesetzten Enden durch einen jeweiligen Boden, einen unteren 3 und oberen 4 Boden verschlossen ist.
Innerhalb der Hülle 2 ist eine Wärmetauschereinheit 5 in Rohrbündelbauart aufgenommen, die eine Vielzahl von rohrförmigen Wärmetauschern aufweist, die alle mit 6 angegeben und an ihren Enden an einer unteren Rohrplatte 7 bzw. einer oberen Rohrplatte 8 befestigt sind.
Zwischen den Rohrplatten 7 und 8 ist eine Reaktionszone 9 definiert, die eine nicht dargestellte Masse eines entsprechenden Katalysators aufweist, der in geeigneter Weise von den Wärmetauschern 6 durchquert wird.
Der untere Boden 3 und der obere Boden 4 sind mit Stutzen 10 bzw. 11 für den Einlass eines Wärmeaustausch-Betriebsfluids in den Reaktor 1 bzw. für den Auslass desselben aus dem Reaktor ausgestattet.
Die Hülle 2 wiederum ist – nahe ihres oberen Endes – mit einem Stutzen 12 für den Einlass eines Reaktionsfluids in die Reaktionszone 9 ausgestattet, und – im Nahbereich ihres unteren Endes – mit einem Stutzen 13 für den Auslass der Reaktionsprodukte aus dieser Zone 9.
Im Inneren der Böden 3 und 4 ist eine Kammer 14 bzw. 15 ausgebildet, um das in die Wärmetauschereinheit 5 eintretende Wärmeaustauschfluid bzw. das aus der Wärmetauschereinheit 5 austretende Wärmeaustauschfluid zu sammeln. Die Rohrplatten 7 und 8 trennen die Reaktionszone 9 von den Kammern 14 und 15.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind geeignete Abschnitte 6a, 6b der Wärmetauscher 6 in vorteilhafter Weise thermisch isoliert.
Insbesondere sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in näherer Einzelheit in 2 gezeigt ist, die Wärmetauscher 6 an den Abschnitten 6a und 6b mit Schichten 16', 16'' eines Isoliermaterials unterschiedlicher Dicke beschichtet. Die Dicke der Schicht 16'' des Isoliermaterials, mit dem der Wärmetauscherabschnitt 6b beschichtet ist, ist nämlich größer als die Dicke der Schicht 16' des Isoliermaterials, mit dem der Wärmetauscherabschnitt 6a beschichtet ist.
Im Abschnitt 6b und, in geringerem Ausmaß, im Abschnitt 6a, ist der Wärmeaustauschkoeffizient somit in entsprechender Weise gegenüber dem Rest des Wärmetauschers 6 reduziert.
Es wäre festzuhalten, wie in dem Beispiel von 1 und 2 die thermisch isolierten Abschnitte 6a und 6b der Wärmetauscher 6 in kritischen Bereichen 9a der Reaktionszone 9 verlaufen. Diese Bereiche befinden sich im unteren Teil der Reaktionszone im Nahbereich der Wärmetauscher 6, d. h. dort, wo die Temperatur des gerade in die Wärmetauscher einheit 5 eingeleiteten Betriebsfluids sich sehr stark (höher oder niedriger) von der Temperatur in der Reaktionszone 9 unterscheidet.
Tatsächlich muss die Temperatur des in die Wärmetauscher 6 durch die untere Rohrplatte 7 eintretenden Wärmeaustausch-Betriebsfluids dergestalt sein, dass vom oberen Teil der Reaktionszone 9, wo das "frische" Reaktionsfluid eingeleitet wird (durch den Stutzen 12), die gewünschte Wärmemenge abgezogen bzw. ihr zugeführt werden kann. Das ist dort, wo sich der größte exotherme oder endotherme Grad der chemischen Reaktion befindet und die Konzentration des Reaktionsfluids am höchsten ist. Dies führt dazu, dass im unteren Teil der Reaktionszone 9 und insbesondere im Nahbereich der Wärmetauscher 6 die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaustauschzone 9 und dem Wärmeaustausch-Betriebsfluid sehr hoch ist und noch ansteigt, je näher man zur unteren Rohrplatte 7 kommt.
Je größer die vorstehend erwähnte Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die Dicke der Schichten 16', 16'' des Isoliermaterials und von daher die thermische Isolierung der Wärmetauscher 6, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Mit Bezug auf 3 und 4 ist ein pseudo-isothermischer Reaktor 1 zur Ausführung von exothermen oder endothermen Reaktionen mit einer Wärmetauschereinheit 5 gemäß einer alternativen, im Folgenden beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In diesen Figuren sind die Einzelheiten des Reaktors 1, die vom Aufbau und von der Funktion her gesehen den in den vorhergehenden Figuren dargestellten Funktionen entsprechen, mit denselben Bezugszahlen angegeben und werden nicht weiter beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der obere Boden 4 mit einem Mannloch 17 einer vorbestimmten Querabmessung und zwei Stutzen 18 bzw. 19 ausgestattet, die der Einleitung von zwei separaten Strömen eines Wärmeaustausch-Betriebsfluids in die Wärmetauschereinheit 5 dienen. Das Betriebsfluid entspricht in diesem speziellen Fall auch dem Reaktionsfluid, wie aus dem restlichen Teil der Beschreibung zu ersehen ist.
Darüber hinaus ist im unteren Boden 3 ein Stutzen 20 zum Auslass der Reaktionsprodukte aus dem Reaktor 1 vorgesehen.
Innerhalb der Hülle 2 ist die Reaktionszone 9 angeordnet, die schematisch innerhalb einer oberen Linie 21 und einer unteren Linie 22 enthalten ist und der Aufnahme eines katalytischen Betts dient, das nicht im Einzelnen beschrieben wird, da es an sich bekannt ist.
Die Wärmetauschereinheit 5, die in eine nicht dargestellte Masse eines entsprechenden Katalysators eingesetzt ist, ist in einer an sich herkömmlichen Art und Weise in der Reaktionszone 9 gehaltert.
Die Wärmetauschereinheit 5 hat eine im Wesentlichen zylindrische Gestaltung und umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen abgeflachten, behälterartigen, plattenförmigen Wärmetauschern 6 mit einer quaderförmigen Gestaltung, die in einer Anordnung mit koaxialen und konzentrischen Elementen nahe beieinander liegen (im Wesentlichen radiale Anordnung).
Die Reaktionszone 9 wird axial von einem zylindrischen Kanal 23 durchquert, der mit den Wärmetauschern 6 durch jeweilige rohrförmige Anschlussteile 24 und mit der Reaktionszone selbst in Fluidverbindung steht. Zu diesem Zweck ist der Kanal 23 am unteren Ende mit einem Boden 25 verschlossen, wohingegen er an seinem oberen Ende offen ist.
Darüber hinaus ist innerhalb des unteren Bodens 3 eine Kammer zur Sammlung der Reaktionsprodukte gebildet, wohingegen im Inneren des oberen Bodens 4 eine Kammer 27 zum Sammeln des Betriebsfluids oder vielmehr des Reaktionsfluids gebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Plattenwärmetauscher 6, die in näherer Einzelheit in 4 dargestellt ist, haben diese Wärmetauscher eine abgeflachte quaderförmige Ausbildung mit zwei Metallblechen 28, 29, die eine reduzierte Dicke haben, um so plastisch verformt werden zu können, und die im Wesentlichen in Gegenüberlage durch eine Umfangsschweißung 30 miteinander verbunden sind. Die Umfangsschweißung wird unter Betrachtung dessen ausgeführt, dass an entgegengesetzten Seiten 31, 32 dieser Bleche ein an dem Stutzen 18 angeschlossenes rohrförmiges Anschlussteil 33 und ein an den zylindrischen Kanal 23 angeschlossenes Anschlussteil 24 vorhanden sind.
Diese Bleche 28, 29 sind darüber hinaus durch eine im Wesentlichen L-förmige Lötlinie 34 miteinander verbunden, die sich parallel zu einer Seite 35 des Wärmetauschers 6 erstreckt, keine Fluideinlass- oder Fluidauslass-Anschlussteile aufweist, und mit einem reduzierten Abstand zu ihr verläuft. An der Seite 31 des Wärmetauschers 6 und an dieser Lötung 34 ist ein weiteres rohrförmiges Anschlussteil 36 vorgesehen, das für den Einlass eines zweiten Stroms eines Betriebsfluids an den Stutzen 19 angeschlossen ist.
Durch plastische Verformung dieser Bleche 28, 29, die zum Beispiel durch Einblasen eines Druckfluids zwischen diese erhalten wird, bildet sich im Wärmetauscher 6 eine Kammer 37, die dazu gedacht ist, vom Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchquert zu werden, und ein Kanal 38 zur Einleitung des zweiten Stroms des Betriebsfluids. Der Kanal 38 verläuft in dem Bereich, der zwischen der L-förmigen Lötlinie 34 und der Seite 35 des Wärmetauschers selbst enthalten ist.
An einem Blech des Wärmetauschers 6, zum Beispiel am Blech 29, sind zwei oder mehr Verteiler 39, 40 befestigt, die durch eine Vielzahl von in dem betrachteten Blech gebildeten Öffnungen 41 in Fluidverbindung mit der Kammer 37 stehen, und auch, durch jeweilige Öffnungen 42, die daran an entsprechenden Positionen vorgesehen sind, mit dem Einspeisungskanal 38.
Anders als bei den rohrförmigen Wärmetauschern von 1 und 2 wird die Temperatur des Wärmeaustausch-Betriebsfluids in den Plattenwärmetauschern 6 von 3 und 4 durch die Einleitung eines Betriebsfluids mit unterschiedlicher Temperatur in die Kammer 37 an vorbestimmten Punkten gesteuert.
Anders ausgedrückt hat der zweite Strom des Betriebsfluids, der in die Kammer 37 der Plattenwärmeaustauscher 6 durch den Stutzen 19, die Anschlussteile 36, den Einspeisekanal 38 und die Verteiler 39, 40 (Durchströmen der Öffnungen 42 und 41) eingeleitet wird, eine andere Temperatur (höher oder niedriger) als die Temperatur des im Inneren der Kammer 37 strömenden Betriebsfluids, um die Temperatur dieses Fluids zu steuern und einen Wärmeaustausch mit der Reaktionszone 9 zu ermöglichen, der über ihre ganze Länge konstant und homogen ist.
Gemäß dieser Ausführungsform der Wärmetauscher 6 ist das Vorhandensein von kritischen Bereichen auf die Abschnitte der Reaktionszone 9 im Nahbereich des Einspeisekanals 38 und der Verteiler 39, 40 begrenzt, wo die Temperaturdifferenz zum Betriebsfluid besonders hoch ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Einspeisekanal 38 und die Verteiler 39, 40 in entsprechender Weise durch geeignete Schichten 16', 16'' aus Isoliermaterial thermisch isoliert.
Vorzugsweise ist die Dicke der Schicht 16'' aus Isoliermaterial, mit der der Einspeisekanal 38 beschichtet ist, größer als die Dicke 16' des Isoliermaterials, mit der die Verteiler 39, 40 beschichtet sind, da auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Betriebsfluid und der Reaktionszone 9 am Kanal 38 größer ist als in Bezug auf die Verteiler 39, 40.
Mit Bezug auf 5 und 6 ist ein pseudo-isothermischer Reaktor 1 zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen dargestellt und enthält eine Wärmetauschereinheit 5 gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nun nachstehend beschrieben wird.
In diesen Figuren sind die Einzelheiten des Reaktors 1, die baulich und funktionsmäßig denen entsprechen, die in den vorangegangenen Figuren dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen angegeben und werden nicht weiter beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der obere Boden 4 mit einem Stutzen 43 für den Einlass eines Reaktionsfluids in den Reaktor 1 ausgestattet, und mit Stutzen 44, 45 für den Einlass eines Wärmeaustausch-Betriebsfluids in die Wärmetauschereinheit 5 bzw. für den Auslass dieses Betriebsfluids aus der Wärmetauschereinheit.
Der untere Boden 3 ist darüber hinaus mit einem Stutzen 46 für den Auslass der Reaktionsprodukte aus dem Reaktor 1 ausgestattet.
Innerhalb der Hülle 2 ist die Reaktionszone 9 angeordnet, die ein an sich bekanntes ringförmiges katalytisches Bett aufweist, das oben offen ist und perforierte Seitenwände hat, um das Reaktionsfluid in einer radialen oder axial-radialen Richtung durchzulassen.
Die innere Seitenwand des katalytischen Betts 47 bildet einen Durchgang 48 in seinem Inneren, das oben durch einen Deckel 49 verschlossen ist und – durch ein Anschlussteil 50 – mit dem Stutzen 46 für den Auslass der Reaktionsprodukte in Fluidverbindung steht.
In der Reaktionszone 9, genauer gesagt im Inneren des katalytischen Betts 47 ist die Wärmetauschereinheit 5, die in eine nicht dargestellte Masse eines entsprechenden Katalysators eingesetzt ist, in an sich herkömmlicher Art gehaltert.
In derselben Weise wie beim Beispiel von 3 hat diese Wärmetauschereinheit 5 eine im Wesentlichen zylindrische Auslegung und umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen abgeflachten, behälterartigen, plattenförmigen Wärmetauschern 6 mit einer quaderförmigen Auslegung, die in einer Anordnung mit koaxialen und konzentrischen Elementen nahe beieinander liegen.
Im Einzelnen (6) besteht jeder der Wärmetauscher 6 vorzugsweise aus zwei aneinander gelegten Metallblechen 51, 52, die unter einem vorbestimmten Abstand zueinander durch eine Umfangslötung 53 miteinander verbunden sind. Dabei ist zwischen diesen Blechen eine Kammer 54 definiert, die für den Durchgang eines Wärmeaustausch-Betriebsfluids gedacht ist.
Jeder Wärmetauscher 6 ist an entgegengesetzten Längsseiten 55 mit einem Verteilungskanal 56 bzw. mit einem Sammelkanal 57 für das Betriebsfluid ausgestattet. Die Kanäle 56, 57 sind auf einer Seite in Fluidverbindung mit einer Kammer 54 durch zumindest eine, vorzugsweise aber durch mehrere Öffnungen oder Löcher (nicht dargestellt), die entlang einer oder mehrerer Erzeugenden dieser Kanäle vorgesehen sind. An der anderen Seite stehen die Kanäle 56, 57 in Fluidverbindung mit der Außenumgebung des Wärmetauschers 6, und zwar durch jeweilige rohrförmige Anschlussteile 58 und 59 für den Einlass bzw. Auslass des Betriebsfluids. Die Anschlussteile 58 und 59 sind wiederum mit den Stutzen 44 bzw. 45 verbunden.
Um ein Durchqueren des Wärmetauschers 6 in einer radialen oder im Wesentlichen radialen Richtung durch das Wärmeaustausch-Betriebsfluid zu erleichtern, ist die Kammer 54 vorzugsweise in mehrere Teilkam mern unterteilt, die nicht in direkter Verbindung miteinander stehen und zum Beispiel durch entsprechende mehrere Lötlinien 60 an den Metallblechen 51, 52 erhalten werden, die senkrecht zum Verteilerkanal 56 und Sammelkanal 57 des Wärmetauschers 6 verlaufen.
Aufgrund eines Rückgangs des Durchflusses des Wärmeaustausch-Betriebsfluids, das im Inneren des Verteilerkanals 56 und Sammelkanals 57 in Richtung zum Boden des Wärmetauschers 6 bzw. von diesem weg strömt, ist in den Bereichen der Reaktionszone 9, die diese Kanäle (kritischen Bereiche) umgeben, der Wärmeaustausch mit dem Betriebsfluid übermäßig stark, so dass eine gewünschte Steuerung der Temperatur in diesen kritischen Bereichen der Reaktionszone 9 nicht möglich ist.
Demzufolge sind gemäß der vorliegenden Erfindung der Verteilerkanal 56 und Sammelkanal 57 des Wärmetauschers 6 durch eine entsprechende Schicht 16' aus Isoliermaterial in geeigneter Weise thermisch isoliert.
Mit Bezug auf 7 ist ein pseudo-isothermischer Reaktor 1 zur Ausführung von exothermen oder endothermen chemischen Reaktionen dargestellt und enthält eine Wärmetauschereinheit 5 nach noch einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben wird.
In diesen Figuren sind die Einzelheiten des Reaktors 1, die strukturell und funktionsmäßig denen entsprechen, die in den vorangegangenen Figuren dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht weiter beschrieben.
Wie bei den 3 und 5 hat die Wärmetauschereinheit 5 eine im Wesentlichen zylindrische Auslegung und umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen abgeflachten, behälterartigen, plattenförmigen Wärmetauschern 6 mit quaderförmiger Formgebung, die in einer Anordnung mit koaxialen und konzentrischen Elementen nahe beieinander liegen. Alle Wärmetauscher 6 sind mit den Längsseiten 61', 61'' parallel zur Achse der Hülle 2 angeordnet, und die jeweiligen unteren und oberen kurzen Seiten 62', 62'' verlaufen radial in Bezug auf diese.
Die Wärmetauscher 6 bestehen insbesondere aus zwei Metallblechen (nicht dargestellt), die unter einem vorbestimmten Abstand zu einander aneinandergelegt und durch eine Umfangslötung miteinander so verbunden werden, dass sich zwischen ihnen eine Kammer C bildet, die dazu gedacht ist, von einem Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchquert zu werden.
Innerhalb jedes Wärmetauschers 6 ist ein Trennblech 63 vorgesehen, das sich von einer kurzen Seite 62' von ihm erstreckt und eine vorbestimmte Länge hat, die kürzer ist als die der Längsseiten 61', 61''. Das Trennblech 63 verläuft in derselben Richtung wie die Längsseiten 61', 62''.
Das Trennblech 63 wird vorzugsweise erhalten durch eine wechselseitige Verlötung der beiden Bleche, die den Wärmetauscher 6 bilden, und zwar ab einer Mittenposition einer kurzen Seite 62' und in Richtung zur entgegengesetzten kurzen Seite 62'' verlaufend, in Bezug auf die es um einen vorbestimmten Abstand entfernt ist.
Wegen des Vorhandenseins des Trennblechs 63 ist die Innenkammer jedes Wärmetauschers 6 in zwei zusammenhängende Teile C1, C2 unterteilt, die miteinander nur nahe der kurzen Seite 62'' in Verbindung stehen, entgegengesetzt zur Seite 62', an der das Trennblech beginnt.
Jeder der beiden Teile C1, C2 der Kammer C jedes Wärmetauschers 6 steht in Verbindung mit dem Außenbereichs des Reaktors 1 durch jeweilige rohrförmige Anschlussteile 64, 65, die in Fluidverbindung mit den Stutzen 66 bzw. 67 des unteren Bodens 3 stehen.
In jedem Wärmetauscher 6 definieren die vorstehend erwähnten Teile C1, C2 der Kammer C den ansteigenden Abschnitt bzw. den absteigenden Abschnitt einer im Wesentlichen umgedrehten U-förmigen Fließbahn für ein vorbestimmtes Wärmeaustausch-Betriebsfluid.
Genau wie beim Beispiel von 1 ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Betriebsfluid und der Reaktionszone 9 im unteren Teil dieser Zone im Nahbereich der Wärmetauscher 6 besonders relevant (kritische Bereiche 9a).
In dieser Hinsicht ist der untere Teil der Wärmetauscher 6 vorteilhafterweise mit einer Schicht aus Isoliermaterial 16' bedeckt, um so den Wärmeaustauschkoeffizienten in diesem Teilbereich in geeigneter Weise zu reduzieren und folglich die Reaktionstemperatur in den kritischen Bereichen 9 innerhalb vorbestimmter Werte zu halten.
In jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen der Wärmetauschereinheit 5 kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, bei welchem die Abschnitte 6a, 6b der Wärmetauscher, die sich in den kritischen Bereichen 9a der Reaktionszone erstrecken, thermisch so isoliert sind, dass darin der Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem Wärmeaustausch-Betriebsfluid und der Zone 9 reduziert und gesteuert wird.
Dabei wird in vorteilhafter Weise an diesen Abschnitten 6a, 6b eine geeignete Verringerung des Wärmeaustausch-Koeffizienten erhalten. Es ist somit möglich, die Temperatur in den kritischen Bereichen 9a der Zone 9 innerhalb eines sehr begrenzten Bereichs von Werten im Bereich einer vorbestimmten Referenzisotherme zu halten. Somit ist es möglich, in solchen kritischen Bereichen auch ein Fortschreiten oder einen Abschluss der chemischen Reaktion zu erhalten, was der Gesamtumwandlungsausbeute der betrachteten chemischen Reaktion sehr zum Vorteil gereicht.
Unter den zahlreichen Vorteilen, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bietet, ist die Fähigkeit erwähnenswert, eine größere Umwandlungsausbeute der chemischen Reaktion – mit denselben Betriebsbedingungen -erlangen zu können als mit Blick auf die Ausbeute, die mit den Verfahren aus dem Stand der Technik erhalten werden kann. Andersherum gestattet die vorliegende Erfindung bei derselben Umwandlungsausbeute den Erhalt einer solchen Ausbeute mit Reaktoren und entsprechenden Vorrichtungen mit kleineren Abmessungen (und folglich mit geringeren Kosten und niedrigerem Energieverbrauch), in Bezug auf die Reaktoren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik gesehen.
Die vorstehend erwähnte Isolierung lässt sich vorzugsweise ausführen durch Bedecken der einschlägigen Abschnitte mit einer oder mehreren Schichten 16', 16'' eines thermisch isolierenden Materials in verschiedenen Stärken. Als Alternative zu den Schichten 16', 16'' aus Isoliermaterial unterschiedlicher Dicke kann die Beschichtung mit einer einzigen Schicht 16' mit veränderlicher Dicke erfolgen.
Eine derartige Schicht aus Isoliermaterial kann auf die Innenseite und/oder Außenseite (wie in den Beispielen von 1–7 angegeben ist) der Wärmetauscher 6 aufgebracht werden.
In dieser Hinsicht wurden besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt, wenn man Keramikbeschichtungen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendete, die auf solchen Substanzen beruhten wie etwa den Oxiden von Zirkon, Yttrium, Aluminiumoxid, Cerium, Magnesium und Mischungen davon.
Vorzugsweise werden diese Substanzen auf die Abschnitte 6a, 6b der Wärmetauscher 6 mittels Plasma aufgebracht.
Die Dicke der Schicht 16', 16'' aus Isoliermaterial kann – zum Beispiel – von einem Minimum von 50 μm für die Abschnitte 6b bis zu einem Maximum von 800 μm für die Abschnitte 6a der Wärmetauscher 6 variieren, vorzugsweise zwischen 100 und 500 μm.
Für die so erdachte Erfindung lassen sich alternative Lösungen und Modifikationen finden, die alle in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
Zum Beispiel kann gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nicht dargestellt ist, die thermische Isolierung der Wärmetauscher 6 durch Isolierhüllrohre, Doppelrohre oder andere Isoliermaterialien herkömmlicher Art erhalten werden.
Als Alternative ist es sogar möglich, Wärmetauscher 6 bereitzustellen, die – in Form eines Einzelteils – Abschnitte 6a, 6b aufweisen, die einen zum Wärmeaustauschkoeffizienten des restlichen Wärmetauschers unterschiedlichen Wärmeaustauschkoeffizienten haben. Zu diesem Zweck können die Wärmetauscher 6 mit Bimetall-Materialien, oder auch mit Materialien mit einem unterschiedlichen Wärmeleitungsgrad hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Pseudo-Isothermizität einer chemischen Reaktion in einer entsprechenden Reaktionszone (9), in welcher der Einsatz von Wärmetauschern (6) vorgesehen ist, die von einem Wärmeaustausch-Betriebsfluid durchströmt werden und in denen kritische Bereiche (9a) des Wärmeaustauschs ausgewiesen sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass in den kritischen Bereichen (9a) der Reaktionszone der Wert des Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen dem Betriebsfluid und der Zone (9) durch thermische Isolierung der sich in diesen Bereichen (9a) erstreckenden Abschnitte (6a, 6b) der Wärmetauscher verringert und gesteuert wird, wobei die thermische Isolierung der Abschnitte (6a, 6b) der Wärmetauscher (6) dadurch ausgeführt wird, dass auf die Abschnitte (6a, 6b) der Wärmetauscher (6) mehrere Schichten (16', 16'') aus Isoliermaterial verschiedener Dicken oder auch eine einzelne Schicht (16') veränderlicher Dicke aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial auf die Außenseite und/oder Innenseite der Wärmetauscher (6) an den Abschnitten (6a, 6b) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial eine Dicke zwischen 50 und 800.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial ein Keramikmaterial umfasst, das auf Oxiden von Zirkon, Yttrium, Aluminiumoxid, Cerium, Magnesium und Mischungen davon beruht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial auf die Abschnitte (6a, 6b) der Wärmetauscher mittels Plasma aufgebracht ist.
Wärmetauscher für das Verfahren von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (6) mindestens einen Abschnitt (6a, 6b) von sich umfassen, der mit mehreren Schichten (16', 16'') aus Isoliermaterial verschiedener Dicken oder auch einer einzelnen Schicht (16') veränderlicher Dicke beschichtet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mindestens einen Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial eine Außenfläche und/oder Innenfläche des mindestens einen Abschnitts (6a, 6b) beschichtet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial eine Dicke zwischen 50 und 800.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial ein Keramikmaterial umfasst, das auf Oxiden von Zirkon, Yttrium, Aluminiumoxid, Cerium, Magnesium und Mischungen davon beruht.
Pseudo-isothermischer Reaktor zum Ausführen von katalytischen chemischen Reaktionen, der eine im Wesentlichen zylindrische Hülle (2) umfasst, in deren Inneren eine Reaktionszone (9) angeordnet ist, um ein katalytisches Bett zu enthalten, in dem mehrere Wärmetauscher (6) gehaltert sind, die in eine Masse eines geeigneten Katalysators eingetaucht sind oder eine Masse eines geeigneten Katalysators in sich enthalten und in denen kritische Bereiche (9a) des Wärmeaustauschs definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in den kritischen Bereichen (9a) oder die sich in unmittelbarer Nähe der kritischen Bereiche (9a) erstreckenden Abschnitte (6a, 6b) der Wärmetauscher (6) mit mehreren Schichten (16', 16'') aus Isoliermaterial verschiedener Dicken oder auch mit einer einzelnen Schicht (16') veränderlicher Dicke beschichtet sind.
Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mindestens einen Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial eine Außenfläche und/oder Innenfläche der Abschnitte (6a, 6b) beschichtet ist.
Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial eine Dicke zwischen 50 und 800.
Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (16', 16'') aus Isoliermaterial ein Keramikmaterial umfasst, das auf Oxiden von Zirkon, Yttrium, Aluminiumoxid, Cerium, Magnesium und Mischungen davon beruht.