DE69221241T2

DE69221241T2 - Reaktor zur Durchführung nicht-adiabatischer katalytischer Reaktionen

Info

Publication number: DE69221241T2
Application number: DE69221241T
Authority: DE
Inventors: Henrik Otto Stahl; Haldor Frederik Axel Topsoe
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2012-09-23
Also published as: JP3262354B2; KR100253064B1; DK162891D0; EP0535505A1; NO923683L; KR930005665A; NO923683D0; AU652666B2; NO178817B; CA2078825A1; ATE156030T1; JPH0576748A; AU2529392A; EP0535505B1; CA2078825C; DE69221241D1; NO178817C; DK162891A

Description

Diese Erfindung betrifft einen Prozeß bzw. ein Verfahren und einen Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen, und insbesondere einen Prozessor und einen Reaktor, in welchem man einen Prozeßstrom nichtadiabatisch in indirektem Wärmeaustausch mit einem wärmeleitenden Medium reagieren laßt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Nadelwärmeaustauschreaktor , umfassend eine äußere Röhre mit einem Eintrittsende und einem geschlossenen Austrittsende, eine innere Röhre , die koaxial in der äußeren Röhre und von der äußeren Röhre beabstandet angeordnet ist, und einen Katalysator in einem ringförmigen Raum, der von der äußeren Röhre und der inneren Röhre begrenzt ist, wobei der Reaktor mit einem Mantel versehen ist, der die äußere Röhre außen umgibt und der einen Durchgangskanal für ein wärmeleitendes Medium zwischen dem Mantel und der äußeren Röhre begrenzt, wobei der Mantel entlang einer bestimmten Länge desselben, die sich von einem Bereich in der Nähe des Austrittsendes bis zu einem Bereich zwischen dem Austrittsende und dem Eintrittsende der äußeren Röhre erstreckt, eine Mehrzahl von Perforationen aufweist, wobei diese Komponenten auf derartige Weise angeordnet sind, daß das wärmeleitende Medium fortlaufend durch die perforierte Länge des Mantels dem Kanal zugeführt wird und entlang der Außenfläche der äußeren Röhre im Gegenfluß zu und in indirektem Wärmeaustausch mit einem Prozeßstrom durch den Katalysator in dem Kanal, der von dem Mantel und der äußeren Röhre begrenzt ist, fließt.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP-A-61 111 135 bekannt.
Nichtadiabatische katalytische Reaktionen, wie beispielsweise endothermes Reformieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf und exotherme Methanisierungsreaktionen werden in herkömmlicher Weise in Reaktorröhren ausgeführt, die mit einem Katalysatorbett versehen sind, durch welches ein Prozeßstrom aus Reaktanten bei erhöhtem Druck getrieben wird. Um das Fortschreiten der Reaktionen in dem Katalysatorbett mit einem hohen Grad aufrechtzuerhalten und eine Beschädigung des Katalysators zu vermeiden, ist es erforderlich, die Temperatur in dem reagierenden Prozeßstrom entweder durch Kühlen oder durch Erwärmen zu steuern.
Es ist bekannt, die Temperatur durch indirekten Wärmeaustausch zwischen dem Prozeßstrom und einem Kühl- oder Wärmemedium zu steuern, das entlang einer wärmeleitenden Wand der Reaktorröhren in wärmeleitender Beziehung mit dem reagierenden Prozeßstrom steht.
Ein derartiges Verfahren wird in dem US-Patent Nr. 4 162 290 erwähnt, in welchem während einer Sequenz von primären und sekundären Reformieren ein Teil der Kohlenwasserstoffzufuhr in einem röhrenförmigen Wärmeaustauschreaktor durch indirekten Wärmeaustausch mit heißem effluenten Gas aus der sekundären Reformierung erhitzt wird.
Ein Typ eines Wärmeaustauschreaktors, der derzeit in industriellen Anwendungen verwendet wird, ist der Nadelwärmeaustauschreaktor Herkömmliche Nadelwärmeaustauschreaktoren bestehen aus einer inneren Röhre, die koaxial in einer äußeren Mantelröhre angeordnet ist. Katalysatorteilchen werden in einen ringförmigen Raum eingebracht, der zwischen den Wänden der inneren Röhre und der äußeren Röhre definiert ist. Einen Prozeßstrom aus Reaktanten läßt man dadurch reagieren, daß man den Strom durch den Katalysator in wärmeleitender Beziehung mit dem wärmeleitenden Medium laufen läßt, welches außen an der Wand der Mantelröhre entlangfließt. Bei Verwendung in endothermen Reaktionen, die Wärme erfordern, wird die für die Reaktionen in dem Prozeßstrom notwendige Wärme durch ein heißes Fluid geliefert, welches im Gegenfluß zu und indirektem Wärmeaustausch mit dem Prozeßstrom in der Röhre steht. Wenn der Prozeßstrom, in dem die Reaktionen stattgefunden haben, durch den Katalysator gelaufen ist, trifft er gegen das geschlossene Ende der äußeren Röhre, wo der Strom seine Richtung in die innere Röhre des Reaktors umkehrt, und wird dann aus dem Reaktor als Produktstrom entnommen.
Die Verwendung von Nadelwärmeaustauschreaktoren bei der Reformierung eines Kohlenwasserstoffprozeßstroms ist in der europaischen Patentanmeldung Nr. 334 540 und in der GB- Patentanmeldung Nr. 2 213 496 offenbart. Durch die offenbarten Prozesse wird ein Kohlenwasserstoffdampfstrom in Nadelwärmeaustauschreaktoren durch indirekten Austausch zwischen heißem Gas, das an der Außenseite der nadelförmigen Reaktorröhren entlangfließt und dem Prozeßstrom, der durch den Katalysator innerhalb der Röhren im Gegenfluß zu dem heißen Gas läuft, reformiert. Weitere Wärme für endotherme Reformierungsreaktionen wird durch den heißen Produktstrom der reformierten Kohlenwasserstoffe geliefert, die aus dem Reaktor durch die innere Röhre im Gegenfluß zu und indirektern Wärmeaustausch mit dem Prozeßstrom in dem ringförmigen Raum entnommen werden.
Ein Nadelwärmeaustauschreaktor mit erhöhten Wärmeaustauscheigenschaften ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 194 067 beschrieben. Der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeübertragenden heißen Gas und einem Prozeßstrom wird dadurch erhöht, daß die innere Röhre der Reaktorröhren mit einer Isolation versehen wird, welche den Wärmeaustausch zwischen dem Produktstrom und dem Prozeßstrom beschränkt. Die Temperatur des Prozeßstrom wird dadurch verringert, was zu einer größeren Temperaturdifferenz zwischen dem Prozeßstrom und dem heißen Gas und somit zu einem erhöhten Wärmetransfer von dem heißen Gas auf den Prozeßstrom führt. Wie weiter in diesem Dokument erwähnt ist, wird ein hochintensiver Wärmeaustausch erhalten, wenn das heiße Gas im Gegenfluß zu dem Prozeßstrom durch einen Mantel läuft, welcher das Eintrittsende des Reaktors bis zu einem Bereich, der in der Nähe des Austrittsendes liegt, umgibt.
Obige Wärmeaustauschprozesse und Reaktoren, in denen ein Prozeßstrom durch Erwärmen des Stroms mit heißem Gas, das außen und im Gegenfluß zu dem Strom in einem Nadelwärmeaustauschreaktor läuft, konvertiert wird, schaffen durch Verwendung eines Gegenflußwärmeaustauschs zwischen wärmeübertragenden Fluiden und einem Prozeßstrom eine verbesserte Prozeßökonomie, allerdings trifft keiner dieser Prozesse und Reaktoren Vorkehrungen in Bezug auf kritische Parameter der Reaktormaterialien. Wie im Stand der Technik bekannt, ist die Leistungsfähigkeit industrieller katalytischer Reaktoren nicht nur durch kritische Katalysatoreigenschaften beschränkt, sondern auch durch Materialparameter, welche durch das Temperaturniveau und die Wärmeübertragung durch die Wärme austauschenden Wände der Reaktorröhren gesteuert wird. Metallische Reaktorröhren, die bei hohen Temperaturen einer Spannung ausgesetzt werden, deformieren sich fortwährend mit einer Rate, die von dem metallischen Material, der Spannungsbelastung und der Metalltemperatur abhängt. Diese Deformation wird als Kriechdehnung bezeichnet. Eine Kriechdehnung kann zum Bruch der Röhren führen und somit ihre Lebenszeit beschränken. Sogar kleine Änderungen der Temperatur des Röhrenmaterials haben eine große Auswirkung auf die Kriechdehnungsrate. Somit ist es möglich, durch Verringerung der Temperatur der Röhrenwand, die Kriechdehnung in dem Röhrenmaterial zu verringern und konsequenterweise die Lebensdauer der Röhren zu verlängern.
Demgemäß betrifft eine Aufgabe dieser Erfindung die Verbesserung eines Prozesses zur Durchführung nichtadiabatischer katalytischer Reaktionen in röhrenförmigen Wärmeaustauschreaktoren, wobei durch den Prozeß die Lebensdauer der Reaktorröhren durch verringerte Wandtemperaturen in kritischen Teilen der Röhren erhöht wird.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Nadelwärmeaustauschreaktor zu schaffen, der zur Ausführung des Prozesses geeignet ist.
Diese Aufgaben werden durch einen Nadelwärmeaustauschreaktor der zuvor genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die perforierte Länge des Mantels zwischen 5 und 75% der Länge des Mantels ausmacht, welche sich von dem Austrittsende zu dem Eintrittsende der äußeren Röhre erstreckt, und der Kanal eine Breite zwischen 0,01 und 0,08 mal derjenigen des Innendurchmessers der äußeren Röhre hat.
Gemäß der Erfindung läßt man einen Prozeßstrom katalytisch unter nichtadiabatischen Bedingungen in Anwesenheit eines Katalysators, der in einem röhrenförmigen Reaktor mit einem Eintrittsende und einem Austrittsende angeordnet ist, dadurch reagieren, daß man den Prozeßstrom durch den Reaktor in indirektem Wärmeaustausch mit einem wärmeleitenden Medium, das entlang der Reaktorröhre im Gegenfluß zu dem Prozeßstrom fließt, laufen läßt, wobei die Verbesserung ein fortwährendes Zuführen des Mediums in das Reaktorrohr in wachsender Menge von dem Austrittsende zu einem Bereich zwischen dem Austrittsende und dem Eintrittsende der Röhre umfaßt, wodurch eine verringerte Wandtemperatur des Reaktors an dem Austrittsende desselben erhalten wird.
Der erfinderische Prozeß schafft einen effizienten und ökonomischen Prozeß für katalytisch exotherme sowie endotherme Konversionsprozesse in einem Prozeßstrom durch Verringerung der Temperatur der Reaktorwand am kritischen Austrittsende der Reaktorröhre durch fortwährendes Zuführen des Mediums zur äußeren Oberfläche der Röhre über einen großen Bereich, der in der Nähe des kritischen Austrittsendes liegt, was aufgrund der oben genannten Gründe die Lebenszeit der Röhre verlängert.
Der Begriff "wärmeleitendes Medium", der hier zuvor und nachfolgend verwendet wird, bedeutet sowohl wärmeübertragende Medien, wie beispielsweise ein heißes Abgas von einem Brenner oder ein heißes Produktgas von einer externen Prozeßeinheit, als auch wärmeaufnehmende Medien, wie beispielsweise Kühlwasser oder kaltes Prozeßgas.
Bei der Durchführung exothermer Reaktionen gemäß dem erfinderischen Prozeß, wie beispielsweise der Synthese von Ammonium oder Methanol oder der Fischer-Tropsch-Synthese ist das wärmeleitende Medium ein Kühlmedium, das fortwährend der äußeren Oberfläche in der Nähe des Austrittsendes der Reaktorröhre zugeführt wird. Dadurch wird der Massenfluß des Kühlmediums in Bereichen des Eintrittsendes der Röhre am höchsten, dort wo die exothermen Reaktionen ihren höchsten Kühlbedarf haben, und zwar aufgrund der Wärme, die sich während der Reaktionen, die in dem Katalysator an dem Eintrittsende des Rohrs mit ihrer höchsten Rate laufen, entwickelt.
Der Prozeß der Erfindung ist insbesondere bei endothermen katalytischen Prozessen, wie beispielsweise der Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, nützlich.
Durch den bekannten Dampfreformierungsprozeß wird ein Dampf aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf katalytisch in einen Produktstrom aus Wasserstoff und Kohlenoxiden reformiert, was durch die folgenden Gleichungen typifiziert ist:
CH&sub4; + H&sub2;O T CO&sub2; + 3H&sub2; ΔHº&sub2;&sub9;&sub8; = -49,3 kcal/Mol
CH&sub4; + 2H&sub2;O T CO&sub2; + 4H&sub2; ΔHº&sub2;&sub9;&sub8; = -39,4 kcal/Mol
Bei der Durchführung des Prozesses gemäß der Erfindung werden Dampfreformierungsreaktionen durch Kontakt mit einem dampfreformierenden Katalysator in einem röhrenförmigen Wärmeaustauschreaktor bei Temperaturen über 350ºC initiiert. Um eine hohe Konversion von Kohlenwasserstoffen sicherzustellen, wird die Temperatur des Prozeßstroms graduierlich während seines Durchlaufs durch den Katalysator erhöht. Wenn er durch den Katalysator gelaufen ist, verläßt der Prozeßstrom, in dem Reaktionen stattgefunden haben, den Katalysator an dem Austrittsende der Reaktorrohre als Produktstrom mit einer Temperatur zwischen 750ºC und 950ºC. Die für die endothermen Reformierungsreaktionen, die in den Katalysator ablaufen, erforderliche Wärme wird durch einen Strom aus heißem Gas geliefert, der entlang der äußeren Oberfläche der Reaktorröhre mit einer Eintrittstemperatur von zwischen 1.000ºC und 1.300ºC entlangfließt. Das heiße Gas wird dadurch fortwährend zur äußeren Oberfläche der Reaktorröhre in axialer Richtung von dem Austrittsende zum Eintrittsende der Röhre in einem Bereich, der zwischen Austrittsende und Eintrittsende liegt, zugeführt. Auf diese Weise wird das heiße Gas vorteilhafterweise über eine große Fläche an Bereichen in der Nähe des Austrittsendes der äußeren Oberfläche der Röhre zugeführt, was zu einer verringerten Wärmezufuhr zu der Röhrenwand an dem heißen Austrittsende führt.
Außerdem erhöht sich die Menge an von dem heißen Gas auf den Prozeßstrom durch entlang der Wärmeaustauschwand der Reaktorröhre erzwungenen Konvektion von ungefähr Null an dem Austrittsende auf einen Maximalwert in dem Bereich an dem Eintrittsende der Röhre, welches die höchste Wärmenachfrage des Prozeßstroms hat.
Die Erfindung schafft weiterhin einen Nadelwärmeaustauschreaktor, der zur Durchführung nichtadiabatischer katalytischer Prozesse durch indirekten Wärmeaustausch mit einem wärmeleitenden Medium geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Nadelwärmeaustauschreaktor geschaffen, umfassend eine äußere Röhre mit einem Eintrittsende und einem geschlossenen Austrittsende, einer inneren Röhre, die koaxial mit der äußeren Röhre und von der äußeren Röhre beabstandet angeordnet ist, und einen Katalysator in einem ringförmigen Raum zwischen der äußeren und der inneren Röhre, der mit einem Mantel bzw. einer Hülle versehen ist, der bzw. die außen die äußere Röhre umgibt und einen Kanal zwischen der Hülle und der äußeren Röhre schafft, wobei die Hülle eine Mehrzahl von Perforationen in einem Bereich der Hülle hat, der zwischen dem Austrittsende und dem Eintrittsende der äußeren Röhre liegt, um fortwährend ein wärmeleitendes Medium dem Kanal und der äußeren Oberfläche der Röhre zuzuführen.
Der Bereich, in welchem der Mantel bzw. die Hülle mit Perforationen versehen ist, kann zwischen 5 und 75 %, vorzugsweise zwischen 10 und 50 % der Länge des Mantels bzw. der Hülle in dem Bereich zwischen dem Austrittsende und dem Eintrittsende der äußeren Röhre ausmachen.
Abhängig von den in dem Reaktor durchgeführten Reaktionen und dem Erfordernis an Erwärmung oder Kühlung, die dadurch bedingt sind, kann es vorteilhaft sein, die Hülle mit einer weiteren Mehrzahl von Perforationen in einem Bereich zu versehen, in dem die Hülle das geschlossene Austrittsende der äußeren Reaktorröhre umgibt.
Die Perforationen stellen eine fortwährende Lieferung von wärmeleitendern Material zur Reaktorröhre in der Nähe oder an ihrem geschlossenen Austrittsende sicher, wo ein großer Wärmefluß und konsequenterweise ein hoher Massenfluß des wärmeleitenden Mediums vermieden werden muß, um die Temperatur und die Kriechdehnung in der Röhrenwand zu verringern.
Außerdem wird ein hoher Massenfluß und somit ein extensiver Wärmeaustausch entlang der äußeren Oberfläche der äußeren Röhre vorteilhafterweise in dem unperforierten Bereich der Hülle, der benachbart zum Eintrittsende der Röhre liegt, erhalten, wo der Massenfluß des wärmeübertragenden Mediums seinen Maximalwert erreicht.
Die Breite des Kanals, die durch die Hülle und die äußere Oberfläche der äußeren Röhre definiert ist, kann zwischen 0,01 und 0,08, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,05, mal dem Innendurchmesser der äußeren Röhre variieren.
Da somit die Erfindung im allgemeinen beschrieben worden ist, werden nun weitere Aspekte und Vorteile aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offensichtlich, in denen,
Fig. 1 ein Längsschnitt einer Reaktorröhre gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist; und
Fig. 2 das Wandtemperaturprofil, das in der Reaktorröhre von Fig. 1 erhalten wird, im Vergleich zu dem Profil zeigt, das in einem Nadelwärmeaustauschreaktor mit maximalem Fluß entlang der gesamten Wand der äußeren Reaktorröhre erhalten wird.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form einen Längsschnitt eines Nadelwärmeraustauschreaktors gemäß der Erfindung. Der Nadelwärmeraustauschreaktor 10 besteht aus einer äußeren Röhre 12, die an ihrem Eintrittsende 14 geöffnet und an ihrem Austrittsende 16 geschlossen ist. In der äußeren Röhre 12 ist eine innere Röhre 18 koaxial und von der äußeren Röhre 12 beabstandet vorgesehen. Die innere Röhre 18 ist an beiden Enden offen.
Die Reaktorröhre 10 ist weiter mit einem Mantel bzw. einer Hülle 24 versehen, der die äußere Oberfläche der äußeren Röhre 12 vollständig umgibt. Die Hülle 24 umschließt einen Raum 26 zwischen der äußeren Oberfläche der äußeren Röhre 12 und der Hülle 24. Der Raum 26 schafft einen Kanal für ein wärmeleitendes Medium, das durch die Perforationen 28 in einem Abschnitt S1 der Hülle 24, wie untenstehend weiter beschrieben wird, zugeführt wird. Der perforierte Abschnitt S1 erstreckt sich über eine bestimmte Länge in der Hülle 24 in einem Bereich zwischen dem Austrittsende 16 und dem Eintrittsende 14 der Röhre 12.
Das Prozeßgas wird in den Reaktor 10 durch das offene Ende 14 der äußeren Röhre 12 eingeführt. Das Prozeßgas läuft dann durch den Katalysator 22, der zwischen den Wänden der äußeren Röhre 12 und der inneren Röhre 18 angeordnet ist. Wenn das Gas durch den Katalysator 22 gelaufen ist, trifft es auf die Röhrenwand an dem Austrittsende 16 der äußeren Röhre, wo es seine Richtung zur inneren Röhre 18 umkehrt, durch welche der Strom als Produktstrom entnommen wird.
Ein Kühlen oder Wärmen des Prozeßstroms in dem Katalysator 22 wird dadurch erhalten, daß ein wärmeleitendes Medium durch Perforationen 28 in der Hülle 24 in den Raum 26 zugeführt wird.
Das wärmeleitende Medium wird über eine große Fläche auf die äußere Oberfläche in dem unteren Teil der Röhre 12 durch den perforierten Abschnitt S1 in der Hülle 24 eingeführt und fließt in dem Raum 26 entlang der Röhre 12 im Gegenfluß zu und indirektern Wärmeaustausch mit dem Prozeßgas in der Röhre.
Der Fluß des Mediums erhöht sich im Raum 26 in dem Abschnitt S1 durch fortwährende Zufuhr des Mediums durch die Perforationen 28. Der Fluß des Mediums erreicht sein Maximum in dem Bereich S2 in dem Raum 26, der benachbart und in der Nähe des Eintrittsendes 14 der Röhre 12 liegt.
In dem kritischen Bereich S3 an dem Austrittsende 16 der Röhre 12 ist der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeleitenden Medium und dem Prozeßstrom auf Strahlung beschränkt, so daß im wesentlichen kein Medium fließt und konsequenterweise keine erzwungene Konvektion in dem Raum 26 in dem Bereich S3 stattfindet, der durch einen unperforierten Abschnitt der Hülle 24 klassifiziert ist.

Beispiel

In dem folgenden Beispiel wird die Erfindung in einem Computermodel angewendet, welches die Vorteile des erfinderischen Prozesses während einer endothermen Dampfreformierung von Kohlenwasserstoff durch Wärmeaustausch mit heißem Abgas in dem Reaktor, der oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben worden ist, darstellt.
In dem Computermodell wurden die folgenden Dimensionen des Reaktors angenommen:
äußere Röhre: Länge 7 m
Innendurchmesser 120 mm
Wanddicke 5 mm
innere Röhre Länge 6,1 m
Innendurchmesser 30 mm
Wanddicke 5 mm
Mantel: Länge 7 m
Länge des perforierten Abschnitts 3 m
Länge des unperforierten Abschnitts 4 m
mit einer Perforation von 1,5
(Durchmesser der Perforation ungefähr 2 mm, 50 mm Teilung)
Länge der Hülle und Abschnitte sind als Entfernung von dem Austrittsende zu dem Eintrittsende der äußeren Röhre angegeben.
Die Hülle ist 5 mm von der äußeren Oberfläche der äußeren Röhre entfernt.
132 Nm³/h eines Kohlenwasserstoff-Dampfprozeßgases werden mit einer Eintrittstemperatur von 520ºC in die äußere Röhre des Reaktors eingeführt. Durch Hindurchlaufen durch einen herkömmlichen reformierenden Nickelkatalysator, der zwischen der äußeren und der inneren Röhre des Reaktors angeordnet ist, wird die Temperatur des Gases, in dem Reaktionen stattgefunden haben, von ungefähr 520ºC auf 800ºC an dem Austrittsende der äußeren Reaktorröhre erhöht. Das Gas verläßt den Reaktor durch die innere Röhre mit einer Austrittstemperatur von 570ºC, nachdem das Gas Wärme durch indirekten Wärmeaustausch mit dem reagierenden Gas in der äußeren Röhre abgegeben hat. Weitere Wärme wird dem reagierenden Gas durch heißes Abgas von einem Brenner zugeführt. Das Brennergas wird mit 235 Nm³/h mit einer Eintrittstemperatur von 13000ºC in den Mantel zugeführt. Das Gas tritt mit im wesentlichen derselben Temperatur in den Abgaskanal zwischen dem Hüllenende und der äußeren Oberfläche der äußeren Röhre durch den perforierten Abschnitt in der Hülle, der sich über einen Bereich von 3 Meter von dem Austrittsende der Röhre erstreckt. In dem Kanal fließt das heiße Gas im Gegenfluß zu und indirektern Wärmeaustausch mit dem Prozeßgas in der äußeren Röhre des Reaktors. Nachdem dem Prozeßgas Wärme zugeführt worden ist, verläßt das Abgas die Hülle in der Nachbarschaft von dem Eintrittsende der äußeren Röhre mit einer Austrittstemperatur von 620ºC.
Der Wärmefluß an dem Austrittsende der äußeren Röhre wird durch den obigen Prozeß von ungefähr 70.000 kcal/m² hr, wie in einer entsprechenden Reaktorröhre ohne die Hülle, auf ungefähr 20.000 kcal/m² hr in der Reaktorröhre, die durch die Hülle klassifiziert ist, reduziert. In dem Bereich des perforierten Abschnitts in der Hülle erhöht sich der Wärmefluß von ungefähr 20.000 kcal/m² hr fast linear auf 35.000 kcal/m² hr aufgrund der fortwährenden Lieferung von heißem Abgas durch die Perforationen in der Hülle. Entsprechende Werte für den Reaktor ohne Hülle mit maximaler Zufuhr von Abgas in diesem Bereich zeigen einen linearen Abfall von 70.000 kcal/m² hr an dem Austrittsende auf ungefähr 23.000 kcal/m² hr in einer Entfernung von 3 Metern von dem Austrittsende der Reaktorröhre.
Weiter ist das Temperaturprofil, das an der Wand der äußeren Reaktorröhre durch den erfinderischen Prozeß erhalten worden ist, ist außerdem in Fig. 2 im Vergleich zu dem Temperaturprofil gezeigt, das in einer Reaktorröhre erhalten worden ist, die der in Fig. 1 ähnlich ist, allerdings keine Hülle 24 umfaßt und somit eine maximale Zufuhr von Abgas in dem Bereich um das Austrittsende der Röhre erfährt.
Wie aus Fig. 2 offensichtlich, ist die Wandtemperatur (O) an dem Austrittsende der Röhre, die von einem unperforierten Abschnitt der Hülle umgeben wird, um ungefähr 1000ºC niedriger als die Wandtemperatur (X) der Röhre ohne eine derartige Abschirmung. In dem Bereich, der zum Austrittsende benachbart ist, welches von dem perforierten Teil der Hülle umgeben ist, ist der Wandtemperaturgradient in axialer Richtung abgeflacht, und zwar aufgrund der fortwährenden Zufuhr von heißem Abgas innerhalb dieses Bereichs, was in einer weniger extensiven Erwärmung der Rohrwand um ihr Austrittsende führt, und konsequenterweise zu einer verlängerten Lebensdauer der Röhre. Als Beispiel würde die Lebensdauer einer HK40-Röhre mit einem Außendurchmesser von 120 mm und einem Innendurchmesser von 110 mm durch Senkung der Wandtemperatur von 850ºC auf 750ºC von 8,4 10&sup5; auf 9,4 10&sup7; Stunden erhöht werden.

Claims

1. Ein Nadelwärmeaustauschreaktor (10), umfassend eine äußere Röhre (12) mit einem Eintrittsende (14) und einem geschlossenen Austrittsende (16), eine innere Röhre (18), die koaxial in der äußeren Röhre (12) und von der äußeren Röhre beabstandet (26) angeordnet ist, und einen Katalysator (22) in einem ringt rmigen Raum, der von der äußeren Röhre (12) und der inneren Röhre (18) begrenzt ist, wobei der Reaktor mit einem Mantel (24) versehen ist, der die äußere Röhre (12) außen umgibt und der einen Durchgangskanal für ein wärmeleitendes Medium zwischen dem Mantel (24) und der äußeren Röhre (12) begrenzt, wobei der Mantel (24) entlang einer bestimmten Länge desselben, die sich von einem Bereich in der Nähe des Austrittsendes (16) bis zu einem Bereich zwischen dem Austrittsende (16) und dem Eintrittsende (14) der äußeren Röhre (12) erstreckt, eine Mehrzahl von Perforationen (28) aufweist,

wobei diese Komponenten auf derartige Weise angeordnet sind, daß das wärmeleitende Medium fortlaufend durch die perforierte Länge des Mantels (24) dem Kanal zugeführt wird und entlang der Außenfläche der äußeren Röhre (12) im Gegenfluß zu und in indirektem Wärmeaustausch mit einem Prozeßstrom durch den Katalysator (22) in dem Kanal, der von dem Mantel (24) und der äußeren Röhre (12) begrenzt ist, fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die perforierte Länge des Mantels (24) zwischen 5 und 75% der Länge des Mantels ausmacht, welche sich von dem Austrittsende zu dem Eintrittsende der äußeren Röhre erstreckt, und

der Kanal eine Breite zwischen 0,01 und 0,08 mal derjenigen des Innendurchmessers der äußeren Röhre (12) hat.

2. Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei die perforierte Länge des Mantels zwischen 10 und 50% der Länge des Mantels (24) ausmacht.

3. Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Breite des Kanals zwischen 0,02 und 0,05 mal dem Innendurchmesser der äußeren Röhre (12) beträgt.

4. Der Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Mantel weiterhin in einem Bereich, der das Austrittsende (16) der äußeren Röhre (12) umgibt, mit einer Mehrzahl von Perforationen versehen ist.