DE4221837C1

DE4221837C1 - Shrouded catalytic reformer tube - with partially enclosed gas mixing zone, for prodn. of synthesis gas

Info

Publication number: DE4221837C1
Application number: DE4221837A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl.-Ing. 4600 Dortmund De Marsch
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2012-07-04
Also published as: JPH0656403A; JP3450876B2; US5362453A; CA2098425A1

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Reformer zur Erzeugung von Synthesegas der im Oberbegriff des Anspruches 1 angege benen Gattung.

Derartige Reformer sind beispielsweise aus den DE- 35 32 413-A, DE-36 05 811-A oder DE-38 13 864-A der Anmel derin bekannt, andere Lösungen zeigen die EP-01 71 786 oder US 43 37 170.

Bei einer derartigen Technologie der Synthesegaserzeugung sind derartige konvektive Reformer mit Reformerrohren be stückt, die mit Katalysator gefüllt sind. Diesen Reformer rohren wird ein Wasserdampf/Kohlenwasserstoffgemisch zuge führt, das unter Aufnahme von Wärme in ein H₂-CO-haltiges Gas umgewandelt wird und dabei am Reformerrohraustritt eine Temperatur von mindestens 680°C bei erhöhtem Druck er reicht. Die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme wird von einer anderen Quelle zur Verfügung gestellt. Allen diesen Quellen ist für den vorliegenden Anwendungsfall ge meinsam, daß die Quelle ein Gas höherer Temperatur und etwa gleichen Druckes ist, dessen Molvolumen jedoch meist größer ist als das Molvolumen des Gases, das aus den Reformerroh ren austritt. Ein weiteres Merkmal ist, daß das Gas der Quelle ebenfalls ein H₂-CO-haltiges Gas ist, jedoch mit ei nem niedrigeren Gehalt an Restmethan. Das Produktgas, das als Heizgas benutzt wird, entsteht nun, wenn man beide Ströme mischt, bevor es als Wärmelieferant für die Reaktion in den Reformerrohren des konvektiven Reformers benutzt wird.

Beispiel

Gas am Austritt der Reformerrohre:
1059 kmol/h, 700°C, 21,1 bar
Gas von der Wärmequelle:
2532 kmol/h, 880°C, 21,1 bar
Gemisch = Produktgas = Heizgas
3591 kmol/h, 816°C, 21,1 bar.

Wesentlich zur Erzielung der erforderlichen Ausbeute an H₂ und CO und damit der erforderlichen Absenkung des Methanre stes im Produktgas ist eine möglichst gleichmäßige Behei zung aller Reformerrohre des konvektiven Reformers, so daß die Austrittstemperaturen und damit die Methanrestgehalte der aus den einzelnen Reformerrohren austretenden Gasströme möglichst wenig voneinander abweichen.

Es wird vorausgesetzt, daß auf der Reformerrohrseite durch entsprechende Maßnahmen eine gleichmäßige Gasverteilung auf die Einzelrohre erreicht wird. Dies kann zum Beispiel durch Einbau von definierten Druckverlusterzeugern in den Zulei tungen geschehen, eine Methode, die z. B. beim Bau von Dampferzeugern (Einbau von Blenden) angewandt wird. Um so wichtiger ist es aus energetischen Gründen, den Druckver lust auf der Mantelseite niedrig zu halten, ohne die Effi zienz der Wärmeübertragung zu beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der insbesondere die Mischung der auftretenden Strömungen verbessert wird bei gleichzeitiger Vergleichmäßigung der Wärmeübergänge mit konstruktiv einfachen und wirtschaftlich zu verwirklichenden Maßnahmen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Hüllrohre die Reformerrohre unter Ausbildung einer je dem Reformerrohr zugeordneten individuellen Mischkammer überragen.

Da das das Reformerrohr einschließende Hüllrohr in Schwer kraftrichtung gesehen das Reformerrohr überragt, entsteht ein sich selbst regulierender Verteilerboden aus stabilen Einzelelementen, wobei die individuellen Zuströmmengen durch die aus den Reformerrohren austretenden Strahlen un beeinflußt bleiben. Gleichzeitig ist gewährleistet, daß das Gas aus dem Reformerrohr diesem selbst zugeordnet bleibt und eine optimale Durchmischung erreicht wird. Die Verwendung rohrförmiger Elemente als Wärmeaus tauschvorrichtung hat den Vorteil der Robustheit und Form stabilität, die noch durch den Verbund mit dem Reformerrohr über geeignete Führungselemente in allgemein bekannter Art zur Einstellung des gleichmäßigen Strömungsspaltes erhöht werden. Aus der DE-32 44 252 ist für sich gesehen bekannt, daß Reformerrohre den mit Austrittsöffnungen versehenen Ka talysatorrost um ein geringes Maß überragen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hüllrohre die Reformerrohre um eine Länge überragen, die wenigstens dem Achtfachen des äquivalenten Durchmessers der jeweiligen größten Reformerrohr-Austrittsbohrung ent spricht, wodurch insbesondere erreicht wird, daß die aus dem Reformerrohr austretenden Gasströme die zugeordnete Mischkammer nicht oder nur unwesentlich verlassen können.

Zweckmäßigerweise ist auch vorgesehen, daß das freie Ende des Hüllrohres mit einer eine Durchgangsöffnung aufweisen den Platte versehen ist.

Diese zusätzliche Maßnahme dient zur Sicherstellung der Gleichmäßigkeit der Zuströmbedingungen des Gases von der Wärmequelle zu den einzelnen Mischkammern ohne merklichen Druckverlust, da das offene Ende des zweiten Rohres mit ei ner Platte versehen ist mit einer oder mehreren Öffnungen, deren gesamter Durchtrittsquerschnitt vorzugsweise so be messen ist, daß die dem einzelnen Reformerrohr zugedachte Gasmenge an dieser Stelle die 1,5fache Abströmgeschwindig keit im Strömungsspalt nicht überschreitet. Eine solche Maßnahme ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich die Menge des Gases von der Wärmequelle der Menge des Gases aus den Reformerrohren annähert.

Zweckmäßigerweise kann auch vorgesehen sein, daß das Re formerrohr den mit den Austrittsbohrungen versehenen Kata lysatorrost überragt und am freien Ende verjüngend ausge bildet ist, wobei das Hüllrohr das freie Ende des Katalysa torrohres überragt.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß das untere offene Ende des Reformerrohres in einem Abstand (B1) von (0,5 bis 2)×D1 mit D1 als den lichten Durchmesser des unteren offenen Endes vor der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei das untere offene Ende des Hüllrohres einen Abstand (B2) von mindestens (D2+0,5×D1) vom unteren offenen En de des Reformerrohres aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß zwei ausgebildete Rohrströmungen erzeugt werden, die direkt aufeinandertreffen und sich dabei mi schen.

Fig. 1 zeigt als Beispiel einen Prozeß zur Erzeugung von Wasserstoff 102 unter Einsatz eines konventionellen Dampf reformers 100 und eines erfindungsgemäßen konvektiven Re formers 101. Der konventionelle Dampfreformer 100 stellt in diesem Beispiel die Wärmequelle für den konvektiven Refor mer 101 dar. Natürlich sind auch andere Wärmequellen denk bar, z. B. eine partielle Oxidation oder auch eine kataly tische partielle Oxidation. Im vorliegenden Beispiel wird das im konventionellen Dampfreformer 100 erzeugte H₂-CO- reiche Gas über die Leitung 103 dem konvektiven Reformer 101 zugeführt und nach Mischung mit dem H₂-CO-reichen Gas aus den Reformerrohren 104 zur Beheizung derselben benutzt. In den konvektiven Reformer 101 wird ein Dampf/Kohlenwas serstoffgemisch über die Leitung 105 den Reformerrohren 104 zugeführt. Die Mischung aus den beiden beschriebenen H₂-CO- reichen Gasen verläßt nach Abgabe eines großen Teils seiner fühlbaren Wärme den konvektiven Reformer 101 als Produktgas mit einer Temperatur von etwa 600°C, vorzugsweise unter 600°C, und strömt zur weiteren Verarbeitung über die Lei tung 106 ab.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 ein vereinfachtes Anlageschaltbild mit einem erfin dungsgemäßen Reformer,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Refor mers in teilweise vereinfachter Darstellung sowie in den

Fig. 3 bis 5 unterschiedliche Gestaltungen der unteren End bereiche von Reformerrohr/Hüllrohr.

Die übrigen Bezeichnungen von Fig. 1 bedeuten: Brennstoff 107, Kohlenwasserstoff bzw. KWS 108, Verbrennungsluft 109, Kesselspeisewasser 110, Exportdampf 111, Kühlwasser 112, Entschwefelung 113, CO-Konvertierung 114 und Druckwechsel- Adsorptionsanlage bzw. PSA 115. Die Abhitzeverwertung des Rauchgases nach dem konventionellen Dampfreformer 100 be steht aus der Dampferzeugung A, der Dampfüberhitzung B, der KWS-/Dampfvorwärmung C, der KWS-Vorwärmung D und der Ver brennungsluftvorwärmung E.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Sie wird gebildet von einem zylindrischen Druckgefäß 2 mit einem Eintrittsstutzen 3 zur Einführung eines H₂-CO-reichen Gases als Wärmequelle, mit einem Eintrittsstutzen 5 für die Zuführung eines Dampf/Kohlenwasserstoffgemisches und einem Austrittsstutzen 6 für die Ableitung des abgekühlten Pro duktgases. Im Inneren des Druckmantels befinden sich Re formerrohre 4, die mit Katalysator gefüllt sind. Jedes Re formerrohr 4 wird von einem Hüllrohr 7 umhüllt unter Frei lassung eines Strömungsspaltes 8. Reformerrohr 4 und das Hüllrohr 7 sind an ihrem oberen Ende mechanisch verbunden und in der Tragplatte 9 befestigt, die den Kopfbereich 10 von der konvektiven Reformierungszone 11 und dem Bodenbe reich 12 trennt, wobei gleichwohl der Bodenbereich 12 und der Kopfbereich 10 über die Strömungsspalte 8 strömungsmä ßig verbunden sind. Vom Eintrittsstutzen 5 führt innerhalb des Kopfbereichs 10 mindestens eine Leitung 13 in den Hohl raum 14 der Tragplatte 9. Von dem Hohlraum 14 wird dann das Dampf/Kohlenwasserstoffgemisch über viele kurze Verbin dungsleitungen 15 auf die Reformerrohre 4 verteilt. Es durchströmt die mit Katalysator gefüllten Reformerrohre 4 von oben nach unten und wird dabei unter Wärmeaufnahme zu einem H₂-CO-reichen Gasgemisch reformiert. Die Wärme lie fert das im Strömungsspalt 8 aufwärts strömende Produktgas. Jedem Reformerrohr ist am Ende eine eigene Mischkammer 16 zugeordnet. Sie wird begrenzt von dem unteren offenen Ende 17 des Hüllrohres 7, das tiefer liegt als das untere offene Ende 18 des Reformerrohres 4, eben diesem unteren offenen Ende 18, dem Eintrittsbereich 19 des Strömungsspaltes 8 und dem Überstand A des Hüllrohres 7. Durch diese Ausführung wird erreicht, daß kein Gas aus den Reformerrohren 4 in den Bodenbereich 12 gelangt und sich vom Bodenbereich 12 aus das Gas, das über den Eintrittsstutzen 3 zuströmt, gleich mäßig auf die individuellen Mischkammern 16 verteilt.

Zum Schutz der Wandungen des Druckgefäßes 2 vor den hohen Temperaturen ist außerdem eine feuerfeste Isolierschicht 20 vorgesehen.

Fig. 3 zeigt in einer ersten Ausgestaltung eine beispiel hafte Ausführungsform der individuellen Mischkammer 16. Das offene Ende 18 des Reformerrohres 4 ist mit einem Katalysa torrost 21 versehen, um den Katalysator 22 im Reformerrohr 4 zu halten. Gleichwohl sind im Katalysatorrost 21 Bohrun gen 23 vorgesehen, die kleiner sind als die Katalysator teilchen, aber das Gas in die Mischkammer 16 abströmen lassen. Das Hüllrohr 7 umschließt das Reformerrohr 4 mit Abstand unter Bildung des Strömungsspaltes 8 und sein unten offenes Ende 17 hat einen Abstand A vom unteren offenen Ende 18 des Reformerrohres 4, in diesem Beispiel charakte risiert durch die Unterkante des Katalysatorrostes 21. Na türlich sind auch andere Gestaltungsformen des offenen Endes 18 denkbar, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist es z. B. möglich, zusätzlich zum Katalysatorrost 21 und unterhalb einen zweiten Boden mit Bohrungen vorzusehen, de ren Durchmesser nicht an die Größe der Katalysatorteilchen gebunden ist. Ebenso ist es möglich, unterhalb des Kataly satorrostes 21 eine vielfältig gestaltbare kleine Sammel kammer für das Gas aus dem Reformerrohr 4 vorzusehen und zum Beispiel die genannten Bohrungen 23 in einem zylin drischen Abschnitt mit dann horizontaler Abströmung anzu bringen.

In weiterer Ausgestaltung der Ausführung gemäß Fig. 3 ist in Fig. 4 vorgesehen, die Zuströmbedingungen aus dem Boden bereich 12 zur Mischkammer 16 weiter positiv zu beeinflus sen, wobei nur ein vernachlässigbarer Druckverlust entste hen darf. In Fig. 4 ist daher das offene Ende 17 mit einer Platte 24 versehen, in der eine Öffnung 25 freigelassen ist. Die Größe der Öffnung 25 wird so bemessen, daß die dem einzelnen Reformerrohr 4 zugedachte Gasmenge an dieser Stelle die 1,5fache Abströmgeschwindigkeit im Strömungs spalt 8 nicht überschreitet. Natürlich ist es auch möglich, die Öffnung 25 durch Einziehen des Hüllrohres 7 oder durch Einschweißen eines oder mehrerer entsprechender Präzisions rohre in die Platte 24 zu gestalten. Auch die Aufteilung der Öffnungen 25 auf mehrere kleine bewirkt den gleichen Effekt.

Fig. 5 zeigt unterhalb des Katalysatorrostes 21 in Verlän gerung des Reformerrohres 4 ein röhrenförmiges Element 26. Das aus den Austrittsöffnungen 23 ausströmende Gas wird so zunächst gebündelt und tritt nach Durchlaufen der Strecke B1 am unteren offenen Ende 18 aus, das einen lichten Durch messer D1 hat. Durch das untere offene Ende 17 des Hüllroh res 7 strömt Gas von größerer Menge und höherer Temperatur entgegen. Beide Gasstrahlen treffen in der Mischkammer 16 aufeinander und vermischen sich, um anschließend in den Strömungsspalt 8 zur Beheizung des Reformerrohres 4 abzu strömen.

Claims

1. Reformer zur Erzeugung von Synthesegas, mit einer Mehrzahl von in einem Druckgefäß aufgehängten, mit Katalysator ge füllten Reformerrohren, die wenigstens bereichsweise unter Freilassung eines Spaltes von Hüllrohren, umgeben sind, wo bei der Spalt eine untere Mischzone für ein Produktgas mit dem mit einem Auslaß für das Produktgas versehenen Kopfbe reich des Druckgefäßes strömungsmäßig verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre (7) die Reformerrohre (4) unter Ausbil dung einer jedem Reformerrohr (4) zugeordneten individuel len Mischkammer (16) überragen.

2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre (7) die Reformerrohre (4) um eine Länge überragen, die wenigstens dem Achtfachen des äquivalenten Durchmessers der jeweiligen größten Reformerrohr-Austritts bohrung (23) entspricht.

3. Reformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Hüllrohres (7) mit einer eine Durch gangsöffnung (25) aufweisenden Platte versehen ist.

4. Reformer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Reformerrohr (4) den mit den Austrittsbohrungen (23) versehenen Katalysatorrost (21) überragt und am freien Ende verjüngend ausgebildet ist, wobei das Hüllrohr (7) das freie Ende des Katalysatorrohres überragt.

5. Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das untere offene Ende (18) des Reformerrohres (4) in einem Abstand (B1) von (0,5 bis 2)×D1 mit D1 als den lichten Durchmesser des unteren offenen Endes (18) vor der Austrittsöffnung (23) angeordnet ist, wobei das untere offene Ende (17) des Hüllrohres (7) einen Abstand (B2) von mindestens (D2+0,5×D1) vom unteren offenen Ende (18) des Reformerrohres (4) aufweist.