DE10056787A1 - Reactor used for producing synthesis gas by partial oxidation comprises a casing, an inner shaft and an outer shaft concentrically arranged in the casing and lids for closing both ends of the casing - Google Patents

Reactor used for producing synthesis gas by partial oxidation comprises a casing, an inner shaft and an outer shaft concentrically arranged in the casing and lids for closing both ends of the casing

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DE10056787A1 DE2000156787 DE10056787A DE10056787A1 DE 10056787 A1 DE10056787 A1 DE 10056787A1 DE 2000156787 DE2000156787 DE 2000156787 DE 10056787 A DE10056787 A DE 10056787A DE 10056787 A1 DE10056787 A1 DE 10056787A1
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Abstract

Reactor comprises a casing (1); an inner shaft (4) and an outer shaft (5) concentrically arranged in the casing and defining an inner gas chamber (6), a first annular gas chamber (7) and a second annular gas chamber (8); and two lids (2, 3) for closing both ends of the casing. Openings (24, 25, 27 28) are assigned to the gas chambers (6, 7) and an opening (20) is assigned to the gas chamber (8). Chambers (9) are arranged over the periphery of the casing and each have an opening (26). Tube bases (11) are arranged in the chambers (9) and discharge tubes are fixed to the bases and are arranged vertical to the casing. A region of the inner shaft is formed as a tube base. Tubes are fixed to the inner shaft and are formed as membrane tubes. Preferred Features: The tubes formed as membrane tubes are in the form of a gas-tight ceramic membrane applied to a support tube. The membrane conducts oxygen ions and electrons.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor, der insbesondere für die Erzeugung von Synthesegas durch partielle Oxidation geeignet ist.The invention relates to a reactor, in particular for the production of Synthesis gas by partial oxidation is suitable.

Zur Erzeugung von Synthesegas wird einer gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran auf der einen Seite (Retentatseite) ein heißes, Sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt. Auf der anderen Seite der Membran (Permeatseite) wird der austretende Sauerstoff mit einem zugeführten Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch zu einem Synthesegas umgesetzt.A gas-tight, oxygen ion and Electron-conductive ceramic membrane on one side (retentate side) a hot, Oxygen-containing gas mixture supplied. On the other side of the membrane (Permeate side) the escaping oxygen is supplied with a Hydrocarbon or hydrocarbon mixture converted to a synthesis gas.

Der Sauerstoffionentransport durch derartige Keramikmembranen erfolgt jedoch nur dann in der gewünschten Richtung, wenn auf der Retentatseite der Sauerstoff- Partialdruck größer ist als auf der Permeatseite.The transport of oxygen ions through such ceramic membranes, however, only takes place then in the desired direction if the oxygen Partial pressure is greater than on the permeate side.

Auf der Permeatseite der Membran ist, bedingt durch die chemische Reaktion mit dem oder den Kohlenwasserstoffen, der Partialdruck des Sauerstoffes sehr gering, so dass das der Retentatseite zugeführte Sauerstoff-haltige Gasgemisch lediglich auf einen vergleichsweise niedrigen Druck komprimiert werden muss. Üblicherweise ist der Druck des gebildeten Synthesegases sogar größer als der des Sauerstoff-haltigen Gasgemisches.On the permeate side of the membrane is due to the chemical reaction with the or the hydrocarbons, the partial pressure of oxygen very low, so that the oxygen-containing gas mixture supplied to the retentate side only to one comparatively low pressure must be compressed. Usually it is Pressure of the synthesis gas formed is even greater than that of the oxygen-containing Gas mixture.

Der optimale Arbeits- bzw. Wirkungsbereich gängiger Keramikmembranen liegt bei Temperaturen zwischen 700 und 1100°C.The optimal working and effective range of common ceramic membranes is included Temperatures between 700 and 1100 ° C.

Aus der deutschen Patentanmeldung 100 29 883.4 ist ein Reaktor zur Erzeugung von Synthesegas durch partielle Oxidation bekannt, bei dem eine Vielzahl von in einem Rohrboden eingehängten Membranrohren parallel zu der Längsachse des Reaktors angeordnet sind. Durch eine geeignete Führung eines Kühlluftstromes wird bei dieser Reaktorkonstruktion erreicht, dass sämtliche stark druckbelasteten metallischen Bauteile ausreichend gekühlt werden. From the German patent application 100 29 883.4 is a reactor for the production of Synthesis gas known by partial oxidation, in which a variety of in one Membrane tubes suspended from the tube sheet parallel to the longitudinal axis of the reactor are arranged. By a suitable guidance of a cooling air flow, this is Reactor design achieves that all highly pressurized metallic Components are cooled sufficiently.  

Die Leistung dieser Reaktorkonstruktion wird jedoch zum einen durch die Länge der Membranrohre und zum anderen durch den Durchmesser des Behälter begrenzt. Dies hat zur Folge, dass zum Erreichen bestimmter Leistungen mehrere Reaktoren miteinander verschaltet werden müssen, woraus ein hoher Platzbedarf und nicht unerhebliche Kosten für die die einzelnen Reaktoren verbindenden Rohrleitungen resultieren. Zudem ist es unumgänglich, dass einige Einbauten dieses Reaktors aus hochtemperaturbeständigen Sonderstählen gefertigt werden müssen. Des Weiteren ist es in der Regel erforderlich, dass der Reaktormantel, der einer vergleichsweise starken Druckbelastung ausgesetzt sein kann, entweder auf seiner Innenseite mit einer wärmeisolierenden Schicht zur Senkung des Temperatumiveaus versehen ist oder aber ebenfalls aus einem Sonderstahl besteht. Wird eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen, ist zusätzlich eine sog. Außenhaut-Temperaturüberwachung erforderlich.The performance of this reactor design, however, is determined by the length of the Membrane pipes and the other limited by the diameter of the container. This has the consequence that to achieve certain outputs several reactors must be interconnected, which requires a lot of space and not insignificant costs for the pipelines connecting the individual reactors result. In addition, it is imperative that some internals of this reactor be made high temperature resistant special steels have to be manufactured. Furthermore is it usually requires that the reactor jacket be of a comparatively strong Can be exposed to pressure, either on its inside with a heat-insulating layer is provided to lower the temperature level or but also consists of a special steel. Becomes a heat insulating layer a so-called outer skin temperature monitoring is also required.

Ferner kann es erforderlich sein, dass in den um den Membranrohren befindlichen Bereichen der Gasräume sog. Turbulenzverstärker vorgesehen werden. Prinzipiell ist bei der in der deutschen Patentanmeldung 100 29 883.4 beschriebenen Reaktorkonstruktion eine gleichmäßige Gasströmung in den Gasräumen aufgrund der radialen Zu- bzw. Abführungen der Gasströme und des vergleichsweise geringen Verhältnisses von Höhe zu Durchmesser der Gasräume nur schwierig bzw. nur mit einem vergleichsweise hohen technischen Aufwand zu erzielen.Furthermore, it may be necessary that in the around the membrane tubes So-called turbulence boosters are provided in areas of the gas spaces. In principle is in the described in German patent application 100 29 883.4 Reactor design a uniform gas flow in the gas spaces due to the radial inlets and outlets of the gas streams and the comparatively small Ratio of height to diameter of the gas spaces is difficult or only with to achieve a comparatively high technical effort.

Wird bei der in der deutschen Patentanmeldung 100 29 883.4 beschriebenen Reaktorkonstruktion ein einzufüllender körniger Katalysator verwendet, so ist das Befüllen und Entleeren des Innenbehälters, der den Katalysator aufnimmt, technisch und zeitlich aufwendig, da dazu der Innenbehälter demontiert werden muss.Is described in the German patent application 100 29 883.4 Reactor design uses a granular catalyst to be filled, so it is Technically filling and emptying the inner container that holds the catalytic converter and time-consuming because the inner container has to be dismantled.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reaktor zur Erzeugung von Synthesegas anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is to provide a reactor for the production of Specify synthesis gas that avoids the disadvantages mentioned.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Reaktor vorgeschlagenA reactor is proposed to solve this problem

- mit einem Reaktormantel,
- with a reactor jacket,

  • - mit zwei die beiden Enden des Reaktormantels verschließende Deckel,With two lids closing the two ends of the reactor jacket,
  • - mit zwei in dem Reaktormantel ineinander und konzentrisch zueinander angeordneten Schächten - einem inneren Schacht und einem äußeren Schacht - With two in the reactor jacket one inside the other and concentric to each other arranged shafts - an inner shaft and an outer shaft  
  • - , die einen inneren Gasraum, einen ersten ringförmigen Gasraum und einen zweiten ringförmigen Gasraum definieren,- Which have an inner gas space, a first annular gas space and one define second annular gas space,
  • - wobei dem inneren Gasraum und dem ersten ringförmigen Gasraum jeweils wenigstens zwei Öffnungen und dem zweiten ringförmigen Gasraum wenigstens eine Öffnung zugeordnet sind,- The inner gas space and the first annular gas space each at least two openings and the second annular gas space at least one opening is assigned,
  • - mit wenigstens einer, vorzugsweise mehreren über den Umfang des Reaktormantels angeordneten Kammern,- With at least one, preferably several over the scope of Chambers arranged in the reactor jacket,
  • - wobei jede Kammer wenigstens eine Öffnung aufweist,Each chamber has at least one opening,
  • - mit in den Kammern angeordneten Rohrböden, mit wenigstens einem in den Rohrböden befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Reaktormantel angeordneten Austragsrohr,- with tube plates arranged in the chambers, with at least one attached to the tube sheets, essentially discharge pipe arranged perpendicular to the reactor jacket,
  • - mit wenigstens einem Bereich des inneren Schachtes, der als Rohrboden ausgebildet ist,- With at least one area of the inner shaft, the tube sheet is trained,
  • - mit wenigstens einem in den als Rohrboden ausgebildeten Bereich des inneren Schachtes befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Reaktormantel angeordneten Rohr, das zumindest teilweise als Membranrohr ausgebildet ist,- With at least one in the area of the inner designed as a tube sheet Well attached, substantially perpendicular to the reactor jacket arranged tube, which is at least partially designed as a membrane tube,
  • - wobei der als Membranrohr ausgebildete Bereich des oder der Rohre vorzugsweise in dem inneren Gasraum angeordnet ist,- The area of the tube or tubes designed as a membrane tube is preferably arranged in the inner gas space,
  • - und wobei die Austragsrohre achsgleich zu den Rohren angeordnet sind und sich in diese hinein erstrecken.- And wherein the discharge tubes are arranged coaxially with the tubes and extend into it.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Reaktors sind Gegenstände der Unteransprüche.Further advantageous configurations of the reactor according to the invention are Objects of the subclaims.

Der erfindungsgemäße Reaktor sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The reactor according to the invention and further refinements of the same are explained in more detail with reference to the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 to 3.

Hierbei zeigen:Here show:

Fig. 1 Eine seitliche Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors Fig. 1 shows a side view of a possible embodiment of the reactor according to the invention

Fig. 2 Eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A durch die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform Fig. 2 is a sectional view along the line AA through the embodiment shown in Fig. 1

Fig. 3 Aufbau und Anordnung eines Membranrohres sowie Austragsrohres Derartige Reaktoren - wie in der Fig. 1 dargestellt - sind im Regelfall zylindersymmetrisch aufgebaut. Sie können sowohl stehend als auch in jeder anderen Ausrichtung, beispielsweise liegend, angeordnet werden. Im Folgenden wird die in der Fig. 1 dargestellte stehende Anordnung beschrieben. Fig. 3 Structure and arrangement of a membrane tube and discharge tube Such reactors - as shown in Fig. 1 - are usually constructed in a cylinder-symmetrical manner. They can be arranged upright or in any other orientation, for example lying down. The standing arrangement shown in FIG. 1 is described below.

Der Reaktor besteht aus einem Reaktormantel 1 (im Folgenden nur mehr als "Mantel" bezeichnet) sowie aus zwei Deckeln 2 und 3, die die beiden Enden des Mantels 1 verschließen. In der Praxis wird der untere Deckel 3 - entgegen der Darstellung der Fig. 1 - lediglich als Boden ausgebildet sein.The reactor consists of a reactor jacket 1 (hereinafter only referred to as "jacket") and two lids 2 and 3 , which close the two ends of the jacket 1 . In practice, the lower cover 3 - contrary to the representation of FIG. 1 - will only be designed as a bottom.

Innerhalb des Mantels 1 sind zwei ineinander und konzentrisch zueinander angeordnete Schächte - ein innerer Schacht 4 und ein äußerer Schacht 5 - vorgesehen. Diese definieren einen inneren Gasraum 6, einen ersten ringförmigen Gasraum 7 und einen zweiten ringförmigen Gasraum 8 - im Folgenden auch als Heißluftschacht bezeichnet.Within the casing 1 , two shafts arranged one inside the other and concentrically to one another - an inner shaft 4 and an outer shaft 5 - are provided. These define an inner gas space 6 , a first annular gas space 7 and a second annular gas space 8 - also referred to below as a hot air shaft.

Dem inneren Gasraum 6 und dem ersten ringförmigen Gasraum 7 sind bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors jeweils zwei Öffnungen 24, 25, 27 und 28 und dem zweiten ringförmigen Gasraum 8 eine Öffnung 20 zugeordnet. Unter dem Begriff "eine Öffnung" sei - dies wird anhand der späteren Beschreibung deutlich werden - eine Öffnung zu verstehen, über die ein bestimmter Gasstrom dem Reaktor zugeführt oder aus diesem abgeführt wird. Dass über den Umfang des Reaktormantels u. U. - wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist - mehrere Öffnungen, die dem gleichen Zweck dienen, vorgesehen sein können, ist selbstverständlich.In the embodiment of the reactor according to the invention shown in FIGS. 1 and 2, the inner gas space 6 and the first annular gas space 7 are each assigned two openings 24 , 25 , 27 and 28 and the second annular gas space 8 an opening 20 . The term “an opening” is to be understood - as will become clear from the description below - an opening through which a specific gas stream is fed to or removed from the reactor. That about the scope of the reactor jacket u. U. - as shown in FIGS. 1 and 2 - several openings that serve the same purpose can be provided, is self-evident.

Am Umfange des Mantels 1 sind nunmehr in mehreren Etagen die Kammern 9 angeordnet. Diese können verschlossen ausgebildet oder - wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt - mit abnehmbaren Deckeln 10 versehen sein. Die Kammern 9 oder deren Deckel 10 weisen jedoch wenigstens jeweils eine Öffnung 26 auf. In den Kammern 9 sind Rohrböden 11, die vorzugsweise abnehmbar ausgebildet sind, angeordnet. In den Rohrböden 11 wiederum sind eine Vielzahl von Austragsrohren 12 eingesteckt bzw. einsteckbar. On the circumference of the jacket 1 , the chambers 9 are now arranged in several floors. These can be closed or - as shown in FIGS. 1 and 2 - provided with removable covers 10 . However, the chambers 9 or their covers 10 each have at least one opening 26 . Tubes 11 , which are preferably designed to be removable, are arranged in the chambers 9 . In the tube plates 11 in turn, a plurality of discharge pipes 12 are inserted or insertable.

Die Anordnung der Austragsrohre 12 - wie auch der Rohre 14, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird, - erfolgt hierbei vorzugsweise in Schichten. Sowohl die Austragsrohre 12 als auch die Rohre 14 werden im Wesentlichen senkrecht zu dem Mantel 1 bzw. zu dessen Längsachse angeordnet. Durch diese Anordnung der vorgenannten Rohre hat deren Länge auf die Leistung des Reaktors keinen begrenzenden Einfluss mehr. Aufgrund der Möglichkeit der Anordnung einer Vielzahl von Schichten von Rohren übereinander bzw. in Richtung der Längsachse kann auch mit einem einzelnen turmförmigen Reaktor eine große Leistung erzielt werden.The dispensing tubes 12 - and also the tubes 14 , which will be discussed in more detail below - are preferably arranged in layers. Both the discharge pipes 12 and the pipes 14 are arranged essentially perpendicular to the jacket 1 or to its longitudinal axis. With this arrangement of the aforementioned tubes, their length no longer has a limiting influence on the performance of the reactor. Due to the possibility of arranging a plurality of layers of tubes one above the other or in the direction of the longitudinal axis, great performance can also be achieved with a single tower-shaped reactor.

Die Rohrböden 11 weisen vorzugsweise Rohrstücke 13 auf, die in die Rohrböden 11 eingeschweißt sind und in die die Austragsrohre 12 einsteckbar sind. Die derart eingesteckten Austragsrohre 12 werden mit den Rohrstücken 13 dicht verschweißt. Ist es erforderlich, defekte Austragsrohre 12 auszuwechseln, können diese nach dem Entfernen der Schweißnaht aus dem Rohrstück 13 entnommen werden. Ein Verschweißen ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da unter Umständen gänzlich auf eine feste Verbindung verzichtet werden kann oder zu dem Verschweißen alternative Verbindungsmethoden zur Anwendung kommen können.The tube sheets 11 are preferably tubular pieces 13 which are welded into the tube sheets 11 and in which the discharge pipes 12 are inserted. The discharge tubes 12 inserted in this way are tightly welded to the tube pieces 13 . If it is necessary to replace defective discharge pipes 12 , these can be removed from the pipe section 13 after the weld seam has been removed. However, welding is not absolutely necessary, since under certain circumstances a fixed connection can be completely dispensed with or alternative connection methods can be used for the welding.

Der bereits beschriebene innere Schacht 4 ist teilweise als Rohrboden für die Reaktorrohre 14 ausgebildet. Deren Anzahl entspricht der Zahl der vorbeschriebenen Austragsrohre 12. Die Austragsrohre 12 sind hierbei achsgleich zu den Rohren 14 angeordnet und erstrecken sich in diese hinein. Auch die Rohre 14 sind wiederum vorzugsweise in den inneren Schacht 4 eingeschweißte und mit dem äußeren Schacht 5 verschweißte Rohrstücke 15 eingesteckt bzw. einsteckbar. Hinsichtlich der Verbindungsmethoden zwischen den Rohrstücken Sund den Rohren 14 sei auf die oben gemachten Ausführungen verwiesen.The inner shaft 4 already described is partially designed as a tube sheet for the reactor tubes 14 . Their number corresponds to the number of discharge tubes 12 described above. The discharge tubes 12 are arranged axially with the tubes 14 and extend into them. The tubes 14 are in turn preferably inserted or insertable in the inner shaft 4 and welded to the outer shaft 5 pieces of pipe 15 . With regard to the connection methods between the pipe sections and the pipes 14 , reference is made to the statements made above.

Die Reaktorrohre 14 sind zumindest teilweise als Membranrohr 16 ausgebildet. Hierbei ist der als Membranrohr 16 ausgebildete Bereich der Rohre 14 vorzugsweise ausschließlich in dem inneren Gasraum 4 angeordnet.The reactor tubes 14 are at least partially designed as a membrane tube 16 . Here, the area of the tubes 14 designed as a membrane tube 16 is preferably arranged exclusively in the inner gas space 4 .

Die Austragsrohre 12 erstrecken sich in das Innere der Reaktorrohre 14 und hierbei vorzugsweise über den gesamten als Membranrohr 16 ausgebildeten Bereich der Rohre 14. The discharge pipes 12 extend into the interior of the reactor tubes 14 and in this case preferably over the whole constructed as a membrane tube 16 region of the tubes fourteenth

Der als Membranrohr 16 ausgebildete Bereich der Reaktorrohre 14 kann entweder in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran oder in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet sein.The area of the reactor tubes 14 designed as a membrane tube 16 can either be in the form of a gas-tight, oxygen-ion and electron-conducting ceramic membrane applied to a gas-permeable carrier tube or in the form of a tube consisting of a monolithic, gas-tight, oxygen-ion and electron-conducting ceramic.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, wird der als Membranrohr 16 ausgebildete Bereich der Rohre 14 vorzugsweise an seinen beiden Enden mit je einem Metallrohr von etwa gleichem Durchmesser stoffschlüssig und achsgleich verbunden. Die Rohre 14 sind lediglich an einem ihrer Enden in den Rohrstücken 15 fixiert, während das entgegengesetzte Ende zwar gasdicht verschlossen, aber in axialer Richtung frei dehnbar zur Vermeidung von Spannungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen angeordnet ist. Gleiches gilt für die Austragsrohre 12, die ebenfalls lediglich an einem ihrer Enden in dem Rohrboden 11 bzw. den darauf angeordneten Rohrstücken 13 befestigt sind. In der Fig. 3 nicht dargestellt ist eine geeignete Halterung des frei dehnbaren Endes der Rohre 14.As shown in FIG. 3, the area of the tubes 14 , which is designed as a membrane tube 16 , is preferably connected at its two ends with a metal tube of approximately the same diameter in a cohesive and axially aligned manner. The tubes 14 are only fixed at one of their ends in the tube pieces 15 , while the opposite end is sealed gas-tight, but is freely stretchable in the axial direction to avoid stresses caused by different thermal expansions. The same applies to the discharge pipes 12 , which are also only attached at one of their ends in the tube sheet 11 or the tube pieces 13 arranged thereon. A suitable holder for the freely stretchable end of the tubes 14 is not shown in FIG. 3.

Der innere Schacht 4 und damit der innere Gasraum 6 sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors zumindest im Bereich der Rohre 14 mit einem vorzugsweise körnigen Katalysatormaterial befüllt. Zum Befüllen bzw. Entleeren ist der Schacht 4 an den beiden Enden des Reaktors konstruktiv herausgezogen und mit einem oberen Deckel 17 und einem unteren Deckel 18 versehen. Am unteren Ende des Schachtes 4 ist zudem ein Tragrost 19 für den Katalysator angeordnet.According to an advantageous embodiment of the reactor according to the invention, the inner shaft 4 and thus the inner gas space 6 are filled with a preferably granular catalyst material at least in the region of the tubes 14 . For filling or emptying, the shaft 4 is structurally pulled out at the two ends of the reactor and provided with an upper cover 17 and a lower cover 18 . At the lower end of the shaft 4 , a support grate 19 is also arranged for the catalyst.

Alternativ oder ergänzend dazu, können die Reaktorrohre 14, zumindest der als Membranrohr 16 ausgebildete Bereich der Rohre 14, mit einem Katalysator beschichtet sein.Alternatively or additionally, the reactor tubes 14, at least designed as a membrane tube 16 area of the tubes 14 may be coated with a catalyst can.

Anhand der Fig. 1 sei der Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors bzw. des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.With reference to FIG. 1, the operation of the reactor according to the invention or the embodiment shown in Figs. 1 and 2 is explained in more detail.

Das heiße, Sauerstoff-haltige Gasgemisch wird dem erfindungsgemäßen Reaktor über die Öffnung(en) 20 in den Gasraum 8 zugeführt. Dieses Gasgemisch weist bei einem Druck von beispielsweise 1,5 bar eine Temperatur von 900°C auf. Die Erzeugung eines derartigen Gasgemisches kann beispielsweise in einer Brennkammer unter Frischluftüberschuss erfolgen. Aus dem Gasraum 8 gelangt dieses Gasgemisch in den von den Austragsrohren 12 und den Reaktorrohren 14 gebildeten Ringraum 23 (siehe Fig. 3).The hot, oxygen-containing gas mixture is fed to the reactor according to the invention via the opening (s) 20 in the gas space 8 . This gas mixture has a temperature of 900 ° C. at a pressure of, for example, 1.5 bar. Such a gas mixture can be generated, for example, in a combustion chamber with excess fresh air. This gas mixture passes from the gas space 8 into the annular space 23 formed by the discharge tubes 12 and the reactor tubes 14 (see FIG. 3).

Das Gasgemisch strömt entlang dem als Membranrohr 16 ausgebildeten Bereich der Reaktorrohre 14. Dabei gelangt durch das Membranrohr 16 reiner Sauerstoff in den inneren Gasraum 6, in dem sich der Katalysator befindet. Dem inneren Gasraum 6 bzw. Schacht 4 wird über die Öffnung 24 ein Kohlenwasserstoffgemisch - gegebenenfalls unter Hinzufügung von Wasserdampf - mit einer Temperatur von 500 °C und einem Druck von ca. 30 bar zugeführt. Das Kohlenwasserstoffgemisch reagiert mittels des Katalysators mit dem Sauerstoff zu einem Synthesegas, das den Reaktionsschacht 4 über die Öffnung 25 verlässt. Das gebildete Synthesegas weist bei einem Druck von ca. 30 bar eine Temperatur von ca. 950°C auf.The gas mixture flows along the area of the reactor tubes 14 designed as a membrane tube 16 . Pure oxygen passes through the membrane tube 16 into the inner gas space 6 , in which the catalyst is located. A hydrocarbon mixture - optionally with the addition of water vapor - at a temperature of 500 ° C. and a pressure of approx. 30 bar is fed to the inner gas space 6 or shaft 4 via the opening 24 . The hydrocarbon mixture reacts with the oxygen to form a synthesis gas, which leaves the reaction shaft 4 via the opening 25 . The synthesis gas formed has a temperature of approx. 950 ° C. at a pressure of approx. 30 bar.

Über die Austragsrohre 12, die Kammern 9 sowie die in deren Deckeln 10 vorgesehenen Öffnungen 26 wird ein an Sauerstoff abgereichertes Gasgemisch aus dem erfindungsgemäßen Reaktor abgezogen und gegebenenfalls einer weiteren energetischen Nutzung zugeführt.An oxygen-depleted gas mixture is withdrawn from the reactor according to the invention via the discharge pipes 12 , the chambers 9 and the openings 26 provided in their lids 10 and, if necessary, fed to a further energetic use.

Zur Kühlung des inneren Schachtes 4 wird über die Öffnung(en) 27 dem ringförmigen Gasraum 7 Frischluft zugeführt; diese weist bei einem Druck von 1,7 bar eine Temperatur von 90°C auf. Die sich zwangsläufig erwärmende Frischluft wird über die Öffnung(en) 28 wieder aus dem Gasraum 7 abgezogen und gegebenenfalls der bereits erwähnten Brennkammer zum Zwecke der Anwärmung des Sauerstoff-haltigen Gasgemisches zugeführt.To cool the inner shaft 4 , fresh air is supplied to the annular gas space 7 via the opening (s) 27 ; this has a temperature of 90 ° C at a pressure of 1.7 bar. The inevitably warming fresh air is withdrawn from the gas space 7 via the opening (s) 28 and, if necessary, fed to the already mentioned combustion chamber for the purpose of heating the oxygen-containing gas mixture.

Anstelle von Frischluft kann zur Kühlung wahlweise Wasserdampf über die Öffnung(en) 27 zu- und über die Öffnungen(en) 28 abgeführt werden.Instead of fresh air, water vapor can optionally be supplied via the opening (s) 27 for cooling and discharged via the openings (s) 28 .

Zur Kompensation unterschiedlicher axialer Wärmedehnungen des inneren Schachtes 4, des äußeren Schachtes 5 sowie des Mantels 1 sind in Form von Kompensatoren 29 und 30 Mittel zum Kompensieren vorgesehen. Die axialen Wärmedehnungen sind jedoch gering, wenn - entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors - der Schacht 4 sowie der Mantel 1 auf ihrer Innenseite und der Schacht 5 auf der Außenseite mit einer wärmeisolierenden Schicht versehen sind.To compensate for different axial thermal expansions of the inner shaft 4 , the outer shaft 5 and the jacket 1 , means for compensating are provided in the form of compensators 29 and 30 . However, the axial thermal expansions are low if - in accordance with an advantageous embodiment of the reactor according to the invention - the shaft 4 and the casing 1 are provided on their inside and the shaft 5 on the outside with a heat-insulating layer.

Eine derartige Wärmeschutzisolierung - einschließlich der der Deckel 2 und 3 - dient auch dazu, die Temperatur des Mantels 1 und die der Deckel 2 und 3 auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau zu halten.Such thermal insulation - including that of the lids 2 and 3 - also serves to keep the temperature of the jacket 1 and that of the lids 2 and 3 at a comparatively low level.

Bei der erfindungsgemäßen Reaktorkonstruktion herrscht zudem auf der Außenseite der Rohre 14 vorzugsweise der höhere Druck. Dies ist von Vorteil, da im Allgemeinen die Druckfestigkeit von Keramik höher ist als deren Zugfestigkeit.In the reactor construction according to the invention, the higher pressure is preferably also present on the outside of the tubes 14 . This is advantageous because the compressive strength of ceramics is generally higher than their tensile strength.

Der erfindungsgemäße Reaktor schafft eine Konstruktion, bei der die Länge der Membranrohre keinen begrenzenden Einfluss mehr auf die Leistung des Reaktors hat. Aufgrund der erzielten hohen Gasgeschwindigkeiten und der querangeströmten Rohre werden hohe Wärme- und Stoffübergänge gewährleistet, so dass der Einsatz von Turbulenzverstärkern nicht erforderlich ist. Eine über den gesamten Strömungsquerschnitt gleichmäßige Gasströmung kann in den vorgenannten Gasräumen ohne einen erhöhten technischen Aufwand gewährleistet werden. Auch das Befüllen und Entleeren des inneren Schachtes 4, der den Katalysator aufnimmt, erfordert nunmehr keinen großen technischen und zeitlichen Aufwand mehr, da auf eine Demontage des Reaktors verzichtet werden kann.The reactor according to the invention creates a construction in which the length of the membrane tubes no longer has a limiting influence on the performance of the reactor. Due to the high gas velocities achieved and the cross-flow tubes, high heat and mass transfers are ensured, so that the use of turbulence boosters is not necessary. A uniform gas flow over the entire flow cross section can be ensured in the aforementioned gas spaces without increased technical outlay. Filling and emptying the inner shaft 4 , which accommodates the catalyst, now no longer requires a great deal of technical and time expenditure, since it is not necessary to dismantle the reactor.

Der erfindungsgemäße Reaktor ermöglicht ferner die Realisierung einer ausreichenden Kühlung der wesentlichen und zum Teil stark druckbelasteten metallischen Bauteile. Auch wird ein sicherer und gasdichter Übergang von dem als Membranrohr ausgebildeten Bereich eines Rohres 14 zu den metallischen Bauteilen des Rohres 14 gewährleistet. Des Weiteren können schadhafte Rohre vergleichsweise einfach und schnell ausgewechselt werden. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Reaktor so konventionell als möglich aufgebaut, so dass der Anteil der keramischen Bauteile gering gehalten werden kann. Es wird zudem eine verbesserte Reaktionsführung ermöglicht, da die Zuführung des Sauerstoffes zu dem Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch über die Rohrlänge - d. h. entlang des Reaktionsweges - erfolgen kann. The reactor according to the invention also makes it possible to achieve sufficient cooling of the essential and in some cases highly pressurized metallic components. A safe and gas-tight transition from the area of a tube 14 designed as a membrane tube to the metallic components of the tube 14 is also ensured. In addition, defective pipes can be replaced relatively easily and quickly. In addition, the reactor according to the invention is constructed as conventionally as possible, so that the proportion of ceramic components can be kept low. Improved reaction control is also made possible because the supply of oxygen to the hydrocarbon or hydrocarbon mixture can take place along the tube length — that is, along the reaction path.

Neben den erwähnten Membrantypen eignet sich der erfindungsgemäße Reaktor auch für den Einsatz anderer Membranen, die in der vorbeschriebenen Art und Weise in die Reaktorkonstruktion integrierbar sind.In addition to the membrane types mentioned, the reactor according to the invention is also suitable for the use of other membranes in the manner described above Reactor construction can be integrated.

Claims (9)

1. Reaktor
mit einem Reaktormantel (1),
mit zwei die beiden Enden des Reaktormantels (1) verschließende Deckel (2, 3),
mit zwei in dem Reaktormantel (1) ineinander und konzentrisch zueinander angeordneten Schächten - einem inneren Schacht (4) und einem äußeren Schacht (5) - , die einen inneren Gasraum (6), einen ersten ringförmigen Gasraum (7) und einen zweiten ringförmigen Gasraum (8) definieren,
wobei dem inneren Gasraum (6) und dem ersten ringförmigen Gasraum (7) jeweils wenigstens zwei Öffnungen (24, 25, 27, 28) und dem zweiten ringförmigen Gasraum (8) wenigstens eine Öffnung (20) zugeordnet sind,
mit wenigstens einer, vorzugsweise mehreren über den Umfang des Reaktormantels (1) angeordneten Kammern (9),
wobei jede Kammer (9) wenigstens eine Öffnung (26) aufweist,
mit in den Kammern (9) angeordneten Rohrböden (11),
mit wenigstens einem in den Rohrböden (11) befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Reaktormantel (1) angeordneten Austragsrohr (12),
mit wenigstens einem Bereich des inneren Schachtes (4), der als Rohrboden ausgebildet ist,
mit wenigstens einem in den als Rohrboden ausgebildeten Bereich des inneren Schachtes (4) befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Reaktormantel (1) angeordneten Rohr (14), das zumindest teilweise als Membranrohr (16) ausgebildet ist,
wobei der als Membranrohr (16) ausgebildete Bereich des oder der Rohre (14) vorzugsweise in dem inneren Gasraum (6) angeordnet ist,
und wobei die Austragsrohre (12) achsgleich zu den Rohren (14) angeordnet sind und sich in diese hinein erstrecken.1st reactor
with a reactor jacket ( 1 ),
with two covers ( 2 , 3 ) closing the two ends of the reactor jacket ( 1 ),
with two shafts arranged one inside the other and concentrically to one another in the reactor jacket ( 1 ) - an inner shaft ( 4 ) and an outer shaft ( 5 ) - which have an inner gas space ( 6 ), a first annular gas space ( 7 ) and a second annular gas space ( 8 ) define
wherein the inner gas chamber (6) and the first annular gas chamber (7) each have at least two openings (24, 25, 27, 28) and the second annular gas space (8) at least one opening (20) are associated,
with at least one, preferably several, chambers ( 9 ) arranged over the circumference of the reactor jacket ( 1 ),
each chamber ( 9 ) having at least one opening ( 26 ),
with tube plates ( 11 ) arranged in the chambers ( 9 ),
fastened with at least one in the tube plates (11) substantially perpendicular to the reactor shell (1) arranged dispensing tube (12),
with at least one area of the inner shaft ( 4 ), which is designed as a tube sheet,
with at least one tube ( 14 ) which is fastened in the area of the inner shaft ( 4 ) and is arranged substantially perpendicular to the reactor jacket ( 1 ) and which is at least partially designed as a membrane tube ( 16 ),
the region of the tube or tubes ( 14 ) designed as a membrane tube ( 16 ) preferably being arranged in the inner gas space ( 6 ),
and wherein the discharge pipes ( 12 ) are arranged coaxially with the pipes ( 14 ) and extend into them. 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (16) ausgebildete Bereich der Rohre (14) in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran ausgebildet ist. 2. Reactor according to claim 1, characterized in that the region of the tubes ( 14 ) designed as a membrane tube ( 16 ) is in the form of a gas-tight, oxygen-ion and electron-conducting ceramic membrane applied to a gas-permeable carrier tube. 3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (16) ausgebildete Bereich der Rohre (14) in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet ist.3. Reactor according to claim 1, characterized in that the area of the tubes ( 14 ) designed as a membrane tube ( 16 ) is in the form of a tube consisting of a monolithic, gas-tight, oxygen-ion and electron-conducting ceramic. 4. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Gasraum (6) zumindest teilweise mit einem vorzugsweise körnigem Katalysator befüllt ist.4. Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the inner gas space ( 6 ) is at least partially filled with a preferably granular catalyst. 5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (14), zumindest der als Membranrohr (16) ausgebildete Bereich der Rohre (14), mit einem Katalysator beschichtet ist.5. Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubes ( 14 ), at least the region of the tubes ( 14 ) designed as a membrane tube ( 16 ), is coated with a catalyst. 6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des inneren Schachtes (4), der Außenseite des äußeren Schachtes (5) und/oder auf der Innenseite des Separatormantels (1) eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist.6. Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that a heat-insulating layer is arranged on the inside of the inner shaft ( 4 ), the outside of the outer shaft ( 5 ) and / or on the inside of the separator jacket ( 1 ). 7. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem oder den Rohrböden (11) und/oder dem als Rohrboden ausgebildeten Bereich des inneren Schachtes (4) Rohrstücke (13, 15) angeordnet sind, an denen die Rohre (14) und/oder die Austragsrohre (17) befestigbar sind.7. Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that on the one or more tube sheets ( 11 ) and / or the area of the inner shaft ( 4 ) designed as a tube sheet, tube pieces ( 13 , 15 ) are arranged, on which the tubes ( 14 ) and / or the discharge pipes ( 17 ) can be fastened. 8. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Kompensieren der axialen Wärmedehnung des inneren Schachtes (4) und/oder des äußeren Schachtes (5) vorgesehen sind.8. Separator according to one of the preceding claims, characterized in that means for compensating the axial thermal expansion of the inner shaft ( 4 ) and / or the outer shaft ( 5 ) are provided. 9. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor zylindersymmetrisch aufgebaut ist.9. Reactor according to one of the preceding claims, characterized in that that the reactor has a cylindrical symmetry.
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