DE10127365A1 - Pumpe zur Förderung eines Wärmetauschmittels für einen Kontaktrohrbündelreaktor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Pumpe (1) mit einem Pumpenleitrohr (13) zur Förderung eines Wärmetauschmittels (6) für einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren (2) vorgeschlagen, wobei die Pumpe (1) ein Gehäuse (14) aufweist, das das Pumpenleitrohr (13) umschließt, mit einer Öffnung (15) im unteren Teil des Gehäuses (14), über die das aus dem unteren Bereich des Reaktors mittels der Pumpe (1) abgezogene Wärmetauschmittel (6) in das Gehäuse (14) einströmt, im Bereich zwischen der Innenwand des Gehäuses (14) und der Außenwand des Pumpenleitrohrs (13), gegebenenfalls über einen Wärmetauscher (18), nach oben strömt, über eine Öffnung im oberen Bereich des Pumpenleitrohrs (13) in den Innenraum des Pumpenleitrohrs (13) einströmt, diesen von oben nach unten durchströmt, über eine Öffnung im unteren Bereich des Pumpenleitrohrs (13) in einen weiteren Zwischenraum zwischen der Innenwand des Gehäuses (14) und der Außenwand des Pumpenleitrohrs (13) einströmt, diesen Zwischenraum von unten nach oben durchströmt und über eine Öffnung in dessen oberen Bereich in den Reaktor, in den oberen Bereich des Zwischenraums zwischen den Kontaktrohren (2) einströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung eines Wärmetauschmittels für einen Kontaktrohrbündelreaktor, sowie eine Verwendung der Pumpe.

Die übliche Bauart von Kontaktrohrbündelreaktoren besteht aus einem, in der Regel zylin­ derförmigen Behälter, in dem ein Bündel, d. h. eine Vielzahl von Kontaktrohren in übli­ cherweise vertikaler Anordnung untergebracht ist. Diese Kontaktrohre, die gegebenenfalls geträgerte Katalysatoren enthalten können, sind mit ihren Enden in Rohrböden abdichtend befestigt und münden in jeweils eine am oberen bzw. am unteren Ende mit dem Behälter verbundene Haube. Über diese Hauben wird das die Kontaktrohre durchströmende Reakti­ onsgemisch zu- bzw. abgeführt. Durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum wird ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet, um die Wärmebilanz, insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, auszugleichen.

Bezüglich des Wärmetauschmittelkreislaufs ist es bekannt, in jedem waagerechten Schnitt des Reaktors eine weitgehend homogene Temperaturverteilung des Wärmetauschmittels zu realisieren, um möglichst alle Kontaktrohre gleichmäßig am Reaktionsgeschehen zu betei­ ligen (z. B. DE-B-16 01 162). Der Glättung der Temperaturverteilung dient die Wärmezu­ führung bzw. Wärmeabführung über jeweils an den Reaktorenden angebrachten äußeren Ringleitungen mit einer Vielzahl von Mantelöffnungen, wie sie beispielsweise in DE-B-34 09 159 beschrieben sind.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeüberganges wird durch den Einbau von Umlenk­ scheiben erreicht, die abwechselnd in der Reaktormitte und am Reaktorrand einen Durch­ trittsquerschnitt freilassen. Eine derartige Anordnung ist insbesondere für ringförmig ange­ ordnete Rohrbündel mit einem freien zentralen Raum geeignet und beispielsweise aus GB- B-31 01 75 bekannt.

In großen Reaktoren mit einer Zahl von Kontaktrohren im oben angegebenen Bereich vorn etwa 15000 bis 30000, die zusätzlich mit Umlenkscheiben ausgestattet sind, ist der Druck­ verlust des Wärmetauschmittels vergleichsweise sehr groß.

Zweckmäßigerweise wird bei derartigen Reaktoren das Pumpsystem z wischen der oberen und der unteren Ringleitung angeordnet, wobei das Wärmetauschmittel in den unteren Be­ reich des Reaktors, beispielsweise über eine Ringleitung; zugeführt wird.

Würde die Salzschmelze direkt in den oberen Reaktorteil oder die obere Ringleitung ge­ pumpt werden, so würde die erforderliche Förderhöhe von 4 bis 5 m ein technisch ungün­ stiges und störanfälliges Pumpsystem erfordern, unter anderem wegen aufwendiger Pum­ penwellenabdichtungen, längerer Pumpenwellen, sowie größerem Wärmeeintrag durch die Pumpenwelle in die unter Motorlagerung. Weiterhin würde die obengenannte Förderhöhe ein hochgestelltes Salzschmelze-Ausgleichsgefäß erfordern, das aus Sicherheitsgründen unerwünscht ist.

Die Zuführung des Wärmetauschmittels am oberen Reaktorende, d. h. im Gleichstrom mit dem ebenfalls am oberen Reaktorende in die Kontaktrohre zugeleiteten Reaktionsgemisch ist bekanntermaßen für die Reaktionsführung vorteilhaft (vgl. DE-A-44 31 449).

Die Gleichstromführung hat gegenüber der Gegenstromfahrweise Vorteile, wie höhere Durchsätze, niedrigere Katalysator-Hotspot-Temperaturen, erwünschter Anstieg der Wär­ metauschmitteltemperatur in Richtung der Endreaktion in den Kontaktrohren, gute Tempe­ raturgleichförmigkeit des Wärmetauschmittels über den Reaktorquerschnitt, d. h. gute waagerechte Temperaturschichtung, eindeutige Betriebszustände über die Höhe des Kon­ taktrohrraumes wegen fehlender Rückkoppelung durch das Wärmetauschmittel.

Eine Gleichstromführung von Reaktionsgemisch und Wärmetauschmittel, wie in DE-A-44 31 449 beschrieben, stößt jedoch bezüglich des Pumpsystems auf die oben genannten Schwierigkeiten, sofern das Wärmetauschmittel dem oberen Reaktorbereich, beispielswei­ se direkt über eine obere Ringleitung, zugeführt und aus dem unteren Reaktorbereich, bei­ spielsweise direkt über eine Ringleitung, abgeführt wird.

Aus DE 198 36 792 ist es bekannt, bei einem Kontaktrohrbündelreaktor den Raum zwi­ schen oberer und unterer Ringleitung für die Zuführung des Wärmetauschmittels zur Um­ lenkung desselben zu nutzen, wobei der Vorteil einer Gleichstromführung von Wärme­ tauschmittel und Reaktionsgemisch mit der bewährten Pumpenanordnung mit Zuführung des Wärmetauschmittels zur unteren Ringleitung verbunden werden kann. Dazu wurde vorgeschlagen, jeweils eine zylindermantelförmige Zwischenwand in der oberen sowie in der unteren Ringleitung anzuordnen, die diese jeweils in eine innere und eine äußere Ringleitung trennt. Das Wärmetauschmittel wird der äußeren unteren Ringleitung zuge­ führt, die über einen Bereich zwischen oberer und unterer Ringleitung mit der inneren obe­ ren Ringleitung verbunden ist, von hier in bekannter Weise über Mantelöffnungen in den die Kontaktrohre umgebenden Raum geleitet, wobei über Umlenkscheiben eine mäander­ förmige Strömung ausgebildet wird. Das Wärmetauschmittel verläßt über Mantelöffnun­ gen den die Kontakrohre umgebenden Raum im unteren Reaktorteil und tritt in die untere innere Ringleitung ein. Diese ist wiederum über den Bereich zwischen oberer und unterer Ringleitung und mit oberen äußeren Ringleitung verbunden.

Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, eine weitere, insbesondere fertigungs­ technisch einfachere Lösung für das Problem, dass das Wärmetauschmittel zwar mit übli­ cher Pumpenanordnung, das heißt mit Förderung nach unten, eingesetzt wird, wobei den­ noch der Eintritt des Wärmetauschmittels in den Zwischenraum zwischen den Kontaktroh­ ren eines vertikal aufrechtstehenden Kontaktrohrbündelreaktors im oberen Bereich dessel­ ben erfolgen soll. Die genannte Problematik soll in einfacher Weise, insbesondere ohne . Veränderungen am Kontaktrohrbündelreaktor selbst, gelöst werden.

Die Lösung geht aus von einer Pumpe mit einem Pumpenleitrohr zur Förderung eines Wärmetauschmittels für einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren mit vertikal angeordneter Längsachse, mit Zuführung des Wärmetauschmittels im oberen Bereich des Reaktors und Abführung des Wärmetauschmittels aus dem unteren Bereich des Reaktors, bevorzugt über jeweils eine Ringleitung.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe ein Gehäuse aufweist, das das Pumpenleitrohr umschließt, mit einer Öffnung im unteren Teil des Gehäuses, über die das aus dem unteren Bereich des Reaktors mittels der Pumpe abgezogene Wärmetauschmittel in das Gehäuse einströmt, im Bereich zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Au­ ßenwand des Pumpenleitrohrs, gegebenenfalls über einen Wärmetauscher, nach oben strömt, über eine Öffnung im oberen Bereich des Pumpenleitrohrs in den Innenraum des Pumpenleitrohrs einströmt, diesen von oben nach unten durchströmt, über eine Öffnung im unteren Bereich des Pumpenleitrohrs in einen weiteren Zwischenraum zwischen der In­ nenwand des Gehäuses und der Außenwand des Pumpenleitrohrs einströmt, diesen Zwi­ schenraum von unten nach oben durchströmt und über eine Öffnung in dessen oberen Be­ reich in den Reaktor, in den oberen Bereich des Zwischenraums zwischen den Kontaktroh­ ren einströmt.

Erfindungsgemäß wird somit eine Pumpe mit einem Gehäuse zur Verfügung gestellt, das eine Umlenkung des durch die Pumpe geförderten Wärmetauschmittelstromes bewirkt.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist bevorzugt eine Propellerpumpe, insbesondere mit einem Propeller mit drei oder mehreren Flügeln.

Zur Förderung von flüssigen Wärmetauschmitteln, häufig von Salzschmelzen, für die Zu- oder Abführung der Reaktionswärme aus Kontaktrohrbündelreaktoren werden Axialför­ derpumpen, häufig Propellerpumpen, eingesetzt. Die Propellerpumpe fördert die ge­ wünschte Flüssigkeit, vorliegend ein Wärmetauschmittel, zum Beispiel eine Salzschmelze oder ein Wärmeträgeröl, mittels des Propellers, der sich im Pumpenleitrohr dreht. Der Pro­ peller weist zum Pumpenleitrohr bevorzugt einen Spaltabstand im Bereich von 2 bis 10 mm auf. Dabei ist eine Förderung der Flüssigkeit im Pumpenleitrohr von oben nach unten erforderlich, weil andernfalls insbesondere Abdichtungsprobleme auftreten. Das Pumpen­ leitrohr ist in der Regel ein den Propeller umschließender Hohlzylinder.

Vorliegend ist um das Pumpenleitrohr herum ein Gehäuse vorgesehen, das das Pumpen­ leitrohr umschließt und das, in Verbindung mit an geeigneten Stellen im Pumpenleitrohr vorgesehenen Öffnungen, dergestalt ausgebildet ist, dass es eine Umlenkung des Wärme­ tauschmittelstromes in der Pumpe bewirkt.

Hierzu weist das Gehäuse in seinem unteren Bereich eine Öffnung auf, in die das aus dem Reaktor abgezogene Wärmetauschmittel einströmt, in einem Bereich zwischen Pumpen­ leitrohr und Innenwand des Gehäuses nach oben geleitet wird, über eine Öffnung im obe­ ren Bereich des Pumpenleitrohrs in den Innenraum des Pumpenleitrohrs einströmt, diesen, wie üblich, von oben nach unten durchströmt, ihn über eine Öffnung in seinem unteren Bereich verläßt, in einen weiteren Zwischenraum zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Außenwand des Pumpenleitrohrs einströmt, diesen Zwischenraum von unten nach oben durchströmt und schließlich diesen Zwischenraum in eine Öffnung in seinem oberen Bereich verläßt und dem Reaktor in seinem oberen Bereich erneut zugeführt wird.

Die Öffnungen im Pumpenleitrohr sowie im Gehäuse erstrecken sich nicht über die ge­ samte Querschnittsfläche des Pumpenleitrohrs bzw. des Gehäuses, sondern lediglich über etwa 20 bis 50%, bevorzugt über etwa 30% derselben. Der reduzierte Bereich, d. h. die Öffnung, kann durch geeignete Verstrebungen stabilisiert werden.. Es ist auch möglich, die Öffnungen im Pumpenleitrohr bzw. im Gehäuse in der Weise zu realisieren, dass in den entsprechenden Bereichen das Pumpenleitrohr bzw. das Gehäuse durch ein Lochblech ge­ bildet wird, oder Schlitze aufweist.

Das Gehäuse kann fertigungstechnisch einfach mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, insbesondere für höhere Druckbelastungen, das Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt auszubilden.

Bevorzugt sind in einem oder mehreren Umlenkbereichen des Gehäuses Leitbleche für das Wärmetauschmittel angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist unterhalb des Propellers ein mit Schaufeln bestückter Nachleitapparat angeordnet, um den Drall aus der Strömung herauszunehmen. Der Nachleitapparat ist bevorzugt dergestalt ausgebildet, dass sein durchströmter Quer­ schnitt dem durchströmten Querschnitt im Bereich des Propellers entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist am unteren Ende der Pumpenwelle ein Zap­ fen vorgesehen, der sich in einem Lager dreht. Dadurch kann der Propeller mit größerer Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden, die Spaltbreite zwischen Propeller und Innen­ wand des Pumpenleitrohrs kann reduziert werden, die Pumpe läuft präziser und ist war­ tungsfreier, weil die oberen Läger weniger belastet werden. Die Pumpe kann somit einen größeren Volumenstrom und eine größere Förderhöhe bewältigen. Sofern die Pumpe als Wärmetäuschmittel eine Salzschmelze fördert, wirkt das Wärmetauschmittel selbst für das Lager schmierend. Das Lager kann zusätzlich mit Wolfram-Carbid-Stahl verstärkt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Pumpe höher angeordnet, dergestalt, dass sie das Wärmetauschmittel unmittelbar in die obere Ringleitung eines Reaktors mit einem Bündel von Kontaktrohren fördert. In dieser Ausführungsvariante ist eine Entlüftungslei­ tung aus dem oberen Bereich des Reaktors in die Pumpe, oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in derselben, vorgesehen. In der Verbindungsleitung aus der unteren Ringleitung zur Pum­ pe ist vorteilhaft ein Wärmeausdehnungskompensator eingebaut.

Die erfindungsgemäße Pumpe ist besonders geeignet zur Förderung des Wärmetauschmit­ telstromes für Kontaktrohrbündelreaktoren zur Durchführung exothermen oder endother­ men Reaktionen, insbesondere von Oxidationsreaktionen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 eine bevorzugte Pumpenvariante zur Umlenkung des Wärmetauschmittel­ stromes in der Pumpe mit Querschnittsdarstellung in Fig. 1a,

Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante zur Umlenkung des Wärme­ tauschmittelstromes in der Pumpe, mit Querschnittsdarstellung in Fig. 2a,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante mit einem Zapfen am unteren Ende der Pumpenwelle, und

Fig. 4 eine weitere bevorzugte Alternative mit Anordnung der Pumpe oberhalb des Reaktors und unmittelbarer Förderung des Wärmetauschmittelstromes in die obere Ringleitung des Reaktors.

Fig. 1 zeigt eine Pumpe 1 mit Umlenkung des Wärmetauschmittels 6 in der Pumpe mit Leitrohr 13 mit Zuströmung 16 im oberen Bereich bzw. Abströmung 17 im unteren Be­ reich desselben, mit Gehäuse 14 um das Leitrohr 13 sowie einem im Gehäuse 14 angeord­ neten Wärmetauscher 18. Der Wärmetauscher ist lediglich beispielhaft dargestellt, es ist ebenso möglich, die Pumpe ohne Wärmetauscher auszubilden. Der Querschnitt D-D in Fig. 5a verdeutlicht die im Querschnitt rechteckige Ausgestaltung des Gehäuses 14. Unterhalb des Propellers 20 ist ein Nachleitapparat 21 mit Schaufeln 22 angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Pumpe 1 zur Umlenkung des Wärme­ tauschmittels 6 mit Querschnitt E-E in Fig. 2a, wobei abweichend von der Darstellung in Fig. 1 das Gehäuse 14, wie in der Querschnittsdarstellung in Fig. 2a verdeutlicht, im Quer­ schnitt kreisförmig um das Pumpenleitrohr 13 herum angeordnet ist. Bevorzugt sind in einem oder mehreren Umlenkbereichen des Gehäuses 14 Leitbleche 19 für das Wärme­ tauschmittel 6 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Pumpenvariante mit einem Führungszapfen 23 am unteren Ende der Pumpenwelle, der sich in einem Lager 24 dreht.

Fig. 4 verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Anordnung einer Pumpe 1 mit Propeller 20 sowie mit nach Leitapparat 21 mit Schaufeln 22, die das Wärmetauschmittel 6 unmittelbar in die obere Ringleitung 25 eines Reaktors mit einem Bündel von Kontaktrohren 2 fördert. Bezugszeichen 26 bezeichnet die untere Ringleitung, über die das Wärmetauschmittel durch die Pumpe 1 abgezogen wird. In der Zuführungsleitung von der unteren Ringleitung 26 zur Pumpe 1 ist ein Wärmeausdehnungskompensator 28 eingebaut und aus dem oberen Bereich des Reaktors führt eine Entlüftungsleitung 27 in die Pumpe, oberhalb des Flüssig­ keitsspiegels in derselben.

Claims (9)

1. Pumpe (1) mit einem Pumpenleitrohr (13) zur Förderung eines Wärmetauschmit­ tels (6) für einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren (2) mit vertikal an­ geordneter Längsachse, mit Zuführung des Wärmetauschmittels (6) im oberen Be­ reich des Reaktors und Abführung des Wärmetauschmittels (6) aus dem unteren Bereich des Reaktors, bevorzugt über jeweils eine Ringleitung (25, 26), dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) ein Gehäuse (14) aufweist, das das Pumpen­ leitrohr (13) umschließt, mit einer Öffnung (15) im unteren Teil des Gehäuses (14), über die das aus dem unteren Bereich des Reaktors mittels der Pumpe (1) abgezo­ gene Wärmetauschmittel (6) in das Gehäuse (14) einströmt, im Bereich zwischen der Innenwand des Gehäuses (14) und der Außenwand des Pumpenleitrohrs (13), gegebenenfalls über einen Wärmetauscher (18), nach oben strömt, über eine Öff­ nung im oberen Bereich des Pumpenleitrohrs (13) in den Innenraum des Pumpen­ leitrohrs (13) einströmt, diesen von oben nach unten durchströmt, über eine Öff­ nung im unteren Bereich des Pumpenleitrohrs (13) in einen weiteren Zwischenraum zwischen der Innenwand des Gehäuses (14) und der Außenwand des Pumpen­ leitrohrs (13) einströmt, diesen Zwischenraum von unten nach oben durchströmt und über eine Öffnung in dessen oberen Bereich in den Reaktor, in den oberen Be­ reich des Zwischenraums zwischen den Kontaktrohren (2) einströmt.

2. Pumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Propel­ lerpumpe mit einem Propeller (20), mit drei oder mehreren Flügeln ist.

3. Pumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.

4. Pumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

5. Pumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in ei­ nem oder mehreren Umlenkbereichen des Gehäuses (14) Leitbleche (19) für das Wärmetauschmittel (6) angeordnet sind.

6. Pumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpenleitrohr (13) unterhalb des Propellers (20) ein Nachleitapparat (21) mit Schaufeln (22) angeordnet ist.

7. Pumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende der Pumpenwelle ein Führungszapfen (23) angeordnet ist, der sich in einem Lager (24) dreht.

8. Pumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) Wärmetauschmittel (6) unmittelbar in die obere Ringleitung (25) eines Reaktors mit einem Bündel von Kontaktrohren (2) fördert.

9. Verwendung der Pumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Förderung eines Wärmetauschmittels (6) für einen Reaktor mit einem Bündel von Kontaktrohren (2) zur Durchführung von exothermen oder endothermen Reaktionen, insbesondere zur Durchführung von Oxidationsreaktionen.