Ein neuartiger Reaktor mit Innenkühlung

Einleitung

Innengekühlte katalytische Reaktoren haben sich in vielen Anwendungen bewährt. Vor allem werden sie für selektive Reaktionen eingesetzt, wo eine genaue Temperatureinhaltung notwendig ist, oder für Reaktionen, bei denen das chemische Gleichgewicht stark temperaturabhängig ist. Reaktionen der ersten Art sind vor allem selektive Oxidationen und Hydrierungen, wie z.B. die Herstellung von Ethylenoxid, der zweiten Art z.B. die CO-Shiftreaktion oder die Methanolsynthese. Bisher wurden typisch Geradrohrreaktoren für diesen Zweck eingesetzt, bei denen der Katalysator in den Rohren ist. In einigen Fällen wurden auch gewickelte Wärmetauscher verwendet, bei denen die spiralförmig gewundenen Rohre im Katalysatorbett liegen. Beide Typen von Reaktoren haben nachteilige Eigenschaften. Vor allem haben Zwänge bezüglich der Baubarkeit dieser Reaktortypen häufig dazu geführt, dass die Bedingungen für die katalytische Reaktion nicht optimal sind. So müssen beispielsweise Geradrohrreaktoren möglichst schlank und hoch gebaut werden, um die thermischen Spannungen auf die Rohrböden nicht unzulässig hoch werden zu lassen. Diese Konfiguration bedeutet notwendig hohen Druckverlust, hohe lineare Gasgeschwindigkeit und mechanische Belastung der unteren Schichten von Katalystorpartikeln. Gewickelte Tauscher erfordern viele Arbeitsgänge bei der Herstellung und hohe Qualifikationen, was solche Tauscher teuer macht. Beide Arten von Reaktoren können nicht auf der Baustelle gefertigt werden und müssen deshalb innerhalb der maximal zulässigen Transportabmessungen bleiben. Das bedeutet wiederum notwendig Grenzen für den maximal möglichen Durchsatz. Angesichts der immer größer werdenden Anlagen wird diese Begrenzung zunehmend wichtiger.

Ein neuer, aber bereits im technischen Maßstab bewährter Typ von Reaktor, der sog. Thermoplattenreaktor ermöglicht jetzt, die Reaktionsbedingungen zu optimieren, beinahe ohne irgendwelche Begrenzungen seitens des Wärmetauschers berücksichtigen zu müssen. Eine Thermoplatte, auch Thermoblech genannt besteht aus zwei Blechen, die an den Rändern zusammengeschweißt werden. Über die Oberfläche werden Punktschweißungen verteilt. Diese Arbeiten können von Robotern ausgeführt werden, was bedeutet, dass große Flächen zu niedrigen Preisen hergestellt werden können. Nach diesem Schritt werden die Bleche expandiert durch Einpressen einer Flüssigkeit unter hohem Druck. Dadurch entstehen Kanäle zwischen den Blechen, wie das in Abb. 1 schematisch gezeigt ist. Mehrere solche Thermobleche werden verbunden zu einem Wärmetauscherpaket, das dann in einen Mantel eingebracht wird. Damit ist der Wärmetauscher komplett. Die wichtigsten Schritte bei der Produktion eines solchen Wärmetauschers sind in Abb. 2 bis 5 gezeigt.

Zwischen die Thermobleche wird der Katalysator eingefüllt, in den Thermoblechen fließt das Kühlmedium, meist Kesselspeisewasser. Mehrere Thermobleche zusammengeschweißt bilden einen Wärmetauschermodul. Mehrere solche Module können leicht auf der Baustelle zusammengestellt werden, um die gesamte erforderliche Wärmetauscherfläche zu erreichen. Im Gegensatz zu den anderen Arten von Wärmetauschern kann man damit also praktisch jede gewünschte Größe von Wärmetauscher herstellen und kann dabei Durchmesser, Höhe, Gewicht oder Transportmaße jedes Moduls optimal an die vorliegenden Randbedingungen anpassen.

Diese neue Generation von Reaktoren verwendet Thermoplatten als Wärmetauscher für die Temperaturführung und wird deshalb “Thermoplattenreaktor” genannt.

Rot: Strömung des Prozessgases Blau: Strömung des Kühlmediums, z.B. Kesselspeisewasser Abb 1: Prinzipskizze eines Thermoblech-Wärmetauschers
Fig 2: Punktschweißen von Thermoblechen
Fig 3: Thermoblech
Fig 4: Thermobleche mit Dampfsammler
Fig. 5: Thermoblechtauscher im Reaktormantel

Betrachtungen zur Mechanik von Thermoplattenreaktoren

Maßhaltigkeit der Thermobleche

Zu große Abstände von Katalysatorpartikeln von der nächsten gekühlten Fläche kann bei selektiven Reaktionen zu Überhitzung (hot spots) und zum Durchgehen der Reaktion führen. Umgekehrt kann ein zu kleiner Abstand zu überhöhter Kühlung und damit zum Einschlafen der Reaktion führen. Für katalytische Reaktionen mit starker Wärmetönung ist die Maßhaltigkeit der Wärmetauscher deshalb von größter Bedeutung. Diese Argumente gelten selbstverständlich auch für Thermoplattenreaktoren. Um die Einhaltung von Abständen zwischen den Thermoplatten mit nur geringen Toleranzen sicher zu stellen, werden sie an den Rändern durch geeignete Maßnahmen fixiert. Welche Maßnahmen am besten sind hängt von der Größe des Reaktors, dem Betriebsdruck und dem zulässigen Druckverlust über die Katalysatorschüttung ab. Die einfachste Methode ist, Stege an den Rändern der Thermobleche aufzuschweißen. Es gibt aber auch ausgefeiltere Methoden, die wir für spezielle Anwendungen entwickelt haben. 

Noch wichtiger als die Maßhaltigkeit an den Rändern ist der Abstand zwischen  den verschiedenen Thermoblechen über die gesamte Fläche. Um das sicherzustellen ist die Herstellung der Thermobleche mit geringen Toleranzen unabdingbare Voraussetzung. Deshalb ist es empfehlenswert, die Größe der einzelnen Platten zu begrenzen, was in der Praxis bedeutet, dass Thermobleche nicht wesentlich größer als 5 m Länge und 1,5 m Breite sein sollten. Bei diesen Abmessungen kann eine Maßtoleranz von unter 0,5 mm garantiert werden.

Für die Maßhaltigkeit des Reaktormantels genügen die Toleranzen für die Rundheit nach DIN, d.h. eine Änderung des normalen Herstellungsprozesses ist nicht nötig.

Mechanische Beanspruchung im Betrieb

Thermoplattenmodule werden im Reaktor mit einem Festlager an einem Ende und einem Loslager am anderen installiert. Meistens ist das untere Ende als Festlager. Die thermischen Spannungen, die im Betrieb entstehen, werden von einem Kompensator in der Rohrleitung aufgenommen, die am oberen Ende den in den Thermoblechen entstandenen Dampf ableitet. Dadurch werden die mechanischen Belastungen der Thermoplatten minimiert.

Die Kräfte, die aus dem Gewicht des Wärmetauschers, des Katalysators und aus den dynamischen Kräften des Druckverlusts im Betrieb resultieren werden über I-Träger auf den Reaktormantel und den unteren Klöpperboden übertragen. Dadurch ist die Belastung der Thermobleche selbst gering, so dass ihre Maßhaltigkeit davon nicht beeinträchtigt wird.

Installation von Thermoplattenreaktoren

Bei Reaktorgrößen bis zum Erreichen der maximal zulässigen Transportmaße können Thermoplattenreaktoren transportiert und installiert werden wie andere Reaktortypen auch. Für große Reaktoren, die die zulässigen Transportmaße überschreiten können der Reaktormantel und die Thermoblech-Wärmetauscher in Teilen geliefert und auf der Baustelle zusammengeschweißt werden. Die Thermoblechmodule lassen sich immer klein genug planen, dass sie auf LKW oder Güterwagen zu transportieren sind. In solchen Großreaktoren werden die kompletten Thermoblechmodule in eine Art Schublade gestellt, ähnlich wie Wabenkatalysatoren in Rauchgaskanälen von Kraftwerken. Ein Kran hebt die einzelnen Module an ihren Platz. Die Verbindung zum Kühlmedium, meist verdampfendes Kesselspeisewasser wird durch eine Flanschverbindung oder Verschweißung mit den entsprechenden Sammlern hergestellt. Flanschverbindungen sind vorteilhaft, wenn für Turn-arounds die kompletten Module herausgenommen werden sollen. Schweißverbindungen sind vorzuziehen, wenn beim Austausch des Katalysators die Module im Reaktor bleiben.

Jeder Modul hat seinen eigenen Siebboden als Katalysatorträger. Das ermöglicht, den Katalysator im Reaktor oder auch außerhalb einzufüllen. Wenn der Katalysator außerhalb eingefüllt wurde baut man den kompletten Modul mitsamt dem Katalysator ein.

Um verbrauchten Katalysator auszutauschen gibt es zwei Möglichkeiten:
Die erste Methode besteht, darin, dass man den Siebboden wegklappt, so dass der Katalysator herausfließen kann. Um die Fließgeschwindigkeit zu kontrollieren, wird der Boden schrittweise weggeklappt. So kann man den Katalysator seinen Eigenschaften entsprechend behandeln, z.B. in Bezug auf seine mechanische Festigkeit, Staubbildung, oder pyrophores Verhalten. Außerdem muss man natürlich Katalysatoren, die später wieder verwendet werden sollen anders behandeln als solche, die nur verworfen werden.
Die zweite Methode, den Katalysator zu entfernen besteht darin, ihn mit einem Industriesauger nach oben aus dem Modul herauszusaugen.

Prinzipiell kann man auch komplette Module zum Befüllen und Entleeren aus dem Reaktor herausnehmen. Das ist natürlich nur für nicht pyrophore Katalysatoren durchführbar. Zu dem Zweck werden die Module an den Flanschverbindungen gelöst und aus dem Reaktor gehoben. Dann können sie draußen entleert, neu befüllt und wieder eingebaut werden. Man hat aber auch die Wahl, komplette Module einzulagern für einen besonders schnellen Austausch beim nächsten geplanten oder insbesondere auch ungeplanten Stillstand.

Befüllen mit Katalysator und Druckverlust

Für jeden größeren Reaktor ist eine gleichmäßige Gasverteilung über den Reaktorquerschnitt äußerst wichtig. Das ist in Thermoplattenreaktoren recht einfach zu erreichen, wobei es wieder mehrere Optionen gibt. Für nicht zu empfindliche Reaktionen und robuste Katalysatoren, z.B. für die CO-Shift muss man den Katalysator einfach zwischen die Thermobleche einfüllen, ganz ähnlich wie in einem Festbett ohne Wärmetauscher. Für empfindlichere Anwendungen sollte der Katalysator durch Maschinen mit vorgewählter Geschwindigkeit eingefüllt werden. Dadurch ist eine gleichmäßige Verteilung des Katalysators und eine gleiche Packungsdichte sicher zu stellen. Das hat sich auch für sehr empfindliche Reaktionen bewährt, bei denen die Gefahr von Hot Spots und Durchgehen der Reaktion besonders hoch sind.

Praktische Erfahrung

Vergleich der Anwendung von Thermoplattenreaktoren gegen Rohrreaktoren

In Tabelle 1 sind die Haupteigenschaften von Thermoplattenreaktoren und Rohrreaktoren im Vergleich aufgelistet. Daraus kann man ablesen, was die jeweiligen Eigenschaften, Vor- und Nachteile von Thermoplattenreaktoren und konventionellen Rohrreaktoren sind.

Tab.1: Eigenschaften von Thermoplattenreaktoren im Vergleich zu Rohrreaktoren

Thermoplattenreaktor	Rohrreaktoren
Keine Rohrböden erforderlich, was Kosten reduziert und thermische Spannungen eliminiert	Rohrböden erforderlich
Mehr Wärmetauscherfläche pro m³ Katalysator möglich	Tauscherfläche von maximal ca 150 m²/m³ Katalysator möglich
Wärmetauscher können aus Modulen aufgebaut werden. Dadurch Bau von gekühlten Reaktoren auf der Baustelle möglich. Deshalb auch sehr große Reaktoren baubar	Modularer Aufbau nicht möglich. Grenzen der Reaktorgröße durch maximale Transport-abmessungen limitiert
Bei Reaktorgröße Einhalten von Grenzen für Transportmaße nicht erforderlich.	Reaktorgröße begrenzt durch maximale Transportmaße
Leichtes Befüllen mit Katlysator und Entleeren des verbrauchten Katalysators. Zuverlässige Methoden verfügbar für gleichmäßigen Druckverlust auch für sehr große Reaktoren	Leichtes Befüllen mit Katalysator und Entleeren des verbrauchten Katalysators. Zuverlässige Methoden verfügbar für gleichmäßigen Druckverlust auch für sehr große Rohrzahl
Reservemodule einzulagern ist möglich, was die Verfügbarkeit der Reaktoren weiter erhöht.	Reservereaktoren nur mit sehr hohen Kosten verfügbar zu machen
Katalysatortausch kann, aber muss nicht außerhalb des Reaktors stattfinden. Dadurch verringerte Stillstandszeit realisierbar	Katalysatortausch nur im Reaktor möglich
Jedes einzelne Thermoblech kann im Schadensfall ersetzt werden	Schadhafte Rohre können nur zugeschweißt aber nicht ersetzt werden
Meist billiger als Röhrenreaktoren mit gleicher Tauscherfläche	C-Stahl in geeigneten Fällen einsetzbar, während Thermobleche nur aus Edelstahl verfügbar sind.
Verfügbar für Designdrücke bis 150 bar auf der Kühlmittelseite. Druck auf Gasseite kann bis ca 25 bar höher sein als auf Kühlmittelseite.	Verfügbar für alle technisch relevanten Betriebsdrücke auf Seiten des Kühlmediums und des Prozessgases
Temperaturbeständigkeit wie für legierte Stähle	Temperaturbeständigkeit wie für C-Stahl oder legierte Stähle

Diese Charakteristika machen Thermoplattenreaktoren vorzugsweise anwendbar für Reaktionen, die ablaufen bei:

* moderatem Druck bis zu 170 bar, vorzugsweise bis zu 50 bar
* Temperaturen bis 500°C, vorzugsweise bis 350°C
* korrosiven Bedingungen, die Anwendung von Edelstählen bis hin zu Hastelloy erforderlich machen.
   Bei nicht korrosiven Bedingungen ist der Preisvorteil gegenüber Rohrreaktoren aus C-Stahl nur noch gering.

Beispiele wo Thermoplattenreaktoren günstig sind die Acethylenhydrierung in Ethylenströmen, die Ethylenoxidherstellung, die CO-Shift, Clausanlagen mit sub-dew-point-Betrieb. Die größten Reaktoren könnten in der Fischer-Tropschsynthese gebraucht werden, d.h. in GTL-Anlagen (gas to liquid), BTL (biomass to liquid) und CTL (coal to liquid), sowohl für die slurry-phase-Reaktoren, als auch für Festbettreaktoren. In diesen Anwendungen können Thermoplattenreaktoren deutlich billiger hergestellt werden als konventionelle Rohrreaktoren.

Beispiele gebauter Reaktoren

In Abb. 6 ist ein Reaktor mit ca 6 m Durchmesser gezeigt. Darin läuft bei hoher Temperatur eine selektive Reaktion ab, die eine sehr genaue Temperaturkontrolle erfordert. Angaben zur Reaktion unterliegen der Geheimhaltung und können deshalb hier nicht erläutert werden.

Abb. 6: Thermoplattenreaktor während der Herstellung

Für diesen Reaktor sind die Module aus Thermoblechen so geformt, dass sie mit den Rändern an den Mantel heranreichen. Das erlaubt, die maximale Wärmetauscherfläche pro Reaktorvolumen zu realisieren.

Die Abb. 7 und 8 zeigen einen schlanken Reaktor, wo ein einziger Thermoblech-modul in seinem eigenen Mantel untergebracht wird. Nur der Mantel trägt hier den Druck des Prozessgases, während das Hemd um den Modul nur der Maßhaltigkeit mit sehr geringen Toleranzen dient.

Fig 7: Thermoplattenreaktor beim Einbau des Wärmetauschers
Fig. 8: Blick auf Oberseite eines Wärmetauschermoduls

Zusammenfassung

Der Thermoplattenreaktor ist ein neuer Typ von katalytischem Reaktor mit Innenkühlung, bei dem Thermobleche als Wärmetauscher eingesetzt werden. Diese Art von Wärmetauscher ist schon mehrere hundert Mal gebaut worden und hat sich besonders dort bewährt, wo Dichtheit und Unempfindlichkeit gegen Fouling gefordert sind.

Thermobleche können zu Modulen zusammengestellt werden und der gesamte Wärmetauscher aus vielen Modulen. Dadurch sind Wärmetauscher praktisch beliebiger Größe auch auf der Baustelle zusammen zu bauen. Darin unterscheiden sich Thermoplattenreaktoren wesentlich von Rohrreaktoren. Mit dieser Eigenschaft lassen sich Reaktoren praktisch beliebiger Größe realisieren. Die modulare Bauweise macht unabhängig von Transportmaßen.

Bisher wurden solche Reaktoren gebaut für Reaktionen in der Gasphase und in der Flüssigphase mit suspendiertem Katalysator. Es wurden Festbetten gebaut in Größen von ca.1,5 m Durchmesser bis ca 6 m Durchmesser. Die Reaktionen waren bisher immer geschütztes Know-how der Betreiberfirmen, so dass detaillierte Daten zu den Prozessparametern nicht veröffentlicht werden dürfen.