Reaktor zur Behandlung von Kohlenwasserstoff-Verbindungen

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Behandlung von Koh¬ lenwasserstoff-Verbindungen, insbesondere zum Cracken von Kohlenwasserstoff-Verbindungen, mit zumindest einer eine Zμflußöffnung aufweisenden Zuflußkammer, zumindest einer eine Abflußöffnung aufweisenden Abflußkammer und zumindest einer die Zuflußkammer und die Abflußkammer miteinander ver¬ bindenden Reaktionseinheit.

Stand der Techn k

Derartige Reaktoren sind in der Verfahrenstechnik allgemein bekannt. Diese bekannten Reaktoren sind im allgemeinen sehr große Anlagen mit einer großvolumigen Reaktionseinheit und sind daher für den Durchsatz großer Mengen zu bearbeitender

Flüssigkeit ausgelegt. Insbesondere bei kleineren Mengen von zu behandelnden Kohlenwasserstoff-Verbindungen sind derarti- ge bekannte Reaktoren ungeeignet, da sich in einer großen, bottichartigen Reaktionseinheit keine geordneten Strömungs- verhältnisse einstellen und da sich die Verweildauer der zu behandelnden Kohlenwasserstoff-Verbindungen nicht genau steuern läßt. Insbesondere beim thermischen Cracken ist es bei derartigen bekannten Anlagen schwierig, die Temperatur konstant zu halten und für eine wirtschaftliche Ausbeute der eingesetzten Heizenergie zu sorgen.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor zur Behandlung von Kohlenwasserstoff-Verbindungen der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß er auch bei kleineren Mengen von zu behandelnden Kohlenwasserstoff-

Verbindungen wirkungsvoll und wirtschaftlich arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des An¬ spruchs 1 dadurch gelöst, daß die Reaktionseinheit einen ersten rohrförmigen Abschnitt aufweist, dessen erstes Ende mit der Zuflußkammer in Fluidverbindung steht, daß die Reak¬ tionseinheit einen zweiten rohrförmigen Abschnitt aufweist, in den im Bereich seines ersten Endabschnitts das zweite Ende des ersten rohrförmigen Abschnitts mündet, und dessen zweites Ende mit der Abflußkammer in Fluidverbindung steht, und daß der erste und der zweite rohrförmige Abschnitt zu¬ mindest bereichsweise eine gemeinsame Wand aufweisen.

Durch diese Ausgestaltung der Reaktionseinheit werden geord¬ nete Strömungsverhältnisse für die zu behandelnden Kohlen¬ wasserstoff-Verbindungen geschaffen, da der Crack-Prozeß während deren Durchlaufs durch die beiden rohrförmigen Ab- schnitte der Reaktionseinheit erfolgt. Bei vorgegebener Län¬ ge der rohrförmigen Abschnitte läßt sich durch Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit auf einfache Weise die Ver¬ weildauer in der Reaktionseinheit steuern. Insbesondere beim thermischen Cracken sorgt die bereichsweise gemeinsame Wand des ersten und des zweiten rohrförmigen Abschnitts für einen

Wärmeaustausch zwischen dem im zweiten rohrförmigen Ab¬ schnitt fließenden Medium und dem im ersten rohrförmigen Abschnitt fließenden Medium, so daß durch diese Vorwärmung eine verbesserte Wärmeenergieausnutzung erzielt wird.

Vorteilhaft ist dabei, wenn der erste rohrförmige Abschnitt zumindest teilweise innerhalb des zweiten rohrförmigen Ab¬ schnitts gelegen ist und wenn die gemeinsame Wand von einem

Teil der radial äußeren Wand des ersten rohrförmigen Ab-

Schnitts gebildet ist. Hierdurch wird eine besonders kompak¬ te Anordnung der rohrförmigen Abschnitte geschaffen.

Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher im Bereich der der gemeinsamen Wand gegenübergelegenen Wand des zweiten rohrförmigen Abschnitts eine Heizung vorgesehen ist. Dieser für das thermische Cracken besonders ausgestaltete Reaktor gestattet eine von der Heizung hervorgerufene Erhit¬ zung des Mediums im zweiten rohrfömigen Abschnitt, um dort die gewünschte Aggregatszustandsänderung des zu behandelnden Mediums zu bewirken.

Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn die Heizung die äußere Wand des zweiten rohrförmigen Abschnitts umgibt.

Ein kompakter, modularer Aufbau wird dadurch erzielt, daß die Heizung in einem Heizungsraum vorgesehen ist, der zum zweiten rohrförmigen Abschnitt hin von einem Bereich der äußeren Wand begrenzt ist.

Ist der Heizungsraum evakuiert, so werden Verluste durch nach außen abgegebene Wärme minimiert.

Vorteilhaft ist insbesondere bei kleineren Reaktoren, wenn die Heizung von zumindest einem elektrischen Heizkörper ge¬ bildet ist.

Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung, insbesondere von kleineren Anlagen, ist dann gegeben, wenn die Heizung zumin¬ dest einen Wärmestrahler aufweist.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der den Heizungs¬ raum begrenzende Abschnitt der Wand zumindest bereichsweise aus Glas besteht. Auf diese Weise kann die Wärmestrahlung wirksamer in das zu behandelnde Medium eindringen.

Vorteilhaft ist insbesondere auch, wenn der Heizungsraum abgedichtet ist, so daß bei einer Leckage die Heizung nicht beschädigt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Reaktors ist dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärmestrahlung erzeugen¬ de elektrische Heizkörper rohrförmig ausgebildet ist, und daß radial innerhalb des rohrförmigen Heizkörpers ein Glas¬ rohr angeordnet ist, welches die äußere Wand des zweiten rohrförmigen Abschnitts bildet.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Zwischenraum zwischen dem vom rohrförmigen Heizkörper umgebenen rohrförmigen Abschnitt und dem Glasrohr evakuiert ist, wodurch eine Wärmeübertra¬ gung durch Konvektion und damit ein Wärmeverlust verhindert wird und wodurch die durch das Glas hindurchtretende Wär¬ mestrahlung für die Wärmezufuhr sorgt, indem die Strahlung in das Medium eindringt und dieses unmittelbar erwärmt.

Ist das Glasrohr an seinem ersten Ende geschlossen, so ist eine aufwendige Abdichtung in diesem Bereich nicht erforder- lieh.

Umschließt der rohrförmige Heizkörper das Glasrohr abdich¬ tend, so kann das zu behandelnde Medium bei einem eventuel¬ len Glasbruch nicht aus dem Reaktor austreten.

Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der der zwei¬ te rohrförmige Abschnitt im Bereich seines ersten Endes mit einem vorzugsweise als Stopfen ausgebildeten Verschlußstück verschlossen ist und bei der im Verschlußstück ein Tempera- tursensor angeordnet ist. Diese Ausgestaltung gestattet nicht nur eine einfache Abdichtung des zweiten rohrförmigen Abschnitts im Bereich seines ersten Endes, sondern erlaubt darüber hinaus die Erfassung der Temperatur des zu behan¬ delnden Mediums unmittelbar vor Erreichen des beheizten Be- reiches des zweiten rohrförmigen Abschnitts.

Ein besonders kompakt aufgebauter Reaktor ist dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Reaktor eine Mehrzahl von rohrförmig ausgebildeten Reaktionseinheiten aufweist. Hierdurch kann bei kompaktem Aufbau ein hoher Volumendurchsatz erzielt wer¬ den.

Vorteilhaft ist dabei, wenn jeweils mehrere, vorzugsweise drei, Reaktionseinheiten zu einer Gruppe von Reaktionsein¬ heiten zusammengefaßt sind und wenn der Reaktor mehrere der¬ artige Gruppen aufweist. Diese Ausbildung gestattet den mo- dularen Aufbau eines Reaktors.

Ist für jede Gruppe von Reaktionseinheiten ein zentral befe¬ stigtes Abschlußelement vorgesehen, welches die Verschlu߬ stücke der zugeordneten Reaktionseinheiten übergreift und so die Dichtkraft für die Reaktionseinheiten aufbringt, wird

die Wartung vereinfacht und ein modularer Austausch von Re¬ aktionseinheiten ist möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter

Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Reaktors zur Behand- lung von Kohlenwasserstoff-Verbindungen;

Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung des Reaktors aus Fig. l;

Fig. 3 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles III in Fig. 1, aber auf einen aus mehreren, in Gruppen zusammengefaßten Reaktionseinheiten bestehenden Reaktor.

In Fig. 1 ist ein Reaktor zur Behandlung von Kohlenwasser¬ stoff-Verbindungen gemäß der Erfindung gezeigt. Dieser Reak¬ tor ist zum thermischen Cracken von Kohlenwasserstoff-Ver¬ bindungen ausgelegt. In einem oberen Gehäusekopf 11, der vorzugsweise einen im Grundriß kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist eine ringförmige Zuflußkammer 12 mit einer die Wand des Gehäusekopfes 11 durchdringenden Zuflußöffnung 10 vorgesehen. Der Außendurchmesser der ringförmigen Zuflußkam¬ mer 12 entspricht dabei im wesentlichen dem Außendurchmesser des oberen Gehäusekopfes 11.

Unterhalb und innerhalb der ringförmigen Zuflußkammer 12 ist im Gehäusekopf 11 eine Abflußkammer 16 vorgesehen. Die Ab- flußkammer 16 besitzt eine Abflußöffnung 14 für die beim

Crack-Prozeß entstehende Gasphase. Die Abflußöffnung 14 ist

im oberen Zentralbereich der Abflußkammer 16, welcher radial innerhalb der ringförmigen Zuflußkammer 12 liegt, vorgesehen und durchdringt die Wand des oberen Gehäusekopfes 11. Eine weitere Abflußöffnung 15 für die verbleibende flüssige Phase ist im zentralen Bodenbereich der Abflußkammer 16, der er¬ sten Abflußöffnung 14 gegenübergelegen, angeordnet. Auch die weitere Abflußöffnung 15 durchdringt die Wand des oberen Gehäusekopfes 11. An die weitere Abflußöffnung 15 kann ein Reinigungskreislauf für die verbleibende flüssige Phase an- , geschlossen sein, in welchem eine Filteranordnung feste Be¬ standteile, wie Koks, aus der flüssigen Phase entfernt und diese wieder in die Zuflußkammer einleitet. Ein solcher Rei¬ nigungskreislauf ist in der dieselbe Priorität wie die vor- liegende Anmeldung aufweisenden parallelen deutschen Pa¬ tentanmeldung P 44 18 614.2 desselben Anmelders beschrieben.

Zur Vereinfachung der Montage besteht der obere Gehäusekopf

11 aus einer unteren Bodenwanne 11' und einem oberen Deckel

11' ' . Die Bodenwanne 11' und der Deckel 11' ' sind über durch strichpunktierte Linien angedeutete Flanschverbindungen ab¬ dichtend miteinander verbunden. Dabei ist die Zuflußkammer 12 im oberen Deckel 11 ' ' vorgesehen.

Die untere Bodenwanne 11' ist in ihrem Bodenbereich mit Auf¬ nahmeflanschen 13, 13' zur Aufnahme von Reaktionseinheiten

18, 18' versehen.

Die Reaktionseinheiten 18, 18' sind in die Aufnahmeflansche 13, 13' von unten eingesetzt und auf noch später zu be¬ schreibende Weise am Gehäusekopf 11 befestigt, so daß die Reaktionseinheiten 18, 18' vom Gehäusekopf 11 herabhängen.

Jede Reaktionseinheit 18, 18' weist einen ersten, inneren rohrförmigen Abschnitt 20 auf, dessen erstes Ende 22 in die Zuflußkammer 12 hineinragt und auf diese Weise damit in

Fluidverbindung steht. Das erste Ende 22 des ersten rohrför- migen Abschnitts 20 ist dabei innerhalb der Zuflußkammer 12 an einem Ort gelegen, der oberhalb des tiefsten Punktes der Zuflußkammer und zumindest geringfügig oberhalb der Zuflu߬ öffnung 10 liegt.

Weiterhin weist die Reaktionseinheit 18 einen zweiten, äuße¬ ren rohrförmigen Abschnitt 26 auf, der den unteren, aus dem Gehäusekopf 11 durch eine Öffnung 17 im Aufnähmet1ansch 13 hindurch nach außen geführten Bereich des ersten rohrförmi- gen Abschnitts 20 umgibt. Der zweite rohrförmige Abschnitt 26 ist an seinem unteren, ersten Endabschnitt 28 mittels eines schematisch angedeuteten Verschlußstücks 40 abdichtend verschlossen. Mit seinem oberen, zweiten Ende 30 ist der zweite rohrförmige Abschnitt 26 in den Aufnahmeflansch 13 radial nach außen abdichtend eingesetzt und steht mit seinem Innenraum über die Öffnung 17 im Aufnahmeflansch 13 mit der Abflußkammer 16 in Fluidverbindung. Das untere, zweite Ende 24 des ersten rohrförmigen Abschnitts 20 mündet im Bereich des unteren Endabschnitts 28 des zweiten rohrförmigen Ab¬ schnitts 26 in diesen.

In dem Bereich, in dem der erste rohrförmige Abschnitt 20 innerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 26 verläuft, bildet die Wand des ersten rohrförmigen Abschnitts 20 eine gemeinsame Wand 32 zwischen dem ersten und dem zweiten rohr¬ förmigen Abschnitt 20 bzw. 26. Die äußere Wand 34 des zwei- ten rohrförmigen Abschnitts 26 ist in einem Bereich, der der

gemeinsamen Wand 32 gegenübergelegen ist, von einer Heizung 36 umgeben.

Die Heizung 36 besteht aus einem wendeiförmig um die äußere Wand 34 angeordneten elektrischen Heizkörper. Der Heizkörper 36 ist von einem kreisringförmigen Gehäuse 37 umgeben, wel¬ ches an seinen axialen Enden abdichtend mit der äußeren Wand 34 verbunden ist.

Der auf diese Weise gebildete Heizungsraum 38 zwischen dem Bereich 35 der äußeren Wand 34, in welchem die Heizung 36 angeordnet ist, und dem Heizungsgehäuse 37 ist evakuiert, so daß ein Wärmeverlust durch Konvektion innerhalb des Hei¬ zungsraumes 38 und damit eine Wärmeabgabe nach außen, durch das Heizungsgehäuse 37 hindurch, minimiert ist. Die Wärme der Heizung 36 kann daher unmittelbar an den Bereich 35 der äußeren Wand 34 als Kontaktwärme und auch als Strahlungswär¬ me durch diese Wand hindurch direkt an das zu behandelnde Medium abgegeben werden.

Das zu behandelnde Medium, vorzugsweise vorgereinigtes Al- töl, wird durch die Zuflußöffnung 10 in die Zuflußkammer 12 geleitet. Von dort aus gelangt es in den ersten rohrförmigen Abschnitt 20 der Reaktionseinheit 18 und durchfließt diesen von oben nach unten. Am unteren Ende 24 des ersten rohrför¬ migen Abschnitts 20 tritt das Medium aus dem ersten rohrför¬ migen Abschnitt 20 aus und in den zweiten rohrförmigen Ab¬ schnitt 26 ein, woraufhin es in dem im zweiten rohrförmigen Abschnitt 26 gebildeten Ringkanal 27 im Gegenstrom nach oben zurückfließt.

In dem vom Heizkörper 36 geheizten Bereich des Ringkanals 27 erfolgt das Cracken der im Medium enthaltenen Kohlenwasser¬ sto f-Verbindungen, d.h. es tritt eine teilweise Aggregats¬ zustandsänderung des Mediums ein, da durch das Cracken auf- gebrochene Kohlenwasserstoff-Verbindungen sieden und somit in die dampfförmige Phase übergehen. Das nun zu einem Gas- Flüssigkeits-Gemisch gewordene Medium strömt dann durch die Öffnung 17 im Aufnahmeflansch 13 in die Abflußkammer 16 ein, von wo aus die gasförmigen Bestandteile durch die obere Ab¬ flußöffnung 14 entweichen und einer Weiterbehandlung zuge¬ führt werden. Die flüssigen und festen Bestandteile des Me¬ diums werden aus der Abflußkammer 16 durch die weitere, un¬ tere Abflußöffnung 15 abgeführt.

Der kompakte Aufbau des oberen Gehäusekopfes 11 und der Re¬ aktionseinheit 18 gestattet eine platzsparende Bauweise und damit die Konstruktion eines kleinen Kompakt-Reaktors, wel¬ cher auch außerhalb von Raffinerien eingesetzt werden kann und auch für die Verarbeitung kleinerer Mengen von Kohlen¬ wasserstoff-Verbindungen geeignet ist.

Die Anordnung der ringförmigen Zuflußkammer 12 oberhalb der Abflußkammer 16 im oberen Gehäusekopf 11 und das Vorsehen gemeinsamer Wände zwischen der Zuflußkammer 12 und der Ab¬ flußkammer 16 sorgt durch die in der Abflußkammer 16 herr¬ schende hohe Temperatur bereits für eine Vorwärmung des in die Zuflußkammer 12 einfließenden Mediums.

Eine weitere Vorwärmung wird dadurch erzielt, daß der erste rohrförmige Abschnitt 20 nach dem Austritt aus der Zufluß- kammer 12 zunächst durch die Abflußkammer 16 geführt wird. Dort bewirkt die höhere Temperatur in der Abflußkammer 16

eine weitere Aufheizung des durch den ersten rohrförmigen Abschnitts 20 strömenden Mediums.

Eine weitere Vorwärmung des Mediums 20 erfolgt dann dadurch, daß der erste rohrförmige Abschnitt 20 koaxial innerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 26 verläuft, wobei die au¬ ßerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 26 angebrachte Heizung 36 ihre Wärme indirekt ebenfalls bereits an das im ersten rohrförmigen Abschnitt 20 fließende Medium abgibt. Auf diese Weise gelangt bereits ausreichend vorgewärmtes Medium in den ersten, unteren Endabschnitt 28 des zweiten rohrförmigen Abschnitts 26, so daß beim Aufsteigen des Medi¬ ums im von der Heizung 36 beaufschlagten Ringkanal 27 der Crack-Prozeß sofort beginnen kann.

In dem am unteren, ersten Ende 28 des zweiten rohrförmgen Abschnitts 26 vorgesehenen Verschlußstück 40 ist ein Tempe¬ ratursensor 42 angeordnet, der in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist und der die Temperatur des vorgewärmten Me¬ diums am Eintritt in den Ringkanal 27 erfaßt, um eine Rege¬ lung des Reaktors zu ermöglichen.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Reaktors aus Fig. 1, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 um den Wert 100 erhöht worden sind. Diese Ausführung, deren oberer Gehäusekopf genauso aufgebaut ist wie in Fig. 1, unterschei¬ det sich lediglich durch das Vorsehen eines Glasrohres 126' radial innerhalb des zweiten rohrförmigen Abschnitts 126.

Das Glasrohr 126' ist an seinem oberen Ende im Bereich der Öffnung 117 des Aufnähmetlansches 113 offen. An seinem unte¬ ren Ende ist das Glasrohr becherartig geschlossen. Der

Zwischenraum 127 zwischen dem becherartigen Glasrohr 126' und dem zweiten rohrförmigen Abschnitt 126 ist evakuiert, um eine Konvektion in diesem Bereich zu verhindern und damit einen Wärmeverlust zu vermeiden. Die vom Heizkörper 136 aus- gehende Wärmestrahlung durchdringt dabei den evakuierten

Zwischenraum 127' sowie die Wand des Glasrohres 126' und wirkt so unmittelbar auf das in dem Zwischenraum 127 zwi¬ schen dem Glasrohr 126' und dem ersten, inneren rohrförmigen Abschnitt 120 strömende Medium.

Zur Abdichtung sowohl des zweiten rohrförmigen Abschnitts 126 als auch des Glasrohres 126' im Aufnahmeflansch 113 dient bevorzugt eine hochtemperaturfeste Metalldichtung. Ähnliche hochtemperaturfeste Metalldichtungen sind auch bei der in Fig. 1 vorgesehenen Ausführung des Reaktors sowohl im Bereich des Aufnahmeflansches 13 als auch zur Abdichtung des Verschlußstücks 40 am zweiten rohrförmigen Abschnitt 26 vor- gesehen.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines weiteren Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansichtsrichtung durch den Pfeil III in Fig. 1 angegeben ist, obwohl es sich bei dem Reaktor in Fig. 1 um einen anderen Reaktor handelt als bei dem Reaktor in Fig. 3.

Der in Fig. 3 gezeigte Reaktor weist eine Mehrzahl von rohr- förmig ausgebildeten Reaktionseinheiten 18 auf. Jeweils drei

Reaktionseinheiten 18 sind zu einer Gruppe von Reaktionsein¬ heiten zusammengefaßt. In Fig. 3 sind vier Gruppen von je¬ weils drei Reaktionseinheiten 18 zu sehen. Jede Gruppe von Reaktionseinheiten 18 besitzt ein zentral befestigtes Ab¬ schlußelement 19, welches die Verschlußstücke 14 der

zugeordneten Reaktionseinheiten 18 übergreift und auf diese

Weise die Dichtkraft für die Reaktionseinheiten aufbringt.

Die zentrale Befestigung eines jeden Abschlußelements 19 erfolgt durch jeweils einen Zuganker 19', der mit seinem einen Ende zentral im Abschlußelement 19 befestigt ist und mit seinem anderen Ende am Gehäuse 11 des zugehörigen Reak¬ tors angebracht is .

Auf diese Weise ist ein modularer Reaktor gebildet, der sehr leicht und kostengünstig zu warten ist. Dabei kann zur War¬ tung durch Lösen der Schraubverbindung zwischen dem Zuganker 19' und dem Abschlußelement 19 das Abschlußelement 19 zusam¬ men mit den äußeren rohrförmigen Abschnitten 26 der zugeord- neten Reaktionseinheiten 18 und der an diesen angebrachten Heizungen entfernt und die rohrförmigen Abschnitte können so schnell und kostengünstig durch Austauschteile ersetzt wer¬ den.

Der in Fig. 3 gezeigte Aufbau mit einer Mehrzahl von Gruppen von Reaktionseinheiten 18, wobei jede Gruppe aus drei Reak¬ tionseinheiten besteht, gestattet eine besonders kompakte kreisförmige Anordnung der Gruppen von Reaktionseinheiten und damit einen besonders raumsparenden Aufbau des Reaktors.