用于使载体介质脱氢的反应器装置的制作方法

技术领域

本发明涉及用于使载体介质脱氢的反应器装置。

背景技术：

载体介质的脱氢反应是吸热的，即必须提供热量。这可以通过壳管式反应器来实现，以便使得引入热量所需的反应器的表面积与体积的比率成为可能。表面积与体积的比率越大，即越好，相应管直径越小。然而，小的管直径意味着管横截面减小，从而阻碍了氢气的释放。

技术实现要素：

本发明的一个目的是改进用于使载体介质脱氢的反应器装置，特别是使氢气的释放可以在令人满意的热量输入下基本上不受阻碍。

该目的通过权利要求1的特征来实现。本发明的关键方面在于由反应器壳体包围的内部空间具有连接到预备空间至少一个反应空间。预备空间具有至少一个第一连接口。预备空间均通过至少一个第一连接口与反应空间连接。也可以设想多个反应空间通过至少一个第一连接口连接到预备空间，例如通过布置在第一连接口和多个反应空间之间的分配器空间。所述至少一个第一连接口用于载体介质从预备空间流出到连接于此的反应空间。预备空间还具有流入口，该流入口用于加载的载体介质流入预备空间。载体介质特别是环状烃形式的有机储氢液。载体介质是氢载体介质。氢可以化学结合到载体介质上。该载体介质是液体。例如，这种载体介质公知为液体有机氢载体(LOHC)。反应器装置具有反应器壳体。热传递空间布置在反应器壳体和反应空间之间。热传递空间中的热传递介质用于将热量从热传递介质传递到载体介质。热传递空间尤其是在至少一个反应空间和反应器壳体之间的中间空间。至少部分加载有氢气的载体介质可以经由预备空间进入反应空间，特别地，流入口与至少一个连接口存在距离，几乎不影响载体介质的流动，特别是其流速。通过预备空间可以将载体介质定向和控制地引入反应空间。

有多个反应管(特别是至少5个，特别是至少10个，特别是至少20个，特别是至少50个，特别是至少100个，特别是至少120个)的反应器装置允许反应器功率的直接的、特别是线性的缩放，每个反应器具有反应空间，并且每个反应器都通过第一连接口连接到预备空间。也可以提供超过120个反应管。热传递空间尤其构造为反应管和反应器壳体之间的中间空间。作为经由预备空间引入载体介质的结果，确保所有反应管周围的均匀的、特别是相同的载体介质流。预备空间和邻接的反应管中的流动条件因此均匀化并由此得到改善。该反应器装置具有改进的流动条件和良好的热输入。预备空间中主要的内部压力可以均匀分布的方式应用于所有反应空间上。与预备空间内的内部压力相比，反应空间之间的压力差较小，因此对反应管中的反应没有任何影响。预备空间中的内部压力与反应空间中的相应压力之间的压力差几乎是不变的。特别是，所有的反应管都具有相同的结构。这些管特别是构造成圆柱形管。然而，其他中空轮廓形状，例如正方形、矩形、三角形、五边形、六边形或其他多边形轮廓也是可能的。管子也可以有椭圆形轮廓。原则上也是可想到管可以不同地构造，特别是具有不同的轮廓和/或具有不同的横截面积。

其中至少一个第一连接口的内径小于反应管的内径的反应器装置特别确保了避免从反应管返回到预备空间的返混和/或各反应管之间的旁路流。特别是第一连接口的内径不大于与其连接的反应管的内径的50％，特别是不超过40％，特别是不超过30％，特别是不超过25％。由于该直径比，确保了每个操作点的压降例如大于1000毫巴。这种限定的压力应用具有如下效果：在各个第一连接口处，特别是基于竖直方向在朝向顶部布置得最远的第一连接口和朝向底部布置得最远的第一连接口之间的大地测量学的测量压差的影响几乎可以忽略不计。大地测量学的测量压差的影响最小化。进入反应管的载体介质的平均分配得到改进。布置在预备空间中直接加热预备空间中的载体介质的加热单元是有利的。这确保了预备空间中的载体介质的温度具有所需的最小温度值。这确保了载体介质的粘度不会超过所需的最大值，该最大值取决于温度。这确保了压降不会太大并且载体介质可以从预备空间不受阻碍地流入反应管。由于存在于预备空间中被预热的载体介质的原因，这允许快速利用反应器装置而无需事先操作，即所谓的冷启动。加热单元尤其布置在通孔和/或第一连接口的区域中。以这种方式，可以在需要载体介质流流入反应管的地方精确地引入热量。有利的是，加热单元构造成使得热量可以在大的面积上均匀地引入载体介质，特别是在反应器装置的整个横截面上。例如，加热单元具有管状热传递元件，特别是以热传递油流过的管的形式。热传递元件也可以是外部回路的电加热棒或部件，其通过入口将被加热的载体介质传送到预备空间并经由出口从预备空间排出载体介质。

其中至少一个反应管平行于反应器壳体的纵向轴线取向的反应器装置确保了反应器壳体中的反应管的有利且特别是节省空间的布置。特别地，反应器装置在反应器壳体的外侧具有支脚元件，该支脚元件允许反应器装置放在基座上。另外或作为替代方案，可以设置紧固装置，以便例如将反应器壳体悬挂在侧面和/或顶部。紧固元件和/或支脚元件以这样的方式构造，使得反应器装置可以对准，使得反应器壳体的纵向轴线基本上水平地取向。特别是，反应管水平取向。

其中至少一个第一连接口集成到连接元件中的反应器装置使得第一个连接口的简化构造成为可能。第一连接口是连接元件的组成部分。特别地，连接元件在端面处连接到反应管。连接管特别是在端面处插入反应管中。连接元件可以构造为至少部分地插入反应管的销。

其中连接元件通过保持板相对于反应器壳体的纵向轴线固定的反应器装置确保了预备空间和反应管之间的连接口的可靠且简单的集成。特别地，保持板允许将多个连接元件直接固定到关联的反应管。

具有后空间的反应器开口允许载体介质的受控排放，后空间具有用于至少部分卸载的载体介质从后空间流出的流出口，并且具有用于卸载的载体介质从反应管流入后空间的至少一个第二连接口。

其中反应管经由至少第二连接口与后空间连接的反应器装置使得卸载的载体介质直接流入后空间成为可能。

其中至少一个第二连接口的横截面积小于与其连接的反应管的横截面积的反应器装置确保载体介质的一部分保留在反应管中。这确保了反应管永久地被载体介质充填到可调整的填充水平。特别地，第二连接口的横截面积不大于反应管的横截面积的60％，特别是不大于55％，特别是不大于50％，并且特别地不大于45％。例如，第二连接口的横截面可以具有基本上半圆形圆盘的形状。同时，第二连接口保证在脱氢反应过程中释放的氢气可以通过第二连接口逸入后空间。

其中至少一个第二连接口集成到覆盖元件中的反应器装置简化了将第二连接口集成到反应器装置中。覆盖元件尤其在端面处连接到反应管，并且特别地，被构造成在端面处邻接反应管。

覆盖元件特别是堰状物，该堰状物被构造成使得至少一个反应管部分地关闭。

具有分配给至少一个第二连接口的沉淀元件的反应器装置确保了基于惯性效应由释放的氢气从反应管中排出的载体介质、即液体的预沉淀。夹带在氢气流中的载体介质被无意地引入的风险降低了。沉淀元件可以布置成层状薄片，特别是在至少一个第二连接口的区域中。由此改善了液滴的预沉淀。

通过使氢气在离开反应器壳体之前沿着流动方向转向至少一次，特别是多次，使得来自氢气的夹带的载体介质颗粒获得额外的改进成为可能。为此目的，可以在沉淀开口的区域中布置流动转向元件。例如，流动转向元件是具有蜿蜒形状并连接到沉淀开口的管段。氢气流的流动通过流动转向元件多次转向。由于液滴的惯性，这些液滴从气流中沉淀下来。可以通过特别是横向于或垂直于氢气流动方向布置的密网状金属丝网形式的屏障元件引起沉淀程度的进一步增加。网状金属丝网特别被构造成使得其不提供或几乎不提供氢气的流动阻力。

特别地，密网状编织金属丝网布置在后空间中并且自动滴落到存在于后空间的底部区域中的载体介质中。

沉降元件特别地相对于纵向轴线布置成与至少一个第二连接口齐平。

其中沉淀元件固定到遮盖元件上的反应器装置简化了安装，特别是其安装和相对于彼此对齐的布置。特别地，沉淀元件被固定、特别是焊接到覆盖元件的背离反应管的端面。沉淀元件也可以以可分离的方式、特别是通过螺纹连接方式连接到覆盖元件。由此简化了覆盖元件和/或沉淀元件的生产。氢气可以通过覆盖元件中的第二连接口流出反应管到达沉淀元件。在沉淀元件处，载体介质的液体的一部分沉淀。

其中沉淀元件相对于反应器壳体的纵向轴线以倾斜角度布置的反应器装置确保了氢气的定向流动转向。由于倾斜的沉淀元件，氢气特别是被垂竖直向下转向，并且由此特别是在区段中向下加速。结果，氢气流中载体介质的液体比例更好地沉淀。倾斜角度特别地大于0°且小于90°。倾斜角度特别是在10°至60°的范围内，特别是在20°至45°的范围内。

其中在反应管中提供脱氢催化剂的反应器装置促进脱氢反应。

其中载体介质流动方向和热传递流动方向至少区段地相对于彼此横向/成直角地取向的反应器装置使得改进的热传递成为可能。反应器装置中的整个流动方向有利地是并流。另外，可以提供用作转向元件的固定件。特别是在转向元件的区域中，然后发生交叉流。原则上逆流或所提及的流动类型的混合形式也是可能的。

附图说明

根据下面参照附图对两个实施例的描述，本发明的其它有利构造、附加特征和细节将变得明显。附图显示：

图1是根据本发明的反应器装置的侧视图，

图2是沿图1中的线II-II的截面图，

图3是沿图1中的线III-III的截面图，

图4是图1中所示的反应器装置的纵向截面，

图5是与图4中的细节V对应的放大细节图，

图6是与图4中的细节VI对应的放大细节图，

图7是反应器装置的沉淀元件板的放大侧视图，

图8是图7中所示的沉淀元件板的平面图，

图9是反应器装置的覆盖元件板的放大图，

图10是逆流过程中的运行模式的原则性示意图，

图11是与并流过程的图10对应的示意图，

图12是与交叉过程的图10对应的示意图，

图13是与第一混合流过程的图10对应的示意图，以及

图14是与另一混合流过程的图10对应的示意图。

具体实施方式

图1至10所示的反应器装置1用于使LOHC脱氢，即用于从作为载体介质的LOHC中分离氢气。

反应器装置1具有反应器壳体2。反应器壳体2具有带纵向轴线3的基本中空圆柱形构造。反应器壳体2包括空心圆柱形的反应壳体4，该反应壳体4在图1中左侧所示的第一端部处借助于预备空间壳体5并且在图1中右侧所示的相反端部处借助于后空间壳体6封闭。预备空间壳体5和后空间壳体6基本上是三角形的并且各自通过法兰环连接件7以压力密封和流体密封的方式连接到反应壳体4。

反应器壳体2包围内部空间，该内部空间包括预备空间8、反应空间9和后空间10。

预备空间8具有流入口11，加载的载体介质可通过流入口11进入预备空间8。流入口11布置在反应器壳体2的下侧。可以在流入口11上设置填充口，填充口可以通过供给管道连接到LOHC罐。

反应空间9包括多个反应管12的内部体积的总和。反应管12彼此平行地且与反应器壳体2的纵向轴线3平行地取向。反应管12水平布置。反应管12均具有内径d_Ri。在所示的实施例中，提供了二十四个反应管12。也可以提供多于或少于24个反应管。反应管12的数量越多，脱氢率越大，即每单位时间释放的氢气体积越大。因此反应空间9与反应管12的内部体积的24倍对应。在竖直方向上相邻的两个反应管12相对于彼此具有间距A。间距A也可以设置在偏离竖直方向的方向上。于是管12相对于彼此以规则模式布置。

在面向预备空间8的端部，连接元件13在端面处插入每个反应管12中。连接元件13具有销状结构，其外径d_V1a基本上与反应管的内径d_Ri对应。连接元件13具有盘状的止动部分14，连接元件13通过该止动部分轴向地保持在反应管12的端面上。连接元件13朝反应管12的方向沿纵向轴线3的意外位移被排除。

保持板17布置在连接元件13的面向预备空间8的端面上，保持板17尤其用于将连接元件13沿着纵向轴线3轴向固定到反应管12上，特别是用于防止朝预备空间8的方向的意外轴向位移。保持板17具有多个通孔18，通孔18均布置为与连接口16齐平。通孔18确保连接元件13中的第一连接口16是自由的。

保持板17在端面处沿轴向即沿着纵向轴线3被压在反应管12上。这样，具有形成止动肩的止动部分14的连接元件13在该端面处被压到反应管12上。在连接元件13和管板15之间均设置有未示出的密封元件。管板15焊接到反应管12上。该密封元件确保连接元件13在反应管12中的可靠密封。间隔件15也被称为管板。管板是反应器装置1的一体部分。防止了载体介质从反应管12中不希望地出来。由于毛细效应，有效排除了载体介质从反应管12通过第一连接口16回流进入预备空间8。

间隔件15布置在相邻的反应管12之间。间隔件15可以构造为单独的元件。间隔件15也可以一体地构造，特别是以反应管12插入其中的多孔板的形式。

连接元件13具有贯通的内孔，其代表第一连接口16。第一连接口16使预备空间8与反应空间9之间的流体连通成为可能。特别是第一连接口16被分配给每个反应管12。第一连接口16的内径d_V1i小于反应管9的内径d_Ri。在所示的实施例中，d_V1i＝0.05·d_Ri。有利的是，第一连接口16的内径d_V1i明显小于反应管9的内径d_Ri，其中特别是：d_V1i≤0.02·d_Ri，特别是d_V1i≤0.01·d_Ri，特别是d_V1i≤0.008·d_Ri。作为第一连接口16的内径d_V1i小于反应管12的内径d_Ri的结果，可获得毛细效应，其使预备空间8中的载体介质均一且均匀地分布流入反应管12内。

反应器装置1是具有在前分配装置的壳管式反应器。分配装置由预备空间8和连接于此并具有减小内径d_V1i的第一连接口16形成。

在反应壳体14内，反应管12彼此平行地布置，并且在横向于纵向轴线3的方向上彼此间隔开。在反应管12之间形成的中间空间是热传递空间19。热传递空间19具有热传递介质供给口20和热传递介质排出口21。热传递介质基本上从热传递介质供给口20流到热传递介质排出口21，如图4所示，即从右到左。热传递介质流动方向22在图4中示出。沿着反应管12流动的载体介质从预备空间8通过反应空间9进入后空间10，如图4所示，即在由箭头23表示的载体介质流动方向上从左到右。载体介质流动方向23和热传递介质流动方向22是反向平行的。反应器装置1以逆流过程操作，这将在下面解释。

反应管12通过多个固定件24固定在反应壳体4中。固定件24确保了反应管12的限定布置。特别地，确保了管在反应壳体4中的平行布置。此外，固定件24以这样的方式构造，即它们以这样的方式影响热传递介质的流动，即至少在固定件的区域中存在交叉流动。固定件24充当转向元件。

在反应空间9的面向后空间10的端面处设置有板状覆盖元件25。覆盖元件25具有多个第二连接口26，每个第二连接口26被分配给反应管12。通过第二连接口26，与其连接的反应管12连接到后空间10。第二连接口具有横截面积A_V2。第二连接口26具有大致半圆形状。第二连接口26的半径R_V2大致与反应管12的内径d_Ri的一半对应。第二连接口26的横截面积因此基本上与反应管12的横截面积的一半对应。第二连接口26相对于竖直取向以如下方式在反应管12上对准，使得布置在顶部的半圆形部分通过第二连接口26保持敞开。反应管12的布置在下面的半圆形部分由覆盖元件25的覆盖部分27封闭。这意味着每个反应管12基本上被载体介质28填充一半。填充度也可以更低，例如是大约45％或大约40％。脱氢期间释放的氢气可以不受阻碍地上升到反应管12的位于载体介质28上方的自由体积部分，并且沿载体介质流动方向23经由第二连接口26流入预备空间10。

沿着纵向轴线3，在覆盖元件25的背离反应管12的端面上设置沉淀单元29。覆盖元件25具有紧固孔30，以便将覆盖元件25紧固，特别是螺丝紧固到反应器壳体2。覆盖元件25和沉淀单元29也可以一体地构造。

沉淀单元29具有设置有多个沉淀元件32的支撑元件31。每个沉淀元件32覆盖在图8中不可见的沉淀开口。沉淀元件32也可以直接固定，尤其是焊接到覆盖元件25。沉淀开口基本上与第二连接口26对应。沉淀开口也可以具有比第二连接口26更大的横截面积。基本上，沉淀开口不应妨碍释放的氢气从反应管12流出到后空间10中。支撑元件31是圆盘，其直径D基本上与覆盖元件25的直径D对应。覆盖元件25和沉淀单元29可以在端面上与反应管12同心地并且齐平地布置，并且经由齐平的紧固开口30固定到反应器壳体2。

沉淀元件32各自被构造为相对于支撑元件31以倾斜角度n布置的矩形金属带。沉淀元件32向下倾斜。在所示的实施例中，倾角n为约30°。该倾角尤其大于0°且小于90°，尤其是10°至60°，尤其是20°至45°。

沉淀元件32各自具有高度H，该高度与沉淀元件32的长度L在支撑元件31的平面上的垂直投影对应。沉淀元件32的高度H特别地在从d_Ri/2和d_Ri+A的范围内，特别是从d_Ri到(d_Ri/2+A)的范围内，特别是从d_Ri到A的范围内。

后空间10具有流出口33，用于卸载的载体介质从后空间10流出。流出口33布置在后空间壳体6的下底侧壁上。液体载体介质可以在重力作用下自动从后空间10逸出。流出口33可以通过流出管道连接到用于卸载的LOHC的储罐。

后空间10还具有气体流出口34。气体流出口34布置在后空间壳体6的上侧壁上。通过脱氢形成的氢气可以通过设置在顶部的气体流出口34自动逸出，用于进一步使用。

在每个反应管12中布置催化剂。适合于LOHC脱氢的催化剂是已知的，例如来自EP 1 475 349A2。

下面借助于图4更详细地解释反应器装置1的操作模式。通过流入口11将加载的载体介质供入。加载的载体介质富含氢。加载的载体介质进入预备空间8并且从那里经由毛细管状第一连接口16进入各个反应管12。催化剂材料布置在反应管12中。在反应空间9中，从热传递空间19经由热载体介质供给热量。这里的热载体介质在逆流过程中逆着载体介质流动，如图10示意所示。逆流过程在热传递方面特别有效。热传递效率得到提高。

由于第一连接口的内径以这种方式减小，防止了载体介质从反应空间9回流进入预备空间8。通过覆盖元件25的覆盖部分27确保载体介质从反应空间9向后空间10的不受控制的流出。反应管12中的载体介质28的填充水平可以根据覆盖部分27的尺寸，特别是高度来确定。

由于在各个反应管9内有足够的自由体积，已经分离出的氢气可以通过该自由体积并通过第二连接口26逸入后空间10中。在其路线上，氢气在沉淀元件32周围流动。由此，无意地夹带在气流中的载体介质28的液体的一部分被沉淀。载体介质28可以向下滴落在沉淀元件32上，被收集在收集空间中并且经由流出口33排出。

下面借助图11至14描述用于操作反应器装置1的另外的流动状态。

与逆流过程相反，并流过程是可能的，其中热传递介质流动方向22和载体介质流动方向23平行地并且在相同方向上取向。该流动图如图11所示。

在按照图12的交叉流操作的情况下，载体介质流动方向23基本上是水平的并且热传递介质流动方向22是蜿蜒的，基本上横向于载体介质流动方向23。有利的是，热传递介质流动方向22横向于载体介质流动方向23取向，但仍是水平的。

在图13所示的第一混合流动状态中，载体介质流动方向23沿着基本上U形的反应管管道12延伸。该实施例基本上与根据图12的交叉流对应，其中反应管12的两端位于反应器壳体2内部，通过具有圆弧形状的连接件35彼此连接。

图14中所示的混合流动状态表示如图10所示的逆流过程和如图11所示的并流过程的组合。