AT505527B1 - Reaktor - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 505 527 B1 2011-09-15

Beschreibung

REAKTOR

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor mit Innenisolierung, mindestens einer Öffnung zur Zuführung von Stoffen, mindestens einer Öffnung zur Entnahme von Stoffen, einem Reaktorboden, welcher Reaktorboden gegebenenfalls vom restlichen Reaktor abtrennbar ausgeführt ist, sowie einem eine oder mehrere Düsen tragenden Düsenboden.

[0002] Reaktoren der eingangs genannten Art werden für zahlreiche chemische Verfahren, z.B. in der Form von Wirbelschichtreaktoren, eingesetzt, beispielsweise für Verfahren, welche in einer korrosiven Atmosphäre und zumeist bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.

[0003] Aufgrund hoher Betriebstemperaturen, einer korrosiven Atmosphäre und einer Abrasion, wie sie beispielsweise bei Wirbelschichtverfahren durch die Wirbelschichtteilchen auftritt, unterliegen insbesondere in den Reaktorinnenraum ragende Einbauten, wie beispielsweise Düsen, einem raschen und starken Verschleiß. Dieser bedingt eine häufig erforderliche Wartung, was bedeutet, dass ein beispielsweise zur Pyrohydrolyse von verbrauchten Beizlösungen der metallverarbeitenden Industrie verwendeter Wirbelschichtreaktor periodisch nach 10 bis 12 Wochen Betrieb vollständig abgestellt werden muss, um die Düsen zu inspizieren bzw. zu reparieren. Das bringt aufgrund der bei solchen Reaktoren vorhandenen Innen-Isolierung in Form einer Ausmauerung und der hohen Betriebstemperatur lange Abkühl- und Aufheizzeiten in der Größenordnung von üblicherweise 8 bis 10 Tagen mit sich.

[0004] Die Inspektion und Reparatur der Düsen erfolgt entweder über ein Mannloch, durch welches die mit der Inspektion betraute Person in den Reaktor einsteigen muss, wofür im Bereich des Mannloches die Ausmauerung zuerst abgebaut werden muss, oder von unterhalb des Reaktorbodens über eine entsprechend groß dimensionierte Windbox. Beide Möglichkeiten bedingen Tätigkeiten, die an der Grenze der Zumutbarkeit und Arbeitssicherheit liegen.

[0005] Daneben kommt es zu einem mehrere Tage andauernden Anlagenstillstand und einem damit verbundenen Produktionsausfall. Ferner ist das erneute Aufheizen des Reaktors aufgrund der hohen Betriebstemperatur zeitraubend und energieintensiv.

[0006] Im Stand der Technik sind zahlreiche weitere Bauweisen solcher Reaktoren beschrieben. So zeigt die GB 919,020 beispielsweise einen Wirbelschichtreaktor, der zur autothermen Gasphasenoxidation von AICI3 oder TiCI4 mit Sauerstoff zu den entsprechenden Oxiden verwendet werden kann und einen abnehmbaren Düsenboden besitzt. Der Düsenboden, welcher einen Teil des Reaktorbodens ausbildet, ist in diesem mittig angeordnet und über einen außen liegenden Flansch lösbar mit dem restlichen Reaktorboden verbunden. Der Düsenboden, welcher in gleicher Weise wie der übrige Reaktor isoliert ist und mehrere Düsen umfasst, besitzt eine zylindrische Form und muss passgenau zur entsprechenden Öffnung im Reaktorboden ausgeführt sein. Eine Wartung der Düsen wäre bei einer solchen Reaktorbauweise zwar möglich, bedingt jedoch die Entfernung des gesamten Düsenbodens, welcher gleichzeitig Reaktorboden und Teil der Windbox ist, einschließlich der Isolierung. Dies führt dazu, dass der Reaktor an seiner Unterseite während der Wartung offen ist, was eine rasche Abkühlung des Reaktorin-nenraums bewirkt. Beim Ein- und Ausbau kann es zudem leicht zu einem Verkanten der einzelnen Elemente kommen. Ein solches Verkanten könnte zu Problemen führen, die umso schwerwiegender sind, je größer der Durchmesser des Düsenbodens, je dicker die Isolierung und je kürzer die für den Vorgang zur Verfügung stehende Zeit ist. Ferner kann ein Verkanten auch zu einer Beschädigung der Isolierungen führen. Daher ist diese Bauweise nur bei relativ kleinen Reaktoren vorteilhaft. Ein weiterer Nachteil des in GB 919,020 offenbarten austauschbaren Düsenbodens besteht darin, dass die Düsen nicht über den gesamten freien Reaktorboden verteilt werden können. Das schränkt die Anzahl der möglichen Düsen ein.

[0007] Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Reaktoren weiter zu entwickeln, um so die vorstehend genannten Probleme zu verringern und einen wartungsbedingten Produktionsstillstand derartiger Reaktoren zu minimie- österreichisches Patentamt AT 505 527 B1 2011-09-15 ren.

[0008] Dieses Ziel wird bei einem Reaktor der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Reaktorboden Ausnehmungen zur Aufnahme von Düsen aufweist und ein die Düsen tragender Düsenboden im Wesentlichen parallel und unterhalb des Reaktorbodens angeordnet und mit diesem lösbar verbunden ist. Unter „Düsenboden" wird in der vorliegenden Erfindung jene parallel zur Reaktorbodenfläche angeordnete Platte verstanden, welche eine oder mehrere Düsen trägt. Zur Düsenwartung kann somit der gesamte Düsenboden entfernt und durch einen neuen oder überholten Düsenboden ersetzt werden, wonach der Reaktor nach einem minimalen Produktionsstillstand wieder einsatzbereit ist.

[0009] In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßem Reaktors sind die Düsen mit dem Düsenboden lösbar verbunden. Dies ermöglicht einen gezielten Austausch von einzelnen beschädigten und reparaturbedürftigen Düsen, erforderlichenfalls unmittelbar vor Ort.

[0010] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors, wie er beispielsweise für Wirbelschichtverfahren geeignet ist und daher über eine Windbox verfügt, bildet der Düsenboden die obere Platte einer Windbox, welche ferner bevorzugt eine abnehmbare untere Platte aufweist.

[0011] In Abhängigkeit von dem im Reaktor auszuführenden Verfahren sind die im erfindungsgemäßen Reaktor eingesetzten Düsen Zweistoffdüsen. Derartige Düsen ermöglichen es, zwei gasförmige Stoffe, z.B. Luft und ein Brenngasgemisch, zuzuführen, wobei diese in der Düse voneinander getrennt gehalten und erst unmittelbar vor dem Austritt aus der Düsenöffnung vermischt werden. Im Vergleich zu Einstoffdüsen erschwert der Einsatz von Zweistoffdüsen aufgrund des besonderen Düsenaufbaus der Zweistoffdüsen den Ersatz von einzelnen Zweistoffdüsen üblicherweise jedoch erheblich. Dieser Nachteil wird durch den erfindungsgemäßen Reaktoraufbau überwunden.

[0012] Die erfindungsgemäßen Reaktoren sind insbesondere für die Verwendung in Wirbelschichtverfahren geeignet.

[0013] Ein erfindungsgemäßer Reaktor für ein Wirbelschichtverfahren besitzt in einer besonders vorteilhaften Bauweise einen am Reaktorboden befestigten, von diesem abtrennbaren und somit einfach austauschbaren Düsenboden, an welchem Düsenboden die einzelnen Düsen derart befestigt sind, dass sie ebenfalls problemlos ausgetauscht werden können. Während des Austauschs des Düsenbodens oder einzelner Düsen kann der Wirbelschichtreaktor auf Betriebstemperatur verbleiben. Der Produktionsvorgang kann nach kurzer Unterbrechung fortgesetzt werden.

[0014] Ein Verfahren, das in einem solchen erfindungsgemäßen Reaktor ausgeführt werden kann, ist die Pyrohydrolyse von verbrauchten Beizlösungen der metallverarbeitenden Industrie, insbesondere der Stahlindustrie. Dabei wird in einer aus Eisenoxidteilchen bestehenden Wirbelschicht eine salzsaure wässrige FeCI2-lösung gemäß der Reaktionsgleichung: 2 FeCl2 + 2 H20 + % 02 - Fe203 + 4 HCl [0015] bei etwa 850°C zu Fe203 hoher Schüttdichte und zu Salzsäure umgesetzt. Die entstandene Salzsäure wird erneut zum Beizen von Stahl eingesetzt und so im Kreislauf geführt.

[0016] Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Hilfe der Figuren 1 bis 5 im Detail beschrieben, worin [0017] Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten

Wirbelschichtreaktor zur Pyrohydrolyse von verbrauchten Beizlösungen zeigt; [0018] Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wirbelschichtreaktor aus Fig. 1 entlang A-A' zeigt; [0019] Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor zeigt; 2/9 österreichisches Patentamt AT 505 527 B1 2011-09-15 [0020] Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor in Explosionsdarstellung zeigt; und [0021] Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil des Reaktorbodens eines erfindungs gemäßen Wirbelschichtreaktors zeigt.

[0022] Der in Fig. 1 dargestellte Wirbelschichtreaktor 1 umfasst einen Reaktormantel 2, welcher im Reaktorinnenraum 3 mit einer Isolierung 4 ausgestattet ist, eine sich im Reaktorinnenraum 3 befindliche, Fe203-Teilchen umfassende Wirbelschicht 5, eine Zuführung 6 für die saure wässrige FeCI2-Lösung und einen Düsenboden 7, welcher ebenfalls mit einer Isolierung 4 versehen und mit dem Reaktormantel 2 unlösbar verbunden, z.B. verschweißt, ist. Im Düsenboden sind Zweistoffdüsen 8 angeordnet, welche mit dem Düsenboden 7 unlösbar verbunden sind und aus der Isolierung 4 des Düsenbodens 7 in den Reaktorinnenraum 3 hineinragen, in welchen Zweistoffdüsen 8 das Brenngas und die Luft aus sicherheitstechnischen Gründen erst unmittelbar vor dem Austritt gemischt werden. Unterhalb des Düsenbodens 7 befindet sich eine mit diesem unlösbar verbundene Windbox 9, welche die Zweistoffdüsen 8 mit Luft versorgt. Durch die Windbox 9 sind ferner Brenngasdüsen 10 geführt, welche in die Zweistoffdüsen 8 hineinragen und durch welche den Zweistoffdüsen das Brenngas zugeführt wird. Der Reaktor 1 umfasst ferner eine Öffnung 11 zur Entnahme des gebildeten Fe203, und eine Öffnung 12 für den Austritt der gasförmigen Produkte. Der Reaktor 1 besitzt zudem ein Mannloch (nicht gezeigt).

[0023] Bei diesem Reaktor stellt der Düsenboden gleichzeitig den Reaktorboden und die obere Windboxplatte dar. Unter „Reaktorboden" wird dabei eine den Reaktor nach unten hin abschließende Fläche (Platte) verstanden, die gegebenenfalls eine Isolierung aufweist. Unter der „oberen Windboxplatte" wird die obere Platte, welche die Windbox nach oben hin abschließt, verstanden.

[0024] Die Brenngaszufuhr wird separat geregelt, die Luftzufuhr erfolgt über ein Gebläse, das die Windbox mit Überdruck beaufschlagt. Die Anzahl der Düsen ist von der Anlagengröße und dem Durchsatz abhängig, üblicherweise sind etwa 15 Düsen pro m2 vorhanden.

[0025] In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Wirbelschichtreaktor entlang A - A dargestellt, welcher den Reaktormantel 2, die innen am Reaktormantel 2 befindliche Isolierung 4 und die über die gesamte Fläche des Bodens verteilten Düsen 8 zeigt.

[0026] Die Fig. 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors 1. Der Wirbelschichtreaktor 1 weist eine innen am Reaktormantel 2 befindliche Isolierung 4 auf. Über die Zuführung 6 werden die Reaktanten, beispielsweise mittels einer Sprühlanze (nicht gezeigt), über der Wirbelschicht 5 verteilt. Der Reaktorboden 13 ist lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 14, am Reaktormantel 2 befestigt und umfasst Ausnehmungen 15 für in den Reaktorinnenraum 3 ragende Zweistoffdüsen 8. Die Isolierung 4 des Reaktorbodens 13 ist im Bereich zum Reaktormantel 2 abgeschrägt und passgenau zu der innen am Reaktormantel 2 befindlichen Isolierung 4 ausgeführt. Die dadurch entstehenden Kontaktflächen 16 gewährleisten die erforderliche Dichtheit des Reaktors und vermeiden ein Verkanten beim Zusammenbau. An den Reaktorboden 13 ist lösbar eine Windbox 9 angebracht, welche die Zweistoffdüsen 8 mit Luft versorgt. An der unteren Windboxplatte 17 sind die Brenngasdüsen 10, welche in die Zweistoffdüsen 8 hineinragen und mit flexiblen Zuleitungen (nicht gezeigt) versehen sind, angeordnet.

[0027] Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors.

[0028] Ein besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors ist im Detail der Fig. 5 zu entnehmen. Die Fig. 5 stellt ausschnittsweise einen senkrechten Schnitt durch den mit einer Isolierung 4 versehenen Reaktorboden 13 und eine unterhalb des Reaktorbodens 13 befindliche Windbox 9 dar. Die Windbox 9 umfasst eine untere Windboxplatte 17, an welcher Brenngasdüsen 10 mittels Schraubverbindungen 18 befestigt sind, und eine obere Windboxplatte 19, an welcher einzelne Zweistoffdüsen 8 mittels Schraubverbindungen 20 befestigt sind, sodass diese obere Windboxplatte auch die Funktion eines Düsenbodens übernimmt. Die unte- 3/9 österreichisches Patentamt AT 505 527 B1 2011-09-15 re Windboxplatte 17 kann durch Lösen der Schraubverbindung 21 vollständig abgenommen werden. Die obere Windboxplatte 19 ist mittels Schraubverbindung 22 am Reaktorboden 13 befestigt. Der mit einer Isolierung 4 versehene Reaktorboden 13 enthält zylindrische Ausnehmungen 15, in welchen sich die in den Reaktorinnenraum ragenden Zweistoffdüsen 8 befinden. Die Ausnehmungen 15 weisen bevorzugt abriebfeste und hitzebeständige Auskleidungen auf, die am Reaktorboden 13 befestigt sind und eine üblicherweise der Dicke der Isolierung entsprechende Höhe aufweisen und den Düsen 8 als Führung dienen. Der Außendurchmesser der Zweistoffdüsen 8 ist kleiner als der Innendurchmesser der Ausnehmungen 15, sodass sich zwischen den Ausnehmungen und den Düsen ein Spalt 23 ausbildet, um Unterschiede in den Wärmeausdehnungen der Materialien zu kompensieren. Ein derartiger Spalt kann etwa 2 mm betragen.

[0029] Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Reaktors, welcher für Wirbelschichtverfahren eingesetzt wird und bei welchem die Düsenplatte auch die obere Windboxplatte bildet, kann die Wartung der Düsen wie nachstehend beschrieben Verfahrens- und kostenökonomisch sowie unter zumutbaren Arbeitsbedingungen und unter Einhaltung sicherheitstechnischer Standards durch einen Wechsel des Düsenbodens beispielsweise wie folgt ausgeführt werden: [0030] Nach dem Leerfahren, während sich der Wirbelschichtreaktor 1 noch auf erhöhter Temperatur befindet, wird die Verschraubung 22, welche die Düsenplatte, die gleichzeitig die obere Windboxplatte 19 bildet, mit dem Reaktorboden 13 verbindet, gelöst. Die Windbox 9 kann dann einschließlich der Brenngasdüsen 10 und der Zweistoffdüsen 8, gegebenenfalls mittels einer geeigneten Vorrichtung, abgesenkt und entfernt werden. Eine vorbereitete baugleiche Windbox 9 einschließlich Brenngasdüsen 10 und Zweistoffdüsen 8, kann unmittelbar danach unter den Reaktorboden 13 verbracht, angehoben und mit dem Reaktorboden 13 verschraubt werden. Während dieses Vorganges kann der Wirbelschichtreaktor 1 auf Betriebstemperatur verbleiben. Da zudem der isolierte Reaktorboden 13 während des Vorgangs im Reaktor verbleibt, ist der Wärmeverlust minimal. Der Produktionsvorgang kann nach kurzer Unterbrechung fortgesetzt werden. Die entfernte Windbox 9, einschließlich Brenngasdüsen 10 und Zweistoffdüsen 8 kann in die Werkstätten verbracht werden, wo die Brenngasdüsen 10 und/oder die Zweistoffdüsen 8, und/oder die Windbox 9 dann gewartet, repariert bzw. ausgetauscht werden können und danach für einen erneuten Wechsel bereitstehen. Die kurze Standzeit während des Wechsels ohne größere Produktionseinbußen, die geringen Energieverluste, d.h. eine gesteigerte Energieeffizienz des Verfahrens, und der Entfall unzumutbarer Arbeitsvorgänge, d.h. ein verringertes Unfallrisiko, stellen die bedeutendsten Vorteile dar, welche durch die vorliegende Erfindung erzielt werden können.

[0031] In einer weiteren Ausführungsform des Wirbelschichtreaktors 1 kann der Wechsel einzelner Zweistoffdüsen 8 nach dem Leerfahren des Wirbelschichtreaktors 1 durchgeführt werden. Dazu werden die Verschraubungen 18, mit welchen die Brenngasdüsen 10 an der unteren Windboxplatte 17 befestigt sind, gelöst und entfernt. Durch Lösen der Schraubverbindungen 21 kann danach die untere Windboxplatte 17 vollständig entfernt werden. Das nachfolgende Lösen der Schraubverbindungen 20, mittels derer die einzelnen Zweistoffdüsen 8 an der oberen Windboxplatte 19 befestigt sind, ermöglicht dann die gezielte Entnahme einzelner Zweistoffdüsen 8. Die Montage erfolgt anschließend in umgekehrter Reihenfolge, wobei der Wirbelschichtreaktor 1 auf Betriebstemperatur verbleiben kann.

[0032] In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors kann nach dem Leerfahren des Wirbelschichtreaktors 1 unter Lösen der Schraubverbindungen 14 der gesamte Reaktorboden 13 einschließlich Windbox 9, Zweistoffdüsen 8 und Brenngasdüsen 10, gegebenenfalls mittels einer geeigneten Vorrichtung, abgesenkt und zu Wartungs- und Reparaturzwecken an den Zweistoffdüsen 8, den Brenngasdüsen 10, der Isolierung des Reaktorbodens 13 oder der Windbox 9 entfernt und in die Werkstatt verbracht werden. Ein vorbereiteter baugleicher Reaktorboden 13 kann unmittelbar nach Entfernen des im Wirbelschichtreaktor 1 befindlichen, unter den Reaktor verbracht, angehoben und mittels der Schraubverbindungen 14 am Reaktormantel befestigt werden. Aufgrund der vorstehend beschriebenen bevorzug- 4/9

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT 505 527 B1 2011-09-15 ten Ausbildung der Kontaktflächen 16 der Isolierung 4 des Reaktorbodens 13 kann es auch bei großem Durchmesser des Reaktorinnenraums 3 zu keiner Verkantung der Bauteile kommen. Patentansprüche 1. Reaktor mit Innen-Isolierung, mindestens einer Öffnung zur Zuführung von Stoffen, mindestens einer Öffnung zur Entnahme von Stoffen, einem Reaktorboden, welcher Reaktorboden gegebenenfalls vom restlichen Reaktor abtrennbar ausgeführt ist, sowie einem eine oder mehrere Düsen tragenden Düsenboden, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorboden (13) Ausnehmungen (15) zur Aufnahme der Düsen (8) aufweist und der die Düsen (8) tragende Düsenboden (7) im Wesentlichen parallel und unterhalb des Reaktorbodens (13) angeordnet und mit diesem lösbar verbunden ist.
2. 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) mit dem Düsenboden (7) lösbar verbunden sind.
3. 3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenboden (7) die obere Platte (19) einer Windbox (9) bildet.
4. 4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windbox (9) eine abnehmbare untere Platte (17) aufweist.
5. 5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) Zweistoffdüsen sind.
6. 6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Wirbelschichtreaktor ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 5/9