Chemischer Reaktor mit Induktionserwärmung

Wir haben über 20 Jahre Erfahrung in Induktionserwärmung Da das Erwärmungssystem von Natur aus einfach und sehr zuverlässig ist, sollte die Option der Erwärmung durch Induktion als die bevorzugte Wahl angesehen werden.die Induktionserwärmung verkörpert alle Annehmlichkeiten der Elektrizität, die direkt zum Prozess gebracht und in Wärme umgewandelt wird, genau dort, wo sie benötigt wird. Sie kann bei praktisch jedem Behälter oder Rohrsystem, das eine Wärmequelle benötigt, erfolgreich eingesetzt werden.

Die Induktion bietet viele Vorteile, die mit anderen Mitteln nicht erreicht werden können, und sorgt für eine höhere Effizienz der Anlagenproduktion und bessere Betriebsbedingungen, da keine nennenswerte Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt. Das System eignet sich besonders für streng kontrollierte Reaktionsprozesse wie die Herstellung von Kunstharzen in einem Gefahrenbereich.

Da jeder Induktionsheizgefäß ist auf die spezifischen Bedürfnisse und Anforderungen jedes Kunden zugeschnitten, wir bieten verschiedene Größen mit unterschiedlichen Aufheizraten an. Unsere Ingenieure haben viele Jahre Erfahrung in der Entwicklung von maßgeschneiderten Induktionserwärmungsanlagen für eine breite Palette von Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen. Die Heizelemente werden so konstruiert, dass sie den genauen Anforderungen des Prozesses entsprechen und entweder in unserem Werk oder auf der Baustelle schnell an den Behälter montiert werden können.

EINZIGARTIGE VORTEILE

- Kein physischer Kontakt zwischen Induktionsspule und beheizter Behälterwand.
- Schnelles An- und Abschalten. Keine thermische Trägheit.
- Geringer Wärmeverlust
- Präzise Steuerung der Produkt- und Behälterwandtemperatur ohne Überschießen.
- Hohe Energiezufuhr. Ideal für automatische oder Mikroprozessor-Steuerung
- Sicherer Gefahrenbereich oder industrieller Standardbetrieb bei Netzspannung.
- Schadstofffreie, gleichmäßige Beheizung mit hohem Wirkungsgrad.
- Niedrige Betriebskosten.
- Arbeit bei niedrigen oder hohen Temperaturen.
- Einfach und flexibel zu bedienen.
- Minimale Wartung.
- Gleichbleibende Produktqualität.
- Die Heizung befindet sich auf dem Schiff und benötigt nur eine minimale Stellfläche.

Ausführungen von Induktionsheizspulen sind für Metallbehälter und -tanks in den meisten gängigen Formen erhältlich. Das Spektrum reicht von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern Durchmesser oder Länge. Behälter aus Baustahl, plattiertem Baustahl, massivem Edelstahl oder Nichteisenmetallen können alle erfolgreich beheizt werden. Im Allgemeinen wird eine Mindestwandstärke von 6 mm empfohlen.

Der Leistungsbereich der Geräte reicht von 1KW bis 1500KW. Bei induktiven Erwärmungssystemen gibt es keine Begrenzung der Leistungsdichte. Jegliche Begrenzung wird durch die maximale Wärmeaufnahmekapazität des Produkts, den Prozess oder die metallurgischen Eigenschaften des Behälterwandmaterials auferlegt.

Die Induktionserwärmung bietet alle Vorteile der Elektrizität, die direkt in den Prozess geleitet und in Wärme umgewandelt wird, genau dort, wo sie benötigt wird. Da die Erwärmung direkt in der Behälterwand in Kontakt mit dem Produkt stattfindet und die Wärmeverluste extrem gering sind, ist das System hocheffizient (bis zu 90%).

Die Induktionserwärmung bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die mit anderen Mitteln nicht erreicht werden können, und sorgt für eine höhere Effizienz der Anlagenproduktion und bessere Betriebsbedingungen, da keine nennenswerte Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt.

Typische Industriezweige, in denen die induktive Prozesswärme eingesetzt wird:

- Reaktoren und Kessel
- Klebstoffe und Spezialbeschichtungen
- Chemie, Gas und Öl
- Lebensmittelverarbeitung
- Metallurgie und Metallveredelung

- Vorwärmen beim Schweißen
- Beschichtung
- Heizung der Form
- Einbau&Ausbau
- Thermische Montage
- Lebensmittel-Trocknung
- Pipeline Flüssigkeitsheizung
- Heizung und Isolierung von Tanks und Behältern

Die HLQ Induction In-Line Heater Anordnung kann für folgende Anwendungen verwendet werden:

- Luft- und Gasheizung für die Chemie- und Lebensmittelverarbeitung
- Heißölerwärmung für Prozess- und Speiseöle
- Verdampfen und Überhitzen: Sofortige Dampferhöhung, niedrige und hohe Temperatur / Druck (bis zu 800ºC bei 100 bar)

Zu den bisherigen Projekten für Behälter und Durchlauferhitzer gehören:

Reaktoren und Kessel, Autoklaven, Prozessbehälter, Lager- und Absetzbehälter, Bäder, Bottiche und Destillierkolben, Druckbehälter, Verdampfer und Überhitzer, Wärmetauscher, Drehtrommeln, Rohrleitungen, beheizte Behälter für zwei Brennstoffe

Frühere In-Line-Heater-Projekte umfassen:

Hochdruck-Dampferhitzer, Regenerative Lufterhitzer, Schmierölerhitzer, Speiseöl- und Speiseölerhitzer, Gaserhitzer einschließlich Stickstoff-, Stickstoff-Argon-Erhitzer und katalytisch angereicherte Gaserhitzer (CRG).

Induktionserwärmung ist ein berührungsloses Verfahren zur selektiven Erwärmung elektrisch leitender Materialien durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion eines elektrischen Stroms, eines so genannten Wirbelstroms, in dem als Suszeptor bezeichneten Material, wodurch der Suszeptor erwärmt wird. Die Induktionserwärmung wird in der metallurgischen Industrie seit vielen Jahren zur Erwärmung von Metallen eingesetzt, z. B. zum Schmelzen, Raffinieren, Wärmebehandeln, Schweißen und Löten. Die Induktionserwärmung wird in einem breiten Frequenzbereich praktiziert, der von Wechselstrom-Netzfrequenzen von 50 Hz bis zu Frequenzen von mehreren zehn MHz reicht.

Bei einer bestimmten Induktionsfrequenz steigt die Erwärmungseffizienz des Induktionsfeldes, wenn ein längerer Leitungsweg in einem Objekt vorhanden ist. Große massive Werkstücke können mit niedrigeren Frequenzen erwärmt werden, während für kleine Objekte höhere Frequenzen erforderlich sind. Bei einer bestimmten Größe des zu erwärmenden Objekts führt eine zu niedrige Frequenz zu einer ineffizienten Erwärmung, da die Energie im Induktionsfeld nicht die gewünschte Intensität der Wirbelströme im Objekt erzeugt. Eine zu hohe Frequenz hingegen führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung, da die Energie des Induktionsfeldes nicht in das Objekt eindringt und Wirbelströme nur an oder nahe der Oberfläche induziert werden. Die Induktionserwärmung von gasdurchlässigen metallischen Strukturen ist jedoch im Stand der Technik nicht bekannt.

Bei herkömmlichen Verfahren für katalytische Reaktionen in der Gasphase muss der Katalysator eine große Oberfläche aufweisen, damit die Gasmoleküle der Reaktanten einen maximalen Kontakt mit der Katalysatoroberfläche haben. Bei den Verfahren des Standes der Technik wird in der Regel entweder ein poröses Katalysatormaterial oder eine Vielzahl kleiner Katalysatorteilchen verwendet, die in geeigneter Weise getragen werden, um die erforderliche Oberfläche zu erreichen. Diese Verfahren beruhen auf Leitung, Strahlung oder Konvektion, um dem Katalysator die erforderliche Wärme zuzuführen. Um eine gute Selektivität der chemischen Reaktion zu erreichen, sollten alle Teile der Reaktanten eine einheitliche Temperatur und katalytische Umgebung erfahren. Bei einer endothermen Reaktion muss die Wärmezufuhr daher so gleichmäßig wie möglich über das gesamte Volumen des Katalysatorbetts erfolgen. Sowohl Leitung und Konvektion als auch Strahlung sind von Natur aus nur begrenzt in der Lage, die erforderliche Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit der Wärmezufuhr zu gewährleisten.

Das GB-Patent 2210286 (GB '286), das typisch für den Stand der Technik ist, lehrt, kleine Katalysatorteilchen, die nicht elektrisch leitfähig sind, auf einem metallischen Träger anzubringen oder den Katalysator zu dotieren, um ihn elektrisch leitfähig zu machen. Der metallische Träger oder das Dotierungsmaterial wird durch Induktion erhitzt und erhitzt seinerseits den Katalysator. Dieses Patent lehrt die Verwendung eines ferromagnetischen Kerns, der zentral durch das Katalysatorbett verläuft. Das bevorzugte Material für den ferromagnetischen Kern ist Siliziumeisen. Obwohl die Vorrichtung des GB-Patents 2210286 für Reaktionen bis zu etwa 600 Grad Celsius geeignet ist, leidet sie bei höheren Temperaturen unter starken Einschränkungen. Die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Kerns würde sich bei höheren Temperaturen erheblich verschlechtern. Nach Erickson, C. J., "Handbook of Heating for Industry", S. 84-85, beginnt die magnetische Permeabilität von Eisen bei 600 C abzunehmen und ist bei 750 C praktisch verschwunden. Da in der Anordnung von GB '286 das Magnetfeld im Katalysatorbett von der magnetischen Permeabilität des ferromagnetischen Kerns abhängt, würde eine solche Anordnung einen Katalysator nicht effektiv auf Temperaturen über 750 C erhitzen, geschweige denn die für die Herstellung von HCN erforderlichen mehr als 1000 C erreichen.

Auch die Apparatur des GB-Patents 2210286 wird als chemisch ungeeignet für die Herstellung von HCN angesehen. HCN wird durch Reaktion von Ammoniak und einem Kohlenwasserstoffgas hergestellt. Es ist bekannt, dass Eisen die Zersetzung von Ammoniak bei erhöhten Temperaturen verursacht. Es wird angenommen, dass das im ferromagnetischen Kern und im Katalysatorträger in der Reaktionskammer von GB '286 vorhandene Eisen die Zersetzung des Ammoniaks verursachen und die gewünschte Reaktion von Ammoniak mit einem Kohlenwasserstoff zur Bildung von HCN eher hemmen als fördern würde.

Cyanwasserstoff (HCN) ist eine wichtige Chemikalie mit vielen Verwendungsmöglichkeiten in der chemischen Industrie und im Bergbau. So ist HCN beispielsweise ein Rohstoff für die Herstellung von Adiponitril, Acetoncyanhydrin, Natriumcyanid und Zwischenprodukten für die Herstellung von Pestiziden, landwirtschaftlichen Produkten, Chelatbildnern und Tierfutter. HCN ist eine hochgiftige Flüssigkeit, die bei 26 Grad Celsius siedet, und unterliegt daher strengen Verpackungs- und Transportvorschriften. Bei einigen Anwendungen wird HCN an abgelegenen Orten benötigt, die weit von großen HCN-Herstellungsanlagen entfernt sind. Der Transport von HCN zu solchen Orten birgt große Gefahren. Die Herstellung von HCN an den Standorten, an denen es verwendet werden soll, würde die Gefahren vermeiden, die bei Transport, Lagerung und Handhabung auftreten. Die Herstellung von HCN in kleinem Maßstab an Ort und Stelle unter Verwendung von Verfahren nach dem Stand der Technik wäre wirtschaftlich nicht machbar. Die Herstellung von HCN vor Ort in kleinem wie auch in großem Maßstab ist jedoch mit den Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung technisch und wirtschaftlich machbar.

HCN kann erzeugt werden, wenn Verbindungen, die Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthalten, bei hohen Temperaturen mit oder ohne Katalysator zusammengebracht werden. So wird HCN in der Regel durch die Reaktion von Ammoniak und einem Kohlenwasserstoff hergestellt, eine Reaktion, die sehr endotherm ist. Die drei kommerziellen Verfahren zur Herstellung von HCN sind das Blausaure aus Methan und Ammoniak (BMA), das Andrussow- und das Shawinigan-Verfahren. Diese Verfahren unterscheiden sich durch die Art der Wärmeerzeugung und -übertragung und dadurch, ob ein Katalysator verwendet wird.

Das Andrussow-Verfahren nutzt die durch die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffgases und von Sauerstoff innerhalb des Reaktorvolumens erzeugte Wärme, um die Reaktionswärme bereitzustellen. Beim BMA-Verfahren wird die durch einen externen Verbrennungsprozess erzeugte Wärme genutzt, um die äußere Oberfläche der Reaktorwände zu erhitzen, die wiederum die innere Oberfläche der Reaktorwände erhitzt und so die Reaktionswärme liefert. Beim Shawinigan-Verfahren wird die Reaktionswärme durch einen elektrischen Strom erzeugt, der durch Elektroden in einem Wirbelbett fließt.

Beim Andrussow-Verfahren wird ein Gemisch aus Erdgas (ein Kohlenwasserstoffgasgemisch mit hohem Methangehalt), Ammoniak und Sauerstoff oder Luft in Gegenwart eines Platinkatalysators umgesetzt. Der Katalysator besteht in der Regel aus einer Reihe von Schichten aus Platin-/Rhodiumdrahtgeflecht. Die Sauerstoffmenge ist so bemessen, dass die teilweise Verbrennung der Reaktanten genügend Energie liefert, um die Reaktanten auf eine Betriebstemperatur von über 1000 °C vorzuwärmen und die für die HCN-Bildung erforderliche Reaktionswärme zu erzeugen. Die Reaktionsprodukte sind HCN, H2, H2O, CO, CO2 und Spurenmengen höherer Nitrite, die anschließend abgetrennt werden müssen.

Beim BMA-Verfahren strömt ein Gemisch aus Ammoniak und Methan in nicht poröse Keramikrohre aus einem feuerfesten Hochtemperaturmaterial. Die Innenseite jedes Rohrs ist mit Platinpartikeln ausgekleidet oder beschichtet. Die Rohre werden in einen Hochtemperaturofen gestellt und von außen beheizt. Die Wärme wird durch die Keramikwand auf die Katalysatoroberfläche geleitet, die ein integraler Bestandteil der Wand ist. Die Reaktion erfolgt in der Regel bei 1300° C, wenn die Reaktanten mit dem Katalysator in Kontakt kommen. Der erforderliche Wärmestrom ist aufgrund der hohen Reaktionstemperatur, der großen Reaktionswärme und der Tatsache, dass es unterhalb der Reaktionstemperatur zu einer Verkokung der Katalysatoroberfläche kommen kann, wodurch der Katalysator deaktiviert wird, hoch. Da jedes Rohr in der Regel einen Durchmesser von etwa 1″ hat, wird eine große Anzahl von Rohren benötigt, um die Produktionsanforderungen zu erfüllen. Die Reaktionsprodukte sind HCN und Wasserstoff.

Beim Shawinigan-Verfahren wird die für die Reaktion eines Gemischs aus Propan und Ammoniak erforderliche Energie durch einen elektrischen Strom bereitgestellt, der zwischen Elektroden fließt, die in ein Wirbelbett aus nicht katalytischen Kokspartikeln eingetaucht sind. Das Fehlen eines Katalysators sowie das Fehlen von Sauerstoff oder Luft beim Shawinigan-Verfahren bedeutet, dass die Reaktion bei sehr hohen Temperaturen ablaufen muss, in der Regel bei über 1500 Grad C. Die erforderlichen höheren Temperaturen stellen noch größere Anforderungen an die Konstruktionsmaterialien für das Verfahren.

Zwar ist, wie oben dargelegt, bekannt, dass HCN durch die Reaktion von NH3 und einem Kohlenwasserstoffgas wie CH4 oder C3H8 in Gegenwart eines Katalysators aus einem Metall der Pt-Gruppe hergestellt werden kann, doch besteht nach wie vor die Notwendigkeit, die Effizienz solcher und ähnlicher Verfahren zu verbessern, um die Wirtschaftlichkeit der HCN-Produktion zu erhöhen, insbesondere bei der Produktion in kleinem Maßstab. Es ist besonders wichtig, den Energieverbrauch und den Ammoniakdurchbruch zu minimieren und gleichzeitig die HCN-Produktionsrate im Vergleich zur Menge des verwendeten Edelmetallkatalysators zu maximieren. Außerdem sollte der Katalysator die HCN-Produktion nicht nachteilig beeinflussen, indem er unerwünschte Reaktionen wie Verkokung fördert. Außerdem sollen die Aktivität und die Lebensdauer der in diesem Verfahren verwendeten Katalysatoren verbessert werden. Ein großer Teil der Investitionen in die HCN-Produktion entfällt auf den Katalysator der Platingruppe. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Katalysator direkt und nicht wie im Stand der Technik indirekt erhitzt, so dass diese Wünsche erfüllt werden können.

Wie bereits erörtert, ist die Induktionserwärmung mit relativ niedriger Frequenz dafür bekannt, dass sie eine gute Gleichmäßigkeit der Wärmeabgabe bei hohen Leistungspegeln an Objekte mit relativ langen elektrischen Leitungswegen gewährleistet. Bei der Bereitstellung der Reaktionsenergie für eine endotherme katalytische Reaktion in der Gasphase muss die Wärme mit minimalem Energieverlust direkt an den Katalysator abgegeben werden. Die Anforderungen an eine gleichmäßige und effiziente Wärmezufuhr zu einer gasdurchlässigen Katalysatormasse mit großer Oberfläche scheinen mit den Möglichkeiten der Induktionserwärmung in Konflikt zu geraten. Die vorliegende Erfindung beruht auf unerwarteten Ergebnissen, die mit einer Reaktorkonfiguration erzielt wurden, bei der der Katalysator eine neuartige Strukturform aufweist. Diese Strukturform kombiniert die Eigenschaften von: 1) eine effektiv lange elektrische Leitungslänge, die eine effiziente direkte Induktionserwärmung des Katalysators in gleichmäßiger Weise ermöglicht, und 2) einen Katalysator mit einer großen Oberfläche; diese Merkmale wirken zusammen, um endotherme chemische Reaktionen zu erleichtern. Das vollständige Fehlen von Eisen in der Reaktionskammer erleichtert die Herstellung von HCN durch die Reaktion von NH3 und einem Kohlenwasserstoffgas.

Berechnung der Induktionsheizleistung

Beispiel: Atmosphärendruck-Reaktor
Material: 304 rostfreier Stahl
Abmessungen: 2m(Durchmesser)*3m(Höhe)
Wandstärke: 8 mm
Gewicht des Reaktors: 1000 kg (ca.)
Volumen: 7m³
Gewicht des flüssigen Materials: 7 t
Spezifische Wärmekapazität des flüssigen Materials: 4200J/kg*ºC
Anforderungen: Erhitzung von 20ºC auf 280ºC innerhalb von 3 Stunden

Formel zur Berechnung der Wärme: Q=cm▲t+km
Formel für die Leistungsberechnung: spezifische Wärmekapazität J/(kg*ºC)×TemperaturdifferenzºC×Gewicht KG ÷ Zeit S = Leistung W
i.e. P=4200J/kg*ºC×(280-20)ºC×7000kg÷10800s=707777W≈708kW

Schlussfolgerung
Die theoretische Leistung beträgt 708 kW, aber die tatsächliche Leistung wird in der Regel um 20% erhöht, weil der Wärmeverlust berücksichtigt wird, d. h. die tatsächliche Leistung beträgt 708 kW*1,2≈850 kW. Sieben Sätze von 120kW-Induktionsheizungssystemen als Kombination sind erforderlich.

Induktionsheizgefäße Reaktoren