Inductie Verwarming Chemische Reactor

We hebben meer dan 20 jaar ervaring in inductieverwarming Omdat het verwarmingssysteem van nature eenvoudig en zeer betrouwbaar is, moet de optie van verwarming door inductie worden beschouwd als de voorkeursoptie. Inductieverwarming belichaamt alle gemakken van elektriciteit die rechtstreeks naar het proces wordt gebracht en wordt omgezet in warmte, precies waar deze nodig is. Het kan met succes worden toegepast op vrijwel elk vat of leidingsysteem dat een warmtebron nodig heeft.

Inductie biedt veel voordelen die op andere manieren niet te behalen zijn en zorgt voor een verbeterde productie-efficiëntie van de fabriek en betere bedrijfsomstandigheden omdat er geen significante warmteafgifte naar de omgeving is. Het systeem is bijzonder geschikt voor reactieprocessen met nauwe controle, zoals de productie van synthetische harsen in een gevarenzone.

Als elke inductieverwarmingsvat wordt op maat gemaakt naar de specifieke behoeften en eisen van elke klant. We bieden verschillende maten met verschillende opwarmsnelheden. Onze ingenieurs hebben vele jaren ervaring in het ontwikkelen van op maat gemaakte inductieverwarmingssystemen voor een groot aantal toepassingen in een groot aantal industrieën. Verwarmers zijn ontworpen om aan de precieze vereisten van het proces te voldoen en zijn zo geconstrueerd dat ze snel in onze fabriek of op locatie op het vat kunnen worden gemonteerd.

UNIEKE VOORDELEN

- Geen fysiek contact tussen inductiespoel en verwarmde tankwand.
- Snel opstarten en uitschakelen. Geen thermische traagheid.
- Laag warmteverlies
- Nauwkeurige product- en vatwandtemperatuurregeling zonder te hoge temperatuur.
- Hoge energie-input. Ideaal voor automatische of microprocessorbesturing
- Veilige gevarenzone of standaard industrieel gebruik bij netspanning.
- Verontreinigingsvrije gelijkmatige verwarming met hoog rendement.
- Lage bedrijfskosten.
- Werking bij lage of hoge temperatuur.
- Eenvoudig en flexibel te bedienen.
- Minimaal onderhoud.
- Consistente productkwaliteit.
- Verwarming autonoom op vaartuig, waardoor minimaal vloeroppervlak nodig is.

Ontwerpen van inductieverwarmingsspiralen zijn verkrijgbaar voor metalen vaten en tanks van de meeste vormen die momenteel worden gebruikt. Variërend van enkele centimeters tot meerdere meters diameter of lengte. Vaten van zacht staal, bekleed zacht staal, massief roestvrij staal of non-ferro kunnen allemaal met succes worden verwarmd. Over het algemeen wordt een minimale wanddikte van 6 mm aanbevolen.

De vermogens variëren van 1KW tot 1500KW. Bij inductieverwarmingssystemen is er geen limiet aan de vermogensdichtheid. Eventuele beperkingen worden opgelegd door de maximale warmteabsorptiecapaciteit van het product, het proces of de metallurgische eigenschappen van het wandmateriaal van het vat.

Inductieverwarming biedt alle gemakken van elektriciteit die rechtstreeks naar het proces wordt gebracht en wordt omgezet in warmte, precies waar die nodig is. Omdat de verwarming direct in de vatwand plaatsvindt, in contact met het product, en de warmteverliezen extreem laag zijn, is het systeem zeer efficiënt (tot 90%).

Inductieverwarming biedt een groot aantal voordelen die op andere manieren niet te behalen zijn en zorgt voor een betere productie-efficiëntie van de fabriek en betere bedrijfsomstandigheden omdat er geen significante warmteafgifte naar de omgeving is.

Typische industrieën die gebruik maken van inductieverwarming:

- Reactoren en ketels
- Lijm en speciale coatings
- Chemie, gas en olie
- Voedselverwerking
- Metallurgie en metaalafwerking

- Voorverwarmen lassen
- Coating
- Schimmelverwarming
- Aanpassen&Uitpassen
- Thermische assemblage
- Voedsel drogen
- Vloeistofverwarming voor pijpleidingen
- Verwarming en isolatie van tanks en vaten

De HLQ Inductie In-Line Verwarmingsopstelling kan worden gebruikt voor toepassingen zoals:

- Lucht- en gasverwarming voor chemische en voedselverwerking
- Hete olie verwarming voor proces- en eetbare oliën
- Verdamping en oververhitting: Directe stoomverhoging, lage en hoge temperatuur / druk (tot 800ºC bij 100 bar)

Eerdere projecten op het gebied van vaten en continue verhitters zijn onder andere:

Reactors en ketels, autoclaven, procesvaten, opslag- en bezinktanks, baden, vaten en kookketels, drukvaten, verdampers en oververhitters, warmtewisselaars, roterende vaten, pijpen, dubbel brandstof verwarmde vaten

Eerdere In-Line Heater projecten zijn onder andere:

Hogedrukstoomverwarmers met superverwarming, regeneratieve luchtverwarmers, smeerolieverwarmers, eetbare olie- en bakolieverwarmers, gasverwarmers waaronder stikstof-, argon-stikstof- en katalytisch-rijkgasverwarmers (CRG).

Inductieverwarming is een contactloze methode om elektrisch geleidende materialen selectief te verhitten door een wisselend magnetisch veld toe te passen om een elektrische stroom, een zogenaamde wervelstroom, op te wekken in het materiaal, een zogenaamde susceptor, waardoor de susceptor wordt verhit. Inductieverhitting wordt al vele jaren gebruikt in de metallurgische industrie voor het verhitten van metalen, bijvoorbeeld voor smelten, raffineren, warmtebehandelen, lassen en solderen. Inductieverwarming wordt toegepast in een breed frequentiebereik, van AC-netfrequenties vanaf 50 Hz tot frequenties van tientallen MHz.

Bij een bepaalde inductiefrequentie neemt de verwarmingsefficiëntie van het inductieveld toe wanneer er een langer geleidingspad aanwezig is in een voorwerp. Grote vaste werkstukken kunnen worden verwarmd met lagere frequenties, terwijl voor kleine voorwerpen hogere frequenties nodig zijn. Voor een object van een bepaalde grootte dat verwarmd moet worden, zorgt een te lage frequentie voor inefficiënte verwarming omdat de energie in het inductieveld niet de gewenste intensiteit van wervelstromen in het object opwekt. Een te hoge frequentie daarentegen veroorzaakt een niet-uniforme verwarming omdat de energie in het inductieveld niet in het object doordringt en wervelstromen alleen aan of nabij het oppervlak worden opgewekt. Inductieverwarming van gasdoorlatende metalen structuren is echter niet bekend in de stand der techniek.

Voor processen voor katalytische reacties in de gasfase is het nodig dat de katalysator een groot oppervlak heeft, zodat de gasmoleculen van de reactant maximaal contact hebben met het katalysatoroppervlak. De processen van de vorige generatie gebruiken meestal ofwel een poreus katalysatormateriaal of veel kleine katalytische deeltjes, naar behoren ondersteund, om het vereiste oppervlak te bereiken. Deze processen vertrouwen op geleiding, straling of convectie om de katalysator van de nodige warmte te voorzien. Om een goede selectiviteit van de chemische reactie te bereiken, moeten alle delen van de reactanten een uniforme temperatuur en katalytische omgeving ervaren. Voor een endotherme reactie moet de warmtetoevoer daarom zo uniform mogelijk zijn over het hele volume van het katalytische bed. Zowel geleiding en convectie als straling zijn inherent beperkt in hun vermogen om de noodzakelijke snelheid en uniformiteit van warmtetoevoer te leveren.

GB Patent 2210286 (GB '286), dat typisch is voor de stand van de techniek, onderwijst het monteren van kleine katalysatordeeltjes die niet elektrisch geleidend zijn op een metalen drager of het doteren van de katalysator om deze elektrisch geleidend te maken. De metalen drager of het doteringsmateriaal wordt inductieverhit en verhit op zijn beurt de katalysator. Dit octrooi leert het gebruik van een ferromagnetische kern die centraal door het katalysatorbed loopt. Het geprefereerde materiaal voor de ferromagnetische kern is siliciumijzer. Hoewel het bruikbaar is voor reacties tot ongeveer 600 graden C, heeft het apparaat van GB Patent 2210286 ernstige beperkingen bij hogere temperaturen. De magnetische permeabiliteit van de ferromagnetische kern zou bij hogere temperaturen aanzienlijk afnemen. Volgens Erickson, C. J., "Handbook of Heating for Industry", blz. 84-85, begint de magnetische permeabiliteit van ijzer af te nemen bij 600 C en is deze effectief verdwenen bij 750 C. Aangezien in de opstelling van GB '286 het magnetische veld in het katalysatorbed afhangt van de magnetische permeabiliteit van de ferromagnetische kern, zou een dergelijke opstelling een katalysator niet effectief verwarmen tot temperaturen boven 750 C, laat staan de meer dan 1000 C bereiken die nodig is voor de productie van HCN.

Het apparaat van GB Patent 2210286 wordt ook chemisch ongeschikt geacht voor de bereiding van HCN. HCN wordt gemaakt door ammoniak te laten reageren met een koolwaterstofgas. Het is bekend dat ijzer bij hoge temperaturen ammoniak doet ontleden. Er wordt aangenomen dat het ijzer in de ferromagnetische kern en in de katalysatordrager in de reactiekamer van GB '286 de ontleding van ammoniak zou veroorzaken en de gewenste reactie van ammoniak met een koolwaterstof om HCN te vormen, zou remmen in plaats van bevorderen.

Waterstofcyanide (HCN) is een belangrijke chemische stof met veel toepassingen in de chemische industrie en de mijnbouw. HCN is bijvoorbeeld een grondstof voor de productie van adiponitril, acetoncyanohydrine, natriumcyanide en tussenproducten voor de productie van pesticiden, landbouwproducten, chelaatvormers en diervoeder. HCN is een zeer giftige vloeistof die kookt bij 26 graden Celsius en daarom onderworpen is aan strenge verpakkings- en transportvoorschriften. Voor sommige toepassingen is HCN nodig op afgelegen locaties die ver verwijderd zijn van grootschalige HCN-productiefaciliteiten. Het transport van HCN naar dergelijke locaties brengt grote risico's met zich mee. Door HCN te produceren op de plaats waar het moet worden gebruikt, worden de risico's van transport, opslag en verwerking vermeden. Kleinschalige productie van HCN op locatie met behulp van geavanceerde processen is economisch niet haalbaar. Zowel kleinschalige als grootschalige productie van HCN op locatie is echter technisch en economisch haalbaar met de processen en apparaten van deze uitvinding.

HCN kan ontstaan wanneer verbindingen die waterstof, stikstof en koolstof bevatten bij hoge temperaturen worden samengebracht, met of zonder katalysator. HCN wordt bijvoorbeeld meestal gemaakt door de reactie van ammoniak en een koolwaterstof, een reactie die zeer endotherm is. De drie commerciële processen om HCN te maken zijn de Blausaure aus Methan und Ammoniak (BMA), de Andrussow en de Shawinigan processen. Deze processen kunnen van elkaar worden onderscheiden door de methode van warmteopwekking en -overdracht en door de vraag of er een katalysator wordt gebruikt.

Het Andrussow-proces gebruikt de warmte die wordt gegenereerd door de verbranding van een koolwaterstofgas en zuurstof binnen het reactorvolume om de reactiewarmte te leveren. Het BMA-proces gebruikt de warmte die wordt gegenereerd door een extern verbrandingsproces om het buitenoppervlak van de reactorwanden te verhitten, wat op zijn beurt het binnenoppervlak van de reactorwanden verhit en zo de reactiewarmte levert. Het Shawinigan-proces gebruikt een elektrische stroom die door elektroden in een wervelbed stroomt om de reactiewarmte te leveren.

In het Andrussow-proces reageert een mengsel van aardgas (een koolwaterstofgasmengsel met veel methaan), ammoniak en zuurstof of lucht in aanwezigheid van een platina katalysator. De katalysator bestaat meestal uit een aantal lagen platina/rhodium draadgaas. De hoeveelheid zuurstof is zodanig dat de gedeeltelijke verbranding van de reactanten voldoende energie levert om de reactanten voor te verwarmen tot een bedrijfstemperatuur van meer dan 1000 °C en de vereiste reactiewarmte voor de vorming van HCN. De reactieproducten zijn HCN, H2, H2O, CO, CO2 en sporen van hogere nitrieten, die vervolgens moeten worden afgescheiden.

In het BMA-proces stroomt een mengsel van ammoniak en methaan binnen niet-poreuze keramische buizen gemaakt van een vuurvast materiaal met een hoge temperatuur. De binnenkant van elke buis is bekleed met platina deeltjes. De buizen worden in een hoogtemperatuuroven geplaatst en extern verhit. De warmte wordt door de keramische wand naar het katalysatoroppervlak geleid, dat een integraal onderdeel van de wand is. De reactie wordt meestal uitgevoerd bij 1300 °C wanneer de reactanten in contact komen met de katalysator. De benodigde warmteflux is hoog vanwege de verhoogde reactietemperatuur, de grote reactiewarmte en het feit dat verkooksing van het katalysatoroppervlak kan optreden onder de reactietemperatuur, waardoor de katalysator wordt gedeactiveerd. Aangezien elke buis typisch ongeveer 1″ in diameter is, is een groot aantal buizen nodig om aan de productievereisten te voldoen. De reactieproducten zijn HCN en waterstof.

In het Shawiniganproces wordt de energie die nodig is voor de reactie van een mengsel van propaan en ammoniak geleverd door een elektrische stroom die loopt tussen elektroden die zijn ondergedompeld in een gefluïdiseerd bed van niet-katalytische cokesdeeltjes. De afwezigheid van een katalysator en van zuurstof of lucht in het Shawinigan-proces betekent dat de reactie bij zeer hoge temperaturen moet plaatsvinden, meestal meer dan 1500 graden Celsius.

Hoewel, zoals hierboven beschreven, bekend is dat HCN kan worden geproduceerd door de reactie van NH3 en een koolwaterstofgas, zoals CH4 of C3H8, in aanwezigheid van een Pt-groep metaalkatalysator, is er nog steeds behoefte aan verbetering van de efficiëntie van dergelijke processen, en verwante processen, om de economische aspecten van HCN-productie te verbeteren, vooral voor kleinschalige productie. Het is vooral belangrijk om het energieverbruik en de ammoniakdoorbraak te minimaliseren en tegelijkertijd de HCN-productie te maximaliseren in verhouding tot de gebruikte hoeveelheid edelmetaalkatalysator. Bovendien mag de katalysator de productie van HCN niet nadelig beïnvloeden door ongewenste reacties zoals coking te bevorderen. Bovendien is het wenselijk om de activiteit en levensduur van katalysatoren die in dit proces worden gebruikt, te verbeteren. Een belangrijk deel van de investering in de productie van HCN gaat naar de katalysator uit de platinagroep. De huidige uitvinding verhit de katalysator direct, in plaats van indirect zoals bij de vroegere technologie, en bereikt zo deze desiderata.

Zoals eerder besproken, is het bekend dat relatief laagfrequente inductieverwarming een goede uniformiteit van warmtetoevoer biedt bij hoge vermogensniveaus naar objecten die relatief lange elektrische geleidingspaden hebben. Bij het leveren van reactie-energie aan een endotherme gasfase katalytische reactie, moet de warmte direct worden geleverd aan de katalysator met minimaal energieverlies. De vereisten van een gelijkmatige en efficiënte warmtetoevoer naar een gasdoorlatende katalysatormassa met een groot oppervlak lijken in strijd te zijn met de mogelijkheden van inductieverwarming. De huidige uitvinding is gebaseerd op onverwachte resultaten verkregen met een reactorconfiguratie waarin de katalysator een nieuwe structurele vorm heeft. Deze structurele vorm combineert de eigenschappen van: 1) een effectief lange elektrische geleidingsweglengte, die efficiënte directe inductieverhitting van de katalysator op een uniforme manier vergemakkelijkt, en 2) een katalysator met een hoog oppervlak; deze kenmerken werken samen om endotherme chemische reacties te vergemakkelijken. Het volledig ontbreken van ijzer in de reactiekamer vergemakkelijkt de productie van HCN door de reactie van NH3 en een koolwaterstofgas.

Vermogensberekening inductieverwarming

Voorbeeld: Atmosferische drukreactor
Materiaal: 304 roestvrij staal
Afmetingen: 2m(diameter)*3m(hoogte)
Wanddikte: 8mm
Reactorgewicht: 1000kg (ongeveer)
Volume: 7m³
Gewicht vloeibaar materiaal: 7t
Specifieke warmtecapaciteit van vloeibaar materiaal: 4200J/kg*ºC
Vereisten: binnen 3 uur opwarmen van 20ºC tot 280ºC

Formule voor warmteberekening: Q=cm▲t+km
Berekeningsformule voor vermogen: specifieke warmtecapaciteit J/(kg*ºC)×temperatuurverschilºC×gewicht KG ÷ tijd S = vermogen W
i.e. P=4200J/kg*ºC×(280-20)ºC×7000kg÷10800s=707777W≈708kW

Conclusie
Het theoretische vermogen is 708kW, maar het werkelijke vermogen wordt gewoonlijk verhoogd met 20% omdat rekening wordt gehouden met het warmteverlies, dat wil zeggen, het werkelijke vermogen is 708kW*1.2≈850kW. Als combinatie zijn zeven sets van 120kW inductieverwarmingssystemen nodig.

Inductieverwarmingsvaten reactoren