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DE102004007344A1 - Integrierter Reaktor zur thermischen Kopplung von Reaktionen und Verfahren zur Steuerung des Temperaturfeldes in einem solchen Reaktor - Google Patents

Integrierter Reaktor zur thermischen Kopplung von Reaktionen und Verfahren zur Steuerung des Temperaturfeldes in einem solchen Reaktor Download PDF

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DE102004007344A1
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reaction
reactor
structures
integrated reactor
fluid
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Withdrawn
Application number
DE102004007344A
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English (en)
Inventor
Oliver Marquardt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Priority to FR0501391A priority patent/FR2866247B1/fr
Priority to GB0502938A priority patent/GB2410907B/en
Priority to US11/058,377 priority patent/US20050235560A1/en
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Abstract

Es wird ein integrierter Reaktor zur thermischen Kopplung von mindestens jeweils einer exothermen und einer endothermen Reaktion mit mindestens jeweils zwei räumlich voneinander getrennten Strukturen zur Führung von mindestens jeweils zwei Fluidströmen vorgestellt, wobei die Strukturen eine katalytische Beschichtung aufweisen. Die katalytische Beschichtung ist ortsabhängig strukturiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen integrierten Reaktor zur autothermen Kopplung von Reaktionen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung des Temperaturfeldes in einem solchen Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
  • Die energetische Integration von mehreren kontinuierlich oder periodisch durchgeführten Hochtemperaturreaktionen in einen Reaktor ist aktueller Gegenstand weltweiter Forschungsaktivitäten. Manche Anwendungen erfordern abhängig von den eingesetzten Edukten spezielle Reaktorgeometrien oder eine besondere katalytische Strukturierung. Als eine Anwendung sei hier die Integration einer exothermen, bevorzugt katalytisch durchgeführten Oxidationsreaktion mit einer insgesamt endothermen Reaktion, der Dampfreformierung niedriger Alkane genannt. Eine spezielle Reaktorgeometrie kann zur Erzielung eines Temperaturprofils erforderlich werden, welches hohe Umsätze in beiden Reaktionen erlaubt.
  • Auch Prozesse zur Wasserstofferzeugung gewinnen in den letzten Jahren verstärkt an Interesse. Zielanwendungen dieser Verfahren sind unter anderem stationäre oder mobile Brennstoffstellenheizsysteme.
  • Die Kopplung von endothermen Reaktionen mit exothermen Reaktionen, bei der die Wärme der Reaktionsprodukte möglichst vollständig zur Aufheizung der Zuläufe genutzt wird, wird allgemein als „autotherme Reaktionsführung" bezeichnet. So wird bspw. bei einem autothermen Reformierungsverfahren die Oxidationsreaktion und die Reformierungsreaktion simultan in einem Reaktionsvolumen gekoppelt.
  • Die thermische Kontrolle, insbesondere von heterogen katalysierten chemischen Prozessen, ist ein wichtiger Faktor für die Optimierung der Reaktionsführung. In konventionellen Festbettreaktionen verursachen diese Reaktionen z.B. oftmals ein unausgeglichenes Temperaturprofil, d.h. es können unerwünschte Temperaturspitzen auftreten bzw. örtlich die Reaktion aufgrund zu tiefer Temperaturen zum Stillstand gebracht werden bzw. sogenannt einfrieren. Bekanntlich erfolgt durch Wahl eines spezifischen Katalysators auch eine Beeinflussung der Selektivität der Reaktionen, wobei die Selektivität oftmals temperaturabhängig ist. Mit anderen Worten wird durch ein unausgeglichenes Temperaturprofil die Selektivität gestört. Auch kann ein Katalysator bei zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen instabil bzw. geschädigt werden. Schlussendlich zu erwähnen ist auch das sogenannte "Durchgehen von Reaktionen" (Run away), d.h. eine rasante Entwicklung der Reaktionsgeschwindigkeit bei unkontrollierter Erhöhung des Temperaturniveaus.
  • Es ist bekannt, dass sich die Temperaturführung bei der Integration der Reaktionssysteme der Dampf-Reformierung sowie der katalytischen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffgemischen sich nicht-trivial gestaltet: Übertemperaturen oberhalb von zirka 950°C sollten vermieden werden, um eine deutliche Schädigung der bekannten Katalysatorsysteme zu verbinden. Andererseits darf die oxidationsseitige Temperatur nicht zu sehr abfallen, damit die Oxidationsreaktion ausreichend Wärme für die Reformierung bereitstellen kann. Zudem erfordert die DampfReformierungsreaktion als Gleichgewichtsreaktion, dass die Austrittstemperatur im katalytischen Bereich des Reaktors möglichst hoch liegt. Bei einem Temperaturabfall nahe dem Reaktoraustritt ist die Gefahr groß, dass der Umsatz der Reformierungsreaktion infolge unerwünschter Rückreaktionen geschmälert wird.
  • Aus der WO 01/94005 A1 ist ein katalytischer Plattenreaktor mit interner Wärmekuperation bekannt, der in einem Verfahren zur Durchführung mindestens einer exothermen und mindestens einer endothermen Reaktion in ein und demselben Reaktorgehäuse verwendet wird. Dabei erfolgen die mindestens eine exotherme und die mindestens eine endotherme Reaktion im selben Fluidstrom wenigstens partiell örtlich getrennt, wobei der Fluidstrom entlang einer beidseitig wenigstens partiell katalytisch beschichteten plattenartigen Wandung geführt und daran wenigstens teilweise umgesetzt wird. Dabei wird das Fluid an einem Ende der Wandung umgelenkt und entlang der Rückseite der Wandung weiter umgesetzt.
  • Die EP-A-0 214 432 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas unter erhöhtem Druck aus Kohlenwasserstoffen in einem katalytischen, endothermen Reformierteil mit einem zylindrischen Druckbehälter und einer Vielzahl von außen beheizten, mit Katalysator gefüllten Reformerröhren und in einem anschließenden im Durchmesser zum vorgenannten Reformierteil vergrößerten Partial-Oxidationsteil in Druckbehälterform mit geschlossenem Ende, in den die Reformerrohre mit den freien Enden hineinragen und in den das Reformiergas aus den Reformerrohren sowie zusätzliche Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas eingeführt werden. In der Zylinderwand des Partial-Oxidationsteils ist dazu eine Mehrzahl von Zuführungseinrichtungen für Kohlenwasserstoffe und/oder Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas angebracht, deren Mittelachsen im Winkel zum Radialstrahl und parallel bis geneigt zur Radialebene ausgerichtet sind und deren Abstand zu den Ausströmeneden der Reformerrohre so bemessen ist, dass im freien Partial-Oxidationsteil eine rotierende Schlaufenströmung der Gase entsteht und das Produktgas nach außen abströmt, um dann die Reformerrohre zu umströmen, zu beheizen und den Reformierteil durch einen Auslassstutzen zu verlassen.
  • Aus der DE 199 53 233 A1 ist eine autotherme Reaktorschaltung zur direkten Kopplung endothermer und exothermer Reaktionen bekannt, wobei beide Reaktionsströme separat geführt werden. Die kalten Zuläufe jedes der beiden Reaktionsfluide werden in Wärmetauschern durch heiße Abläufe mit jeweils etwa gleicher Wärmekapazität wie der Zulauf geheizt, wobei durch geeignete Maßnahmen eine Vorreaktion des Reaktionsfluids der exothermen Reaktion im Wärmetauscher vermieden wird, und beide Fluide in getrennte Abschnitte eines Reaktionsraums eintreten, die so gestaltet sind, dass in ihnen die jeweilige Reaktion stattfindet und dabei zwischen beiden Fluiden und parallel zur Hauptströmungsrichtung ein intensiver Wärmetransport erfolgt, so dass lokale Überhitzungen des Fluids für die exotherme Reaktion und lokale Unterkühlungen des Fluids für die endotherme Reaktion weitgehend vermieden werden, und die heißen Abläufe aus dem Reaktionsraum für die Vorheizung der kalten Zuläufe genutzt werden.
  • Schließlich offenbart die DE 33 45 064 C2 ein Verfahren zur Erzeugung eines Synthesegases durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen unter erhöhtem Druck durch endotherme katalytische Dampfreformierung und katalytische autotherme Reformierung unter Verwendung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas, bei der die Temperatur des Produktgases der autothermen Reformierung durch Zumischung eines kälteren Gases abgesenkt wird, bevor es die Rohre des Dampfreformierers beheizt.
  • Nachteilig bei den genannten Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik ist, dass bei der dabei angewandten direkten autothermen Kopplung das Synthesegas mit Stickstoff, der durch den zur Oxydation eingesetzten Sauerstoff oder die Luft eingetragen wird, verdünnt wird. Dadurch kann die Effizienz nachgelagerter Prozessschritte, wie bspw. Brennstoffzellen, verringert sein.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Reaktor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein gleichmäßiges Temperaturprofil im Reaktor erzielt werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine geringere Belastung der verwendeten Katalysatoren erreicht werden kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
  • So ist zum Beispiel vorteilhaft, wenn die Strukturen zur Führung der Fluidströme aus metallischem Material bestehen.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Fluidströme auf mehrere Strukturen verteilbar sind.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Draufsicht auf eine Reaktionslage gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ein qualitatives Temperaturprofil entlang der Lauflänge des erfindungsgemäßen Reaktors.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Prozesse zur Synthesegaserzeugung aus Kohlenwasserstoffen. Bevorzugten Einsatz finden kurzkettige Kohlenwasserstoffe wie Alkane oder Mischungen aus Alkanen und höheren Kohlenwasserstoffen. Selbstverständlich können diese Stoffe durch einen vorgelagerten Prozess zunächst aus anderen Edukten, beispielsweise flüssigen Kohlenwasserstoffgemischen wie Benzin oder Diesel, gewonnen werden. Für die energetische Integration wird dabei im nachfolgenden Beispiel die Kopplung einer endothermen Dampf-Reformierungsreaktion in einer fluidführenden Kanalstruktur mit einer katalytischen Verbrennung (Oxidation) in einer weiteren fluidführenden Kanalstruktur aufgezeigt. Beide Kanalstrukturen besitzen keine Fluidverbindungen untereinander, sind also räumlich voneinander getrennt. Es wird so eine indirekt autotherme Kopplung erhalten, bei der die Verbrennungsreaktion näherungsweise die Reaktionswärme der Reformierungsreaktion bereitstellt. Dieses Verfahren unterscheidet sich von den sogenannten direkten autothermen Reformierungsverfahren, welche die Oxidationsreaktion und die Reformierungsreaktion simultan in einem Reaktionsvolumen koppeln. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt keine Verdünnung des Synthesegases mit Stickstoff, der bei der direkt autothermen Reformierung durch die zur Oxidation eingesetzte Luft eingetragen wird. Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren macht die erzielbaren Vorteile durch eine kompakte Beheizungsmethode in einem kompakten Reaktor nutzbar.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass der erfindungsgemäße Reaktor nicht auf die Anwendung in solchen Systemen beschränkt ist, sondern für alle Prozesse verwendbar ist, bei denen Reaktionssysteme mit hoher Reaktionsenthalpie gekoppelt werden.
  • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen integrierten Reaktor 10, der sich in einen Fluidzuströmbereich 11, einen Reaktionsbereich 12 und einen Fluidabströmbereich 13 gliedert. Für das genannte Beispiel wird im folgenden lediglich der eigentliche Reaktionsbereich 12 des Reaktors, d.h., der Bereich, in dem der für das Reaktorverhalten wesentliche Stoff- und/oder Wärmeübergang stattfindet, beschrieben. Die restlichen Bereiche des Reaktors, d.h., Fluidzuström- und -abströmbereich 11, 13, können beliebig ausgestaltet sein. So ist es zum Beispiel auch möglich, ein erstes Fluid an einer ersten Ecke des Reaktors zuzuführen und ein zweites Fluid an einer der ersten Ecke gegenüber liegenden Ecke zuzuführen. Der Reaktionsbereich 12 ist in 1 als eine Draufsicht auf eine Reaktionslage 14 des gekoppelten Reaktionsapparates dargestellt. Unter Reaktionslage ist eine vorzugsweise metallische Struktur zu verstehen, die im Reaktionsbereich 12 zur Fluidführung und zur Beeinflussung des Wärmehaushalts dient.
  • Je Reaktionssystem, im vorliegenden Beispielfall Dampfreformierung und Oxidation, wird dem Reaktionsbereich mindestens ein Fluidstrom zugeführt. Dieser Fluidstrom kann selbstverständlich unmittelbar bei Eintritt in den Reaktor durch Vermischen von zwei oder mehr Teilströmen entstanden sein. Der jeweils zugeführte Fluidstrom wird auf mehrere Reaktionslagen des jeweiligen Reaktionssystems verteilt. Die Reaktionslagen beider Reaktionssysteme (Dampfreformierung und Oxidation) werden vorzugsweise abwechselnd gestapelt. Dadurch kann eine hohe Symmetrie im Reaktorsystem hinsichtlich des Wärmeübergangs erzielt werden. Fertigungstechnisch ist es dabei möglich, bis zu 200 Lagen übereinander zu stapeln, sinnvoll erscheint jedoch im vorliegenden Fall ein Bereich von 10 – 50 Lagen. Die Dicke der einzelnen Lagen liegt dabei bevorzugt zwischen 500–3000 μm, vorzugsweise bei 1000 μm. Die Fluidzu- bzw. -abströmung 11, 13 erfolgt bevorzugt in der Nähe der Kanten, die sich durch die Stapelung der Reaktionslagen ausbilden. Auf diese Weise ist ein fluiddichter Aufbau des Reaktors möglich, wobei keine flächige Abdichtung erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Reaktor kann unter Umständen auch mit mehr als zwei Reaktionssystemen betrieben werden.
  • Maßnahmen zur Strömungsvergleichmäßigung, d.h., zur gleichmäßigen Beströmung der Reaktionslagen wie z.B. eine entsprechende Auslegung der Fluidquerschnitte, der Einsatz von Sintermetallelementen zur Strömungsvergleichmäßigung im Fluidein- und/oder -austritt, entsprechen dem Stand der Technik und können im erfindungsgemäßen Reaktor integriert sein.
  • Die Edukte werden vor dem Eintritt in den Reaktor auf eine Temperatur im Bereich von 200 – 900°C, am Beispiel des hier vorgestellten gekoppelten Prozesses vorzugsweise auf ca. 650 – 750°C, vorgeheizt. Zudem wird vorzugsweise von einer Gleichstromführung im Reaktionsbereich ausgegangen. Alternativ ist jedoch auch eine Gegenstromführung der Fluide an Stelle einer Gleichstromführung denkbar.
  • Als spezielles Beispiel der erfindungsgemäßen indirekten autothermen Reaktionsführung, bei der keine Verdünnung des Synthesegases erfolgt, sei die thermische Integration der „Methan-Dampfreformierung" sowie die katalytische Verbrennung eines methanhaltigen Gemisches im Reaktor betrachtet:
  • Methan-Dampfreformierung:
    • CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2
    • CH4 + 2 H2O ↔ CO2 + 4 H2
  • Katalytische Verbrennung:
    • CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O
  • Simulationsmodelle, deren Parametrisierung auf experimentellen Untersuchungen basiert, zeigen, dass durch die zielgerichtete Gestaltung des Wärme- und Stoffüberganges große Vorteile hinsichtlich der Belastung der auf die Strukturen aufgebrachten Katalysatoren und der Verbrennungskatalysatoren erzielt werden können. Die katalytische Verbrennung von Methan läuft bei wirtschaftlich sinnvollen Reaktordurchsätzen nur bei relativ hohen Temperaturen oberhalb von zirka 650°C mit hohen Umsätzen ab. Durch eine strukturierte, ortsabhängige Beschichtung der Strukturen zur Fluidführung, die von den Edukten der Reformierungsreaktion beströmt werden, kann erreicht werden, dass die Reformierungsreaktion den Reaktor nicht übermäßig auskühlt. Dazu wird ein erster Teilumsatz der Edukte der Reformierungsreaktion in einem ersten katalytischen Bereich 19 (1, Bereich E-F) erzielt. Im daran anschließenden Teil des Reaktors wird in einem zweiten katalytisch beschichteten Bereich 20 (1, Bereich G-I) ein weiterer Teil des reformierungsseitigen Eduktstromes umgesetzt.
  • Es kann somit die gewählte Reaktorstrukturierung zur Steuerung des Temperaturfeldes im Reaktor herangezogen werden.
  • Neben der beschriebenen Strukturierung der katalytischen Schicht auf den Reaktionslagen der Reformierungsreaktion werden die Prozesse der endothermen Methan-Dampfreformierung sowie der exothermen Totaloxidation durch eine ortsabhängige Strukturierung des Wärmeübergangs im Reaktionsbereich örtlich entkoppelt. Dazu wird der Wärmeübergang zwischen den benachbarten Reaktionslagen in Teilbereichen des Reaktors (Reaktorbereich ohne Stege, vgl. 1, Bereich E-H) gezielt verringert, da dort keine Festkörperleitung zwischen den benachbarten Strukturen vorliegt. Der Wärmeantransport zur Dampfreformierung erfolgt dann in einem hohen Maße durch die axiale Wärmeleitung des Reaktormaterials entlang oder auch entgegen der Fluidströmung. Dadurch kann eine ausreichend hohe oxidationsseitige Temperatur erzielt werden – ein übermäßiger Temperaturabfall in Teilbereichen der Reaktionslage, in der die Oxidationsreaktion ausgeführt wird, durch den reformierungsseitigen Wärmeentzug wird verhindert.
  • Der Wärmeübergang zwischen den benachbarten Reaktionslagen kann ergänzend zur ortsabhängigen Strukturierung der katalytischen Bereiche (z.B. Katalysator vorhanden oder nicht) ortsabhängig gestaltet werden, um dadurch das Temperaturprofil im Reaktor in positiver Weise zu beeinflussen. Die Strukturierung zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen den benachbarten Reaktionslagen entlang der Fluid-Lauflänge ist dabei wie folgt.
  • Wie der 1 zu entnehmen ist, schließt sich an den Fluidzuströmbereich 11 zunächst ein Aufheizbereich 15 und danach ein Bereich 16 mit Strukturen zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen den gestapelten Reaktionslagen an. Diese Strukturen können beispielsweise aus Stegen 17 bestehen, es sind jedoch auch andere, dem Fachmann bekannte Strukturen denkbar. Die Stege bestehen bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Reaktionslagen (Metall) und können mit diesen einstückig aus einem Grundmaterial gefertigt sein. Bei dem Grundmaterial handelt es sich bevorzugt um Stähle, die bei hohen Temperaturen eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit aufweisen. Die Stege dienen sowohl zur Fluidverteilung als auch zum Wärmetransport der Oxidationsreaktionslage an die Reformierungsreaktionslage. An den mit Stegen 17 versehenen Bereich 16 schliesst sich ein Bereich 18 an, der in der konstruktiven Ausführung im Querschnitt einem ebenen Spalt entspricht. Alternativ kann ebenso die ortsabhängige Strukturierung des Wärmeübergangs abhängig von den eingesetzten Katalysatoren wegfallen. Die ortsabhängige Definition von Stegen zur Beeinflussung des Wärmeübertragungsverhaltens gilt in der Regel in gleicher Weise für beide Reaktionslagen.
  • 1 zeigt eine Reaktionslage 14 für die Oxidationsreaktion. Darunter ist die entsprechende Reaktionslage für die Reformierungsreaktion angeordnet (nicht gezeigt). Der Reaktor besteht somit aus einer abwechselnden Stapelung der Reaktionslagen für die beiden unterschiedlichen Reaktionen sowie Eduktzuströmungen. Zur Vereinfachung ist anhand der Reaktionslage 14 gekennzeichnet, in welchen Bereichen eine katalytische Beschichtung aufgebracht ist. So kann der 1 entnommen werden, dass für die in diesem Beispiel gewählten Katalysatoren eine Beschichtung für die Oxidations-Reaktionslage lediglich im Bereich 18 aufgebracht ist, während der Rest dieser Reaktionslage keine katalytische Funktion aufweist. Es ist auch möglich, die Beschichtung bereits bei Punkt C beginnen zu lassen (in 1 gestrichelt gezeichnet). Für die Reformierungs-Reaktionslage ist im vorliegenden Beispiel eine katalytische Beschichtung in den Bereichen 19 und 20 vorgesehen. Abhängig vom vorliegenden Katalysatorsystem werden die Größen, wie z.B. Anfang/Ende der Beschichtungen, Beginn/Ende der Reaktionsbereiche, etc. definiert.
  • Die in der 1 gezeigten Punkte A-K entlang der Reaktorlänge kennzeichnen die ortsabhängige Änderung der Reaktorstrukturierung. Dabei bezeichnen die Punkte A und K den Ort der Zuführung bzw. Abführung der jeweiligen Fluidströme, Punkt B kennzeichnet den Beginn des mit Stegen 17 versehenen Bereichs 16, und Punkt E dessen Ende. Am Punkt C beginnt der Oxidationsbereich 21, dessen Ende durch den Punkt I markiert ist. Der Punkt H kennzeichnet den Beginn eines zweiten, mit Stegen 17 versehenen Bereichs 22, der bei Punkt I endet. Die Punkte F und G markieren das Ende des ersten Reformierungsbereichs und den Beginn des zweiten Reformierungsbereichs.
  • Die angesprochenen Simulationsergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Reaktorgeometrie die Anforderungen hinsichtlich hoher Umsätze in einem breiten Lastbereich erfüllt. Zur Demonstration des Temperaturverhaltens ist in der 2 der Temperaturverlauf für einen Betriebspunkt, das heisst, ein ortsabhängiger Temperaturverlauf bei einer definierten oxidations-/reformierungsseitigen Zuströmung, der beschriebenen Anwendung dargestellt. Dabei kennzeichnen die durchgezogenen Linien 23, 24 die jeweiligen Strukturen (Feststoffe), in denen die Reformierung 23 bzw. die katalytische Oxidation 24 vorgenommen wird, während die punktierten bzw. strichpunktierten Linien 25, 26 den Temperaturverlauf der verwendeten Fluide darstellen. Bei der absoluten Lauflänge 0 treten die Fluide beider Reaktionen in den Reaktor ein (Pfeile 28; Punkt A in 1). Zunächst ist ein Temperaturanstieg im Bereich der Stege 17 (Bereich B-E) zu beobachten, da der Oxidationskatalysatorbereich bereits hier beginnt (Punkt C in 1). Im Bereich ohne Stege (Bereich E-H in 1) ist ein Temperaturabfall zu beobachten, da hier der Reformierungskatalysatorbereich (Bereich 19 in 1) beginnt und durch den als ebenen Spalt ausgebildeten Bereich (18 in 1) ein vergleichsweise schlechter Wärmeübergang gegeben ist, so dass die Temperatur der Oxidationsstruktur ausreichend hoch bleibt. Der kurze Reformierungskatalysatorbereich (19 in 1) dient dazu, die Wärmesenke 27 zu begrenzen. In einem mittleren Bereich (zwischen den Bereichen 19 und 20 in 1) zur weitgehenden Wärmefreisetzung der Oxidationsreaktion wird die Wärme insbesondere über Festkörperleitung in die erste und zweite Reformierungszone 19, 20 transportiert. In diesem mittleren Bereich ist kein Reformierungskatalysator vorhanden, um eine ausreichende Aufheizung für die darauf folgende Umsetzung zu erhalten. Am Ende des Reaktionsbereiches (12 in 1) sind wiederum Stege 17 (Bereich H-I in 1) zur Fluidführung und zum Ausgleich der Temperaturen (Oxidation und Reformierung) vorhanden, so dass die oxidationsseitig freigesetzte Wärme möglichst gut in die Reformierung eingekoppelt wird. Die Fluidabströmung findet in Richtung des Pfeils 29 (Bereich 13 in 1) statt. Der Wärmeabzug durch die Reformierungsreaktion ist gut anhand der Gradienten in der Feststofftemperatur erkennbar. Der Vorteil verhältnismäßig geringer Temperaturgradienten im Reaktor ist erkennbar.
  • Die Beeinflussung des Wärmetransportes zwischen den Reaktionslagen ist ebenfalls gut aus 2 erkennbar. In Reaktorbereichen, in denen Stege vorliegen, gleichen sich die Wandtemperaturen der benachbarten Reaktionslagen weitgehend aneinander an.
  • Bevorzugt ist die katalytische Schicht lediglich auf einer Kanalseite aufgebracht, da auf diese Weise eine Vereinfachung des Beschichtungsverfahrens resultiert und eine Kontrolle der Beschichtung vor dem Zusammenbau des Reaktors möglich ist. Die andere Kanalseite bzw. die restlichen offenliegenden metallischen Oberflächen im Reaktor können jedoch aus Korrosionsschutzgründen ebenfalls beschichtet und gegebenenfalls katalytisch funktionalisiert sein.
  • Wie bereits erwähnt, weisen die Strukturen zur Führung der Fluidströme zumindest teilweise eine katalytische Beschichtung auf. Dabei handelt es sich im Falle des Katalysatorsystems zur Methan-Dampfreformierung bevorzugt um Rh oder Ni oder Mischungen von beiden Elementen als Aktivkomponente. Als keramische Träger, auf die die katalytische Beschichtung aufgebracht bzw. in die sie eingebracht wird, eignen sich bspw. ZrO2, Al2O3 oder Modifikationen davon. Für das Katalysatorsystem zur Methan-Totaloxidation werden bevorzugt Pt oder Pd auf keramischen Trägern verwendet. Es ist anzumerken, dass die Aktivität der eingesetzten Katalysatoren die genaue Auslegung und die Längen der katalytisch beschichteten Bereiche beeinflussen kann. Weiterhin ist die Aufbringung unterschiedlicher Katalysatoren innerhalb der gleichen Reaktionslage an verschiedenen Positionen möglich. Dadurch können mehrere, verschiedene katalytische Funktionen in einem Reaktor integriert und/oder Katalysatoren verwendet werden, die ortsabhängig verschiedene Funktionen, wie z.B. eine gezielt verminderte Katalysatoraktivität z.B. durch eine Diffusionsbarriere, übernehmen.
  • Des weiteren kann die Reaktorstrukturierung in den beiden äußeren Reaktionslagen, die den Reaktor abgrenzen und auf denen vorzugsweise eine exotherme Reaktion durchgeführt wird, anders gewählt werden, um das Temperaturprofil im Reaktor gezielt zu beeinflussen. Dabei wird die Strukturierung so gewählt, dass sie negativen Effekten durch die unvermeidbaren Wärmeverluste an das Isolationsmaterial entgegenwirkt, d.h., die Strukturierung wird abhängig vom Brenngas gewählt, z.B. wird H2 örtlich verteilt zugeführt, um die Wärmefreisetzung zu verteilen. Als Eduktstrom ist hier ebenso der Eduktstrom der wärmeliefernden Reaktion, welche die weiteren Reaktionsstrukturen des Reaktors versorgt, verwendbar, im vorliegenden Beispiel ein methan-sauerstoffhaltiges Gemisch. Alternativ kann die exotherme Reaktion im Randbereich auch mit einem weiteren Stoffstrom durchgeführt werden, z.B. die Nachverbrennung eines z.B. wasserstoffhaltigen Abgasstromes aus bspw. Brennstoffzellen.
  • Die Gesamtlauflänge im Reaktor ist veränderbar, d.h., eine größere Gesamtlänge bietet mehr Katalysatorfläche und somit eine vollständigere Umsetzung. Auch die Länge der Reaktorbereiche 16, 22, in denen Stege 17 vorhanden sind, kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden, so z.B. bei Verwendung anderer Edukte.
  • Es können auch zusätzliche Strukturen zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen den gestapelten Reaktionslagen (Stege) in der Reaktormitte zur Optimierung des Temperaturverlaufes im Reaktor vorhanden sein, wodurch ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen den benachbarten Reaktionsstrukturen und somit ein geringerer Temperaturunterschied bei gleicher Lauflänge resultiert. Weiterhin ist es möglich, an Stelle von Stegen andere Maßnahmen zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen den benachbarten Reaktionslagen einzusetzen. So können z.B. die Kanalquerschnitte in Teilbereichen des Reaktors verringert werden, um den konvektiven Wärmeaustausch der Fluidströme mit der jeweils benachbarten Reaktionslage zu erhöhen. Ortsabhängig veränderte Kanalquerschnitte können auch zur Strömungsvergleichmäßigung eingesetzt werden.
  • Zur Optimierung des Temperaturfeldes im Reaktor kann einem Stoffstrom ein weiterer Strom entlang der gesamten Lauflänge oder in ortsabhängiger Weise zudosiert werden, was in einer verteilten Wärmefreisetzung und einem geringeren Temperaturgradienten resultiert. Die Zudosierung kann diskret, z.B. mittels einer Lochstruktur oder flächig, z.B. mittels einer Porenstruktur in den Strukturen zur Führung der Fluidströme erfolgen.
  • Die oxidationsseitige Katalysatorbeschichtung kann in einem Bereich, in dem reformierungsseitig kein Katalysator vorliegt, unterbrochen werden. Abhängig von der Aktivität des verwendeten Katalysators können dadurch positive Effekte hinsichtlich der Minimierung von oxidationsseitigen Temperaturmaxima erzielt werden. So kann das oxidationsseitige Temperaturmaximum verringert werden (vgl. 2).
  • Die ortsabhängige Strukturierung a) der katalytischen Zone und/oder b) der Gestaltung des Wärmeaustausches zwischen den Reaktionslagen kann für die Durchführung anderer Reaktionen bzw. die Verwendung anderer Eduktströme verwendet werden, so z.B. für den Einsatz langkettiger Kohlenwasserstoffe bei der (nicht gezeigten) Teilumsetzung in einer (nicht gezeigten) Vorreaktionszone zu Methan und weiteren Komponenten.
  • Des weiteren können die gestapelten Metallstrukturen eine verschiedene Stärke aufweisen, was den Vorteil einer Werkstoffeinsparung bringt. So kann bspw. die oxidationsseitige Struktur durch eine kleinere Kanalhöhe zur verbesserten Kontrolle der Exothermie gekennzeichnet sein. Hier kann auch eine verringerte Höhe der Reaktionslagen eingesetzt werden – vorzugsweise liegt die Stärke der einzelnen Lagen zwischen 500–1000 μm. Außerdem wird dadurch das Temperaturprofil beeinflusst, d.h., es entstehen veränderte axiale Wärmeleitprozesse.
  • In Reaktorbereichen, in denen keine katalytische Funktionalisierung erfolgt, kann durch bekannte Verfahren wie z.B. CVD, Aufdampfen, etc. eine Schutzschicht zur Vermeidung von Korrosionsphänomenen der Materialstruktur aufgebracht sein. Diese Schutzschicht besteht bspw. aus SiO2 oder anderen keramischen Materialien, Al2O3, ZrO2, SiC, Aluminiumphosphaten oder dgl.
  • In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Reaktors kann zur weiteren Steigerung der Kompaktheit auf Teilbereiche der Unterseite der benachbarten Reaktionslage ebenfalls eine katalytische Beschichtung aufgebracht sein.
  • Der vorstehend beschrieben erfindungsgemäße integrierte Reaktor bietet Vorteile hinsichtlich des Temperaturfeldes im Reaktor: Die vorgeschlagene Geometrie sowie die Strukturierung des Katalysators sollen ein möglichst optimales Erfüllen der Anforderungen hinsichtlich der Kompaktheit, Betreibbarkeit und Langzeitbeständigkeit eines derartigen Systems bieten. Die Vorteile im einzelnen sind:
    • – geringe Belastung der vorzugsweise auf die metallischen Wände aufgebrachten Katalysatoren durch verhältnismäßig geringe Temperaturgradienten in allen Raumdimensionen, dadurch erhöhte Langzeitbeständigkeit der Verbindung Metall – Katalysator
    • – geringe Belastung des Verbrennungskatalysators durch näherungsweise isotherme Verhältnisse im Reaktor, da die Oberflächentemperaturen näherungsweise den Fluidtemperaturen entsprechen, was zu folgenden Vorteilen führt: – Alterungsvorgänge (z.B. Sintern) werden stark eingeschränkt – bei der katalytischen Verbrennung ist eine hohe Lastspreizung möglich, daneben tritt eine niedrige NOx-Emission auf; durch die angepasste Kanalgeometrie entsteht keine unkontrollierte homogene Abreaktion – sehr guter Wärmeübergang durch kleine, den Reaktionssystemen angepasste Kanalabmessungen – sehr gutes Folgen von Laständerungen – relativ hohe Insensitivität gegenüber Änderungen in den Katalysatoraktivität – Betreibbarkeit über einen breiten Eintrittstemperaturbereich, vorzugsweise zwischen 700–800°C – Geringere Kosten (Katalysatoren)

Claims (32)

  1. Integrierter Reaktor (10) zur thermischen Kopplung von mindestens jeweils einer exothermen und einer endothermen Reaktion mit mindestens jeweils zwei räumlich voneinander getrennten Strukturen zur Führung von mindestens jeweils zwei Fluidströmen, wobei die Strukturen eine katalytische Beschichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung ortsabhängig strukturiert ist.
  2. Integrierter Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen zur Führung der Fluidströme aus metallischem Material bestehen.
  3. Integrierter Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen zur Führung der Fluidströme Kanäle bilden, auf deren katalytisch beschichteten Wandoberflächen die jeweiligen Reaktionen ablaufen.
  4. Integrierter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidströme auf mehrere Strukturen verteilbar sind.
  5. Integrierter Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Strukturen abwechselnd übereinander gestapelt angeordnet sind.
  6. Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen unterschiedliche Materialstärken aufweisen.
  7. Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere für die Kopplung der Dampfreformierung mit der katalytischen Verbrennung von Methan oder von Gasmischungen aus Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung für die jeweilige Reaktion ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Rh, Ni oder Mischungen davon, Pt und Pd.
  8. Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung auf einem Träger aufgebracht oder in einen Träger eingebracht ist, der aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ZrO2, Al2O3, oder Modifikationen davon, und keramischen Trägern besteht.
  9. Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Fluidzuströmbereich (11), einen Reaktionsbereich (12) und einen Fluidabströmbereich (13) aufweist.
  10. Integrierter Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung im Reaktionsbereich (12) aufgebracht ist.
  11. Integrierter Reaktor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (12) unmittelbar im Anschluss an den Fluidzuströmbereich (11) Strukturen (17) zur Beeinflussung des Wärmeübergangs zwischen benachbarten Führungsstrukturen aufweist, die der Fluidverteilung und dem Wärmetransport im Reaktionsbereich (12) dienen.
  12. Integrierter Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (17) aus Stegen bestehen.
  13. Integrierter Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Reaktionsbereiches zusätzliche Stege angeordnet sind.
  14. Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen des Reaktors ohne katalytische Beschichtung eine Schutzschicht aufgebracht ist.
  15. Integrierter Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem keramischen Werkstoff besteht.
  16. Integrierter Reaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Stege (17) ein Bereich (18) anschließt, der einen spaltförmigen Querschnitt aufweist.
  17. Integrierter Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzu- bzw. abströmbereich (11, 13) in der Nähe der Kanten der zur Führung der Fluidströme vorgesehenen Strukturen angeordnet ist.
  18. Verfahren zur Steuerung des Temperaturfeldes in einem integrierten Reaktor (10) zur thermischen Kopplung von mindestens jeweils einer exothermen und einer endothermen Reaktion mit mindestens jeweils zwei räumlich voneinander getrennten Strukturen zur Führung von mindestens jeweils zwei Fluidströmen, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsbereich (12) des Reaktors (10) eine ortsabhängig strukturierte katalytische Beschichtung aufgebracht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsbereich (12) des Reaktors (10) für jede exotherme und jede endotherme Reaktion ein Fluidstrom zugeführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom auf mehrere Reaktionslagen verteilt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Reaktionen in unterschiedlichen Reaktionslagen ablaufen, die abwechselnd übereinander gestapelt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzu- und/oder – abführung im Bereich der Kanten der gestapelten Reaktionslagen erfolgt.
  23. Verfahren nach einem Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide im Reaktionsbereich des Reaktors im Gleichstrom geführt werden.
  24. Verfahren nach einem Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide im Reaktionsbereich des Reaktors im Gegenstrom geführt werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilumsatz der endothermen Reaktion in einem ersten katalytisch beschichteten Bereich (19) erfolgt und dass in einem zweiten katalytisch beschichteten Bereich 20 ein zweiter Teilumsatz der endothermen Reaktion erfolgt.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse der endothermen und der exothermen Reaktion durch eine ortsabhängige Strukturierung des Wärmeübergangs im Reaktionsbereich des Reaktors örtlich entkoppelt werden.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gleichen Struktur zur Führung der Fluidströme unterschiedliche katalytische Beschichtungen aufgetragen werden.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung durch das Einlegen katalytisch beschichteter Elemente in die Strukturen zur Führung der Fluidströme erfolgt.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der die Stirnseiten des Stapels bildenden Reaktionslagen des Reaktors (10) unterschiedlich von den anderen Reaktionslagen gewählt wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren Fluidströmen entlang seiner gesamten Lauflänge oder ortsabhängig ein weiterer Fluidstrom zudosiert wird.
  31. Verwendung des integrierten Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Synthesegaserzeugung aus Kohlenwasserstoffen.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 30, wobei die endotherme Reaktion eine Dampfreformierungsreaktion und die exotherme Reaktion eine Oxidationsreaktion ist.
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CH00098/05A CH697467B1 (de) 2004-02-14 2005-01-24 Integrierter Reaktor zur thermischen Kopplung von Reaktionen und Verfahren zur Steuerung des Temperaturfeldes in einem solchen Reaktor.
FR0501391A FR2866247B1 (fr) 2004-02-14 2005-02-11 Reacteur integre pour le couplage thermique des reactions et procede de commande du champ de temperature d'un tel reacteur
GB0502938A GB2410907B (en) 2004-02-14 2005-02-11 Integrated reactor for thermal coupling of reactions and process for controlling the temperature field in such a reactor
US11/058,377 US20050235560A1 (en) 2004-02-14 2005-02-14 Integrated reactor for the thermal coupling of reactions and method for controlling the temperature field in such a reactor

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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003297883A1 (en) * 2002-12-19 2004-07-29 Precision Combustion, Inc. Method for oxidative reforming
GB201122193D0 (en) * 2011-12-22 2012-02-01 Compact Gtl Plc Catalytic reactor and catalyst structure
US12037952B2 (en) * 2022-01-04 2024-07-16 General Electric Company Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6117578A (en) * 1998-04-16 2000-09-12 International Fuel Cells, Llc Catalyzed wall fuel gas reformer
US6139810A (en) * 1998-06-03 2000-10-31 Praxair Technology, Inc. Tube and shell reactor with oxygen selective ion transport ceramic reaction tubes
DE19832386A1 (de) * 1998-07-18 2000-01-27 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Reformierungsreaktor mit katalytischer Brennereinheit
US6274101B1 (en) * 1998-09-08 2001-08-14 Uop Llc Apparatus for in-situ reaction heating
DE19953233A1 (de) * 1999-11-04 2001-05-10 Grigorios Kolios Autotherme Reaktorschaltungen zur direkten Kopplung endothermer und exothermer Reaktionen
KR100771391B1 (ko) * 2000-01-11 2007-10-31 컴팩트지티엘 피엘씨 촉매 반응기 및 이를 사용하는 화학공정
US6773684B2 (en) * 2001-01-26 2004-08-10 Utc Fuel Cells, Llc Compact fuel gas reformer assemblage
DE60128159T2 (de) * 2001-03-30 2007-08-16 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Vorrichtung zur reformierung von Brennstoff
MXPA03009389A (es) * 2001-04-26 2004-01-29 Texaco Development Corp PROCESADOR DE COMBUSTIBLE COMPACTO DE CaMARA uNICA.
US6887456B2 (en) * 2001-10-05 2005-05-03 Conocophillips Company Catalyst system for enhanced flow syngas production
DE10214293A1 (de) * 2002-03-28 2003-10-16 Ballard Power Systems Vorrichtung zur Kombination zweier heterogen katalysierter Reaktionen und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung
US6911193B2 (en) * 2002-04-19 2005-06-28 Conocophillips Company Integration of mixed catalysts to maximize syngas production

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