DE10254845A1

DE10254845A1 - Integrierter Reaktor

Info

Publication number: DE10254845A1
Application number: DE10254845A
Authority: DE
Inventors: Oliver Marquardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-03
Also published as: FR2847489A1; FR2847489B1

Abstract

Es wird ein integrierter Reaktor mit mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Kanalstrukturen zur Führung mindestens zweier Fluidströme vorgestellt, wobei in mindestens einem Fluidstrom innerhalb eines Reaktionsbereiches eine Reaktion stattfindet, die eine Wärmetönung hervorruft, und gleichzeitig eine Wärmeübertragung zwischen den Fluidströmen stattfindet. Mindestens einem der mindestens zwei Fluidströme ist über den gesamten Reaktionsbereich verteilt mindestens ein weiteres Fluid zudosierbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

In vielen technischen Anwendungen treten Prozessschritte auf, bei denen ein Wärmestrom zwischen zwei Fluiden ausgetauscht wird. Dieser Wärmestrom kann dazu dienen, das wärmere Fluid abzukühlen oder das kältere Fluid aufzuwärmen (Grundoperation des Wärmetausches). Falls in einem der vorhandenen Fluide Reaktionen ablaufen, so kann die Aufgabe bestehen, die Wärmetönung der Reaktion und den Temperaturverlauf im Reaktor durch die Integration von Wärmeaustauschfunktionen im gleichen Apparat gezielt zu beeinflussen. So offenbart bspw. die US-A-5,283,050 einen integrierten Reaktor, der in der Lage ist, zwei oder mehr Fluide zu mischen bzw. reagieren zu lassen. Der Reaktor besteht aus einem porösen Element und einem mindestens zwei Einlässe und einen Auslass aufweisenden Gehäuse.

Großindustriell werden derartige Verfahren in verschiedenen Prozessen eingesetzt, beispielsweise zur Zwischenkühlung von exothermen Reaktoren. Die Wärmeaustauschfunktion ist bei konventionellen (Festbett-)Rohrreaktoren jedoch zumeist vom Reaktor selbst räumlich getrennt: Externe Wärmetauscher oder in den Reaktor integrierte Wärmetauschzonen werden zur Zwischenkühlung eingesetzt, endotherme Hochtemperaturreaktionen werden in Rohrreaktoren durchgeführt, welche in Brennkammern integriert sind. Der nicht optimale Wärmeübergang beispielsweise bei der externen Flammenverbrennung führt zu einem hohen Volumenbedarf von Prozessschritten sowie zu großen Energieströmen, welche durch das Abgas einer beschriebenen Brennkammer ausgetragen werden. Bei der endothermen, katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf zu einem Synthesegas wird beispielsweise in den konventionellen Reformierreaktoren nur etwa die Hälfte der zugeführten Energie des Brenngasstromes zur Aufbringung der Reaktionsenthalpie genutzt. Die andere Hälfte verlässt als heißes Abgas die Brennkammer. In industriellen Verbund-Großanlagen kann der Energieinhalt derartiger Verlustwärmeströme häufig noch genutzt werden.

In den letzten Jahren ist ein verstärktes Interesse an der Verbesserung der Energieeffizienz von Raffinerieprozessen entstanden. Dieses Interesse hat zur Entwicklung von verschiedenen Verfahren geführt, bei denen die Energieeinkopplung zur Durchführung endothermer Reaktionen durch "Wärmetausch-Reformer" verbessert wurde. Die Bauform ähnelt dabei häufig der von Rohrbündelwärmetauschern.

Parallel zu der Verbesserung der Energieeffizienz von kontinuierlichen Prozessen mit sehr hohen Durchsätzen haben sich Anwendungsfelder eröffnet, welche durch relativ kleine Produktmengen sowie hohe Anforderungen an die Kompaktheit und Energieeffizienz gekennzeichnet sind. Als Beispiel soll die Umsetzung bisher ungenutzter Erdgasreserven ("stranded natural gas") zu hochwertigen Produkten vor Ort in kompakten, transportablen Anlagen genannt werden. Hinter dieser Anwendung steht eine hohe wirtschaftliche Motivation, da aus 95 % der Gasvorkommen nicht soviel Gas gefördert werden kann, als dass ein Transport als Flüssiggas finanziell interessant wäre. Weiterhin sind kompakte Vorrichtungen zu nennen, welche im dezentralen oder mobilen Einsatz Anwendung finden können. Potenzielle Anwendungen liegen bspw. in Reaktionsschritten in dezentralen Energieversorgungssystemen auf der Basis von Brennstoffzellen im mobilen Bereich bei kompakten Apparaten zur Hilfsstofferzeugung in Kraftfahrzeugen.

Die effiziente Kopplung von Wärmetauschfunktionen in gemeinsamen Vorrichtungen ist großindustriell für viele Anwendungen Stand der Technik, beispielhaft realisiert mittels Plattenwärmeübertragern. Die bisher bekannten Ausführungen können jedoch zum Großteil die Anforderungen an preiswerte Massenfertigung für viele industriell relevante, aber in kleinem Maßstab realisierte Prozesse nicht oder nur in abgeänderter Form erfüllen.

Die energieeffiziente Integration von Wärmetausch- und Reaktionsfunktionen ist ein aktuelles Forschungsfeld und für Anwendungen im Bereich < 500 kW unabhängig von der Kostenfrage für viele Reaktionssysteme noch nicht realisiert. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Reaktionen heterogen katalysiert ablaufen und eine starke Wärmetönung aufweisen. Ein aktuelles Forschungsfeld ist bspw. die energieeffziente Kopplung von mehreren kontinuierlichen, jedoch räumlich getrennt durchgeführten Reaktionen in einer Vorrichtung. Mit den bisher bekannten Apparatebauformen ist für verschiedene industriell interessante Reaktionssysteme keine überzeugende Realisierung für die effiziente Wärmeintegration und den Betrieb in einer Vorrichtung bekannt.

Probleme bei der Kopplung von Reaktionen in einer Vorrichtung bei räumlicher getrennter Führung der wärmeaufnehmenden/-abgebenden Fluidströme ähnlich einem Rohrreaktor entstehen dadurch, dass die Wärmetönung der räumlich getrennt geführten Reaktionen abhängig von der Kinetik des jeweiligen Reaktionssystems sowie des Reaktor-Betriebpunktes (Edukt-Konzentrationen sowie Eduktströme) ist. Durch die starke Ortsabhängigkeit der Zustandsgrößen ist die Temperaturführung in integrierten Reaktoren eine große Herausforderung.

Es ist vorteilhaft, Fluide grundsätzlich ähnlich wie in einem Strömungsrohrreaktor zu führen, wobei Fluidverteilungs/-sammelbereiche direkt in die Vorrichtung integriert sein können. Es werden dabei vorzugsweise Reaktionssysteme betrachtet, bei denen mittels einer oder mehrerer Seiteneinspeisungen in mindestens eines der reagierenden Fluide die Umsetzungsgeschwindigkeit und damit der Temperaturverlauf in integrierten Reaktoren gezielt beeinflusst werden kann. Das gilt beispielsweise für Reaktionssysteme, deren Reaktionsrate in konventionellen Rohrreaktoren oder Monolithstrukturen als zu hoch im Eintrittsbereich eingeschätzt wird, so dass die durch die Reaktion verursachte Wärmetönung nicht gleichmäßig über den Reaktor verteilt ist. Ein Beispiel hierfür sind Oxidationsreaktionen, insbesondere totale Oxidationsreaktionen oder selektive Oxidationen.

Die Realisierung von Seiteneinspeisungen in kompakten Reaktoren ist bekannt. So offenbart etwa die WO 01/54806 einen Reaktor mit einer Reaktionszone und Wärmetauschmitteln vom Plattentyp, wobei die Wärmetauschmittel mit der Reaktionszone in operativem Kontakt stehen, und wobei die Wärmetauschmittel aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Platten bestehen, in die Flüssigkeitskanäle nach einem vorbestimmten Muster eingeformt sind. Die Flüssigkeitskanäle sind so ausgerichtet, dass sie bei der Anordnung der Platten diskrete Wärmetauschwege für Fluide zur Verfügung stellen. Das dort vorgestellte Verfahren wie auch andere Vorschläge weisen jedoch eine mangelnde Flexibilität auf, da eine Seiteneinspeisung nur an definierten Punkten im Reaktor durch spezielle Zuführungskanäle und Verteilstrukturen für jede Seiteneinspeisung möglich ist. Zudem ist eine preisgünstige Massenfertigung nicht möglich, da im vorgestellten Konzept eine flächige Verbindung von Metalllagen mittels Diffusionsschweißverfahren durchgeführt wird. Eine örtlich in zwei Raumdimensionen verteilte, verschieden große Fluidzuführung/-zudosierung je Materiallage kann das vorgestellte Konzept nicht leisten.

Für sogenannte multifunktionelle Apparate, die mehrere verfahrenstechnische Grundoperationen wie Wärmeaustausch und mindestens eine Reaktion integrieren, sind bisher keine überzeugenden Konzepte zur Realisierung einer örtlich verteilten, hochflexiblen Fluidzufuhr in Verbindung mit der Möglichkeit zur Massenfertigung bekannt.

Der erfindungsgemäße integrierte Reaktor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Temperatur- bzw. Reaktionsführung im Reaktor besser als bisher beeinflusst werden kann. Dadurch wird eine effiziente Kopplung von wärmetauschenden Fluidströmen erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 schematisch eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen integrierten Reaktor;

2 schematisch den planaren Aufbau der erfindungsgemäßen Rektorgeometrie:

3 einen Querschnitt durch zwei Lagen des erfindungsgemäßen Reaktors;

4 schematisch eine beispielhafte Ausführung einer örtlich unterschiedlichen Perforation gemäss der Erfindung; und

5 schematisch den Aufbau einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors.

Ausführungsbeispiele

In einem integrierten Reaktor, der gleichzeitig Wärmeaustausch- und Reaktionsfunktionen zwischen zwei Fluiden beinhaltet, ist es zur gezielten Reaktionsführung bei verschiedenen Anwendungen wünschenswert, den Temperaturverlauf im Reaktor besser als mit bisher bekannten Methoden beeinflussen zu können. Unter Beeinflussung soll im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Reaktorgeometrie eine Zudosierung eines Fluides in mindestens ein weiteres Fluid verstanden werden. Unter gezielter Beeinflussung werden Maßnahmen zur Beeinflussung der Wärmetönung mindestens eines Fluidstromes durch gezielte Zudosierung mindestens eines weiteren Fluidstromes verstanden. Die in dem erfindungsgemäßen Reaktor eingesetzten Fluide können dabei sowohl flüssig als auch gasförmig sein, es können auch Mischungen verwendet werden.

Die Erfindung soll die effiziente Kopplung von wärmetauschenden Fluidströmen in einer Vorrichtung ermöglichen. Unter effizienter Kopplung wird dabei eine hohe Effizienz des Wärmeübergangs zwischen den räumlich getrennten Fluidströmen sowie die gezielte Beeinflussung des Temperaturfeldes im Reaktor durch eine flexible Fluidzudosierung in mindestens einen weiteren Fluidstrom verstanden. Das Reaktorkonzept soll prinzipiell für eine Massenfertigung geeignet sein. Unter dieser Eignung wird die Möglichkeit verstanden, mit geringem Zeit- und Materialaufwand hohe Stückzahlen bei hoher Qualität zu fertigen.

Der Einsatz soll insbesondere in kontinuierlich durchströmten Vorrichtungen mit verschiedenen Materiallagen erfolgen, in denen mindestens zwei Fluidströme räumlich getrennt voneinander geführt und gegebenenfalls im Rahmen einer Parallelisierung der Strömungsführung (vgl. weiter unten) auf Kanalstrukturen aufgeteilt werden. Der Begriff Kanalstruktur steht im folgenden vereinfachend für die Gesamtheit der wärmeübertragenden, strömungsführenden Strukturen einer Materiallage. Die konkrete Gestaltung der Kanalgeometrie innerhalb einer Kanalstruktur kann ortsabhängig sein. Der Kanalquerschnitt ist dabei nicht auf quadratische und rechteckige Geometrien beschränkt. Der Begriff Kanalstruktur soll zudem andere denkbare Querschnitte umfassen, welche aus verfahrens- oder fertigungstechnischen Gründen in diesem Zusammenhang sinnvoll erscheinen.

Eine Parallelisierung der Strömungsführung wird durch Verteilung mindestens eines der mindestens zwei in der Vorrichtung geführten Fluide auf eine Kanalgruppe vorgenommen. In den Fluidverteil-/zusammenführungsbereichen wird jeweils ein Fluid auf die Kanalstrukturen einer Kanalgruppe verteilt. Die Kanalstrukturen der Kanalgruppe können in verschiedenen Materiallagen angeordnet sein, die sich durch die symmetrische Stapelung einzelner Materiallagen in definierter Abfolge ergeben. Eine Kanalgruppe besteht somit aus der Gesamtheit aller Kanalstrukturen, die das gleiche Fluid führen.

Je nach ablaufendem Prozess werden die Einzelkanäle einer Kanalgruppe entweder die gleiche Geometrie besitzen oder sich in Abhängigkeit des Ortes auf einer Planaren Lage unterscheiden. Unterschiedliche Geometrien innerhalb einer Materiallage können in Überlegungen zur Optimierung der Wärmeverteilung, des Stoffübergangs oder des Fluidquerschnittes in einer Planaren Lage begründet liegen.

Zumindest in der Kanalgruppe, in die ein weiteres Fluid hinzudosiert werden kann, läuft mindestens eine Reaktion ab. Neben dieser Kanalgruppe ist mindestens eine weitere Kanalgruppe vorhanden, welche Wärmeaustausch- und /oder Reaktionsfunktionen übernehmen kann. Die Wandstruktur der weiteren Kanalgruppe kann zur Wahrnehmung von Reaktionsfunktionen katalytisch beschichtet nein. Alternativ kann die Kanalgruppe auch unbeschichtet sein und lediglich Wärmeaustauschfunktionen wahrnehmen. Weiterhin kann eine Kanalgruppe auch ein katalytisches Material enthalten, welches nicht unmittelbar auf die Wandstruktur aufgebracht sein muss. Vielmehr kann das katalytisch aktive Material in die Kanalgruppe eingebracht werden, beispielsweise in Form einer katalytisch beschichteten und dreidimensional gebogenen Folie, oder in Form von Katalysatorpellets, oder in einer anderen Form, bei der ein Grundkörper katalytisch aktiv beschichtet ist und anschließend in die Kanalstruktur des Reaktors eingebracht wird. Es ist anzumerken, dass jede Kanalgruppe für sich beschichtet sein kann, die katalytische Beschichtung kann dabei für jede Kanalgruppe abhängig von der zu katalysierenden Reaktion unterschiedlich gewählt sein. Zudem kann die Beschichtung in Strömungsrichtung des Fluids örtlich verschieden sein. Abhängig von der Lauflänge kann grundsätzlich eine Variation in der Beschichtungsqualität vorliegen. Dabei ist unter dem Begriff Beschichtungsqualität zu verstehen, dass die Materialzusammensetzung der aufgebrachten Schicht variieren kann. Das heißt beispielsweise, dass die Katalysatoraktivität entlang der Kanallänge gezielt variiert werden kann, dass Kanalbereiche frei von einer katalytisch wirkenden Schicht bleiben können und/oder dass Teile des Kanalumfangs nicht beschichtet sind.

Für eine effiziente Kopplung sind sowohl eine geringe Größe der Vorrichtung aus Energieverlustgründen sowie die Betreibbarkeit der Vorrichtung entscheidend. Unter Betreibbarkeit wird die Möglichkeit insbesondere zur definierten Inbetriebnahme sowie der Betrieb bei verschiedenen Eduktmassenströmen bei Einhaltung der Spezifikationen für die Produktströme des Reaktors (Modulierbarkeit) verstanden.

Die Vorrichtung ist aus mehreren Materiallagen planar aufgebaut. Die Materiallagen bestehen aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff, sie können abhängig von der Anwendung von verschiedener Dicke sein. Es wird je ein Fluid in einer Kanalstruktur pro Materiallage geführt. Die Lagen werden nach außen fluiddicht abgedichtet. Der Druckbereich des Reaktors liegt aus werkstofflichen Gründen bevorzugt bei weniger als 50 bar Innendruck relativ zur Umgebung. Zwar sind generell höhere Drücke möglich, in diesen Fällen ist jedoch eine flächige Abdichtung des Reaktors, beispielsweise durch flächiges Diffusionsschweißen oder -löten, vorzusehen, um die hohen Kräfte zwischen den einzelnen Blechlagen besser aufnehmen zu können.

Der erfindungsgemäße Reaktor kann insbesondere eingesetzt werden zur Kopplung zweier reagierender Fluidströme, zur Kopplung eines reagierenden Fluidstromes mit einem wärmetauschenden Fluidstrom, wobei beiden Strömen Edukte hinzudosiert werden können, und zur Kopplung eines reagierenden Fluidstromes, dem unter definierten Bedingungen ein Eduktstrom zudosiert wird, mit einem wärmetauschenden Prozessschritt, z.B. bei der Kopplung eines wärmeaufnehmenden Fluidstromes mit einem Fluidstrom, in dem eine oder mehrere exotherme Reaktionen ablaufen.

Der erfindungsgemäße Reaktor verbessert bestehende integrierte Reaktorkonzepte durch eine Optimierung der Wärmetönung durch die Zudosierung mindestens eines Fluids in mindestens einen der reagierenden Prozessströme, so dass das Temperaturfeld im Reaktor in gewünschter Weise beeinflusst wird. Unter Temperaturfeld wird dabei der Temperaturverlauf im Reaktor-Wandmaterial sowie in den Fluidkanälen in allen drei Raumdimensionen bezeichnet. Dadurch kann eine erfolgreiche Prozessführung zwischen räumlich getrennten Reaktionssystemen für viele Anwendungen überhaupt erst ermöglicht werden. Des weiteren wird die Selektivität verschiedener Reaktionssysteme durch gezieltere Temperaturführung verbessert. Außerdem wird eine hohe Leistungsdichte an übertragener Wärmeleistung gewährleistet (sowohl fiir Wärmetauschanwendungen, die eine hohe Leistungsdichte erfordern als auch für die Beheizung/Kühlung von Reaktionssystemen mit großer Reaktionsenthalpie).

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Reaktor dazu dienen, explosive Gemische durch Zudosierung eines Eduktstromes in eine Kanalstruktur bei gleichzeitiger Gewährleistung von Wärmetauscheigenschaften erst innerhalb des Reaktors zu bilden. Die Sicherheit für technische Synthesen wird somit für dezentrale oder mobile Anwendungen bei entsprechender Auslegung der Kanalstrukturen erhöht.

1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Reaktor 10. Dessen Aufbau und Wirkungsweise wird im folgenden am Beispiel der Wärmeintegration für die Dampfreformierung von Methan dargestellt. Dabei wird die endotherme Reformierungsreaktion mit den Edukten CH₄ und H₂O (Reformiergas) gekoppelt mit der exothermen Verbrennung eines Brenngases, das im vorliegenden Fall bspw. ein CH₄/O₂-Gemisch ist. In einem Fluidverteilungsbereich 11 wird das Reformiergas 13 jeweils auf eine entsprechende Kanalstruktur einer anderen Materiallage 12 aufgeteilt als das Brenngas 14, so dass Reformiergas 13 und Brenngas 14 in Kanalstrukturen in unterschiedlichen Ebenen des Reaktors geführt werden. Der planare, lagenweise Aufbau des Reaktors aus mehreren Materiallagen 12 in unterschiedlichen Ebenen geht aus den 2 und 3 hervor, die weiter unten beschrieben werden. Beide Fluide reagieren in ihren jeweiligen, voneinander getrennten Kanalstrukturen vorwiegend heterogen-katalysiert, d.h., dass die Reaktionen an den katalytisch beschichteten Wandoberflächen ablaufen, da Plattenreaktoren insbesondere bei stark wärmegetönten Wandreaktionen unter Nutzung der Tatsache, dass nur die Wärmeleitung durch die Trennwand den Wärmeübergang zwischen beiden Kanalstrukturen behindert, eingesetzt werden. Prinzipiell können jedoch auch Homogenreaktionen stattfinden.

1 zeigt eine Gleichstromführung der beiden Fluide 13 und 14, was bedeutet, dass beide Fluide auf der gleichen Seite des Reaktors, im vorliegenden Fall im Fluidverteilungsbereich 11, eingespeist werden. Es ist jedoch auch eine Gegenstromführung möglich, bei der das eine Fluid im Bereich des Fluidverteilungsbereiches 11 und das andere Fluid im Bereich eines am dem Fluidverteilungsbereich 11 entgegengesetzten Ende des Reaktors angeordneten zweiten Fluidverteilungsbereiches eingespeist wird. Da es sich um eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Reaktor handelt, ist lediglich eine Kanalstruktur, bestehend aus parallel zueinander angeordneten Kanälen 15 sichtbar, in die im vorliegenden Beispiel das Reformiergas 13 eingeleitet wird. Die das zweite Fluid, im vorliegenden Beispiel das Brenngas 14, führende Kanalstruktur ist in einer parallel zu der Kanalstruktur 15 darunter liegenden Ebene angeordnet, was durch den gestrichelten Pfeil angedeutet ist. An den Fluidverteilungsbereich 11 schließt sich der eigentliche Reaktorbereich 16 an, in dem im vorliegenden Beispiel die exotherme Verbrennung des Brenngases 14 erfolgt. Bei der vorliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors wird nun in diesem Bereich 16 der Kanalgruppe, in der die exotherme Reaktion stattfindet, ein weiteres Edukt (Fluid) 22 zudosiert. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem weiteren Fluid um einen der Reaktionspartner, im vorliegenden Fall bspw. Sauerstoff. Je nach den gewählten Anforderungen ist aber auch die Zudosierung eines anderen Fluids möglich. Die Zuführung wird über senkrecht zu den Kanälen 15 angeordnete Querkanäle 17 realisiert, in die das zuzudosierende Fluid über eine gemeinsame Zuführung 18 eingespeist wird. Die Querkanäle 17 sind dabei zwischen den Ebenen angeordnet, in denen das Reformiergas 13 und das Brenngas 14 geführt werden. Im vorliegenden Beispiel erstrecken sich die Querkanäle 17 über die gesamte Kanalstruktur 15 und die entsprechenden, darunter angeordneten Kanalstrukturen, wobei die Zuführung 18 außerhalb dieser Struktur realisiert ist. Es ist jedoch auch möglich, die gemeinsame Zuführung 18 innerhalb der Kanalstruktur selbst anzuordnen. An den Bereich 16 schließt sich ein Fluidsammelbereich 19 an, in dem die beiden Fluidströme zusammengeführt und aus dem Reaktor ausgeleitet werden. Im Falle einer Gegenstromführung der beiden Fluide stellt dieser Bereich gleichzeitig den Fluidverteilungsbereich für das erste Fluid und den Fluidsammelbereich für das zweite Fluid dar. Dementsprechend ist der Fluidverteilungsbereich für das zweite Fluid gleichzeitig der Fluidsammelbereich für das erste Fluid.

2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der 1, der den planaren, lagenweisen Aufbau des Reaktors aus mehreren Materiallagen 12 (im dargestellten Beispiel 2 Lagen) verdeutlicht. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Brenngas 14 in der oberen Kanalstruktur 20 (Oxidationskanal), und das Reformiergas 13 in der unteren Kanalstruktur 21 (Reformierungskanal) geführt. Beide Kanäle können eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Zwischen beiden Kanalstrukturen 20, 21 sind die Querkanäle 17 angeordnet (in 2 senkrecht zur Zeichenebene), durch die das zuzudosierende Fluid geleitet wird. Die Zudosierung erfolgt über eine parallel zu den jeweiligen Kanalstrukturen, d.h., senkrecht zu den Querkanälen angeordnete Dosierstruktur 23. Bei dieser Dosierstruktur handelt es sich vorzugsweise um flache, parallel zu den Materiallagen 12 verlaufende, perforierte Folien 23. Für metallische Vorrichtungen kann diese Folie aus Metall bestehen, bzw. ein dünnes, entsprechend bearbeitetes Metallblech sein. Je nach Temperaturbereich des Reaktors ist grundsätzlich auch die Verwendung von Kunststoffen, porösen Keramiken oder Verbundwerkstoffen möglich. Selbstverständlich sind auch Werkstoffkombinationen, wie beispielsweise Metall als Grundwerkstoff und Kunststoff als Werkstoff für die Folien, mit eingeschlossen. Die Ausschnittvergrößerung der 2 verdeutlicht diese Anordnung. Beide Materiallagen 12, 12a bestehen, wie bereits weiter oben erwähnt, aus einem metallischen Werkstoff oder aus Kunststoff bzw. Keramik. Es ist anzumerken, dass beide Materiallagen auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können, beispielsweise aus verschiedenen Metalllegierungen. Zudem können die Werkstoffe grundsätzlich von verschiedener Blechstärke und Geometrie sein.

Die in 2 obere Materiallage, in der das Brenngas geführt wird (Oxidationskanal), weist in der vorliegenden Ausführungsform einen geringeren Querschnitt auf als die unter Materiallage, in der das Reformiergas geführt wird (Reformierungskanal), Beide Materiallagen können nach außen hin durch Metall- oder Kunststofflagen fluiddicht abgedichtet. Bevorzugt ist eine Abdichtung durch Laserschweißverfahren vorgesehen, so dass kein spezieller Dichtwerkstoff zugeführt werden muss. Die in den entsprechenden Kanälen geführten Edukte, die in dem im vorliegenden Seite auf der linken Seite der Struktur gelegenen Fluidverteilungsbereich in den Reaktor eingespeist werden, passieren im Zuge ihres Durchlaufs durch die jeweiligen Kanalstrukturen die Querkanäle 17 (senkrecht zur Zeichenebene angeordnet), von wo das zuzudosierende Fluid durch die perforierte Folie 23 in den Oxidationskanal eingespeist wird, was durch die gebogenen Pfeile angedeutet ist. Auf der dem Fluidverteilungsbereich entgegengesetzten Seite werden die Produkte des Oxidations- bzw. Reformierungskanals zu dem Fluidsammelbereich (8 in 1) geleitet und dort aus dem Reaktor herausgeführt.

3 zeigt einen Querschnitt durch zwei Materiallagen des erfindungsgemäßen Reaktors entlang der Linie B-B in 2. In dieser Figur ist deutlich der Aufbau der jeweiligen Materiallagen 12 aus einem metallischen bzw. Kunststoffwerkstoff 25 und den darin ausgebildeten Kanälen 20, 21 erkennbar. Weiterhin kann der 3 entnommen werden, dass beide Materiallagen 12 unterschiedliche Geometrien aufweisen. Zwischen den beiden Materiallagen ist die Dosierstruktur 23 in Form einer perforierten Folie angeordnet, durch die das zuzudosierende Fluid aus den Querkanälen 17 (in 3 gestrichelt dargestellt, da durch die jeweiligen Materiallagen verdeckt) in den entsprechenden Kanal eingespeist wird. Vorteilhafterweise sind, wie in 3 gezeigt, die Kanäle 20 in die Materiallage integriert, welche den Fluidstrom führt, in den keine Zudosierung vorgenommen wird (im vorliegenden Beispiel der Reformierungskanal).

4 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführung der Dosierstruktur in Form einer perforierten Folie 23, wobei 4 eine Ansicht entlang der Linie C-C in 3 darstellt. Größe und Anzahl der in der Folie 23 enthaltenden Perforationen können abhängig von der Position variieren. Auf diese Weise gelingt es, das zuzudosierende Fluid an unterschiedlichen Positionen in unterschiedlicher Konzentration in die entsprechende Kanalstruktur einzuspeisen, wodurch eine gewünschte Beeinflussung der in dieser Kanalstruktur geführten Fluide erhalten werden kann.

Die verteilte Zudosierung wird so gestaltet, dass die Wärmetönung der Verbrennungsreaktion für mindestens einen Betriebspunkt des Reaktors in gewünschter Weise beeinflusst wird. Dazu wird hier exemplarisch die verteilte Zuführung eines Großteils des benötigten Sauerstoffes, der auch Luftsauerstoff darstellen kann, durch die Querkanäle betrachtet. Idealerweise fällt die Temperatur im Reaktorwandmaterial kurz vor Austritt aus dem Reaktionsbereich (16 in 1) nicht deutlich ab.

Die Inbetriebnahme des Reaktors wird durch die verteilte Reaktion eines leicht entzündenden, wasserstoffhaltigen Gasstromes erleichtert: Dazu wird im Fluidverteilungsbereich (11 in 1) des Oxidationskanals durch eine elektrische Zündquelle entweder ein wasserstoffhaltiger Gasstrom aufgeheizt oder ein wasserstoffhaltiger Gasstrom erzeugt, beispielsweise durch die katalytische Zersetzung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases mit einer heißen Oberfläche. Auf der heißen Oberfläche der Zündquelle abgelagerter Ruß wird bei späterer Dosierung eines kohlenwasserstoff-/sauerstofflaltigen Gasgemisches an der Zündquelle abgebrannt.

Die axiale Abreaktion des wasserstoffhaltigen Gasstromes kann durch die gezielte Zuführung eines sauerstoffhaltigen Oxidationsmittels durch die beschriebene Querkanaistruktur 17 unterstützt werden. Der wasserstoffhaltige, durch die Zündquelle aufgeheizte Gasstrom wird dazu genutzt, die Temperatur zumindest in Teilbereichen des Reaktors so weit anzuheben, dass anschließend die Verbrennungsreaktion eines Methangemisches mit einem sauerstoffhaltigen Gasstrom zünden kann.

Die Auslegung der zur Zudosierung dienenden Querkanäle wird bevorzugt so gewählt, dass der Druckverlust im Querkanal deutlich niedriger als der über die Dosierstruktur ist. Dadurch kann eine gezielte Fluidzudosierung durch die Dosierstruktur in die Kanalstruktur, in der das reagierende Medium geführt wird, erreicht werden. Der Druckverlust im Querkanal bzw. im zudosierenden Kanal (die Zudosierungsstruktur muss nicht zwangsläufig aus Querkanälen bestehen) wird verglichen mit dem Druckverlust durch die Dosierstruktur, beispielsweise der Folie 23, dadurch sehr niedrig gehalten, dass der Kanalquerschnitt in der Kanalstruktur 17 entsprechend den bekannten Regeln der Technik deutlich größer gewählt wird als der freie Querschnitt der perforierten Folie bzw. der Dosierstruktur.

Gleichzeitig oder alternativ kann die Zuführung des zuzudosierenden Eduktstromes so gewählt sein, dass das zuzudosierende Fluid entlang des Kanals wechselt. Das wird dadurch gewährleistet, dass die Fluidzuführung und -verteilung auf die Querkanäle in mehrere Bereiche untergliedert wird, denen jeweils andere Fluide zur Zudosierung zugeführt werden. Jeder der Bereiche erhält dabei eine eigene Zuführung des zuzudosierenden Fluids (18 in 1). Ebenso wie bei der Zudosierung eines einzelnen Fluids ist es möglich, die Querkanäle einer Zudosierungsstruktur bereits in der Kanalstruktur zusammenzuführen. Damit wird die Fluidverteilung in jeder Zudosierungsstruktur konstruktiv deutlich vereinfacht.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Reaktors liegt in der Kopplung zweier reagierender Fluidströme, denen jeweils ein weiteres Eduktgemisch zudosiert wird. Dies wird im folgenden am Beispiel der Einkopplung der Reaktionsenthalpie eines exothermen reagierenden Gasstromes zum Aufheizen/Gewährleisten des Phasenübergangs eines zweiten Fluides näher erläutert.

In Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen kann der anodenseitig zugeführte Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt werden. Der wasserstoffhaltige Anodenabgasstrommuss vor Ableitung in die Umwelt aus energetischen und sicherheitstechnischen Gründen frei von Wasserstoff und Methan sein. Ein häufig verfolgtes Konzept zur Anodenabgasnutzung ist die katalytische Umsetzung des Anodenabgases. Durch den Wasserstoffanteil zündet die Reaktion bereits bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund der Kopplung einer stark exothermen Reaktion mit dem stark endothermen Verdampfungsvorgang besteht bei konventionellen Verdampfern eine Herausforderung in der gleichmäßigen Wärmeeinbringung und -verteilung.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Reaktors kann der wasserstoffhaltige Gasstrom verteilt über die Querkanäle zugeführt werden, das Oxidationsmittel wird zu Beginn des Kanals dosiert. Alternativ ist vorstellbar, dass das Oxidationsmittel über die Querkanäle dosiert wird und das wasserstoffhaltige Anodenabgas über den Fluidverteilungsbereich 18 in den Kanal dosiert wird. Durch geeignete Verteilung der Perforation kann eine vollständige Umsetzung des Wasserstoffs/der Kohlenwasserstoffe im Kanal erzielt werden.

Durch entsprechende Temperaturführung und Materialauswahl kann der erfindungsgemäße Reaktor neben der Verdampfung auch Aufgaben der Überhitzung des hergestellten Gas-Dampf-Gemisches übernehmen. Dieses Konzept ist insbesondere für die Trägergasverdampfung von niedrigen Kohlenwasserstoffen geeignet, wobei dem Verdampfer als zu verdampfendes Edukt eine Mischung aus Kohlenwasserstoff und Flüssigkeit, zumeist Wasser, zugeführt wird. Zur Verringerung ungleichmäßiger Verdampfung ist dabei eine Realisierung vorstellbar, bei der die zu verdampfende Flüssigkeit zu Beginn eines Kanals zugeführt und diese anschließend mit dem durch eine separate Perforation dosierten Kohlenwasserstoff während der Verdampfung gemischt wird.

Die beschriebene Zudosierung von zwei verschiedenen Fluiden in jeweils eine Kanalstruktur ist in 5 dargestellt. Dabei wird hier von der Variante ausgegangen, dass zwei Hilfsstoffe durch perforierte Folien verschiedenen Strömen zudosiert werden. Das Trägergas der Verdampfung wird verteilt der Kanalstruktur 27 zugeführt, d.h., dass das Trägergas der Verdampfung entlang des Kanals zudosiert wird, die Zudosierung übernimmt somit eine Mischfunktion. Zur Beheizung des Verdampfers wird ein wasserstoff- und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas in der zweiten Kanalstruktur 28 wie oben beschrieben über Querkanäle 17 (in 5 gestrichelt dargestellt) dosiert. Die einfache symmetrische Erweiterbarkeit durch die Parallelisierung der Strömungsführung in dem erfindungsgemäßen Reaktor wird durch die Darstellung weiterer Dosierstrukturen 26, 29, welche die Kanalstrukturen 27 und 28 beinhalten, aufgezeigt.

Ein weiteres Beispiel einer Nutzung des vorgeschlagenen Reaktors liegt in der selektiven CO-Oxidation zu CO₂ zum Betrieb von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen mit einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, der aus Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Neben hoher Katalysatoraktivität und Selektivität ist die Prozessführung entscheidend für einen hohen CO-Umsatz und hohe Selektivität bei geringem Ablauf der Nebenreaktion H₂ + 0.5 O₂ H₂O. Mit Prozessführung wird hier speziell eine möglichst definierte Zuführung des Oxidationsmittels sowie eine möglichst exakte Temperaturführung bezeichnet. Eine Mindesttemperatur ist notwendig, um die CO-Oxidation zu ermöglichen, eine Maximaltemperatur, die etwa 20°C höher liegt, sollte hingegen nicht überschritten werden, um die unerwünschte Begleitreaktion der Wasserstoffoxidation zu vermeiden.

Konventionelle Verfahren im kleinen Leistungsbereich, die zur Zeit insbesondere für Brennstoffzellenanwendungen entwickelt werden, nutzen Monolithstrukturen zur Reaktionsdurchführung. Dabei wird der Reaktionsschritt zumeist in zwei getrennten Reaktoren ausgeführt, zwischen denen ein Zwischenkühlungsschritt angeordnet ist. Die Dosierung eines sauerstoffhaltigen Gases erfolgt dabei vor dem jeweiligen Reaktor, teilweise wird ein sauerstoffhaltiger Gesamtgasstrom vor den einzelnen Reaktoren sogar einzeln geregelt.

Die gleichmäßige Verteilung des sauerstoffhaltigen Gasstromes auf die Monolithstruktur stellt dabei eine nur aufwendig lösbare Herausforderung dar. Zudem ist eine sichere Prozessführung durch die Bildung von lokal explosionsfähigen Gemischen an der Mischungsstelle unter Umständen nicht gegeben. Die Temperaturführung bei der selektiven Oxidation hat in ihrer bisherigen Realisierung für dezentrale Prototypanlagen mehrere Nachteile. Zum einen ist der apparative Aufwand relativ hoch, da zwei Reaktionsstufen sowie eine Wärmetauschfunktion thermisch weitgehend ohne Integration ausgeführt werden. Zum anderen bestehen unabhängig vom konstruktiven. Aufwand Nachteile in der ungenauen Temperaturführung. Folge können Katalysatorschädigung durch Überhitzung, unzureichende Umsatzraten, mangelnde Selektivität des Verfahren und im Extremfall ein "Durchgehen" der Reaktion aufgrund der räumlich getrennten Reaktions- und Wärmetauschbereiche sein.

Die Integration eines effizienten Wärmetausches mit der definierten, verteilten Zudosierung des Oxidationsmittels gemäß des hier vorgeschlagenen Reaktors verspricht große Vorteile hinsichtlich der gleichmäßigen Temperaturführung sowie hohen Umsatzgraden. Der Fluidstrom, in den hinein der sauerstoffhaltige Gasstrom durch die Querkanäle dosiert wird, ist bei dieser Anwendung das wasserstoffhaltige Gas-Dampf-Gemisch aus dem Reformierungsprozess.

Die Sicherheit des Verfahrens wird deutlich erhöht, wenn hinreichend kleine Strukturen gewählt werden, die zum einen bei entsprechender Auslegung eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten. Zudem wird die Explosionsgefahr weitgehend unterbunden, da bei Nutzung des vorgestellten Reaktorkonzeptes die Mischung zwischen Oxidationsmittel und dem wasserstoffhaltigen Reformatstrom im Reaktor selbst erfolgt. Gemische mit explosionsfähigen Konzentrationen werden nur innerhalb des Apparates gebildet. Explosionen sind bei entsprechender Auslegung nicht zu erwarten, da durch einen hohen Wärmeübergang an das Wandmaterial der Aufheizung Grenzen gesetzt sind.

Falls erforderlich, kann zusätzlich zur verteilten Eduktdosierung die Wärmeabfuhr der selektiven Oxidation durch mindestens eine weitere Kanalstruktur erfolgen. Diese Struktur weist vorzugsweise nur eine Wärmeaustauschfunktion aus, ist somit nicht katalytisch beschichtet. Für die gleiche oder ähnliche Anwendungen kann jedoch ebenfalls eine katalytische Beschichtung vorzusehen sein, in der eine oder mehrere endotherme Reaktionen ablaufen können.

Noch ein weiteres Beispiel für die Nutzung des erfindungsgemäßen Reaktors liegt in der Verbrennung eines wasserstoffhaltigen Synthesegasgemisches zur Energiebereitstellung für eine endotherme Reaktion, die in der weiteren Kanalstruktur abläuft. Dabei wird in einer der beiden Kanalstrukturen ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verbrannt. Das Oxidationsmittel wird dabei verteilt zugeführt, um eine gleichmäßige Freisetzung der Reaktionswärme zu erreichen. Durch die verteilte Zudosierung des Oxidationsmittels werden zwei Probleme umgangen. Zum einen wird die Bildung explosiver Gemische vor dem Eintritt in den Reaktor verhindert, da die Gemischbildung erst innerhalb des Reaktors stattfindet, zum anderen wird die Wärmefreisetzung bei entsprechender Auslegung gleichmäßig über die Reaktorlänge verteilt. Damit wird das bekannte Problem der hohen Übertemperaturen im Eintrittsbereich eines katalytischen Bereiches bei extrem schnell verlaufenden Reaktionen wie etwa der Wasserstoffoxidation erheblich gemindert.

Der erfindungsgemäße Reaktor schafft die Möglichkeit, stark wärmeverbrauchende mit wärmeabgebenden Prozessschritten in einer Vorrichtung effizient durch die Erhöhung der Freiheitsgrade mittels gezielter Fluidzudosierung in eine Kanalstruktur zu koppeln. Die gezieltere Fluiddosierung als in bisher bekannten Vorrichtungen ermöglicht eine Unterstützung zur definierten Temperaturführung in kompakten Apparaten, in denen mindestens eine Reaktion abläuft. Basierend auf den Vorteilen bezüglich der flexiblen Zudosierung eines Eduktstromes erlaubt der erfindungsgemäße Reaktor erstmals das Mischen von explosiven Medien direkt am Ort der Reaktion bei gleichzeitiger Integration mit Wärmetauschfunktionen.

Für zahlreiche Anwendungen entstehen Vorteile gegenüber Vorrichtungen, bei denen eine Energieeinkopplung beispielsweise durch externe Verbrennungsreaktionen erfolgt und Vorrichtungen, bei denen keine oder nur eine oder mehrere lokale Zudosierungen eines Eduktes zu einem Fluidstrom realisiert ist. Gegenüber den letzteren liegen die Vorteile insbesondere in der örtlich sehr flexiblen und fertigungstechnisch einfach realisierbaren Gestaltung der Zudosierung.

Weitere Vorteile der Erfindung untergliedern sich in solche, die mit der Integration mehrerer Prozessschritte in einer Vorrichtung allgemein verbunden sind, sowie in solche, die. speziell mit der vorgeschlagenen Realisierung der verteilten Eduktzudosierung verbunden sind. Es ist dabei anzunehmen, dass nach dem derzeitigen Stand der Apparatetechnik die erstgenannten Vorteile durch den erfindungsgemäßen Reaktor für viele Reaktionssysteme überhaupt erst genutzt werden können.

Vorteile, die mit der Integration mehrere Prozessschritte in einer Vorrichtung verbunden sind, umfassen bspw. die bessere Nutzung der Reaktionsenthalpie eines exothermen Reaktionssystems zur Beheizung eines insgesamt endothermen Reaktionsystems. Dadurch sinkt bei Realisierung einer effizienten Wärmerückgewinnung im Anschluss an Fluidverteilungs-/zusammenführungsbereiche der energetisch nicht optimal nutzbare Enthalpiestrom der Abwärme.

Ein weiterer Vorteil besteht in der kompakten Realisierung der Prozessfunktion durch Integration mehrerer Teilprozessschritte. Neben dem niedrigen Platzbedarf, der mit einer Gestaltung der Kanalstruktur zur Optimierung von Wärme- und Stoffaustauschvorgängen nach bekannten Regeln der Technik einhergeht, entsteht insbesondere der Vorteil der Verringerung der Wärmeverluste durch eine erhöhte Kompaktheit der Vorrichtung. Während bei großindustriellen Prozessen aufgrund der großen Stoffströme oft mit ausreichender Genauigkeit von einem adiabaten Verhalten der Vorrichtung ausgegangen werden kann, ist das bei den hier beschriebenen Anwendungsfeldern häufig nicht der Fall. Das vorgestellte Konzept ermöglicht außerdem prinzipiell die Unterteilung der Querkanalzuführungen in einzelne Abschnitte in Kanalrichtung.

Vorteile, die speziell mit der vorgeschlagenen Realisierung der verteilten Eduktzudosierung verbunden sind, liegen bspw. im geringen konstruktiven Aufwand zur Realisierung einer zweidimensional örtlich verteilten Eduktzudosierung, sowie in einer größeren Freiheit in der Höhe des zudosierten Volumenstromes durch unterschiedliche Durchmesser der Perforation der Dosierstruktur.

Des weiteren ergibt sich ein Vorteil durch die Verbesserung der Betriebsweise, denn bei Inbetriebnahme der Vorrichtung kann ein Aufheizen mit großer Gleichmäßigkeit durchgeführt werden. Durch die Querkanäle kann beispielsweise ein Eduktgemisch gleichmäßig auf den Reaktionsbereich verteilt werden, welches katalytisch mit einem zweiten Edukt, das durch die Kanalstruktur strömt, unter Wärmefreisetzung abreagiert. Die Betriebsweise kann während der Anfahrphase durchaus diskontinuierlich sein.

Vorteile ergeben sich weiterhin durch die Vermeidung von starken Temperaturgradienten im Reaktor beim Anfahrvorgang. Hohe Temperaturgradienten können zu unerwünschten Spannungen. im Wirkstoff, insbesondere jedoch zum Abplatzen von Katalysatorschichten führen. Mikroreaktoren als Spezialfall kompakter Reaktoren sind für sichere Prozessführung auch potenziell explosiver Gaskomponenten durch ihre guten Wärmetransporteigenschaften bekannt. Durch die hier beschriebene Realisierung einer verteilten Eduktzudosierung wird das Potential von kompakten Reaktoren gegenüber bekannten Realisierungen weiter erhöht, da sich durch die neu geschaffene Möglichkeit, eine definierte und verteilte Zusammenführung zweier Edukte durch Zudosierung eines Eduktes in einem Reaktionskanal kontrolliert am Ort der Reaktion zu ermöglichen neue Perspektiven der Prozessgestaltung eröffnen. Weiterhin ergibt sich eine leichte Skalierbarkeit der integrierten Vorrichtung durch die Parallelisierung der Strömungsführung (eine Kanalgruppe besteht aus einer anforderungsabhängigen Anzahl an Kanalstrukturen).

Die vorgestellte Reaktorgeometrie bietet mit der Möglichkeit verteilter Eduktzumischung beispielsweise auch dann Vorteile, wenn im gewählten Temperaturbereich sehr schnell ablaufende Reaktionen durchgeführt werden, da die Reaktionszone gleichmäßiger als mit bisher bekannten Verfahren örtlich in zwei Dimensionen verteilt werden kann.

Claims

Integrierter Reaktor (10) mit mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Kanalstrukturen (20, 21) zur Führung mindestens zweier Fluidströme, wobei in mindestens einem Fluidstrom innerhalb eines Reaktionsbereiches (16) eine Reaktion stattfindet, die eine Wärmetönung hervorruft, und gleichzeitig eine Wärmeübertragung zwischen den Fluidströmen stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der mindestens zwei Fluidströme über den gesamten Reaktionsbereich (16) verteilt mindestens ein weiteres Fluid zudosierbar ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (10) aus einer Mehrzahl von parallel angeordneten Materiallagen (12) besteht.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zuzudosierende Fluid über senkrecht zur Strömungsrichtung der Fluidströme angeordnete Querkanäle (17) führbar ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkanäle (17) in die Materiallage (12) integriert sind, in der der Fluidstrom geführt wird, in den kein weiteres Fluid zudosiert wird.
Integrierter-Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die . Zudosierung des mindestens einen weiteren Fluids in die entsprechende Kanalstruktur über eine Dosierstruktur (23) realisierbar ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierstruktur (23) flach ausgebildet und parallel zu den Materiallagen (12) angeordnet ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierstruktur (23) eine mit Perforationen versehene Folie ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus einem metallischen Material oder aus Kunststoff besteht.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und die Anzahl der Perforationen abhängig von deren örtlicher Position auf der Folie variierbar ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierstruktur (23) eine poröse Keramikstruktur ist.
Integrierter Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust in den Querkanälen (17) niedriger ist als der über der Dosierstruktur (23).
Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zuzudosierende Fluid entlang des Reaktionsbereiches (16) variierbar ist.
Integrierter Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des zuzudosierenden Fluids in mehrere Bereiche entlang des Reaktionsbereiches (16) aufteilbar ist.
Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kanalstruktur (20, 21) eine katalytische Beschichtung aufweist.
Integrierter Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander getrennten Kanalstrukturen unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Verfahren zur gezielten Reaktionsführung in einem integrierter Reaktor mit mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Kanalstrukturen zur Führung mindestens zweier Fluidströme, wobei in mindestens einem Fluidstrom innerhalb eines Reaktionsbereiches eine Reaktion stattfindet, die eine Wärmetönung hervorruft, und gleichzeitig eine Wärmeübertragung zwischen den Fluidströmen stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der mindestens zwei Fluidströme über den gesamten Reaktionsbereich verteilt mindestens ein weiteres Fluid zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zuzudosierende Fluid über senkrecht zur Strömungsrichtung der Fluidströme angeordnete Querkanäle geführt wird und dem mindestens einen Fluidstrom über eine flache, mit Perforationen versehene Dosierstruktur zudosiert wird.
Verwendung des integrierten Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur energieeffizienten Verdampfung und Überhitzung für mobile und stationäre Brennstoffzellensystem.
Verwendung des integrierten Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur selektiven Kohlenmonoxid-Oxidation in Brennstoffzellensystemen.