DE10317197A1

DE10317197A1 - Elektrisch beheizter Reaktor und Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur unter Verwendung dieses Reaktors

Info

Publication number: DE10317197A1
Application number: DE2003117197
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr. Gail; Dieter Dr. Bathen; Martin Dr. Bewersdorf; Michael Dr. Rinner; Heiko Mennerich; Robert Dr. Weber
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-04
Also published as: ZA200508311B; WO2004091773A1; CN100381200C; CN1774291A; AU2004229151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten Reaktor (1) zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur. Der Reaktor umfasst einen mit einer Umhüllung (10 bis 13) umgebenen Reaktorblock (2) aus einem oder mehreren monolithischen Modulen (3) aus einem für eine elektrische Beheizung geeigneten Material durch das/die Modul/e reichende und als Reaktionskanäle ausgebildete Kanäle (4) und eine Vorrichtung zum Durchleiten oder Induzieren eines Stroms im Reaktorblock. Die Sicherheit beim Betreiben eines solchen Reaktors wird erfindungsgemäß dadurch erhöht, dass die Umhüllung des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel (13) und mindestens eine Vorrichtung (14) zum Zuführen eines Inertgases in den Doppelmantel umfasst. DOLLAR A Gegenstand ist auch ein Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, wie das BMA-Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff unter Verwendung des Reaktors.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen elektrisch beheizten Reaktor zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, insbesondere einer Temperatur oberhalb 500 °C, wobei der Reaktor einen Reaktorblock aus einem oder mehreren monolithischen Modulen mit als Reaktionsraum ausgebildeten Kanälen umfasst und die Beheizung durch Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung erfolgt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, insbesondere von endothermen Gasreaktionen, unter Verwendung dieses Reaktors.
Zur Durchführung von Reaktionen in der Gasphase, welche in Anwesenheit oder Abwesenheit eines Katalysators bei hohen Temperaturen erfolgen, meistens handelt es sich hierbei um endotherme Gasphasenreaktionen, sind unterschiedliche Reaktoren bekannt. Die Reaktoren unterscheiden sich unter anderem dadurch, wie die Energie auf das umzusetzende Gas oder Gasgemisch übertragen wird, beispielsweise durch die Verbrennungswärme eines Brenngases auf direktem oder indirektem Wege oder mittels elektrischer Energie.
Aus der DE 35 33 385 C1 ist ein Rohrofen zur Durchführung von Gasreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Cyanwasserstoff nach dem BMA-Verfahren bekannt: Der Rohrofen umfasst eine ausgemauerte Heizkammer, in welcher keramische Rohre als Reaktionsräume angeordnet sind. Zur Beheizung sind parallel zu den Rohren elektrische Heizelemente angeordnet, und zudem enthält die Kammer eine innere und eine äußere Strahlwand. Die Heizelemente bestehen aus einem zur Widerstandsbeheizung geeigneten Material. Wesentliche Nachteile eines derartigen Rohrofens sind seine sehr aufwendige Konstruktion und seine Störungsanflälligkeit, weil sowohl die Reaktionsrohre als auch die Heizelemente brechen können und demgemäß zu einer Abstellung der Anlage zwingen.
Im Bestreben den Energiebedarf bei endothermen Gasreaktionen zu vermindern, wurde in der DE 196 53 991 A1 vorgeschlagen, einen monolithischen Gegenstromreaktor zu verwenden, welcher parallel zu einander verlaufende Heizkanäle und Reaktionskanäle enthält. Eine Anregung den monolithischen Reaktor derart auszugestalten, dass der Monolith durch Durchleiten von elektrischem Stroms beheizt wird, lässt sich diesem Dokument nicht entnehmen.
Ein monolithischer Körper mit einer elektrisch beheizten Aktivkohlestuktur und Einrichtungen zum Durchleiten eines fluiden Produktstroms durch die Kanäle des Monolithen ist aus der EP 0 684 071 A1 bekannt. Bei diesem Reaktor befindet sich auf einem elektrisch nicht-leitenden monolithischen anorganischen Substrat, insbesondere einem keramischen Wabenkörper, eine kontinuierliche ununterbrochene Aktivkohleschicht, welche durch Durchleiten eines Stroms beheizt wird. An gegenüberliegenden Seiten enthält der Körper auf der Aktivkohlestuktur Streifen aus einem leitenden Material als Elektroden. Ein derartiger Reaktor kann in Verfahren zur Adsorption und Desorption von Bestandteilen aus einem fluiden Produktstrom Anwendung finden. In diesem Dokument wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der monolithische Reaktor bei max. 350 °C betrieben werden soll, sofern das durchströmende Medium nicht inert ist. Nach der Lehre dieses Dokumentes kommt somit ein derartiger Reaktor nicht in Betracht, wenn Gasreaktionen bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise das bei oberhalb 1000 °C durchgeführte BMA-Verfahren, durchgeführt werden sollen. Ein Problem eines derartigen Reaktors besteht offensichtlich darin, dass bei häufigem Temperaturwechsel die Beschichtung abblättert. Anregungen, wie ein derartiger Reaktor umgestaltet werden muss, um ihn für bei hoher Temperatur durchzuführende Gasreaktionen einsetzbar sicher betreibbar zu machen, lassen sich diesem Dokument nicht entnehmen.
Eine andere Art der Beheizung eines Reaktors zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur ist aus der GB-Patentschrift 1 238 468 bekannt: In einem behälterförmigen Reaktor sind zwei gegenüberliegende Elektroden angeordnet, und zwecks Beheizung wird durch das im Reaktor angeordnete Katalysatorbett aus elektrisch leitfähigen Partikeln Strom geleitet. Einen ähnlichen Festbettreaktor lehrt die WO 02/45837 A2, wobei der Reaktor konzentrisch ineinander stehende Elektroden aufweist und zwischen diesen ein Fluid durchströmbares Festbett aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet ist. Als Einsatzgebiet werden das BMA-Verfahren und Reformierungsprozesse genannt. Während Gasreaktionen bei einer Temperatur von unter 900 °C in einem derartigen Reaktor mit einem zur Widerstandbeheizung geeigneten Festbett in befriedigender Weise ausgeführt werden können, treten bei höheren Temperaturen und insbesondere bei Reaktionen in welchen Wasserstoff anwesend ist, zunehmend Probleme auf: Wenn das Festbett, wie in diesem Dokument vorgeschlagen, aus einer Mischung aus einem leitenden und einem nicht-leitenden oder halb-leitenden Material besteht, kann es zu Strömungen in der Stromleitung kommen.
Gemäß WO 95/21126 kann ein Reaktor für eine Gesphasenreaktion in Gegenwart eines aus Teilchen gebildeten Katalysator-Festbetts auch induktiv beheizt werden. In der vorliegenden Anmeldung wird eine induktive Beheizung wegen des höheren technischen Aufwands, unter anderem für die erforderliche Abschirmung, weniger bevorzugt.
Gemäß NL-Patent 121 661 lässt sich Cyanwasserstoff aus Ammoniak und Methan bei 1600 °C bis 2500 °C erzeugen, wenn die Umsetzung in einem rohrförmigen Graphitreaktor durchgeführt wird, vorzugsweise in Gegenwart eines Verdünnungsgases, wie Wasserstoff. Die erforderliche Reaktionstemperatur wird durch Widerstandsbeheizung des Graphitrohrs bewirkt. Das Graphitrohr ist von einem Ende zum anderen Ende isoliert und mit einer leitfähigen Umhüllung, welche mit dem Rohr verbunden ist, umgeben. Die durch die hohen Betriebstemperaturen bedingten technischen Schwierigkeiten machen dieses Verfahren für eine großtechnische Anlage wenig attraktiv.
Auch in dem in der WO 96/15983 beschriebenen Reaktor zur Herstellung von Cyanwasserstoff nach dem BMA-Verfahren wird die erforderliche Energie durch Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung der verwendeten Reaktionsrohe aus Graphit oder eines Graphitblocks mit Bohrungen als Reaktionskanälen bewirkt. Anstelle von Graphit können auch andere leitfähige Materialien oder eine Beschichtung aus solchen Materialien verwendet werden. Zudem können die Reaktionsrohre oder die Bohrungen mit einem Katalysator belegt sein. Der Reaktionsrohre bzw. Reaktionskanäle aufweisende Reaktorblock wird von einer Isolationsschicht aus Aluminiumoxid-Wolle und einem Reaktorgehäuse aus Stahl umgeben. Bei der Anwendung eines derartigen Reaktors zur Herstellung von Cyanwasserstoff aus Methan und Ammoniak traten beim Schutzrechtsinhaber erhebliche sicherheitsrelevante Probleme, auf die einem weiteren Betrieb des Reaktors entgegen standen. Dieser vorbekannte Reaktor muss demgemäß in mehrfacher Hinsicht verbessert werden, um darin eine sichere Produktion von Cyanwasserstoff zu ermöglichen.
Eine weitere Klasse von Reaktoren, welche elektrisch beheizt werden, basieren darauf, dass im Reaktor ein Plasma erzeugt wird. Derartige Reaktoren sind für einen großtechnischen Einsatz wegen des hohen technischen Aufwands von geringem Interesse. Reaktoren und Verfahren in welchen ein Plasma zur Erhitzung des gasförmigen Mediums erzeugt wird, werden daher aus der weiteren Betrachtung und dem Schutzumfang des vorliegenden Erfindungsgegenstands ausgeschlossen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten elektrisch beheizbaren Reaktor zur sicheren Durchführung von Gasreaktionen bei höher Temperätur, insbesondere einer Temperatur oberhalb 500 °C und vorzugsweise oberhalb 900 °C aufzuzeigen, womit die Nachteile der aufgezeigten vorbekannten Reaktoren zumindest in einem Punkt überwunden werden.
Eine weitere Aufgabe richtet sich darauf, einen Reaktor mit kanalförmigen Reaktionsräumen aufzuzeigen, der auch bei einer Reaktionstemperatur oberhalb 900 °C in Gegenwart von Wasserstoff als Reaktionspartner sicher betrieben werden kann.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen gattungsgemäßen Reaktor aufzuzeigen, der einen einfachen Aufbau aufweist, wenig reparaturanfällig ist und in einfacher Weise an eine gewünschte Produktionskapazität anpassbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors sollte sich dieser leicht in eine Anlage zur Durchführung einer Gasreaktion zwecks Gewinnung eines Reaktionsgases und Aufarbeitung desselben, integrieren lassen. Sofern bei der Gasreaktion außer dem gewünschten Reaktionsgas, wie beispielsweise Cyanwasserstoff, zusätzlich Wasserstoff als Gas gebildet wird, sollte der Reaktor so in die Anlage integriert werden können, dass der Wasserstoff in einem Verbundsystem zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zur Gewinnung des Reaktionsgases genutzt werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung stellten fest, dass im Gegensatz zu Reaktoren, in welchen die Gasreaktion in einem dicht gebrannten keramischen Reaktionsrohr stattfindet, in Reaktoren aus einem leitfähigen Material, wie Graphit, sicherheitstechnische Probleme entstehen, weil dieser Werkstoff sowie andere Werkstoffe wie sie für eine Widerstandsbeheizung bekannt sind, nicht ausreichend gasdicht sind. Da die um den bei hoher Temperatur betriebenen Reaktor angeordneten isolierenden Materialien in der Regel gleichfalls nicht gasdicht sind, kann es zu kritischen Situationen kommen, wenn die Außenhaut des Reaktors beschädigt wird oder anderweitig nicht ausreichend abgedichtet ist.
Es wurde gefunden, dass sich die aufgezeigten Probleme in einfacher Weise dadurch lösen lassen, dass die Reaktorumhüllung als Doppelmantel ausgebildet ist, welcher mit einem Inertgas gefüllt ist oder vorzugsweise von einem Inertgas durchströmt wird. Durch kontinuierliche Analyse der Zusammensetzung des durch den Doppelmantel strömenden Inertgases lässt sich sofort erkennen, ob ein Gas aus dem Reaktionsraum in den Doppelmantel eintritt oder der Doppelmantel von außen verletzt wurde und somit Luft eintritt. Sobald sich die Zusammensetzung des Inertgases im Doppelmantel ändert, wird der Fachmann die notwenigen Maßnahmen ergreifen, um sicherheitsbedenkliche Zustände zu vermeiden.
Gefunden wurde ein elektrisch beheizter Reaktor zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, umfassend einen mit einer Umhüllung umgebenen Reaktorblock aus einem oder mehreren monolithischen Modulen aus einem für eine Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung geeigneten Material, als Reaktionsraum ausgebildete Kanäle, die von einer auf die gegenüberliegende Seite des Reaktorblocks reichen, je eine Vorrichtung zum Zuführen und zum Abführen eines gasförmigen Mediums zu/aus den Kanälen und mindestens zwei mit einer Stromquelle und dem Reaktorblock verbundene Elektroden zum Durchleiten eines Stroms durch den Reaktorblock oder eine Vorrichtung zum Induzieren eines Stroms im Reaktorblock, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umhüllung des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel mit mindestens einer Vorrichtung zum Zuführen eines Inertgases in den Doppelmantel umfasst.
Die Unteransprüche des elektrisch beheizten Reaktors richten sich auf bevorzugte Ausführungsformen desselben und schließen Anlagen ein, in welche der Reaktor integriert ist. Besonders bevorzugt weist der Doppelmantel eine Vorrichtung zum Zuführen eines Inertgases und eine weitere zum Abführen desselben auf, so dass der Doppelmantel von dem Inertgas durchströmt werden kann.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erleutert:
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen elektrisch beheizbaren Reaktor mit einem vier monolithische Module umfassenden Reaktorblock, einer mehrschichtigen Umhüllung einschließlich eines erfindungsgemäßen inertgasdurchströmten Doppelmantels.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Reaktorblock aus acht monolitischen Modulen, wobei die als Reaktionsräume ausgebildeten parallel angeordneten Kanäle jeweils durch sämtliche Module reichen.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein monolithisches Modul und lässt die senkrecht zur Darstellung verlaufenden Reaktionskanäle erkennen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage, wonach gasförmige Einsatzstoffe in einem erfindungsgemäßen Reaktor umgesetzt werden, ein Wertstoff des Reaktionsgases in ein Folgeprodukt überführt, ein weiterer Wertstoff, nämlich ein Brenngas, von Restgasen befreit und dann in einer Brennstoffzelle verbrannt und der dabei gewonnene Strom zur Beheizung des erfindungsgemäßen Reaktors verwendet wird.
Der in 1 gezeigte Reaktor (1) umfasst einen Reaktorblock (2) aus mehreren übereinander angeordneten monolithischen Modulen (3), durch welche eine Vielzahl von parallelen Reaktionskanälen (4) reichen. Ein Reaktorblock kann ein oder mehrere monolithische Module aufweisen, besonders bevorzugt enthält er aber, wie in 1 sowie in 2 dargestellt, mehrere übereinander angeordnete Module, wobei die Reaktionskanäle durch sämtliche Module reichen. Die Anzahl der übereinander angeordneten Module richtet sich nach der erforderlichen Reaktionsdauer des umzusetzenden Gases oder Gasgemisches, sowie der gewünschten Kapazität des Reaktors. Eine Kapazitätssteigerung ist möglich, indem ein oder mehrere Module einem Reaktorblock hinzugefügt werden und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des umzusetzenden Gases erhöht wird.
Im Prinzip lassen sich mehrere übereinander angeordnete Module oder parallel nebeneinander angeordnete Module zu einem Reaktorblock anordnen. Der Querschnitt der Module ist im wesentlichen frei wählbar. Besonders geeignet sind Module mit einem runden, rechteckigen oder sechseckigen Querschnitt. Die Höhe eines einzelnen Moduls ist gleichfalls frei wählbar. Bei runden Modulen liegt das Verhältnis des Durchmessers zur Höhe im allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 5, bevorzugt im Bereich von 1 bis 4.
Jeder monolithische Modul enthält mindestens einen, vorzugsweise aber viele Reaktionskanäle, welche von einer Seite des Moduls bis auf die gegenüberliegende Seite reichen. Vorzugsweise sind die Kanäle parallel zueinander angeordnet. Eine andere Anordnung, beispielsweise eine solche, in welcher mehrere Rohre geneigt zueinander verlaufen, wird jedoch nicht ausgeschlossen.
Gemäß einer Ausführungsform bei welcher mehrere gleich ausgebildete Module übereinander angeordnet sind, wird die Zentrierung und damit die Durchgängigkeit der Kanäle (4) durch beispielsweise Führungsstifte (16) oder eine spezielle Ausgestaltung der unteren und oberen Randzone jedes Moduls im Sinne eines Ineinandergreifens nach dem Nut-Feder-Prinzip bewirkt. Um eine möglichst gleichmäßige flächige Kontaktierung zwischen den einzelnen-Modulen zu gewährleisten, werden die aufeinander liegenden Grenzflächen möglichst glatt ausgebildet.
Gemäß einer alternativen Ausbildungsform des Reaktorblocks grenzen übereinander angeordnete Module nicht unmittelbar aneinander, sondern über ein dazwischen liegendes Dichtungselement. Dieses Dichtungselement kann elektrisch leitend oder isolierend sein und ist so ausgebildet, dass das aus den Kanälen eines ersten Moduls austretende Gasgemisch in die Kanäle eines gegenüber angeordneten zweiten Moduls eintreten kann. Beispielsweise ist das Dichtungselement derart ausgebildet, dass es zu den Modulen korrespondierende Bohrungen aufweist. Gemäß einer Alternative ist das Dichtungelement als Beschichtung zwischen zwei Modulen ausgebildet. Eine elektrisch leitende Beschichtung lässt sich z.B. durch Auftragen einer Paste aus z.B. Graphit- oder/und Metallpartikeln in einem Suspensionsmedium erzeugen, wobei es sich bei den Partikeln bevorzugt um Nanopartikel handelt. Geeignete Metallpartikel bestehen z.B. aus Elementen der 8. und 1. Nebengruppe des Periodensystems und Legierungen davon. Zweckmäßigerweise wird das Dichtungselement einen Schmelzpunkt oberhalb der Betriebstemperatur aufweisen. Nach dem Beschichten und übereinander Anordnen der Module wird das Suspensionsmedium durch Erhitzen verdampft.
Zur bevorzugten Widerstandbeheizung des Reaktorblocks befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten geeignet ausgebildete Elektroden (8 und 8'), welche über die Stromzuführungen (9) mit Strom versorgt werden. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform liegen die monolithischen Module unmittelbar übereinander, so dass der Strom durch alle Module fließt und dabei den Block erwärmt. Sofern die Module einen runden Querschnitt aufweisen, ist es zweckmäßig, die Elektroden am obersten und untersten Modul anzuordnen, wobei die Elektroden ringförmig oder in Form von Platten mit Kanalöffnungen ausgebildet sind. Bei einem rechteckigen Querschnitt der Module ist es üblich, die Elektroden plattenförmig auszubilden. Die Elektroden müssen einen engen Kontakt zur entsprechenden Oberfläche des kontaktierten Moduls aufweisen. Dies ist beispielsweise möglich durch Druckkontakt mittels einer Feder oder durch das Eigengewicht mehrerer aufeinander angeordneter Module. Es kann zweckmäßig sein, zwischen den Elektroden und den kontaktierten Modulen eine Beschichtung aus einem leitenden Material anzuordnen um einen besseren Kontakt zu gewährleisten. Sofern ein Reaktorblock aus mehreren Modulen mit dazwischen angeordneten isolierenden Dichtungselementen aufgebaut ist, muss jeder monolithische Modul mit entsprechenden Elektroden und Stromzuführungen ausgestattet sein oder geeignete Kontaktierelemente zwischen einem ersten Modul und einem benachbarten Modul aufweisen. Eine Ausführungsform, wonach einzelne Module oder Gruppen von Modulen mit Strom versorgt werden, ist es möglich, in dem Reaktorblock ein spezifisches Temperaturprofil zu fahren.
Zweckmäßigerweise bestehen die Elektroden aus einem in der Fachwelt üblichen hochtemperaturstabilen Elektrodenmaterial, beispielsweise einem Elektrodengraphit.
Der Materialauswahl für die monolithischen Module kommt eine besondere Bedeutung zu. Durch die Materialwahl, wobei es sich um einen einheitlichen Stoff oder um ein Stoffgemisch handeln kann, ist es möglich, Module mit einem solchen spezifischen Widerstand zu erhalten, womit die gewünschten Reaktionstemperaturen durch eine Ohmsche Widerstandsbeheizung leicht erhältlich sind. Somit bestehen die Module aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einem spezifischen Widerstand von größer 1 μΩ·m bis etwa oder sogar über 1000 μΩ·m, insbesondere größer 10 μΩ·m und besonders bevorzugt 15 bis 100 μΩ·m. Die angegebenen spezifischen Widerstände beziehen sich auf das volle Material. Der spezifische Widerstand des Moduls steigt mit der Anzahl Kanäle an, weil der effektive Querschnitt abnimmt.
Beispiele für geeignete Materialien für die Module sind Graphit, Ruß, Carbide und Nitride, insbesondere solche von Silicium und Titan. Durch Kombination derartiger Stoffe mit einem nicht-leitenden oder halb-leitenden Material lassen sich die spezifischen Widerstände weiter erhöhen, sofern die Mischungen sehr homogen und gut zusammengesintert sind.
Der Reaktorblock ist im wesentlichen vollständig von einer Umhüllung umgeben, wobei diese auch der Wärmeisolierung dient. Die Wärmeisolierung umfasst eine oder mehrere Schichten, wobei sich die Stoffauswahl der Isolierschicht nach dem gewünschten Temperaturbereich richtet. In der beispielhaften Ausführungsform in 1 weist der Reaktorblock eine dreischichtige Umhüllung auf, nämlich eine Isolierschicht 1, 2 und 3 (10, 11, 12). Die Materialsauswahl für die Isolierschichten sowie die Dicke der Schichten richten sich nach den Ausdehnungskoeffizienten der gewählten Materialien und dem angestrebten Temperaturprofil innerhalb der Wärmeisolierung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Isolierschicht 1 um ein flexibles Material, beispielsweise um ein Graphitfaser- oder Mineralfaserflies oder eine Fasermatte aus solchen Materialien, womit den Ausdehnungskoeffizienten sowohl des Reaktorblocks als auch der Isolierschicht 2 Rechnung getragen werden kann und es damit zu keinen Brüchen kommt. Die Isolierschichten 2 und 3 können aus bekannten wärmeisolierenden Materialien, darunter leichte Steine und Vakuumformsteine erzeugt worden sein. Zweckmäßigerweise befindet sich auf der Eingangsseite sowie der Ausgangsseite der Kanäle des Reaktorblocks eine Vorrichtung zur Strahlungsabschirmung (7 und 7').
Ein erfindungswesentliches Element des Reaktors besteht darin, dass die Umhüllung des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel aus einem gasundurchlässigen Material aufweist. Dieser Doppelmantel (13) weist mindestens eine Vorrichtung (14) zum Zuführen eines Inertgases und vorzugsweise eine weitere Vorrichtung (15) zum Abführen desselben auf. Diese Vorrichtungen sind derart am Doppelmantel angeordnet, dass innerhalb des Doppelmantels ein konstanter Druck gehalten werden kann oder dass der gesamte Doppelmantel gleichförmig von einem Inertgas durchströmt werden kann. Es ist nicht zwingend, dass sich der Doppelmantel als äußerste Reaktorwand auf den darunter liegenden Isolierschichten befindet, vielmehr kann sich der Doppelmantel auch zwischen zwei Isolierschichten befinden.
Es wurde festgestellt, dass das Material aus welchen die Module gefertigt sind, in der Regel nicht vollständig gasdicht ist, so dass ein Austritt von Gas durch die Seitenwand der Module möglich ist. Dieser Gasaustritt birgt erhebliche Risiken, wenn es sich bei dem Gas oder Gasgemisch um brennbare und/oder toxische Gase handelt. Da der erfindungsgemäße Reaktor zur Durchführung von Gasreaktionen, insbesondere endothermen Gasreaktionen wie Reformierungsprozesse und das BMA-Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff, konzipiert ist, enthält das Reaktionsgas auch Wasserstoff. Da die zur Erzeugung der wärmeisolierenden Umhüllung des Reaktorblocks verwendeten Werkstoffe in der Regel eine hohe Porosität aufweisen, sind auch diese Stoffe nicht gasdicht. Der erfindungsgemäße Doppelmantel wirkt somit einerseits als Diffusionssperre und erhöht andererseits die Sicherheit des Betriebs, da auch bei einer Verletzung der äußeren Wand des Doppelmantels Luftsauestoff nicht unmittelbar mit dem durch die Isolierung getretenen Reaktionsgas in Kontakt treten und ein explosives Gasgemisch erzeugen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zusammensetzung des aus dem Doppelmantel austretenden Inergases kontinuierlich kontrolliert, so dass sofort eine Verletzung des Doppelmantels – sei es die Innenwand oder die Außenwand – erkannt und eine entsprechende Maßnahme zur Schadensvermeidung ergriffen werden kann. Durch das erfindungsgemäße Merkmal ist ein sicherer Betrieb des Reaktors möglich. Anstelle des Durchleitens eines Inergases durch den Doppelmantel ist es auch möglich, im Doppelmantel ein Inertgas unter einem erhöhten oder verminderten Druck zu halten und den Druck zu kontrollieren. Da sich bei dieser Ausführungsform nicht unmittelbar erkennen lässt, ob die Innenseite oder die Außenseite des Doppelmantels verletzt ist, wird diese Ausführungsform weniger bevorzugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Reaktors befindet sich unmittelbar auf dem Reaktorblock oder auf einer der weitere innen liegenden Isolierschichten der Umhüllung eine Gas-Diffusionssperre aus einem gasdichten Material. Durch eine derartige Gas-Diffusionssperre, welche sowohl eine geschlossene Metallumhüllung sein kann, als auch eine dichte Beschichtung, wird ein zusätzlicher Sicherheitsgewinn erzielt.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Doppelmantel derart ausgebildet, dass die innere Wand die Funktion der Gas-Diffusionssperre und die äußerste Wand des Reaktors gleichzeitig die äußere Wand des Doppelmantels darstellt.
Die monolithischen Module enthalten in der Regel eine Vielzahl von durchgehenden Kanälen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Durchmesser der Kanäle im Bereich von 2 bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 mm. Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors, dass auf engem Raum sehr viele Kanäle angeordnet werden können und somit die Raum-Zeit-Ausbeute der unter Verwendung dieses Reaktors durchzuführenden Gasreaktionen jeweils sehr hoch sind. Vorbekannte Reaktoren, in welchen die Reaktionen in keramischen Rohren erfolgt, wobei die Beheizung entweder elektrisch oder durch Verbrennung eines Brenngases erfolgt, weisen eine wesentlich niedrigere Raum-Zeit-Ausbeute auf.
Soweit die Gasreaktion in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden soll, ist es zweckmäßig, die Kanäle der Module mit einem wirksamen Katalysator zu belegen. Der zu verwendende Katalysator richtet sich nach der angestrebten Gasreaktion. Bei Reformierungsverfahren werden demgemäß vorzugsweise oxidische Katalysatoren verwendet, bei dem BMA-Verfahren zu Herstellung von Cyanwasserstoff Katalysatoren aus der Reihe von Platin, Platinverbindungen, Platin-Gold-Legierungen sowie Nitriden von Leichtmetallen, insbesondere Aluminiumnitrid, wobei die Nitride auch in situ aus den entsprechenden Metallen und dem in der Reaktion aus Ammoniak gebildeten Stickstoff gebildet worden sein können.
Ein Reaktor zum Betreiben des BMA-Verfahrens im technischen Maßstab umfasst beispielsweise 4 – 10 übereinander angeordneten Module, deren Höhe 25 cm und deren Durchmesser 46 cm beträgt und welche 2200 Bohrungen (= Kanäle) mit einer Weite von 5 mm aufweisen.
Neben der hohen Raum-Zeit-Ausbeute ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors, dass der Reaktorblock einen einfachen Aufbau aufweist und keine bruchempfindlichen einzelnen keramischen Rohre enthält.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung richtet sich auf eine Anlage, zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Gases, welche neben dem erfindungsgemäßen Reaktor zusätzlich eine Vorrichtung zur Aufarbeitung des Reaktionsgases umfasst. Eine derartige Anlage kann auch einen Wärmeaustauscher umfassen, in welchem die einzusetztenden Gase oder ein Gasgemisch vor dem Eintritt in den Reaktor durch das aus dem Reaktor austretende Reaktionsgas vorerhitzt wird. Der Wärmetauscher kann nach dem Regenerativ- oder dem Rekuperativprinzip ausgebildet sein.
Die Vorrichtung zur Aufarbeitung des Reaktionsgases richtet sich maßgeblich nach der Zusammensetzung desselben sowie nach den Zielprodukten der aus einzelnen Bestandteilen des Reaktionsgases erzeugten Wertstoffe. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung des BMA-Verfahrens zur Herstellung von Cyanwasserstoff umfasst die Vorrichtung zur Auf- und Weiterverarbeitung des Reaktionsgasgemisches eine Absorption des Cyanwasserstoffs in einem wässrigen Medium oder eine Kondensation des Cyanwasserstoffs. Durch Absorption des Cyanwasserstoffs aus dem Reaktionsgas in einer Alkali- oder Erdalkalilauge lässt sich eine Alkalicyanid- bzw. Erdalkalicyanidlauge, wie insbesondere Natriumcyanid- bzw. Calciumcyanidlauge erhalten, wie sie im Bergbau in Laugungsprozessen zur Goldgewinnung üblich sind. Nach der Absorption des Cyanwasserstoffs verbleibt ein überwiegend Wasserstoff enthaltendes Gas, das unmittelbar oder nach weiterer Aufreinigung weiteren Verwendungen, darunter einer Brennstoffzelle zwecks Stromversorgung, zugeführt werden kann. Bei der Kondensation des Reaktionsgases lässt sich in an sich bekannter Weise flüssiger Cyanwasserstoff gewinnen, welcher zur Herstellung von weiteren Folgeprodukten verwendet werden kann.
4 zeigt eine Anlage, welche die zuvor genannten Merkmale aufweist und in besonderer Weise zur Durchführung des BMA-Verfahrens geeignet ist. Die Anlage umfasst den erfindungsgemäßen Reaktor (1), einen Wärmeaustauscher (17) zur Vorerwärmung der umzusetzenden Gase (18 und 19), eine Leitung des vorerhitzten Gasgemischs (20), welches im Reaktor (1) umgesetzt wird. Das den Reaktor verlassende Reaktionsgas gelangt über eine Leitung (21) in den Wärmetauscher (17) um dort einen Teil der Wärme abzugeben. Das teilweise abgekühlte Reaktionsgas gelangt über eine Leitung (22) in die Aufarbeitungsvorrichtung (23). Über Leitung (25) werden für die Aufarbeitung erforderliche Hilfsstoffe zugeführt, beispielsweise eine Alkali- oder Erdalkalilauge im Falle der Herstellung eines Alkali- oder Erdalkalicyanids aus einem HCN enthaltenden Reaktionsgas. Die Reaktionsprodukte aus der Aufarbeitung des Cyanwasserstoff enthaltenden Reaktionsgases, also eine Alkalicyanid- oder Erdalkalicyanidlauge oder flüssiger Cyanwasserstoff wird über Leitung (24) aus dem System ausgeschleust. Das bei der Aufarbeitung verbleibende Gas, dessen Hauptbestandteil aus Wasserstoff besteht, wird in einer Vorrichtung (27) zur Reinigung des Gases in einen Wasserstoffstrom (28) und einen Restgasstrom (29) aufgetrennt. Der gereinigte Wasserstoffstrom gelangt in eine Brennstoffzelle (30), worin er zu Wasser verbrannt wird und wobei das entstehende Wasser über eine Leitung (31) in die Aufarbeitungsstufe (23) zurückgeführt werden kann. Der in der Brennstoffzelle gewonnene Strom wird über eine elektrische Leitung (32) dem elektrisch beheizbaren Reaktor zugeführt. In dem dargestellten geschlossenen System wird somit ein großer Teil der erforderlichen Energie zur Durchführung der endothermen Gasreaktion durch die Verbrennung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle gewonnen. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine andere Verwendungsmöglichkeit für den als Nebenprodukt gebildeten Wasserstoff besteht.
Der erfindungsgemäße Reaktor sowie eine diesen enthaltende Anlage lässt sich, wie zuvor bereits angesprochen, in Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hohen Temperaturen, insbesondere endothermen Reaktionen bei mehr als 500 °C und insbesondere mehr als 900 °C verwenden. Sofern es sich bei der Gasreaktion um eine reine Pyrolyse handelt, wird dem Reaktor das zu pyrolysierende Gas oder ein dieses enthaltendes Gasgemisch zugeführt. Bei Gasreaktionen, bei welchen mindestens zwei Gase miteinander umgesetzt werden, werden dem Reaktor mindestens die umzusetzenden Gase zugeführt, und bei Bedarf kann das Gasgemisch zusätzlich unter den Reaktionsbedingungen inerte Gase enthalten. Je nach dem Reaktionstypus kann das Verfahren in An- oder in Abwesenheit eines wirksamen Katalysators durchgeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Ammoniak und ein niederer Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, in Gegenwart eines geeigneten Katalysators für das BMA-Verfahren bei 1100 bis 1200 °C zu Cyanwasserstoff und Wasserstoff umgesetzt.
Ein weiteres Verfahren richtet sich auf Reformierungsprozesse, in welchen ein Brennstoff, wie Methanol, in Gegenwart von Wasserdampf in Wasserstoff und CO₂ überführt wird und der Wasserstoff zur Gewinnung elektrischer Energie einer Brennstoffzelle zugeführt werden kann.

1: Reaktor
2: Reaktorblock
3: Monolithischer Modul
4: Kanäle (Reaktionsraum)
5: Gaseintritt (umzusetzendes Gasgemisch)
6: Gasaustritt (Reaktionsgemisch)
7, 7': Strahlungsabschirmung
8, 8': Elektrode (ringförmig)
9: Stromzuführung
10: Isolierschicht 1
11: Isolierschicht 2
12: Isolierschicht 3
13: Behälterwand (Doppelmantel)
14: Inertgaszuführung
15: Inertgasabführung
16: Führungsstift
17: Wärmaustauscher
18: Gaszuführung (Gas 1)
19: Gaszuführung (Gas 2)
20: Gasgemischaustritt
21: Reaktionsgasleitung in 17
22: Reaktionsgasleitung aus 17
23: Vorrichtung zur Aufarbeitung
24: Zuführung von Hilfsstoffen
25: Austrag von Reaktionsprodukten
26: Leitung zur Vorrichtung 27
27: Vorrichtung zur Gastrennung
28: Brennleitung (H₂)
29: Restgasaustrag
30: Brennstoffzelle
31: Wasserleitung
32: Stromzufuhrleitung aus Brennstoffzelle zum Reaktor

Claims

Elektrisch beheizter Reaktor (1) zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, umfassend einen mit einer Umhüllung (10 bis 13) umgebenen Reaktorblock (2) aus einem oder mehreren monolithischen Modulen (3) aus einem für eine Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung geeigneten Material, als Reaktionsraum ausgebildete Kanäle, die von einer auf die gegenüberliegende Seite des Reaktorblocks reichen, je eine Vorrichtung zum Zuführen und zum Abführen eines gasförmigen Mediums (5 und 6) zu/aus den Kanälen und mindestens zwei mit einer Stromquelle und dem Reaktorblock verbundene Elektroden (8, 8') zum Durchleiten eines Stroms durch den Reaktorblock oder eine Vorrichtung zum Induzieren eines Stroms im Reaktorblock, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel (13) und mindestens eine Vorrichtung (14) zum Zuführen eines Inertgases in den Doppelmantel umfasst.
Elektrisch beheizter Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelmantel eine Vorrichtung zum Abführen (15) des Inertgases aufweist, wobei diese vorzugsweise mit einer Vorrichtung zur Gasanalyse in Verbindung steht.
Elektrisch beheizter Reaktor nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorblock mehrere unmittelbar oder mittels eines Dichtungselements in einem Abstand übereinander oder nebeneinander angeordnete monolithische Module umfasst und die Kanäle derart angeordnet sind, dass ein auf einer Seite des Reaktorsblocks zugeführtes, gasförmiges Medium, durch alle Module strömen und auf der gegenüberliegenden Seite des Reaktorblocks austreten kann.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Modulen Dichtungselemente aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet sind, die Kanalausgänge eines ersten Moduls den Kanaleingängen eines benachbarten Moduls gegenüberliegend und die Dichtungselemente korrespondierende Kanalöffnungen aufweisen.
Elektrisch beheizter Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder beheizte Modul zwei Elektroden zum Durchleiten eines Stroms aufweist.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Umhüllung eine oder mehrere wärmeisolierende Schichten und eine Gas-Diffusionssperre umfasst.
Elektrisch beheizter Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Diffusionssperre eine gasdichte Beschichtung oder ein dicht gebranntes keramisches oder glasiges Material ist.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Module aus einem leitfähigen Material mit einem spezifischen Widerstand von größer 1 μΩ·m, insbesondere größer 10 μΩ·m und besonders bevorzugt 15 bis 50 μΩ·m bestehen.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle zumindest teilweise eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten des Reaktorblocks, an welchen die Kanäle ein- bzw. austreten, eine Vorrichtung zur Strahlungsabschirmung (7, 7') angeordnet ist.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Module aus Isoliergraphit und die Elektroden aus Elektrodengraphit bestehen, wobei bei runden zylinderförmigen Modulen die Elektroden ringförmig oder in Form gelochter Platten und bei quaderförmigen Modulen plattenförmig ausgebildet sind.
Elektrisch beheizter Reaktor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er in eine Anlage integriert ist, welche eine Vorrichtung zur Aufarbeitung (23) des aus dem Reaktor austretenden gasförmigen Mediums (Reaktionsgase) umfasst, wobei die Vorrichtung zum Abführen des gasförmigen Mediums über eine Gasleitung (21) mit der Vorrichtung zur Aufarbeitung in Verbindung steht.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er in eine Anlage integriert ist, welche einen Wärmeaustauscher (17) umfasst, durch welchen das umzusetzende gasförmige Medium vor der Zuführung desselben in die Kanäle des Reaktors zwecks Erhitzung und durch welchen das aus dem Reaktor abgeführte Reaktionsgas zwecks Abkühlung geleitet werden.
Elektrisch beheizter Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass er in eine Anlage integriert ist, welche eine Vorrichtung zur Aufarbeitung (23) des aus dem Reaktor austretenden gasförmigen Mediums (= Reaktionsgas), Abtrennung eines darin enthaltenden Brennstoffgases (29), umfasst und zusätzlich eine Brennstoffzelle (30) zur Verbrennung des Brennstoffgases, wobei die Brennstoffzelle als Stromquelle zur Beheizung des Reaktors (1) geschaltet ist.
Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, insbesondere endothermen Reaktionen bei einer Temperatur von mehr als 500 °C, wobei mindestens zwei miteinander umzusetzende Gase bei wirksamer Reaktionstemperatur in An- oder Abwesenheit eines Katalysators durch einen Reaktor geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass man die Gasreaktion in einem Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 durchführt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gasreaktion um die Bildung von Cyanwasserstoff und Wasserstoff aus Ammoniak und einem niederen Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, handelt (BMA-Verfahren).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Reformierungsprozess handelt, wobei aus einem Brennstoff, wie Methanol, Wasserstoff gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass man aus dem Reaktionsgas Wasserstoff abtrennt, diesem in einer Brennstoffzelle unter Gewinnung von elektrischer Energie mit Luft verbrennt und die gewonnene elektrische Energie zum Beheizen des Reaktors verwendet.