AT522323A4 - Membrane reactor - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Membranreaktor mit einem ein Gehäuse (1) durchsetzenden, einen Katalysator (17) aufnehmenden Strömungskanal (7) für ein Prozessgas (9) und mit einem Strömungsweg für ein Permeat (15) beschrieben, der vom Strömungskanal (7) für das Prozessgas (9) durch eine für das Permeat (15) durchlässige Membran (13) getrennt ist. Um vorteilhafte Konstruktionsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (1) aus einzelnen Gehäusemodulen (2, 3, 4) zusammengesetzt ist, die den von Gehäusemodul (2, 3, 4) zu Gehäusemodul (2, 3, 4) durchgehenden Strömungskanal (7) für das Prozessgas (9) bilden und an eine Sammelleitung (14) für das Permeat (15) angeschlossene, quer zum Strömungskanal (7) ausgerichtete Hohlkörper (12) als Träger für die Membran (13) aufweisen.A membrane reactor is described with a flow channel (7) for a process gas (9), which passes through a housing (1) and accommodates a catalyst (17), and with a flow path for a permeate (15) leading from the flow channel (7) for the process gas (9) is separated by a membrane (13) which is permeable to the permeate (15). In order to create advantageous design conditions, it is proposed that the housing (1) be composed of individual housing modules (2, 3, 4) which form the flow channel running through the housing module (2, 3, 4) to the housing module (2, 3, 4) (7) for the process gas (9) and have hollow bodies (12) connected to a collecting line (14) for the permeate (15) and aligned transversely to the flow channel (7) as a carrier for the membrane (13).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Membranreaktor mit einem ein Gehäuse durchsetzenden, einen Katalysator aufnehmenden Strömungskanal für ein Prozessgas und mit einem Strömungsweg für ein Permeat, der vom Strömungskanal für das Prozessgas durch eine für das Permeat durchlässige The invention relates to a membrane reactor with a flow channel for a process gas that extends through a housing and accommodates a catalyst, and with a flow path for a permeate, which flows from the flow channel for the process gas through a flow channel for the permeate
Membran getrennt ist. Membrane is separated.
Um die mit der Lagerung von Wasserstoff beispielsweise als Treibstoff für Schiffsantriebe verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, Methanol, das eine hohe Energiedichte besitzt und eine unbegrenzte Lagerung ohne Verluste erlaubt, als flüssigen, gut handhabbaren Wasserstoffspeicher einzusetzen. In einem Membranreaktor wird ein verdampftes Methanol-Wassergemisch als Prozessgas in einer katalytischen Reaktion im Wesentlichen in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt, wobei der Wasserstoff die Hauptkomponente des Permeats und das Kohlenmonoxid die Hauptkomponente des Retentats bilden. Das im Wesentlichen aus Methanol und Wasser gebildete Prozessgas wird durch einen mit einem Katalysator bestückten Rohrkanal geleitet, dessen Mantel als poröser Träger für die Membran dient. Das durch den die Membran durchsetzenden Wasserstoff gebildete Permeat wird im Gegenstrom zum Prozessgas durch den Ringspalt zwischen dem Rohrkanal und dem den Rohrkanal In order to avoid the difficulties associated with the storage of hydrogen, for example as a fuel for ship propulsion, it has already been proposed to use methanol, which has a high energy density and allows unlimited storage without losses, as a liquid, easily manageable hydrogen storage device. In a membrane reactor, a vaporized methanol-water mixture is converted as a process gas in a catalytic reaction essentially into hydrogen and carbon dioxide, the hydrogen forming the main component of the permeate and the carbon monoxide the main component of the retentate. The process gas, which is essentially formed from methanol and water, is passed through a tubular channel equipped with a catalyst, the jacket of which serves as a porous carrier for the membrane. The permeate formed by the hydrogen penetrating the membrane is countercurrent to the process gas through the annular gap between the pipe channel and the pipe channel
mit Abstand umschließenden Reaktorgehäuse abgezogen. at a distance surrounding the reactor housing removed.
Nachteilig bei diesen Membranreaktoren ist, dass sich entlang des axialen Strömungswegs des Prozessgases durch den Rohrkanal die für die katalytische Reaktion bestimmenden Parameter, wie Druck, Temperatur und chemische A disadvantage of these membrane reactors is that the parameters that determine the catalytic reaction, such as pressure, temperature and chemical, vary along the axial flow path of the process gas through the pipe channel
Zusammensetzung, ändern, sodass sich hinsichtlich der Optimierung des Composition, change so that the optimization of the
Wirkungsgraden führen. Lead efficiencies.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Membranreaktor so auszugestalten, dass über den gesamten örtlichen und zeitlichen Reaktionsverlauf vorteilhafte Parameter für die katalytische Umsetzung eines Prozessgases in ein Permeat, insbesondere zur Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol, The invention is therefore based on the object of designing a membrane reactor in such a way that, over the entire local and temporal course of the reaction, advantageous parameters for the catalytic conversion of a process gas into a permeate, in particular for obtaining hydrogen from methanol,
gewährleistet werden können. can be guaranteed.
Ausgehend von einem Membranreaktor der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Gehäuse aus einzelnen Gehäusemodulen zusammengesetzt ist, die den von Gehäusemodul zu Gehäusemodul durchgehenden Strömungskanal für das Prozessgas bilden und an eine Sammelleitung für das Permeat angeschlossene, quer zum Strömungskanal Based on a membrane reactor of the type described at the outset, the invention solves the problem in that the housing is composed of individual housing modules that form the flow channel for the process gas that extends from housing module to housing module and that are connected to a collecting line for the permeate, across the flow channel
ausgerichtete Hohlkörper als Träger für die Membran aufweisen. have aligned hollow body as a carrier for the membrane.
Aufgrund der Zusammensetzung des Gehäuses des Membranreaktors aus einzelnen Gehäusemodulen, die je einen Strömungskanalabschnitt bilden, können für jeden Strömungsabschnitt des Prozessgases bzw. des Reaktionsgases, das sich aus dem Prozessgas und dem Retentat aus dem bereits umgesetzten Prozessgas zusammensetzt, jeweils vorteilhafte Parameter für die katalytische Umsetzung und die Abscheidung des Permeats vorgegeben werden, weil die einzelnen Gehäusemodule entsprechend gestaltet werden können. Mit dem Vorsehen von einzelnen Gehäusemodulen zur Permeatableitung entlang des Strömungskanals für das Produktgas und von diesen Gehäusemodulen zugeordneten Katalysatoren, die gegebenenfalls die sich aufgrund der Permeatableitung und der chemischen Reaktionen ändernde Zusammensetzung des Reaktionsgases berücksichtigen, können im Bereich jeder dieser voneinander gesonderten Abschnitte für die katalytischen Reaktionen vorteilhafte, weitgehend konstante Umsetzungsparameter Due to the composition of the housing of the membrane reactor from individual housing modules that each form a flow channel section, advantageous parameters for the catalytic conversion can be set for each flow section of the process gas or the reaction gas, which is composed of the process gas and the retentate from the process gas that has already been converted and the separation of the permeate can be specified because the individual housing modules can be designed accordingly. With the provision of individual housing modules for permeate discharge along the flow channel for the product gas and catalysts assigned to these housing modules, which may take into account the change in the composition of the reaction gas due to the permeate discharge and the chemical reactions, each of these separate sections for the catalytic reactions can be used in the area advantageous, largely constant implementation parameters
gewährleistet werden. guaranteed.
Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Particularly simple construction conditions arise when the
Gehäusemodule Gehäuseringe bilden, die zwischen zwei einerseits mit einem Housing modules form housing rings between two on the one hand with a
einfacher Weise mithilfe von Ringdichtungen gegeneinander abgedichtet werden. easily sealed against each other with the help of ring seals.
Obwohl die Gehäusemodule zur Permeatableitung auf der Strömungszulaufseite mit entsprechenden Katalysatoren versehen sein können, ergeben sich hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit Vorteile, wenn der Katalysator und die mit der Membran Although the housing modules for permeate discharge on the flow inlet side can be provided with appropriate catalysts, there are advantages in terms of design freedom when the catalyst and the membrane with the
versehenen Hohlkörper in gesonderten Gehäusemodulen vorgesehen sind. provided hollow body are provided in separate housing modules.
Die quer zum Strömungskanal ausgerichteten, mit einer Membran zur Permeatableitung umschlossenen Hohlkörper können in einfacher Weise aus porösen Rohren gebildet werden, die in außen an den Gehäusemodulen vorgesehene, an die Sammelleitung angeschlossene Sammelräume münden. Mit der Anzahl und dem Durchmesser dieser die Membran tragenden Rohre lässt sich das Verhältnis der Membranfläche zum Querschnitt des Strömungskanals für das The hollow bodies, which are aligned transversely to the flow channel and surrounded by a membrane for permeate discharge, can be formed in a simple manner from porous tubes which open into collecting spaces provided on the outside of the housing modules and connected to the collecting line. With the number and the diameter of these tubes carrying the membrane, the ratio of the membrane area to the cross section of the flow channel for the
Prozessgas bzw. das Reaktionsgas einfach festlegen. Simply specify the process gas or the reaction gas.
Um Einfluss auf die Temperatur nehmen zu können, kann zumindest ein Gehäusemodul einen Wärmetauscher aufweisen. Mit solchen Wärmetauschermodulen kann je nach Bedarf Wärme sowohl zugeführt als auch abgeführt werden, um die jeweils günstigste Prozesstemperatur einstellen zu In order to be able to influence the temperature, at least one housing module can have a heat exchanger. With such heat exchanger modules, heat can both be supplied and removed as required in order to set the most favorable process temperature in each case
können. can.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es The subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. It
zeigen demonstrate
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Membranreaktor in einem schematischen Längsschnitt, 1 shows a membrane reactor according to the invention in a schematic longitudinal section,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie Il-Il der Fig. 1 und 2 shows a section along the line II-II in FIGS. 1 and
Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Membranreaktors in 3 shows a variant embodiment of a membrane reactor according to the invention in
einem der Fig. 1 entsprechenden, schematischen Schnitt. a schematic section corresponding to FIG. 1.
Endkappe 6 in einen Ablauf 10 für das Retentat 11 mündet. End cap 6 opens into an outlet 10 for the retentate 11.
Wie insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann, weisen die Gehäusemodule 2 quer zum Strömungskanal 7 verlaufende Hohlkörper 12 in Form von porösen Rohren als Träger für eine Membran 13 auf. Diese Hohlkörper 12 münden in einen außen an den Gehäusemodulen 2 vorgesehenen, an eine Sammelleitung 14 für das As can be seen in particular from FIG. 2, the housing modules 2 have hollow bodies 12 running transversely to the flow channel 7 in the form of porous tubes as supports for a membrane 13. These hollow bodies 12 open into a provided on the outside of the housing modules 2, to a collecting line 14 for the
Permeat 15 angeschlossenen Sammelraum 16. Permeate 15 connected collecting space 16.
Den Gehäusemodulen 2 zur Permeatableitung sind in Strömungsrichtung des Prozessgases 9 mit einem Katalysator 17 versehene Gehäusemodule 3 vorgelagert. In diesen Katalysatoren 17 findet die katalytische Umsetzung des Prozessgases 9 in ein Permeat 15 und ein Retentat 11 statt. Das sich bildende Permeat wird in dem jeweils nachfolgenden Gehäusemodul 2 über die Membran 13 abgeschieden und durch die Hohlkörper 12 ausgetragen. Von dem Reaktionsgas verbleibenden ‚, wird der Prozessgasanteil in einem nachfolgenden Strömungsabschnitt wieder katalytisch umgewandelt, um gegebenenfalls nach einer mehrstufigen katalytischen Umwandlung mit nachfolgender Permeatableitung ein weitgehend prozessgasfreies Retentat 11 aus dem Membranreaktor abführen zu Housing modules 3 provided with a catalyst 17 are arranged in front of the housing modules 2 for permeate discharge in the flow direction of the process gas 9. The catalytic conversion of the process gas 9 into a permeate 15 and a retentate 11 takes place in these catalytic converters 17. The permeate that forms is deposited in the respectively following housing module 2 via the membrane 13 and discharged through the hollow body 12. Of the reaction gas remaining, the process gas portion is catalytically converted again in a subsequent flow section in order, if necessary, after a multi-stage catalytic conversion with subsequent permeate discharge, to remove a largely process gas-free retentate 11 from the membrane reactor
können. can.
Der Temperatureinfluss auf die katalytische Reaktion kann durch Gehäusemodule 4 berücksichtigt werden, die einen Wärmetauscher 18 aufnehmen, beispielsweise In Form von in Windungen verlegte Rohrschlangen für einen Wärmeträger, mit dessen The influence of temperature on the catalytic reaction can be taken into account by housing modules 4, which accommodate a heat exchanger 18, for example in the form of coiled tubes for a heat transfer medium, laid in turns
Hilfe je nach Bedarf entweder Wärme eingebracht oder abgeführt werden kann. Help can either be introduced or dissipated as required.
Wird ein Membranreaktor gemäß der Fig. 1 zur Wasserstoffgewinnung mit einem If a membrane reactor according to FIG. 1 for hydrogen production with a
Methanol-Wasserdampfgemisch als Prozessgas 9 beaufschlagt, so erfolgt zunächst When a methanol-water vapor mixture is applied as the process gas 9, this is done first
den Membranreaktor durch den Ablauf 10 der Endkappe 6. the membrane reactor through the outlet 10 of the end cap 6.
Durch unterschiedliche Kombinationen der Gehäusemodule 2, 3 und 4 lässt sich der Membranreaktor in einfacher Art an unterschiedliche Anforderungen anpassen. So zeigt die Fig. 3 beispielsweise einen Membranreaktor, dessen zulaufseitiger Katalysatorabschnitt gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 durch das Hintereinanderschalten von zwei einen Katalysator 17 aufnehmenden Gehäusemodulen 3 verlängert wurde. Außerdem wird auf die Prozesstemperatur in diesem verlängerten Katalysatorabschnitt durch einen vorgelagerten Wärmetauscher 18 eines Gehäusemoduls 4 Einfluss genommen. Die nachfolgende Umsetzung des im Reaktionsgas verbleibenden Prozessgases wird entsprechend der Fig. 1 optimiert, indem zunächst nach dem Ableiten des Permeats das verbleibende Gasgemisch im Wärmetauscher 18 eines nachfolgenden Gehäusemoduls 4 auf die gewünschte Prozesstemperatur gebracht und dann das restliche Prozessgas in einem Gehäusemodul 3 in ein Permeat und ein Retentat umgesetzt wird, bevor das Permeat in einem abschließenden Gehäusemodul 2 aus The membrane reactor can be easily adapted to different requirements by different combinations of the housing modules 2, 3 and 4. For example, FIG. 3 shows a membrane reactor, the inlet-side catalyst section of which has been lengthened compared to the exemplary embodiment according to FIG. 1 by connecting two housing modules 3 accommodating a catalyst 17 in series. In addition, the process temperature in this extended catalyst section is influenced by an upstream heat exchanger 18 of a housing module 4. The subsequent conversion of the process gas remaining in the reaction gas is optimized according to FIG. 1 by first bringing the remaining gas mixture in the heat exchanger 18 of a subsequent housing module 4 to the desired process temperature after the permeate has been discharged, and then bringing the remaining process gas into a permeate in a housing module 3 and a retentate is converted before the permeate in a final housing module 2 out
dem Gasgemisch abgeleitet wird. is derived from the gas mixture.
Es zeigt sich somit, dass durch den modulartigen Aufbau der Membranreaktor in optimaler Art an unterschiedliche Anforderungen der Umwandlungs- und It can thus be seen that the modular structure of the membrane reactor optimally meets the different requirements of the conversion and
Abscheidevorgänge angepasst werden kann, weil die Anordnung und Deposition processes can be adapted because the arrangement and
Umwandlung maßgebenden Parameter arbeiten können. Conversion governing parameters can work.
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