BR112018075267B1 - Microrreator e execução do método para a metanação - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a um reator, de preferência, a um microrreator para a metanação, a operação desse reator, portanto, a execução do processo para a produção de metano.

Description

[0001] A invenção se refere a um reator, de preferência, a um microrreator para a metanação, bem como para a operação desse reator, portanto, para a execução do processo para a produção de metano.

[0002] A fim de garantir uma troca de fósseis para fontes de energia regenerativas, em primeiro lugar é necessário colocar à disposição possibilidades para o armazenamento de energia. Em particular, a eletricidade proveniente da energia eólica e solar está sujeita a altas flutuações periódicas diárias ou sazonais.

[0003] Neste caso, uma abordagem é o armazenamento de energia em ligações químicas, em particular, como hidrogênio, oxigênio ou hidrocarbonetos de cadeia curta como, por exemplo, metano.

[0004] Neste caso, por exemplo, a eletricidade proveniente da energia eólica e solar, a qual não é consumida imediatamente, é empregada para separar água eletroliticamente em hidrogênio e oxigênio. Em uma síntese subsequente com o CO2 emitido, por exemplo, de usinas de biogás podem ser sintetizados então hidrocarbonetos como, por exemplo, metano, e podem ser armazenados para um futuro emprego. Esses hidrocarbonetos podem ser empregados imediatamente através de combustão para a obtenção de energia, como matéria-prima para outras sínteses ou para a reconversão e com isso, obtenção de energia elétrica. Com isso pode ser obtido um abastecimento de eletricidade estável proveniente da energia eólica e solar.

[0005] Uma vez que a energia regenerativa está à disposição somente localmente precisam ocorrer também abordagens descentralizadas para o armazenamento da energia ou para a produção e o armazenamento das ligações químicas correspondentes "que armazenam energia".

[0006] Tais usinas descentralizadas se diferenciam claramente tanto na construção como também na execução do processo das usinas industriais de grande escala conhecidas até o momento. Do documento de patente alemão DE 10 2005 004 075 B4 é conhecido, por exemplo, um microrreator cerâmico, no qual é obtida uma distribuição uniforme do fluxo de material através de várias placas do orifício, a fim de poder realizar uma metanação com temperaturas de 200 oC até 1000 oC.

[0007] Além disso, microrreatores ou dispositivos para a obtenção de energia contendo microestruturas são conhecidos dos documentos de patente americanos US 20020106311, US 6,200,536 B1, US 7,297,324 B2, US 6,192,596 B1 e US 5,811,062 A.

[0008] Por exemplo, dos documentos de patente europeus EP 2 213 367 A1, EP 0 241 902 A1, ou do documento de patente americano US 7,297,324 B2 são conhecidos processos para a produção de metano. Neste caso, o metano é produzido a partir de hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono.

[0009] Problemático no caso da produção de metano a partir de H2, CO2 e CO é a formação da temperatura no reator. Uma conversão tem que ocorrer em temperaturas de pelo menos 200 oC, a fim de impedir a formação de carbonilos metálicos, que podem significar uma descarga de catalisador proveniente do reator. Por outro lado, deveria ser obtida uma conversão mínima de 80% de CO2 que é possível termodinamicamente apenas em temperaturas baixas em torno de 200 oC. Assim pode ser produzido metano na pureza necessária, e pode ser evitado o dispêndio para a separação do CO2 restante. Neste caso, deve ser observada uma qualidade do metano mais alta possível e eventualmente constante, a qual é caracterizada, em particular, pelo índice de Wobbe. De acordo com o índice de Wobbe, no caso do emprego de gases de combustão é importante não apenas o poder calorífico, mas também a densidade do gás de combustão empregado, a fim de empregar, desse modo, o fluxo de volume necessário para uma determinada quantidade de energia. Componentes secundários, excedentes ou residuais como CO2 e H2 alteram tanto o poder calorífico como também o índice de Wobbe.

[0010] Out ro problema em temperaturas entre 250 oC e 500 oC (com pressão normal) é a formação de coque no catalisador em presença de monóxido de carbono. Contanto que a composição termodinâmica de equilíbrio ainda não tenha sido alcançada, por motivos do aumento da velocidade de reação com a temperatura local deve ser almejada uma temperatura mais alta possível a fim de formar o reator mais compacto e econômico possível.

[0011] Por outro lado na câmara de reação pode vir a ocorrer máximas temperaturas locais, denominadas hot-spots. Neste caso, domina uma temperatura mais alta do que no resto do reator. Os hot-spots podem causar, por um lado, reações secundárias indesejadas, de tal modo que ocorra a formação de produtos secundários, que não são desejado e parcialmente só podem ser separados com dificuldade ou não podem ser separados do produto principal. A partir de uma determinada temperatura de hot-spot o catalisador também pode ser danificado de modo irreversível. A formação de hot-spot, portanto, representa um problema adicional, que em última análise leva a uma desativação do catalisador. Esse problema é reduzido através do emprego de um grande excedente no catalisador, ou através da produção de catalisadores resistentes a alta temperatura, os quais foram adaptados exatamente às presentes condições. Por conseguinte, não é evitado nenhum hot-spot, mas é aumentado somente o tempo de operação do reator sem troca de catalisador. A consequência é um reator ou catalisador maior e com isso mais caro.

[0012] No caso de resfriamento de contracorrente, o decorrer da temperatura no leito do catalisador se aproxima em sua maioria da temperatura do meio de resfriamento na saída do reator. Deste modo, devido à desativação do catalisador, o hot-spot passa lentamente através do reator e se aproxima da saída do reator. Nesse instante se segue a troca do catalisador. Uma possibilidade para evitar hotspots intensos é a recirculação do gás do produto para a inertização da mistura de gás que entra em um primeiro estágio de reação. Por meio dessa inertização com o produto a velocidade de reação é abaixada, o que torna necessário um volume maior do reator. Além disso, esse processo é contraprodutivo para a produção de metano mais puro possível.

[0013] A tarefa da presente invenção foi superar as desvantagens do estado da técnica e colocar à disposição um reator, de preferência, um microrreator, bem como, uma execução de processo, que faça jus às necessidades modernas também com vista a uma proteção ambiental sustentável.

[0014] O reator deve garantir um aproveitamento de calor mais alto possível, em particular, através de temperatura final mais alta possível no meio de transmissão de calor. Portanto, uma desativação do catalisador com resfriamento insuficiente do leito do catalisador deve ser evitada. Também as temperaturas de emprego não devem ser limitadas pela formação de coque, que pode levar a um entupimento - em particular, em microrreatores.

[0015] Apesar da limitação termodinâmica da conversão de CO2, essas condições devem ser preenchidas em uma mistura de CO2 e CO.

[0016] A tarefa da presente invenção é colocar à disposição um reator apropriado, o qual por um lado garanta um resfriamento suficiente da câmara de reação, a fim de reduzir e/ou evitar as desvantagens condicionadas pelos hot-spots.

[0017] Por outro lado, também deve ser evitado um abaixamento grande demais da temperatura, uma vez que isso pode levar quase a uma extinção da reação na câmara de reação. Teoricamente isso seria garantido através de uma grossa parede de separação entre a câmara de reação e a câmara de resfriamento. No entanto, essa parede leva a um alto gradiente de temperatura entre essas duas câmaras. Por sua vez, um alto gradiente de temperatura, no entanto leva à formação de hot-spots.

[0018] Muit as vezes uma eletrólise de alta temperatura (eletrólise de HT) é ligada a montante da metanação, na qual a partir de vapor de água e CO2 é produzido hidrogênio, oxigênio e CO.

[0019] A tarefa da presente invenção também foi empregar o calor perdido da metanação para a produção de vapor de processo para a eletrólise de HT. Para isso deve ser obtida uma temperatura final mais alta possível no meio de transmissão de calor, no fluido de resfriamento. Neste caso, a eletrólise nem sempre ocorre completamente, de tal modo que estão disponíveis restos de vapor de água e CO2 no produto da eletrólise.

[0020] A metanação (formação de metano, síntese de metano) a partir de H2 e CO e/ou CO2 é uma reação exotérmica, que é resfriada de acordo com a invenção por meio da evaporação. A temperatura no leito do catalisador para a conversão de CO é, de preferência, de cerca de 350 oC a 450 oC. Isso condiciona uma alta temperatura da evaporação. Para um resfriamento ideal o ponto de ebulição do fluido de resfriamento deveria ser adaptado à temperatura no leito do catalisador. Isso, no entanto exige meios de resfriamento especiais.

[0021] Além disso, a tarefa da presente invenção é colocar à disposição um processo econômico e o reator correspondente.

[0022] Es sa tarefa é solucionada por um reator com invólucro do reator, câmara de reação e câmara de resfriamento, bem como com linhas de alimentação separadas vedadas ao fluido para pelo menos um reagente fluido e para um fluido de resfriamento, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas linhas de alimentação estão disponíveis para o fluido de resfriamento com pelo menos uma estrutura de canal e estrutura de coluna dobrada respectivamente uma sobre a outra com inversão de corrente.

[0023] Como inversão de corrente no sentido da invenção deve ser entendida uma inversão de fluxo, portanto, um desvio da corrente de fluido ou do fluxo, portanto, um desvio da direção de fluxo em torno de 180 graus. Em outras palavras, depois da inversão da corrente o fluido flui na contracorrente para a direção da corrente ou direção do fluxo antes da inversão. Assim o fluido de resfriamento pode fluir, por exemplo, depois da linha de alimentação na contracorrente para a direção de fluxo dos reagentes na câmara de reação, e depois do desvio, depois da inversão de corrente, portanto, através de uma estrutura de canal na corrente contínua para a direção de fluxo dos reagentes na câmara de reação e vice versa. Portanto, também é possível uma inversão de corrente da corrente contínua ou direção de fluxo dos reagentes na câmara de reação para a contracorrente.

[0024] Dentro de uma linha o fluido de resfriamento sempre flui da linha de alimentação para o desvio ou da entrada da câmara de reação para a saída da câmara de reação. Um retorno ou inversão de corrente, portanto, não ocorre dentro da linha, mas resulta da guia ou da posição das linhas e áreas das linhas, uma em relação à outra. De acordo com a invenção, a posição das áreas individuais da linha, uma em relação à outra, resulta através das estruturas de canal que ficam sobrepostas. Em outras palavras, a linha de fluido foi dobrada. Para a dobra ou para a ligação entre duas estruturas de canal ou entre a estrutura de canal e a linha de alimentação e o desvio para dentro e no reator ou para dentro e na câmara de reação são necessárias estruturas de colunas.

[0025] De acordo com a invenção os conceitos inversão de corrente, inversão de fluxo, conversão da direção de fluxo, retorno do fluxo, retorno do fluxo ou da direção de fluxo em particular, em torno de 180 graus significam a mesma coisa.

[0026] Como axial é designada a direção ou a disposição paralela à câmara de reação e/ou câmara de resfriamento, ou paralela ao fluxo na câmara de reação, perpendicular a ela como radial.

[0027] As estruturas de canal são alinhadas axialmente, portanto, paralelas à direção de fluxo dos reagentes na câmara de reação. As estruturas de colunas são perpendiculares a ela, portanto alinhadas radialmente.

[0028] No sentido da invenção as estruturas de canal e de coluna dobradas ou dispostas uma sobre a outra estão dispostas radialmente uma sobre a outra, portanto, os canais ou estruturas de canal de uma linha, portanto, daquelas áreas da linha que estão dispostas axialmente, se encontram radialmente sobrepostas.

[0029] Tanto as linhas de alimentação para o, pelo menos um, reagente fluido, bem como para o fluido de resfriamento são estanques a fluidos e, portanto, também separados por fluido uns dos outros.

[0030] Como câmara de reação é designada aquela câmara na qual ocorre a reação. A câmara de reação é um espaço oco ou canal alongado com qualquer seção transversal, que dispõe somente de duas aberturas. Uma para a entrada do, pelo menos um, reagente, de preferência, de um gás de reação ou mistura de gás, e a outra abertura, que fica oposta, para a saída do produto de reação.

[0031] No sentido da invenção como câmara de resfriamento é designada aquela câmara na qual o fluido de resfriamento abaixa a temperatura na câmara de reação por meio de absorção de calor, sendo que a temperatura do fluido de resfriamento é aumentada. De acordo com a invenção as linhas de alimentação e de desvio do fluido de resfriamento não pertencem à câmara de resfriamento. A câmara de resfriamento está adjacente à linha de alimentação do fluido de resfriamento, chega até o desvio e passa paralela à câmara de reação. Apesar disso pode vir a ocorrer também uma absorção de calor nas linhas de alimentação e de desvio através do fluido de resfriamento, portanto, um abaixamento da temperatura na câmara de reação, sendo que, a temperatura do fluido de resfriamento é aumentada. A câmara de resfriamento é um espaço oco ou canal alongado com qualquer seção transversal.

[0032] Es sencial à invenção é a estrutura das linhas de alimentação do fluido de resfriamento e/ou do desvio para o fluido de resfriamento dentro do reator de acordo com a invenção.

[0033] De acordo com a invenção a linha de alimentação do fluido de resfriamento tem que apresentar pelo menos uma inversão de corrente, antes que ela passe paralelamente à câmara de reação. A inversão de corrente é obtida através de uma estrutura de canal e de coluna; neste caso, canal significa a forma abreviada para estrutura de canal, um espaço oco alongado paralelo à câmara de reação ou paralelo à direção de fluxo na câmara de reação, e coluna perpendicular a ele. Por conseguinte, a linha de alimentação do fluido de resfriamento apresenta pelo menos uma área de canal paralela à câmara de reação ou paralela à direção de fluxo na câmara de reação, e pelo menos uma área de coluna perpendicular à câmara de reação ou perpendicular à direção de fluxo na câmara de reação, as quais estão ligadas a montante da câmara de resfriamento.

[0034] As estruturas de coluna ou colunas são espaços ocos, áreas e/ou partes da linha do fluido de resfriamento, que ligam duas estruturas de canal ou linhas de alimentação ou de desvio para dentro e/ou para fora do reator e/ou para dentro e/ou na câmara de resfriamento, e assim possibilitam uma linha estanque ao fluido do fluido de resfriamento.

[0035] A estrutura de canal está ligada por meio da estrutura de coluna com a câmara de resfriamento, de tal modo que ocorre uma inversão de corrente do fluido de resfriamento. A ligação entre câmara de resfriamento e linha de alimentação é produzida por pelo menos uma estrutura de coluna ou partindo da entrada do fluido de resfriamento através da última estrutura de coluna.

[0036] A inversão de corrente na linha de alimentação do fluido de resfriamento, portanto, é importante para a preservação temperatura no reator. Através da inversão de corrente o fluido de resfriamento é aquecido mais lentamente, isto é, ele é aquecido afastado espacialmente da reação. No caso de um aquecimento rápido o fluido de resfriamento iria retirar energia demais da reação, de tal modo que essa reação iria sucumbir.

[0037] Em uma alternativa as, pelo menos duas, linhas de alimentação estão dispostas uma após a outra com referência ao fluxo na câmara de reação.

[0038] O reator apresenta um invólucro do reator de pressão estável. No sentido da invenção, pressão estável é definida como invólucro do reator, que resiste sem dano também a altas pressões. No sentido da invenção, uma alta pressão é definida como de 5 a 100 bar, de preferência, de 10 a 50, de modo particularmente preferido, de 20 a 40, em particular, cerca de 30 bar com valores de flutuações de respectivamente 20%, de preferência, 10%, de modo particularmente preferido, de 5%, em particular, 3%.

[0039] Além disso, em uma alternativa, a câmara de reação, a câmara de resfriamento e/ou as linhas de alimentação e de desvios, do mesmo modo, são de pressão estável.

[0040] Uma execução do reator apresenta pelo menos uma das, pelo menos duas, linhas de alimentação para o fluido de resfriamento, com respectivamente duas estruturas de canal e de coluna dobradas uma sobre a outra com inversão de corrente.

[0041] Neste caso, a primeira linha de alimentação (primeira em relação à direção de fluxo na câmara de reação pode possuir, pelo menos, duas estruturas de canal e de coluna dobradas uma sobre a outra, e a segunda ou outras linhas de alimentação possui somente uma estrutura de canal e de coluna dobrada uma sobre a outra. Em uma outra alternativa, a primeira linha de alimentação possui uma estrutura de canal e de coluna dobrada uma sobre a outra e a segunda ou cada ou uma das outras linhas de alimentação possuem duas estruturas de canal e de coluna dobradas uma sobre a outra. Em uma outra alternativa é possível toda e qualquer combinação. Em uma alternativa todas as linhas de alimentação possuem o mesmo número de estruturas de canal e de coluna dobradas uma sobre a outra.

[0042] As, pelo menos duas, linhas de alimentação para o fluido de resfriamento, portanto, também apresentam duas ou mais inversões de fluxo, portanto, no caso de duas inversões de fluxo a linha de alimentação possui duas áreas de canal e duas áreas de coluna antes que ela desemboque na câmara de resfriamento.

[0043] Em uma outra execução o reator apresenta pelo menos um desvio para o fluido de resfriamento aquecido com pelo menos uma estrutura de canal e de coluna dobrada uma sobre a outra com inversão de corrente.

[0044] Po r conseguinte, o desvio para o fluido de resfriamento é configurado como as linhas de alimentação, isto é, ele apresenta pelo menos uma inversão de fluxo, portanto, uma área de canal e uma área de coluna. No entanto o desvio também pode apresentar duas ou mais inversões de fluxo.

[0045] Em uma execução o reator de acordo com a invenção pode apresentar qualquer combinação de linhas de alimentação e de desvio com referência a sua estrutura de canal e de coluna. De preferência, as, pelo menos duas, linhas de alimentação possuem respectivamente duas áreas de canal e de coluna, as quais possuem pelo menos uma área de canal e de coluna.

[0046] A forma de execução das linhas de alimentação e de desvio para o fluido de resfriamento com pelo menos uma estrutura de canal e de coluna dobrada uma sobre a outra com inversão de corrente, portanto, retorno da direção de corrente, por um lado facilita a forma de construção do reator e, além disso, assegura que o leito do catalisador seja resfriado de maneira uniforme até a extremidade do reator. Em particular, uma vez que na estratificação de vários planos de câmaras de reação e câmaras de resfriamento são necessários ramais laterais, que contêm sempre uma proporção de corrente cruzada.

[0047] Por meio da inversão de fluxo ou do retorno de fluxo vem a ocorrer uma sobreposição de corrente contínua e contracorrente com referência ao fluxo do gás de reação.

[0048] As, pelo menos duas, linhas de alimentação estão dispostas em uma execução na área da primeira metade da câmara de reação.

[0049] Uma vez que a câmara de reação é moldada como espaço oco ou canal alongado com qualquer seção transversal, seu comprimento é bem definido. Como primeira metade é designada aquela metade na qual a abertura se encontra para a entrada do, pelo menos um, reagente. Na área da primeira metade da câmara de reação, no sentido da invenção significa que: 1. a câmara de reação é separada da câmara de resfriamento por uma parede estanque ao fluido, portanto, uma camada impermeável ao fluido, por conseguinte, 2. a câmara do reator e a câmara de resfriamento estão dispostas paralelas e, com isso, também o comprimento da câmara de resfriamento é definido, sendo que, 3. a estrutura de coluna, que liga a linha de alimentação restante com a câmara de resfriamento está disposta respectivamente na primeira metade da câmara de resfriamento.

[0050] Por conseguinte, a primeira metade da câmara de resfriamento corresponde à primeira metade da câmara de reação, uma vez que ambas estão dispostas paralelas; o valor absoluto do comprimento, no entanto, não precisa ser idêntico.

[0051] Em uma outra forma de execução as, pelo menos duas, linhas de alimentação e/ou o, pelo menos um, desvio, na área das estruturas de canal e de coluna dobradas uma sobre a outra com inversão de corrente possuem diferentes seções transversais com referência à forma e/ou à superfície. Em uma alternativa, as linhas de alimentação e desvios se diferenciam uma da outra na seção transversal. Em uma outra alternativa, as áreas individuais de uma ou de várias linhas de alimentação e desvios se diferenciam na seção transversal. Em uma outra alternativa são possíveis todas as combinações e formas mistas das alternativas mencionadas.

[0052] Uma forma de execução se refere a um reator, no qual pelo menos uma linha de alimentação em, pelo menos, uma estrutura de canal e/ou de coluna apresenta fases sinterizadas, metais sinterizados, fibras, cilindros e/ou círculos. Fases sinterizadas e/ou círculos são, de preferência, de material metálico ou cerâmico condutor de calor com pouca resistência ao fluxo. Cilindros e/ou círculos são de material inerte. Essa integração de material adicional tem a tarefa de conter componentes fluidos do fluido de resfriamento ou de aumentar a qualidade de evaporação.

[0053] Em uma forma de execução encontra-se pelo menos um catalisador na câmara de reação, isto é, a câmara de reação está carregada com pelo menos um catalisador. Como representante essencial para a metanação aqui devem ser mencionados os elementos ativos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd e Ag. Caso seja empregado um material de suporte para os componentes ativos, esse pode ser um representante ou uma mistura de TiO2, Al2O3, YSZ ou SiO2.

[0054] Uma outra forma de execução se refere a um reator, o qual depois do desvio apresenta uma parte do reator com resfriamento de contracorrente com uma linha de alimentação para o fluido de resfriamento com pelo menos uma estrutura de canal e de coluna dobrada uma sobre a outra com inversão de corrente. De acordo com a invenção as partes do reator do reator de acordo com a invenção formam uma câmara de reação e/ou câmara de resfriamento comum.

[0055] Em uma alternativa desse tipo o, pelo menos um, desvio não está colocado na extremidade da câmara de resfriamento. Partindo da direção de fluxo na câmara do reator, a câmara de resfriamento apresenta pelo menos uma outra linha de alimentação com pelo menos uma estrutura de canal e de coluna, que está atrás do desvio.

[0056] Nessa alternativa, portanto, existe a seguinte disposição no reator, partindo da entrada dos reagentes na câmara de reação:

[0057] Na área da entrada dos reagentes na câmara de reação, em sua primeira metade encontram-se as pelo menos duas linhas de alimentação. Na direção de fluxo dos reagentes ou também do produto já formado está colocado o desvio do fluido de resfriamento. Seguindo a direção de fluxo na câmara de reação se encontra pelo menos uma outra linha de alimentação, do mesmo modo, com pelo menos uma estrutura de canal e de coluna para o fluido de resfriamento. Entre essa linha de alimentação e os desvios flui o fluido de resfriamento consequentemente na contracorrente com referência ao fluxo na câmara de reação.

[0058] O reator, contendo uma segunda parte, na qual o fluido de resfriamento é conduzido na contracorrente, nessa parte pode possuir um desvio próprio para o fluido de resfriamento, ou, como descrito acima, o fluido de resfriamento é conduzido até o desvio do fluido de resfriamento da primeira parte.

[0059] Devido à posição das, pelo menos duas, linhas de alimentação para o fluido de resfriamento na primeira metade do comprimento do reator, por um lado aumenta a resistência ao calor total entre a zona de evaporação e o catalisador, de tal modo que não ocorre qualquer "apagamento" da reação. Isto é, a reação não chega a extinguir-se em virtude de abaixamento da temperatura grande demais. Também a evaporação nos hot-spots ao longo do eixo de reação é reduzida com autorregulação na respectiva célula de alimentação. Se depois do desvio do fluido de resfriamento existir uma outra linha de alimentação na extremidade do reator, através da condução de contracorrente de fluido de resfriamento e reação ainda pode ser produzida uma câmara de reação com baixa temperatura de reação, na qual podem ser obtidas condições marginais termodinâmicas favoráveis para uma conversão de CO2 acima de 70%. Em uma alternativa, começando desde a entrada dos reagentes na câmara de reação, ao longo da condução de corrente contínua e da condução de contracorrente podem ser empregados diferentes catalisadores. Neste caso, como representantes essenciais para a metanação das duas áreas de condução de corrente devem ser mencionados os elementos ativos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd e Ag. Caso seja empregado um material de suporte para os componentes ativos, esse pode ser um representante ou uma mistura de TiO2, Al2O3, YSZ ou SiO2. Os materiais do catalisador empregados podem ser idênticos ou diferentes, no entanto se diferenciam com respeito à atividade referente à temperatura. Neste caso, na área da condução de contracorrente as propriedades do material do catalisador são otimizadas, por exemplo, pela alta dispersão ou alta superfície para atividade mais alta com temperatura mais baixa. Isto em geral é sinônimo com uma estabilidade de temperatura menor.

[0060] Em uma execução da presente invenção ocorre a fabricação de hidrocarbonetos, de preferência, metanação em dois reatores sequenciais separados de acordo com a invenção, de preferência, microrreatores, os quais estão em série.

[0061] Em um primeiro reator ocorre a convenção de, em essência, CO no reator subsequente, a convenção de, em essência, CO2. Os dois reatores estão carregados com diferentes catalisadores. Como representantes essenciais para a metanação nos dois reatores, neste caso, devem ser mencionados os elementos ativos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd e Ag. Caso seja empregado um material de suporte para os componentes ativos, esse pode ser um representante ou uma mistura de TiO2, Al2O3, YSZ ou SiO2. Os materiais do catalisador empregados podem ser idênticos ou diferentes, no entanto se diferenciam com respeito à atividade referente à temperatura. Neste caso, no segundo reator as propriedades do material do catalisador são otimizadas, por exemplo, pela alta dispersão ou alta superfície para atividade mais alta com temperatura mais baixa. Isto em geral é sinônimo com uma estabilidade de temperatura menor.

[0062] Em uma execução preferida, o reagente fluido é um fluido contendo hidrogênio, bem como, monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono, ou é constituído disso. Componentes secundários podem ser, além disso, N2 ou vapor de água.

[0063] Em uma execução da presente invenção, o reator contém elementos de aquecimento no lado oposto à câmara de resfriamento. De preferência, os elementos de aquecimento são cartuchos redondos ou placas planas de aço inoxidável resistente à temperatura, com um enchimento de MgO para o isolamento do condutor de aquecimento. Neste caso, o condutor de aquecimento é constituído de uma liga de resistência.

[0064] Em uma execução, o reator de acordo com a invenção existe na forma de construção de sanduíche, isto é, ele é constituído de várias camadas sobrepostas e ligadas entre si estanques ao fluido.

[0065] Em uma alternativa as camadas não são planas, mas curvadas e formam uma superfície de revestimento no sentido de um cilindro oco. As camadas individuais então estão unidas entre si, no caso do cilindro oco, de preferência, concentricamente. No entanto, não é absolutamente necessário uma seção transversal de forma circular, mas a seção transversal também pode apresentar qualquer outra forma.

[0066] Em uma outra alternativa, as camadas do reator de acordo com a invenção em forma de construção de sanduíche são planas, portanto, não curvadas. Na direção radial existe a seguinte montagem:

[0067] A base é formada por uma placa, que contém elementos de aquecimento. Sobre ela se encontra uma segunda placa. No lado inferior, portanto, na direção da placa contendo elementos de aquecimento essa placa apresenta canais ou fendas, os quais formam a câmara de reação. Sobre ela, no lado superior da placa estão canais ou fendas, os quais formam a câmara de resfriamento. A placa seguinte na direção radial possui pelo menos duas estruturas de coluna, portanto, furos contínuos, os quais desembocam na câmara de resfriamento. No lado superior da placa estão colocadas duas estruturas de canal, respectivamente partindo de uma estrutura de coluna. Essas, pelo menos duas, estruturas de canal e de coluna se encontram na área da primeira metade da câmara de reação. Na segunda metade em relação à extremidade da câmara de reação se encontra uma coluna e estrutura de canal análoga, que forma o desvio. Essas estruturas formam a linha de alimentação do fluido de resfriamento. Seguindo a placa na direção radial, acima da extremidade da estrutura de canal que fica oposta à estrutura de coluna encontra-se respectivamente uma conexão para a linha de alimentação ou de desvio do fluido de resfriamento.

[0068] Em uma outra alternativa, abaixo da última placa com as conexões para o fluido de resfriamento está pelo menos uma outra placa com colunas e estrutura de canal, a fim de obter um retorno do fluido de resfriamento. Essas outras placas podem possuir colunas e estruturas de canal somente para uma linha de alimentação e/ou de desvio, ou, porém, eventualmente também para várias linhas de alimentação.

[0069] Os planos que se seguem apresentam a mesma montagem de estruturas de canal e de coluna, no entanto tão deslocados que respectivamente ocorre um retorno do fluido de resfriamento com referência à direção de fluxo. A montagem para linhas de alimentação e de desvio do fluido de resfriamento é análoga. Certamente as linhas de alimentação podem apresentar mais retornos do que desvios do fluido de resfriamento. De modo correspondente então as placas que se conectam à terceira placa apresentam estruturas de coluna e de canal para a linha de alimentação, mas somente estruturas de coluna para o desvio. Como a última placa respectivamente o microrreator apresenta uma placa com furos contínuos, e conexões para a linha de alimentação e de desvio do fluido de resfriamento (água), eventualmente equipadas com válvulas. De acordo com a invenção existem pelo menos duas linhas de alimentação e um desvio.

[0070] Em uma outra alternativa é possível uma montagem de placas análoga, também na direção radial contrária, partindo da mesma placa contendo elementos de aquecimento. Em outras palavras a montagem descrita na direção radial é refletida na placa central contendo elementos de aquecimento.

[0071] No caso de uma montagem disposta na placa central refletida o microrreator contém, por conseguinte, perpendicular à placa central, pelo menos duas câmaras de reação e as correspondentes câmaras de resfriamento, uma vez que a montagem ocorre nas duas direções perpendicular à placa central. Dentro de um plano encontram-se pelo menos duas, de preferência, 2 ou 3 câmaras de reação e câmaras de resfriamento, de tal modo que o microrreator apresenta no total pelo menos quatro (ou correspondentes 6) câmaras de reação com câmaras de resfriamento associadas.

[0072] Em uma outra alternativa, depois do desvio para o fluido de resfriamento, na câmara de resfriamento na direção do fluxo na câmara de reação ainda se encontra uma outra linha de alimentação para o fluido de resfriamento, o qual então resfria a câmara de reação na contracorrente.

[0073] Todas as estruturas de canal bem como canais para a câmara de reação e câmara de resfriamento estão dispostas na direção radial, de preferência, sobrepostas.

[0074] As placas individuais ou camadas do reator estão ligadas entre si estanques ao fluido e à pressão. Isto é possível, por exemplo, em função do material por meio de soldagem a laser, soldagem por difusão, soldagem por feixe de elétrons ou soldagem por atrito de qualquer tipo, aparafusamento ou colagem e eventualmente vedação.

[0075] As camadas individuais são dos materiais seguintes: aços inoxidáveis ou ligas a base de níquel, de preferência, 1.4301, 1.4404, 1.4571 e 1.4876 ou 1.4958/9 e 2.4816. Como outros materiais ou alternativas são empregados materiais sintéticos resistentes ao calor como, por exemplo, teflon ou também vidro, fibra de vidro ou fibra de carbono.

[0076] As fendas, canais ou estruturas de coluna e de canal são fabricados nas respectivas placas com meios conhecidos do especialista como, por exemplo, furos, fresagem, corrosão química úmida ou corte a laser, erosão por arame ou técnicas de fabricação de semicondutores.

[0077] No caso de microrreatores, em particular, de silício também são empregadas técnicas da fabricação de semicondutores, em particular, fotolitografia.

[0078] Para diferentes placas também podem ser empregados diferentes materiais.

[0079] Em uma execução da presente invenção se trata, neste caso, de um microrreator.

[0080] No sentido da invenção em questão, microrreator significa uma câmara de reação com uma altura de 0,1 a 10 mm, de preferência, de 0,2 a 5 mm, de modo particularmente preferido, de 0,5 a 3 mm, com uma largura de 1 a 60 mm, de preferência, de 1,5 a 50 mm, de modo particularmente preferido, de 2 a 40 mm e com um comprimento de 1 a 40 cm, de preferência, de 5 a 30 cm, de modo particularmente preferido, cerca de 10 cm; de preferência, com uma seção transversal de 2 x 40 mm. A altura dos canais de resfriamento tem de 0,01 a 10 mm, de preferência, de 0,05 a 5 mm, de modo particularmente preferido, de 0,1 a 2 mm, em particular, 0,5 mm; a largura estruturada corresponde à largura da câmara de reação. De preferência, as estruturas de canal e/ou de coluna apresentam uma altura e uma largura de respectivamente 1 mm, em particular, respectivamente 0,5 mm.

[0081] Em uma execução da presente invenção as paredes do reator entre a câmara de reação e a câmara de resfriamento ou entre os retornos do fluido de resfriamento, em particular, de um microrreator têm de 0,1 a 5 mm de espessura, de preferência, de 0,1 a 3 mm, de modo particularmente preferido, de 0,1 a 2 mm. As paredes dentro do (mini) reator entre os retornos do fluido de resfriamento têm, de preferência, uma espessura de 1 mm, em particular, 0,5 mm.

[0082] As paredes do reator envolventes têm tipicamente de 2 a 10 mm, de preferência, 5 mm de espessura.

[0083] Em uma execução da presente invenção o reator é formado de um único bloco, o qual certamente apresenta todas as características essenciais como câmara de reação, câmara de resfriamento, estrutura de canal e de coluna, bem como conexões para linhas de alimentação e de desvios. Isto é possível, por exemplo, através do emprego de impressoras de 3D.

[0084] Em uma outra alternativa, o reator é estanque ao fluido e à pressão e eventualmente não apresenta um invólucro do reator.

[0085] Uma execução adicional se refere ao reator de acordo com a invenção, que está ligado à prova de fluido com um dispositivo de eletrólise ligado a montante. Eventualmente o dispositivo de eletrólise e o ou os reatores de acordo com a invenção está ligado estanque ao fluido e à pressão adicionalmente com trocadores de calor, de tal modo que existe um sistema fechado para a geração e/ou o armazenamento de energias em hidrocarbonetos. Nesse sistema tem que ser alimentada somente energia para eletrólise, CO2 e eventualmente água.

[0086] Por conseguinte, um outro objeto da presente invenção é um sistema ou um dispositivo para a geração e/ou o armazenamento de energias em hidrocarbonetos, em particular, metano, o qual é formado como a seguir:

[0087] Um dispositivo para uma eletrólise de alta temperatura (HT) é abastecido com eletricidade e apresenta linhas de alimentação para os reagentes da eletrólise de HT: H2O e CO2. Como produtos principais da eletrólise são formados hidrogênio, dióxido de carbono e oxigênio. Como produtos secundários, bem como restos de reagentes, ao lado dos produtos principais mencionados antes também são dissipados CO2 e H2O do dispositivo de eletrólise. É separado oxigênio O2. Em pelo menos um trocador de calor é resfriado O2, neste caso, CO2 é preaquecido como reagente para a eletrólise de HT.

[0088] Os outros produtos H2, CO, bem como produtos não consumidos CO2 e H2O, do mesmo modo, são conduzidos para pelo menos um trocador de calor. Nesse trocador, do mesmo modo, CO2 é preaquecido como reagente para a eletrólise de HT.

[0089] Os produtos H2, CO, bem como os reagentes CO2 e H2O não consumidos são conduzidos para fora da eletrólise eventualmente depois de um primeiro trocador de calor para um segundo trocador de calor. Nele a água é preaquecida, a qual é empregada como fluido de resfriamento no reator de acordo com a invenção. Depois da passagem do segundo trocador de calor para os produtos da eletrólise de HT H2 e CO, (bem como os produtos secundários e os reagentes CO2 e H2O não consumidos CO2 e H2O) ocorre uma separação de gás e fluido. A água líquida separada é conduzida para o trocador de calor mencionado por último e ali é preaquecida com a água restante como fluido de resfriamento para o reator de acordo com a invenção. A fase gasosa é conduzida em um outro trocador de calor. Nele H2 e CO, bem como CO2 não consumido e eventualmente também vapor de água residual são preaquecidos antes que eles sejam introduzidos como reagentes no reator de acordo com a invenção. Eles são preaquecidos por meio do metano quente, úmido proveniente do ou dos reatores de acordo com a invenção.

[0090] No reator de acordo com a invenção CO e H2 são reagidos pra formar metano CH4 e H2O. No reator, pelo menos uma parte do CO2 e H2 não é convertida. O CO2 pode ser separado completamente ou parcialmente e ser adicionado como reagente na eletrólise de HT. Em uma alternativa, o produto do reator de acordo com a invenção, portanto, em particular, CH4, H2O, mas também CO2 não convertido e, o qual também não foi desviado, bem como H2 não convertido pode ser conduzido a um outro reator de acordo com a invenção. Ali ocorre uma metanação de CO2 com H2. Neste caso são formados mais metano e água. Em uma outra alternativa, é empregado um reator de acordo com a invenção, o qual depois do desvio apresenta uma parte do reator com resfriamento de contracorrente. Nessa segunda parte com resfriamento de contracorrente ocorre então, de modo correspondente a metanação de CO2.

[0091] Na primeira alternativa, no segundo reator ligado em série, pode existir, do mesmo modo, um resfriamento de contracorrente. Do mesmo modo, o CO2 residual do segundo reator pode ser alimentado como reagente da eletrólise de HT. O metano quente, úmido é conduzido a um trocador de calor descrito anteriormente, no qual os produtos da eletrólise de HT são preaquecidos como reagentes da metanação. Depois dessa troca de calor ocorre uma separação de líquido do gás. O metano seco, gasoso é desviado para fora do sistema ou dispositivo e é armazenado ou eventualmente empregado para a geração de energia. A fase fluída restante, portanto água é conduzida ao trocador de calor que preaquece a água como fluído de resfriamento para a metanação através do calor dos produtos da eletrólise de HT.

[0092] O objeto da presente invenção é também o emprego do reator em um processo para a produção de hidrocarbonetos, de preferência, metano, ou o emprego do reator para a produção de hidrocarbonetos, de preferência, metano.

[0093] Além disso, o objeto da invenção é um método para a operação de um reator de acordo com a invenção.

[0094] Em uma execução o método de acordo com a experiência é realizado, em essência, em uma operação autotérmica.

[0095] No sentido da invenção, em essência, autotérmica significa que o processo completo, portanto o processo de produção completo de hidrocarbonetos (metano) é independente da condução de calor exterior; portanto, a energia das reações exotérmicas é colocada à disposição das reações endotérmicas ou diretamente da produção do fluído de resfriamento gasoso. Em essência, significa que, pelo menos 60%, de preferência, pelo menos 70%, de modo particularmente preferido, pelo menos 80% da necessidade de energia do processo completo estão cobertos sem condução de calor exterior. Em uma alternativa, a câmara de reação é protegida do sub-resfriamento abaixo do ponto de ebulição por meio de elementos de aquecimento e, com isso, da extinção da reação. Portanto, os elementos de aquecimento podem usados exclusivamente para o preaquecimento.

[0096] A produção de hidrocarbonetos de acordo com a invenção, de preferência, a metanação ocorre sob pressão, de preferência, de 2 a 30 bar, particularmente preferido de 4 a 8 bar. Desse modo a formação de subprodutos de coque pode ser reduzida e o metano produzido pode ser limpo e armazenado de modo mais simples. Isso vale, em particular, quando tanto o CO2, como também o vapor de água, os produtos de saída da eletrólise, estiverem disponíveis sob pressão.

[0097] Em uma execução, o meio de resfriamento é alimentado com uma pressão de 5 a 100 bar, de preferência, de 10 a 50 bar, de modo particularmente preferido, de 20 a 40 bar, em particular, 30 bar.

[0098] Um método mais em conta pode ser obtido através do emprego de água para o resfriamento da formação de hidrocarbonetos exotérmicos, em particular, metanação. A água aquecida desse modo ou o vapor de água formado desse modo é empregado diretamente como reagente na eletrólise de HT em uma SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell). Em uma execução, no caso do meio de resfriamento se trata, portanto, de água. Em uma alternativa se trata de vapor de água, em uma outra alternativa se trata de vapor superaquecido. De acordo com a invenção o termo água compreende também vapor de água, tanto vapor úmido, como também vapor seco, mas também vapor superaquecido e vapor supercrítico, bem como vapor saturado seco. Eventualmente, em função de temperatura e pressão, o meio de resfriamento está disponível no reator em uma ou mais dessas formas, ou passa de uma para a outra forma. Em uma execução geralmente é empregado um meio de resfriamento, o qual passa por pelo menos uma troca de fases.

[0099] A fim de obter uma temperatura de ebulição da água como meio de resfriamento de 350 °C, no sistema de resfriamento, portanto, nas linhas de alimentação do fluido de resfriamento e na câmara de reação, precisaria prevalecer uma pressão de cerca de 164 bar, o que tornaria o processo e o reator muito dispendioso e caro.

[0100] Altas pressões representam, em princípio, um risco. A fim de reduzir um perigo a partir da alta pressão, são necessários aparelhos dispendiosos e materiais caros, os quais resistam a altas pressões e também não mostrem quaisquer manifestações de fadiga a longo prazo.

[0101] Se no processo da eletrólise tiver que ser usado vapor de água e, com isso, produzido ligeiramente acima da pressão de reação do processo de metanação, então é suficiente uma pressão de 10 a 40 bar. Nessa pressão a água possui um ponto de ebulição de cerca de 180 a 250 °C. Uma temperatura desse tipo leva possivelmente à extinção da reação no catalisador; uma parede muito espessa entre o fluido de resfriamento e a câmara de reação certamente leva a um gradiente de temperatura, o qual produz, do mesmo modo, Hot-Spots. Devido ao retorno da corrente de acordo com a invenção do fluido de resfriamento nas linhas de alimentação, portanto através da estrutura de canal e de coluna da linha de alimentação de acordo com a invenção, ocorre uma deslocalização da evaporação, isto é, ocorre uma distribuição temporal e espacial do potencial de resfriamento. Se acontecer em um ponto uma superelevação da temperatura, então a evaporação ocorre, de preferência, nesse ponto. Se o aumento da temperatura mudar, então a zona de evaporação acompanha. Desse modo em determinados locais são evitados Hot-Spots ao longo de um período de tempo mais longo, e é suprimido um dano do catalisador.

[0102] No método de acordo com a invenção o meio de resfriamento é alimentado com uma temperatura de 0,1 a 30 Kelvin ou graus Celsius, de preferência, de 1 a 20, de modo particularmente preferido, de 5 a 10 Kelvin sob a temperatura de ebulição do fluido de resfriamento.

[0103] Na execução, na qual é empregada água como fluido de resfriamento, por conseguinte, a temperatura fica alta em cerca de 150 °C ou mais.

[0104] A quantidade de armazenamento de fluido de resfriamento pode ser regulada por linha de alimentação correspondendo àquela do grau de ativação do catalisador. Nesse caso, a regulagem ocorre através da medição de temperatura nos respectivos pontos de alimentação. Se uma temperatura ultrapassar a especificação de meta, então a vazão é aumentada e vice versa. Dessa forma também pode ser observada e compensada a desativação no catalisador.

[0105] Devido à regulagem da quantidade de alimentação é evitado um apagamento, extinção da reação no início do reator. Do mesmo modo é evitada uma formação de um hot-spot nos pontos de injeção subsequentes. De acordo com a invenção, no caso dos pontos de injeção se trata daqueles pontos, nos quais as linhas de alimentação do fluido de resfriamento se encontram na câmara de resfriamento.

[0106] Em uma outra execução a temperatura na câmara de reação/ leito do catalisador é de 100 a 800 oC, de preferência, de 200 a 700 oC, de modo particularmente preferido, de 300 a 500 oC. Em particular, na câmara de reação estão disponíveis faixas de diferentes temperaturas, em outras palavras, está disponível uma expansão de temperatura axial, com temperaturas de no mínimo 100 °C até no máximo 800 °C.

[0107] Em uma execução a temperatura de entrada do gás de reação no reator é entre 250 e 450 graus Celsius, de preferência, 300 e 400 °C, em particular, cerca de 350 °C com flutuações de 10%, de preferência, 5%, em particular, 3%. De acordo com a invenção as flutuações são definidas como desvios, portanto, uma flutuação de 10% em relação à temperatura preferida de 350 °C significa uma temperatura entre 315 e 385 °C.

[0108] Além disso, a diferença de temperaturas entre a temperatura de entrada do fluído de reação e a temperatura de entrada do fluído de resfriamento em uma alternativa é de 10 a 300 oC, de preferência, de 50 a 250 oC, de modo particularmente preferido, de 100 a 150 oC.

[0109] Em uma execução, através do resfriamento do reator ocorre um aquecimento do fluído de resfriamento em torno de 20 a 300 °C, de preferência, de 100 a 200 °C.

[0110] No emprego de água, portanto, a temperatura do desvio é de 400 a 450 °C, no caso da expansão da temperatura máxima axialmente no leito do catalisador é de 300 a 500 °C.

[0111] Em uma outra execução é empregado um produto de resíduos da reação da câmara de reação como fluído de resfriamento.

[0112] Em uma alternativa a denominada água de reação, portanto, a água que surge na metanação como subproduto, é usada para o resfriamento da metanação. Em uma alternativa essa água é preaquecida através do resfriamento de reagentes ou resfriamento da corrente de produto.

[0113] Em uma execução, pelo menos, dois reatores são ligados em série estanques ao fluido, sendo que, o primeiro é resfriado por meio de condução de corrente contínua, e o segundo é resfriado por meio de condução de contracorrente.

[0114] Em uma alternativa, o produto de uma eletrólise de HT é introduzido como reagente no reator de acordo com a invenção, de preferência, em um SOEC, portanto, uma mistura de gás, contendo componentes (como essenciais) ou constituída de H2, CO e CO2 como gás de reação.

[0115] O fluído de resfriamento aquecido proveniente do ou dos reatores é conduzido como vapor de água para a eletrólise de HT.

[0116] Em uma execução o reator de acordo com a invenção pode ser operado como a seguir: um máximo de 450 °C como temperatura do reator. Os produtos deixam o reator com uma temperatura de 350 a 400 °C. A reação ocorre em uma pressão de 5 bar. Como eletrólise de HT é empregada uma SOEC (Solid Oxid Elektrolysis Cell). A eletrólise ocorre em 730 a 850 °C e alcança uma conversão de 60% de CO2 e 70% de H2O. Segue-se uma alimentação de CO2 para H2O na relação de 0,2 : 0,8 até 0,1 : 09. Também aqui a eletrólise ocorre sob uma pressão de 5 bar.

[0117] A alimentação de CO2 ocorre, do mesmo modo, com uma pressão de 5 bar. A alimentação de água ocorre sob pressão atmosférica. CO2 e H2O são alimentados com uma temperatura de cerca de 20 °C. A água de resfriamento empregada tem uma temperatura de 7 a 15 °C.

[0118] O reator de acordo com a invenção e o método, em particular, a operação do reator de acordo com a invenção mostram as seguintes vantagens:

[0119] Um retorno do fluído de resfriamento, portanto, a existência de pelo menos uma estrutura de canal e de coluna na saída do reator, portanto, no desvio do fluído de resfriamento para o vapor gerado facilita a forma de construção ou assegura que o leito do catalisador é resfriado de maneira uniforme até a extremidade do reator, uma vez que, no caso de uma montagem tipo sanduíche de várias camadas, as ramificações laterais para o fornecimento ou descarte de meios no reator sempre trazem consigo de modo forçado uma parte de corrente cruzada.

[0120] Devido ao número de retornos, a posição do processo de ebulição pode ser deslocada na direção radial entre os planos e com a alimentação controlada separadamente do fluído de resfriamento (também diferentes quantidades são possíveis assim) a corrente de calor, a qual é retirada do catalisador, pode ser regulada de modo visado. Dessa forma também o curso da temperatura no leito do catalisador pode ser ajustado de modo visado na direção axial sem levar a reação a extinguir.

[0121] Desse modo ocorre a subdivisão mencionada acima da zona de reação em diversas áreas através de diferentes comprimentos das estruturas de canal e/ou número de retornos, portanto, número das estruturas de coluna para a influência do fluxo de calor e do perfil de temperatura na direção axial.

[0122] O emprego de água de reação para o resfriamento da metanação - preaquecida por meio do resfriamento de reagente ou corrente de produto poupa o dispêndio de energia para a preparação de água isenta de íons.

[0123] O reator é bastante compacto (medida externa, pelo menos, menor do que o fator 10) em relação ao estado da técnica e, com isso pode ser empregado em instalações móveis, baseadas em contêineres prontos para ocupação ou em skids.

[0124] Devido à redução do hot-spot quase não ocorre desativação do catalisador e, por conseguinte, acontece também uma considerável redução do perigo da extinção da reação, bem como de vantagens técnicas de manutenção (intervalos de manutenção maiores).

[0125] O fluído de resfriamento possui uma alta temperatura de saída (cerca de 400 a 450 °C) e com isso é apropriado para o retorno imediato do calor de reação para o processo de eletrólise de HT. O processo mostra uma baixa limitação em relação ao volume de CO2 (pequeno dispêndio de limpeza do metano produzido sinteticamente) em misturas de CO e CO2 com hidrogênio, como elas ocorrem em uma eletrólise de CO de vapor de H2O e CO2 para H2 e CO.

[0126] Além disso, incorrem somente baixos custos em virtude da baixa desativação do catalisador. Através da forma de construção compacta é garantido um aquecimento / resfriamento extremamente rápido, de tal modo que é possível uma operação dinâmica com troca de carga bem simples. Isso é de vantagem em particular durante o uso de corrente excedente.

[0127] Devido ao emprego de dois reatores ligados em série ou de um reator com direção de fluxo do fluído de resfriamento na câmara de resfriamento na corrente contínua e contracorrente para a condução de corrente na câmara de reação são colocados à disposição zonas / reatores separados para a conversão de CO e CO2 (de preferência, CO é convertido nos catalisadores comuns, e CO2 precisa concorrer com centros de catalisadores), com as possibilidades do emprego de diferentes catalisadores nos dois reatores, isto é, primeiro existe um catalisador para a conversão de CO com maior estabilidade em relação à temperatura e coqueificação, então em seguida um catalisador para a conversão de CO2 com atividade específica maior em temperaturas mais baixas.

[0128] Uma construção desse tipo permite também o emprego de reatores de diferentes tamanhos ou de um reator com zonas de diferentes tamanhos com relação às áreas, nas quais na câmara de resfriamento existe uma corrente contínua e contracorrente para a condução de corrente na câmara de reação. O tamanho dos reatores ou das zonas se orienta de acordo com a relação de CO/CO2.

[0129] Portanto, de acordo com a invenção é influenciado não somente o fluxo de calor na direção radial, mas também o perfil de temperatura do reator completo na direção axial através da interconexão. Assim, através da anexação de um segundo reator ou parte do reator, com eventual direção de fluxo contrária, é obtido um valor máximo da temperatura no fluído de resfriamento no ponto de ligação das duas saídas de meio de resfriamento. Isso tem vantagens na utilização do meio de resfriamento para outros fins de aquecimento. O retorno da direção de fluxo entre os reatores ou segmentos de reatores permite a combinação da redução do pico de temperatura na área dianteira do primeiro reator através do ajuste da passagem de calor em diversas zonas axiais com superaquecimento do vapor no final do primeiro reator ou do segmento do reator. No segundo reator ou segmento do reator, então, por meio de resfriamento visado, em temperaturas consideravelmente menores, através da pura operação de contracorrente, também pode ser empregado um outro catalisador para deslocar o equilíbrio termodinâmico na direção dos produtos da reação.

[0130] O reator de acordo com a invenção e o método, em particular, a operação do reator de acordo com a invenção podem ser empregados na indústria de gás natural / indústria de energia: para a produção de gás natural sintético (GNS) para a alimentação na rede de gás natural ou para postos de abastecimento de gás natural por meio de energia excedente.

[0131] Além disso, podem ser usados emissores de CO2, os quais colocam reagentes à disposição: uso de emissões (por exemplo, de biogás ou na indústria de cimento ou em BHKWs) para a produção de gás natural sintético (GNS) por meio de energia excedente. Além disso, desse modo pode ser armazenada energia excedente e excesso de capacidade de energia na rede de distribuição.

[0132] As vantagens do dispositivo ou sistema de acordo com a invenção para a produção e/ou armazenamento de energia em hidrocarbonetos estão em uma máxima recuperação do calor de cada etapa de operação, de uma baixa temperatura da fonte de calor, que será empregada para a estabilização do sistema. Essa temperatura se situa abaixo de 300 °C. Além disso, é obtida uma otimização da relação de CO2 para H2 para a metanação. Além disso, é necessário somente um mínimo de limpeza do metano produzido. Outra vantagem do sistema ou dispositivo de acordo com a invenção é um processo quase autotérmico, no qual só eventualmente, tenha que ser alimentada menos água. Por conseguinte, também o consumo de água é reduzido a um mínimo.

[0133] A seguir serão descritas formas de execução individuais da presente invenção por meio de figuras. Essas figuras, no entanto, não devem limitar o objeto da invenção, mas somente representar formas de execução individuais ou alternativas. Fig. 1:

[0134] A figura 1 mostra a montagem de um reator composto de placas individuais (camadas). Partindo de uma placa central 1, que eventualmente está equipada com elementos de aquecimento, a montagem ocorre através de diferentes placas em ambas as direções com simetria. Portanto, as placas 2 e 2' são simétricas e também apresentam as mesmas características simétricas. De modo análogo a isso ocorre a montagem do reator de acordo com a invenção com as outras placas 3, 4, 5, 6, 7, as quais também são continuadas com simetria na direção oposta. A placa 2 contém fendas contínuas no lado inferior, portanto, na direção da placa central. Fendas 2" análogas podem ser encontradas na placa inferior 2'. Através dessas fendas 2" após a soldagem ocorrida da pilha pode ser puxado um fio, e o material entre duas fendas pode ser afastado na respectiva placa 2 ou 2' por meio de erosão do fio para a produção da câmara de reação. As placas da primeira camada 2 e 2' no lado que fica afastado da placa central tem outras fendas, as quais são cobertas com a placa 3, 3' seguinte a elas, e formam a câmara de resfriamento.

[0135] A seguir ocorre a montagem para cima através de outras placas de 4 a 7, as quais apresentam as estruturas de canal e de coluna formadas pelas fendas e furos. A última placa tem conexões para a linha de alimentação do meio de resfriamento 8, bem como para seu desvio 9. Uma montagem simétrica correspondente ocorre da placa central para baixo, como está claro na figura. Fig. 2:

[0136] Na figura 2 está representado um reator de acordo com a invenção no corte transversal. Partindo de uma placa central 11, existem câmaras de reação 12 simétricas para cima e para baixo. Sobre ela se encontra respectivamente uma câmara de resfriamento 13. A linha de alimentação 16 do fluido de resfriamento é caracterizada por uma estrutura de canal 15 e de coluna 14 dobrada uma sobre a outra. No caso em questão a linha de alimentação mostra três dessas estruturas dobradas uma sobre a outra. O desvio do fluido de resfriamento ocorre nessa alternativa, do mesmo modo, através de uma estrutura de canal 18 e de coluna 17. Fig. 3:

[0137] Na figura 3 em resumo é descrita a execução na qual o reator de acordo com a invenção, depois do desvio apresenta uma parte do reator com resfriamento de contracorrente com uma linha de alimentação para o fluido de resfriamento. A primeira parte do reator A' foi descrita na fig. 2. A segunda parte do reator B' é caracterizada por uma outra linha de alimentação para o fluido de resfriamento 16', que apresenta uma estrutura de canal 15' e de coluna 14'. Fig. 4:

[0138] Na figura 4 é descrita uma execução, na qual estão representados dois reatores de acordo com a invenção, os quais podem ser ligados em série. O primeiro reator A está representado na figura 2. O segundo reator B" corresponde à segunda parte do reator B' da figura 3; ele apresenta, do mesmo modo uma placa central ou plano 11", e uma câmara do reator 12". Além disso, o segundo reator B" apresenta uma linha de alimentação 1' para o fluido de resfriamento com estrutura de canal 15' e de coluna 14'. Além disso, o segundo reator B" apresenta um desvio para o fluido de resfriamento 19", do mesmo modo com estrutura de canal 18" e de coluna 17". O resfriamento na câmara de resfriamento 20" ocorre na contracorrente para o fluxo na câmara do reator 12". Fig. 5:

[0139] Na figura 5 é descrita uma execução do sistema de acordo com a invenção ou do dispositivo para a geração e/ou armazenamento de energias em hidrocarbonetos, em particular, metano. Um dispositivo para a eletrólise de alta temperatura 31 é abastecido com energia 32. Como reagentes são alimentados água e dióxido de carbono. Um dos produtos da eletrólise que é derivado é o oxigênio 47. Outros produtos são hidrogênio e monóxido de carbono, cujos componentes restantes contêm dióxido de carbono e água ou vapor de água 33. Eles são resfriados no trocador de calor 34 e em seguida no 35. Em seguida a uma separação de gás e líquido 36 hidrogênio e monóxido de carbono, inclusive componentes restantes são conduzidos a um reator a de acordo com a invenção.

[0140] Nesse reator de acordo com a invenção com corrente contínua na câmara de reação e de resfriamento ocorre a metanação de monóxido de carbono. Esse reator está ligado com um segundo reator B" de acordo com a invenção. Nesse reator existe uma contracorrente na câmara de resfriamento ou na câmara de reação. Neste caso, ocorre a outra metanação de monóxido de carbono e, em particular, de dióxido de carbono. Metano úmido como produto de reação dos dois reatores 44 de acordo com a invenção é resfriado através do trocador de calor 37 contra os reagentes do reator A. Em uma separação de gás e líquido 45 é separada água 39, que é conduzida ao trocador de calor 35. O metano seco 46 como produto do sistema é dissipado e armazenado ou usado imediatamente. No trocador de calor 35 a água 39 separada do produto de reação é aquecida pelos produtos da eletrólise 33 e conduzida aos trocadores de calor 40 e 41. No caso dos trocadores de calor 40 e 41 se trata, portanto, de aquecedores adicionais que são alimentados eletricamente através de combustão ou outra referência externa de calor. Em seguida a água aquecida como fluido de resfriamento com uma temperatura próxima ao ponto de ebulição é conduzida para reatores A e B" de acordo com a invenção.

[0141] Dos reatores A e B" de acordo com a invenção a água, que foi empregada como fluido de resfriamento e agora está disponível como gás, é conduzida através do trocador de calor 34 para a eletrólise. Antes do trocador de calor 34 o dióxido de carbono 43 é alimentado como reagente para a eletrólise. No trocador de calor 34, portanto, os reagentes da eletrólise são aquecidos contra os produtos da eletrólise.

[0142] Como outro produto da eletrólise está disponível oxigênio 47, o qual é resfriado no trocador de calor 48 e como produto 49 pode ser derivado do sistema e armazenado ou usado imediatamente. O trocador de calor 48 é ligado em paralelo com o trocador de calor 34 e aquece, do mesmo modo, os reagentes da eletrólise.

[0143] O sistema é estanque ao fluido e vedado à pressão. Eventualmente pode ser alimentada água 38 para o sistema.

Claims (9)

1. Reator (A, A’, B’, 12”, 44,) com invólucro do reator, câmara de reação e câmara de resfriamento (13, 20), bem como com linhas de alimentação (16, 1’) separadas vedadas ao fluido para pelo menos um reagente fluido e para um fluido de resfriamento (16’, 19’), caracterizado pelo fato de que pelo menos duas linhas de alimentação (16, 1’) estão disponíveis para o fluido de resfriamento (16’, 19’) com pelo menos uma estrutura de canal (15, 15’, 18, 18’) e estrutura de coluna (14, 14’, 17, 17’) dobrada respectivamente uma sobre a outra com inversão de corrente, sendo que o reator (A, A’, B’, 12”, 44,) possui pelo menos um desvio para o fluido de resfriamento (16’, 19’) aquecido, que apresenta pelo menos uma estrutura de canal (15, 15’, 18, 18’) e estrutura de coluna (14, 14’, 17, 17’) dobrada respectivamente uma sobre a outra com inversão de corrente, sendo que uma estrutura de canal (15, 15’, 18, 18’) significa um espaço oco alongado paralelo à direção de fluxo na câmara de reação, e uma estrutura de coluna (14, 14’, 17, 17’) significa um espaço oco alongado perpendicular à direção de fluxo na câmara de reação, sendo que uma estrutura de coluna (14, 14’, 17, 17’) é uma parte da condução do fluido de resfriamento (16’, 1’), que liga duas estruturas de canal (15, 15’, 18, 18’) e possibilita, desse modo, uma condução vedada ao fluido do fluido de resfriamento (16’, 19’), sendo que a câmara de reação está carregada com um catalisador, sendo que a câmara de resfriamento (13) está adjacente à linha de alimentação (16, 1’) do fluido de resfriamento (16’, 19’), chega até o desvio e passa paralela à câmara de reação.

2. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das, pelo menos, duas linhas de alimentação (16) para o fluido de resfriamento (16’) apresenta respectivamente duas estruturas de canal (15) e de coluna (14) dobradas uma sobre a outra com inversão de corrente.

3. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas linhas de alimentação (16) estão dispostas na área da primeira metade da câmara de reação.

4. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as, pelo menos duas, linhas de alimentação (16) e/ou o, pelo menos um, desvio na área das, pelo menos duas, estruturas de canal (15) e de coluna (14) dobradas uma sobre a outra com inversão de corrente apresentam diferentes seções transversais com referência à forma e/ou à superfície.

5. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma linha de alimentação (16) em, pelo menos, uma estrutura de coluna (14) apresenta fases sinterizadas, metais sinterizados, fibras, cilindros ou círculos.

6. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que depois do desvio ele apresenta uma parte do reator (A, A’, B’, 12”, 44) com resfriamento de contracorrente com pelo menos uma linha de alimentação (16, 1’) para o fluido de resfriamento (16’, 19’) com pelo menos uma estrutura de canal (15, 15’, 18, 18’) e estrutura de coluna (14, 14’, 17, 17’) dobrada uma sobre a outra com inversão de corrente.

7. Reator (A, A’, B’, 12”, 44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que ele está ligado estanque ao fluido com um dispositivo de eletrólise ligado a jusante.

8. Uso de um reator (A, A’, B’, 12”, 44), conforme definido nas reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser em um processo para a produção de hidrocarbonetos, de preferência, metano.

9. Método para a operação de um reator (A, A’, B’, 12”, 44), conforme definido nas reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que: o fluido de resfriamento (16’, 19’) é alimentado com uma pressão de 5 a 100 bar, de preferência, de 10 a 50, de modo particularmente preferido, de 20 a 40 bar, em particular, 30 bar; o fluido de resfriamento (16’, 19’) é alimentado com uma temperatura de 0,1 a 30 Kelvin, de preferência, de 1 a 20, de modo particularmente preferido, de 5 a 10 Kelvin sob temperatura de ebulição do fluido de resfriamento (16’, 19’); a temperatura na câmara de reação/leito do catalisador tem de 100 a 800 oC, de preferência, de 200 a 700 oC, de modo particularmente preferido, de 300 a 500 oC; a diferença de temperatura entre a temperatura de entrada do fluido de reação e a temperatura de entrada do fluido de resfriamento (16’, 19’) tem de 10 a 300 oC, de preferência, de 50 a 250 oC, de modo particularmente preferido, de 100 a 200 oC; um produto de resíduos da reação da câmara de reação é empregado como fluido de resfriamento (16’); e pelo menos dois reatores são ligados em série estanques ao fluido, sendo que, o primeiro é resfriado por meio de condução de corrente contínua, e o segundo é resfriado por meio de contracorrente.

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