[0001] Die Erfindung betrifft einen integrierten Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 23.
Stand der Technik
[0002] Die örtlich verteilte Herstellung kleiner Stoffmengen ("on-site production") gewinnt in der chemischen Industrie und ihrem Umfeld verstärkt Interesse.
Ausgereifte verfahrenstechnische Apparate zur intensivierten, kompakten Durchführung dieser Prozesse, wie beispielsweise sogenannte Mikroreaktoren, sind für viele Anwendungen jedoch noch nicht Stand der Technik.
[0003] Die DE 10 036 602 A1 beschreibt einen Mikroreaktor zur Durchführung von chemischen Rektionen für Reaktionen zwischen einem Reaktionspartner in fluider Form und einem Reaktionspartner in gasförmiger Form, gegebenenfalls in Gegenwart eines festen Katalysators, wobei die chemische Prozessführung in Räumen stattfindet, die von zwei oder mehreren im Wesentlichen planparallelen Platten oder Schichten gebildet werden, wobei mindestens eine dieser Platten oder Schichten eine Fluidführungsplatte darstellt, die so strukturiert und/oder angeordnet ist,
dass der fluide Reaktionspartner nur aufgrund des Einflusses der Schwerkraft und/oder von Kapillarkräften in mindestens einem im Wesentlichen ununterbrochenen Kapillarfaden entlang der Oberfläche dieser Platte oder Schicht fliesst und dabei mit dem gasförmigen Reaktionspartner in Kontakt tritt und reagiert.
[0004] In der DE 10 106 953 A1 werden Mikroreaktoren beschrieben, die aus mindestens einem auf einen Träger aufgebrachten Mikroreaktionssystem mit jeweils mindestens einem Mikroreaktionsraum, mindestens einem Zulauf für Edukte und mindestens einem Ablauf für Produkte bestehen, die sich dadurch auszeichnen, dass die Mikroreaktionssysteme mit einer inertisierenden Beschichtung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid ausgestattet sind.
[0005] Die breite industrielle Einführung kompakter Reaktoren verläuft unter anderem durch Vorbehalte hinsichtlich des langzeitstabilen Verhaltens von Apparaten, die durch kleine Strukturabmessungen gekennzeichnet sind, verzögert.
[0006] Ein Hinderungsgrund bzgl. der geforderten Langzeitstabilität liegt für verschiedene Prozesse in der Bildung von Ablagerungen an fluidführenden Wandmaterialien. Die Bildung von Ablagerungen tritt bevorzugt durch unerwünschte Zersetzungsreaktionen von organischen Ausgangsstoffen am Wandmaterial, auch Ablagerungsbildung oder Fouling genannt, auf.
[0007] Erste Untersuchungen im Bereich der Mikroreaktionstechnik beschäftigen sich mit der Verhinderung der Ablagerungsbildung bei Mischvorgängen.
Konzepte zur durchgängigen Gestaltung eines kompakten Prozesses, der mehrere Prozessschritte unter Berücksichtigung der Vermeidung von Ablagerungen integriert, sind bisher aber kaum bekannt.
[0008] In der DE 10 045 309 A1 wird der Betrieb eines Mikrostrahlreaktors beschrieben, wobei in einem, von einem Reaktor eingeschlossenen Gasraum Flüssigkeitsstrahlen, durch Düsen auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt gerichtet, aufeinander treffen und über eine zusätzliche Öffnung im Reaktorinneren ein Gas oder eine Flüssigkeit zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre und zur gleichzeitigen Kühlung zugeführt wird, und der Reaktor eine weitere, mit einem Druckhalteventil ausgestattete Öffnung zum Abtransport von Reaktionsprodukten und Kühlmedien aufweist.
Bei dem erfindungsgemässen Mikroreaktor stehen die Edukte nicht nur nicht im direkten statischen Kontakt, vielmehr werden die Reaktionsprodukte nach gewünschtem Reaktionsende und Abstellen der Eduktzuführungen durch die Gaszuführung vollständig aus dem Reaktor entleert. Somit können keine Fouling- und Verblockungsprobleme auftreten, da die Reaktionskammer bzw. deren Ausgang so gestaltet ist, dass keine engen Räume auftreten.
[0009] Sogenannte "Jetmixer" oder auch Strahlpumpen/-verdichter werden neben Fluidverdichtungsaufgaben auch für Mischvorgänge in der chemischen Industrie herangezogen. Sie werden üblicherweise so betrieben, dass ein Fluid unter hohem Druck mittels einer Düse entspannt wird.
Seitlich wird nach der Düse ein zweites Fluid unter niedrigerem Druck zugeführt, welches verdichtet werden kann, da die Düsengeometrie so ausgelegt ist, dass der statische Druck an der Zuführungsstelle des zweiten Fluids niedrig ist. In der Zone nach der Düse kann eine Durchmischung beider Fluide erzielt werden.
[0010] Zur Vermischung von Fluidströmen in Mikrostrukturen sind weiterhin sogenannte "V-Micro-Jetmixer" bekannt, wie sie in S. Ehlers, "Mixing in the Offstream ofa MicroChannel System", Chem. Eng. and Processing, Seite 291-198 (2000), vorgestellt werden. Bei diesem Verfahren soll die Mischung durch die Zusammenführung zweier Fluide, die in abwechselnden Fluidlagen geführt werden, erzielt werden. Die Fluide werden in abwechselnden Kanalstrukturen geführt.
Am Ende der übereinanderliegenden Kanalstrukturen erfolgt die Vermischung, wobei die Projektion zweier benachbarter Fluidführungslagen eine V-Form ergibt. Ziel ist die Turbulenzerhöhung während des Mischvorgangs.
[0011] Eine funktional ähnliche Ausführung zur Erhöhung der Mischgüte ist aus der DE 19 540 292 C1 bekannt. Darin wird eine gebogene Fluidführung in der Fluidführungsstruktur und ein paralleles Austreten der Fluide in die Mischkammer vorgeschlagen.
[0012] Aus der WO 97/22 547 ist die bis zur Verdüsung und Vermischung eines Oxidationsmittels mit einem Brennstoffstrom räumlich getrennte Führung mehrerer Fluidströme bekannt, Zielsetzung ist die Gemischbildung für partielle Oxidationsprozesse. Eine Integration mit weiteren, heterogen geführten Reaktionsschritten nach dem Vermischungsvorgang findet nicht statt.
An den Vermischungsvorgang schliesst sich die Vergasungszone an.
[0013] Zudem ist aus der GB 844 950 eine Mischdüse bekannt, bei der eine Vermischung zwischen zwei Stoffströmen durch eine axiale Zuführung des ersten sowie eine seitliche Zuführung des zweiten Stromes erfolgen soll. Der Mischvorgang soll dabei durch Erzeugung eines Dralls bereits vor dem Austritt aus der Düse durch entsprechende Leitelemente vor der Austrittsstelle stattfinden.
Vorteile der Erfindung
[0014] Der erfindungsgemässe "integrierte Reaktor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil,
dass damit erstmals die kompakte Integration von traditionell getrennt ausgeführten Prozessschritten unter Berücksichtigung der Minimierung der Ablagerungsbildung ermöglicht wird.
[0015] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Ansprüchen genannten Massnahmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0016] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>schematisch eine Querschnittsansicht des erfindungsgemässen integrierten Reaktors;
<tb>Fig. 2<sep>schematisch eine erste Variante zur Fluidführung in dem erfindungsgemässen Reaktor;
<tb>Fig. 3<sep>schematisch eine zweite Variante zur Fluidführung in dem erfindungsgemässen Reaktor;
<tb>Fig. 4<sep>schematisch eine dritte Variante zur Fluidführung in dem erfindungsgemässen Reaktor; und
<tb>Fig. 5<sep>eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der Fig. 1.
Ausführungsbeispiele
[0017] Kern der vorliegenden Erfindung ist die nachfolgend beschriebene Integration von aufeinanderfolgenden Prozessschritten von mindestens zwei Fluidströmen in einem kompakten Reaktionsapparat oder integrierten Reaktor unter besonderer Berücksichtigung der Gefahr der Bildung von Ablagerungen (Foulinggefahr) durch einen der beiden Fluidströme. Unter "Reaktionsapparat" oder "Reaktor" werden im Folgenden zur Vereinfachung eine örtliche, räumlich integrierte Abfolge von Prozessschritten wie bspw. Gemischaufbereitung und Reaktionsbereich sowie gegebenenfalls weitere Bereiche wie Stofftrennung oder Stoffeinspeisung verstanden.
[0018] Es wird aus mindestens zwei Fluidströmen, die dem Reaktor gemeinsam zugeführt werden, ein Gas- oder Gas-/Dampfgemisch erzeugt.
Einer der zugeführten Fluidströme zeichnet sich dadurch aus, dass es bei Berührung des Reaktanden mit dem Wandmaterial des Reaktors bei bestimmten Betriebsbedingungen reaktionsbedingt zur Bildung von Ablagerungen wie z.B. Salzen oder Fouling durch unerwünschte Zersetzung von Bestandteilen dieses Fluidstroms kommen kann. Es ist dabei nicht unbedingt notwendig, dass beide Fluidströme in flüssigem Zustand vorliegen. Ebenso kann mindestens ein Strom gasförmig sein. Vorteilhafterweise ist dies der Fluidstrom, der weniger ablagerungsgefährdet ist.
Des Weiteren kann mindestens einer der zugeführten Fluidströme im Zeitverlauf wechseln, so beispielsweise dann, wenn bei Ausserbetriebnahme des Reaktors der eine Fluidstrom z.B. durch einen oxidierend wirkenden Fluidstrom ersetzt wird, der bspw. dazu dienen kann, Ablagerungen im Reaktor, insbesondere auf dem katalytisch aktiven Bereich, zu entfernen. Zudem kann zeitabhängig die durchgeführte Reaktion gewechselt werden. Zum Beispiel kann ein Wechsel von der Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffgemisches zur autithermen Reformierung eines Kohlenwasserstoffgemisches oder partiellen Oxidation erfolgen.
[0019] Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, auftretende Wandablagerungen, die die Langzeitstabilität gefährden können, weitestgehend zu vermeiden.
Dies soll dadurch verhindert werden, dass der Kontakt des zur Zersetzung neigenden Fluidstroms mit dem Wandmaterial im Prozess weitestgehend unterbunden wird.
[0020] Ausgangspunkt des vorgestellten Verfahrens sowie des integrierten Reaktors zur Ausführung dieses Verfahrens sind mindestens zwei Fluidströme 1,2, die in flüssiger Form vorliegen. Im Folgenden soll zur Vereinfachung davon ausgegangen werden, dass Strom 2 als der foulinggefährdete Strom gilt. Selbstverständlich kann aber auch der Strom 1 als gefährdeter Strom angesehen werden.
[0021] Strom 2 kann beispielsweise aus einer organischen Substanz oder einer Mischung von organischen Substanzen bestehen, beispielsweise einer Mischung aus Kohlenwasserstoffen, die eine Zusammensetzung ähnlich der eines Kraftstoffgemisches wie Benzin oder Diesel aufweist.
Die nachfolgenden Ausführungen gelten unter der Annahme, dass eine Anwendung vorliegt, bei der ein Dampfgemisch gebildet werden soll, wobei nach der Bildung des Gemisches dieses auf ein definiertes Temperaturniveau eingestellt werden soll. Während des Gemischbildungsprozesses sowie der Einstellung des Temperaturniveaus können eine oder mehrere Reaktionen zwischen den Gemischkomponenten und/oder mit dem Wandmaterial ablaufen. Die Reaktionen können sowohl homogen als auch heterogen ablaufen. Vorzugsweise schliesst sich an die Stelle mit dem engsten Materialquerschnitt, im Folgenden "Düse" genannt, eine Zone an, die insbesondere Wärmetauschaufgaben übernimmt.
Die Reaktion der Gemischbestandteile ist anwendungsabhängig, vorzugsweise wird bei dem vorgestellten Verfahren von einer endothermen Reaktion ausgegangen, wobei die Wärmezufuhr vorzugsweise durch ein aufgeheiztes Wandmaterial in einem definierten Reaktionsbereich erfolgen soll. Der Grundwerkstoff dieses Bauteils ist vorzugsweise ein metallischer Werkstoff. Insbesondere der Bereich nach der Düse kann jedoch mit einer keramischen Substanz, beispielsweise Alummiumoxid, Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder anderen Keramiken versehen sein. Diese Keramik kann zum einen als Beschichtung aufgebracht sein, andererseits kann die Keramik im Sinne einer Auskleidung getrennt von der metallischen Grundstruktur eingebracht sein.
[0022] Grundsätzlich sollen in dem erfindungsgemässen integrierten Reaktor Reaktionen durchgeführt werden können, deren Wärmetönung komplex ist.
So ist es bspw. denkbar, dass aufgrund von Vorreaktionen in der Gasphase eine Exothermie entsteht. Dieses Phänomen tritt bei der Umsetzung höherer Kohlenwasserstoffe in niedrigere Kohlenwasserstoffe unter Bildung von Wasserstoff bei Reformierungsprozessen auf. Exotherme Vorreaktionen sind auch als "Kalte Flamme" bekannt. Im hinteren, in einer speziellen Ausführungsform katalytisch beschichteten, Teil des Reaktors ist es denkbar, dass das sich teilweise selbst aufheizende Gemisch heterogen katalysiert insgesamt endotherm reagiert. Ein Anwendungsfall, in dem das beschriebene Verhalten auftreten kann, ist die Wasserdampfreformierung von langkettigen Kohlenwasserstoffen.
Hier verläuft die Dekompositionsreaktion der längerkettigen Kohlenwasserstoffe insbesondere zu Methan und Wasserstoff im Rahmen eines sogenannten Pre-Reformung exotherm, die Dampf-Reformierung des entstandenen Methans endotherm.
[0023] Fig. 1 zeigt schematiseh eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen integrierten Reaktors 10, dem zwei Fluide (Fluid 1, Fluid 2) über einen Zuführungsbereich 12 zugeführt werden. Nach der Durchströmung der Zuführungszone 12 wird die Strömung beider Fluide dann bis zu einer Querschnittsverengung 13 geführt. Bei der Querschnittsverengung kann es sich beispielsweise um eine Düse handeln.
Der Verengungsbereich ist dabei nach den bekannten Regeln der Technik so ausgeführt, dass Rezirkulationen, die die weitgehend vorhandene Phasentrennung der beiden Fluide beeinflussen können, weitestgehend unterbunden werden.
[0024] Der Bereich vor der Düse 13 kann vielfältig gestaltet sein. In der einfachsten, in Fig. 1 gezeigten Realisierung werden die Fluide 1 und 2 in konzentrischen Röhren 14 (in Fig. 1 durch die Symmetrielinie 15 angedeutet) bis zur Düse geführt. Bei alternativen Varianten, beispielsweise bei erhöhten Durchsatzanforderungen oder aus konstruktiven Gründen, sind andere Querschnittsgeometrien denkbar, insbesondere rechteckige Querschnitte. In diesem Spezialfall verändert sich die Düsengeometrie in einen Schlitz.
Wichtig für die Erfindung ist, dass der foulingempfindliche Fluidstrom (im vorliegenden Beispiel also Fluid 2) innerhalb des weniger oder gar nicht foulinggefährdeten Fluidstromes (hier Fluid 1) geführt wird.
[0025] Grundvoraussetzung für die vorliegende Erfindung ist, dass die Strömungsgeschwindigkeiten in dem Bereich vor der Düse 13 so gewählt sind, dass sich eine laminare Strömung einstellt.
Bei der Förderung von Flüssigkeiten und entsprechender Auslegung der Zuführungszone 12 ist der Stofftransport aus dem Fluid 2 an die Wand 16 der konzentrischen Röhren 14 so behindert, dass die Konzentration foulingverursachender Inhaltsstoffe des Fluids 2 in Wandnähe bis zur Düse 13 aufgrund der laminaren Strömung und der geringen Diffusion in Flüssigkeiten sehr gering gehalten werden kann.
[0026] Der Zuführungsbereich 11 sowie die Zuführungszone 12 können in verschiedenen Gestaltungen ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt beispielsweise eine seitliche Zuführung des Fluids 1, während in Fig. 3 eine seitliche Zuführung des Fluids 2 gezeigt ist.
Bei allen Ausgestaltungen wird jedoch der foulinggefährdete Fluidstrom (hier Fluid 2) im gleichen, durch Wandmaterial 16 abgegrenzten, Querschnitt in der Strömungsmitte von Fluid 1 bis zur Querschnittsverengung 13 (Düse) geführt.
[0027] Mittels der Düse 13 wird die Fluidmischung dann auf einen niedrigeren Druck entspannt.
Druckverhältnisse sowie Wandtemperatur in diesem Bereich werden durch entsprechende Massnahmen (die Wandtemperatur ergibt sich infolge der äusseren Bedingungen, nämlich der Wärmzufuhr an der Aussenseite der fluidführenden Struktur und der Wärmeleitung entlang/entgegen der Strömungsrichtung) so eingestellt, dass durch die Entspannung der Grossteil der Fluidmischung in die Dampfphase übergeht.
[0028] Die charakteristischen minimalen Abmessungen quer zur Strömungsrichtung in einem Bereich 17, der an die Düse 13 anschliesst, liegen in der Grössenordnung kleiner 1000 Microm, bevorzugt kleiner 500 Microm. Der Bereich 17 dient gegebenenfalls zum Verdampfen, in jedem Fall jedoch zum Überhitzen und Aufheizen des Gas- oder Gas-/Dampfgemisches auf die Reaktionstemperatur. Der Wärmeeintrag erfolgt bevorzugt indirekt durch den Kontakt mit dem Wandmaterial 16 im Bereich 17.
Wie bereits erwähnt, kann das Wandmaterial sowohl aus einer metallischen Legierung als auch aus einer keramischen Substanz bestehen, welche eine Auskleidung oder Beschichtung der metallischen Grundsubstanz des Reaktors darstellt. Das Wandmaterial wird durch bekannte Massnahmen auf einem definierten Temperaturprofil gehalten. Diese Massnahmen zur Erzeugung eines definierten Temperaturprofils sind wahlweise und/oder in Kombination
a) : Gestaltung der Wandstärke des Grundmaterials und/oder der optionalen Auskleidung im Aufheizbereich 17 in der Art, dass die axiale Wämeleitung im Feststoff das geforderte Temperaturprofil unterstützt;
b) : externe, lauflängenabhängige Beheizung des Reaktors; Nutzung der Wärmeleitungsprozesse quer zur Strömungsrichtung.
Beispielsweise ist eine elektrische Beheizung insbesondere im Reaktionsbereich 18 (vgl. weiter unten) und/oder die Nutzung der Aussenfläche des Reaktors zum indirekten Wärmeaustausch denkbar. Weiterhin ist die Durchführung wärmegetönter homogener und/oder heterogener Reaktionen auf Teilbereichen der Aussenseite des erfindungsgemässen Reaktors möglich.
[0029] Nach der erfolgten Gemischbildung wird im Bereich 18 eine Reaktion durchgeführt, wobei heterogen katalysierte Prozesse bevorzugt sind, aber auch andere Arten der Katalysierung angewendet werden können. Neben heterogen katalysierten Prozessen ist die Durchführung homogen katalysierter Prozesse, bei denen in dem zugeführten Fluidstrom ein homogener Katalysator enthalten ist, möglich. Die kleinere Kanalabmessung, d.h. die kleinere Seite im Bereich 17 (vgl.
Fig. 1, Raumdimension y, Pfeil 19) liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 200 und ungefähr 1500 Microm. Der Bereich 18 ist zur Durchführung heterogen katalysierter Reaktionen mit einem Katalysator 20 ausgestattet. Der Katalysator 20 ist vorzugsweise in Form eines Washcoats auf das Wandmaterial 16 aufgebracht, wobei der Washcoat die Aktivkomponente des Katalysators 20 enthält. Bei den Aktivkomponenten des Katalysators kann es sich z.B. um Nickel, insbesondere jedoch um Rhodium, Palladium, Platin und/oder Mischungen aus diesen Komponenten handeln. Vorzugsweise wird, wenn das erfindungsgemässe Konzept zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Stroms eingesetzt wird, ein Katalysator gewählt, der Rhodium enthält.
Dies bietet erhebliche Vorteile, wenn der Reaktor in verschiedenen Zeitabschnitten mit verschiedenen Edukten betrieben wird.
[0030] Der erfindungsgemässe integrierte Reaktor kann in zahlreichen Variationen ausgeführt werden. So ist beispielsweise zur Zuführung von mehr als zwei Fluidströmen (z.B. drei) bei einem Prozess, der die Rückführung eines (Teil-)produktstromes erfordert, die (teilweise) Rückführung des Produktstromes, gegebenenfalls nach einem Stofftrennverfahren, in den Zuführungsbereich 11 möglich. Der zurückgeführte Strom wird vorzugsweise anstelle des bisher zugeführten Stromes 1 dosiert (vgl. Fig. 2, 3). Diese Ausführungsform bedeutet einen periodischen Betrieb, bei der die Reaktionsprodukte zunächst in einem Behälter (nicht gezeigt) gesammelt werden.
Beispielsweise besteht der zurückzuführende Strom aus nicht umgesetztem, kondensiertem Wasser mit weiteren Bestandteilen, welches z.B. bei einem Dampfreformierungsprozess im Überschuss vorhanden ist. Alternativ kann der zurückzuführende Strom auch aus Wasser bestehen, welches infolge der Reaktion entsteht. Im Allgemeinen entsteht der zurückzuführende Strom aus den Edukten der Reaktion. Alternativ ist eine Zuführung des zurückzuführenden Stroms nach der Düse möglich, wie es schematisch in der Fig. 4 gezeigt ist.
[0031] Für die Durchführung homogener Gasphasenreaktionen bietet sich eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemässen Reaktors an. Diese Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Die Fig. 4 zeigt schematisch die Zuführung eines weiteren (dritten) Fluids nach dem Verdüsungsbereich.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid 3 um einen gasförmigen Fluidstrom. Eine beispielhafte Anwendung dieses Konzepts mit drei Fluiden ist die Durchführung einer partiellen Oxidationsreaktion. Diese Anwendung kann sowohl katalytisch als auch nicht-katalytisch ausgeführt sein. Die Zuführung der Fluide 1, 2 und 3 muss dabei nicht zeitgleich erfolgen, sondern richtet sich nach den jeweiligen Erfordernissen der Betriebsweise. Auch eine Zuführung eines weiteren Fluids quer zur Hauptströmungsrichtung im katalytischen aktiven Bereich 20 oder davor ist möglich.
[0032] Wie oben ausgeführt, ist ein zeitabhängiger Wechsel der Betriebsweise, d.h. bspw. ein Wechsel zwischen der Zuführung von zwei oder drei Fluiden, grundsätzlich möglich.
So können z.B. ein Gemisch aus Fluid 1 und Fluid 2 in dem erfindungsgemässen Reaktor umgesetzt und die Reaktionsprodukte in einem dem Reaktor nachgeschalteten Vorratsbehälter gespeichert werden. Das Kondensat aus diesem Prozess kann nun in einem zeitlich nachfolgenden Prozessschritt als Fluid 1 zurückgeführt und im Reaktor umgesetzt werden. Als eine Variante dieser Reaktionsführung kann ein Fluid 3, bspw. Luft, zugeführt werden. Somit kann aus dem zurückgeführten Wasser, einem Kohlenwasserstoff/-gemisch und einem Oxidationsmittel wie z.B. einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch eine Reformierungsreaktion durchgeführt werden. Es ist auch möglich, nur einen Fluidstrom 2 durch die Düse zu dosieren und ein Fluid 3 nach der Düse dazuzumischen, beispielsweise zur Durchführung einer partiellen Oxidation.
Falls Fluidstrom 2 ablagerungsgefährdet ist, so wird im Zuführungsbereich die Wandtemperatur niedrig gehalten, so dass Ablagerungen weitestgehend vermieden werden können. Hierbei werden dem Reaktor als Fluid 3 Luft oder ein sauerstoffhaltiger Gasstrom zugeführt, wobei die Temperatur der ersten, nicht-katalytischen Reaktionszone vorzugsweise zwischen 800 und 1400 deg. C liegt.
Wahlweise kann eine zweite, katalytische Reaktionszone angeschlossen werden.
[0033] Auch die Durchführung einer katalytischen partiellen Oxidationsreaktion ist möglich, hierbei kann dann die erste Reaktionszone entfallen.
[0034] Im Folgenden wird ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Reaktors mit mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen gegeben.
Betriebsphase 1:
[0035]
Erzeugung von Reaktionsprodukten aus Kohlenwasserstoffen, ggf. mit Luft als Fluid 3, das nach der Düse zugeführt wird;
Einspeicherung dieser Produkte in einen Druckspeicher;
Rückführung des gebildeten Kondensats der Reaktionsprodukte in den Reaktor.
Betriebsphase 2:
[0036]
Umsetzung im Reaktor (Edukte:
Kohlenwasserstoff, zurückgeführtes Wasser, "frisches" Wasser als weiteres Fluid 3 vor der Düse zugeführt, ähnlich wie in Fig. 2 oder 3 gezeigt).
Einspeicherung in einen Druckbehälter oder:
Umsetzung im Reaktor (Edukte: Kohlenwasserstoff, zurückgeführtes Wasser, Luft als Fluid 3 nach der Düse zugeführt)
Unmittelbare Dosierung der Reaktionsprodukte in den Ansaugtrakt oder in den Brennraum eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
Betriebsphase 3:
[0037]
Umsetzung von Kohlenwasserstoff und zugeführter Luft (katalytische, partielle Oxidation) und Dosierung der Reaktionsprodukte in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
Betriebsphase 4:
[0038]
Spülen des Reaktors mit sauerstoffhaltigem Fluid zur Reinigung der Oberflächen von unerwünschten Ablagerungen.
[0039] Die Dauer der jeweiligen Betriebsphasen soll dabei mindestens 10 Sekunden, bevorzugt zwischen 1 und 20 Minuten, betragen. Die Länge der Betriebsphasen kann dabei unterschiedlich sein.
[0040] Eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemässen Reaktors stellt die Zuführung eines Fluids 3 (vorzugsweise Gas oder Gas-/Dampf-Gemisch) und die Verdichtung dieses Fluids mittels eines Fluids 1, das vor der Düse zugeführt wird, dar.
[0041] Die Zuführung eines dritten oder weiterer Fluidströme im Reaktionsbereich kann durch eine Membran erfolgen. Die Membran kann permeabel für alle darin enthaltenen Edukte oder aber semipermeabel sein.
In einer besonderen Ausführungsform stellt die Membran eine Metallfolie dar, die ortsabhängig so perforiert wird, dass eine positive Beeinflussung des Reaktionsverhaltens erfolgt. Darunter kann bspw. eine verbesserte Temperaturführung in der Reaktionszone verstanden werden. Des Weiteren ist der Einsatz bekannter keramischer Materialien als Membranmaterial möglich. Anstelle einer Zudosierung kann die Membran auch am Ende bzw. hinter der Reaktionszone in einem kühleren Bereich des Reaktors angeordnet sein und die Aufgabe einer selektiven Abtrennung von Gaskomponenten in einen Teilstrom ermöglichen. Beispielsweise kann Wasserstoff aus dem Gasgemisch abgetrennt werden, wenn der Reaktor in der Betriebsphase 1 oder 2 betrieben wird.
Vorzugsweise werden in der Betriebsphase, in der eine Membranabtrennung erfolgen soll, dem Reaktor flüssige Edukte, die energieeffizient zu komprimieren sind, zugeführt.
[0042] Das gemäss der Ausführungsform nach Fig. 4 nach der Düse zugeführte Fluid 3 stellt vorzugsweise einen Gasstrom dar der eine hohe Diffusionsrate aufweist. Der Fluidstrom 3 kann eine hohe Geschwindigkeit aufweisen, als Vorteil ergibt sich dann eine schnelle Durchmischung mit dem Fluidstrom, der die Düse durchströmt. Alternativ kann der Fluidstrom 3 auch indirekt durch die Ströme gefördert werden, die durch die Düse ausströmen.
[0043] Der durch die Düse austretende Flüssigkeitsstrom weist dort, wo das Fluid 3 zugeführt wird, einen niedrigen statischen Druck auf. Im weiteren Querschnittsverlauf strömt das Gemisch unter Anstieg des statischen Drucks durch einen Diffuser (nicht gezeigt).
Als Anwendungsbeispiel sei eine Anwendung genannt, bei der ein Kohlenwasserstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, als Treibmittel eingesetzt wird und die Düse 13 durchströmt. Als Fluid 3 wird Umgebungsluft zugeführt. Bei einer Querschnittsgestaltung im Sinne eines Flüssigkeitsstrahl-Kompressors kann ein Gas-Kohlenwasserstoff-Gemisch erzeugt werden, das in den nachfolgend angeordneten Aufheizbereich 17 eintritt. Nach der Temperierung auf die Reaktionstemperatur im Aufheizbereich kann dieses Gemisch im Reaktionsbereich 18 katalytisch oder nicht-katalytisch umgesetzt werden. Der Druck des Fluids 1 liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 20-2000 bar, der Druck des zu verdichtenden Fluides vorzugsweise zwischen dem Umgebungsdruck bis etwa 5 bar Überdruck.
[0044] Alternativ kann die Strömungsgeometrie so ausgebildet sein, dass das Fluid 3 unter erhöhtem Druck zugeführt wird.
Der Druck liegt vorzugsweise zwischen 3-15 bar, das Fluid 3 stellt vorzugsweise Luft dar. Bei dieser Variante wird die Bildung eines homogen durchmischten Gas-Kohlenwasserstoff-Gemisches durch die Zufuhr des Gasstromes 3 unterstützt.
[0045] Einzelne Elemente, wie z.B. die Düse 13, können, abhängig von der Anwendung, einstückig aus einem Grundwerkstoff bestehen oder durch Fügeverfahren wie Löt- und Schweissverfahren in den Grundwerkstoff integriert sein. Als Grundwerkstoff wird der Stoff bezeichnet, aus dem die wesentlichen fluidführenden Teile gefertigt sind. Grundwerkstoffe sind insbesondere metallische Legierungen, es können aber auch Kunststoffe verwendet werden. Es ist denkbar, dass freie Oberflächen mit einer Funktionsbeschichtung versehen werden oder mit einer keramischen Substanz ausgekleidet sind, die nur formschlüssig verbunden ist.
Die Keramik dient in diesem Falle der Wärmeisolation und schützt die Metalloberfläche, die im Wesentlichen eine stützende Funktion übernimmt, vor korrosiven Medien.
[0046] Die Ausdehnung des Reaktors quer zur Strömungsrichtung der Fluide ist in Fig. 1 als Raumdimension y (Pfeil 19) gezeigt. Die Ausdehnung in der dazu senkrechten Raumdimension x kann in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Reaktors deutlich grösser als y sein. So ist beispielsweise ein Abstand der Lagen von etwa 500 Microm in Kombination mit einer Spaltbreite von 5-50 mm im Gebiet des Aufheizbereiches 17 denkbar. Diese Variante entspricht dann einem rechteckigen Querschnitt, wobei dieser rechteckige Querschnitt in einzelnen Bereichen des integrierten Reaktors in der Raumdimension x unterteilt sein kann.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 schematisch gezeigt, die eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 1 darstellt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der Reaktionsbereich 18 in der Raumdimension y in Unterabschnitte 21 unterteilt, um eine Oberflächenvergrösserung zu erzielen. Durch die Oberflächenvergrösserung sowie kurze Diffusionswege zur Oberfläche kann für viele relevante heterogen katalysierte Reaktionssysteme eine Steigerung des Umsatzes erreicht werden. Der Umsatz kann dann durch kurze Diffusionswege zur Wand erhöht werden, wenn die Oberflächenreaktion stofftransportlimitiert ablaufen. Dies ist insbesondere bei vielen Hochtemperaturreaktionen oberhalb von etwa 500 deg. C der Fall.
Ein Beispiel dafür ist die Zerlegung von längerkettigen Kohlenwasserstoffen zu kurzkettigen Kohlenwasserstoffen/Wasserstoff/Kohlendioxid mittels eines Oxidationsmittels wie z.B. Luft und/oder Wasserdampf.
[0047] Die bevorzugte Realisierung unter Nutzung von Rechteckquerschnitten, bei denen sie Raumdimension y erheblich geringer ist als die Raumdimension x (z.B. Raumdimension in x-Richtung etwa im Bereich von 20-80 mm, Raumdimension in y-Richtung etwa im Bereich von 0,2-5 mm, insbesondere im Aufheizbereich 17 bevorzugt zwischen 0,4 und 1,0 mm), bietet aus fertigungstechnischer Sicht zahlreiche Vorteile.
[0048] Der Katalysator kann im Reaktionsbereich 18 alternativ zur Aufbringung auf das vorzugsweise metallische Wandmaterial 16 auf eine zweite Substanz (Trägersubstanz) aufgebracht werden, mit der der Reaktionsbereich 18 ausgekleidet ist.
Zwischen der Trägersubstanz und dem Wandmaterial kann eine weitere Substanz angeordnet sein, die fixierende und/oder dämmende Eigenschaften übernimmt. Alternativ oder ergänzend kann der Reaktionsbereich 18 so geformt sein, dass der Katalysator formschlüssig im Grundwerkstoff eingebracht ist, so dass er nicht in axialer Richtung verrutscht. Es können beispielsweise katalytisch beschichtete Folien in den Reaktionsbereich 18 eingebracht werden, oder der Katalysator wird auf einen keramischen Träger aufgebracht.
Beide Alternativen bieten den Vorteil der nachträglichen Einbringungsmöglichkeit eines Katalysators in den Reaktor.
[0049] Der Katalysator kann neben einer keramischen Grundsubstanz auch aus einem entsprechend modifizierten Grundmaterial bestehen bzw. in mehreren Schichten darauf aufgebracht sein.
[0050] Der Reaktionsbereich muss nicht vollständig mit einer katalytisch wirksamen Substanz versehen sein, die katalytisch aktive Substanz kann zudem ortsabhängig wechseln. Bei Berücksichtigung der Tatsache, dass bereits keramische Oxide ohne Aktivkomponente wie ein Edelmetall katalytisch aktiv sind, ist vorstellbar, dass im Reaktionsbereich zu Beginn nur ein keramisches Oxid angeordnet ist. Dieser Katalysator kann erste Vorreaktionen unterstützen. Im weiteren Bereich können die entstandenen Edukte durch einen abgewandelten Katalysator umgesetzt werden.
Der zweite katalytische Bereich kann beispielsweise aus einem keramischen Oxid bestehen, auf das ein Edelmetall mittels bekannter Verfahren aufgebracht ist.
[0051] Eine mögliche Anwendung der geschilderten Unterteilung des Reaktionsbereiches kann die nicht katalytische partielle Oxidation im vorderen Bereich des erfindungsgemässen Reaktors, vorzugsweise bei 900-1500 deg. C, darstellen. Im hinteren Bereich kann dann das bei diesem Prozess entstandene Methan, vorzugsweise zwischen 500-1000 deg. C, weiter zu Wasserstoff und Kohlenoxiden umgesetzt werden.
[0052] Im Folgenden wird ein Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemässen Reaktor gegeben. Es handelt sich dabei um die Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Gas-/Dampfstromes und die Speicherung dieses Stromes in einem Druckspeicher.
Dieses Verfahren kann insbesondere bei der Reduktionsmittelbereitstellung zur Verbesserung des Emissionsverhaltens von Kraftfahrzeugen, die mit Kohlenwasserstoffgemischen wie Diesel betrieben werden, zum Einsatz kommen.
[0053] Fluid 1 ist in diesem Beispiel Wasser, Fluid 2 besteht aus einem bei Umgebungstemperatur flüssigen Kohlenwasserstoffgemisch. Der Druck hinter der Düse 13 soll für die vorliegende Anwendung signifikant unterhalb des Druckes in der Zuführungszone 12 liegen (was bedeutet, dass der wesentliche Druckabbau über die Düse erfolgt), abhängig von den Stoffeigenschaften (Viskosität des Mediums), so dass durch die Entspannung der Grossteil des Gemisches in die Dampfphase übergeht (Entspannungsverdampfung).
[0054] Die Druckenergie wird zur Zerstäubung der dosierten Fluide genutzt.
Der Druck im Aufheizbereich 17 sowie im Reaktionsbereich 18 ergibt sich somit im Wesentlichen aus dem Druck, der nach dem Reaktor anliegt (Temperaturunterschiede bzw. eine Volumenänderung durch die Reaktion werden dabei vernachlässigt). Der Druckunterschied über die Düse, d.h., die Differenz des Gesamtdrucks zwischen dem Bereich vor der Düse 13 und dem statischen Druck in der Reaktionszone 18 beträgt etwa 3-300 bar, vorzugsweise 3-30 bar. Der Druck im Reaktionsbereich 18 entspricht dabei in erster Näherung dem Druck nach dem Reaktor. Abhängig von der Anwendung liegt der Druck zwischen 0,1 und 50 MPa absolut. Vorzugsweise liegt der Druck zwischen 0,1 und 1,0 MPa.
[0055] Für die vorliegende Anwendung wird davon ausgegangen, dass dem Wandmaterial 16 ein definiertes Temperaturprofil aufgeprägt ist, das die Durchführung dieses Prozesses unterstützt.
So wird beispielsweise ein starker, ansteigender Temperaturgradient zwischen dem Bereich der Düse 13 und dem Reaktionsbereich 18 zur Erhitzung des Reaktionsgemisches auf Reaktionstemperatur aufgeprägt.
[0056] Der verwendete Reaktionsprozess zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gemisches ist im vorliegenden Fall die bekannte Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, bei der Kohlenwasserstoffverbindungen mit Wasserdampf vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen 500 und 1000 deg. C umgesetzt werden.
Dieser Prozess bietet die Möglichkeit, Wasserstoff in einer mobilen Anwendung aus flüssigen Edukten in komprimierter Form zu erzeugen.
[0057] Das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Verfahren bietet insbesondere den Vorteil, dass der Kontakt eines foulinggefährdeten Fluidstroms (im vorliegenden Beispiel das Fluid 2) mit dem Wandmaterial des erfindungsgemässen integrierten Reaktors durch dessen besondere geometrische Auslegung weitestgehend reduziert ist, da bei Vorliegen einer laminaren Durchströmung der Kontakt von Molekülen des Fluids 2 mit dem Wandmaterial 16 nur durch radiale Diffusion möglich ist.
Die Diffusion ist im Bereich vor der Düse 13 nur sehr eingeschränkt möglich, da beide bzw. alle drei Fluide vor der Düse im Aggregatzustand "Flüssig" vorliegen, und die Diffusionsgeschwindigkeit im Vergleich zu Gasen/Dämpfen um mehrere Grössenordnungen vermindert erfolgt.
[0058] Die Erfindung bietet somit erhebliche Vorteile hinsichtlich der Verringerung von Foulingproblemen, da ein Wandkontakt des Fluids, das Ablagerungen bilden könnte, im Bereich vor der Düse 13 weitestgehend vermieden werden kann.
[0059] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Wahl eines geringen hydraulischen Kanaldurchmessers nach der Düse 13 der Wärmeübergang so hoch ist,
dass der Reaktionsbereich 18 in sehr kurzem Abstand auf den Düsenbereich folgen kann.
[0060] Die Verdampfung der bei Umgebungsbedingungen flüssigen Edukte wird im erfindungsgemässen Reaktor sehr kompakt realisiert, da die Aufbringung der Verdampfungsenthalpie mittels der beheizten, vorzugsweise mikrostrukturierten optionalen Wärmetauschzone 17 erfolgt. Die Verdampfung wird dabei unterstützt durch die vorausgehende Entspannungsverdampfung infolge der Gemischexpansion durch die Düse 13. Durch die kompakte Verdüsung und Erhitzung ist ein weitgehend pulsationsfreier Betrieb der Gemischbildung möglich, so dass nur geringe Volumenstromschwankungen auftreten.
Dies bietet Vorteile für die Durchführung der Reaktion im Reaktionsbereich 18 durch konstante Verweilzeiten, insbesondere im Vergleich zur konventionellen Kapillarverdampfung, bei der das Entstehen von Dampfblasen örtlich kaum kontrollierbar ist, was zur Folge hat, dass grosse Druck- und Flussschwankungen im System auftreten.
[0061] Ablagerungen hinter der Düse 13 werden weitgehend durch die Scherkräfte verhindert, die mit der beschleunigten Strömung durch den Expansionsvorgang verbunden sind. Bei der Wahl geeigneter Ausgangssubstanzen, d.h. solchen mit hohem Dampfdruck, wie Wasser, längerkettige Kohlenwasserstoffe oder Gemische von Kohlenwasserstoffen, wird eine erhebliche Beschleunigung des Dampfgemisches hinter der Düse 13 erreicht.
Diese Strömungsbeschleunigung wird durch die (Teil-)entspannung des Fluidgemisches mittels der Düse 13 sowie durch den Aufheizvorgang aufgrund des vorzugsweise stark erhitzten Bereiches 17 erzielt.
[0062] Idealerweise ist der Reaktionsbereich 18 unmittelbar nach dem wärmetauschenden Bereich 17 angeordnet, so dass die Wandkonzentration des ablagerungsbildenden Fluids 2 bis zum Eintritt in den katalytisch beschichteten Bereich relativ gering bleibt.
[0063] Durch die kompakte Gestaltung mit Strukturabmessungen kleiner 1000 Microm Wärmetauschbereich 17 ist es möglich, den Aufheizvorgang bei sehr kurzen Verweilzeiten durchzuführen, die unerwünschte Nebenreaktionen des Fluids 2 vorbeugen bzw.
diese einschränken können.
[0064] Durch die Verwendung kleiner Strukturabmessungen nach der Düse ist es möglich, potentiell gefährliche/explosive Gas-Dampf-Gemische sicher zu handhaben. Durch ausreichend kleine Strukturabmessungen, die fluidabhängig bzw. temperaturabhängig und vorzugsweise im Temperaturbereich oberhalb 450 deg. C kleiner als ungefähr 600 Microm sind, können explosive Gas-Dampf-Gemische unter Vermeidung unkontrollierten Abreagierens sicher geführt werden. Die Vermeidung von Explosionsgefahren kann durch eine ausreichend schnelle Durchströmung des Reaktors und/oder durch die Verwendung der beschriebenen kleinen Strukturabmessungen erzielt werden.
Durch geringe Abstände zum Wandmaterial können Radialkonzentrationen in der Gasphase gering gehalten werden, die den Auslöser zu unkontrollierten Homogenreaktionen darstellen.
[0065] Eine Anpassung der Auslegung an geänderte Durchsätze kann durch die einfache Parallelisierung des gezeigten Reaktorkonzepts erfolgen. Bei Erhöhung des Durchsatzes, die durch die beschriebene Parallelisierbarkeit des Konzepts einfach erzielt werden kann, können sich zudem Vorteile hinsichtlich Auswahl und Auslegung von peripheren Komponenten, wie bspw.
Speicherbehälter, Sensorik, Aktorik und dgl. ergeben, da sich der umzusetzende Gesamtstrom erhöht und dadurch der Anteil der Investitionskosten der peripheren Komponenten bezogen auf die produzierten Reaktionsprodukte sinkt.
[0066] Die Fähigkeit zur einfachen Parallelisierung bietet den Vorteil einer leicht anzupassenden Produktionsmenge für die Umsetzung kleiner Stoffmengen.
Somit kann der erfindungsgemässe Reaktor schnell an geänderte Durchsatzmengen bei weitgehend gleichen, erprobten Strukturabmessungen angepasst werden, ohne dass umfangreiche Skalierungserfahrungen gesammelt werden müssen.
[0067] Der erfindungsgemässe integrierte Reaktor ermöglicht erstmals die kompakte Integration von traditionell getrennt ausgeführten Prozessschritten, wie bspw. der Gemischerzeugung, der Aufheizung und der Reaktion, unter gleichzeitiger Berücksichtigung besonderer Anforderungen hinsichtlich der Minimierung der Bildung von Ablagerungen. Neben den erwähnten Vorteilen hinsichtlich der Langzeitstabilität weist der erfindungsgemässe Reaktor den Vorteil der kompakten Gestaltung durch Integration verschiedener Prozessschritte auf.
Für stationäre sowie für mobile Anwendungen kann Kompaktheit ein wesentliches Kriterium sein.
[0068] Die Kompaktheit des Reaktors infolge der Prozessintegration bietet zudem den Vorteil, verglichen mit Reaktoren mit grösserer äusserer Oberfläche, nur geringe Wärmeverluste bei der Durchführung von Hochtemperaturreaktionen oberhalb von ungefähr 500 deg. C zu verursachen.
The invention relates to an integrated reactor according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a method according to the preamble of claim 23.
State of the art
The locally distributed production of small amounts of material ("on-site production") is gaining increasing interest in the chemical industry and its environment.
Sophisticated process engineering apparatus for intensified, compact implementation of these processes, such as, for example, so-called microreactors, are not yet state of the art for many applications.
DE 10 036 602 A1 describes a microreactor for carrying out chemical reactions for reactions between a reactant in fluid form and a reactant in gaseous form, optionally in the presence of a solid catalyst, wherein the chemical process management takes place in spaces of two or a plurality of substantially plane-parallel plates or layers are formed, wherein at least one of these plates or layers represents a fluid guide plate, which is structured and / or arranged,
the fluid reactant only flows along the surface of this plate or layer due to the influence of gravity and / or capillary forces in at least one substantially uninterrupted capillary filament, thereby contacting and reacting with the gaseous reactant.
In DE 10 106 953 A1 microreactors are described, which consist of at least one applied to a support microreaction system, each having at least one microreaction space, at least one inlet for starting materials and at least one flow for products, which are characterized in that the microreaction systems with an inertizing coating selected from the group consisting of silicon dioxide,
Silicon nitride and / or alumina are equipped.
The broad industrial introduction of compact reactors is delays, inter alia, by reservations about the long-term stability of apparatus characterized by small structural dimensions.
A hindrance with respect. The required long-term stability is for various processes in the formation of deposits on fluid-carrying wall materials. The formation of deposits preferably occurs due to undesired decomposition reactions of organic starting materials on the wall material, also called deposit formation or fouling.
Initial investigations in the field of microreaction technology are concerned with the prevention of deposit formation in mixing operations.
However, concepts for the integrated design of a compact process, which integrates several process steps taking into account the avoidance of deposits, are hardly known so far.
In DE 10 045 309 A1, the operation of a micro-beam reactor is described, in a, enclosed by a reactor gas space liquid jets, directed through nozzles to a common collision point, meet and an additional opening in the reactor interior, a gas or a liquid for maintaining the gas atmosphere and for simultaneous cooling is supplied, and the reactor has a further, equipped with a pressure-holding valve opening for the removal of reaction products and cooling media.
In the microreactor according to the invention, the starting materials are not only not in direct static contact, but rather the reaction products are completely emptied out of the reactor after the desired end of the reaction and the starting material feeds have been shut off by the gas supply. Thus, no fouling and blocking problems can occur, since the reaction chamber or its output is designed so that no narrow spaces occur.
So-called "jet mixers" or jet pumps / compressors are used in addition to Fluidverdichtungsaufgaben for mixing operations in the chemical industry. They are usually operated so that a fluid is released under high pressure by means of a nozzle.
Laterally, after the nozzle, a second fluid is supplied at a lower pressure, which can be compressed because the nozzle geometry is designed so that the static pressure at the feed point of the second fluid is low. In the zone after the nozzle mixing of the two fluids can be achieved.
For mixing fluid streams in microstructures, so-called "V-Micro-Jetmixers" are also known, as described in S. Ehlers, "Mixing in the Offstream of MicroChannel System", Chem. Eng. and Processing, pages 291-198 (2000). In this method, the mixture is to be achieved by combining two fluids, which are guided in alternate fluid layers. The fluids are guided in alternating channel structures.
At the end of the superimposed channel structures, the mixing takes place, wherein the projection of two adjacent fluid guide layers results in a V-shape. The goal is to increase the turbulence during the mixing process.
A functionally similar design for increasing the quality of mixing is known from DE 19 540 292 C1. Therein is proposed a curved fluid guide in the fluid guide structure and a parallel exit of the fluids into the mixing chamber.
From WO 97/22 547 the spatially separated until the atomization and mixing of an oxidizing agent with a fuel flow leadership of multiple fluid streams is known, the objective is the mixture formation for partial oxidation processes. An integration with further, heterogeneously guided reaction steps after the mixing process does not take place.
The mixing process is followed by the gasification zone.
In addition, from GB 844 950 a mixing nozzle is known in which a mixing between two streams is to take place by an axial feed of the first and a lateral feed of the second stream. The mixing process should take place by generating a twist even before exiting the nozzle by appropriate guide elements in front of the exit point.
Advantages of the invention
The inventive "integrated reactor has the advantage over the prior art,
that for the first time enables the compact integration of traditionally separated process steps taking into account the minimization of deposit formation.
Advantageous developments of the invention will become apparent from the measures mentioned in the dependent claims.
Brief description of the drawings
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it
<Tb> FIG. 1 <FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of the integrated reactor according to the invention;
<Tb> FIG. 2 <sep> schematically a first variant for fluid guidance in the inventive reactor;
<Tb> FIG. 3 schematically a second variant for fluid guidance in the reactor according to the invention;
<Tb> FIG. 4 schematically a third variant for fluid guidance in the reactor according to the invention; and
<Tb> FIG. 5 <sep> is a cross-sectional view along the line A-A of FIG. 1.
embodiments
Core of the present invention is the following described integration of successive process steps of at least two fluid streams in a compact reactor or integrated reactor with particular attention to the risk of the formation of deposits (fouling) by one of the two fluid streams. The term "reactor" or "reactor" in the following to simplify a local, spatially integrated sequence of process steps such as. Mixture preparation and reaction range and, where appropriate, other areas such as substance separation or substance feed understood.
It is generated from at least two fluid streams, which are fed to the reactor together, a gas or gas / vapor mixture.
One of the supplied fluid streams is characterized by the fact that it reacts upon contact of the reactant with the wall material of the reactor under certain operating conditions to form deposits such. B. Salts or fouling may occur due to unwanted decomposition of components of this fluid stream. It is not absolutely necessary that both fluid streams are in the liquid state. Likewise, at least one stream may be gaseous. Advantageously, this is the fluid flow, which is less susceptible to deposits.
Furthermore, at least one of the supplied fluid streams can change over time, for example when, when the reactor is shut down, a fluid flow z. B. is replaced by an oxidizing fluid flow, the example. can serve to remove deposits in the reactor, in particular on the catalytically active region. In addition, the reaction carried out can be changed over time depending on the time. For example, a change from steam reforming of a hydrocarbon mixture to autithermal reforming of a hydrocarbon mixture or partial oxidation may occur.
The present invention aims to avoid occurring wall deposits that can endanger the long-term stability, as far as possible.
This is to be prevented by the fact that the contact of the tendency to decomposition fluid flow with the wall material is largely prevented in the process.
Starting point of the presented method and the integrated reactor for carrying out this method are at least two fluid streams 1,2, which are in liquid form. In the following, it should be assumed for the sake of simplicity that current 2 is regarded as the fouling-prone current. Of course, but also the stream 1 can be regarded as an endangered stream.
Stream 2 may for example consist of an organic substance or a mixture of organic substances, for example a mixture of hydrocarbons having a composition similar to a fuel mixture such as gasoline or diesel.
The following statements are based on the assumption that there is an application in which a vapor mixture is to be formed, wherein after the formation of the mixture this is to be set to a defined temperature level. During the mixture formation process as well as the adjustment of the temperature level, one or more reactions may occur between the mixture components and / or with the wall material. The reactions can be both homogeneous and heterogeneous. Preferably, at the location with the narrowest material cross section, hereinafter referred to as "nozzle", a zone adjoins, which in particular assumes heat exchange tasks.
The reaction of the mixture components is application-dependent, it is preferably assumed in the presented method of an endothermic reaction, wherein the heat supply is preferably carried out by a heated wall material in a defined reaction region. The base material of this component is preferably a metallic material. In particular, the area downstream of the nozzle may, however, be provided with a ceramic substance, for example alumina, silicon nitride, zirconium oxide, silicon carbide or other ceramics. On the one hand, this ceramic can be applied as a coating, on the other hand, the ceramic can be introduced in the sense of a lining separate from the metallic basic structure.
In principle, in the inventive integrated reactor reactions can be carried out, the heat of reaction is complex.
So it is, for example. It is conceivable that an exotherm arises due to pre-reactions in the gas phase. This phenomenon occurs in the conversion of higher hydrocarbons into lower hydrocarbons to form hydrogen in reforming processes. Exothermic pre-reactions are also known as "cold flame". In the rear, catalytically coated in a specific embodiment, part of the reactor, it is conceivable that the partially self-heating mixture reacts heterogeneously catalysed endothermic. One application in which the described behavior can occur is the steam reforming of long-chain hydrocarbons.
Here, the decomposition reaction of the longer-chain hydrocarbons in particular to methane and hydrogen in a so-called pre-reforming exothermic, the steam reforming of the resulting methane endothermic.
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of an embodiment of the integrated reactor 10 according to the invention, to which two fluids (fluid 1, fluid 2) are supplied via a feed region 12. After the flow through the feed zone 12, the flow of both fluids is then conducted to a cross-sectional constriction 13. The cross-sectional constriction may be, for example, a nozzle.
The constriction area is carried out according to the known rules of the art so that recirculation, which can influence the largely existing phase separation of the two fluids are largely prevented.
The area in front of the nozzle 13 can be designed in many ways. In the simplest, in Fig. 1, the fluids 1 and 2 are placed in concentric tubes 14 (in FIG. 1 indicated by the line of symmetry 15) led to the nozzle. In alternative variants, for example with increased throughput requirements or for constructional reasons, other cross-sectional geometries are conceivable, in particular rectangular cross sections. In this special case, the nozzle geometry changes into a slot.
Important for the invention is that the fouling-sensitive fluid flow (in the present example, therefore, fluid 2) within the less or no fouling endangered fluid flow (here fluid 1) is performed.
A basic requirement for the present invention is that the flow velocities in the area in front of the nozzle 13 are selected such that a laminar flow is established.
In the transport of liquids and appropriate design of the feed zone 12, the mass transfer from the fluid 2 to the wall 16 of the concentric tubes 14 is so hindered that the concentration of fouling-causing ingredients of the fluid 2 near the wall to the nozzle 13 due to the laminar flow and the low Diffusion in liquids can be kept very low.
The feed region 11 and the feed zone 12 may be formed in different configurations. FIG. For example, FIG. 2 shows a lateral feed of the fluid 1, while in FIG. 3, a lateral feed of the fluid 2 is shown.
In all embodiments, however, the fouling endangered fluid flow (here fluid 2) in the same, demarcated by wall material 16, cross section in the center of flow of fluid 1 to the cross-sectional constriction 13 (nozzle) out.
By means of the nozzle 13, the fluid mixture is then expanded to a lower pressure.
Pressure conditions and wall temperature in this area are set by appropriate measures (the wall temperature is due to the external conditions, namely the heat supply to the outside of the fluid-carrying structure and the heat conduction along / against the flow direction) adjusted so that by the relaxation of most of the fluid mixture in the vapor phase passes.
The characteristic minimum dimensions transverse to the flow direction in a region 17, which adjoins the nozzle 13, are of the order of less than 1000 microm, preferably less than 500 microm. The area 17 is optionally used for evaporation, but in any case for overheating and heating of the gas or gas / vapor mixture to the reaction temperature. The heat input preferably takes place indirectly by the contact with the wall material 16 in the region 17.
As already mentioned, the wall material may consist of both a metallic alloy and a ceramic substance, which constitutes a lining or coating of the metallic base substance of the reactor. The wall material is held by known measures on a defined temperature profile. These measures for generating a defined temperature profile are optional and / or in combination
a): design of the wall thickness of the base material and / or the optional lining in the heating area 17 in such a way that the axial heat conduction in the solid supports the required temperature profile;
b): external, run-length-dependent heating of the reactor; Use of the heat conduction processes across the flow direction.
For example, an electric heating, in particular in the reaction region 18 (see. below) and / or the use of the outer surface of the reactor for indirect heat exchange conceivable. Furthermore, it is possible to carry out heat-homogenous homogeneous and / or heterogeneous reactions to partial regions of the outside of the reactor according to the invention.
After the mixture has been formed, a reaction is carried out in region 18, wherein heterogeneously catalyzed processes are preferred, but other types of catalyzation can be used. In addition to heterogeneously catalyzed processes, it is possible to carry out homogeneously catalyzed processes in which a homogeneous catalyst is contained in the supplied fluid stream. The smaller channel dimension, d. H. the smaller side in area 17 (cf.
FIG. 1, space dimension y, arrow 19) is preferably between about 200 and about 1500 microns. The region 18 is equipped with a catalyst 20 for carrying out heterogeneously catalyzed reactions. The catalyst 20 is preferably applied to the wall material 16 in the form of a washcoat, the washcoat containing the active component of the catalyst 20. In the active components of the catalyst may be, for. B. to nickel, but in particular to rhodium, palladium, platinum and / or mixtures of these components. Preferably, when the inventive concept is used to produce a hydrogen-containing stream, a catalyst is selected which contains rhodium.
This offers considerable advantages if the reactor is operated at different time intervals with different educts.
The integrated reactor according to the invention can be designed in numerous variations. For example, to supply more than two fluid streams (e.g. B. three) in a process requiring the recirculation of a (partial) product stream, the (partial) recycling of the product stream, possibly after a mass separation process, in the feed area 11 possible. The recirculated stream is preferably metered in place of the previously supplied stream 1 (see. FIG. 2, 3). This embodiment means a periodic operation in which the reaction products are first collected in a container (not shown).
For example, the attributable stream of unreacted, condensed water with other ingredients, which z. B. in excess in a steam reforming process. Alternatively, the recirculating stream may also be water resulting from the reaction. In general, the recycle stream is formed from the reactants of the reaction. Alternatively, it is possible to supply the stream to be returned to the nozzle, as shown schematically in FIG. 4 is shown.
For the implementation of homogeneous gas phase reactions, a particular embodiment of the inventive reactor offers. This embodiment is shown in FIG. 4. The Fig. 4 schematically shows the supply of a further (third) fluid after the atomization region.
Preferably, the fluid 3 is a gaseous fluid stream. An exemplary application of this three fluid concept is to perform a partial oxidation reaction. This application can be carried out both catalytically and non-catalytically. The supply of the fluids 1, 2 and 3 does not have to take place at the same time, but depends on the particular requirements of the mode of operation. It is also possible to supply a further fluid transverse to the main flow direction in the catalytic active region 20 or in front of it.
As stated above, a time-dependent change of operation, d. H. for example. a change between the supply of two or three fluids, in principle possible.
So z. B. a mixture of fluid 1 and 2 fluid reacted in the novel reactor and the reaction products are stored in a reactor downstream of the reservoir. The condensate from this process can now be recycled in a temporally subsequent process step as fluid 1 and reacted in the reactor. As a variant of this reaction, a fluid 3, for example. Air, to be supplied. Thus, from the recycled water, a hydrocarbon / mixture and an oxidizing agent such as. B. an oxygen-containing gas mixture, a reforming reaction can be carried out. It is also possible to meter only one fluid stream 2 through the nozzle and to mix a fluid 3 after the nozzle, for example to carry out a partial oxidation.
If fluid flow 2 is liable to deposit, the wall temperature in the supply area is kept low, so that deposits can be largely avoided. Here, air or an oxygen-containing gas stream are fed to the reactor as fluid 3, wherein the temperature of the first, non-catalytic reaction zone preferably between 800 and 1400 deg. C is.
Optionally, a second, catalytic reaction zone can be connected.
It is also possible to carry out a catalytic partial oxidation reaction, in which case the first reaction zone can be omitted.
In the following, an application example of the inventive reactor with several different operating phases is given.
Operating phase 1:
[0035]
Generation of reaction products from hydrocarbons, if necessary with air as the fluid 3, which is supplied to the nozzle;
Storing these products in a pressure accumulator;
Recycling the formed condensate of the reaction products in the reactor.
Operating phase 2:
[0036]
Reaction in the reactor (starting materials:
Hydrocarbon, recycled water, "fresh" water supplied as another fluid 3 in front of the nozzle, similar to FIG. 2 or 3).
Storage in a pressure vessel or:
Reaction in the reactor (educts: hydrocarbon, recycled water, air fed as fluid 3 to the nozzle)
Immediate metering of the reaction products into the intake tract or into the combustion chamber of a motor vehicle with an internal combustion engine.
Operating phase 3:
[0037]
Reaction of hydrocarbon and supplied air (catalytic, partial oxidation) and metering of the reaction products in the exhaust system of a motor vehicle.
Operating phase 4:
[0038]
Rinsing the reactor with oxygen-containing fluid to clean the surfaces of unwanted deposits.
The duration of the respective operating phases should be at least 10 seconds, preferably between 1 and 20 minutes. The length of the operating phases can be different.
Another alternative embodiment of the inventive reactor provides the supply of a fluid 3 (preferably gas or gas / vapor mixture) and the compression of this fluid by means of a fluid 1, which is supplied in front of the nozzle.
The supply of a third or further fluid streams in the reaction region can be effected by a membrane. The membrane may be permeable to all educts contained therein or else semipermeable.
In a particular embodiment, the membrane is a metal foil, which is perforated depending on the location so that there is a positive influence on the reaction behavior. Among them can, for example. an improved temperature control in the reaction zone are understood. Furthermore, the use of known ceramic materials as membrane material is possible. Instead of a metered addition, the membrane can also be at the end or be arranged behind the reaction zone in a cooler region of the reactor and allow the task of selective separation of gas components in a partial stream. For example, hydrogen can be separated from the gas mixture when the reactor is operated in the operating phase 1 or 2.
Preferably, in the operating phase in which a membrane separation is to take place, liquid reactants, which are to be compressed energy-efficiently, are fed to the reactor.
The according to the embodiment of FIG. 4 after the nozzle supplied fluid 3 is preferably a gas flow which has a high diffusion rate. The fluid flow 3 can have a high speed, as a result of rapid mixing with the fluid flow, which flows through the nozzle. Alternatively, the fluid stream 3 can also be conveyed indirectly through the streams which flow out through the nozzle.
The liquid flow exiting through the nozzle has a low static pressure where the fluid 3 is supplied. In the further cross-section, the mixture flows through a diffuser (not shown) as the static pressure increases.
An application example is an application in which a hydrocarbon, for example gasoline or diesel, is used as blowing agent and flows through the nozzle 13. As the fluid 3 ambient air is supplied. In a cross-sectional configuration in the sense of a liquid jet compressor, a gas-hydrocarbon mixture can be generated, which enters the subsequently arranged heating region 17. After the temperature has been adjusted to the reaction temperature in the heating region, this mixture can be catalytically or non-catalytically reacted in the reaction region 18. The pressure of the fluid 1 is preferably in the range of 20-2000 bar, the pressure of the fluid to be compressed preferably between the ambient pressure to about 5 bar overpressure.
Alternatively, the flow geometry may be formed so that the fluid 3 is supplied under elevated pressure.
The pressure is preferably between 3-15 bar, the fluid 3 is preferably air. In this variant, the formation of a homogeneously mixed gas-hydrocarbon mixture by the supply of the gas stream 3 is supported.
Individual elements, such as. B. The nozzle 13 may, depending on the application, be made in one piece of a base material or integrated by joining methods such as soldering and welding in the base material. The base material is the substance from which the essential fluid-carrying parts are made. Base materials are in particular metallic alloys, but it is also possible to use plastics. It is conceivable that free surfaces are provided with a functional coating or lined with a ceramic substance, which is only positively connected.
The ceramic in this case serves as thermal insulation and protects the metal surface, which essentially has a supporting function, from corrosive media.
The expansion of the reactor transversely to the flow direction of the fluids is shown in FIG. 1 shown as a space dimension y (arrow 19). The expansion in the space dimension x perpendicular thereto can, in a preferred embodiment of the reactor according to the invention, be significantly greater than y. For example, a distance of the layers of about 500 microm in combination with a gap width of 5-50 mm in the region of the heating area 17 is conceivable. This variant then corresponds to a rectangular cross section, wherein this rectangular cross section can be divided into individual areas of the integrated reactor in the spatial dimension x.
Such an arrangement is shown in FIG. 5, which is a sectional view along the line A-A of FIG. 1 represents. In a particularly advantageous embodiment, the reaction area 18 in the spatial dimension y is subdivided into subsections 21 in order to achieve an increase in surface area. Due to the surface enlargement and short diffusion paths to the surface, an increase of the conversion can be achieved for many relevant heterogeneously catalyzed reaction systems. The conversion can then be increased by short diffusion paths to the wall, if the surface reaction material transport limited run. This is especially at many high temperature reactions above about 500 deg. C the case.
An example of this is the decomposition of longer-chain hydrocarbons to short-chain hydrocarbons / hydrogen / carbon dioxide by means of an oxidizing agent such as. B. Air and / or water vapor.
The preferred realization using rectangular cross-sections, in which it space dimension y is considerably smaller than the space dimension x (z. B. Room dimension in the x direction approximately in the range of 20-80 mm, space dimension in the y direction approximately in the range of 0.2-5 mm, in particular in the heating region 17 preferably between 0.4 and 1.0 mm), offers from a manufacturing point of view numerous advantages.
The catalyst may be applied in the reaction region 18 alternatively to the application to the preferably metallic wall material 16 to a second substance (carrier substance), with which the reaction region 18 is lined.
Between the carrier substance and the wall material, a further substance can be arranged, which assumes fixing and / or insulating properties. Alternatively or additionally, the reaction region 18 may be shaped so that the catalyst is introduced in a form-fitting manner in the base material, so that it does not slip in the axial direction. For example, catalytically coated films can be introduced into the reaction region 18, or the catalyst is applied to a ceramic carrier.
Both alternatives offer the advantage of the subsequent possibility of introducing a catalyst into the reactor.
The catalyst may consist of a correspondingly modified base material in addition to a ceramic base substance or be applied in several layers on it.
The reaction area need not be completely provided with a catalytically active substance, the catalytically active substance can also change location dependent. Taking into account the fact that already ceramic oxides without active component such as a noble metal are catalytically active, it is conceivable that in the reaction region at the beginning only a ceramic oxide is arranged. This catalyst can support initial pre-reactions. In the broader range, the resulting starting materials can be converted by a modified catalyst.
The second catalytic region may for example consist of a ceramic oxide, to which a noble metal is applied by known methods.
A possible application of the described subdivision of the reaction region, the non-catalytic partial oxidation in the front region of the inventive reactor, preferably at 900-1500 deg. C, represent. In the rear area can then be formed in this process methane, preferably between 500-1000 deg. C, to be further converted to hydrogen and carbon oxides.
In the following, an application example of the novel reactor is given. It involves the provision of a hydrogen-containing gas / vapor stream and the storage of this stream in a pressure accumulator.
In particular, this method can be used in reducing agent provision for improving the emission behavior of motor vehicles which are operated with hydrocarbon mixtures such as diesel.
Fluid 1 is water in this example, fluid 2 consists of a liquid at ambient temperature hydrocarbon mixture. The pressure behind the nozzle 13 should be significantly below the pressure in the feed zone 12 for the present application (which means that the substantial pressure reduction takes place via the nozzle), depending on the material properties (viscosity of the medium), so that by the relaxation of the Most of the mixture goes into the vapor phase (flash evaporation).
The pressure energy is used to atomize the metered fluids.
The pressure in the heating region 17 and in the reaction region 18 thus results essentially from the pressure applied downstream of the reactor (temperature differences or a volume change by the reaction are neglected). The pressure difference across the nozzle, d. H. , the difference in the total pressure between the area in front of the nozzle 13 and the static pressure in the reaction zone 18 is about 3-300 bar, preferably 3-30 bar. The pressure in the reaction zone 18 corresponds in a first approximation to the pressure downstream of the reactor. Depending on the application, the pressure is between 0.1 and 50 MPa absolute. Preferably, the pressure is between 0.1 and 1.0 MPa.
For the present application it is assumed that the wall material 16 has a defined temperature profile impressed on it, which supports the implementation of this process.
Thus, for example, a strong, increasing temperature gradient between the region of the nozzle 13 and the reaction region 18 for heating the reaction mixture to reaction temperature is impressed.
The reaction process used to produce a hydrogen-containing mixture in the present case, the known steam reforming of hydrocarbons, in the hydrocarbon compounds with water vapor preferably in the temperature range between 500 and 1000 °. C be implemented.
This process offers the possibility of producing hydrogen in a mobile application from liquid educts in compressed form.
The proposed method in the present invention has the particular advantage that the contact of a fouling endangered fluid stream (in the present example, the fluid 2) with the wall material of the inventive integrated reactor is largely reduced by its special geometric design, since in the presence of a laminar Flow through the contact of molecules of the fluid 2 with the wall material 16 is possible only by radial diffusion.
The diffusion is only very limited in the area in front of the nozzle 13, since both all three fluids are present in front of the nozzle in the "liquid" state, and the diffusion rate is reduced by several orders of magnitude compared to gases / vapors.
The invention thus offers considerable advantages in terms of reducing fouling problems, since a wall contact of the fluid, which could form deposits, in the region in front of the nozzle 13 can be largely avoided.
Another advantage is that the choice of a small hydraulic channel diameter after the nozzle 13, the heat transfer is so high
the reaction area 18 can follow the nozzle area at a very short distance.
The evaporation of the educts which are liquid under ambient conditions is realized very compactly in the reactor according to the invention, since the application of the enthalpy of vaporization takes place by means of the heated, preferably microstructured optional heat exchange zone 17. The evaporation is assisted by the preliminary flash evaporation due to the mixture expansion through the nozzle 13. Due to the compact atomization and heating a largely pulsation-free operation of the mixture formation is possible, so that only small volume flow fluctuations occur.
This offers advantages for carrying out the reaction in the reaction zone 18 by means of constant residence times, in particular in comparison to conventional capillary evaporation, in which the formation of vapor bubbles can hardly be locally controlled, with the result that large pressure and flow fluctuations occur in the system.
Deposits behind the nozzle 13 are largely prevented by the shear forces associated with the accelerated flow through the expansion process. When choosing suitable starting substances, i. H. those with high vapor pressure, such as water, longer chain hydrocarbons, or mixtures of hydrocarbons, substantial acceleration of the vapor mixture behind the nozzle 13 is achieved.
This flow acceleration is achieved by the (partial) relaxation of the fluid mixture by means of the nozzle 13 and by the heating process due to the preferably highly heated region 17.
Ideally, the reaction region 18 is arranged immediately after the heat exchanging region 17, so that the wall concentration of the deposit-forming fluid 2 remains relatively low until it enters the catalytically coated region.
Due to the compact design with structural dimensions smaller than 1000 microm heat exchange region 17, it is possible to carry out the heating process at very short residence times, which prevent unwanted side reactions of the fluid 2 or
restrict these.
By using small structural dimensions after the nozzle, it is possible to safely handle potentially dangerous / explosive gas-vapor mixtures. By sufficiently small structural dimensions, the fluid-dependent or temperature dependent and preferably in the temperature range above 450 deg. C are less than about 600 microm, explosive gas-vapor mixtures can be safely guided while avoiding uncontrolled Abreagierens. The avoidance of explosion hazards can be achieved by a sufficiently fast flow through the reactor and / or by the use of the described small structural dimensions.
By small distances to the wall material radial concentrations in the gas phase can be kept low, which represent the trigger to uncontrolled homogeneous reactions.
An adaptation of the design to changed throughputs can be done by the simple parallelization of the reactor concept shown. When increasing the throughput, which can be easily achieved by the described parallelizability of the concept, also advantages in terms of selection and design of peripheral components, such as.
Storage tank, sensors, actuators and the like. result, since the total current to be converted increases and thereby the proportion of the investment costs of the peripheral components based on the produced reaction products decreases.
The ability to easily parallelize offers the advantage of an easily adaptable production amount for the implementation of small amounts of substance.
Thus, the reactor according to the invention can be adapted quickly to changed throughput quantities with largely identical, proven structural dimensions without extensive scaling experiences having to be collected.
The inventive integrated reactor allows for the first time the compact integration of traditionally separated executed process steps, such as. mixture production, heating and reaction, while taking into account special requirements for minimizing the formation of deposits. In addition to the mentioned advantages with regard to the long-term stability, the reactor according to the invention has the advantage of compact design by integrating different process steps.
For stationary as well as for mobile applications, compactness can be an essential criterion.
The compactness of the reactor due to the process integration also offers the advantage, compared to reactors with a larger outer surface, only low heat losses when performing high-temperature reactions above about 500 °. C to cause.