CN112004594A - 用于实施减少平衡的反应的反应器 - Google Patents

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CN112004594A CN201980026995.XA CN201980026995A CN112004594A CN 112004594 A CN112004594 A CN 112004594A CN 201980026995 A CN201980026995 A CN 201980026995A CN 112004594 A CN112004594 A CN 112004594A
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Abstract

本发明涉及一种用于实施减少平衡反应的反应器，所述反应器包括管道状地设计的反应器壳体(4)，‑在所述反应器壳体中设置有在管道纵向方向(10)上延伸的第一区(8)，所述第一区用于使液态吸收剂(6)穿流，和‑在所述反应器壳体中设置有用于容纳催化剂材料(14)的第二区，所述第二区同样在管道纵向方向(10)上延伸。本发明的特征在于，‑所述第一区(8)和所述第二区(12)通过气体可穿透的分离区(16)分开，‑所述分离区(16)具有机械自承结构(26)，和‑所述管道状的反应器壳体(4)的沿着反应区(28)的长宽比大于6。

Description

用于实施减少平衡的反应的反应器
技术领域
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分所述的用于实施减少平衡的反应的反应器以及一种根据权利要求12所述的反应器束，一种根据权利要求13所述的用于运行反应器的方法和一种根据权利要求14所述的包括发电机和反应器的发电站系统。
背景技术
化石能量载体引起二氧化碳排放，所述二氧化碳排放难以维持全球气候保护目标。出于该原因，推动了可再生能量的扩展。然而，可再生电流的产生明显地经受地区以及时间上的波动。
例如，在晴天或大风天，通过光伏设施或风力设施低成本地产生电流。目前，寻求经济的方法途径用于即使在电力领域之外也有意义的这种电流，并且例如从中产生可回收的化学上有价值的产品。在此，一种可行性是将水以电化学的方式转化为氢和氧。然后，所产生的氢能够与破坏气候的、作为起始分子或反应物的二氧化碳发生反应，由此同时会减少二氧化碳排放。因此，可相对容易地获得的二氧化碳能够作为低成本的碳源进行反应，例如在制备作为二氧化碳和氢的根据下述反应方程式的一步合成的可能的产物的甲醇时：
CO2+3H2->CH3OH+H2O。
由二氧化碳和氢合成甲醇的缺点是平衡转化率低，所述平衡转化率在50bar和250℃时大约仅为20％。因此，在常规的合成设施中，大部分的气态的反应物被引入回路中，这引起在反应器和管路中相当大的压力损失，进而必须进行呈压缩功率和热功率的形式的相当大的能量输入。此外，气体回收不是很适合于反应设施的动态运行，进而也可能较差地适配于不规则出现的电能量，如通过波动式的产生而占优的电能量。
在WO 2017212016 A1中已描述了一种用于实施限制平衡的反应的方法途径。在这种情况下，使用搅拌釜式反应器，在所述搅拌釜式反应器中在反应器的下部区域中存在吸收剂，并且将反应物气体引导穿过催化剂装置，其中产物通过远离催化剂的吸收剂吸收。这种设施是非常合乎目的的，但是由于搅拌装置，所述设施在技术上是耗费的并且在动态导出产物和动态输入电能方面具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于实施限制平衡的反应的反应器，所述反应器与现有技术相比可以较少的技术耗费来实现，并且在此允许可良好地动态调节的连续的工艺。
所述目的的解决方案在于具有权利要求1的特征的用于实施限制平衡的反应的反应器，根据权利要求12所述的反应器束，根据权利要求13所述的用于运行反应器的方法以及具有权利要求14的特征的具有发电机的发电站系统。根据权利要求1的用于实施减少平衡的反应的根据本发明的反应器包括管状地设计的反应器壳体4。在该反应器壳体中为了使液态的吸收剂穿流而设置有沿管道纵向方向延伸的第一区。此外，管道状的反应器壳体包括用于容纳催化剂材料的第二区，其中第二区同样沿着管道纵向方向延伸。本发明的特征在于，所述第一区和所述第二区通过气体可穿透的分离区分离，其中所述分离区具有机械自承的结构。此外，本发明的特征在于，管道状的反应器壳体的长宽比大于六，这表示：管道的长度至少是管的内径的六倍大。
根据本发明的反应器能够实现吸收液在紧邻的周围环境中并且沿着催化剂材料的连续穿流，其中所述催化剂材料沿管状反应器延伸，使得能够以仅通过机械地进行承载的分离区来分离的方式连续地吸收在催化剂表面上产生的产物。通过吸收剂吸收的产物从位于催化剂材料的区域中的反应区中连续地导出，因此由于重新建立的平衡而再次产生新的产物。根据权利要求1所述的反应器在反应进行时几乎不需要可移动的部件，因此其受到较少的磨损并且在此允许低成本的技术构造。根据吸收剂沿着第一区的流速和根据反应物气体到第二区中的填入，能够调节反应进程和转化程度。在可用的能量少时，所述反应能够降低至最小程度，在电能过剩的情况下，能够相应地且连续地增强反应器中的反应。这是一个连续的过程，所述连续的过程尤其通过吸收剂连续地穿过第一区来调节。
在此，应将术语“管道状”理解为一种细长的、内部中空的形成物，所述形成物的长宽比大于六，优选大于八，特别优选大于十二。优选的是，所述管道状的反应器壳体的横截面是圆形或椭圆形的，但是其中也将其他例如矩形或正方形的横截面理解是为管道状的。应将术语“分离区”理解为具有至少一个机械自承的结构的区域，所述结构尤其用于将催化剂材料与第一区，即由吸收剂穿流的区域分离，因为在与吸收剂接触时催化剂材料的作用方式会受到负面影响。分离区本身在此能够包括多种机械和/或化学类型的措施，例如其能够包括疏水层或间隔物，所述疏水层或间隔物将具有催化剂材料的机械自承的网形成物或膜结构或膜片与第一区间隔开地保持。
在反应器的一个优选的设计形式中，第一区设置在管道状的反应器壳体的内壁上。沿着内壁，吸收液优选以受重力驱动的方式沿着反应器壳体流动，并且在此吸收在环境条件下为气态的反应产物。
优选地，第一区从管道状的反应器的内壁开始同心地包围第二区。这表示：具有催化剂材料的第二区设置在管道状的反应器的中心处，并且该第二区被第一区同心地包围。术语“同心地”也以类似的方式包括非圆形的横截面，即也包括矩形的横截面。这能够实现在技术上可以较小的耗费实现的反应器构造。
在本发明的一个设计形式中，在此，第一区和第二区在管道纵向方向上沿着管道状的反应器壳体的整个反应区延伸，并且所述第一区和第二区在此沿着反应区由所述分离区分开。在仅通过分离区分开的第一区和第二区之间具有连续接触的这种拉长的构造允许所述反应的尤其连续的进行，并且允许吸收剂连续地穿过所述反应器。在此符合目的的是，所述反应器并非竖直地设置，使得其与垂线至少具有10度的角度，优选更大的角度，在理想情况下为90度的角度。通过选择反应器的倾斜角，能够调节吸收剂的流动速度，进而能够影响所述反应本身。
反应器的第一区优选包括多孔结构，所述多孔结构又优选具有亲水性表面，即尤其具有相对于吸收液的亲水性表面。在此，将亲水性理解为：在表面与相应的液体之间的润湿角小于90度。与此相反，超过90度的润湿角是疏水的。
具有优选为亲水性表面的多孔结构允许吸收液缓慢、均匀且有针对性地穿流所述第一区，其中通过多孔结构实现尽可能大的表面，所述吸收介质能够沿着所述表面流动。
此外，在一个优选的设计形式中，所述分离区的机械自承结构设有疏水层，所述疏水层又引起：防止液态吸收剂侵入第二区中，进而防止与催化剂材料接触。
机械自承结构，无论是呈陶瓷介质的形式还是呈网或织物的形式，均以如下形式设计：能够承受住工艺温度，所述机械自承结构在此具有大于第一区的多孔结构的孔隙度的孔隙度。这允许产物穿过分离区并且随后被所述吸收剂吸收。
在本发明的另一设计形式中，反应器包括用于使吸收剂连续地引导通过第一区的吸收剂入口和吸收剂出口，并且包括用于使反应物气体进入第二区中的反应物气体入口。尤其地，在此优选不设有离开第二区的反应物气体出口，反应物气体优选在第二区中保持静止直至其完全转化。第二区的这种构造也称为死胡同构造。
本发明的另一组成部分是一种反应器束，其包括根据上述权利要求中的任一项所述的至少两个反应器。所述反应器束的特征在于，至少两个反应器共同设置在冷却液容器中。
本发明的另一组成部分是用于运行根据上述权利要求所述的反应器或反应器束的方法，其中所述方法的特征在于，将吸收剂连续地引入第一区中并且在管道状的反应器壳体的一端处再次导出。此外，将气态的反应物引入第二区中，其中所述气态的反应物在位于该处的，即位于第二区中的催化剂材料的表面处至少部分地反应为至少一种产物。然后，这样反应的产物通过分离区导入第一区中并且被吸收剂吸收，并且所述产物与吸收剂一起从反应器中导出。
反应器束和用于运行反应器的方法具有相同的优点，所述优点已经关于根据权利要求1所述的反应器阐述。尤其地，通过所述方法在技术耗费少的情况下引起连续的运行和良好的反应可调节性。这也归因于弃用移动的机械部件，这是所述方法和反应器束的特征。
此外，在一个设计形式中符合目的的是，在反应器和电流产生单元之间建立组合，进而生成发电站系统，所述发电站系统总体上利用所述反应器的所描述的优点，以便将过剩的能量直接转化为化学物质。也将其理解为，使用过剩的能量来产生反应物，例如用于运行电解槽以产生氢。在此优选能够使用已描述的甲醇反应。电流产生单元在此通常是发电机，但是光伏设施也能够用作为电流产生单元。尤其当通过包括电流产生单元作为中央单元的发电站产生在自由的能源市场上可能实现过低的价格的能量时，在所提及的发电站系统中的所述电力产生单元和所述反应器的组合是符合目的的。于是，自特定的价格限制起，将电能技术上转化为化学物质是符合目的的。在此，发电站能够具有不同的设计，其在此例如能够是用于产生可再生能量的设施，例如风力设施，同样也能够是经典的，尤其是大型火力发电站，例如燃气发电站。
附图说明
根据下述附图详细阐述本发明的其它设计形式和其它特征。在此示出：
图1示出具有管道状的壳体的反应器的示意图和局部；和
图2示出由大量根据图1的反应器构成的反应器束。
具体实施方式
在图1中示出反应器2，所述反应器包括管道状的反应器壳体4。在所述管道状的反应器壳体4中，在反应器壳体4的内壁20上设置有第一区8，所述第一区用于使吸收剂(AM)6穿过。优选地，所述第一区8具有多孔结构18，以便使吸收剂6与尽可能大的表面接触，并且能够使具有大的表面的尽可能多的吸收剂引导穿过第一区8。反应器2在此直立，使得吸收剂6优选借助于重力流动穿过第一区8。多孔结构18增加了表面积进而增加了吸收剂的吸收能力，然而原则上也符合目的的是，能够使吸收剂8沿着反应器壳体4的内壁20缓慢地流动。吸收剂6在反应器的上部区域中馈入到第一区8中，这在图1中未详细地在技术上示出。
第二区12以由第一区8同心地包围的方式位于反应器壳体4的中央处，其中在第二区12中基本上设置有催化剂材料14。关于催化剂材料的设计方案存在多种符合目的的可行性，尤其涉及填充床，然而也能够提供具有高比表面的多孔的载体材料，催化剂材料以薄层的形式施加在所述高比表面上，类似于在汽车技术中的废气催化剂。然而，催化剂材料的填充床是低成本的，其中例如使用由铜、氧化铝和氧化锌构成的混合物作为制备甲醇的催化剂。床料的晶粒尺寸和晶粒形状在此适配于工艺技术。
已发现的是，吸收剂6和催化剂材料14尽可能不应接触，因为否则会限制催化剂材料14的作用方式。出于该原因，在第二区12和第一区8之间设置有分离区16，所述分离区尤其用于：防止在吸收剂6与催化剂材料14之间的这种接触。因此，分离区16尤其通过其功能确定，所述分离区为了实现该功能能够包含具有多种不同的作用方式的多个组成部分。在此，分离区16能够例如包含在此未示出的织物，所述织物例如由金属，如不锈钢制成，或者由碳或其它矿物纤维制成，催化剂材料14被束缚在所述织物中。在此，分离区16的实质特性之一因此被描述为：其包括机械自承结构26。因此，自承结构26例如以耐热且化学惰性的织物的形式来实现。然而，其也能够以多孔的陶瓷罐的形式设计。在此重要的是，在吸收剂6和催化剂材料14之间的物理和化学分离。此外，例如能够在此将未明确示出的间隔物设置在反应器壳体4的内壁20上，所述间隔物根据该定义也属于分离区16，并且所述间隔物使例如以织物的形式设计的自承结构26远离第一区8。
在第二区12中，现在将尤其在制备甲醇时包含二氧化碳和氢的气态反应物54引入到反应器2的第二区12中。所提及的反应物是一个实施例，用于实施限制平衡的反应的替选的反应物气体在此同样是符合目的的。所述二氧化碳和氢在催化剂材料14的表面上反应成甲醇，所述甲醇在当前的例如为50bar和250摄氏度的工艺条件下是气态的。(在所述工艺条件下)气态的产物甲醇在此通过自承结构26扩散到第一区8中，并且被吸收剂6吸收。连续地流动穿过第一区8的吸收剂6从管式反应器中被再次导出，其中所装载的吸收剂此时设有附图标记6’。所装载的吸收剂6’在未示出的设备中例如通过降低压力来卸载并且优选被再次输送给反应工艺。第二区12在此优选在反应器2的端部处，即在下部端部处对于反应物气体是关闭的，在所述下部端部处也导出所装载的吸收剂6’。这也被称为死胡同结构类型，这引起：被引入的反应物气体被迫完全反应成产物，然而根据反应物54的消耗，在反应物气体入口34处连续地引入另外的反应物54。第二区12被反应物气体穿流在技术上虽然是可行的，然而在经济上是不利的，因此优选选择死胡同结构类型。仅设有一个阀33，以便从第二区导出所谓的吹扫气体。吹扫气体是不期望的气体，尤其惰性气体如氮气，所述吹扫气体在反应期间作为废气产物产生。在这种情况下，在反应期间定期地打开阀33。
关于反应器2或反应器壳体4，还应限定管道纵向方向10，所述管道纵向方向沿着箭头10并且通过其来表征。沿着该管道纵向方向10也存在反应区28，所述反应区近似在反应器壳体22的整个长度上。优选地，仅在反应区壳体的用于供应或排出反应物气体54或者输入和导出吸收剂6的上部和下部区域中相对于反应区28延长。这表示：反应近似在反应器2的整个长度上发生，这意味着与低成本的技术实施相结合的特别好的空间利用。
在图2中示出反应器束38，其中大量反应器2设置在冷却液容器40中，冷却液42同样位于所述冷却液容器中。此外，设有反应物气体输入管路48和吸收剂输入管路50，经由所述反应物气体输入管路和吸收剂输入管路给各个反应器2或反应器壳体4供应反应物54或吸收剂6。为此，反应器2具有吸收剂入口设备30，经由所述吸收剂入口设备，吸收剂6被导入反应器2的第一区8中。此外，反应器具有吸收剂出口32，所装载的吸收剂6’在所述吸收剂出口中被导出，并且然后导出产物56，这在此未示出。此外，设有用于冷却剂42的入口44，其中在图1和图2中示意性地用附图标记58示出并且在反应器2中的反应时出现的热量被输出给冷却剂42。冷却剂42在此蒸发并且经由冷却剂出口46导出。在这种情况下，存在等温的工艺控制，其中反应器中的温度通过冷却剂42的均衡保持恒定。在这种情况下产生的水蒸气被提取并且输送新的冷却剂42，这有助于恒定的温度控制。
此外符合目的的是，将反应器2或反应器束38与电流产生单元组合成发电站系统。由于在电网中电流供应的波动，所述波动尤其归因于可再生电能的不同的提供，电价在非常短的时间间隔内发生变化，使得可能无法通过不同的发电站保本地经济地馈送电能。在这一点上，对于所有发电站类型，即常规的火力发电站和可再生发电站，如太阳能发电站或风力发电站，符合目的的是，弃用将所产生的能量馈入到电网中，并且代替于此使用所产生的电能将产物气体转化为化学物质，如所描述的乙醇。根据相应的电价和待实现的产物价格，这可能能够意味着经济上的优势。因此，在火力发电站中，也能够同时减少二氧化碳排放量或改进CO2平衡。
对于火力发电站也能够符合目的的是，在电流产生单元，尤其是具有所描述的反应器2或反应器束38的发电机之间使用这种组合。这能够引起，发电站单元，例如燃气发电站或燃煤发电站，能够以恒定的功率谱来运行，这促进发电站的经济性。当电价低时，不必降低发电站的能量产生，而是例如能够将能量引入所描述的化学反应或反应器2或反应器束38中。此外，尤其在所描述的技术应用于火力发电站时符合目的的是，从发电站的废气中分出在燃烧化石燃料时不可避免地产生的二氧化碳，并且将其馈入到用于如所描述的那样制备有价值的气体作为甲醇合成中的反应物气体即二氧化碳的工艺控制中。
附图标记列表：
2 反应器
4 反应器壳体
6 吸收剂(AM)
8 第一区
10 管道纵向方向
12 第二区
14 催化剂材料
16 分离区
18 多孔结构
20 反应器壳体的内壁
22 反应器壳体的长度
24 反应器壳体的宽度
26 机械自承结构
28 反应区
30 吸收剂入口
32 吸收剂出口
33 吹扫气体 阀
34 反应物气体入口
36 阀
38 反应器束
40 冷却液容器
42 冷却液
44 冷却液入口
46 冷却液出口
48 反应物气体收集管路
50 吸收剂收集管路
52 吸收剂收集管路出口
54 反应物
56 产物
58 热量

Claims (14)

1.一种用于实施限制平衡反应的反应器，所述反应器包括管道状地设计的反应器壳体(4)，
-在所述反应器壳体中设置有在管道纵向方向(10)上延伸的第一区(8)，所述第一区用于使液态的吸收剂(6)穿流，和
-在所述反应器壳体中设置有用于容纳催化剂材料(14)的第二区，所述第二区同样在管道纵向方向(10)上延伸，
其特征在于，
-所述第一区(8)和所述第二区(12)通过气体可穿透的分离区(16)分开，
-所述分离区(16)具有机械自承结构(26)，所述机械自承结构设有疏水层，和
-所述管道状的反应器壳体(4)的沿着反应区(28)的长宽比大于6。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述第一区设置在所述管道状的反应器壳体(4)的内壁(20)上。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述第一区(8)以同心地围绕所述管道状的反应器壳体(4)的内壁(20)的方式设置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述第一区(8)以通过分离区(16)分开的方式同心地包围所述第二区(12)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述第一区(8)和所述第二区(12)以通过分离区(16)分开的方式在管道纵向方向(10)上沿着所述管道状的反应器壳体(4)的整个反应区(22)延伸。
6.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述管道状的反应器壳体(4)在准备就绪的定位中相对于垂直线具有在10°和90°之间的角度。
7.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述第一区(8)包含多孔结构(18)。
8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述多孔结构(18)在所述第一区(8)中至少部分地具有亲水性表面。
9.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述自承结构(26)的孔隙度高于所述第一区(8)的多孔结构(18)的孔隙度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述分离区(16)包括至少一个疏水层。
11.根据上述权利要求中任一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器(2)包括用于使所述吸收剂(6)连续地引导通过所述第一区(8)的吸收剂入口(30)和吸收剂出口(32)，并且所述第二区(12)具有反应物气体入口(34)。
12.一种反应器束，所述反应器束包括至少两个根据权利要求1至11中任一项所述的反应器(2)，其特征在于，所述反应器(2)共同设置在冷却液容器(40)中。
13.一种用于运行根据权利要求1至11中任一项所述的反应器或根据权利要求12所述的反应器束的方法，其特征在于，将液态的吸收剂(6)连续地引入第一区(8)中并且在管道状的反应器壳体(4)的一端处再次导出，并且将气态的反应物(54)引入第二区(12)中，所述气态的反应物在位于该处的催化剂材料(14)的表面上至少部分地反应成至少一种产物(56)，并且所述产物(56)随后通过设有疏水层的分离区(16)进入所述第一区(8)中并且被所述液态的吸收剂(6)吸收并且随着所述液态的吸收剂从所述反应器(2)中导出。
14.一种发电站系统，所述发电站系统包括电流产生单元和根据权利要求1至11中任一项所述的反应器，其中使用由发电机产生的电能来运行所述反应器。
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