CN113365724A - 反应器级联和用于运行反应器级联的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于实施平衡限制反应的反应器级联，所述反应器级联具有至少两个反应器单元(4)，所述反应器单元分别包括呈管式反应器形式的反应部分(6)并且分别包括吸收部分(8)，其中所述反应部分(6)具有反应物入口(10)，而所述吸收部分(8)具有用于导出过量的反应物(18)的反应物出口(12)，其中在第一反应器单元(100)的所述反应物出口(12)和第二反应器单元(200)的反应物入口(210)之间设置连接管线(20)，其中设有减压阀(16)来降低在第一反应器单元(100)和第二反应器单元(200)之间的工艺压力p。

Description

反应器级联和用于运行反应器级联的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的反应器级联以及一种根据权利要求8的前序部分所述的用于运行反应器级联的方法。
背景技术
化石的能量载体引起不符合全球气候保护目标的二氧化碳排放。替选的、可再生的能源产生电力，然而所述电力并非总是以相同的功率提供，即，受到波动的影响。目前正在寻找合理地利用这种可用的、可再生地产生的电力的方式，并且例如制造化学上的有价值产品。在此，一种可能性是将水以电化学的方式转化为氢和氧。然后，所产生的氢能够与作为起始分子的二氧化碳反应，由此同时减少二氧化碳排放。总归不应排入大气中的相对简单就可供使用的二氧化碳因此能够用作为低成本的碳源。例如，甲醇是由二氧化碳和氢根据以下方程式一步合成的可行的产物：
CO2+3H2->CH3OH+H2O。
由二氧化碳和氢合成甲醇的缺点是低的平衡转化率，所述平衡转化率在50bar和250摄氏度下仅为约20％。因此，大部分的气态反应物必须在回路中引导。由于在反应器中出现压力损失，为此必须对气体分别进行再压缩，这是非常耗能的并且明显降低工艺效率。除了这些能量方面的缺点以外，这种在回路中引导的气体循环工艺不太适合于设施的动态运行，这尤其在可再生的能源的电流源波动的情况下是特别不利的。
在DE 102016210224 A1中描述了呈搅拌槽形式的连续的工艺控制。然而，关于反应器体积，搅拌槽反应尤其在压力高的情况下比管式反应器更昂贵。此外，其容量根据压力受到限制。出于该原因，所述搅拌槽反应不太适合将二氧化碳和氢大规模转化为甲醇。此外，与管式反应器相比，搅拌反应器包含运动的构件，这通常带来更高的维护耗费。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于合成平衡限制反应的连续工艺，与现有技术相比，该工艺需要更少的能量耗费，即更高的效率，并且在此，在适用于大规模工艺的情况下，与现有技术相比需要更少的维护耗费。
所述目的的解决方案在于根据权利要求1所述的用于实施平衡限制反应的反应器级联和根据权利要求8所述的用于执行平衡限制反应的方法。
根据权利要求1所述的用于实施平衡限制反应的根据本发明的反应器级联在此具有至少两个反应器单元，所述反应器单元分别呈管式反应器的形式。每个反应器单元在此包括反应部分和吸收部分。所述反应部分又具有反应物入口，而所述吸收部分具有用于导出过量的反应物的反应物出口。在此，在第一反应单元的反应物出口和第二反应器单元的反应物入口之间存在连接管线。所述连接管线设有用于降低在第一反应单元和第二反应单元之间的工艺压力p的减压阀。
本发明实现：无需进一步处理，尤其无需进一步耗能的压缩，就能够将过量的产物转送到相同类型的另一反应器单元中，在所述另一反应器单元中继续进行相同的反应，仅压力比轻微改变，即降低。压力比的降低仅略微影响在第二反应单元中发生的平衡限制反应的效率。在此能够使用低成本地构造的管式反应器，所述管式反应器不需要任何运动的部件进而需要低的维护耗费。此外，所述反应级联尤其好地适合在连续工艺中应用。
与现有技术相比也符合目的的是，将反应单元的管状的反应器部分设计为，使得在管状的反应器部分的一端处设有反应物入口，并且在反应器的另一端上设置有吸收部分。优选的是，所述吸收部分在该部位处通过法兰法兰连接到反应部分上。这种构造也有助于结构的简化，进而有助于低成本地制造反应级联。
将反应单元分成反应部分和吸收部分还具有以下优点：吸收剂仅存在于在空间上分开的吸收部分中，进而避免了吸收剂与存在于反应部分中的催化剂材料的接触。催化剂材料和吸收剂的接触会明显降低反应效率和催化剂的有效性。对此尤其气体过滤设备是适宜的。设置所述吸收部分。
术语管状在此理解为伸长的、内部中空的结构，其具有大于三、优选大于六、尤其优选大于八的纵横比。优选的是，管状的反应器壳体的横截面为圆形或椭圆形，但是其中也将管状理解为其它横截面，例如矩形或正方形的横截面。
此外，所述反应级联优选以如下形式设计：反应单元的吸收部分除了反应物出口以外还具有吸收剂出口。所述吸收剂出口在此优选与解吸单元连接，使得排出的、装载有产物的吸收剂能够在解吸单元中与该产物分离，并且此后经处理或卸载的吸收剂能够低成本地再次被引入吸收部分中。
此外，这允许将上述反应级联设计为，使得相应的反应单元在其构造原理和其造型方面相同类型地设计。将相同类型理解为：分别提供优选竖直的管式反应器，在其下部部分上安置或法兰连接有吸收部分。也将相同类型理解为：沿着级联的各个反应单元原则上能够在其体积方面减小，尤其以其在反应部分中的反应体积的形式。但是，所述反应单元在此仅具有收缩的几何形状，设计方案保持不变。从第一反应单元到第二反应单元的反应体积的优选的收缩的原因在于：从第一反应单元中离开和导出的过量的反应物气体比最初引入第一反应单元的少。因此，能够将第二反应单元和随后的另外的反应单元更小进而成本更低地设计。
本发明的另一组成部分是根据权利要求7所述的用于执行平衡限制反应的方法。据此，将反应物导入反应单元的反应部分中，其中所述反应部分至少部分地填充有多孔的、起催化作用的物质。该催化物质由气态反应物穿流，其中所述一种或多种反应物在起催化作用的物质的表面上至少部分地转化为一种或多种反应产物。随后将反应产物和过量的反应物从反应部分导入反应单元的吸收部分中，并且所述反应产物在该处被吸收剂吸收。借助于气体过滤设备从反应产物中分离出过量的气态反应物。在所述反应单元中在此存在压力p1。本发明的特征在于，所分离的反应物通过减压设备引导，在低于压力p1的压力p2下被导入第二反应单元中。
所描述的有创造性的方法的优点类似于已经关于有创造性的设备所描述的优点，在于：能够发生平衡限制反应的连续的反应。在此无需在反应单元中使用运动的部件，并且所描述的方法以及还有所描述的反应级联在此适用于大的输入。
在此提及被导入反应部分中的反应物。原则上，单一的化学物质在催化剂表面上转化为一种或多种反应产物是可行的。然而，在本发明的一个有利的设计形式中，导入反应物或反应物气体，其包含二氧化碳和氢，进而由至少两种化学化合物构成。作为反应产物，能够产生一种或多种化学化合物，在已经描述的由反应物即二氧化碳和氢构成的合成中，在适宜地选择催化剂的情况下产生作为反应产物的甲醇。在此术语反应物和反应产物分别被理解为单数和复数。
在第一反应单元中，如所描述的那样，存在压力p1。因为其是向外封闭的系统，所以除了因工艺引起的波动以外，该压力基本上存在于整个反应单元中。因此在第一反应单元中的反应物也具有压力p1。通过减压设备降低作用到反应物上的压力，所述反应物在压力p2下被导入第二反应单元中，其中所述第二反应单元基本上正好在该压力p2下运行。在此显然也能够发生因反应引起的局部的压力波动。此外能够设有在压力p3下运行的第三反应单元，其中所述压力p3又低于压力p2。这因此是符合目的的，因为在第二反应单元的反应期间在吸收部分中也出现未消耗的反应物，所述反应物又再以仅小的压力损失导入第三反应单元中。压力p1、p2和p3之间的差在此优选在0.5bar和10bar之间。
原则上，所描述的反应级联能够包括任意数量的反应单元1至n，其中在根据本发明的方法中执行的反应级联的数量n如下确定：在该反应部分中的相应的反应工艺中剩余多少未消耗的反应物，并且在经济上是否值得仍将这种过量的反应物转运到另一反应单元中。n个反应单元在此在相应下降的压力下从第一反应单元运行直至第n个反应单元。
在此，所述反应单元的反应部分优选管状地设计，使得所述反应部分由反应物沿着其纵向扩展部穿流。这种对管状的反应部分的穿流引起：过量的反应物和产物最终引导穿过所述反应部分，并且在设有催化剂的反应部分之后在吸收部分中再次彼此分离。此外，在纵向方向上穿流所述反应部分实现省去反应部分中的运动的部件，这降低了其制造成本。
此外，符合目的的是，装载有一种或多种反应产物的吸收剂通过吸收剂出口被引导解吸单元中并且在该处从反应产物中卸载。此外，能够将所卸载的吸收剂在此导入吸收部分中。
附图说明
从以下附图中产生本发明的其它有利的设计形式和其它特征。在此仅涉及不限制保护范围的示意图。
在此示出：
图1示出用于实施平衡限制反应的反应级联，和
图2示出处理吸收剂的示意图。
具体实施方式
图1示出作为反应级联的示例的示意图，所述反应级联适合于尽可能无损失地实施平衡限制反应，在此根据二氧化碳和氢的示例示出。在此，在所描述的示例中，二氧化碳和氢作为反应物或反应物气体借助于压缩机在升高的例如大于30bar的压力下被导入反应单元4中。更准确地说，反应物18经由反应物入口10被导入反应部分6中。在反应部分6中设置有起催化作用的物质30。在下文中也称为催化剂30的这种起催化作用的物质30在此能够以不同的设计形式存在。在一个非常符合目的的和简单的设计形式中，催化剂30作为粉末散积物存在于反应部分6中。然而，原则上，也能够将至少在其表面上含有催化剂30的多孔的烧结体装入反应部分6中。因此能够实现限定的表面，然而这在制备催化剂30时也需要更高的成本耗费。反应部分6在此优选管状地设计，其中将管状理解为：反应部分6的长宽比，即纵横比大于1，优选大于5。
在反应部分6的与反应物入口10相对置的端部上设置有吸收部分8，其中吸收部分8和反应部分6优选在空间上相互紧密地连接。特别优选的是，吸收部分8通过法兰42直接法兰连接到反应部分6上。反应单元4的这种构造特别低成本地设计。吸收部分8在此优选具有气体过滤设备32，所述气体过滤设备例如能够以烧结板的形式或穿孔的管的形式设计。此外，在该吸收部分中存在吸收剂14。在根据图1的视图中，气体过滤设备32完全被液态的吸收剂14包围。
在下文中，以已经提及的二氧化碳和氢反应物为例描述在反应器单元中在所描述的各个构件中进行的反应流程。由二氧化碳和氢构成的混合物被引导到反应部分6中，在该处尤其被引导到起催化作用的物质30上。催化剂30在此具有刚好起催化作用并且将二氧化碳和氢转化为甲醇的表面。然而，该反应具有一种平衡，所述平衡在产生20％的甲醇产物时就已经出现。为了使反应继续进行，需要的是，始终在反应地点，即催化剂30的表面处导出产物，并且添加新的反应物。这通过使反应物穿流管状的反应器部分6来实现，其中所产生的产物相应为甲醇，其在约30bar至50bar的工艺条件和超过200摄氏度的温度下是液态的。因此，通过反应物18的流也带动反应产物26并且从反应部分6连续地导入吸收部分8中。在该处，现在反应产物26和呈气体混合物即二氧化碳和氢的形式的过量的反应物14现在一起气态地存在。这种由反应物14和产物26构成的气态混合物引导穿过气体过滤器设备32，其中产物26，在所给出的示例中为甲醇，被吸收剂14吸收，所述吸收剂通常或优选以离子液体的形式设计。气态反应物18选择性地不被吸收剂14吸收并且在吸收部分8的气体空间44中收集。从吸收部分8的气体空间44起设有连接管线20，在所述连接管线中或者在所述连接管线上设有减压阀16。在反应部分中以压力p1的形式存在的过量的反应物18通过减压阀16降低到压力p2并且以反应物18’的形式被导入第二反应单元200中。
与第一反应单元100相反，在第二反应单元200中存在反应压力p2，该反应压力p2比第一反应单元100借以运行的反应压力p1低大约2bar。将工艺压力p降低约2bar，例如从50bar降低到48bar，在执行平衡限制反应时仅引起相对小的效率损失，如已经关于第一反应单元100所描述的那样。然而，压力降低引起：不需要通过在能量方面耗费且技术上成本密集的压缩过程来重新压缩所回收的或过量的反应物18。在下一反应单元中仅应用如下压力，在所述压力中总归已经存在反应物，并且所描述的反应重新以稍微改变的热力学参数来执行。就此产生具有至少两个反应单元4、100、200的反应级联2，其中反应单元4的最终数量n通过工艺技术方面的框架条件来确定，并且根据转化率、反应单元的总体积和产物要求以及根据经济方面的考虑来设立。在此应指出的是，反应单元4或100和200的设计方案在技术上是相对有利的，因为能够省去必须被驱动并且具有支承设备的运动的部件，例如搅拌器。在根据图1的本设计形式中，除了将反应物压缩到第一反应单元100中的第一压缩机40以外，能够省去运动的部件。在这种情况下，在图1中所示出的反应级联2具有三个反应部分4，其中其在此涉及纯示例性的示意图。此外，反应单元4、100、200和300相同大小地示出。其也以相同的类型示出。这具有以下优点：多个反应单元4的批量生产同样能够再次低成本地设计。原则上，反应单元100、200、300能够沿着级联2在其反应体积方面来看减小。然而，在这种情况下，仅反应单元或反应部分以及可能还有吸收部分8的体积收缩，然而其构型不怎么改变。反应体积的收缩是因为在所设置的设计方案中反应物18仅导入级联一次。也就是说，在反应进程期间不继续将反应物导入后续的反应单元200和300中，因为这将因压缩基础反应物18而引起进一步的能量方面的耗费。因此，在级联2内在其它反应单元200和300中可用的反应物18的体积也减少，因此反应单元200和300的反应部分206和306中的反应体积也会逐渐地减小。
图2图解示出吸收剂14的循环，更确切地说，在吸收剂14在吸收剂出口22处离开吸收部分6的阶段中。设有解吸单元24，在所述解吸单元中，装载有反应产物26的吸收剂14与该反应产物脱离。这种所谓的吸收剂14的再生能够通过降低压力和/或升高温度来进行。导入所谓的汽提气体用于解吸也是符合目的的。从吸收剂14中释放出来的含有反应产物26的气体此外进入换热器38中，在所述换热器中反应产物26，例如甲醇，通过冷凝与剩余的气态成分分离，所述剩余的气态成分尤其包含反应物气体即二氧化碳和氢。然而仍含有水的反应产物，尤其甲醇，能够被导出以进行进一步处理。同样由此回收的反应物18或18’能够再次被输送给该工艺，并且经由压缩机40被导入第一反应单元100中。在此用14’表示的卸载的吸收剂被调温，并且作为未加载的吸收剂14经由吸收剂输送装置36再次引入吸收部分8中。
在反应部分6中在起催化作用的物质30处进行的二氧化碳和氢形成甲醇和水的反应是放热的。这表示：反应部分6被加热。在此，通过反应部分6的外壁进行的逆流冷却是有利的。在此，反应部分6在其外壳中优选双壁地构成。因此所获得的热能能够以其它方式用于调温，例如用于反应物气体18的调温。为此也能够使用吸收剂14在卸载之后所具有的能量。
附图标记列表：
2 反应器级联
4 反应器单元
6 反应部分
8 吸收部分
10 反应物入口
12 反应物出口
14 吸收剂
16 减压阀
18 反应物
20 连接管线
100 第一反应器单元
200 第二反应器单元
210 到反应器单元的反应物入口
22 吸收剂出口
24 解吸单元
26 反应产物
28 反应体积
106 第一反应单元的反应部分
206 第二反应单元的反应部分
30 起催化作用的物质
32 气体过滤设备
34 反应器部分的纵向扩展部
36 吸收剂输送装置
38 换热器
40 换热器
42 法兰
44 相同类型的反应器的气体空间

Claims (15)

1.一种用于实施平衡限制反应的反应器级联，所述反应器级联具有至少两个反应器单元(4)，所述反应器单元(4)分别包括呈管式反应器形式的反应部分(6)并且分别包括吸收部分(8)，其中所述反应部分(6)具有反应物入口(10)，而所述吸收部分(8)具有用于导出过量的反应物(18)的反应物出口(12)，其中在第一反应器单元(100)的所述反应物出口(12)和第二反应器单元(200)的反应物入口(210)之间设有连接管线(20)，其中设有减压阀(16)来降低在所述第一反应器单元(100)和所述第二反应器单元(200)之间的工艺压力p。
2.根据权利要求1所述的反应器级联，其特征在于，所述反应物入口(12)设置在所述反应部分的一端处，并且所述吸收部分(8)设置在另一端处。
3.根据权利要求1或2所述的反应器级联，其特征在于，所述吸收部分(8)除了所述反应物出口(12)以外还具有吸收剂出口(22)。
4.根据权利要求3所述的反应器级联，其特征在于，所述吸收剂出口(22)与解吸单元(24)连接，所述解吸单元(24)用于使所述吸收剂(14)卸载反应产物(26)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的反应器级联，其特征在于，所述第一反应器单元(100)的反应部分(106)具有比第二反应器单元(200)的反应部分(206)更高的反应体积(28)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的反应器级联，其特征在于，所述反应器单元(4、100、200)相同类型地设计。
7.根据上述权利要求中任一项所述的反应器级联，其特征在于，设有气体过滤设备，所述气体过滤设备设置在所述吸收部分中。
8.一种用于执行平衡限制反应的方法，其中将反应物(18)引导到反应器单元(4)的反应部分(6)中，所述反应部分至少部分地填充有多孔的、起催化作用的物质(30)，所述起催化作用的物质由气态的所述反应物(18)穿流，其中所述反应物(18)在所述起催化作用的物质(30)的表面上至少部分地转化为反应产物(26)，此后将所述反应产物(26)和过量的反应物(18)从所述反应部分(6)引导所述反应器单元(4)的吸收部分(8)中，并且所述反应产物(26)被吸收剂(14)吸收，并且借助于气体过滤设备(32)从所述反应产物(26)中分离出过量的气态的反应物(18)，并且其中在所述反应器单元(6)中存在压力p1，其特征在于，将所分离的反应物(18)引导穿过减压设备(16)，并且在压力p2中导入第二反应器单元(200)中，其中压力p2低于压力p1。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二反应器单元(200)在压力p2中运行。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，设有第三反应器单元(300)，所述第三反应器单元(300)在压力p3中运行，压力p3低于压力p2。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，设有至少两个反应器单元(4、100、200)的反应器级联(2)，所述反应器单元自所述第一反应器单元(100)起在降低的工作压力pn中运行。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述反应部分(6)管状地构造，并且所述反应部分(6)沿着其纵向延展(34)被所述反应物(18)穿流。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应产物(26)包括甲醇。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应物(18)包括二氧化碳和氢。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将装载有所述反应产物(26)的吸收剂(14)通过吸收剂出口(22)引导到解吸单元(24)中，并且在该处卸载所述反应产物(26)。
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