DE102006046052B3 - Herausschiebbarer Dampfreformer - Google Patents

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Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um einen kompakten Dampfreformer, der einfach herausschiebbar ist, um den Katalysator auszutauschen. Gleichzeitig wird eine gute Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle des Dampfreformers und dem Katalysator verwirklicht. Darüber hinaus wird ein guter Stoffübergang zwischen dem Reaktantenstrom und dem Katalysator sichergestellt.

Description

  • Bei der hier beschriebenen Erfindung handelt es sich um einen so genannten Dampfreformer. Ein Dampfreformer ist ein Gerät, welches aus einem primären Recktanten, der reich an Kohlenstoff und Wasserstoff ist, nach Zugabe von Dampf ein wasserstoffreiches Gasgemisch produziert.
  • Wasserstoff kann nach folgender Reaktion erzeugt werden: CxHyOz + (2x – z) H2O -> x CO2 + (2x – z + y/2)H2
  • Der Brennstoff CxHyOz ist häufig Erdgas, Propan oder Alkohol. Inerte Gaskomponenten wie z.B. Stickstoff können im Brennstoff vorhanden sein, ohne die grundlegende Reaktion zu verändern. Schwachkaloriges Erdgas beinhaltet eine große Menge Stickstoff.
  • Die eigentliche Reaktion findet in Anwesenheit eines Katalysators statt und ist im Allgemeinen endotherm. Die benötigte Reaktionswärme kann durch Beimengen von Luft bereitgestellt werden, wobei ein Teil der Recktanten exotherm oxidiert wird. Dieser Prozess wird dann autotherme Reformierung (ATR) genannt. Ein Nachteil hierbei ist, dass der Luftstickstoff ebenfalls im Reformatgas vorhanden ist. Dies bedeutet in den meisten Fällen eine unerwünschte Verdünnung des Produktes. Eine andere Art der Bereitstellung der benötigten Reaktionswärme ist die Verwendung eines Wärmeübertragers. Dieser Prozess wird Dampfreformierung genannt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die meist geringere Kompaktheit im Vergleich zur autothermen Reformierung.
  • Eine konventionelle Möglichkeit, einen Dampfreformer zu konstruieren, ist die Verwendung einer Anzahl von Rohren, welche mit Katalysatorpellets gefüllt sind. Die Roh re befinden sich in einem Ofen, welcher die Wärme liefert. Diese Art der Anordnung ist wenig kompakt, der Austausch des Katalysators aufwändig. Ein Bespiel eines solchen Reformers ist in WO 0 202 220 beschrieben.
  • Eine andere Art, einen Dampfreformer zu konstruieren, ist einen Wärmeübertrager an dessen kalten Seite direkt mit dem Katalysator zu beschichten. Hierbei ist es noch schwieriger, einen deaktivierten Katalysator auszutauschen. Diese Methode ist daher wenig populär.
  • Weitere Möglichkeiten, das Problem des einfachen Austauschs des Katalysators zu lösen, sind Stand der Technik.
  • Die Patentschriften EP 0 200 474 A1 , EP 1 431 373 A1 und US 4 094 817 A beschreiben Reformierungssysteme, die auf Fließbettverfahren beruhen. Im Fließbettverfahren werden die mit Katalysatormaterial beschichteten Pellets in einen intensiv durchmischten Fluidstrom eingebracht. Somit ist es möglich, kontinuierlich einen Teil der Pellets zu entnehmen und diese entweder zu ersetzen oder zu regenerieren. Daher ist der regelmäßige Austausch des Katalysators nicht länger notwendig. Es sind jedoch nicht zu vernachlässigende Erschwernisse in Verbindung mit Fließbettverfahren zu beachten, wie z.B. die Notwendigkeit eines starken Gebläses (Pumpe) für die Rezirkulierung mit den zugehörigen Abdichtungs- und Kühlungsproblemen.
  • Die Patentschriften WO 03/056 642 A2 und GB 2 126 118 A beschreiben ein Reformersystem mit einem einfach zu lösenden Gehäuse. Aus den Schriften geht jedoch nicht hervor, wie die Wärme von der Wärmequelle in die endotherme Reaktionszone übertragen.
  • Die Patenschrift WO 2004/093 226 A2 beschreibt einen modularen Brennstoffreformer mit einem wechselbaren Träger. Der Träger kann gelöst und aus dem Reformer genommen werden, so dass der Katalysator erreicht werden kann. Dies beinhaltet jedoch nicht, wie die Wärme von einer Wärmequelle, z.B. einem Brenner, zum Katalysator übertragen wird unter Beibehaltung des einfachen Katalysatoraustauchs.
  • Die Patentschrift US 3 531 263 A beschreibt einen Reformer basierend auf einem Rohr oder einem Ring, gefüllt mit Katalysatorpellets. Da heiße Brennergas strömt um das Rohr oder im Falle des Rings durch diesen Ring. Auch hier verbleibt der Nachteil eines schlechten thermischen Kontakts zwischen dem Katalysator und dem Brenner, während dies durch die vorliegenden Erfindung gelöst wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 stellt das Prinzip der Erfindung dar.
  • Die hier beschriebene Erfindung sieht eine Möglichkeit vor, einen kompakten Reformer ohne komplizierte Anschlüsse und Abdichtungen zu verwirklichen. Dies soll anhand der 1 verdeutlicht werden. Eine Wärmequelle [1], häufig ein Brenner, in welchem Abfallströme aus dem Prozess verbrannt werden, wird durch einen Zylinder [2] umhüllt. Um diesen Zylinder herum ist ein mit Katalysatormaterial beschichteter Träger [3] durch Verklemmung angebracht. Ein zweiter Zylinder [4] zwingt die Recktanten dazu, durch den aus dem ersten Zylinder [2] und dem zweiten Zylinder [4] gebildeten Strömungskanal entlang der heißen Rippen des Katalysatorträgers zu strömen.
  • Der Katalysatorträger besteht bevorzugt aus Rippen, die aus einer Metallplatte gefertigt sind. Metallplatten mit Rippenstruktur, durch Faltbearbeitung hergestellt, sind häufig in bestimmten Richtungen elastisch, da die durch die Faltung erzeugten Rippen wie Blattfedern wirken. Diese Elastizität kann für die Verklemmung des Trägers genutzt werden.
  • Mittels dieses Aufbaus ist es möglich, den Katalysator nach Erreichen seiner Lebensdauer auf einfache Weise auszutauschen. Der Austausch erfolgt durch das Herausschieben der Wärmequelle mit dem Katalysatorträger aus dem Zylinder [4]. Die für die Abdichtung benötigten demontierbaren Dichtungen können sich hierbei in einem Bereich niedriger Temperaturen befinden. Nach dem Ausbau der Einheit bestehend aus Wärmequelle und Katalysatorträger kann der Katalysator auf einfache Weise vom Zylinder [2] abgezogen und ersetzt werden.
  • Diese Anordnung kann kompakter als die auf mit Katalysatorpellets gefüllten Rohren basierende Konstruktion sein, da der thermische Kontakt zwischen der Wärmequelle und der Reaktionszone besser ist. Die Rippen sind äußerst eng um die Wärmequelle geklemmt, während bei der konventionellen Anordnung die Wärme durch das sich zwischen Wärmequelle und Katalysator befindliche Gas zum Katalysator geleitet werden muss. Darüber hinaus kann die Rippenform des Katalysatorträgers hinsichtlich eines guten Stoffübergangs zum Katalysator optimiert werden. In Pelletschüttungen werden Teile der Katalysatoroberfläche schlecht umströmt.
  • Der Umstand, dass der Katalysatorträger um die Wärmequelle geklemmt ist, lässt das Problem der Abdichtung zunächst offen. Die Abdichtung hat sicherzustellen, dass der Reaktantenstrom von den mit der Wärmequelle verbundenen Gase, wie z.B. Verbrennungsgase, getrennt bleibt. In konventionellen Anwendungen stellt diese Abdichtung kein Problem dar, da sich der Katalysator üblicherweise in einem zugehörigen abgedichteten Raum befindet, z.B. in einer Anzahl von Rohren. Die hier behandelte Erfindung löst das Abdichtungsproblem, indem ein äußeres Gehäuse dicht um die Wärmequelle mit geklemmtem Katalysatorträger in einer Weise angebracht ist, dass der Leerraum zwischen dem äußeren Zylinder und der Wärmequelle einen Strömungsweg bildet, durch den der Reaktantenstrom gezwungen wird zu fließen. Daher wird kein abgetrennter, abgedichteter, mit Katalysator gefüllter Reaktorraum benötigt.
  • Auch hat diese Erfindung große Vorteile im Vergleich zu direkt beschichteten Wärmeübertragern, bei denen der Austausch und das Anbringen des Katalysators viel schwieriger ist.
  • Eine Variante des Prinzips der hier beschriebenen Erfindung ist die konische Ausführung der Zylinder. Dadurch wird es einfacher, den Spalt [5] zwischen dem äußeren Zylinder [4] und dem Katalysator anzupassen.

Claims (5)

  1. Dampfreformer bestehend aus einer Wärmequelle und einem auf einem Träger aufgebrachten Katalysator, an welchem ein Reaktantenstrom entlang geleitet wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmequelle im wesentlichen zylinderförmig ist, bei dem der Träger mit Katalysator um die Wärmequelle geklemmt ist, und bei dem ein zweiter Zylinder konzentrisch um den Katalysatorträger angebracht ist.
  2. Dampfreformer gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Zylinder konisch sind.
  3. Dampfreformer gemäß einem der vorher genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Katalysatorträger aus einem plattenförmigen Ausgangsmaterial, bevorzugt eine Metallplatte, gefertigt ist.
  4. Dampfreformer gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass das plattenförmige Ausgangsmaterial so geformt ist, dass es in ein oder mehreren Richtungen federnd ist.
  5. Dampfreformer gemäß einem der vorher genannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Abdichtungen zwischen den Zu- und Abfuhr der Recktanten für die Reformierung und den zu der Wärmequelle gehörenden Strömen in Bereichen angeordnet sind, die eine viel niedrigere Temperatur aufweisen als die Bereiche, in denen die eigentliche Reformierreaktion stattfindet.
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