DE102015223695A1

DE102015223695A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung von endothermen Reaktionen

Info

Publication number: DE102015223695A1
Application number: DE102015223695.1A
Authority: DE
Inventors: Grigorios Kolios; Bernd Zoels; Ulrike Wegerle; Andrian Milanov; Guido Wasserschaff; Carlos LIZANDARA; Wolfgang Haip
Original assignee: HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Current assignee: HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung heterogen katalysierter Reaktionen oder Gasphasenreaktionen, die eine starke Endothermie aufweisen. Die Vorrichtung umfasst eine durchströmbare Reaktionskammer mit zumindest einer Thermohülse (2), eine drucktragende Hülle (1) und eine Isoliermanschette (3), wobei die Thermohülse (2) in Richtung der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Reaktionskammer ein Auskleidungsrohr (8). Das Ende der Thermohülse (2) ist oberhalb der Katalysatoraufnahme (5) angeordnet, so dass innerhalb des Reaktors und des Katalysatorbetts das Temperaturprofil aufgezeichnet werden kann. Der oder die Mantelheizleiter (4) stehen in direktem Kontakt mit der drucktragenden Hülle (1). Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Mantelheizleitern (4) auf, die unabhängig angesteuert beziehungsweise unabhängig voneinander geregelt werden können. Vorzugsweise wird die Vorrichtung bei einer Temperatur im Bereich von 750 bis 1150°C und einem Druck bis 50 bar betrieben. Insbesondere dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung der Pyrolyse von Methan, der Dampf- und der Trockenreformierung von Erdgas sowie der Reverse-Water-Gas-Shift Reaktion.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung endothermer Reaktionen. Die Vorrichtung umfasst eine durchströmbare Reaktionskammer mit Thermohülse (2), eine druckaufnehmende Hülle (1), vorzugsweise in Verbindung mit Thermohülse (7) und einem Beheizungssystem mit Mantelheizleitern (4). Der Strömungsquerschnitt der Reaktionskammer liegt in einem Bereich von 0,2 bis 80 cm². Die Thermohülse (2) ist in der Reaktionskammer angeordnet, wobei die Längsachse der Thermohülse (2) und die Längsachse der Reaktionskammer parallel verlaufen. Das Beheizungssystem umfasst zumindest einen Mantelheizleiter (4), vorzugsweise eine Pluralität von Mantelheizleitern (4), wobei der oder die Mantelheizleiter (4) in direktem Kontakt mit der Außenwand der drucktragenden Hülle (1) stehen. Das Beheizungssystem ist entlang der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet und ist in zumindest eine Heizzone unterteilt ist. In der Wand der drucktragenden Hülle (1) ist pro Heizzone zumindest eine Thermohülse eingebettet oder angebracht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Erforschung von Reaktionen eingesetzt werden, die bei Temperaturen von ≥ 1000°C und bei Drücken bis 50 bar ablaufen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen können großtechnische Reaktionen unter sehr genau kontrollierten Bedingungen im Labormaßstab beziehungsweise im Pilotanlagenmaßstab nachgestellt werden. Kleine Pilotanlagen werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch als Miniplants bezeichnet. In entsprechender Weise wird der mit der Testung in Miniplants verbundene Maßstab auch als Miniplant-Maßstab bezeichnet. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen es, Erkenntnisse zu gewinnen, die auf den großtechnischen Prozess übertragbar sind.
Die Erschließung und Nutzung von neuen Rohstoffquellen – beispielsweise auf der Basis der Verwertung von Kohlendioxid oder Methan – hängt im Wesentlichen davon ab, ob technologische Verfahren zur Verfügung stehen, um diese nutzen zu können. Darüber hinaus müssen diese Verfahren auch ressourcenschonend und energieeffizient sein. Insgesamt lässt sich feststellen, dass der der Rohstoffwandel zu einem bedeutenden Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in der chemischen Industrie geworden ist. Als technisch sehr bedeutende Reaktionen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise die Pyrolyse von Methan, die Dampf und die Trockenreformierung von Erdgas sowie die Reverse-Water-Gas-Shift Reaktion zu nennen. Bei den Reaktionen handelt es sich um endotherme Hochtemperaturreaktionen.
Unter anderem ist es ein Ziel der Bemühungen, die Aktivierung von chemisch sehr inerten Molekülen – wie CO₂ und CH₄ – in effizienter Weise vorzunehmen.
Es ist vorteilhaft derartige Hochtemperaturreaktionen bei höheren Betriebsdrücken zu betreiben, die beispielsweise bei Drücken ≥ 5 bar oder ≥ 10 bar. Der Hintergrund ist das Bestreben, zusätzliche Kompressionsenergie einzusparen, in dem die bei höheren Drücken vorliegenden Eduktgase wie z. B. Methan nicht entspannt werden und die Reaktion bei höheren Drücken betrieben wird. Für die Kompression der Produktgase müssen sonst hohe Energiekosten aufgebracht werden, um sie auf die Betriebsdrücke zu bringen, die für die nachgeschalteten Stufen benötigt werden. Bei den nachgeschalteten Stufen handelt es sich beispielsweise um die Methanol-, die Ammoniak- oder die Fischer-Tropsch-Synthese.
Bei der Prozessentwicklung ist es ein entscheidender Faktor, wie zuverlässig und aussagekräftig die Ergebnisse von katalytischen Testuntersuchungen sind, die im Labormaßstab beziehungsweise im Pilotanlagenmaßstab gewonnen werden. Darüber hinaus ist die Aufskalierung von Experimenten auch regelmäßig mit sehr hohen Aufwänden und Kosten verbunden. Da global betrachtet auch in der Zukunft ein wachsender Bedarf an natürlichen Energieressourcen besteht, liefert die Erforschung und Verbesserung von Prozessen im Labormaßstab einen wichtigen Beitrag dazu, um die bekannte großtechnische Verfahren zu optimieren beziehungsweise die Entwicklung von neuen großtechnischen Verfahren voranzubringen. Die Erforschung und Entwicklung von neuen Versuchsreaktoren für die Untersuchung katalysierter Reaktionen ist von großem technischem Interesse, was eine Lösung von globalen Herausforderungen betrifft.
In der Regel werden heterogen katalysierte Reaktionen in Strömungsreaktoren durchgeführt. Hierbei werden die Katalysatoren in einer Vielzahl der Fälle in Form eines Festbetts eingesetzt.
Die Kontrolle der thermischen Bedingungen innerhalb des Strömungsreaktors beziehungsweise innerhalb des Festbetts ist von großer technischer Bedeutung. Um den Betriebszustand von katalytischen Festbettreaktoren zu kennzeichnen, sind die die ortsabhängigen Temperaturfelder im Reaktionsvolumen des Katalysatorfestbetts zu betrachten. Prinzipiell können Festbettreaktoren bezüglich der Temperaturführung in adiabate und isotherme Reaktoren unterteilt werden.
Adiabate Reaktoren weisen oftmals einen großen Reaktordurchmesser und/oder eine unstrukturierte Katalysatorschüttung auf. Die Folge davon ist, dass kein effizienter Wärmeaustausch quer zur Strömungsrichtung über die Reaktorwand stattfinden kann. Bei isothermen Reaktoren ist der Katalysator auf Rohrbündel verteilt, die aus mehreren schlanken Rohren gebildet werden. Die Rohrbündel sind von einem Wärmeträgermedium umgeben und oftmals auch von diesem umströmt. Dies führt dazu, dass zwischen der Reaktionskammer und dem Wärmeträger durch die jeweilige Rohrwand in effizienter Weise ein Wärmestrom ausgetauscht wird. Hierdurch wird der Rohrwand die Temperatur des Wärmeträgers aufgeprägt. Die Temperatur, die innerhalb des Festbetts herrscht, kann je nach Wärmetönung der Reaktion erheblich von der Temperatur der Reaktorwand abweichen. Tritt innerhalb des Festbetts eine lokale Wärmetönungen oder eine lokale Abkühlung auf, so werden diese als sogenannte „hot-spot” oder „cold-spot” bezeichnet. Wenn eine Reaktion unter adiabaten Bedingungen durchgeführt wird, dann ist der radiale Wärmewiderstand so groß ist, dass die Wärmezufuhr beziehungsweise die Wärmeabfuhr dominiert. Die Folge ist dann, dass die Katalysatorschüttung gegenüber der Wandtemperatur des Reaktors erwärmt oder abkühlt wird. Das Ausmaß der Erwärmung beziehungsweise der Abkühlung hängt auch von der thermischen Leistung ab, die die Chemische Reaktion einträgt. Somit ist in Bezug auf adiabate Reaktionen festzustellen, dass der radiale Wärmefluss gering ist gegenüber der thermischen Leistung der chemischen Reaktion (d. h. der Rate der Energiefreisetzung beziehungsweise der Energieaufnahme) die durch die jeweilige Reaktion gegeben ist. Der Einfluss des Wärmewiderstands der Schüttung kann dadurch verringert werden, dass der Weg zur Rohrwand verkürzt wird. Eine technische Ausgestaltung ergibt sich durch Aufteilung des Durchmessers eines großen Reaktors in viele parallel geschaltete Reaktoren mit kleinem Durchmesser, die dann auch als Rohrbündelreaktor bezeichnet werden.
Um Versuchsreaktoren auf Betriebstemperaturen > 1000°C aufzuheizen, werden üblicherweise Strahlungsöfen eingesetzt. Zur gezielten Einstellung des axialen Temperaturprofils kann der Heizraum in unterschiedliche Heizzonen unterteilt werden.
Zur Beschreibung des technischen Gebiets der Erfindung werden im nachfolgenden Teil einige Beispiele für Strömungsreaktoren aus dem Stand der Technik genannt. In der wissenschaftlichen Fachliteratur werden regelmäßig Reaktoranordnungen beschrieben, diese sind in der Regel durch die Untersuchung an geringen Mengen an Katalysatorproben gekennzeichnet. Dabei werden oftmals auch nicht die sehr harschen Versuchsbedingungen gewählt, die in technischen Prozessen von Interesse sind.
Beispielsweise ist es bekannt, dass keramische Auskleidungsrohre in Strömungsreaktoren zur Untersuchung der Reformierung von Methan und Kohlendioxid unter hohem Druck zum Einsatz gebracht werden können. So wird von Takahashi et al. (in der Zeitschrift Fuel 102 (2012) S. 239–246) die Reformierung von Methan und Kohlendioxid an einem platinhaltigen Katalysator beschrieben. Der Reaktor bei einem Druck von bis zu 10 bar und bei einer Temperatur von 873 K (bzw. 600°C) betrieben. Der Reaktor ist mit Thermoelement ausgestattet, dass in der Nähe des Katalysatorbetts angeordnet ist. Der Betrieb des Reaktors bei sehr hoher Temperatur – beispielsweise eine Temperatur von mehr als 800°C – wird von Takahashi et al. nicht beschrieben. Zwischen dem Rohrreaktor und dem keramischen Auskleidungsrohre befindet sich ein Spalt, der mit Heliumgas gespült wird. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass keine Druckunterschiede zwischen dem Außen- und Innenbereich des keramischen Rohreinlegers auftreten.
Die Verwendung von Temperaturprofilen und Heizzonen in Verbindung mit Laborreaktoren ist bekannt. In der US 7,118,917 , die den 07.03.2001 als Prioritätsdatum beansprucht, wird von Bergh et al. eine Versuchsapparatur mit vier oder mehr parallel angeordneten Reaktoren beschrieben und beansprucht. Es wird (in Spalte 7, Zeilen 28–29) beschrieben, dass die Heizelemente je nach Reaktion im Temperaturbereich von 50 bis 1500°C betrieben werden können.
Als weiteres Beispiel für die Verwendung von Rohr-in-Rohrreaktoren ist die PCT-Anmeldung WO02/092219A1 von Peter van den Brink et al. (als Prioritätsdatum wird der 11.05.2001 beansprucht). In der WO02/092219A1 werden Einsteckreaktoren offenbart, die parallel angeordnet sind. Es werden lediglich Experimente offenbart, die bei geringen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen unterhalb von 500°C, durchgeführt werden. Die Reaktoren weisen keine Temperatursensoren im inneren auf.
Auch ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Positionierung von Temperaturfühlern in der Schüttung von Festbettreaktoren bei der Durchführung von Experimenten in Strömungsreaktionen nützlich ist. Beispielsweise werden von Eichler et al. in der PCT-Anmeldung WO 2009/003616 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung von Feststoffkatalysatoren beschrieben und beansprucht, in denen sich im Katalysatorbett ein Temperaturfühler angeordnet ist. In der Beschreibung wird angegeben, dass die erfindungsgemäßen Reaktoren im in einem Temperaturbereich von 50 bis 800°C eingesetzt werden. Bevorzugt ist es jedoch, diese bei niedrigeren Temperaturen einzusetzen, die dann im Bereich von 100–600°C liegen.
Zu den Anforderungen, die an derartige Versuchsreaktoren zur Untersuchung katalysierter Reaktionen gestellt werden, gehört es, dass diese sowohl in einer adiabaten als auch in einer isothermen Betriebsweise genutzt werden können. Um einen derartigen Versuchsreaktor in der adiabaten oder isothermen Fahrweise betreiben zu können, muss die Temperatur des Reaktors entlang der Längsachse des Reaktorrohrs regelbar sein. Die Temperierung und Temperaturregelung erfolgt durch ein Reaktorbeheizungssystem, das den Reaktor von außen umgibt und mit der Reaktoraußenwand in Kontakt steht. Durch eine Unterteilung des Reaktorbeheizungssystems in mehrere Heizzonen entlang der Längssachse des Reaktorrohres können Temperaturprofile derart aufgeprägt werden, dass Temperaturänderungen in Folge exothermer Reaktionen (hot-spot) oder Temperaturerniedrigungen in Folge endothermer Reaktionen (cold-spot) ausgeglichen werden.
Eine der Aufgaben, die der Erfindung zugrunde liegt, ist die Entwicklung und Verbesserung einer Vorrichtung zur Untersuchung von Reaktionen, und insbesondere von heterogen katalysierten Reaktoren, im Labormaßstab. Die Genauigkeit von bekannten Vorrichtungen sollte weiter verbessert werden. Insbesondere sollte die Vorrichtung für die Untersuchung von endothermen Reaktionen bei hohen Temperaturen geeignet sein. Insbesondere war es gewünscht, die Reaktionen bei Temperaturen von ≥ 1000°C und bei Drücken im Bereich bis 50 bar vornehmen zu können. Die Aufgabe ist es auch, eine Vorrichtung zur Untersuchung von heterogen katalysierten Reaktionen im Miniplantmaßstab bereitzustellen, die in einem großtechnischen Prozess zu erwartenden Bedingungen möglichst großer Ähnlichkeit abbildet.
Die hier genannten und weiteren hier nicht genannte Aufgaben können dadurch gelöst werden, dass eine Vorrichtung zur Durchführung von Gasphasenreaktionen und heterogen katalysierter Reaktionen bereitgestellt wird, welche eine durchströmbare Reaktionskammer mit zumindest einer Thermohülse (2), eine drucktragende Hülle (1) und eine Isoliermanschette (3) umfasst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass

a) die Reaktionskammer eine Länge im Bereich von 10–600 cm, vorzugsweise 20–350 cm, weiter vorzugsweise 50–250 cm, und eine Strömungsquerschnittsfläche im Bereich von 0,2–80 cm², vorzugsweise von 0,4–40 cm², weiter vorzugsweise von 0,8–20 cm² aufweist;
b) die Längsachse der Thermohülse (2) und die Längsachse der Reaktionskammer parallel angeordnet sind, wobei der Endpunkt der Thermohülse (2) im Bereich des unteren Endes der Reaktionskammer positioniert ist, und für den Fall, dass die Reaktionskammer eine Katalysatoraufnahme (5) aufweist, ist der Abstand zwischen dem Ende der Thermohülse (2) und der Katalysatoraufnahme (5) ≤ 10 cm ist, vorzugsweise ist der Abstand ≤ 5 cm, weiter vorzugsweise ≤ 2 cm, insbesondere bevorzugt ist das Ende der Thermohülse (2) in Kontakt mit der Katalysatoraufnahme (5) oder der untere Teil der Thermohülse (2) verläuft durch die Katalysatoraufnahme (5);
c) die Isoliermanschette (3) zumindest einen Mantelheizleiter (4) umfasst, der in direktem Kontakt mit der Außenwand der drucktragenden Hülle (1) steht, wobei der oder die Mantelheizleiter (4) bei Temperaturen ≥ 500°C, vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 600°C, weiter vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 800°C, insbesondere vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 1000°C, darüber hinaus bevorzugt bei Temperaturen bis 1150°C, verwendbar ist;
d) der die drucktragenden Hülle (1) umschließende Mantelheizleiter (4) bildet zumindest eine Heizzone entlang der Längsachse der Reaktionskammer; vorzugsweise zwei oder mehr Mantelheizleiter (4) bilden eine oder mehrere Heizzonen;
e) jede Heizzone entlang der Wand der drucktragenden Hülle (1) steht mit je einem Thermosensor in Wirkverbindung.

Zu den Thermosensoren, die entlang der Wand der drucktragenden Hülle angeordnet sind, ist zu sagen, dass diese auch als einfach Thermoelemente ausgestaltet sein können, die nicht notwendigerweise in einer Thermohülse angeordnet sein müssen, es ist ausschließlich ein ausreichend guter thermischer Kontakt zwischen dem Temperaturfühler und der drucktragenden Hülle gewünscht. Die Thermosensoren sind zur Kontrolle beziehungsweise der Regelung der Temperatur der Mantelheizleiter vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die drucktragende Hülle (1) von einer Pluralität von Mantelheizleitern (4) umgeben, die Anzahl der Mantelheizleiter (4) ist im Bereich 2–40, vorzugsweise im Bereich 4–20, weiter vorzugsweise im Bereich 5–15, wobei die Mantelheizleiter (4) vorzugsweise entlang der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet sind und in direktem Kontakt mit der Außenwand der drucktragenden Hülle (1) stehen. Die Anzahl der Mantelheizleiter, die durch die vorliegenden Angaben nicht eingeschränkt wird, hängt auch von der Länge der jeweiligen Reaktionskammer ab. Dies bedeutet, dass bei einem kürzeren Reaktor die Anzahl der Mantelheizleiter geringer ist als bei einer länger ist als bei einem längeren Reaktor.
Der flächenspezifische Leistungseintrag, im Weiteren Leistungsdichte genannt, ist oberhalb 850°C für Strahlungsheizkörper und Kontaktheizung mittels Mantelheizleitern vergleichbar groß. Die räumliche Verteilung der Leistungsdichte ist jedoch mittels einer Kontaktheizung in ihrer räumlichen Wirkung besser kontrollierbar, als bei einer Strahlungsbeheizung. Daher kann mittels einer Kontaktheizung die axiale Leistungsverteilung feiner verteilt werden als mit Strahlungskörper und mithin das Temperaturprofil, welches durch den Leistungseintrag der chemischen Reaktion verursacht wird präziser ausgeglichen werden. Es erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst somit auch die das Element der Kontaktheizung, das verbesserte Effekte liefert, was die Genauigkeit der Ansteuerung der einzelnen Temperaturzonen betrifft.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform enthält die in der Reaktionskammer angeordnete Thermohülse (2) ein metallisches Material, Quarzglas und/oder ein keramisches Material, vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Zirkoniumoxid, wobei es bevorzugt ist, dass die Thermohülse (2) ein mehrfach Temperaturmesssensor mit einer Pluralität von Temperaturmessstellen enthält und dass die Temperaturmessstellen an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet sind; im Fall des Vorliegens von Temperatursensoren auf der Basis von Thermoelementen ist die Anzahl der Temperaturmessstellen vorzugsweise im Bereich von 3–30, weiter vorzugsweise im Bereich von 5–20, Andere punktuell messenden Temperatursensoren sollen durch den Begriff Thermoelement nicht ausgeschlossen werden, insbesondere sollen unter Thermoelement auch Widerstandssensoren eingeschlossen sein. Im Fall des Vorliegens eines faseroptischen Sensorsystems kann die Anzahl der Temperaturmessstellen im Bereich von 1–100 liegen. In Bezug auf faseroptische Sensorsystem ist festzustellen, dass diese in der Anzahl der Temperaturmessstellen auch noch mehr Messstellen als 100 aufweisen können. Zu beachten ist, dass es in der Regel nicht erforderlich ist, mehr als 100 Messstellen entlang der Längsachse des Reaktorsystems anzuordnen. Darüber hinaus unterliegen faseroptische Messsensoren einer Beschränkung, was die obere Temperaturgrenze betrifft. Die ober Temperaturgrenze in Verbindung mit faseroptischen Sensoren liegt bei 800°C. Die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit faseroptischen Sensoren weist dann einen Betriebsbereich auf, der nur bis zu Temperaturen von 800°C geeignet ist und somit etwas niedriger liegt als der Betriebsbereich bei einer entsprechenden Vorrichtung, die mit Thermoelementen ausgestattet ist. Der faseroptische Temperatursensor ist als Beispiel für einen örtlich hochauflösenden und das Mehrfachthermoelement als ein Temperatursensor mit mäßig hoher örtlicher Auflösung genannt. Hier soll auch jede andere Temperaturmesseinrichtung mit örtlicher Auflösung eingeschlossen sein.
Darüber hinaus ist eine Ausführungsform der Vorrichtung bevorzugt, bei der in der drucktragenden Hülle (1) ein Auskleidungsrohr (8) angeordnet ist, das die Reaktionskammer umhüllt, vorzugsweise befindet sich zwischen der Innenwand der drucktragenden Hülle (1) und der Außenwand des Auskleidungsrohrs s (8) ein Spalt mit einer Spaltweite im Bereich von 0,1– 5 mm, vorzugsweise von 0,5–4 mm. Vorzugsweise umfasst das Auskleidungsrohr (8) ein Material aus der Gruppe Quarzglas, keramisches Material und/oder metallische Legierung, weiter vorzugsweise umfasst das Auskleidungsrohr (8) ein Material aus der Gruppe ferritischer Eisen-Chrom-Aluminium-Stahl mit Molybdänium, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und/oder Zirkoniumoxid.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Rohrreaktor beziehungsweise die drucktragenden Hülle (1) aus einem metallischen Werkstoff. Bei dieser Ausführungsform mit metallischem Rohrreaktor ist es noch weiter bevorzugt, dass die Innenseite des Rohrreaktors beziehungsweise der drucktragenden Hülle (1), welche in die Richtung Reaktionskammer zeigt, mit einer keramischen Passivschicht, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid, überzogen sein.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zusätzlich zur Thermohülse (2) eine Thermohülse (7) aufweist, wobei die Thermohülse (7) mit der Innenwand der druckaufnehmenden Hülle (1) und/oder dem Auskleidungsrohr (8) in Wirkverbindung steht. Die Thermohülse (7) weist einen direkten physikalischen Kontakt mit der druckaufnehmenden Hülle (1) und/oder dem Auskleidungsrohr (8) auf, um die Temperatur in diesem Bereich der Vorrichtung zu bestimmen.
Bezüglich der Dichtungselemente ist festzustellen, dass vorzugsweise zwischen dem Auskleidungsrohr (8) und der drucktragender Hülle (1) ein oder mehrere Dichtungsringe angeordnet sind – beispielsweise die in 3 gezeigten Dichtungsringe 1 und 2 mit den Bezugszeichen (16) und (17). Falls ein Dichtungsring vorhanden ist, dann vorzugsweise gemäß der Darstellung in 3 am oberen Ende des Auskleidungsrohrs (8). Falls zwei Dichtungsringe vorhanden sind, dann sowohl am oberen als auch am unteren Ende des Auskleidungsrohrs (8). Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die drucktragende Hülle unterhalb der Dichtungsringe (16) beziehungsweise (17) im oberen Bereich des Auskleidungsrohrs (8) eine Inertgaszufuhr (9) und/oder oberhalb der Dichtungsringe (16) beziehungsweise (17) am oberen Einsatz eine Eduktfluidzufuhr (6) aufweist.
Vorzugsweise ist der Reaktionskammer eine Vorheizkammer vorgeschaltet. Sowohl die Reaktionskammer als auch die Vorheizkammer sind von der drucktragenden Hülle (1) umgeben; dabei ist es bevorzugt, dass die Länge der Vorheizzone L_V und die Länge der Reaktionskammer L_R in einem Verhältnis stehen, das im Bereich von 10:1 bis 0,5:1 liegt, weiter vorzugsweise liegt das Verhältnis L_V/L_R im Bereich von 4:1 bis 1:1. Der Bereich der Vorheizzone ist in der 1 mit a1 gekennzeichnet. der Bereich der Reaktionszone ist in 1 mit a2 gekennzeichnet.
Bevorzugt ist auch eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl der die Reaktionskammer umschließenden Mantelheizleiter (4) ≥ 2 ist, und die Anzahl der die Vorheizkammer umschließenden Mantelheizleiter (4) ≥ 2 ist.
Im Hinblick auf das Verschlusssystem der Reaktionskammer ist zunächst festzustellen, dass dieses alle dem Fachmann bekannten Verschlüsse umfassen kann. Zu diesen Verschlüssen zählen beispielsweise Verschlüsse durch Verschweißen, Kegelgewinde mit Dichtpackung, selbstdichtende Kegelgewinde (beispielsweise NPT-Gewinde oder Gewindenorm nach Withworth) und/oder Flanschanschlüsse (14). In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die drucktragende Hülle (1) mit Flanschanschlüssen (14) verschlossen wird, vorzugsweise am oberen Ende und/oder am unteren Ende der drucktragenden Hülle (1).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende der drucktragenden Hülle (1) ein Kühlfinger (20) angeordnet ist, vorzugsweise ist die Spitze des Kühlfingers (15) in den unteren Bereich der drucktragenden Hülle (1) beziehungsweise in den unteren Bereich des Auskleidungsrohrs (8) eingelassen; hierbei ist es bevorzugt, dass zwischen dem oberen Ende des Kühlfingers (15) und der Reaktionskammer die Katalysatoraufnahme (5) befindet; bei der Katalysatoraufnahme (5) handelt es sich vorzugsweise um einen Katalysatorstuhl, weiter vorzugsweise umfasst der Katalysatorstuhl einen porösen Leichtstein aus Feuerfestmaterial oder einer Fritte aus einem keramischen Material, vorzugsweise Aluminiumoxid. Es wird festgestellt, dass mit Hilfe des Kühlfingers auch Fluide in die Reaktionskammer geleitet werden können, um die Reaktionskammer zu kühlen. Als Beispiele für solche Kühlfluide sind Wasser oder Stickstoff zu nennen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in der Beschreibung und den Ansprüchen dargestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst unter der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die nachfolgend genannten Schritte:

i) Aufheizen einer Reaktionskammer auf eine Temperatur im Bereich von 700–1150°C, vorzugsweise von 900–1120°C, weiter vorzugweise von 950–1110°C, insbesondere vorzugsweise von 1000–1100°C;
ii) Zufuhr eines Eduktfluids in Reaktionskammer und kontaktieren des Eduktfluids mit einem Feststoffkatalysator oder einem Katalysator auf einem Wabenkörper;
iii) Ableitung des Produktfluidstroms.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in einer Ausführungsform durchgeführt werden, bei der während der Durchführung des Verfahrens kein Katalysator im Reaktor vorhanden ist. Der Katalysatorstuhl ist bei dieser Ausführungsform als Einschub ausgelegt und dient dabei nicht als Ablage für den Katalysator. Bei der Durchführung des Verfahrensschritts ii) in einer abgewandelten Form werden die Edukte ohne Katalysator zur Reaktion gebracht. Der Einschub dient beispielsweise der Begrenzung des unteren Bereichs der Reaktionskammer. Von Bedeutung ist jedoch, dass die Temperatur des Produktfluidstroms auch mittels einer sehr hohen Abkühlrate in kurzer Zeit erniedrigt werden kann (Quench-Kühlung).
In einer bevorzugten Ausführung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Druck im Bereich von 1 bis 100 bar durchgeführt wird, vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 10 bis 100 bar, insbesondere vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 15 bis 75 bar, darüber hinaus bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 25 bis 65 bar.
Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und/oder Inertgas, weiter vorzugsweise Helium, Argon und/oder Stickstoff, in den Spalt zwischen drucktragender Hülle und Auskleidungsrohr eingeleitet wird. Die Zufuhr des Inertgases erfolgt durch die Inertgaszufuhr (9).
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Verfahrens das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Reaktionskammer aufgenommen wird, vorzugsweise wird das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Vorheizkammer und der Reaktionskammer aufgenommen. Die Aufnahme des Temperaturprofils erfolgt innerhalb der Katalysatorschüttung mittels der Thermohülse mit mehrfach Thermosensor (2) und/oder mittels Thermohülse mit mehrfach Thermosensor (7) entlang der Innenwand der drucktragenden Hülle (1) beziehungsweise entlang der Innenwand des Auskleidungsrohrs (8). Hierbei ist es bevorzugt, dass die Aufnahme des Temperaturprofils mit einer Regelung der einzelnen Mantelheizleiter (4) gekoppelt ist. Die Kopplung erfolgt dadurch, dass die Signale der einzelnen Thermosensoren jeweils demjenigen Regler zugeführt wird, der in thermischem Kontakt dem jeweiligen Mantelheizleiter (4) steht. Die Regler können als PLC ausgeführt sein. Es ist somit auch möglich, dass die Vorrichtung nur die Thermohülse mit mehrfach Thermosensor (7) aufweist. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Vorrichtung die Thermohülse (2) und die Thermohülse (7) aufweist, die jeweils mit mehrfach Thermosensor versehen sind. Thermosensor und Heizung stehen in thermischem Kontakt, wobei der Regelkreis über einen Regler geschlossen wird, so dass der jeder Regler jeweils einen eindeutigen Istwerte erhält.
Darüber hinaus ist das Verfahren das Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Produktfluidstrom über einen Kühlfinger (20) geleitet wird und die Abkühlrate des Produktfluidstroms im Bereich von 100–10000 K/Sekunde liegt, vorzugsweise liegt die Abkühlrate im Bereich von 200–5000 K/Sekunde, weiter vorzugsweise liegt die Abkühlrate im Bereich 500–2000 K/Sekunde.
Besonders vorteilhaft ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren eine Reaktion aus der Gruppe Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, Reverse-Water-Gas-Shift Reaktion, Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Dampfreformierung von Erdgas, Trockenreformierung von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Trockenreformierung von Erdgas, Dampfcracken von Kohlenwasserstoffen, Vergasung von Kohlen und Biomassen.
Detaillierte Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation von großtechnischen Prozessen im Labormaßstab beziehungsweise im Miniplantmaßstab. Um die Größe von Labormaßstab beziehungsweise Miniplantmaßstab näher zu beschreiben, sei auf den Strömungsquerschnitt der durchströmbaren Reaktionskammer hingewiesen, der in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung genannt wurde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Katalysatorfassungsvermögen auf, das im Bereich von 1 bis 2000 cm³, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 1000 cm³, weiter vorzugsweise im Bereich von 10 bis 250 cm³ liegt. Diese lässt erkennen, dass zur genauen Simulation von großtechnischen Reaktionsbedingungen auch bestimmte Mindestmengen an Katalysator notwendig sind. Weiterhin ist jedoch auch zu beachten, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Produktionsproben untersucht werden können, die zum Teil auch eine gewisse Probenheterogenität aufweisen. Die Probenheterogenität ist eine Eigenschaft, die die Untersuchung von Kleinmengen an Proben, beispielsweise im Bereich von wenigen Gramm oder Milligramm zu Störungen führen kann.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch Wabenkörper getestet werden. Auf den Wabenkörper ist ein Katalysator aufgebracht.
Weiterhin ist festzustellen, dass sich das erfindungsgemäße Vorrichtung auf Untersuchungen von katalysierten Reaktion bezieht, deren GHSV in einem Bereich von 250 bis 100.000 h^–1 liegt, vorzugsweise liegt die GHSV in einem Bereich von 500 bis 50.000 h^–1.
Der Begriff drucktragende Hülle (1) im Sinne der vorliegenden Offenbarung bedeutet, dass es sich um ein druckbeständiges verschließbares Gehäuse handelt, das einen Bereich zur Aufnahme eines Katalysatorbetts aufweist und das mit Eduktfluid durchströmt werden kann. Vorzugweise handelt es sich hierbei um ein Reaktionsrohr, das dann ebenso mit dem Bezugszeichen (1) gekennzeichnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die drucktragende Hülle (1) aus einem hitzebeständigen Werkstoff und insbesondere bevorzugt aus speziellen hitzebeständigen Legierungen also beispielsweise Eisen- oder Nickelbasislegierungen. Geeignete Legierungen und Stähle, die als Material für die Herstellung der drucktragenden Hülle eingesetzt werden, sind beispielsweise durch die Werkstoffnummer 1.4876, 1.4852, 2.4816 oder 2.4633 gegeben. Die Werkstoffe, die besonders bevorzug sind, weisen auch bei T > 1100°C eine für den Bau eines Druckrohres ausreichende Zeitstandsfestigkeit auf. Jedoch muss der Kontakt mit dem üblicherweise reduzierenden und aufkohlenden Reaktionsgemisch verhindert werden, auch um eine gewisse Blindaktivität durch das Reaktormaterial in Abhängigkeit der Prozessparameter zu unterbinden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die drucktragende Hülle (1) mit einem Beheizungssystem kombiniert, das zumindest einen Mantelheizleiter (4) aufweist. In Verbindung mit der Verwendung der Mantelheizleiter (4) wird eine besonders effiziente Temperierung des Innenraums der drucktragenden Hülle (1) erreicht. Durch die technische Spezifikationen der Hersteller von Mantelheizleitern war in keiner Weise davon auszugehen, dass die Mantelheizleiter auch bei Temperaturen von ≥ 1000°C für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Eignung aufweisen würden. Somit war es völlig überraschend, dass die Aufgabe mit Mantelheizleitern und nicht mit Strahlungsheizern gelöst wurde. Überaschenderweise wurde auch herausgefunden, dass handelsübliche Mantelheizleiter (besonders bevorzugt ist beispielsweise ein Mantelheizleiter von der Firma Thermosys) eingesetzt werden können, um die Außenwand der drucktragenden Hülle (1) bis 1100°C zu heizen.
Das Beheizungssystem umfasst die Mantelheizleiter (4) und eine Isolationsschicht (3), die einen Wärmeabfluss in die Umgebung unterdrückt beziehungsweise gering hält. Als besonders geeignet erwiesen hat sich hierbei eine Wärmedämmung aus einer Glasfasermatte beziehungsweise eine Mineralfasermatte (beispielsweise eine Keramikfasermatte, die unter dem Handelsnamen Promaglaf HTI 1200 erhältlich ist). Die Wärmedämmung sollte eine Mindestdicke von ≥ 15 mm betragen, bevorzugt ist eine Mindestdicke von ≥ 25 mm, darüber hinaus bevorzugt ist eine Mindestdicke von ≥ 30 mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aufgrund der Bauelemente sehr vorteilhaft zu bedienen, was den Einbau und den Ausbau des Katalysators betrifft, da die Wärmedämmung nach Beendigung der Untersuchung schnell abgekühlt werden kann und sich die Handhabbarkeit einfach und flexibel gestaltet. Auch ist der Austausch von defekten Mantelheizleitern (4) schnell und einfach möglich. Demzufolge bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gute Handhabbarkeit.
Durch die Nutzung von einer Pluralität von Mantelheizleitern (4) war es außerdem möglich, die Heizbereiche in einzelne Segmente zu unterteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Bereich der Reaktionskammer und der Bereich der Vorheizkammer eine Vielzahl von Mantelheizleitern auf. In der 1 ist der Bereich des Reaktionsraums mit a2 gekennzeichnet, der Bereich der Vorheizzone ist mit a1 gekennzeichnet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die Segmentierung mit einer Vielzahl von Heizleitern (4) eine ganz gezielte Temperierung von einzelnen Bereichen und Unterbereichen des Reaktionsraums beziehungsweise auch des Vorheizraums. Vorteile der Verwendung von Mantelheizleitern (4) sind somit, dass diese eine sehr feine Unterteilung und eine scharfe Abgrenzung der Heizzonen erlauben.
Der direkte Kontakt des Mantelheizleiters (4) mit der Wand der drucktragenden Hülle (1) ist besonders vorteilhaft, was den Wärmeeintrag in den Reaktionsraum betrifft. Wärmetransportwiderstände werden dabei gering gehalten. Somit kann auch die Temperatur des Reaktionsraumes gut geregelt oder gesteuert werden und dadurch natürlich auch die Temperatur innerhalb des Katalysatorfestbetts. Bevorzugt ist, dass die Heizleiter der Mantelheizleiter (4) in Nuten entlang der Außenwand der drucktragendenden Hülle (1) eingebettet sind, vorzugsweise spiralförmig angeordnete Nuten, weiter vorzugweise ist die Nutbreite 2 mm und die Nuttiefe 2 mm.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist auch, dass das verbesserte Beheizungssystem mit präzise positionierten Thermosensoren gekoppelt vorliegt. Hierdurch ist es möglich, die Temperatur in dem gesamten Bereich aus Reaktionskammer zu überwachen und vorzugsweise auch zu regeln. Die Thermosensoren befinden sich in der Thermohülse. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Thermohülse (2) auf, die mit der Längsachse der Thermohülse (2) in Richtung der Längsachse des Reaktionsraums angeordnet ist. Die Thermohülse (2) umfasst zumindest zwei Thermosensoren beziehungsweise mehrfach Thermosensoren. Vorzugsweise weist die Thermohülse (2) einen keramischen Mantel auf. Für den Fall, dass die Vorrichtung mit einem Auskleidungsrohr (8) ausgestattet ist, ist in einer weiter bevorzugten Ausführungsform auch in die Wand des Auskleidungsrohrs eine Thermohülse (7) eingelassen. Die Einbringung der Thermohülse (7) in der Wand erfolgt durch die Anbringung einer entsprechenden Bohrung, in der die Thermohülse (7) eingesetzt wird. Bei einem Thermoelement handelt es sich um ein Sensorelement, mit dem die Temperatur bestimmt wird. Daher werden die Begriffe Thermoelement und Sensor beziehungsweise Temperatursensor im vorliegenden Fall als gleichwertig verwendet.
Vorzugsweise durchläuft die Thermohülse (2) den Reaktionsraum nahezu vollständig. Der Abstand des Endes der Thermohülse und der Katalysatoraufnahme ist gering beziehungsweise stehen die Thermohülse (2) und die Katalysatoraufnahme in direktem physikalischem Kontakt. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Thermohülse auch durch den Innenbereich des Katalysatorstuhls (5) und durch den Kühlfinger (20) verläuft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl für die adiabate Reaktionsführung als auch für die isotherme Reaktionsführung eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist die Temperatur entlang der Reaktorwand regelbar.

• In der isothermen Betriebsweise in der Katalysatorschüttung, wird das Temperaturprofil entlang der Längsachse derart angepasst, dass eine Temperaturerhöhung in der Schüttung durch Wärmeentwicklung respektive Temperaturerniedrigung durch Wämeverbrauch als Folge der chemischen Umsetzung ausgeglichen wird.
• In (quasi)adiabaten Betriebsweise muss das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Reaktorwand konstant gehalten werden. In dieser Betriebsweise dominiert die freigesetzte bzw. die konsumierte Leistung der chemischen Reaktion das radiale Wärmeleitungsvermögen der Schüttung weitgehend, sodass die Wandtemperatur keinen wesentlichen Einfluss auf die Temperatur in der Schüttung ausübt.

In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Vorheizstrecke. Vorzugsweise ist die Vorheizstrecke dem Reaktionsraum vorgestaltet.

• In der Vorheizstrecke muss die Wandtemperatur so hoch gewählt werden, dass das zuströmende Gas die Temperatur des Reaktors mit einer Abweichung von 5 K bevorzugt 10 K weiterhin bevorzugt 40 K annimmt. Einfluss auf die Temperaturerhöhung ist durch die jeweiligen Prozessparameter gegeben, die durch die Strömungsgeschwindigkeit, die Größe der Wärmeaustauscherfläche und den Strömungsregime bestimmt werden. Die Strömung kann laminar oder turbulent erfolgen. Ein turbulenter Strömungsverlauf ist bevorzugt, wobei dieser auch durch Wirbel erzeugende Element erzeugt beziehungsweise verstärkt werden kann. Vorzugweise ist im Innenraum der drucktragenden Hülle (1) ein Auskleidungsrohr (8) angeordnet, das aus einem keramischen Material besteht. Dadurch können auch Reaktionen untersucht werden, die aufgrund der mangelhaften chemischen Resistenz des Materials nicht in einem Metallreaktor getestet werden. Des Weiteren können Blindaktivitäten durch den Metallreaktor in Abhängigkeit der Prozessparameter unterbunden werden.

In einer anderen Ausgestaltung ist die zum Reaktionsraum gerichtete Innenseite des Metallreaktors mit einer Passivschicht aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid beschichtet. Dadurch wird eine chemische Resistenz gegen die Reaktionsfluide erreicht und Blindaktivität in Abhängigkeit der Prozessparameter unterbunden.
Ein Vorteil ist es auch, dass das Auskleidungsrohr (8) selbst nicht aus einem druckresistenten Material bestehen muss.
Zum Auskleidungsrohr (8) ist zu sagen, dass dieses im Innenraum der drucktragenden Hülle (1) angeordnet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Auskleidungsrohr (8) auf, das aus Keramik (Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumcarbid) oder aus Quarzglas besteht und das in die drucktragende Hülle eingesetzt wird. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Auskleidungsrohrs (8) etwas kleiner als der Innendurchmesser der drucktragenden Hülle (1), so dass ein Spalt zwischen dem Auskleidungsrohr (8) und der drucktragenden Hülle (1) entsteht. Vorzugsweise hat der Spalt eine Größe im Bereich von 0,1 bis 5 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 4 mm. Vorzugsweise ist das Auskleidungsrohr (8) mechanisch im Innenraum der drucktragenden Hülle fixiert. Vorzugsweise wird Inertgas durch den Spalt geleitet, insbesondere ist Helium, Argon oder Stickstoff bevorzugt. Durch die Spülung des Spalts mit Inertgas wird eine Rückvermischung von Reaktionsfluid in den Spalt und ein Medienkontakt im heißen Abschnitt des Druckrohres verhindert. Das Metallrohr beziehungsweise die drucktragende Hülle (1) hat nur Kontakt mit Inertgas, Blindaktivitäten und chemische Zerstörung der drucktragenden Hülle wird unterbunden. Durch die Wahl des Inertgases kann der Wärmeübertrag zwischen der drucktragenden Hülle (1) und dem Auskleidungsrohr (8) optimiert werden, jedoch bedingt diese Bauweise einen signifikanten Wärmetransportwiderstand zwischen dem Druckrohr und dem Reaktionsraum. Die Fixierung des Auskleidungsrohrs (8) kann durch eine Auflage auf einer Halterung erfolgen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Auskleidungsrohr (8) gegenüber dem drucktragenden Rohr (1) an einer Seite abgedichtet ist. Vorzugweise an der oberen Seite durch Dichtungselemente und weiter vorzugsweise handelt es sich bei den Dichtungselementen um O-Ringe oder Klemmringe. Vorzugsweise ist das obere Ende des Auskleidungsrohrs (8) mit zwei O-Ringen oder Klemmringen gegenüber dem drucktragenden Rohr (1) abgedichtet. Beispielhaft für die Abdichtung der drucktragenden Hülle (1) und dem Auskleidungsrohr (8) sind die Dichtungsringe 1 und 2 mit den Bezugszeichen (16) und (17) gegeben.
In dem Fall, bei dem die obere und untere Seite des Auskleidungsrohrs (8) mit O-Ringen oder Klemmringen abgedichtet sind, wird das Spülgas oben in den Spalt eingeführt und unten wieder abgeführt. Der Druck in dem Spalt muss auf den Druck im Reaktionsraum eingestellt werden, da keine Kommunikation zwischen Spalt und Reaktionsraum stattfindet.
In dem Fall, bei dem nur die obere Seite des Auskleidungsrohrs mit O-Ringen oder Klemmringen abgedichtet ist, wird das Spülgas oben in den Spalt eingeführt und unten mit dem Prozessfluid aus der Reaktionskammer vermischt. Der Druck in dem Spalt ist durch die mögliche fluidische Kommunikation mit dem Reaktionsraum gleich dem Druck im Reaktionsraum. Das Auskleidungsrohr (8) wird in der drucktragenden Hülle (1) drucklos gelagert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Reaktionskammer eine Vorheizkammer vorgeschaltet. Dabei ist es auch bevorzugt, dass die Vorheizkammer und die Reaktionskammer in der drucktragenden Hülle (1) angeordnet sind. Beziehungsweise innerhalb des Auskleidungsrohrs (8) für den Fall, dass in der drucktragenden Hülle (1) ein Auskleidungsrohr (8) angeordnet ist. Durch die Vorheizkammer werden die Temperaturen der Eduktfluide erhöht, bevor diese über den Katalysator geleitet werden. Vorzugsweise ist die Vorheizkammer mit einem Füllmaterial bestückt, um eine gute Wärmeübertragung auf das Eduktfluid zu ermöglichen. Als Füllmaterial eignen sich Materialien, die katalytisch inaktiv sind und somit selbst keine Reaktion mit dem Eduktfluid eingehen.
Vorzugsweise weist die Vorheizkammer eine bestimmte Mindestlänge auf, die in Bezug auf die Länge der Reaktionskammer angegeben werden kann. Die Länge der Vorheizzone ist jedoch auch an die jeweiligen experimentellen Parameter anzupassen, die bei der Verwendung der Vorrichtung eingesetzt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Kühlfinger (20) ausgestattet, durch den es in sehr effizienter Weise möglich ist, die Temperatur der Produktfluide innerhalb kürzester Zeit zu erniedrigen, um eine Weiterreaktion der Produktfluide zu verhindern. Der Kühlfinger (20) befindet sich am unteren Ende der Vorrichtung. Vorzugsweise ist die Spitze des Kühlfingers (15) im unteren Teil der drucktragenden Hülle (1) beziehungsweise im unteren Teil des Auskleidungsrohres (8) eingeführt. Vorzugsweise wird der Kühlfinger (20) mit einem flüssigen Wärmeträger durchspült, um den Produfluidstrom zu Quenchen. In einer weiteren Ausführungsform wird über den Kühlfinger (20) ein Kühlfluid in den Reaktionsraum eingetragen und der Produktfluidstrom gequencht. Das Kühlfluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. In den Figuren sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen das Ende des Kühlfingers (15) direkt mit dem Katalysatorstuhl (5) beziehungsweise der Katalysatoraufnahme (5) in Kontakt steht. Als Katalysatoraufnahme (5) wurde in diesem Fall ein Feuerleichtstein mit guten wärmedämmenden Eigenschaften eingesetzt wurde. Im vorliegenden Fall ist der Feuerleichtstein unter dem Handelsnamen PROMATON erhältlich. Der Katalysatorstuhl (5) dient dabei auch zur Entkopplung zwischen dem Hochtemperaturbereich, in dem sich die Katalysatorschüttung befindet, und dem Kühlfinger (20). Die Katalysatoraufnahme (5) kann in einer weiteren Ausgestaltungsform aus einer Fritte aus keramischen Werkstoffen wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliziumcarbid bestehen.
Weitere technische Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Parallelreaktoranlage mit einer Pluralität von parallel geschalteten Reaktoren ausgestaltet sein. Jeder einzelne Reaktor weist die erfindungsgemäßen Merkmale auf. Die Parallelisierung der Vorrichtung kann besonders vorteilhalft sein, um die Untersuchungen in einer zeitsparenden und effizienten Weise durchzuführen. Insbesondere bei einer Kopplung mit Analysengeräten kann die Anordnung von mehreren Reaktoren besondere Vorteile mit sich bringen, was die Genauigkeit der analytischen Daten angeht, da in gleichen Zeiträumen mit den gleichen analytischen Messgeräten Analysen vorgenommen werden.
Zur Illustration der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werde die 1–3 gezeigt, die mögliche Ausgestaltungsformen der Vorrichtung zeigen.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine drucktragender Hülle (1) und Auskleidungsrohr (8) umfasst, wobei im Innenraum des Auskleidungsrohrs (8) eine Vorheizkammer (im Bereich von a1), eine Reaktionskammer (im Bereich von a2) und eine Kühlzone (im Bereich des Kühlfingers (20)) angeordnet sind.
2 zeigt eine Darstellung des unteren Bereichs der Vorrichtung mit dem Übergang von der Reaktionskammer in den Bereich der Kühlzone (d. h. der Bereich des Kühlfingers (20)). Zwischen der Reaktionskammer und Kühlzone ist die Katalysatoraufnahme (5) angeordnet, wobei das Ende des Kühlfingers (15) in direktem Kontakt mit der Katalysatoraufnahme (5) steht.
3 zeigt eine schematische des oberen Bereichs der Vorrichtung mit dem Flanschanschluss (14), der die drucktragende Hülle (1) verschließt. Der Flanschanschluss (14) weist zwei Durchführungen auf, durch die die Thermohülsen (7) und (2) in den Innenbereich der Vorrichtung geführt werden.
Bezugszeichenliste

1: drucktragende Hülle
2: Thermohülse mit mehrfach Thermoelement
3: Isoliermanschette, die Teilbereich des Beheizungssystems darstellt
4: Mantelheizleiter
5: Katalysatoraufnahme
6: Eduktfluidzufuhr
7: Thermohülse von Auskleidungsrohr mit mehrfach Thermoelement
8: Auskleidungsrohr
9: Inertgaszufuhr
11: Produktfluidabfuhr
13: Flanschanschluss mit Durchführung für Kühlfinger
14: Flanschanschluss mit Durchführung für Thermohülsen
15: oberes Ende des Kühlfingers
16: Dichtring 1
17: Dichtring 2
18: Isolation
20: Kühlfinger
21: Zufuhr für Kühlmittel
22: Abfuhr für Kühlmittel
a1: Bereich der Vorheizzone
a2: Bereich der Reaktionszone
a3: Bereich des Kühlfingers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7118917 [0012]
WO 02/092219 A1 [0013, 0013]
WO 2009/003616 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Takahashi et al. (in der Zeitschrift Fuel 102 (2012) S. 239–246) [0011]

Claims

Vorrichtung zur Durchführung von Gasphasenreaktionen oder heterogen katalysierter Reaktionen, welche eine durchströmbare Reaktionskammer mit zumindest einer Thermohülse (2), eine drucktragende Hülle (1) und eine Isoliermanschette (3) umfasst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass a) die Reaktionskammer eine Länge im Bereich von 10–600 cm, vorzugsweise 20–350 cm, weiter vorzugsweise 50–250 cm, und eine Strömungsquerschnittsfläche im Bereich von 0,2–80 cm², vorzugsweise von 0,4–40 cm², weiter vorzugsweise von 0,8–20 cm² aufweist; b) die Längsachse der Thermohülse (2) und die Längsachse der Reaktionskammer parallel angeordnet sind, wobei der Endpunkt der Thermohülse im Bereich des unteren Endes der Reaktionskammer positioniert ist, für den Fall, dass die Reaktionskammer eine Katalysatoraufnahme (5) aufweist, so ist der Abstand zwischen dem Ende der Thermohülse und der Katalysatoraufnahme ≤ 10 cm, vorzugsweise ≤ 5 cm, weiter vorzugsweise ≤ 2 cm, insbesondere bevorzugt ist das Ende der Thermohülse in Kontakt mit der Katalysatoraufnahme (5) oder der untere Teil der Thermohülse verläuft durch die Katalysatoraufnahme (5); c) die Isoliermanschette (3) zumindest einen Mantelheizleiter (4) umfasst, der in direktem Kontakt mit der Außenwand der drucktragenden Hülle (1) steht, wobei Mantelheizleiter bei Temperaturen ≥ 500°C, vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 600°C, weiter vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 800°C, insbesondere vorzugsweise bei Temperaturen ≥ 1000°C, darüber hinaus bevorzugt bei Temperaturen bis 1150°C, verwendbar ist; d) der die drucktragenden Hülle umschließende Mantelheizleiter bildet zumindest eine Heizzone entlang der Längsachse der Reaktionskammer; vorzugsweise zwei oder mehr Mantelheizleiter bilden eine oder mehrere Heizzonen; e) jede Heizzone entlang der Wand der drucktragenden Hülle (1) steht mit je einem Temperatursensor in Wirkverbindung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Durchführung Gasphasenreaktionen oder heterogen katalysierter Reaktionen, welche eine durchströmbare Reaktionskammer mit Thermohülse (2), eine drucktragende Hülle (1) und eine Isoliermanschette (3) umfasst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die drucktragende Hülle von einer Pluralität von Mantelheizleitern (4) umgeben ist, die Anzahl der Mantelheizleiter (4) ist im Bereich von 2–40, vorzugsweise im Bereich von 4–20, weiter vorzugsweise im Bereich von 5–15, und die Mantelheizleiter (4) die entlang der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet sind und in direktem Kontakt mit der Außenwand der drucktragenden Hülle (1) stehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die in der Reaktionskammer angeordnete Thermohülse (2) ein metallisches Material, Quarzglas und/oder ein keramisches Material, vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Zirkoniumoxid enthält, wobei es bevorzugt ist, dass die Thermohülse (2) ein mehrfach Thermoelement mit einer Pluralität von Temperaturmesssensoren enthält und dass die Temperaturmesssensoren an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse der Reaktionskammer angeordnet sind; im Fall des Vorliegens von Temperatursensoren auf der Basis von Thermoelementen ist die Anzahl der Temperaturmessstellen vorzugsweise im Bereich von 3–30, weiter vorzugsweise im Bereich von 5–20, im Fall des Vorliegens eines faseroptischen Sensorsystems kann die Anzahl der Temperaturmesssensoren im Bereich von 1–100 liegen.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in der drucktragenden Hülle (1) ein Auskleidungsrohr (8) angeordnet ist, das die Reaktionskammer umhüllt, vorzugsweise befindet sich zwischen der Innenwand der drucktragenden Hülle (1) und der Außenwand des Auskleidungsrohrs (8) ein Spalt mit einer Spaltweite im Bereich von 0,1–5 mm, vorzugsweise von 0,5–4 mm; vorzugsweise umfasst das Auskleidungsrohr (8) ein Material aus der Gruppe Quarzglas, keramisches Material und/oder metallische Legierung, weiter vorzugsweise umfasst das Auskleidungsrohr (8) ein Material aus der Gruppe ferritischer Eisen-Chrom-Aluminium-Stahl mit Molybdän, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid und/oder Zirkoniumoxid.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Innenraum des Reaktors eine Thermohülse (7) aufweist, die mit der Innenwand der druckaufnehmenden Hülle (1) und/oder dem Auskleidungsrohr (8) in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Reaktionskammer eine Vorheizkammer vorgeschaltet ist und sowohl die Reaktionskammer als auch die Vorheizkammer von der drucktragenden Hülle (1) umgeben sind; dabei ist es bevorzugt, dass die Länge der Vorheizzone L_V und die Länge der Reaktionskammer L_R in einem Verhältnis stehen, das im Bereich von 10:1 bis 0,5:1 liegt, weiter vorzugsweise liegt das Verhältnis L_V/L_R im Bereich von 4:1 bis 1:1.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6, die dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich bei der drucktragenden Hülle (1) um einen aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff oder aus Quarzglas hergestellten Rohrreaktor handelt, der eine Länge im Bereich von 10–600 cm aufweist.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 7, die dadurch gekennzeichnet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl der die Reaktionskammer umschließenden Mantelheizleiter (4) ≥ 2 ist, und die Anzahl der die Vorheizkammer umschließenden Mantelheizleiter (4) ≥ 2 ist.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 8, die dadurch gekennzeichnet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass am unteren Ende der drucktragenden Hülle (1) ein Kühlfinger (20) angeordnet ist, vorzugsweise ist die Spitze des Kühlfingers (15) in den unteren Bereich der drucktragenden Hülle (1) beziehungsweise in den unteren Bereich des Auskleidungsrohrs (8) eingelassen; hierbei ist es bevorzugt, dass zwischen dem oberen Ende des Kühlfingers (15) und der Reaktionskammer die Katalysatoraufnahme (5) befindet; bei der Katalysatoraufnahme (5) handelt es sich vorzugsweise um einen Katalysatorstuhl, weiter vorzugsweise umfasst der Katalysatorstuhl einen porösen Leichtstein aus Feuerfestmaterial oder einer Fritte aus einem keramischen Material, vorzugsweise Aluminiumoxid.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen mittels einer Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte umfasst, i) Aufheizen einer Reaktionskammer auf eine Temperatur im Bereich von 700–1150°C, vorzugsweise von 900–1120°C, weiter vorzugweise von 950–1110°C, insbesondere vorzugsweise von 1000–1100°C; ii) Zufuhr eines Eduktfluids in Reaktionskammer und Inkontaktbringen des Eduktfluids mit einem Feststoffkatalysator oder einem Katalysator auf einem Wabenkörper; iii) Ableitung des Produktfluidstroms.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren bei einem Druck im Bereich von 1 bis 100 bar durchgeführt wird, vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 10 bis 100 bar, insbesondere vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 15 bis 75 bar, darüber hinaus bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 25 bis 65 bar.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen gemäß dem Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Wasserstoff und/oder Inertgas, weiter vorzugsweise Helium, Argon und/oder Stickstoff, in den Spalt zwischen drucktragender Hülle (1) und Auskleidungsrohr (8) eingeleitet wird.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen gemäß einer der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass während der Durchführung des Verfahrens das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Reaktionskammer aufgenommen wird, vorzugsweise wird das Temperaturprofil entlang der Längsachse der Vorheizkammer und der Reaktionskammer aufgenommen; die Aufnahme des Temperaturprofils erfolgt innerhalb der Katalysatorschüttung und/oder entlang der Innenwand der drucktragenden Hülle (1) beziehungsweise entlang der Innenwand des Auskleidungsrohr (8), wobei es bevorzugt ist, dass die Aufnahme des Temperaturprofils mit einer Regelung der einzelnen Mantelheizleiter (4) gekoppelt ist.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen gemäß einer der Ansprüche 12 bis 13, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Produktfluidstrom über einen Kühlfinger (20) geleitet wird und die Abkühlrate des Produktfluidstroms im Bereich von 100–10000 K/Sekunde liegt, vorzugsweise liegt die Abkühlrate im Bereich von 200–5000 K/Sekunde, weiter vorzugsweise liegt die Abkühlrate im Bereich 500–2000 K/Sekunde.
Verfahren zur Untersuchung endothermer Hochtemperaturreaktionen gemäß einer der Ansprüche 10–14, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren eine Reaktion aus der Gruppe Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, Reverse-Water-Gas-Shift Reaktion, Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Dampfreformierung von Erdgas, Trockenreformierung von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Trockenreformierung von Erdgas, Dampfcracken von Kohlenwasserstoffen, Vergasung von Kohlen und Biomassen.