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Die Erfindung betrifft einen Reaktor nach dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors nach Patentanspruch 8.
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Der Umsatz bei chemischen Reaktionen ist durch die Gleichgewichtslage der Reaktion beschränkt. Liegt das chemische Gleichgewicht einer Synthesereaktion nur teilweise auf der Seite der Produkte, führt eine einstufige Reaktionsführung nur zu einem Teilumsatz. Werden dagegen kontinuierlich die Reaktionsprodukte aus dem Reaktor abgeführt, findet im Reaktor ein kontinuierlicher Umsatz von Edukten zu Produkten statt. Zur kontinuierlichen Abfuhr von Reaktionsprodukten können Sorptionsmittel verwendet werden. Diese Sorptionsmittel bilden eine zusätzliche Phase die Selektivprodukte aufnimmt, die dadurch aus dem chemischen Gleichgewicht entfernt werden. Die Sorptionsphase kann mitsamt dem Produkt aus dem Reaktor ausgeschleust werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reaktor bzw. ein Verfahren bereitzustellen, die dafür geeignet sind, gleichgewichtslimitierte Reaktionen unter Verwendung eines Sorptionsmittels durchzuführen und dabei gegenüber den Stand der Technik, die Ausbeute an Reaktionsprodukten zu erhöhen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Reaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Der erfindungsgemäße Reaktor gemäß Patentanspruch 1 weist einen Reaktionsraum auf, wobei am Reaktionsraum eine Zuführvorrichtung für Edukte, eine Zuführvorrichtung für ein Sorptionsmittel sowie eine Ablassvorrichtung für das Sorptionsmittel angeordnet sind. Dabei steht die Ablassvorrichtung in Verbindung mit der Zuführvorrichtung und zwischen der Ablassvorrichtung und der Zuführvorrichtung ist eine Fördervorrichtung zur Rezirkulation des Sorptionsmittels vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Ablassvorrichtung und der Zuführvorrichtung eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Sorptionsmittels angeordnet ist.
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Die Kühlung des Sorptionsmittels bewirkt zum einen, dass einer thermischen Zersetzung des Sorptionsmittels vorgebeugt wird, was wiederum die Auswahl an möglichen Sorptionsmitteln erhöht und den Einsatz effizienterer Sorptionsmittel bei der Reaktion erlaubt. Andererseits wird durch die Kühlung des Sorptionsmittels die Erwärmung im gesamten Reaktionsraum reduziert, was sich positiv auf den Gleichgewichtsumsatz der Reaktion auswirkt.
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Im Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass außerhalb des Reaktionsraumes ein Phasenabscheider zur Trennung des Sorptionsmittels von einem Reaktionsprodukt angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Sorptionsmittel von dem Reaktionsprodukt getrennt werden und dem Prozess wieder zugeführt werden.
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In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls zweckmäßig, dass der Phasenabscheider in Verbindung mit einerseits der Ablassvorrichtung und andererseits in Verbindung mit der Zuführvorrichtung steht.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass eine Rezirkulationsvorrichtung (21) vorgesehen ist, die die Ablassvorrichtung (10), den Phasenabscheider (28), die Kühlvorrichtung (13), die Fördervorrichtung (17) und die Zuführvorrichtung (8) umfasst.
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Ferner ist es zweckmäßig, zur Beschleunigung der Umsetzungsreaktion, im Reaktionsraum einen Katalysatorraum zur Aufnahme eines Katalysators anzuordnen. Der Katalysator sorgt dafür, dass die Reaktion schneller abläuft, er beeinflusst jedoch nicht im Wesentlichen den Gleichgewichtszustand. Reaktionsprodukte, die an der Katalysatoroberfläche stehen, werden vom Sorptionsmittel absorbiert und aus dem Reaktionsraum geführt.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Reaktionsraum den Katalysatorraum und einen Sorptionsraum umfasst. Eine Trennung des Katalysatormaterials vom Sorptionsmittel ist bei vielen Paarungen von Katalysator und Sorptionsmittel zweckmäßig, da beide Stoffe sich bezüglich der Reaktion negativ beeinflussen können.
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Dabei ist es wiederum zweckmäßig, dass der Sorptionsraum und der Katalysatorraum durch ein gasdurchlässiges Element voneinander getrennt sind. Dieses Element ist dabei wiederum zweckmäßigerweise für Flüssigkeiten bzw. für Flüssigkeitstropfen undurchlässig. Auf dieser Weise kann ein gasförmiges Reaktionsprodukt leichter vom Katalysatorraum in den Sorptionsraum gelangen, ohne dass dabei Sorptionsmittel, das in flüssiger Form vorliegt, in den Katalysatorraum gelangen kann. Bei dem Element kann es sich beispielsweise um ein Gewebe, insbesondere ein metallisches Gewebe oder um eine selektive Membran handeln.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors, das zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen dient. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Zunächst werden Edukte in einen Reaktionsraum eingebracht. Im Weiteren wird in diesen Reaktionsraum ebenfalls ein flüssiges Sorptionsmittel eingebracht. Im Weiteren werden die Edukte an einen Katalysator geführt, der ebenfalls im Reaktionsraum angeordnet ist. An einer Katalysatoroberfläche werden diese Reaktionsedukte zu Reaktionsprodukten umgesetzt, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen den Produkten und Edukten einstellt. Dabei werden die Reaktionsprodukte von der Katalysatoroberfläche zum Sorptionsmittel geführt und sie werden von diesen sorbiert, wonach sich das mit den Reaktionsprodukten beladene Sorptionsmittels aus dem Reaktionsraum geleitet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Reaktionsprodukt vom Sorptionsmittel abgeschieden, wonach das Sorptionsmittel zumindest teilweise erneut in den Reaktionsraum eingeleitet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Sorptionsmittel außerhalb des Reaktionsraums gekühlt wird.
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Auch hier besteht wieder der Vorteil, dass durch die Kühlung des Sorptionsmittels die Anzahl der verfügbaren Spezies erhöht wird, andererseits wird durch die Senkung der Temperatur im Reaktionsraum der Gleichgewichtsumsatz positiv beeinflusst.
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Dabei ist es ebenfalls zweckmäßig, dass die Kühlung des Sorptionsmittels nach dem Abscheiden des Reaktionsproduktes vom Sorptionsmittel erfolgt.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei handelt es sich um eine exemplarische Ausgestaltungsform, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellt.
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Dabei zeigt:
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Die einzige Figur einen Reaktor zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen mit einer Zirkulationsvorrichtung für Sorptionsmittel.
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In der Figur ist ein Reaktor 2, der in Form eines Rührkesselreaktors ausgestaltet ist, dargestellt. Der Reaktor 2 umfasst dabei eine Eduktezuführvorrichtung 6 sowie eine Zuführvorrichtung 8 für Sorptionsmittel 9. In einem Reaktionsraum 4 werden dabei Edukte 7 und Sorptionsmittel 9 eingebracht. Der Reaktionsraum 4 umfasst weiterhin einen Katalysatorraum 20, der dazu geeignet ist, einen Katalysator 22 aufzunehmen. Ferner umfasst der Reaktionsraum 4 einen Sorptionsraum 24, in dem sich das Sorptionsmittel 9, bevorzugt tröpfchenförmig befindet und dabei kontinuierlich in Richtung eines unteren Bereiches 11, wo sich eine Sorptionsmittelsammelzone 12 befindet, absetzt.
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Im Folgenden wird dabei näher auf ein typisches Reaktionsverfahren eingegangen, das im Reaktor 2 bzw. im Reaktionsraum 4 stattfindet.
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Die gasförmigen Edukte 7 werden wie bereits erwähnt, in den Reaktionsraum 4 eingeleitet, wobei sie zu der Stelle des Reaktionsraums 4 geführt werden, an dem der Katalysator 20 vorliegt. Durch das Einstellen von geeigneten Reaktionsbedingungen, die jeweils auf die entsprechende Reaktion bzw. die entsprechende Edukte ausgerichtet ist, kommt es am Katalysator zu einer exothermen (wärmetönenden) Reaktion der Edukte zu flüssigen oder gasförmigen Reaktionsprodukten 15. Dabei erhöht sich die Temperatur in einer Gasphase innerhalb des Reaktors, wodurch es zu Deaktivierungsmechanismen am Katalysator (Verkochung oder Sintern kommen kann). Die Gasphase im Reaktor umfasst dabei sowohl gasförmige Edukte 7 als auch gegebenenfalls gasförmige Reaktionsprodukte 15. In einer solchen Reaktionsanordnung werden die Edukte 7 maximal bis zum thermodynamisch möglichen Gleichgewichtsumsatz reagieren, der bei einigen Reaktionen bei niedrigen Werten liegt. Beispielsweise ist die Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff zum Methanol CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O Gl 1 thermodynamisch durch einen niedrigen Gleichgewichtsumsatz bei typischen und wirtschaftlichen Reaktionsbedingungen limitiert. Die typischen Reaktionsbedingungen hierfür sind ein Druck von 75 bar und eine Temperatur von 250°C. Durch die starke Wärmetönung, also durch die Energiefreigabe während der Reaktion wird bei dieser Reaktion der Gleichgewichtsumsatz gesenkt, da die Reaktionstemperatur steigt. Daher ist es zweckmäßig, die durch die Reaktion der Gasphase frei werdende Wärme mittels geeigneter Maßnahmen aus dem Reaktionsraum zu entfernen. Auf die entsprechenden Maßnahmen wird noch eingegangen werden.
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Als Sorptionsmittel 9 bietet sich hierbei beispielsweise ein Wärmeträgeröl, eine Salzschmelze oder eine ionische Flüssigkeit an, die eine hoher Wärmekapazität aufweist und dabei einen möglichst niedrigen Dampfdruck besitzt. Eine vorteilhafte Mischung für ein Sorptionsmittel ist beispielsweise Mischung aus einem Phosphonium NTf2 IL und einem Alkali oder Erdalkali NTf2 Salz.
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Eine nicht abgeschlossene Auflistung von geeigneten ionische Flüssigkeiten ist in Tabelle 1 gegeben. Tabelle 1: Für die Sorption geeignete Ionische Flüssigkeiten (teilweise unter Zumischung von Salzen)
| Ionische Flüssigkeit |
| P1444 NTf2 |
| P66614 NTf2 |
| N1888 NTf2 |
| Mischung aus P1444NTf2 und Li NTf2 |
| Mischung aus P1444NTf2 und Cs NTf2 |
| Mischung aus P1444NTf2 und Mg (NTf2)2 |
| Mischung aus P1444NTf2 und Ca (NTf2)2 |
| P1444 MeSO4 |
| P1444 Me2PO4 |
| EMIM NTf2 |
| EMIM MeSO3 |
| P1444 OTf |
| P2444 Et2PO4 |
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Das Sorptionsmittel kann die in der Gasphase enthaltenen Wärme aufnehmen und somit die Temperatur der Gasphase absenken. Dies führt zu einer homogenen Temperaturverteilung in der Reaktionszone (im Umfeld des Katalysators) und damit idealerweise zu einem isothermen Verhalten im Reaktionsraum 4. Hierzu ist ein effektiver Wärmeaustausch der Gasphase, also insbesondere der Phase der Edukte 7, mit dem Sorptionsmittel 9 erforderlich.
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Der Katalysator 21 und das Sorptionsmittel 9 sind Stoffe, die in einigen Fällen möglichst nicht miteinander in Berührung kommen sollen, da dadurch ihre Stabilität und ihre Funktionalität negativ beeinflusst werden können. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, dass der Katalysatorraum 20 vom Sorptionsraum 24 durch ein gasdurchlässiges Element 26 getrennt ist. Dieses gasdurchlässige Element 26 kann beispielsweise in Form eines metallischen Gewebes oder in Form einer gegenüber den entsprechenden Gasphasen durchlässigen Membran ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, dass die in der Regel gasförmigen Edukte 7 durch das gasdurchlässige Element 26 durchdringen und an der Katalysatoroberfläche zu den Reaktionsprodukten 15 reagieren. Die Reaktionsprodukte 15 sind bei der vorherrschenden Atmosphäre ebenfalls in der Regel gasförmig und verlassen den Katalysatorraum 20 durch das entsprechende Element 26. Nachdem sie durch das Element 26 in den Sorptionsraum 24 eingetreten sind, können sie vom Sorptionsmittel 9 sorbiert werden. Das mit den Reaktionsprodukten 15 beladene Sorptionsmittel 9 wird im Weiteren als 9‘ bezeichnet. Dieses Sorptionsmittel 9‘, das die Reaktionsprodukte 15 enthält, sammelt sich in der Sorptionsmittelsammelzone 12 und kann gegebenenfalls durch eine Umwälzvorrichtung 19, hier ausgestaltet in Form einer Rührvorrichtung, umgewälzt werden, bevor es durch die Ablassvorrichtung 10 den Reaktionsraum 4 verlässt.
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Das Sorptionsmittel 9‘ wird in einen Phasenabscheider 28 gegeben und dort vom Reaktionsprodukt 15 entladen. Das Reaktionsprodukt 15 wird aus dem Phasenabscheider abgezogen und anderweitig als Wertstoff weiterverwendet. Das nun entladene Sorptionsmittel 9 wird aus dem Phasenabscheider 28 entnommen und über eine entsprechende Leitung einer Kühlvorrichtung 13 zugeführt. Die Kühlvorrichtung 13 ist dabei Bestandteil einer Rezirkulationsvorrichtung 21 und ist somit außerhalb des Reaktionsraumes 4 angeordnet. Über eine Fördervorrichtung 17, in der Regel ausgestaltet in Form einer Pumpe, wird das Sorptionsmittel 9 wieder zurück zur Zuführvorrichtung 8 geleitet und wird dem Reaktionsraum 4 wieder zugeführt. Bei der Kombination aus der Ablassvorrichtung 10, dem Phasenabscheider 28, der Kühlvorrichtung 13, der Fördervorrichtung 17 und der Zuführvorrichtung 8 wird im Weiteren von der Zirkulationsvorrichtung 21 gesprochen.
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Die Zirkulationsvorrichtung 21 enthält somit die Kühlvorrichtung 13, wobei die Anordnung der Kühlvorrichtung 13 in der Zirkulationsvorrichtung 21 in der Figur beispielhaft gewählt ist. Die Kühlvorrichtung 13 kann auch an anderen Segmenten der Zirkulationsvorrichtung 21 angeordnet sein, beispielsweise direkt nach der Ablassvorrichtung vor dem Phasenabscheider 28. In diesem Fall würde gekühltes Sorptionsmittel 9‘ in den Phasenabscheider 28 eingebracht werden, was je nach der Beschaffenheit des Sorptionsmittels zum Entladen der Reaktionsprodukte 15 zweckmäßig sein kann. Ferner steht der Begriff Kühlvorrichtung ganz allgemein für eine Temperiervorrichtung. Grundsätzlich kann je nach Beschaffenheit des Sorptionsmittels und der im Reaktionsraum 4 durchgeführten Reaktion (beispielsweise wenn diese endotherm ist) die Kühlvorrichtung auch in Form einer Heizvorrichtung ausgestaltet sein.
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Das entsprechend temperierte, in der Regel gekühlte Sorptionsmittel 9 wird wieder dem Reaktionsraum 4 zugeführt und es entzieht dem Reaktionsraum bzw. der darin befindlichen Gasphase thermische Energie, indem es wiederum aufgeheizt wird. Diese Wärmeübertragung zwischen der Gasphase und dem Sorptionsmittel dient der gezielten thermischen Regulierung des Reaktionsraumes 4 und somit der gezielten Reaktionsführung. Eine bevorzugte und beispielhafte exotherm verlaufende Reaktion ist in Gleichung 1 genannt, sie dient zur Darstellung von Methanol aus den Edukten 7 CO2 und Wasserstoff.
