DE102019135743A1

DE102019135743A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Reaktors

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Publication number: DE102019135743A1
Application number: DE102019135743.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen die Herstellung von chemischen Verbindungen ohne den Einsatz von Katalysatoren. Hierzu werden Kompressionsreaktoren die für die gewünschten Produkte notwendigen Edukte zugeführt. Zudem werden die Reaktionsbedingungen mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinrichtung geregelt. Hierzu werden u.a. die Kompressionsreaktoren mit einer E- Maschine kombiniert und dadurch die Verweilzeit in den Reaktoren beeinflusst. Zudem ist die Anhebung der Eduktdrücke mit Hilfe eines Verdichters vorgesehen. Zudem werden die Betriebsbedingungen mit geeigneten Sensoren und/oder Analysatoren erfasst.

Description

Bei der Herstellung von chemischen Produkten ist der Einsatz von Strömungsreaktoren üblich, da sie relativ kostengünstig und einfach zu fertigen sind. Ein weitere mögliche Verfahrensführung stellen sogenannte gepulste Kompressionsreaktoren dar. Dieser Reaktortyp ist allgemein z.B. in der US 8,691,079 B2 , US 2,814,551 , US 2,814,552 und in der „Pulsed Compression Technology: A Breakthrough in the Production of Hydrogen‟, M. Glouchenkov and A. Kronberg, WHEC 16/Jun. 13-16, 2006‟ beschrieben. Der Grundgedanke besteht darin, dass einem Reaktionsraum gasförmige Edukte über wenigstens ein Einlassventil zugeführt werden, diese Gasmischung anschließend über einen Kolben verdichtet und damit aufgeheizt werden. Durch die angehobene Temperatur wird die gewünschte Reaktion initiiert, anschließend sinken der Druck und damit die Temperatur auf Grund der Kolbenbewegung wieder ab und die so erzeugten Produkte verlassen anschließend über wenigstens ein Auslassventil den Reaktionsraum. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, vergleichbar einem Verbrennungsmotor. Der Unterschied besteht allerdings darin, dass bei Verbrennungsmotoren die abgegebene Energie im Hauptfokus steht und das Abgas in die Atmosphäre entlassen wird, während bei den gepulsten Kompressionsreaktoren die Gewinnung verwertbarer Produkte das Ziel darstellt. Auf diese Art können kurzzeitig Temperaturen von deutlich über tausend Kelvin und Drücke von mehreren Hundert bar dargestellt werden, ohne dass die Reaktorbauteile zu hoch belastet werden, da es durch die anschließende Expansion des Gases zu einer Abkühlung des Reaktionsgemisches und damit zu einer Verringerung der Bauteilbelastung kommt. Um die bei der Expansion abgeführte Energie zu nutzen, werden üblicherweise mindestens zwei Reaktionsräume mechanisch so gekoppelt, dass die Expansion des einen Reaktionsraums zu einer Kompression im zweiten Reaktionsraum führt. Dies kann z.B. durch eine Freikolbenanordnung ( US8691079B2 , „Pulsed Compression Technology: A Breakthrough in the Production of Hydrogen“, M. Glouchenkov and A. Kronberg, WHEC 16/Jun. 13-16, 2006) realisiert werden. Auch eine Verbindung zweier gegenüberliegender, gegenläufiger Kolben, die jeweils einen Reaktorraum abschließen, ist darstellbar ( US2814551 ). Stand der Technik sind zudem Reaktoren auf Basis von Hubkolbenmaschinen, die als Reformer arbeiten und zur Herstellung von Synthesegas verwendet werden (Lim, Emmanuel G. et al. „The Engine Reformer: Syngas Production in an Engine for Compact Gas-to-Liquids Synthesis." The Canadian Journal of Chemical Engineering 94.4 (2016): 623-635). Gepulste Kompressionsreaktoren haben allerdings aus folgenden Gründen keine breite Anwendung gefunden:

1. Auf Grund von Reibungsverlusten reicht die Expansionsarbeit oft nicht aus, um ausreichend Energie für die Kompression des anderen Kolbens aufzubringen. In der US2814551 ist beschrieben, dass in einem solchen Fall zusätzlich Gas, meist Inertgas, in den Reaktorraum eingeblasen wird, um dort den Druck zu erhöhen. Dadurch kann die zur Kompression zur Verfügung gestellte Energie erhöht werden, allerdings sind hierfür zusätzliche Ventile und Kompressoren notwendig.
2. Der Prozess lässt sich nur sehr schwer regeln, da z.B. die Frequenz der Kolbenbewegungen und damit die Verweilzeit von der in der Reaktion freigesetzten Energie und damit der zugeführten Eduktmenge abhängig sind.
3. Der Start des Apparates muss pneumatisch erfolgen, was eine hohe Anzahl von Ventilen und eine komplizierte Verschaltung notwendig machen.
4. Oft müssen relativ hohe Temperaturen und Drücke realisiert werden, um ausreichend hohe Aktivierungsenergien zum Start der Reaktion zu erreichen. Dies kann bzgl. der Selektivität der Reaktion nachteilig sein.
5. Da keine direkte Kontrolle des Starts der Reaktion möglich ist, sondern diese rein durch Druck und Temperatur gestartet wird, kann diese bereits zeitlich vor dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen, was zur Folge hat, dass dieser zum einen mechanisch stark belastet und zum anderen abgebremst wird. Der letzte Punkt kann dazu führen, dass er den oberen Totpunkt gar nicht mehr erreicht und der pulsierende Kompressionsreaktor zum Stillstand kommt.

Der in den Patentansprüchen 1 und 15 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung darzustellen, die eine gute Regelbarkeit und Kontrolle von gepulsten Kompressionsreaktoren ermöglicht. Die erfindungsgemäße Verfahren löst diese Probleme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Probleme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Reaktionsbedingungen eines Hubkolbenkompressionsreaktors oder eines Rotationskolbenreaktors mit Hilfe einer elektronischen Steuerung, die Sensoren auswertet, mathematische Modelle berechnet und Aktuatoren ansteuert, durch Veränderung der Betriebsparameter der Kompressionsreaktoren zu beeinflussen, um die Ausbeute und/oder Selektivität wenigstens eines gewünschten Produkts zu optimieren. Hierfür werden über Sensoren und/oder Analysatoren erhaltene Istwerte mit in der elektronischen Kontrolleinheit abgelegten Sollwerten verglichen und über geeignete Aktuatoren Betriebsparameter der Reaktoren so verändert, dass die Istwerte sich den Sollwerten annähern. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Sollwert die maximale Ausbeute und/oder Selektivität wenigstens eines Produkts herangezogen wird und in der elektronischen Kontrolleinheit eine selbstständige Optimierung der Betriebsparameter der Reaktoren erfolgt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Qualität oder die Zusammensetzung der zugeführten Edukte schwankt, und durch die kontinuierliche Optimierung der Betriebsparameter die Reaktoren weiterhin in ihrem optimalen Betriebsbereich betrieben werden. D.h. die elektronische Kontrolleinheit lernt sich kontinuierlich selbst neu an. Dieses Anlernen ist Stand der Technik bei neuronalen Netzen bzw. künstlicher Intelligenz, so dass an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei denen für unterschiedliche Produkte unterschiedliche Reaktoren bzw. Katalysatoren verwendet werden müssen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung den Vorteil, dass die Betriebsparameter der Kompressionsreaktoren, wie z.B. Reaktionstemperatur, Verweilzeit, Reaktionsdruck, Eduktzusammensetzung, Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten, in weiten Bereichen so verändert werden können, dass unterschiedlichste Produkte mit der gleichen Vorrichtung hergestellt werden können.
Bei den Hubkolbenkompressionsreaktoren werden wenigstens zwei Reaktorräume in Form von Zylindern ausgeführt und in einer Reihe angeordnet. Auch eine zweireihige Anordnung in Form sogenannter Bänke ist möglich, wobei die beiden Bänke zueinander gekippt angeordnet sind. In beiden Fällen, also der Ausführung in Reihe oder in V- Form, wirken alle sich in den Zylindern bewegenden Kolben über jeweils eine Pleuelstange auf eine gemeinsame Kurbelwelle. D.h. die Ausführung ist vom Prinzip her eine Hubkolbenmaschine.
An diese Kurbelwelle wird eine Vorrichtung, z.B. elektrische Maschine (E-Maschine), angekoppelt, über die die Drehzahl der Welle und damit die Verweilzeit in den Reaktionskammern verändert werden kann: Soll die Verweilzeit erhöht werden, wird die Kurbelwelle mit Hilfe der wenigstens einen Vorrichtung abgebremst, soll die Verweilzeit verringert werden, wird die Kurbelwelle mit Hilfe der Vorrichtung beschleunigt, bzw. das Bremsmoment der Vorrichtung reduziert. Als elektrische Maschinen kommen z.B. Stromwender-/Kommutatoren, wie Gleichstrom- oder Einphasen- Wechselstrommotoren, oder Drehfeldmaschinen, wie Drehstrom- Asynchronmaschinen, Drehstrom- Synchronmaschinen, Einphasen- Asynchronmotoren, Einphasen- Synchronmotoren, zum Einsatz. Vorzuziehen sind E- Maschinen die sowohl als Motor, als auch als Generator verwendet werden können, da sie zum einen dem Kompressionsreaktor Energie zuführen können, zum anderen diesem aber auch Energie entziehen können, so dass ein sehr flexibler Betrieb möglich ist. Hinzu kommt, dass die beim Abbremsen abzuführende Energie bei Verwendung der E-Maschine als Generator in Strom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist oder anderen elektrischen Verbrauchen zur Verfügung gestellt werden kann. Bei Verwendung einer E- Maschine als Motor ist der Start des Apparates sehr einfach, da für diesen Fall die Kurbelwelle angeschleppt wird. Zudem sind hier auch Reaktionen darstellbar, bei der die durch die Reaktion freigesetzte Energie nicht ausreicht, um einen autarken Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten. Dies ist insbesondere bei endothermen Reaktionen der Fall. In diesen Fall wird die Vorrichtung durch die E- Maschine angetrieben. Neben der oben beschriebenen Ausführung als Hubkolbenmaschine ist erfindungsgemäß auch eine Ausführung als Rotationskolbenmaschine umsetzbar. Hierfür wird der Rotor, analog der Kurbelwelle, ebenfalls mit einer Vorrichtung, z.B. E-Maschine, gekoppelt, über die die Drehzahl des Rotors der Rotationskolbenmaschine und damit die Verweilzeit in den Reaktionskammern verändert werden kann. Zudem ist damit, wie schon oben beschrieben, die Erzeugung elektrischer Energie möglich. Erfindungsgemäß hat wenigstens eines der entstehenden Produkte einen Heizwert von mindestens 12MJ/kg, vorteilhaft von mindestens 20MJ/kg, äußerst vorteilhaft von mindestens 30MJ/kg. Der Anteil des wenigstens einen Produkts mit einem Heizwert von mindestens 12MJ/kg an dem den Reaktor verlassenden Stoffstroms beträgt mindestens 5%, vorteilhaft mindestens 10%, äußerst vorteilhaft mindestens 20%. Vorteilhaft bietet sich das Verfahren an, wenn die Summe der Energieinhalte der Produkte höher als die Summe der Energieinhalte der Edukte ist. Als Produkte kommen u.a. aliphatischen Kohlenwasserstoff (C₂H₂, CH₄ etc.), aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkaloide, Aminosäuren, Fette, Heterozyklen, NH₃, Alkohole (CH₃CH₂OH, CH₃OH etc.), HCHO, C₂H₄, Ether (Dimethylether (DME), Diethylether (DEE), Polyoxymethylendimethylether (POMDME) etc.), Amine, Amide, Harnstoff, CS₂, Thiocyanate, Carbamat, organische Säuren (z.B. Essigsäure) in Frage. Hierfür wird den Reaktorräumen eine, vorteilhaft wenigstens zwei, der folgenden Verbindungen oder deren Folgeprodukte zugeführt: N₂, H₂, CO, CO₂, Aldehyde, insbesondere HCHO, Alkohole, insbesondere CH₃OH und Ethanol, Schwefel, Methan, NH₃. Wenn nur Methan zugeführt wird, wird gleichzeitig kein Sauerstoff zugeführt. Bei den anderen Verbindungen für den Fall, dass Sauerstoff zugegeben wird, immer weniger Sauerstoff zugegeben, als für eine vollständige Oxidation der Verbindung notwendig wäre,erfindungsgemäß weniger als 80%, vorteilhaft weniger als 40%, besonders vorteilhaft weniger als 20% der Sauerstoffmenge, die für eine vollständige Oxidation notwendig wäre. CH₄ kann dabei gemäß folgender Gleichungen aus CO oder CO₂ und H₂ hergestellt werden H₂ + CO₂ → CO + H₂O 3 H₂ + CO → CH₄ + H₂O
Um die Ausbeute zu erhöhen, wird von dem entstehendem Produktstrom unverbrauchtes H₂ und CO/CO₂ abgetrennt und dem Reaktor wieder zugeführt. Die gleichen Edukte werden auch für die Herstellung von Methanol bzw. Ethanol eingesetzt, allerdings wird pro Kohlenstoffatom weniger Wasserstoff zugegeben. CO + 2H₂ → CH₃OH CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O 2CO + 4H₂ → CH₃CH₂OH + H₂O 2CO₂ + 6H₂ → CH₃CH₂OH + 3H₂O
Zur Ammoniakherstellung wird N₂ und H₂ eingesetzt. N₂ + 3H₂ → 2 NH₃
Zur Bildung von CS₂ werden den Reaktoren Methan und Schwefel zugeführt, für die Ammoniumthiocyanatherstellung CS₂ und NH₃, für die Ammoniumcarbamatherstellung CO₂ und NH₃ für die Harnstoffherstellung Ammoniumcarbamat, für die Essigsäureherstellung Methanol und Kohlenmonoxid, für die Ethinherstellung Methan, für die Acetaldehydherstellung Ethin und Sauerstoff. Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bezüglich der oben beschriebenen Reaktionen, kann erreicht werden, wenn den Reaktorräumen neben den Edukten auch wenigstens eine Verbindung zur Beschleunigung der gewünschten Reaktion durch Absenkung der Aktivierungsenergie, insbesondere ein Katalysator, zugeführt wird. Hierbei handelt es sich um flüssige oder gasförmige Stoffe. Am Beispiel der Ethanolherstellung aus Ethan ist dies Phosphorsäure, die anschließend von dem gebildeten Ethanol abgetrennt und dem Prozess wieder zugeführt wird. Als weiterer Katalysator ist Schwefelsäure einsetzbar. Die Bildung von Methanol kann durch die Zugabe von zinkorganischen Verbindungen, wie Zinkmethyl oder Zinkethyl zu den Reaktorräumen verbessert werden. Die Bildung von Methan kann durch die Zugabe von nickelorganischen Verbindungen, wie Nickeltetracarbonyl, Nickel-Olefin-Komplexen, wie z.B. Bis-[cyclooctadien-(1,5)]-nickel(0), Nickel-Cyclopentadienyl-Komplexe, wie z.B. Nickelocen, Nickel-Allyl-Komplexen, wie z.B. Bis(π-allyl)nickel [Ni(η³-C₃H₅)₂], Nickel-Phosphin-Komplexe oder Nickel-Carben-Komplexe verbessert werden. Neben der Bildung von Methan können nickelorganische Verbindungen zur Oligomerisierung von Alkenen und Alkinen, für Kupplungsreaktionen, wie z.B. Allyl- und Acrylhalogeniden sowie die Carbonylierungsreaktionen zur Addition von CO an Alkene und Alkine, wie z.B. die Bildung von Acrylsäure aus Acetylen, Wasser und Kohlenmonoxid eingesetzt werden. Weitere mögliche Verbindungen, bzw. Katalysatoren, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können, sind eisenorganische Verbindungen, wie z.B. Ferrocen [Fe(η⁵-C₅H₅)₂]. Diese beschleunigen u.a. die Bildung von NH₃ aus N₂ und H₂. Aluminiumorganische Verbindungen, wie Triethylaluminium, können u.a. für die Bildung von Olefinen eingesetzt werden, Edukt hierfür ist z.B. Ethen. Allen beschriebenen Katalysatoren bzw. Verbindungen zur Beschleunigung der gewünschten Reaktion ist gemein, dass wenigstens ihre metallischen Bestandteile stromab der Reaktoren vom Produktstrom abgetrennt werden. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, sie anschließend aufzubreiten und den Reaktorräumen wieder zuzuführen. Die Aufbereitung ist dann notwendig, wenn sich die Verbindung während der Reaktion verändert. Dies ist inbesondere bei Komplexen und metallorganischen Verbindungen der Fall.
Um die Ausbeute zu erhöhen, ist zudem erfindungsgemäß vorgesehen, einen Teilproduktstrom stromab der Reaktorräume zu entnehmen und den Reaktorräumen wieder zuzuführen. Die Reaktionsbedingungen in den Reaktorräumen zum Start der Reaktion sind dabei mindestens 50bar, vorteilhaft mindestens 60bar, äußerst vorteilhaft mindestens 70bar. Die Reaktionstemperaturen liegen zum Start der Reaktion liegenzwischen 200°C und 500°C, vorteilhaft zwischen 250°C und 450°C, äußerst vorteilhaft zwischen 280°C und 400°C.
Die Edukte für die Herstellung von weiteren Produkten, wie HCHO, sind CO und/oder CO₂ und H₂, für CH₃OH und CH₃CH₂OH, CO und/oder CO₂ sowie H₂, für DME, CH₃OH, für POMDME, CH₃OH und HCHO, für DEE, Ethanol. Um bei Reaktionen, deren Ausbeute durch die Anwesenheit von Sauerstoff negativ beeinflusst wird, ausreichend hohe Ausbeuten zu erzielen, beträgt die Sauerstoffkonzentration zu Beginn der Reaktion maximal 1%, vorteilhaft maximal 0,5%, äußerst vorteilhaft maximal 500ppm. Hierdurch werden eine Oxidation der Produkte und eine Absenkung deren Heizwerts vermieden, bzw. reduziert. Aus Sicherheitsgründen bietet es sich an, die reaktive oder brennbaren Edukte, wie Wasserstoff, Ethanol, CH₄ oder Methanol, direkt vor Einlass in den Reaktorraum, also stromab der nichtbrennbaren Edukte, oder direkt in den Reaktorraum über ein vom Einlassventil unabhängiges Ventil zuzuführen. Hierbei sind die Reaktorein- und Reaktorauslässe vorteilhaft geschlossen. Diese direkte Zuführung bietet sich zudem bei flüssigen Edukten an. Das Verdichtungsverhältnis der Kolbenreaktoren beträgt mindestens 1:8, vorteilhaft mindestens 1:15, äußerst vorteilhaft mindestens 1:20. Die Verweilzeit der Reaktanden im Reaktorraum beträgt maximal 10s, vorteilhaft maximal 1s, äußerst vorteilhaft maximal 0,1s.
Um die Drücke im Reaktorraum zusätzlich anzuheben, ist es sinnvoll, die Edukte dem Reaktorraum bereits mit erhöhtem Druck zuzuführen. Dies kann im einfachsten Fall über Kompressoren erfolgen, energetisch sinnvoller ist allerdings, insbesondere bei exothermen Reaktionen, eine Turboladeranordnung: Hierbei wird über eine Turbine, die stromab der Reaktorräume angeordnet ist, dem erhitzten Produktstrom Enthalpie entzogen und über eine Welle auf einen Verdichter auf Eduktseite übertragen. Die Drücke auf Eduktseite und damit schlussendlich die Drücke im Reaktorraum können über geeignete Maßnahmen, wie z.B. Abströmventile auf Edukt und/oder Produktseite, variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrien verändert werden. Die Vorrichtung kann als Zweitakt, Viertakt oder Vier + 2*X- Takt-Apparat ausgeführt werden. Die anschließende Beschreibung bezieht sich auf einen Reaktorraum und eine beispielhafte Ausführung als Hubkolbenmaschine mit Anbringung der Kurbelwelle unterhalb der Kolben, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Zweitakt- Apparat:

1. Ansaugen und Verdichten (Kolben bewegt sich nach oben)
2. Hauptreaktion und Ausschieben (Kolben bewegt sich nach unten)

Für diesen Aufbau kann, muss aber nicht, komplett auf Ventile verzichtet werden, da der Kolben abwechselnd Ein- und Auslass verschließt bzw. freigibt.
Viertakt- Apparat:

1. Ansaugen (Einlass offen, Auslass geschlossen, Kolben bewegt sich nach unten)
2. Verdichten (Einlass- und Auslass geschlossen, Kolben bewegt sich nach unten)
3. Hauptreaktion und Expansion (Kolben bewegt sich nach unten)
4. Ausschieben (Auslass offen, Einlass geschlossen, Kolben bewegt sich nach oben)

Dieser Aufbau bedingt Ein- und Auslassventile an den Reaktorräumen. Diese können über wenigstens eine Nockenwelle angetrieben werden. Aus dem Motorenbereich sind zusätzlich Vorrichtungen bekannt, über die die Öffnungs- und Schließzeiten dieser Ventile variiert werden können und die auch hier Anwendung finden, wie z.B. Piezoaktuatoren, hydraulische Ventiltriebe, verstellbare Nockenwellen etc.. Durch diese Maßnahmen können die Reaktionsbedingungen im Reaktorraum beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich, das Auslassventil nach dem dritten Takt bereits zu öffnen, bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, um den Druck und damit die Temperatur im Reaktorraum schneller abzusenken, als dies über die Kolbenbewegung allein möglich wäre. Auf diese Weise gelingt es, die Reaktionen einzufrieren und unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. Zudem kann das Einlassventil vor Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens im Ausschiebetakt, insbesondere vor Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens geöffnet werden, so dass Produkte zurück auf die Eduktseite strömen. Dadurch wird im nächsten Ansaugtakt eine Mischung aus Produkten und Edukten angesaugt, was die Ausbeute an Produkten erhöht. Ein ähnlicher Effekt wird erzielt, wenn während des Ansaugtakts das Auslassventil geöffnet bleibt, so dass Produkte wieder zurück in den Reaktorraum gesogen werden.
Viertakt + 2*X Apparat:
Es handelt sich um eine Weiterentwicklung des Viertaktapparats. Um die Ausbeute zu erhöhen, wird das Auslassventil im vierten Takt nicht geöffnet, sondern mindestens noch ein Verdichtungs- und Reaktionstakt angeschlossen.

1. Ansaugen (Einlass offen, Auslass geschlossen, Kolben bewegt sich nach unten)
2. Verdichten 1 (Einlass- und Auslass geschlossen, Kolben bewegt sich nach oben)
3. Hauptreaktion 1 und Expansion 1 (Kolben bewegt sich nach unten)
4. Verdichten 2 (Kolben bewegt sich nach oben)
5. Hauptreaktion 2 und Expansion 2 (Kolben bewegt sich nach unten) ... x-mal wiederholen des Verdichtungs- und Hauptreaktionstakts
6 + 2*x: Ausschieben (Auslass offen, Einlass geschlossen, Kolben bewegt sich nach oben)

x ist dabei ein Element der natürlichen Zahlen, so dass sich in Summe Taktzahlen von 6, 8, 10 etc. ergeben. Oft ist es sinnvoll, für die zweite Hauptreaktion noch wenigstens ein Edukt zuzuführen. Dies kann z.B. über das Öffnen des Einlassventils oder direkte Zugabe wenigstens eines weiteren Edukts über eine zusätzliche Zuführvorrichtung in den Reaktorraum erfolgen. Zum einen kann eines der Edukte zugeführt werden, das bereits in der ersten Hauptreaktion zugeführt wurde, wodurch zum einen die Ausbeute und/oder die Selektivität erhöht werden kann. Es ist jedoch auch möglich, wenigstens ein Edukt zuzuführen, das sich von den Edukten der ersten Hauptreaktion unterscheidet, wodurch selektiv ein anderes Produkt als in der Hauptreaktion eins hergestellt werden kann. Die Zugabe kann z.B. über das Öffnen des Einlassventils und Ansaugen in den Reaktorraum oder direkte Zugabe wenigstens eines Edukts über eine zusätzliche Zuführvorrichtung in den Reaktorraum erfolgen. Unabhängig von der Taktanzahl kann die Ausbeute weiter erhöht werden, indem stromab des Reaktorraums ein TeilProduktstrom entnommen und dieser dem Reaktorraum, insbesondere auf der Einlass- also der Eduktseite, wieder zugeführt wird. Die derart rückgeführte Produktmenge kann über geeignete Aktuatoren, wie z.B. Ventile und/oder Gebläse variiert werden. Dies bietet sich insbesondere bei Gleichgewichtsreaktionen und/oder Reaktionen mit Volumenzunahme an, da dadurch das Gleichgewicht auf die Produktseite verschoben werden kann. Eine weitere Möglichkeit, die Ausbeute zu erhöhen, besteht darin, unverbrauchte Edukte vom Produktstrom abzutrennen und den Reaktoren wieder zuzuführen. Die Reaktion kann zudem durch die Temperatur der Edukte, die dem Reaktorraum zugeführt werden, beeinflusst werden. So kann z.B. die Ausbeute bei endothermen Reaktionen oder bei Reaktionen mit Volumenzunahme angehoben werden, wenn die Temperatur der Edukte vor dem Einlass in den Reaktionsraum erhöht wird. Diese Temperaturerhöhung kann energieeffizient erfolgen, indem der Eduktstrom thermisch an den Produktstrom stromab der Reaktorkammern und/oder das Kühlmedium des Kompressionsreaktors angekoppelt wird. Das Kühlmedium ist notwendig, um ein Überhitzen des Apparats zu vermeiden. Bei exothermen Reaktionen, wie z.B. der Methanherstellung aus CO bzw. CO₂ und H₂, oder der Ammoniakherstellung aus N₂ und H₂, ist zudem eine Kühlung der Edukte sinnvoll. Da, wie oben beschrieben, der Start der Reaktion allein über die in den Reaktorräumen herrschenden Drücke und Temperaturen oft nicht definiert zu initiieren ist und/oder die Temperaturen so stark angehoben werden müssten, dass sich dies negativ auf die Selektivität auswirken würde, wird erfindungsgemäß dem Reaktorraum kurzfristig zusätzlich zur Kompressionsenergie weitere Energie zugeführt, um die Aktivierungsenergie zu überschreiten und damit die Reaktion zu starten. Dies kann über wenigstens eine der folgenden Verfahren bzw. Vorrichtungen erfolgen: Elektrischer Funken (insbesondere über eine Zündkerze), Koronaentladung, Mikrowellen und Laserpuls. Eine weitere Möglichkeit, den Startzeitpunkt und den Ablauf der Reaktion aktiv zu beeinflussen, besteht darin, wenigstens ein Edukt und/oder eine Verbindung zur Absenkung der Aktivierungsenergie, insbesondere einen Katalysator, zu definierten Zeitpunkten direkt in den Reaktorraum zuzuführen, durch die die Reaktion aktiv gestartet wird. Vorteilhaft sind hierbei sowohl die Reaktorein- als auch die Reaktorauslässe geschlossen. Die Aktivierungsenergie zur Umsetzung des zugeführten Edukts liegt so niedrig, dass die gewünschte Reaktion initiiert wird. Mögliche Verbindungen zur Absenkung der Aktivierungsenergie, insbesondere Katalysatoren, sind oben beschrieben. Diese Zugabe erfolgt erfindungsgemäß bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen, insbesondere zum Ende des Verdichtungstakts und/oder zu Beginn des Hauptreaktionstakts, sprich bei Zweitakt- Apparaten zum Ende des ersten und zum Beginn des zweiten Takts, bei Viertakt- Apparaten zum Ende des zweiten und/oder zum Beginn des dritten, bei Vier + 2*X- TaktApparaten zum Ende des zweiten und/oder zweiten+x-ten und/oder zum Beginn des dritten und/oder dritten+x-te, also im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen. Da erst durch die Zuführung des für die Reaktion notwendigen Edukts oder Katalysators die Reaktion ablaufen kann, kann eine unkontrollierte Reaktion vor deren Zugabe ausgeschlossen werden. Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn wenigstens ein notwendiges Edukt und/oder die Verbindung zur Absenkung der Aktivierungsenergie, insbesondere ein Katalysator, nicht nur zu einem definierten Zeitpunkt komplett zugegeben werden, sondern über mehrere Zugaben verteilt werden. Erfindungsgemäß unterscheiden sich die Teilmengen der einzelnen Eduktzugaben. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gesamtvolumen des einen Edukts das getaktet zugegeben wird kleiner gleich des Gesamtvolumens der nicht getaktet zugeführten anderen Edukte ist.
Um die Ausbeute des Verfahrens zu erhöhen, wird stromab des Reaktorraums die Produkt-bzw. Gaszusammensetzung gemessen und entsprechende Prozessparameter über eine elektronische Kontrolleinheit angepasst. Ist z.B. die Ausbeute zu gering, können u.a. folgende Parameter angepasst werden: Drehzahl der Kurbelwelle wird abgesenkt, Eduktdruck wird angehoben (bei Reaktionen mit Volumenverminderung), Eduktdruck wird abgesenkt (bei Reaktionen mit Volumenvergrößerung), auf die Eduktseite rückgeführte Produktmenge wird angehoben, das Einlassventil wird vor Öffnen des Auslassventils geöffnet, wodurch die Produkte auf die Eduktseite strömen, die dem Reaktor zugeführte Energie wird angehoben (z.B. Anheben der Zündspannung), die Taktanzahl wird angehoben, insbesondere über vier.
Ist die Selektivität zu gering, ist u.a. folgendes möglich: Drehzahl der Kurbelwelle wird angehoben, die Anzahl der Takte bis zum Ausschieben wird abgesenkt, der Eduktdruck wird abgesenkt, auf die Eduktseite rückgeführte Produktmenge wird abgesenkt, im Ansaugtakt wird das Einlassventil vor Erreichen des unteren Totpunkts geschlossen, im Expansionstakt wird das Auslass und/oder das Einlassventil vor Erreichen des unteren Totpunkts geöffnet, die dem Reaktor zugeführte Energie wird getaktet und/oder die Einzelenergie wird abgesenkt (z.B. mehrere Laserpulse oder Zündfunken).
Diese hohe Flexibilität in der Reaktionsführung grenzt das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung klar vom Stand der Technik ab: Im Gegensatz zu katalytisch basierten Reaktionssystemen, die auf Grund des jeweils verwendeten Katalysators nur für eine ganz spezifische Reaktion eingesetzt werden können, können die Prozessparameter sowie die Edukte erfindungsgemäß in einem sehr weiten Spektrum variiert werden, was die Darstellung unterschiedlichster Produkte aus unterschiedlichsten Edukten ermöglicht. Die Auswahl des gewünschten Produkts und/oder die Regelung des Verfahrens erfolgt, wie bereits dargelegt, mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit.
So kann z.B. ein einem ersten Modus aus H₂ und CO₂ Methan hergestellt werden, 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O während in einem weiteren Modus Methanol CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O und in einem weiteren Modus Dimethylether (DME) 2 CH₃OH → CH₃-O-CH₃ + H₂O hergestellt werden. Dabei können die einzelnen Reaktorräume wie bereits oben beschrieben, im gleichen Modus oder unterschiedlichen Modi bzw. Reaktionsbedingungen betrieben werden. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich im einfachsten Fall bzgl. der Reaktionsbedingungen, aber können sich auch bzgl. der Edukte unterscheiden. Erfindungsgemäß erfolgt die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Modi sowie die Steuerung und Regelung mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit. Als Regelgrößen für die Steuerung dienen dabei wenigstens eine der folgenden Größen: Sollproduktzusammensetzung, Ist-Produktzusammensetzung, Soll-Druckverlauf im Reaktorraum, Ist-Druckverlauf im Reaktorraum, maximaler Soll- Druck im Reaktorraum, maximaler Ist- Druck im Reaktorraum, Soll-Verweilzeit im Reaktorraum, Soll- Eduktdruck, Soll- Edukttemperatur, Soll-Produkttemperatur, Soll- Eduktzusammensetzung, Soll-Druckanstieg im Reaktorraum, Ist-Druckanstieg im Reaktorraum, Ist-Drehzahl der Kurbelwelle oder des Rotors, Ist-Verweilzeit im Reaktorraum, Ist-Eduktdruck, Ist-Edukttemperatur, Ist-Produkttemperatur, Ist- Eduktzusammensetzung, Soll-Drehzahl der Kurbelwelle oder des Rotors, Ist-Verweilzeit im Reaktorraum. Als Stellgrößen dienen wenigstens eine der folgenden Größen, die über entsprechende Aktuatoren verstellt werden können: Zugeführte Eduktmengen, Eduktkühlerleistung, Eduktheizerleistung, Eduktdruckregler, Drehzahl der E- Maschine, Drehzahl der Kurbelwelle oder des Rotors, zugeführte/abgeführte Energie von der E- Maschine, Ventilöffnungszeiten (Einlassventile, Auslassventile), Ventilschließzeiten (Einlassventile, Auslassventile), rückgeführte Produktmenge, Variation des Verdichtungsverhältnisses, variable Turbinengeometrie, variable Verdichtergeometrie, an der Turbine vorbeigeleitete Produktmenge, nach Verdichter abgeblasene Eduktmenge, Stellung einer Drosselklappe auf der Eduktseite, Stellung einer Gegendruckklappe auf der Produktsseite, Aktivierungszeitpunkt der zusätzlich über eine Zündkerze, einen Laser, Mikrowellen oder Koronaentladung zugeführten Energie, Anzahl der Aktivierungen der zusätzlich über eine Zündkerze, einen Laser, Mikrowellen oder Koronaentladung zugeführten Energie pro Arbeitstakt, Zeitpunkt und Anzahl der Zuführungen des bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen direkt in den Reaktorraum zugeführten Edukts. Eine Möglichkeit, die Ausbeute und Selektivität weiter zu erhöhen, besteht darin, stromab der Reaktorräume wenigstens einen für die jeweilige Reaktion geeigneten Katalysator anzuordnen. Da der größte Teil der Reaktion bereits in den Kompressionsreaktoren stattgefunden hat, kann er deutlich kleiner als üblich ausgeführt werden. Am Beispiel der Methanherstellung aus H₂ und CO₂ und/oder CO wird stromab der Reaktorräume einen Methanisierungskatalysator zu verbauen. Als Aktivkomponenten kommen Nickel, Rhutenium, Aluminium, Kobalt oder Cer in Frage. Im Falle der NH₃- Herstellung aus H₂ und N₂ handelt es sich dagegen um eisenbasierte Katalysatoren. Ist stromab der Reaktoren eine Turbine angebracht, werden die Katalysatoren vorteilhaft stromauf dieser Turbine angebracht, da sie sich dort auf einem höheren Druckniveau befinden.
Nachfolgend werden die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren anhand von Figuren erläutert.
In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die einzelnen Reaktorräume (1) sind in Reihe angeordnet und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Gemeinsam bilden sie eine Hubkolbenmaschine (2). Über eine Welle (5) wird die von den Reaktoren abgegebene oder den diese zuzuführende Kompressionsenergie an oder von einer E-Maschine (4) übertragen. Die Edukte (6) und (7) werden den Reaktoren zugeführt, die Produkte (8) von den Reaktorräumen (1) abgeführt und in einem Behälter (3) aufgefangen. Um eine Überhitzung des Apparats zu vermeiden wird dieser über ein geeignetes Kühlmedium, wie z.B. Wasser, gekühlt (nicht dargestellt). Bei der Bildung mehrerer Produkte und/oder einer unvollständigen Umsetzung der Edukte ist stromab der Vorrichtung eine Trennung der einzelnen Produkte bzw. eine Abtrennung der Edukte, z.B. über Membranverfahren, Gaswäsche, Extraktion, Rektifikation, Adsorption, Kondensation, angeordnet (hier nicht dargestellt). Mit der Vorrichtung kann als Produkt (8) Methan hergestellt werden, indem als Edukte CO₂ und/oder CO sowie H₂ zugegeben werden. Das zusätzlich entstehende Wasser wird, wie oben beschrieben, vom Methan abgetrennt. Weiterhin ist die Herstellung von Ammoniak möglich, indem Stickstoff und tWasserstoff als Edukte eingesetzt werden. Auch eine gleichzeitige Herstellung von NH₃ und CH₄ ist möglich, indem CO₂ und/oder CO sowie H₂ und Stickstoff den Reaktoren zugeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind nicht auf diese Verbindungen beschränkt, sondern können bei allen Reaktionen eingesetzt werden, in denen keine festen, insbesondere keine abrasiven Reaktionsprodukte gebildet werden. Zu diesen zählen, wie bereits oben beschrieben, insbesondere NH₃, HCHO, CS₂, Thiocyanate (u.a. Ammoniumthiocyanat), Dimethylether (DME), Diethylether (DEE), CH₄, POMDME, Alkohole (Methanol, Ethanol), Ammoniumcarbamat, Harnstoff, Acetaldehyd, Essigsäure.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Reaktor nach dem Viertakt- oder dem Vier+2*X- Taktprinzip dargestellt: In den Reaktorraum (1) werden wenigstens zwei Edukte (6,7) über wengistens ein Einlassventil (33) zugeführt. Über einen Kolben (34), der über ein Pleuel (35) mit der Kurbelwelle (37) verbunden ist und der sich in einer Buchse auf und ab bewegt, werden die Edukte angesaugt und komprimiert sowie anschließend die Produkte (8) ausgeschoben. Die Edukte können, wie in 2 dargestellt, dem Reaktor gemeinsam über das Einlassventil zugeführt werden. Insbesondere bei reaktiven und explosionsgefährdeten Stoffen, wie z.B. H₂, ist aus Sicherheitsgründen eine direkte Zuführung in den Reaktorraum, insbesondere bei geschlossenen Reaktorein- und Reaktorauslässen, oder zumindest eine Zugabe direkt vor dem Einlassventil sinnvoll (hier nicht dargestellt). Durch die Kompression kommt es zu einer Temperatur- und Druckerhöhung, die die gewünschte Reaktion herbeiführen. Der Start der Reaktion kann zudem durch Zuführung zusätzlicher Energie, z.B. in Form einer Zündkerze, eines Lasersimpulses, einer Koronaentladung oder Mikrowellenstrahlung initiiert, bzw. genau gesteuert bzw. geregelt werden (hier nicht dargestellt). Um einen Ausritt von Edukten und Produkten in die Umgebung zu vermeiden, ist der Kolben und die Kurbelwelle von einem Gehäuse (32) umgeben, dass mit Hilfe von statischen Dichtungen (36) zur Umgebung hin abgedichtet. Um zu vermeiden, dass große Mengen an Edukten und Produkten am Kolben vorbei in das Gehäuse eindringen, ist dieser über dynamische Dichtungen (39) gegenüber der Buchse, in der er sich auf und ab bewegt, abgedichtet. Das wenigstens eine Ein- und/oder Auslassventil kann über Nockenwellen, hydraulisch oder piezoelektrisch angesteuert werden. Vor allem die letzten beiden Varianten sind zu bevorzugen, wenn eine genaue Steuerung der Reaktionsbedingungen und/oder Vier+2*X- Takte dargestellt werden sollen, da die Ventilöffnungszeiten frei gewählt werden können.
Die Steuerung und Regelung erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit. Als Eingangsgrößen für die Steuerung dienen dabei wenigstens eine der folgenden Größen deren Soll- und Ist-Werte: Produktzusammensetzung, Druckverlauf im Reaktorraum, maximaler Druck im Reaktorraum, Druckanstieg im Reaktorraum, Drehzahl der Kurbelwelle, Verweilzeit im Reaktorraum, Eduktdruck, Edukttemperatur, Produkttemperatur, Eduktzusammensetzung, Eduktmenge. Als Aktuatoren bzw. Stellgrößen dienen wenigstens eine der folgenden Größen: Eduktmenge, Eduktkühlerleistung, Eduktheizerleistung, Eduktdruckregler, Drehzahl der E- Maschine, Drehzahl der Kurbelwelle, zugeführte/abgeführte Energie von der E- Maschine, Ventilöffnungszeiten (Einlassventile, Auslassventile), rückgeführte Produktmenge, Variation des Verdichtungsverhältnisses, variable Turbinengeometrie, variable Verdichtergeometrie, an der Turbine vorbeigeleitete Produktmenge, nach Verdichter abgeblasene Eduktmenge, Drosselklappe auf der Eduktseite, Gegendruckklappe auf der Produktsseite, Aktivierungszeitpunkt der zusätzlich über eine Zündkerze, einen Laser, Mikrowellen oder Koronaentladung zugeführten Energie, Anzahl der Aktivierungen der zusätzlich über eine Zündkerze, einen Laser, Mikrowellen oder Koronaentladung zugeführten Energie pro Arbeitstakt, Zeitpunkt und Anzahl der Zuführungen des bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen direkt in den Reaktorraum zugeführten Edukts und/oder der wenigstens einen Verbindung zur Absenkung der Aktivierungsenergie, insbesondere eines Katalysators. Als wichtige Prozessgrößen haben sich insbesondere der Druckverlauf, der Maximaldruck und der Druckanstiegsgradient innerhalb der Reaktorräume erwiesen. Diese Größen können mit Hilfe von mit dem jeweiligen Reaktorraum fluidtechnisch verbundenen Drucksensoren und entsprechender Auswertung in der elektronischen Kontrolleinheit ermittelt werden. Neben deren Einfluss auf Umsatz in Selektivität sind diese Größen auch wichtig, um eine mechanische Überlastung der Kompressionsreaktoren zu vermeiden. Um sicherzustellen, dass es zu keiner Überlastung kommt, werden mit Hilfe der elektronischen Kontrolleinheit deren Werte beschränkt. Dies wird insbesondere durch eine Reduzierung der zugeführten Eduktmengen und/oder Absenken der Menge an reaktionsbeschleunigendem Edukt und/oder eine Absenkung der Edukttemperaturen und/oder Eduktdrücke und/oder des Verdichtungsverhältnisses und/oder Erhöhen der auf die Eduktseite rückgeführte Produktmenge und/oder eine Verschiebung der zusätzlich über z.B. Zündkerzen zugeführten Aktivierungsenergie zu späteren Zeitpunkten erreicht. Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang ein unkontrollierter, sehr schneller und früher Start der Reaktion, insbesondere wenn er deutlich vor dem oberen Totpunkt stattfindet. Diese unkontrollierten Reaktionen können bis zu Detonationen im Reaktorraum führen, die die Komponenten der Kompressionsreaktoren mechanisch und thermisch sehr stark belasten. Neben der Bestimmung dieses Zustands durch die oben beschriebenen Drucksensoren, die mit dem jeweiligen Reaktorraum verbunden sind, ist auch eine Bestimmung der unkontrollierten, schlagartigen Reaktionen mit Hilfe von Körperschallsensoren, insbesondere mit Hilfe von piezoelektrischen Longitudinal- Elementen, und Beschleunigungssensoren die außerhalb der Reaktorräume an dem erfindungsgemäßen Apparat angeordnet sind, möglich. Deren Signale werden in einer elektronischen Kontrolleinheit ausgewertet und mit Erwartungswerten verglichen. Wird eine unkontrollierte Reaktion erkannt, können über die elektronische Kontrolleinheit die bereits oben beschriebenen Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Neben der Vermeidung von mechanischen Schäden auf Grund zu hoher Reaktordrücke oder zu starken Druckanstiegsgradienten, können die oben beschriebenen Druck- und/oder Körperschall- und/oder Beschleunigungssensoren auch dazu verwendet werden, eine zu langsame Reaktion oder das komplette Ausbleiben einer Reaktion zu detektieren. In diesen Fällen würde die Ausbeute erheblich absinken und eine große Menge an nicht umgesetzten Edukten auf die Produktseite gelangen. In diesem Fall würde von der elektronischen Kontrolleinheit die zugeführten Eduktmengen und/oder die Menge an reaktionsbeschleunigendem Edukt und/oder die Edukttemperaturen und/oder Eduktdrücke und/oder das Verdichtungsverhältnis angehoben und/oder die auf die Eduktseite rückgeführte Produktmenge reduziert und/oder die zusätzlich über z.B. Zündkerzen zugeführten Aktivierungsenergie und/oder die Zugabe von direkt in den Reaktorraum bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen eingebrachtem Edukt zu früheren Zeitpunkten verschoben und/oder die Anzahl an zusätzlich zugeführten Aktivierungsevents, wie z.B. elektrische Funken, und/oder die Anzahl der direkt in den Reaktorraum erfolgten Eduktzugaben und/oder die Höhe der zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie angehoben.
Das Problem der zu langsamen oder komplett ausbleibenden Reaktion tritt insbesondere beim Start der Kompressionsreaktoren auf, da deren eduktberührte Bauteile und insbesondere die Reaktorräume zu diesem Zeitpunkt noch kalt sind. Dies kann dazu führen, dass die Sollreaktionstemperaturen nicht erreicht werden. Um dies zu vermeiden, ist beim Start der Kompressionsreaktoren erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese geschleppt betrieben werden, bevor alle Edukte den Reaktorräumen zugeführt werden. Wie oben beschrieben, gelingt dies im einfachsten Fall mit Hilfe einer mit der Kurbelwelle der Hubkolbenkompressionsreaktoren gekoppelten E- Maschine. Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Kühlmittel und/oder das Schmiermittel der Hubkolbenkompressionsreaktoren vor einem Start vorzuwärmen. Weiterhin wird bis zum Erreichen der Betriebstemperatur bzw. der gewünschten Produktzusammensetzung ein Ventil, das stromab der Reaktorräume und stromab der Leitung zur Rückführung der Produkte auf die Eduktseite angeordnet ist, geschlossen und die Leitung zur Rückführung der Produkte auf die Einlass, also Eduktseite geöffnet. Auf Grund der Reibung und der dadurch bedingten Reibungswärme erhöht sich die Temperatur in den Reaktorräumen, durch die Rückführung der erwärmten Fluide auf die Einlassseite wird dieser Effekt noch verstärkt. Unabhängig oder zusätzlich dazu werden noch nicht alle für die gewünschte Reaktion notwendigen Edukte zugegeben, sondern bevorzugt reaktionsträge Stoffe, insbesondere Edukte, wie z.B. N₂ oder CO₂. Dies bietet sich insbesondere dann wann, wenn in der eigentlichen Reaktion explosionsfähige Edukte zugeführt werden, da dadurch die Reaktorräume gespült werden und eventuell während des Stillstand eingedrungener Sauerstoff entfernt wird. Besonders vorteilhaft ist, vor Erreichen der Betriebstemperatur Gase mit positivem Joule- Thomson- Koeffizienten den Reaktorräumen zuzuführen, da sich bei diesen Gasen die Temperatur durch Kompression in den Reaktorräumen erhöht, wodurch die Reaktorräume aufgewärmt werden. Auf die Zugabe von Gasen mit negativem Joule-Thomson- Koeffizient, wie z.B. Wasserstoff, wird während dieser Betriebsphase verzichtet. Zusätzlich ist eine Vorwärmung der Edukte möglich. Wird von der elektronischen Kontrolleinheit eine für die Reaktion ausreichend hohe Temperatur ermittelt, schaltet sie vom Aufwärmmodus in den eigentlichen Standardbetrieb, um die gewünschten Produkte zu erzeugen. D.h. es werden nun alle Edukte zugegeben, das Ventil stromab des Reaktors wird geöffnet und die auf die Eduktseite rückgeführte Produkt- bzw. Eduktemenge wird der gewünschten Produktzusammensetzung angepasst.
Die Ausführung als Zweitaktapparat ist in den 3a, b, c dargestellt, ist aber nicht auf diesen beschränkt: Erfindungsgemäß wird im ersten Takt (3a) über ein Ventil oder eine Klappe das nichtkorrosive, nichtbrennbare oder nichtexplosive Edukt (7) in das Gehäuse (32) zugeführt. Dieses strömt am Kolben vorbei in den Reaktorraum (1). In den Reaktorraum (1) oder direkt davor (hier nicht dargestellt) wird das wenigstens zweite Edukt (6) zugegeben. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens werden die Edukte komprimiert (3b) und die Reaktion eingeleitet. Diese kann durch die Verwendung eine Vorrichtung zur Zuführung zusätzlicher Energie (42), wie eine Zündkerze, eines Laserimpulses, einer Koronaentladung oder Mikrowellenstrahlung verbessert, bzw. genau gesteuert bzw. geregelt werden. Im anschließenden Ausschiebetakt (3c) werden die Produkte (8) aus dem Reaktor ausgeleitet. Die Zuführung zusätzlich zur Kompressionsenergie zugeführte Energie und die separate Zuführung von Edukten in den Reaktionsraum ist nicht auf den Zweitaktapparat beschränkt, sondern kann auch bei Vier- und Vier+2*X- Taktapparaten eingesetzt werden.
In 4 ist eine Abwandlung der in 1 gewählten Anordnung zur Anhebung der Ausbeute und/oder des Selektivität dargestellt. Hierbei wird stromab der Reaktoren ein Produktstrom entnommen und dieser Teilproduktstrom (52), zusammen mit den Edukten (6,7) den Reaktoren (1) zugegeben. Er kann über eine geeignete Fördervorrichtung (51), wie z.B. einen Kompressor oder ein Gebläse, gefördert werden. Auch eine Regelung dieses rückgeführten Produktstroms mit geeigneten Regelorganen, wie Ventile oder Klappen, ist umsetzbar (nicht dargestellt). Um die Ausbeute bzw. die Selektivität weiter zu erhöhen, kann es sinnvoll sein, gezielt Produkte (8a) aus diesem Strom über eine Abscheidevorrichtung (53) auszuschleußen. Insbesondere dann, wenn der Produktstrom (8) noch hohe Mengen an Edukten oder unerwünschten Zwischenprodukten oder Endprodukten enthält. Bei der Herstellung von Methan mit Hilfe von CO und/oder CO₂ sowie H₂ handelt es sich hierbei beispielsweise um Wasser, das aus dem Kreislauf ausgeschleust wird. Zusätzlich kann CH₄ ausgeschleußt werden, so dass nur noch unverbrauchte Edukte und unerwünschte Nebenprodukte wieder zurückgeführt werden.
Beim Start der Kompressionsreaktoren ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Ventil (88) und gegebenenfalls das Ventil (88a) zu schließen oder zumindest den Durchfluss über diese zu drosseln, so dass die Menge des rückgeführten Teilproduktstroms (52) angehoben wird, um die Kompressionsreaktoren, wie oben beschrieben, aufzuwärmen.
Ein ähnlicher Aufbau ist in 5 dargestellt, allerdings ist hier der Abscheider (53) im Hauptproduktstrom angeordnet, so dass die Abtrennung des Produkts für den gesamten Produktstrom umgesetzt wird.
Die 6 zeigt eine Ausführung zur Anhebung des Eduktdrucks über einen Verdichter (71). Das komprimierte Edukt (7) wird anschließend den Reaktoren zugeführt. Das wenigstens zweite Edukt (6) kann dem Edukt (7) stromauf des Verdichters zugeführt werden (nicht dargestellt), oder direkt vor den Reaktoren oder direkt über ein vom Einlassventil unabhängiges Ventil in die Reaktoren zugegeben werden. Der Verdichter (71) ist über eine Welle (73) mit einer Turbine (72) verbunden, über die der Produktstrom (8) von einem hohen auf einen niedrigeren Druck entspannt wird. Die dabei freiwerdende Energie wird somit zu einem großen Teil wieder für die Verdichtung der Edukte verwendet, wodurch der Wirkungsgrad des Verfahrens angehoben wird. Der Eduktdruck und damit der Druck in den Reaktorräumen kann durch geeignete Vorrichtungen, wie z.B. Abblasen des Edukts von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite des Verdichters über ein geeignetes Regelorgan (75) (Verdichterbypass), Abblasen des Produkts von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite der Turbine über ein geeignetes Regelorgan (76) (Turbinenbypass), variable Turbinengeometrie und/oder eine variable Verdichtergeometrie variiert werden. Um den Druck weiter anzuheben, kann zudem der Verdichter zusätzlich elektrisch angetrieben werden und/oder ein weiterer Verdichter innerhalb des Eduktstroms angeordnet sein. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung zudem, wenn die Anlagenauslegung so erfolgt, dass der Druck auf der Eduktseite niedriger ist als auf der Produktseite, da hierdurch Produkt, das auf die Eduktseite zurückgeführt wird (52), ohne eine Fördervorrichtung, wie Kompressoren, Gebläse oder Pumpen auf die Eduktseite strömt. Die Menge kann dabei über eine variable Drosselvorrichtung (74) und eine elektronische Kontrolleinheit variiert bzw. geregelt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens die Temperatur eines Edukts bzw. des dem Reaktor rückgeführten Produkts mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinrichtung und Kühlern oder Heizern gesteuert oder geregelt wird.
Die 7 und 8 zeigen eine Hintereinanderschaltung mehrerer Reaktoren (1) und (1a). Dabei können sich die Reaktoren (1) und (1a) in ihrer Geometrie, wie Kolbengeometrie, Durchmesser und/oder Hub, oder in Ihren Betriebsparametern, wie Temperatur, Druck und/oder zusätzlich zugeführte Energie unterscheiden. Hierdurch ist es möglich, ein Zwischenprodukt (8b), das die ersten Reaktoren (1) verlässt, mit geänderten Reaktionsbedingungen weiter zu verarbeiten, so dass sich das Endprodukt (8) ergibt. Zwischen den beiden Reaktoren kann ein weiteres Edukt (81) zugeführt und/oder ein Zwischenprodukt (8c) abgeführt werden.
So kann beispielsweise in den ersten Reaktoren (1) aus CO₂ und H₂ Methanol erzeugt werden, CO₂ + 3H₂ --> CH₃OH + H₂O während in den zweiten Reaktoren (1a) unter Abspaltung von H₂O aus Methanol (8b) Dimethylether (DME) gebildet werden kann. 2 CH₃OH --> CH₃-O-CH₃ + H₂O
Zwischen den beiden Reaktoren wird ein Zwischenprodukt, in diesem Fall H₂O, aus der ersten Reaktion abgeführt (8c). Dies dient dazu, das Gleichgewicht auf die Seite von DME zu verschieben. Dies kann weiter verbessert werden, wenn das im zweiten Reaktor gebildete Wasser aus dem Produktstrom entfernt wird (8a) und dieser wasserfreie Produktstrom (52) den Reaktorräumen (1a) wieder zugeführt wird (8).
Ein weiteres Beispiel für diese Verfahrensführung ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Methan. In einem ersten Reaktorraum findet eine Dampfreformierung statt. CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
Das entstandene CO/H₂- Gemisch wird anschließend unter Zugabe von Wasser (81) dem zweiten Reaktor zugeführt, in dem mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion weiterer Wasserstoff erzeugt wird. CO + H₂O ← → CO₂ +H₂
Die Wassergas-Shift-Reaktion kann verbessert werden, indem das im zweiten Reaktor gebildete CO₂ aus dem Produktstrom entfernt wird und dieser CO₂-freie Produktstrom (52) den Reaktorräumen (1a) wieder zugeführt wird und/oder zwischen den Reaktoren (1) und (1a) Wasserstoff (8c) ausgeschleust wird (8).
Die beiden Reaktorreihen können für den Fall, dass unterschiedliche Verweilzeiten in den beiden Reaktorreihen realisiert werden sollen, als separate unabhängige Einheiten, also separate Kolbenmaschinen, aufgebaut sein, allerdings ist es erfindungsgemäß ebenfalls möglich, beide Reihen so anzuordnen, dass deren Kolben über die Pleuelstangen (35) auf eine gemeinsame Kurbelwelle (37) wirken. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Verweilzeiten in den beiden Reaktorreihen identisch sein sollen. Um dies zu gewährleisten, sind die beiden Reihen V-förmig zueinander angeordnet, wobei der Winkel der beiden Schenkel in der 9 als „α“ gekennzeichnet ist.
In 10 ist eine Variante und ein Verfahren der in 2 dargestellten Vorrichtung dargestellt. Über die bereits in 2 beschriebenen Komponenten hinaus ist zusätzlich eine Vorrichtung (90) zur Spaltung von Wasser (96) in Wasserstoff (93) und Sauerstoff (9a) mit Hilfe elektrischer Energie dargestellt. Diese Spaltung des Wassers wird mit einem Elektrolyseur dargestellt, wobei zur Verbesserung der Ausbeuten ein Hochtemperaturelektrolyseur eingesetzt werden kann. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, kann dieser thermisch an den Produktstrom (8) und/oder die Kühlung der Kolbenmaschine (2) angekoppelt sein (hier nicht dargestellt). Das für diesen Elektolyseur notwendige Wasser (96) kann von extern zugeführt werden. Auch die Verwendung von als Produkt in den Reaktorräumen gebildetem Wasser ist möglich. Für den Fall, dass die Reaktoren eine als Generator arbeitende E- Maschine antreiben, kann die so erzeugte elektrische Energie dem Elektrolyseur zugeführt werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Anschluss am Beispiel eines Verfahrens zur CH₄ - Herstellung beschrieben. Der, den Elektrolyseur verlassende, Wasserstoff (93) wird zusammen mit CO und/oder CO₂ (6) den Reaktorräumen (1) zugeführt, wodurch CH₄ und H₂O gebildet werden und die Reaktoren verlassen (8). Anschließend wird das Wasser vom CH₄ abgetrennt (hier nicht dargestellt) und wengistens das gebildete CH₄ aufgefangen. Der durch die Elektrolyse gebildete Sauerstoff (9a) kann in einem Behälter (91) aufgefangen werden und anschließend anderen Prozessen zugeführt werden (hier nicht dargestellt). Das für die Reaktion notwendige CO bzw. CO₂ wird durch das Verbrennen von Kohlenstoff, insbesondere kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen, gewonnen.
Auf gleiche Weise wie Methan kann Ammoniak hergestellt werden, allerdings wird an Stelle von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid Stickstoff (6) zusammen mit Wasserstoff (93) den Reaktionsräumen zugeführt.
Auch eine parallele Bildung von Methan und Ammoniak ist möglich, wenn den Reaktorräumen sowohl Stickstoff, als auch CO und/oder CO₂ sowie Wasserstoff zugeführt werden. Stromab der Reaktorräume wird Ammoniak über Absorption, Adsorption oder Membranverfahren abgetrennt. Diese parallele Erzeugung von Ammoniak und Methan verdeutlicht den großen Unterschied zwischen den katalytischen Strömungs- oder Festbettreaktoren und dem erfindungsgemäßen Verfahren: Anders als bei den Strömungs und Festbettreaktoren, in den die beiden Stoffe an zwei unterschiedliche Katalysatoren mit getrennter Eduktzuführungen und damit in zwei getrennten Anlagen bzw. Schritten hergestellt werden müssen, gelingt dies gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Katalysatoren und in einer einzigen Vorrichtung. Hierdurch werden sowohl Bauraum als auch Kosten deutlich abgesenkt. Zudem ist keine aufwändige, sonst übliche Gastrennung auf Eduktseite notwendig.
In allen drei Fällen ist der Sauerstoffanteil in den Reaktorräumen zu Beginn der Reaktion zu minimieren, um hohe Selektivitäten für die gewünschten Produkte Methan bzw. Ammoniak zu erzielen. Der in der Elektrolyse hergestellte Wasserstoff (93) kann in einem Behälter (92) zwischengespeichert werden.
In 11 ist die erfindungsgemäße Regelung des Verfahrens mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit am Beispiel der Regelung der Kurbelwellendrehzahl und damit der Verweilzeit dargestellt. Generell wertet diese Kontrolleinheit entsprechende Sensoren zur Bestimmung der Edukt- und Produktzustände, wie Temperatur-, Druck-und Durchflusssensoren sowie Körperschall-, Beschleunigungs- oder Drehzahlsensoren der E-Maschine oder der Kurbelwelle aus, um einen geschlossenen Regelkreis darzustellen. Zusätzlich kann der Druckverlauf und/oder die Druckanstiegsgeschwindigkeit und/oder der Maximaldruck innerhalb der Reaktionsräume mit Hilfe von Drucksensoren von der Kontrolleinheit erfasst werden. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, die Produktzusammensetzung ebenfalls mit entsprechenden Sensoren, wie NH₃, CO₂, CO, CH₄- Sensoren und/oder mit Hilfe von Analysatoren, wie Gaschromatographen, IR-, UV-, FID-Analysatoren, FTIR- und/der Massenspektrometern zu bestimmen. Ist die so bestimmte Ausbeute zu gering, wird die Drehzahl abgesenkt, um die Verweilzeit anzuheben. Ist dagegen die Selektivität zu gering, wird die Drehzahl angehoben und damit die Verweilzeit abgesenkt. Wie oben beschrieben, eignen sich auch andere Prozessparameter, wie rückgeführte Produktmenge, Eduktdrücke, Edukttemperaturen, Produkttemperaturen, Produktdrücke, variable Verdichtungsverhältnisse, Zeitpunkt der zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Höhe der zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Anzahl der pro Takt zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Eduktmengen, Ventilsteuerzeiten (für Ein- und/oder Auslassventile), Zeitpunkt des direkt in den Reaktorraum zugeführten Edukts, Anzahl der Takte, Kurbelwellendrehzahl, Drehzahl der E- Maschine, Temperatur des rückgeführten Produkts etc. (hier nicht dargestellt), um die Reaktion in gewünschtem Maße mit Hilfe der elektronischen Kontrolleinheit und geeigneter Aktuaturen, wie zu beeinflussen.
In 12 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in mindestens zwei unterschiedlichen Modi zur Erzeugung unterschiedlicher Produkte betrieben werden kann, sowie das zugehörige Verfahren dargestellt. Die einzelnen Reaktorräume (1) sind in Reihe angeordnet und von einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Gemeinsam bilden sie eine Hubkolbenmaschine (2). Über eine Welle (5) wird die von den Reaktoren abgegebene oder den diese zuzuführende Kompressionsenergie an oder von eine E-Maschine (4) übertragen. In einem ersten Modus werden diesem die Edukte (9) und (19) über die geöffneten Ventile (13) und (14) zugeführt und über das Ventil (15) einen Behälter (10) abgeführt. Die Ventile (11), (12), (17), (16) sind in diesem Modus geschlossen. Im zweiten Modus werden die Ventile (13), (14) und (15) geschlossen und die Ventile (11), (12) und (16) geöffnet. Dadurch werden die Edukte (6) und (7) den Reaktoren zugeführt, die Produkte (8) von den Reaktoren (1) abgeführt und in einem zweiten Behälter (3) aufgefangen. Um eine Überhitzung des Apparats zu vermeiden wird dieser über ein geeignetes Kühlmedium, wie z.B. Wasser, gekühlt. Bei der Bildung mehrerer Produkte ist stromab der Vorrichtung eine Trennung der einzelnen Produkte, z.B. über Membranverfahren, Gaswäsche, Extraktion, Rektifikation, Adsorption, Kondensation, angeordnet (hier nicht dargestellt). Dies wird z.B. dann relevant, wenn als Edukte Gase zugeführt werden, die aus einer Oxidationsreaktion mit Luft, wie sie z.B. bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Modus eins entstehen. Hierbei bilden sich zum einen CO und CO₂, zusätzlich sind jedoch noch große Mengen an N₂ enthalten, die an der Verbrennung nicht teilnehmen. Wird dieses Gemisch dem Reaktionsraum zusammen mit H₂ zugeführt, entstehen Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Methan, aber auch Wasser und NH₃. Dieses NH₃ lässt sich einfach mit Hilfe in Wasser, das in einer Kolonne im Gegenstrom oder Gleichstrom geführt wird, bei Temperaturen unter 30°, bevorzugt unter 20°C, äußerst bevorzugt unter 15°C absorbieren. Dieses Wasser wird anschließend ausgeleitet und erwärmt, um das NH₃ wieder auszutreiben, wodurch das Wasser „regeneriert“ wird, so dass es wieder NH₃ aufnehmen kann. Anschließend wird es abgekühlt und wieder dem Produktstrom zur Absorption von weiterem NH₃ zugeführt. Da das in der Reaktion entstandene Wasser auf diese Art ebenfalls von den Kohlenwasserstoffen getrennt wird, wird es abgeführt, da ansonsten die im Kreis geführte Wassermenge ansteigen würde. Die für die Desorption von Ammoniak notwendige Wärmemenge kann durch thermische Ankopplung der Desorption an den Produktstrom stromauf des Wäschers und/oder an das Kühlmedium des Reaktors aufgebracht werden. In 12 ist zudem eine weitere mögliche erfindungsgemäße Ausgestaltung dargestellt: Im ersten Modus werden zumindest Teile des Produktstroms in einem Behälter (10) gespeichert. Die restlichen Produktbestandteile werden dagegen in die Umgebung oder einen weiteren Behälter (nicht dargestellt) abgeführt. Da die Trennung von Gasen und Fluiden Stand der Technik ist, wird hiermit auf diese Verfahren verwiesen. Im zweiten Modus wird das Ventil (17) geöffnet und so das Produkt aus dem Modus eins dem Reaktor als Edukt im Modus zwei zugeführt.
Die Ansteuerung der entsprechenden Ventile und die Regelung des gesamten dargestellten Verfahrens erfolgt über eine elektronische Kontrolleinheit (hier nicht dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8691079 B2 [0001]
US 2814551 [0001]
US 2814552 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lim, Emmanuel G. et al. „The Engine Reformer: Syngas Production in an Engine for Compact Gas-to-Liquids Synthesis.“ The Canadian Journal of Chemical Engineering 94.4 (2016): 623-635 [0001]

Claims

Verfahren zur Optimierung der Ausbeute und/oder der Selektivität wenigstens eines Produkts, das mit Hilfe wenigstens eines gepulsten Kompressionsreaktors, insbesonder eines Rotationskolbenreaktors oder wenigstens zweier mechanisch über eine Welle (37) gekoppelter gepulster Hubkolbenkompressionsreaktoren (1, 1a), erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben oder die Welle der Hubkolbenkompressionsreaktoren mit einer E-Maschine (4) verbunden ist, und mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit Ist-Werte des Kompressionsreaktors und/oder der Produkte und/oder der Edukte über Sensoren und/oder mathematische Modelle bestimmt werden und mit in der elektronischen Kontrolleinheit abgelegten Soll-Werten verglichen werden und die elektronische Kontrolleinheit diese Sollwerte durch Verändern wenigstens eines, vorteilhaft wenigstens zweier, äußerst vorteilhaft mindestens dreier Betriebsparameter des wenigstens einen Kompressionsreaktors eingeregelt und wenigstens eines der entstehenden Produkte einen Heizwert von mindestens 12MJ/kg, vorteilhaft von mindestens 20MJ/kg, äußerst vorteilhaft von mindestens 30MJ/kg aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenreaktoren als ZweiTakt-Maschine oder Vier-Takt- Maschine oder Vier+2*X-Maschine betrieben werden, wobei im Vier+2*X Betrieb dem dritten Takt einer Vier-Taktmaschine eine Anzahl x Kompressions- und Expansionszyklen nachgeschaltet sind, bevor die Produkte aus dem Reaktionsraum ausgeschoben werden, wobei x eine Element der natürlichen Zahlen ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Reaktionsraums (1) ein Teilproduktstrom oder wenigstens ein Produkt (8) oder wenigstens ein Edukt dem Gesamtstrom entnommen und dem Reaktionsraum wieder zugeführt wird (52).
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktorraum (1) wenigstens ein Stoff, insbesondere ein Katalysator, zur Beschleunigung der Reaktion und/oder Absenkung der Aktivierungsenergie zugeführt wird und es sich bei diesem Stoff nicht um einen Feststoff handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsraum (1,1a) bei geschlossenen Reaktorein- und Reaktorauslässen (bei Vier- und Vier+2*X- Apparaten: 33, 38) unabhängig von der Kompressionsenergie zusätzlich Energie, insbesondere in Form elektrischer Funken, Laserpulse oder Mikrowellen, und/oder wenigstens eine weitere flüssige oder gasförmige Verbindung, insbesondere ein Katalysator, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer elektronischen Kontrolleinheit wenigstens eine, vorteilhaft mindestens zwei, äußerst vorteilhaft mindestens drei der folgenden Betriebsparameter verändert werden: Ventilöffnungszeiten des wenigstens einen Reaktoreinlassventils, Ventilöffnungszeiten des wenigstens einen Reaktorauslassventils, Ventilschließzeiten des wenigstens einen Reaktoreinlassventils, Ventilschließzeiten des wenigstens einen Reaktorauslassventils, Eduktmengen, Drehzahl der E-Maschine, Kurbelwellendrehzahl, Eduktdruck wenigstens eines Edukts, Edukttemperatur wenigstens eines Edukts, Eduktzusammensetzung, von der Produktseite auf die Eduktseite rückgeführte Produktmenge, von der Produktseite auf die Eduktseite rückgeführte Menge an unverbrauchtem Edukt, Temperatur der rückgeführten Produkte, Temperatur der rückgeführten Edukte, Variation der Taktanzahl der Hubkolbenkompressionsreaktoren, Verdichtungsverhältnis, Zeitpunkt einer, unabhängig von der Kompressionsenergie, zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Energiemenge der, unabhängig von der Kompressionsenergie, zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Zeitpunkt der Zugabe eines Stoffes, insbesondere eines Katalysators, zur Absenkung der, Aktivierungsenergie, Menge des zur Absenkung der Aktivierungsenergie zugegebenen Stoffes, Anzahl der pro Takt, unabhängig von der Kompressionsenergie, zusätzlich zugeführten Aktivierungsenergie, Taktanzahl, Zeitpunkt der Zugabe von über ein vom Reaktoreinlassventil unabhängig direkt in den Reaktorraum zugegebenen Edukts, Anzahl der Zugabe pro Takt über ein vom Reaktoreinlassventil unabhängig direkt in den Reaktorraum zugegebenen Edukts und wenigstens eines der entstehenden Produkte aufgefangen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung oder Steuerung der Reaktoren auf Sollwerte in der elektronischen Kontrolleinheit mit Hilfe von wenigstens eines dieser Sensoren und/oder Analysatoren als Ist-Werte erfolgt: Edukttemperatursensor, Eduktdrucksensor, Produkttemperatursensor, Produktdrucksensor, Reaktordrucksensor, Reaktordruckanstiegssensor, Körperschallsensor, Drehzahlsensor, Beschleunigungssensor, Eduktdurchflusssensor, Produktdurchflusssensor, Analysator zur Bestimmung der Produktzusammensetzung, NH₃- Sensor, CO₂- Sensor, CO- Sensor, CH₄-Sensor, Gaschromatograph, IR- Analysator, UV- Analysator, FID-Analysator, FTIR-Spektrometer, Massenspektrometer
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Start der Kompressionsreaktoren (1, 1a) diese über die E- Maschine (4) angeschleppt werden und die Zuführung wenigstens eines Edukts so lange unterbunden wird, bis in den Reaktorräumen (1,1a) eine für die Reaktion ausreichende Temperatur erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Reaktorräumen (1) wenigstens eine, vorteilhaft wenigstens zwei, der folgenden Verbindungen oder deren Folgeprodukte zugeführt wird: N₂, H₂, CO, CO₂. Aldehyde, insbesondere HCHO, Alkohole, insbesondere Methanol und Ethanol, Schwefel, Alkane, insbesondere Methan und Ethan, Alkene, insbesondere Ethen, Alkine, insbesondere Ethin, NH₃, H₂O.
Vorrichtung zur Umsetzung des in den Ansprüchen 1 bis 9 beschriebenen Verfahrens.