DE102023201806A1

DE102023201806A1 - Reaktor-Wärmeübertrager-Einheit

Info

Publication number: DE102023201806A1
Application number: DE102023201806.3A
Authority: DE
Inventors: Claus Krusch
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2024-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Reaktor (1) aufweisend: fächerförmig angeordnete Kanäle (20, 20P, 20W), die in radialer Umfangsrichtung zueinander benachbart sind und die sich in einer Axialrichtung (2) erstrecken und durchströmbar sind, wobei der Reaktor (1) in Axialrichtung (2) aufgeteilt ist in einen mittleren Reaktionsabschnitt (30) und zwei äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36), wobei in dem Reaktionsabschnitt (30) eine Reaktion von Produkten des Stoffstroms (53, 63) stattfinden kann, wobei die Kanäle (20, 20W, 20P) als Produktkanäle (20P) entweder für Stoffströme (53, 63) oder für Wärmekanäle (20W) für Wärmeströme (41, 42) verwendet werden, wobei die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen (20W) die notwendige Energie (TH) für eine Reaktion von Ausgangsprodukten im Stoffstrom (53, 63) in dem Produktkanal (20P) in dem Reaktionsabschnitt (30) liefern können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Design einer keramischen Reaktor-Wärmeübertrager-Einheit, insbesondere für eine Wasserstoff (H₂)-Erzeugung.
In vielen Bereichen der chemischen Prozesstechnik kommen Reaktoren, Katalysatoren, Wärmeübertrager und Verdampfer zum Einsatz, um Stoffe zu spalten oder zu synthetisieren. Das Grundprinzip solcher Anlagen basiert auf der räumlichen Trennung von Stoffströmen und die Übertragung von Wärmeenergie durch die Reaktorstruktur. Häufig sind zur Aktivierung dieser Prozesse hohe Temperaturen, ggf. erhöhte Drücke und die Anwesenheit eines Katalysators erforderlich. Zwei Beispiele für solchen chemischen Prozesse sind die Dampfreformierung und die Ammoniakaufspaltung zur Herstellung von Wasserstoff (H₂) aus Kohlenwasserstoffen wie z. B. Methan (CH₄) und Ammoniak (NH₃).
Bei der Dampfreformierung (Steam Reforming) werden Kohlenwasserstoffe in einem Pre-Reformer mit Wasserdampf bei einer Temperatur von 723K - 773K und einem Druck von 2,5 MPa - 3MPa zu Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgespalten. In einem zweiten Schritt werden Methan und Wasserdampf in einem Reformer bei einer Temperatur von 1073K - 1173K und einem Druck von 2,5 MPa - 3MPa an einem Nickel-Katalysator zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt.
Bei der Ammoniak Spaltung (Ammonia Cracking) wird Ammoniak verdampft, erhitzt und in einem Reaktor (Cracker) bei einer Temperatur von 1193K und einem Druck von > 0.1MPa vorzugsweise an einem Nickel-Katalysator zu Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten.
Für diese beiden endothermen Prozesse ist jeweils Wärmeenergie durch elektrische Beheizung oder einen integrierten Brenner zuzuführen. Bei beiden Beispielen handelt sich um Hochtemperaturprozesse, bei denen der Wirkungsgrad von den Wärmeverlusten bzw. dem Wärmemanagement abhängt.
Eine besondere Herausforderung stellt der Korrosionsangriff durch die Ausgangsmedien (Kohlenwasserstoffe, Wasserdampf, Ammoniak) und durch die Reaktionsprodukte (Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff) an die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Reaktorwerkstoffe.
Sofern der Wärmeeintrag nicht durch elektrische Beheizung erfolgt, ergibt sich durch eine Beheizung durch einen Brenner die zusätzliche Anforderung der Beständigkeit gegen oxidierende Atmosphäre.
Anlagen zur Ammoniak-Spaltung existieren derzeit nur im Leistungsbereich < 100kg H₂/h und sind ähnlich aufgebaut wie Dampfreformierer.
Metallbasierte Anlagenkonzepte zur Dampfreformierung werden in der Regel mit Schüttungen meistens stranggepresster keramischer Profile (Pellets), die mit dem Katalysatorwerkstoff beschichtet oder bedampft werden, betrieben. Aufgrund der Strömungsführung durch solche zufällig angeordneten Katalysatorschüttungen weisen die Katalysatoren aufgrund der (konstruktiv gewollten) Verwirbelungen signifikante Strömungswiderstände bzw. Druckverluste auf.
Die Pellet-Schüttungen werden in der Regel in von außen beheizten Rohren oder von innen beheizten Doppelrohren untergebracht. Diese Bauformen weisen ein ungünstiges Verhältnis der inneren Reaktoroberfläche zur äußeren Mantelfläche auf. Der Wärmeübergang vom beheizten Rohr auf die Pellet-Schüttung zur Aufrechterhaltung der endothermen Spaltreaktion wird aufgrund der systembedingt kleinen Kontaktfläche beeinträchtigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor mit verbesserter Wärmeübertragung gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen

1 eine Aufsicht auf einen Reaktor,
2 Strömungskanäle eines Reaktors,
3 eine Aufteilung des Reaktors in seine Funktionsabschnitte,
4 Strömungsverlauf eines Wärmestrom führenden Kanals
5,6 Strömungsverläufe des Stoffstroms
7,8 Anordnung der Wärmestrom und Stoffstrom führenden Kanäle,
9 eine 2D Aufsicht auf Kanäle.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Das Ziel bzw. die Hauptanforderung besteht darin, eine angepasste Wärmeübertragungsleistung mit möglichst hohem Wirkungsgrad und möglichst geringem Strömungswiderstand bzw. Druckverlust zu erzielen.
Konstruktiv und prozesstechnisch ergeben sich weitere wesentliche Anforderungen an die Gestalt und Beschaffenheit eines Reaktors. Ein hoher Wirkungsgrad wird begünstigt durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Reaktorwerkstoffs und eine große innere Wärmeübertrager-Oberfläche (Wärmeübertragung) bei möglichst geringer äußerer Oberfläche (Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion) sowie der Forderung nach möglichst geringen Wärmeverlusten durch die ausströmenden Reaktionsprodukte.
Es wird eine insbesondere 3D-gedruckte keramische Reaktor-Wärmeübertrager-Einheit vorgeschlagen. Der Entwicklungsfortschritt des 3D-Drucks mit keramischen Werkstoffen ermöglicht es, deren vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere unter hohen Einsatztemperaturen und unter dem Einfluss korrosiver Atmosphären für Bauteile mit spezifischen Geometriefreiheitsgraden zu nutzen. Der 3D-Druck bietet verfahrensspezifische Geometriefreiheitsgrade, die durch konventionelle Fertigungsverfahren nicht darstellbar sind. Insbesondere für die Herstellung einer aus vielen Strömungskanälen bestehenden Reaktor-/Wärmeübertrager-Struktur erscheint der 3D-Druck vorteilhaft. Damit sind große innere Reaktoroberflächen, z.B. mit runden (wie bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager) oder rechteckigen (wie bei einem Platten-Wärmeübertrager) Strömungsquerschnitten realisierbar. Durch die definierte Strömungsführung ergibt sich ein geringer Strömungswiderstand bzw. ein geringer Druckverlust.
Zur Erhöhung der Wärmeübergänge können Turbulatoren innerhalb der Strömungskanäle im Herstellungsprozess realisiert werden.
Das Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit, Reaktor, also die Stoffströme, und vorgeschalteten Wärmeübertrager, also die Wärmeströme, als integrierte Einheit herzustellen. Einer der Hauptvorteile einer solchen Bauform ist insbesondere ein günstiges Verhältnis der inneren Reaktor- und Wärmeübertrager-Oberfläche zur äußeren Mantelfläche.
Die 1 zeigt schematisch einen Reaktor 1.
Der Reaktor 1 weist eine Axialrichtung 2 auf.
Der Reaktor 1 weist eine äußerste Hülle 13, insbesondere in Form eines Rohres, auf.
Der Reaktor 1 und damit die äußerste Hülle 13 weisen vorzugsweise eine zylindrische Form auf.
Andere Formen, insbesondere längliche Formen, sind denkbar.
Den größten Teil des Reaktors 1 bilden die fächerförmig angeordneten Strömungskanäle 20 innerhalb der äußersten Hülle 13, die in 2 näher dargestellt sind.
Die Strömungskanäle 20 erstrecken sich in Axialrichtung 2. 2 stellt einen ausschnittsweisen Querschnitt (senkrecht zur Axialrichtung 2) der 1 dar und zeigt sehr schematisch das Wirkungsprinzip eines Reaktors 1 mit integrierter Wärmeübertragung.
Dargestellt sind Strömungskanäle 20: 20W, 20P,..., die sich auch in radialer Richtung 3 erstrecken.
Die Strömungskanäle 20 sind vorzugsweise nebeneinander fächerförmig angeordnet, hier um ein inneres Abfuhrrohr 7.
Ein Wärmekanal 20W transportiert Wärme in Axialrichtung 2 in das Innere des Reaktors 1.
Diese Wärme wird von den Ausgangsprodukten im Produktkanal 20P aufgenommen. Ebenso wird Wärme von den Endprodukten abgegeben.
Das Konzept basiert auf einen Reaktor 1 mit radial angeordneten Strömungskanälen 20, die plattenförmig oder keilförmig ausgebildet sind.
Die Wärme- und Produktstrom führenden Strömungskanäle 20 sind vorzugsweise alternierend angeordnet.
In Axialrichtung 2 ist der Reaktor 1 unterteilt in einen Reaktorabschnitt 30 in der Mitte und zwei Wärmeübertragungsabschnitte 33, 36 links und rechts des Reaktorabschnitts 30, also jeweils an beiden Enden (3).
Die Wärmeübertragungsabschnitte 33, 36 sind vorzugsweise gleich lang.
Das Verhältnis der Größe (Länge) des Reaktorabschnitts 30 im Vergleich zu einem oder den Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 hängt ab von der thermischen Auslegung.
4 zeigt den Strömungsverlauf eines Wärmestrom führenden Wärmekanals 20W.
Der Reaktor 1 weist im Inneren ein inneres Zufuhrrohr 4 und das innere Zufuhrrohr 4 umgebene, innere Abfuhrrohre 7: 7', 7" auf.
Das innere Zufuhrrohr 4 erstreckt sich vorzugsweise in Axialrichtung 2 und vorzugsweise über die gesamte Länge des Reaktors 1.
Das innere Zufuhrrohr 4 ist vorzugsweise zentral bezogen auf den Querschnitt aller Kanäle 20 angeordnet.
Die inneren Abfuhrrohre 7', 7'' erstrecken sich nur entlang der jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitten 33 (Abfuhrrohr 7''), 36 (Abfuhrrohr 7').
Die Rohre 4, 7 sind vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. In einer einteiligen Form der Reaktors 1, insbesondere wenn der Reaktor 1 gedruckt wird, sind die Rohre 4, 7 einteilig mit den anderen Strukturen des Reaktors 1 ausgebildet und als solches nicht mehr separat erkennbar, sondern nur in ihrer Funktion.
Dadurch ergeben sich zwei Strömungskanäle (4):

Ein innerer Zufuhrkanal 5 im inneren Zufuhrrohr 4 und innere Abfuhrkanäle 8` (Wärmeübertragungsabschnitt 36), 8'' (Wärmeübertragungsabschnitt 33) zwischen innerem Zufuhrrohr 4 und jeweiligen inneren Abfuhrrohren 7', 7'', die dadurch insbesondere ringförmig ausgebildet sind.

Die Strömungskanäle 20: 20W, 20P erfüllen zwei Aufgaben:

1. einen von außen (axial) zugeführten Wärmestrom 41, 42 zu leiten und
2. von außen (axial) zugeführte Stoffströme 53, 63 ( 5, 6) und Produktströme 54, 64 (5, 6) zu leiten.

Das innere Zufuhrrohr 4 und damit der innere Zufuhrkanal 5 ist damit vorzugsweise durchgängig über die Länge des Reaktors 1.
Der innere Zufuhrkanal 5 kann vorzugsweise aber auch in der Mitte des Reaktorabschnitts 30 eine innere Trennwand 14 aufweisen, um die Wärmeströme 41, 42, besser umzuleiten.
Die inneren Abfuhrrohre 7', 7'' und damit die inneren Abfuhrkanäle 8', 8" erstrecken sich jeweils nur über die Länge der Wärmeübertragungsabschnitte 33, 36.
Der Reaktorabschnitt 30 kann optional nochmals aufgeteilt werden in zwei Teile bzw. Hälften, der jeweils separat mit den Wärmeströmen 41 und 42 aus dem inneren Zufuhrrohr 4 versorgt wird. Dies kann vorzugsweise durch eine äußere Trennwand 12 im Reaktorabschnitt 30 im Wärmekanal 20W gewährleistet sein, die sich als innere Trennwand 14 ggfs. auch im inneren Zufuhrrohr 4 erstreckt.
Von dem inneren Zufuhrkanal 5 aus erstrecken sich vorzugsweise fächerförmig in radialer Richtung 3 in Umfangsrichtung um den inneren Zufuhrkanal 5 herum Wärmekanäle 20W für die Wärmeströme 41, 42.
In den Wärmekanälen 20W für die Wärmeübertragung laufen die zugeführten Wärmeströme 41, 42 in axialer Richtung 2 im inneren Zufuhrrohr 4 jeweils von außen nach innen bis zum Reaktorabschnitt 30 (3) und werden im Reaktorabschnitt 30 in radialer Richtung 3 erstmalig in die Strömungskanäle 20W in radialer Richtung 3 eingeleitet (4).
Dafür sind dann Öffnung(en) oder Schlitze so im inneren Zufuhrrohr 4 im Reaktorabschnitt 30 vorhanden, dass der Wärmeström 41, 42 aus dem inneren Zufuhrrohr 4 nur in die jeweiligen Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 strömen kann.
Die Wärmekanäle 20W sind außen umgeben von einer äußeren Hülle 10.
Diese Führung der eingehenden Wärmestrome 41, 42 hat den Zweck, den Reaktorabschnitt 30 zu beheizen und nach Durchströmung die Restwärme für die Vorheizung (5, 6) der Stoffströme 53, 63 zu nutzen.
In den Wärmekanälen 20W sind für den Wärmestrom vorzugsweise Kanalwände 11: 11', 11'' vorhanden, die sich in radialer Richtung 3 erstrecken.
Die Kanalwände 11 sind zwischen Reaktorabschnitt 30 und jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 vorhanden bzw. auf der axialen Höhe des Endes der inneren Abfuhrrohre 7. Mit den Kanalwänden 11', 11'', die sich nicht bis zur äußeren Hülle 10 erstrecken, ergeben sich Spalte 6: 6', 6" zwischen Reaktorabschnitt 30 und den Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36.
So strömt der Wärmestrom 41, 42 (4) aus dem inneren Zufuhrkanal 5 in die Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 zuerst nur in radialer Richtung 3 nach außen und dann durch die Spalte 6', 6" in den jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitt 33, 36 in radialer Richtung 3 nach innen zurück.
Durch Öffnung(en) oder Schlitze in den inneren Abfuhrrohren 7', 7'' strömt der ausgehende Wärmestrom 44, 46 in den inneren Abfuhrkanälen 8', 8" nach außen in axialer Richtung 2 weiter zurück.
Die Wärme für den Wärmestrom 41, 42 wird von beiden Stirnseiten des Reaktors 1 in den Richtungen (parallel zur axialen Richtung 2) des Reaktors 1 zugeführt.
5 zeigt den Strömungsverlauf des Stoffstroms 53 in einem Produktkanal 20P, der in einer axialer Richtung 2 verläuft.
An beiden Stirnseiten des Reaktors 1 befinden sich Zu- und Abfuhrkanäle 16: 16', 16'', durch die die Stoffströme 53 und 63 (6) von jeweils beiden Seiten in den Reaktor 1 eingeleitet werden, die ringförmige Kanäle zwischen den beiden Hüllen 10, 13 darstellen.
Der Stoffstrom 53, hier vorzugsweise das Ammoniak, wird an einer Seite durch einen Zufuhrkanal 16' zuerst in den Wärmeübertragungsabschnitt 36 eingeleitet, durchströmt dann sowohl den Reaktor 30 als auch den dann folgenden Wärmeübertragungsabschnitt 33 und tritt auf der anderen Seite durch den Abfuhrkanal 16'' als Produktstrom 54, hier vorzugsweise Stickstoff und Wasserstoff, wieder aus.
An einer Stirnseite des Reaktors 1 wird das kalte Ausgangsprodukt, vorzugsweise kaltes Ammoniak, in den vorzugsweise äußeren Ringkanal 16' zugeführt, wobei das Ammoniak in dem Wärmeübertragungsabschnitt 36 erwärmt wird und anschließend im Reaktorabschnitt 30 reagiert und hier vorzugsweise in die Produkte Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten wird.
Der Reaktor 1 ist außen von der vollkommen geschlossenen äußersten Hülle 13 umgeben.
Die äußere Hülle 10 weist im Bereich der Wärmeübertragungsabschnitte 36 Öffnungen oder Schlitze auf, durch die der Stoffstrom 53, also insbesondere das Ammoniak, in die Produktkanäle 20P im Bereich des Wärmeübertragungsabschnitt 36 strömen kann, hier in 5 in einen Produktkanal 20P.
Die heißen Reaktionsprodukte strömen dann nach dem Reaktionsabschnitt 30 als Produktstrom 54 weiter und geben dann ihre Wärme in dem folgenden und weiteren Wärmeübertragungsabschnitt 33 ab.
Der den Produktstrom 54 führende Produktkanal 20P mit den Reaktionsprodukten mündet in den äußeren Abfuhrkanal 16'', durch den der Produktstrom 54 aus dem Reaktor 1 ausströmt. Der Produktstrom 54 strömt dann wieder durch Öffnungen oder Schlitze in der äußeren Hülle 10 im Bereich des Wärmeübertragungsabschnitt 33 in den äußeren Abfuhrkanal 16'' auf der anderen Stirnseite und strömt auf der dieser Stirnseite des Reaktors 1 als Produktstrom 54 hinaus.
6 zeigt den Strömungsverlauf der Stoffströmung 63 in Richtung 42.
Ein Stoffstrom 63 wird an der Austrittsseite von Produktstrom 54 durch einen äußeren Zufuhrkanal 16 in den Wärmeübertrager 33 eingeleitet, durchströmt den Reaktor 30 und den Wärmeübertrager 36 und tritt auf der anderen Seite durch einen Kanal wieder aus.
An dieser Stirnseite wird also ebenso kaltes Ammoniak als Stoffstrom 63 zugeführt, der in dem anderen Wärmeübertragungsabschnitt 33 erwärmt wird, also u.a. von in 5 erwähnten warmen Produktstrom 54, und wird anschließend im Reaktorabschnitt 30 in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten.
Ein Stoffstrom 53, 63 wird also in beiden Axial-Richtungen durch die Reaktor-Wärmetauscher-Abschnitte geführt, in Richtung des Wärmestroms 41 und entgegengesetzt dazu bzw. in Richtung des Wärmestrom 42 und entgegengesetzt dazu.
Die heißen Reaktionsprodukte geben dann ihre Wärme in dem Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 an die jeweils anderen Stoffströme 53, 63 ab und strömen auf der anderen Stirnseite als Produktstrom 54, 64 aus.
Durch Anpassung der baulichen Länge der Wärmeübertrager wird die Wärmeübertragungsleistung beeinflusst. Die Länge der Wärmeübertrager ist aus konstruktiver Sicht so auszulegen, dass die thermisch induzierten Spannungen infolge des Temperaturunterschieds des einströmenden „kalten“ Prozessgases und der ausströmenden „heißen“ Reaktionsprodukte sowie der Restwärme aus dem Reaktor die Festigkeitsgrenze des keramischen Werkstoffs nicht überschreiten. Außerdem ist die Wärmetauscher Fläche so zu dimensionieren, dass die ausströmenden Reaktionsgase das für einen potenziellen Nachbehandlungsschritt (Filterstufe) erforderliche Temperaturniveau aufweisen.
7 zeigt einen Schnitt und Aufsicht entlang der Linie VII-VII in 4, 5.
Über einen Wärmekanal 20W wird ein Wärmestrom 46 durch den Wärmeübertragungsabschnitt 33 geführt, nachdem er den Reaktorabschnitt 30 passiert hat und dort abgekühlt wurde. Die Strömungsführung erfolgt derart, dass der durch das innere Zufuhrrohr 4 axial eingeführte Wärmestrom 42 innen in den Reaktorabschnitt 30 geleitet wird.
Da die Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 radial außen mit den beiden Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 räumlich verbunden sind, wird der Wärmestrom zunächst radial nach au-ßen und anschließend entgegen der (axialen) Einströmrichtung in den Wärmeübertragungsabschnitt 33 geführt.
Neben den Wärmestrom führenden Wärmekanäle 20W liegen die Stoffstrom 63 und Stoffstrom 54 führenden Produktkanäle 20P. Der Produktstrom 54 durchströmte als Stoffstrom 53 den Reaktorabschnitt 30 axial.
Die Stoffströme 53, 63 werden jeweils stirnseitig in den Wärmetauscher jeweils über die äußeren Ringkanäle, den Zufuhrkanälen 16', 16'' eingeleitet.
Beim Durchströmen der Wärmeübetragungsabschnitte 33, 36 wird die Restwärme aus dem Reaktorabschnitt 30 sowie die Wärme der Reaktionsprodukte des jeweiligen Gegenstroms auf das einströmende Medium übertragen.
Anschließend durchströmen die vorgeheizten Stoffströme 53, 63 den Reaktorabschnitt 30, in dem die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme zugeführt wird und die Aufspaltungsreaktion an der katalytisch beschichteten Oberfläche des Reaktors stattfindet.
8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 4, 5.
Im inneren Zufuhrkanal 5 strömt der Wärmestrom 41, der dann in den Reaktorabschnitt 30 in den Wärmekanal 20W strömt. Dort erwärmt er die Reaktionsprodukte und strömt durch den Spalt 6` zurück in den Wärmeübertragungsabschnitt 36.
Der Stoffstrom 53 hat unter anderem diese Restwärme ausgenutzt, um sich vorzuheizen.
Danach strömt der Stoffstrom durch den Reaktionsabschnitt 30.
9 zeigt eine zweidimensionale Aufsicht auf die Strömungskanäle 20.
Mittig dargestellt ist ein Produktkanal 20P, in dem der Stoffstrom 53 von rechts nach links strömt. Die Ausgangsstoffe in diesem Produktkanal 20P sind anfangs noch „kalt“, d. h. sie weisen eine niedrige Temperatur T_c auf.
Schon im Wärmeübertragungsabschnitt 36 des Produktkanals 20 wird der Stoffstrom 53 durch den erkalteten ausgehenden Wärmestrom 44 im benachbarten Wärmestromkanal 20W vorgeschwärmt.
Im Reaktorabschnitt 30 wird der Stoffstrom 53 durch den hei-ßen Wärmestrom 44 auf Reaktionstemperatur T_H gebracht.
Nach dem Reaktorabschnitt 30 kühlt sich dann der Produktstrom 54 ab und weisen eine niedrigere Temperatur T_w auf, da keine weitere aktive Erwärmung erfolgt. Diese niedrigere Temperatur T_w reicht allerdings schon aus, um den „kalten“, gegenläufig strömenden Produktstrom 63 im benachbarten Produktkanal 20P vorzuwärmen, der in Richtung Reaktionsabschnitt 30 strömt.
Dargestellt ist auch das der Wärmestrom mit der Reaktionstemperatur T_H durch das innere Zufuhrrohr 4, der erst im Reaktionsabschnitt 30 in radialer Richtung 3 ausströmt.
Im Hinblick auf die Gestalt der Strömungskanäle 20 umfasst der Anspruch neben den dargestellten plattenförmigen Geometrien auch nicht ebene Geometrien, insbesondere wellenförmige Strömungskanäle sowie die Integration von Turbulatoren.
Als Werkstoffbasis wird vorzugsweise siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid (SiSiC) vorgeschlagen. Ferner kommen weitere oxidische und nicht-oxidische keramische Werkstoffe in Betracht, die mittels 3D-Durck gasdicht herstellbar sind.
An den Werkstoff werden neben der wesentlichen Eigenschaft der Verarbeitbarkeit durch ein 3D-Druck Verfahren eine Reihe von Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften gestellt.
Neben den Festigkeitsanforderungen im Temperaturbereich von RT bis 1373K infolge der hohen stationären und instationären thermischen Gradienten wird insbesondere eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit gefordert.
Da Nickel (Ni) ein bevorzugter und wirtschaftlich darstellbarer Katalysatorwerkstoff für die Herstellung von Wasserstoff (H₂) durch Aufspaltung von beispielsweise Ammoniak (NH₃) sollte der keramische Werkstoff mit Nickel beschichtbar oder benetzbar sein.
Im Hinblick auf die chemische Beständigkeit wird für die Ammoniakspaltung eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen das umzusetzende Medium Ammoniak und gegen die Reaktionsprodukte, insbesondere gegen Wasserstoff und Stickstoff im Temperaturbereich von 573K - 1223K und Drücken von 0.1MPa bis 50MPa.
Für die Dampfreformierung wird eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan und gegen die Reaktionsprodukte, insbesondere gegen Wasserstoff, Kohlenstoff und Wasserdampf im Temperaturbereich von 293K - 1123K und Drücken von 0.1 MPa bis 40MPa gefordert.
Um eine stoffliche Trennung der Wärme- und Stoffströme zu gewährleisten, muss der keramische Werkstoff gasdicht herstellbar sein.
Die genannten Anforderungen erfüllt bevorzugt siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid (SiSiC). Sofern andere oxidische oder nicht-oxidische keramische Werkstoffe in Zukunft mittels 3D-Druck gasdicht herstellbar sind, stellen Sie eine potenzielle Werkstoffalternative dar.
Anlagen zur Ammoniak-Spaltung existieren derzeit nur im Leistungsbereich < 100 kg H₂/h und sind, soweit bekannt, ähnlich aufgebaut wie Dampfreformierer.
Mit einem 3D-Druck Design einer keramischen Reaktor-Wärmeübertrager-Einheit kann der Wirkungsgrad durch Integration von Reaktor und Wärmeübertrager in ein thermisch isoliertes und Wärmestrom optimiertes System erhöht werden.
Der keramische 3D-Druck ermöglicht es, die vorteilhaften Eigenschaften der Keramik, insbesondere unter hohen Einsatztemperaturen und unter dem Einfluss korrosiver Atmosphären für Bauteile mit spezifischen Geometriefreiheitsgraden zu nutzen. Im Falle der Ammoniak Spaltung mit Ni-Katalysator und hohen Temperaturen deuten erste Versuchsergebnisse auf eine hohe Korrosion der metallischen Reaktorwerkstoffe, verursacht durch die Wasserstoff- und Stickstoffatmosphäre, hin. Der Einsatz von korrosions- und hochtemperaturbeständigen keramischen Werkstoffen bietet das Potenzial für signifikante Erhöhungen der Bauteillebensdauern.
Die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen Designs bestehen in

- einem hohen Wirkungsgrad durch Integration von Wärmetauscher und Reaktor und durch Reduzierung der Wärmeverluste aufgrund geringer äußerer Oberfläche,
- einer hohen Leistungsdichte bzw. einer hohen Wärmeübertragung pro Bauteilvolumen,
- einem geringen Druckverlust durch definierte Strömungsführung,
- einem schnellen Aufheizverhalten durch eine integrierte, kompakte Bauweise und reduzierte thermische Verluste und damit
- einer geringen Anschaltverzögerung (ermöglicht die Nutzung in zyklisch betriebenen Anlagen),
- einem geringen Gewicht bei Nutzung von SiSiC (ermöglicht die Nutzung für nicht-stationäre Anwendungen),
- einer hohen Korrosionsbeständigkeit gegen eine Vielzahl von Medien, insbesondere gegen den Einfluss von Wasserdampf, Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff und
- der Möglichkeit eines modularen Konzeptes, mit dem eine Skalierung für ein breites Leistungsspektrum realisierbar ist.

Claims

Reaktor (1), der insbesondere zylindrisch oder zylinderförmig ausgebildet ist, aufweisend: fächerförmig angeordnete Kanäle (20, 20P, 20W), die in radialer Umfangsrichtung zueinander benachbart sind und die sich in einer Axialrichtung (2), insbesondere der der Zylinderform, erstrecken und durchströmbar sind, wobei der Reaktor (1) in Axialrichtung (2) aufgeteilt ist in einen mittleren Reaktionsabschnitt (30) und zwei äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36), insbesondere zwei direkt benachbarten, äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36), wobei in dem Reaktionsabschnitt (30) eine Reaktion von Produkten des Stoffstroms (53, 63) stattfinden kann, wobei die Kanäle (20, 20W, 20P) als Produktkanäle (20P) entweder für Stoffströme (53, 63) oder für Wärmekanäle (20W) für Wärmeströme (41, 42) verwendet werden, wobei die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen (20W) die notwendige Energie (T_H) für eine Reaktion von Ausgangsprodukten im Stoffstrom (53, 63) in dem Produktkanal (20P) in dem Reaktionsabschnitt (30) liefern können.
Reaktor nach Anspruch 1, bei dem die Produktkanäle (20P) und Wärmekanäle (20W) so zueinander angeordnet sind, dass die Restwärme in den Wärmeübertragungsabschnitten (30, 33) zur Vorheizung benachbarter Stoffströme (53, 63) in benachbarten Kanälen (20) verwendet werden kann.
Reaktor nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, der ein insbesondere mittiges, durchgehendes inneres Zufuhrrohr (4) für Wärmeströme (41, 42) aufweist, das einen inneren Zufuhrkanal (5) bildet, das (4) so im Reaktionsabschnitt (30) mit den sich radial (3) erstreckenden Wärmekanälen (20W) verbunden ist, dass die Wärmeströme (41, 42) nur in die Kanäle (20W) im Reaktionsabschnitt (30) strömen können.
Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem im Reaktionsabschnitt (30) in den Wärmekanälen (20W) eine äußere, eine sich radial erstreckende Trennwand (12) vorhanden ist, die den Reaktionsabschnitt (30) nochmals aufteilt.
Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das innere Zufuhrrohr (4) eine innere Trennwand (14) im Reaktionsabschnitt (30) aufweist, die (14) das innere Zufuhrrohr (4) strömungstechnisch trennt.
Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, wobei die Wärmekanäle (20W) so ausgebildet sind, dass die Wärmeströme (41, 42) so gelenkt werden können, dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen können.
Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 6, bei dem der Reaktor (1) außen durch eine äußerste Hülle (13) begrenzt wird und eine innen liegende äußere Hülle (10) aufweist, so dass in den Wärmeübertragungsabschnitten (30, 33) äu-ßere Zu- und Abfuhrkanäle (16: 16', 16'') gebildet sind.
Reaktor nach Anspruch 7, der äußere, sich in Axialrichtung (2), erstreckende Zu- und Abfuhrkanäle (16, 16', 16'') aufweist, die insbesondere ringförmig ausgebildet sind, die ebenfalls mit den Kanälen (20) verbunden sind, und durch die die Produktströme (54, 64) aus den Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) ausströmen können und durch die Stoffströme (53, 63) in die Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) einströmen können.
Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem sich axial erstreckende innere Abfuhrrohre (7', 7'') das innere Zufuhrrohr (4) im Bereich der Wärmeübertragungsabschnitte (33, 36) umgeben, und so innere, insbesondere ringförmige, Abfuhrkanäle (8',8'') für die ausströmenden Wärmeströme (44, 46) bilden.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem innere, axial sich erstreckende Abfuhrrohre (7', 7") und ein Zufuhrrohr (4), mit (4, 7) sich radial (3) erstreckenden Strömungskanälen (20W, 20P) verbunden sind.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die inneren Kanäle (5, 8) durch Rohre (4, 7) gebildet werden.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die äußeren Hüllen (10, 13) durch Rohre gebildet werden.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem im Wärmekanal (20W) eine Wand (11) in radialer Richtung vorhanden ist, die mit der äußeren Hülle (10) einen Spalt (6) bildet.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, der keramisch oder metallo-keramisch ausgebildet ist, insbesondere vollständig keramisch ausgebildet oder metallo-keramisch ist.
Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, der in den Produktkanälen (20P) im Reaktionsabschnitt (30) zumindest einen, insbesondere nur einen, Katalysator auf den Kanalwänden aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Reaktors (1), insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Stoffstrom (53) auf einer Seite des Reaktors (1) in einen Produktkanal eingeleitet wird und beim weiteren Durchströmen erwärmt wird und in einem Reaktionsabschnitt (30) reagieren gelassen wird zu den Ausgangsprodukten, wobei ein weiterer Stoffstrom (63) auf der anderen Seite des Reaktor (1) parallel und im direkt benachbarten Produktkanal strömt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, während die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen(20W) umgelenkt werden, so dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 16 oder 17, bei Wärmeströme (41, 42) von beiden Seiten des Reaktors (1) in ein inneres Zufuhrrohr (4) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 16, 17 oder 18, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, wobei die Wärmekanäle (20W) so ausgebildet sind, dass die Wärmeströme (41, 42) so gelenkt werden, dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen.