DE10236019A1 - Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion - Google Patents

Abstract

Es wird ein Reaktor vorgeschlagen, der mit einem oder mehreren, den Reaktorquerschnitt vollständig ausfüllenden Heizblöcken ausgestattet ist, die gegen die Reaktorinnenwand und gegebenenfalls gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei jeder Heizblock zwei oder mehrere elektrische Anschlüsse zur Stromversorgung durch eine Stromquelle aufweist und wobei jeder Heizblock aus einem zumindest teilweise offenzelligem Schaumstoff gebildet ist, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Anschlüssen erwärmt und an das fluide Reaktionsgemisch Wärme abgibt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion mit einem oder mehreren Heizblöcken, eine Verwendung des Reaktors sowie die Verwendung einer Schaumkeramik zur Herstellung eines Heizblockes für einen Reaktor.
• Einige bedeutende Synthesen der chemischen Industrie sind endotherme, häufig katalysierte, Reaktionen. Die erforderliche Reaktionswärme wird hierbei in der Regel indirekt, über ein Wärmetauschmittel eingetragen, das zunächst Wärmetauschflächen erwärmt, die dann ihrerseits Wärme an das Reaktionsgemisch abgeben. Häufig werden hierzu Rohrbündelreaktoren eingesetzt, d.h. Apparate mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Rohren, die an beiden Enden in Rohrböden abdichtend befestigt sind, und die an beiden Enden in jeweils einer Haube enden. Über eine Haube wird das Reaktionsgemisch durch die Rohre geleitet, und über die andere Haube wieder abgezogen. Durch den Zwischenraum zwischen den Rohren wird, zur gleichförmigeren Verteilung über den Querschnitt häufig über Ringleitungen, ein Wärmetauschmittel im Gleich- oder Gegenstrom zum Reaktionsgemisch geleitet. Für diesen indirekten Wärmeeintrag muß jedoch ein Wärmetauschmittel in einem Wärmetauscher erwärmt und über Leitungen mittels Pumpen durch den Reaktor geleitet werden. Dies ist stets mit entsprechendem apparativem und energetischem Aufwand sowie Platzbedarf verbunden. Wartungs- und Sicherheitsaspekte sind zu beachten und es entstehen Personalkosten.
• Es ist bekannt, keramische Materialien mit überwiegend offenzelliger Schaumstruktur insbesondere zum Einsatz als Filtermaterial herzustellen. Ein klassisches Verfahren hierfür ist das sogenannte "Schwartzwalder-Verfahren" ( US 3,090,094 ), wonach aus einem offenzelligen Polymerschaum das gewünschte Bauteil herausgeschnitten und anschließend mit einer Suspension aus keramischen Partikeln und Wasser oder Lösungsmittel getränkt wird. Danach wird der getränkte Polymerschaum ein- oder mehrmals mechanisch ausgepresst, getrocknet und ausgebrannt. Durch Sinterung der zurückgebliebenen keramischen Beschichtung wird die offenzellige Schaumkeramik erhalten. Da die nach diesem Verfahren hergestellte offenzellige Schaumkeramik eine Abformung der zellenartigen Polymerstruktur des Ausgangsmaterials ist, werden keramische Stege mit Hohlräumen erhalten, die die Festigkeit beeinträchtigen. Hierzu schlägt die WO 97/45381 vor, die inneren Hohlräume, die Risse und die Porosität der keramischen Stege mit einer oder mehreren metallischen und/oder keramischen Phasen und/oder Glasphasen ganz oder teilweise zu füllen, wodurch die Festigkeit bedeutend zunimmt.
• Weitere bekannte Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramiken sind beispielsweise die Direktschäumung mittels Luft oder unter Einsatz eines Treibmittels.
• Die LigaFill^®-Keramik des Fraunhofer Instituts für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe ist eine Hochleistungsschaumkeramik, worin die Hohlräume in den keramischen Stegen mit einer Schmelze aus Silicium gefüllt sind. Wie ein Docht, der Wachs hochsaugt, so steigt in der Schaumkeramik die Schmelze in den engen Hohlräumen auf. Durch die gefüllten Stege ist die Schaumkeramik leitfähig. Zudem wird die Festigkeit der Struktur um bis zu 400% gesteigert. Durch Aufbringen von Siliciumcarbidpulver auf die Schaumkeramik wird eine Schaumkeramik mit dichter Siliciumcarbid-Deckschicht erhalten, die flächig kontaktiert und nach Anlegen von Gleich- oder Wechselspannung bis auf Temperaturen von 1200°C aufgeheizt werden kann.
• Die DE-A 100 44 656 beschreibt eine offenzellige Siliciumcarbid-Schaumkeramik, die hochtemperatur- und thermoschockstabil ist und beispielsweise als Volumenbrenner, Dieselrußfilter, Heizelement oder Solarreceiver eingesetzt werden kann. Die Siliciumcarbid-Schaumkeramik weist eine dreidimensional vernetzte Keramikstruktur auf, aus vielen miteinander verbundenen Stegen und zwischen den Stegen liegenden offenen Zellen, wobei die Stege im Wesentlichen aus gesintertem Siliciumcarbid mit 5 bis 30 % Porenvolumen an ganz oder im Wesentlichen ganz geschlossenen Poren mit einem mittleren Durchmesser von kleiner als 20 μm bestehen.
• Es war Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion eines gasförmigen oder gasförmig/festen Reaktionsgemisches zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile herkömmlicher Reaktoren mit indirektem Wärmeeintrag mittels eines Wärmetauschmittels nicht aufweist. Der für die endotherme Reaktion erforderliche Wärmeeintrag soll in apparativ einfacher Weise, mit hoher Gleichförmigkeit über den Reaktorquerschnitt, kostengünstig eingetragen werden.
• Die Aufgabe wird durch einen Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion eines gasförmigen oder gasförmig/festen Reaktionsgemisches gelöst, der mit einem oder mehreren, den Reaktorquerschnitt vollständig ausfüllenden Heizblöcken ausgestattet ist, die gegen die Reaktorinnenwand und gegebenenfalls gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei jeder Heizblock zwei oder mehrere elektrische Anschlüsse zur Stromversorgung durch eine Stromquelle aufweist und wobei jeder Heizblock aus einem zumindest teilweise offenzelligem Schaumstoff gebildet ist, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Anschlüssen erwärmt und an das fluide Reaktionsgemisch Wärme abgibt.
• Als gasförmig/feste Reaktionsgemische werden vorliegend gasförmige Reaktionsgemische verstanden, die auch Feststoffpartikel, beispielsweise Rußpartikel, umfassen.
• Erfindungsgemäß sind somit ein oder mehrere Heizblöcke vorgesehen, die den Reaktorquerschnitt vollständig ausfüllen. Der Querschnitt des oder der Heizblöcke entspricht somit im wesentlichen dem freien Querschnitt des Reaktors. Die Dicke der Heizblöcke, d.h. ihre Ausdehnung in Reaktorlängsrichtung, ist grundsätzlich nicht eingeschränkt, und richtet sich nach den Anforderungen der konkreten durchzuführenden Reaktionen. Die Heizblöcke müssen gegen die Reaktorinnenwand, und sofern mehrere Heizblöcke in einem Reaktor vorhanden sind, auch gegeneinander elektrisch isoliert sein. Jeder Heizblock muß zwei oder mehrere elektrische Anschlüsse zur Stromversorgung durch eine Stromquelle aufweisen.
• Erfindungsgemäß ist jeder Heizblock aus einem zumindest teilweise offenzelligen Schaumstoff gebildet, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Anschlüssen erwärmt und an das fluide Reaktionsgemisch Wärme abgibt.
• Die erfindungsgemäßen Heizblöcke sind somit aus Schaumstoffen gebildet, d.h. aus Werkstoffen mit über ihre ganze Masse verteilten Zellen und mit einer Rohdichte, die niedriger ist als die der Gerüstsubstanz (Römpp Chemie-Lexikon, 9. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Seite 4016). Die Zellen sind in der Regel mit freiem Auge sichtbar.
• Die Schaumstoffstruktur gewährleistet eine große Stoffaustauschfläche und einen hohen Flüssigkeits-Hold-Up, bei kleinem Druckverlust.
• Der Schaumstoff muß, um vom fluiden Reaktionsgemisch durchströmt werden zu können, zumindest teilweise offenzellig sein, d.h. einen Anteil an offenen Zellen von mindestens 30%, bevorzugt von mindestens 60%, besonders bevorzugt von mindestens 80%, aufweisen.
• Darüber hinaus muß sich der Schaumstoff bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Anschlüssen erwärmen und an das fluide Reaktionsgemisch Wärme abgeben. Dies bedeutet, daß der Schaumstoff die Widerstandscharakteristik eines elektrischen Heizelementes aufweisen muß. Für eine gute Wärmeabgabe an das den Schaumstoff durchströmende fluide Reaktionsgemisch muß er darüber hinaus eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
• Hierfür können grundsätzlich die in der Elektrotechnik zur Herstellung von elektrischen Heizelementen üblichen metallischen Materialien eingesetzt werden.
• Vorzugsweise kann als Schaumstoffmaterial auch eine Keramik verwendet werden, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmt.
• Besonders bevorzugt kann hierfür die SiC-LigaFill^®-Schaumkeramik des Fraunhofer Institutes für keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS) eingesetzt werden. Diese Schaumkeramik hat den Vorteil einer hohen Temperatur- und Korrosionsfestigkeit sowie einer hohen Wärmeleitfähigkeit, von etwa 100 W/mK.
• Bei geeigneter Widerstandscharakteristik des Schaumstoffes ist es gleichermaßen möglich, denselben durch Anlegen einer Gleich- oder einer Wechselspannung zu erwärmen.
• Sofern mehrere Heizblöcke im Reaktor vorgesehen sind, kann es vorteilhaft sein, jeden Heizblock getrennt beheizbar auszubilden.
• Es ist möglich, jeden Heizblock einheitlich beheizbar auszugestalten, d.h. ohne Variation der Erwärmung in unterschiedlichen Bereichen des Heizblockes. Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen oder mehrere der Heizblöcke dergestalt auszubilden, daß er (sie) über seinen (ihren) Querschnitt jeweils mehrere Zonen aufweist (aufweisen), die getrennt beheizbar sind.
• In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Reaktor zur Durchführung von katalytischen endothermen Reaktionen eingesetzt werden. Hierfür ist der Schaumstoff, aus dem der Heizblock gebildet ist, aus einem katalytisch aktiven Material hergestellt, oder er fungiert als Träger für ein katalytisch aktives Material.
• Dabei kann beispielsweise von einer Lösung oder Suspension eines katalytisch aktiven Materials ausgegangen werden, die in geeigneter Weise, beispielsweise durch Tauchen, auf den Schaumstoffträger aufgebracht wird. Das katalytisch aktive Material kann auch beispielsweise in Form eines Aerosols vorliegen, das durch den Schaumstoffträger durchgeleitet wird. Nachdem das katalytisch aktive Material auf den Schaumstoffträger aufgebracht wurde, kann vorteilhaft ein Calcinierschritt mit Heißgas, insbesondere mit Luft, bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 200 und 700°C, angeschlossen werden.
• Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer zumindest teilweise offenzelligen Schaumkeramik, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmt, zur Herstellung eines Heizblockes für einen oben beschriebenen Reaktor.
• Hierfür wird bevorzugt ein zumindest teilweise offenzelliger Schaumstoff eingesetzt, dessen Gesamtporosität im Bereich von 55 bis 99%, insbesondere im Bereich von 75 bis 90%, liegt.
• Der oben beschriebene Reaktor mit Heizblöcken aus zumindest teilweise offenzelligem Schaumstoff kann bevorzugt zur Dehydrierung von Propan oder Ethylbenzol, zur Herstellung von Blausäure durch thermische Spaltung von Formamid, zur Herstellung von Anilin oder zur Herstellung von Melamin eingesetzt werden.
• Der oben beschriebene Reaktor kann weiter bevorzugt zur thermischen katalytischen Abgasreinigung eingesetzt werden.
• Besonders bevorzugt ist die Verwendung zur kontinuierlichen Abgasreinigung für Anlagen zur Synthese von Phthalsäureanhydrid, insbesondere mit Wärmerückgewinnung aus dem Abgas in einem nachgeschalteten Wärmetauscher, wobei die zurückgewonnene Wärme bevorzugt zur Erzeugung von Dampf eingesetzt werden kann, der wiederum bevorzugt zur Stromerzeugung für die Beheizung des oder der Heizblöcke des Reaktors verwendet werden kann.
• Der Reaktor kann weiter bevorzugt als Filterelement für Ölfeuerungsanlagen mit thermischer Reinigung eingesetzt werden.
• Bevorzugt ist auch der Einsatz als Reformer zur Herstellung von Wasserstoff, insbesondere als Brennstoffzelle in Kraftfahrzeugen.
• Der erfindungsgemäße Heizblock aus zumindest teilweise offenzelligen Schaumstoffen ermöglicht einen gezielten Wärmeeintrag an der Oberfläche des Schaumstoffes und somit direkt an den Reaktionszentren. Die Wärmeleitungswege sind kurz und die Wärmeübertragungsfläche ist durch die hohe spezifische Oberfläche des Schaumstoffes hoch. Durch die Zellstruktur wird ein gleichmäßiger, gut regelbarer Wärmeeintrag in das fluide Reaktionsgemisch gewährleistet. Die Schaumstoffstruktur ermöglicht eine hohe Stoffaustauschfläche und somit einen guten Stoffübergang bei geringem Druckverlust. Infolge hoher Oberflächentemperaturen des Schaumstoffes sind Ablagerungen vermindert. Es ist auch möglich, durch kurzzeitiges Erwärmen auf Temperaturen oberhalb der für die Durchführung der endothermen Reaktion erforderlichen Temperatur gegebenenfalls gebildete Ablagerungen abzubrennen.

Claims (15)

1. Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion eines gasförmigen oder gasförmig/festen Reaktionsgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem oder mehreren, den Reaktorquerschnitt vollständig ausfüllenden Heizblöcken ausgestattet ist, die gegen die Reaktorinnenwand und gegebenenfalls gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei jeder Heizblock zwei oder mehrere elektrische Anschlüsse zur Stromversorgung durch eine Stromquelle aufweist und wobei jeder Heizblock aus einem zumindest teilweise offenzelligem Schaumstoff gebildet ist, der sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den elektrischen Anschlüssen erwärmt und an das fluide Reaktionsgemisch Wärme abgibt.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heizblock getrennt beheizbar ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Heizblock einheitlich beheizbar ist.
4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Heizblöcke über seinen (ihren) Querschnitt jeweils mehrere Zonen aufweist (aufweisen), die getrennt beheizbar sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff eine Keramik ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff ein metallischer Werkstoff ist.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff, aus dem der Heizblock (die Heizblöcke) gebildet ist (sind), katalytisch aktiv ist oder als Träger für ein katalytisch aktives Material fungiert.
8. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Dehydrierung von Propan oder Ethylbenzol oder zur Herstellung von Blausäure durch thermische Spaltung von Formamid, zur Herstellung von Anilin oder zur Herstellung von Melamin.
9. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur thermischen katalytischen Abgasreinigung.
10. Verwendung nach Anspruch 9 zur kontinuierlichen Abgasreinigung für Anlagen zur Synthese von Phthalsäureanydrid.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, worin Wärme aus dem Abgas zurückgewonnen wird, die bevorzugt zur Erzeugung von Dampf genutzt wird, wobei der Dampf vorzugsweise zur Stromerzeugung für die Beheizung des oder der Heizblöcke des Reaktors verwendet wird.
12. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Filterelement für Ölfeuerungsanlagen mit thermischer Reinigung.
13. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Reformer zur Herstellung von Wasserstoff, insbesondere Verwendung als Brennstoffzelle in Kraftfahrzeugen.
14. Verwendung einer zumindest teilweise offenzelligen Schaumkeramik, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmt, zur Herstellung eines Heizblockes für einen Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
15. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest teilweise offenzellige Schaumkeramik eine Gesamtporosität im Bereich von 55 bis 99%, bevorzugt 75 bis 90%, aufweist.