-
Die
Erfindung richtet sich auf einen elektrisch beheizten Reaktor zur
Durchführung
von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, insbesondere einer Temperatur
oberhalb 500 °C,
wobei der Reaktor einen Reaktorblock aus einem oder mehreren monolithischen
Modulen mit als Reaktionsraum ausgebildeten Kanälen umfasst und die Beheizung
durch Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung erfolgt.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung richtet sich auf ein Verfahren
zur Durchführung
von Gasreaktionen bei hoher Temperatur, insbesondere von endothermen
Gasreaktionen, unter Verwendung dieses Reaktors.
-
Zur
Durchführung
von Reaktionen in der Gasphase, welche in Anwesenheit oder Abwesenheit eines
Katalysators bei hohen Temperaturen erfolgen, meistens handelt es
sich hierbei um endotherme Gasphasenreaktionen, sind unterschiedliche
Reaktoren bekannt. Die Reaktoren unterscheiden sich unter anderem
dadurch, wie die Energie auf das umzusetzende Gas oder Gasgemisch übertragen
wird, beispielsweise durch die Verbrennungswärme eines Brenngases auf direktem
oder indirektem Wege oder mittels elektrischer Energie.
-
Aus
der
DE 35 33 385 C1 ist
ein Rohrofen zur Durchführung
von Gasreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Cyanwasserstoff
nach dem BMA-Verfahren bekannt: Der Rohrofen umfasst eine ausgemauerte
Heizkammer, in welcher keramische Rohre als Reaktionsräume angeordnet
sind. Zur Beheizung sind parallel zu den Rohren elektrische Heizelemente
angeordnet, und zudem enthält
die Kammer eine innere und eine äußere Strahlwand.
Die Heizelemente bestehen aus einem zur Widerstandsbeheizung geeigneten
Material. Wesentliche Nachteile eines derartigen Rohrofens sind
seine sehr aufwendige Konstruktion und seine Störungsanflälligkeit, weil sowohl die Reaktionsrohre
als auch die Heizelemente brechen können und demgemäß zu einer Abstellung
der Anlage zwingen.
-
Im
Bestreben den Energiebedarf bei endothermen Gasreaktionen zu vermindern,
wurde in der
DE 196
53 991 A1 vorgeschlagen, einen monolithischen Gegenstromreaktor
zu verwenden, welcher parallel zu einander verlaufende Heizkanäle und Reaktionskanäle enthält. Eine
Anregung den monolithischen Reaktor derart auszugestalten, dass
der Monolith durch Durchleiten von elektrischem Stroms beheizt wird,
lässt sich
diesem Dokument nicht entnehmen.
-
Ein
monolithischer Körper
mit einer elektrisch beheizten Aktivkohlestuktur und Einrichtungen zum
Durchleiten eines fluiden Produktstroms durch die Kanäle des Monolithen
ist aus der
EP 0 684
071 A1 bekannt. Bei diesem Reaktor befindet sich auf einem
elektrisch nicht-leitenden monolithischen anorganischen Substrat,
insbesondere einem keramischen Wabenkörper, eine kontinuierliche
ununterbrochene Aktivkohleschicht, welche durch Durchleiten eines
Stroms beheizt wird. An gegenüberliegenden Seiten
enthält
der Körper
auf der Aktivkohlestuktur Streifen aus einem leitenden Material
als Elektroden. Ein derartiger Reaktor kann in Verfahren zur Adsorption
und Desorption von Bestandteilen aus einem fluiden Produktstrom
Anwendung finden. In diesem Dokument wird ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass der monolithische Reaktor bei max. 350 °C betrieben werden soll, sofern
das durchströmende
Medium nicht inert ist. Nach der Lehre dieses Dokumentes kommt somit
ein derartiger Reaktor nicht in Betracht, wenn Gasreaktionen bei
sehr hohen Temperaturen, beispielsweise das bei oberhalb 1000 °C durchgeführte BMA-Verfahren,
durchgeführt
werden sollen. Ein Problem eines derartigen Reaktors besteht offensichtlich
darin, dass bei häufigem
Temperaturwechsel die Beschichtung abblättert. Anregungen, wie ein derartiger
Reaktor umgestaltet werden muss, um ihn für bei hoher Temperatur durchzuführende Gasreaktionen
einsetzbar sicher betreibbar zu machen, lassen sich diesem Dokument
nicht entnehmen.
-
Eine
andere Art der Beheizung eines Reaktors zur Durchführung von
Gasreaktionen bei hoher Temperatur ist aus der GB-Patentschrift
1 238 468 bekannt: In einem behälterförmigen Reaktor
sind zwei gegenüberliegende
Elektroden angeordnet, und zwecks Beheizung wird durch das im Reaktor
angeordnete Katalysatorbett aus elektrisch leitfähigen Partikeln Strom geleitet.
Einen ähnlichen
Festbettreaktor lehrt die WO 02/45837 A2, wobei der Reaktor konzentrisch
ineinander stehende Elektroden aufweist und zwischen diesen ein
Fluid durchströmbares
Festbett aus elektrisch leitfähigem
Material angeordnet ist. Als Einsatzgebiet werden das BMA-Verfahren
und Reformierungsprozesse genannt. Während Gasreaktionen bei einer
Temperatur von unter 900 °C
in einem derartigen Reaktor mit einem zur Widerstandbeheizung geeigneten
Festbett in befriedigender Weise ausgeführt werden können, treten
bei höheren
Temperaturen und insbesondere bei Reaktionen in welchen Wasserstoff
anwesend ist, zunehmend Probleme auf: Wenn das Festbett, wie in
diesem Dokument vorgeschlagen, aus einer Mischung aus einem leitenden
und einem nicht-leitenden oder halb-leitenden Material besteht,
kann es zu Strömungen
in der Stromleitung kommen.
-
Gemäß WO 95/21126
kann ein Reaktor für eine
Gesphasenreaktion in Gegenwart eines aus Teilchen gebildeten Katalysator-Festbetts
auch induktiv beheizt werden. In der vorliegenden Anmeldung wird
eine induktive Beheizung wegen des höheren technischen Aufwands,
unter anderem für
die erforderliche Abschirmung, weniger bevorzugt.
-
Gemäß NL-Patent
121 661 lässt
sich Cyanwasserstoff aus Ammoniak und Methan bei 1600 °C bis 2500 °C erzeugen,
wenn die Umsetzung in einem rohrförmigen Graphitreaktor durchgeführt wird,
vorzugsweise in Gegenwart eines Verdünnungsgases, wie Wasserstoff.
Die erforderliche Reaktionstemperatur wird durch Widerstandsbeheizung
des Graphitrohrs bewirkt. Das Graphitrohr ist von einem Ende zum
anderen Ende isoliert und mit einer leitfähigen Umhüllung, welche mit dem Rohr
verbunden ist, umgeben. Die durch die hohen Betriebstemperaturen bedingten
technischen Schwierigkeiten machen dieses Verfahren für eine großtechnische
Anlage wenig attraktiv.
-
Auch
in dem in der WO 96/15983 beschriebenen Reaktor zur Herstellung
von Cyanwasserstoff nach dem BMA-Verfahren wird die erforderliche
Energie durch Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung der
verwendeten Reaktionsrohe aus Graphit oder eines Graphitblocks mit
Bohrungen als Reaktionskanälen
bewirkt. Anstelle von Graphit können auch
andere leitfähige
Materialien oder eine Beschichtung aus solchen Materialien verwendet
werden. Zudem können
die Reaktionsrohre oder die Bohrungen mit einem Katalysator belegt
sein. Der Reaktionsrohre bzw. Reaktionskanäle aufweisende Reaktorblock
wird von einer Isolationsschicht aus Aluminiumoxid-Wolle und einem
Reaktorgehäuse aus
Stahl umgeben. Bei der Anwendung eines derartigen Reaktors zur Herstellung
von Cyanwasserstoff aus Methan und Ammoniak traten beim Schutzrechtsinhaber
erhebliche sicherheitsrelevante Probleme, auf die einem weiteren
Betrieb des Reaktors entgegen standen. Dieser vorbekannte Reaktor muss
demgemäß in mehrfacher
Hinsicht verbessert werden, um darin eine sichere Produktion von
Cyanwasserstoff zu ermöglichen.
-
Eine
weitere Klasse von Reaktoren, welche elektrisch beheizt werden,
basieren darauf, dass im Reaktor ein Plasma erzeugt wird. Derartige
Reaktoren sind für
einen großtechnischen
Einsatz wegen des hohen technischen Aufwands von geringem Interesse.
Reaktoren und Verfahren in welchen ein Plasma zur Erhitzung des
gasförmigen
Mediums erzeugt wird, werden daher aus der weiteren Betrachtung und
dem Schutzumfang des vorliegenden Erfindungsgegenstands ausgeschlossen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten elektrisch
beheizbaren Reaktor zur sicheren Durchführung von Gasreaktionen bei höher Temperätur, insbesondere
einer Temperatur oberhalb 500 °C
und vorzugsweise oberhalb 900 °C aufzuzeigen,
womit die Nachteile der aufgezeigten vorbekannten Reaktoren zumindest
in einem Punkt überwunden
werden.
-
Eine
weitere Aufgabe richtet sich darauf, einen Reaktor mit kanalförmigen Reaktionsräumen aufzuzeigen,
der auch bei einer Reaktionstemperatur oberhalb 900 °C in Gegenwart
von Wasserstoff als Reaktionspartner sicher betrieben werden kann.
-
Eine
weitere Aufgabe besteht darin, einen gattungsgemäßen Reaktor aufzuzeigen, der
einen einfachen Aufbau aufweist, wenig reparaturanfällig ist
und in einfacher Weise an eine gewünschte Produktionskapazität anpassbar
ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Reaktors
sollte sich dieser leicht in eine Anlage zur Durchführung einer
Gasreaktion zwecks Gewinnung eines Reaktionsgases und Aufarbeitung
desselben, integrieren lassen. Sofern bei der Gasreaktion außer dem
gewünschten
Reaktionsgas, wie beispielsweise Cyanwasserstoff, zusätzlich Wasserstoff
als Gas gebildet wird, sollte der Reaktor so in die Anlage integriert
werden können,
dass der Wasserstoff in einem Verbundsystem zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens zur Gewinnung des Reaktionsgases genutzt werden kann.
-
Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung stellten fest, dass im Gegensatz
zu Reaktoren, in welchen die Gasreaktion in einem dicht gebrannten keramischen
Reaktionsrohr stattfindet, in Reaktoren aus einem leitfähigen Material,
wie Graphit, sicherheitstechnische Probleme entstehen, weil dieser Werkstoff
sowie andere Werkstoffe wie sie für eine Widerstandsbeheizung
bekannt sind, nicht ausreichend gasdicht sind. Da die um den bei
hoher Temperatur betriebenen Reaktor angeordneten isolierenden Materialien
in der Regel gleichfalls nicht gasdicht sind, kann es zu kritischen
Situationen kommen, wenn die Außenhaut
des Reaktors beschädigt
wird oder anderweitig nicht ausreichend abgedichtet ist.
-
Es
wurde gefunden, dass sich die aufgezeigten Probleme in einfacher
Weise dadurch lösen
lassen, dass die Reaktorumhüllung
als Doppelmantel ausgebildet ist, welcher mit einem Inertgas gefüllt ist oder
vorzugsweise von einem Inertgas durchströmt wird. Durch kontinuierliche
Analyse der Zusammensetzung des durch den Doppelmantel strömenden Inertgases
lässt sich
sofort erkennen, ob ein Gas aus dem Reaktionsraum in den Doppelmantel
eintritt oder der Doppelmantel von außen verletzt wurde und somit
Luft eintritt. Sobald sich die Zusammensetzung des Inertgases im
Doppelmantel ändert,
wird der Fachmann die notwenigen Maßnahmen ergreifen, um sicherheitsbedenkliche
Zustände
zu vermeiden.
-
Gefunden
wurde ein elektrisch beheizter Reaktor zur Durchführung von
Gasreaktionen bei hoher Temperatur, umfassend einen mit einer Umhüllung umgebenen
Reaktorblock aus einem oder mehreren monolithischen Modulen aus
einem für
eine Widerstandsbeheizung oder induktive Beheizung geeigneten Material,
als Reaktionsraum ausgebildete Kanäle, die von einer auf die gegenüberliegende
Seite des Reaktorblocks reichen, je eine Vorrichtung zum Zuführen und
zum Abführen
eines gasförmigen
Mediums zu/aus den Kanälen
und mindestens zwei mit einer Stromquelle und dem Reaktorblock verbundene Elektroden
zum Durchleiten eines Stroms durch den Reaktorblock oder eine Vorrichtung
zum Induzieren eines Stroms im Reaktorblock, welcher dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Umhüllung
des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel mit mindestens
einer Vorrichtung zum Zuführen
eines Inertgases in den Doppelmantel umfasst.
-
Die
Unteransprüche
des elektrisch beheizten Reaktors richten sich auf bevorzugte Ausführungsformen
desselben und schließen
Anlagen ein, in welche der Reaktor integriert ist. Besonders bevorzugt weist
der Doppelmantel eine Vorrichtung zum Zuführen eines Inertgases und eine
weitere zum Abführen desselben
auf, so dass der Doppelmantel von dem Inertgas durchströmt werden
kann.
-
Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erleutert:
-
1 zeigt einen schematischen
Schnitt durch einen elektrisch beheizbaren Reaktor mit einem vier
monolithische Module umfassenden Reaktorblock, einer mehrschichtigen
Umhüllung
einschließlich
eines erfindungsgemäßen inertgasdurchströmten Doppelmantels.
-
2 zeigt einen Längsschnitt
durch einen Reaktorblock aus acht monolitischen Modulen, wobei die
als Reaktionsräume
ausgebildeten parallel angeordneten Kanäle jeweils durch sämtliche
Module reichen.
-
3 zeigt einen Querschnitt
durch ein monolithisches Modul und lässt die senkrecht zur Darstellung
verlaufenden Reaktionskanäle
erkennen.
-
4 zeigt eine schematische
Darstellung einer Anlage, wonach gasförmige Einsatzstoffe in einem
erfindungsgemäßen Reaktor
umgesetzt werden, ein Wertstoff des Reaktionsgases in ein Folgeprodukt überführt, ein
weiterer Wertstoff, nämlich
ein Brenngas, von Restgasen befreit und dann in einer Brennstoffzelle
verbrannt und der dabei gewonnene Strom zur Beheizung des erfindungsgemäßen Reaktors
verwendet wird.
-
Der
in 1 gezeigte Reaktor
(1) umfasst einen Reaktorblock (2) aus mehreren übereinander
angeordneten monolithischen Modulen (3), durch welche eine
Vielzahl von parallelen Reaktionskanälen (4) reichen. Ein
Reaktorblock kann ein oder mehrere monolithische Module aufweisen,
besonders bevorzugt enthält
er aber, wie in 1 sowie
in 2 dargestellt, mehrere übereinander
angeordnete Module, wobei die Reaktionskanäle durch sämtliche Module reichen. Die
Anzahl der übereinander
angeordneten Module richtet sich nach der erforderlichen Reaktionsdauer
des umzusetzenden Gases oder Gasgemisches, sowie der gewünschten
Kapazität
des Reaktors. Eine Kapazitätssteigerung
ist möglich,
indem ein oder mehrere Module einem Reaktorblock hinzugefügt werden
und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit
des umzusetzenden Gases erhöht wird.
-
Im
Prinzip lassen sich mehrere übereinander angeordnete
Module oder parallel nebeneinander angeordnete Module zu einem Reaktorblock
anordnen. Der Querschnitt der Module ist im wesentlichen frei wählbar. Besonders
geeignet sind Module mit einem runden, rechteckigen oder sechseckigen
Querschnitt. Die Höhe
eines einzelnen Moduls ist gleichfalls frei wählbar. Bei runden Modulen liegt
das Verhältnis
des Durchmessers zur Höhe
im allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 5, bevorzugt im Bereich von
1 bis 4.
-
Jeder
monolithische Modul enthält
mindestens einen, vorzugsweise aber viele Reaktionskanäle, welche
von einer Seite des Moduls bis auf die gegenüberliegende Seite reichen.
Vorzugsweise sind die Kanäle
parallel zueinander angeordnet. Eine andere Anordnung, beispielsweise
eine solche, in welcher mehrere Rohre geneigt zueinander verlaufen, wird
jedoch nicht ausgeschlossen.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
bei welcher mehrere gleich ausgebildete Module übereinander angeordnet sind,
wird die Zentrierung und damit die Durchgängigkeit der Kanäle (4)
durch beispielsweise Führungsstifte
(16) oder eine spezielle Ausgestaltung der unteren und
oberen Randzone jedes Moduls im Sinne eines Ineinandergreifens nach
dem Nut-Feder-Prinzip bewirkt. Um eine möglichst gleichmäßige flächige Kontaktierung
zwischen den einzelnen-Modulen zu gewährleisten, werden die aufeinander
liegenden Grenzflächen
möglichst
glatt ausgebildet.
-
Gemäß einer
alternativen Ausbildungsform des Reaktorblocks grenzen übereinander
angeordnete Module nicht unmittelbar aneinander, sondern über ein
dazwischen liegendes Dichtungselement. Dieses Dichtungselement kann
elektrisch leitend oder isolierend sein und ist so ausgebildet,
dass das aus den Kanälen
eines ersten Moduls austretende Gasgemisch in die Kanäle eines
gegenüber
angeordneten zweiten Moduls eintreten kann. Beispielsweise ist das
Dichtungselement derart ausgebildet, dass es zu den Modulen korrespondierende
Bohrungen aufweist. Gemäß einer
Alternative ist das Dichtungelement als Beschichtung zwischen zwei
Modulen ausgebildet. Eine elektrisch leitende Beschichtung lässt sich
z.B. durch Auftragen einer Paste aus z.B. Graphit- oder/und Metallpartikeln
in einem Suspensionsmedium erzeugen, wobei es sich bei den Partikeln bevorzugt
um Nanopartikel handelt. Geeignete Metallpartikel bestehen z.B.
aus Elementen der 8. und 1. Nebengruppe des Periodensystems und
Legierungen davon. Zweckmäßigerweise
wird das Dichtungselement einen Schmelzpunkt oberhalb der Betriebstemperatur
aufweisen. Nach dem Beschichten und übereinander Anordnen der Module
wird das Suspensionsmedium durch Erhitzen verdampft.
-
Zur
bevorzugten Widerstandbeheizung des Reaktorblocks befinden sich
auf gegenüberliegenden
Seiten geeignet ausgebildete Elektroden (8 und 8'), welche über die
Stromzuführungen
(9) mit Strom versorgt werden. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform liegen die monolithischen
Module unmittelbar übereinander,
so dass der Strom durch alle Module fließt und dabei den Block erwärmt. Sofern die
Module einen runden Querschnitt aufweisen, ist es zweckmäßig, die
Elektroden am obersten und untersten Modul anzuordnen, wobei die
Elektroden ringförmig
oder in Form von Platten mit Kanalöffnungen ausgebildet sind.
Bei einem rechteckigen Querschnitt der Module ist es üblich, die
Elektroden plattenförmig
auszubilden. Die Elektroden müssen
einen engen Kontakt zur entsprechenden Oberfläche des kontaktierten Moduls
aufweisen. Dies ist beispielsweise möglich durch Druckkontakt mittels
einer Feder oder durch das Eigengewicht mehrerer aufeinander angeordneter
Module. Es kann zweckmäßig sein, zwischen
den Elektroden und den kontaktierten Modulen eine Beschichtung aus
einem leitenden Material anzuordnen um einen besseren Kontakt zu
gewährleisten.
Sofern ein Reaktorblock aus mehreren Modulen mit dazwischen angeordneten
isolierenden Dichtungselementen aufgebaut ist, muss jeder monolithische
Modul mit entsprechenden Elektroden und Stromzuführungen ausgestattet sein oder
geeignete Kontaktierelemente zwischen einem ersten Modul und einem
benachbarten Modul aufweisen. Eine Ausführungsform, wonach einzelne
Module oder Gruppen von Modulen mit Strom versorgt werden, ist es
möglich,
in dem Reaktorblock ein spezifisches Temperaturprofil zu fahren.
-
Zweckmäßigerweise
bestehen die Elektroden aus einem in der Fachwelt üblichen
hochtemperaturstabilen Elektrodenmaterial, beispielsweise einem
Elektrodengraphit.
-
Der
Materialauswahl für
die monolithischen Module kommt eine besondere Bedeutung zu. Durch die
Materialwahl, wobei es sich um einen einheitlichen Stoff oder um
ein Stoffgemisch handeln kann, ist es möglich, Module mit einem solchen
spezifischen Widerstand zu erhalten, womit die gewünschten
Reaktionstemperaturen durch eine Ohmsche Widerstandsbeheizung leicht
erhältlich
sind. Somit bestehen die Module aus einem elektrisch leitfähigen Material
mit einem spezifischen Widerstand von größer 1 μΩ·m bis etwa oder sogar über 1000 μΩ·m, insbesondere
größer 10 μΩ·m und
besonders bevorzugt 15 bis 100 μΩ·m. Die
angegebenen spezifischen Widerstände
beziehen sich auf das volle Material. Der spezifische Widerstand
des Moduls steigt mit der Anzahl Kanäle an, weil der effektive Querschnitt
abnimmt.
-
Beispiele
für geeignete
Materialien für
die Module sind Graphit, Ruß,
Carbide und Nitride, insbesondere solche von Silicium und Titan.
Durch Kombination derartiger Stoffe mit einem nicht-leitenden oder
halb-leitenden Material lassen sich die spezifischen Widerstände weiter
erhöhen,
sofern die Mischungen sehr homogen und gut zusammengesintert sind.
-
Der
Reaktorblock ist im wesentlichen vollständig von einer Umhüllung umgeben,
wobei diese auch der Wärmeisolierung
dient. Die Wärmeisolierung
umfasst eine oder mehrere Schichten, wobei sich die Stoffauswahl
der Isolierschicht nach dem gewünschten
Temperaturbereich richtet. In der beispielhaften Ausführungsform
in 1 weist der Reaktorblock
eine dreischichtige Umhüllung
auf, nämlich eine
Isolierschicht 1, 2 und 3 (10, 11, 12).
Die Materialsauswahl für
die Isolierschichten sowie die Dicke der Schichten richten sich
nach den Ausdehnungskoeffizienten der gewählten Materialien und dem angestrebten
Temperaturprofil innerhalb der Wärmeisolierung.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform handelt
es sich bei der Isolierschicht 1 um ein flexibles Material, beispielsweise
um ein Graphitfaser- oder Mineralfaserflies oder eine Fasermatte
aus solchen Materialien, womit den Ausdehnungskoeffizienten sowohl
des Reaktorblocks als auch der Isolierschicht 2 Rechnung getragen
werden kann und es damit zu keinen Brüchen kommt. Die Isolierschichten 2
und 3 können
aus bekannten wärmeisolierenden Materialien,
darunter leichte Steine und Vakuumformsteine erzeugt worden sein.
Zweckmäßigerweise
befindet sich auf der Eingangsseite sowie der Ausgangsseite der
Kanäle
des Reaktorblocks eine Vorrichtung zur Strahlungsabschirmung (7 und 7').
-
Ein
erfindungswesentliches Element des Reaktors besteht darin, dass
die Umhüllung
des Reaktorblocks einen diesen gasdicht abschließenden Doppelmantel aus einem
gasundurchlässigen
Material aufweist. Dieser Doppelmantel (13) weist mindestens
eine Vorrichtung (14) zum Zuführen eines Inertgases und vorzugsweise
eine weitere Vorrichtung (15) zum Abführen desselben auf. Diese Vorrichtungen
sind derart am Doppelmantel angeordnet, dass innerhalb des Doppelmantels
ein konstanter Druck gehalten werden kann oder dass der gesamte
Doppelmantel gleichförmig
von einem Inertgas durchströmt
werden kann. Es ist nicht zwingend, dass sich der Doppelmantel als äußerste Reaktorwand
auf den darunter liegenden Isolierschichten befindet, vielmehr kann
sich der Doppelmantel auch zwischen zwei Isolierschichten befinden.
-
Es
wurde festgestellt, dass das Material aus welchen die Module gefertigt
sind, in der Regel nicht vollständig
gasdicht ist, so dass ein Austritt von Gas durch die Seitenwand
der Module möglich
ist. Dieser Gasaustritt birgt erhebliche Risiken, wenn es sich bei dem
Gas oder Gasgemisch um brennbare und/oder toxische Gase handelt.
Da der erfindungsgemäße Reaktor
zur Durchführung
von Gasreaktionen, insbesondere endothermen Gasreaktionen wie Reformierungsprozesse
und das BMA-Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff, konzipiert
ist, enthält
das Reaktionsgas auch Wasserstoff. Da die zur Erzeugung der wärmeisolierenden
Umhüllung
des Reaktorblocks verwendeten Werkstoffe in der Regel eine hohe
Porosität
aufweisen, sind auch diese Stoffe nicht gasdicht. Der erfindungsgemäße Doppelmantel wirkt
somit einerseits als Diffusionssperre und erhöht andererseits die Sicherheit
des Betriebs, da auch bei einer Verletzung der äußeren Wand des Doppelmantels
Luftsauestoff nicht unmittelbar mit dem durch die Isolierung getretenen
Reaktionsgas in Kontakt treten und ein explosives Gasgemisch erzeugen
kann.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die Zusammensetzung des aus dem Doppelmantel austretenden
Inergases kontinuierlich kontrolliert, so dass sofort eine Verletzung
des Doppelmantels – sei
es die Innenwand oder die Außenwand – erkannt
und eine entsprechende Maßnahme
zur Schadensvermeidung ergriffen werden kann. Durch das erfindungsgemäße Merkmal
ist ein sicherer Betrieb des Reaktors möglich. Anstelle des Durchleitens
eines Inergases durch den Doppelmantel ist es auch möglich, im
Doppelmantel ein Inertgas unter einem erhöhten oder verminderten Druck
zu halten und den Druck zu kontrollieren. Da sich bei dieser Ausführungsform
nicht unmittelbar erkennen lässt,
ob die Innenseite oder die Außenseite
des Doppelmantels verletzt ist, wird diese Ausführungsform weniger bevorzugt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Reaktors befindet sich unmittelbar auf dem Reaktorblock oder
auf einer der weitere innen liegenden Isolierschichten der Umhüllung eine
Gas-Diffusionssperre aus einem gasdichten Material. Durch eine derartige
Gas-Diffusionssperre, welche sowohl eine geschlossene Metallumhüllung sein
kann, als auch eine dichte Beschichtung, wird ein zusätzlicher
Sicherheitsgewinn erzielt.
-
Gemäß einer
speziellen Ausführungsform
ist der erfindungsgemäße Doppelmantel
derart ausgebildet, dass die innere Wand die Funktion der Gas-Diffusionssperre
und die äußerste Wand
des Reaktors gleichzeitig die äußere Wand
des Doppelmantels darstellt.
-
Die
monolithischen Module enthalten in der Regel eine Vielzahl von durchgehenden
Kanälen. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
liegt der Durchmesser der Kanäle
im Bereich von 2 bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10
mm. Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors, dass auf engem
Raum sehr viele Kanäle
angeordnet werden können
und somit die Raum-Zeit-Ausbeute der unter Verwendung dieses Reaktors
durchzuführenden
Gasreaktionen jeweils sehr hoch sind. Vorbekannte Reaktoren, in
welchen die Reaktionen in keramischen Rohren erfolgt, wobei die
Beheizung entweder elektrisch oder durch Verbrennung eines Brenngases
erfolgt, weisen eine wesentlich niedrigere Raum-Zeit-Ausbeute auf.
-
Soweit
die Gasreaktion in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt werden
soll, ist es zweckmäßig, die
Kanäle
der Module mit einem wirksamen Katalysator zu belegen. Der zu verwendende
Katalysator richtet sich nach der angestrebten Gasreaktion. Bei
Reformierungsverfahren werden demgemäß vorzugsweise oxidische Katalysatoren
verwendet, bei dem BMA-Verfahren zu Herstellung von Cyanwasserstoff
Katalysatoren aus der Reihe von Platin, Platinverbindungen, Platin-Gold-Legierungen
sowie Nitriden von Leichtmetallen, insbesondere Aluminiumnitrid,
wobei die Nitride auch in situ aus den entsprechenden Metallen und
dem in der Reaktion aus Ammoniak gebildeten Stickstoff gebildet
worden sein können.
-
Ein
Reaktor zum Betreiben des BMA-Verfahrens im technischen Maßstab umfasst
beispielsweise 4 – 10 übereinander
angeordneten Module, deren Höhe
25 cm und deren Durchmesser 46 cm beträgt und welche 2200 Bohrungen
(= Kanäle)
mit einer Weite von 5 mm aufweisen.
-
Neben
der hohen Raum-Zeit-Ausbeute ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktors,
dass der Reaktorblock einen einfachen Aufbau aufweist und keine
bruchempfindlichen einzelnen keramischen Rohre enthält.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung richtet sich auf eine Anlage,
zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Gases, welche neben
dem erfindungsgemäßen Reaktor
zusätzlich
eine Vorrichtung zur Aufarbeitung des Reaktionsgases umfasst. Eine derartige
Anlage kann auch einen Wärmeaustauscher
umfassen, in welchem die einzusetztenden Gase oder ein Gasgemisch
vor dem Eintritt in den Reaktor durch das aus dem Reaktor austretende
Reaktionsgas vorerhitzt wird. Der Wärmetauscher kann nach dem Regenerativ-
oder dem Rekuperativprinzip ausgebildet sein.
-
Die
Vorrichtung zur Aufarbeitung des Reaktionsgases richtet sich maßgeblich
nach der Zusammensetzung desselben sowie nach den Zielprodukten
der aus einzelnen Bestandteilen des Reaktionsgases erzeugten Wertstoffe.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung des BMA-Verfahrens zur Herstellung
von Cyanwasserstoff umfasst die Vorrichtung zur Auf- und Weiterverarbeitung
des Reaktionsgasgemisches eine Absorption des Cyanwasserstoffs in
einem wässrigen
Medium oder eine Kondensation des Cyanwasserstoffs. Durch Absorption
des Cyanwasserstoffs aus dem Reaktionsgas in einer Alkali- oder
Erdalkalilauge lässt
sich eine Alkalicyanid- bzw. Erdalkalicyanidlauge, wie insbesondere
Natriumcyanid- bzw. Calciumcyanidlauge erhalten, wie sie im Bergbau
in Laugungsprozessen zur Goldgewinnung üblich sind. Nach der Absorption
des Cyanwasserstoffs verbleibt ein überwiegend Wasserstoff enthaltendes
Gas, das unmittelbar oder nach weiterer Aufreinigung weiteren Verwendungen,
darunter einer Brennstoffzelle zwecks Stromversorgung, zugeführt werden
kann. Bei der Kondensation des Reaktionsgases lässt sich in an sich bekannter
Weise flüssiger
Cyanwasserstoff gewinnen, welcher zur Herstellung von weiteren Folgeprodukten
verwendet werden kann.
-
4 zeigt eine Anlage, welche
die zuvor genannten Merkmale aufweist und in besonderer Weise zur
Durchführung
des BMA-Verfahrens geeignet ist. Die Anlage umfasst den erfindungsgemäßen Reaktor
(1), einen Wärmeaustauscher
(17) zur Vorerwärmung
der umzusetzenden Gase (18 und 19), eine Leitung
des vorerhitzten Gasgemischs (20), welches im Reaktor (1)
umgesetzt wird. Das den Reaktor verlassende Reaktionsgas gelangt über eine
Leitung (21) in den Wärmetauscher
(17) um dort einen Teil der Wärme abzugeben. Das teilweise
abgekühlte Reaktionsgas
gelangt über
eine Leitung (22) in die Aufarbeitungsvorrichtung (23). Über Leitung
(25) werden für
die Aufarbeitung erforderliche Hilfsstoffe zugeführt, beispielsweise eine Alkali-
oder Erdalkalilauge im Falle der Herstellung eines Alkali- oder
Erdalkalicyanids aus einem HCN enthaltenden Reaktionsgas. Die Reaktionsprodukte
aus der Aufarbeitung des Cyanwasserstoff enthaltenden Reaktionsgases, also
eine Alkalicyanid- oder Erdalkalicyanidlauge oder flüssiger Cyanwasserstoff
wird über
Leitung (24) aus dem System ausgeschleust. Das bei der
Aufarbeitung verbleibende Gas, dessen Hauptbestandteil aus Wasserstoff
besteht, wird in einer Vorrichtung (27) zur Reinigung des
Gases in einen Wasserstoffstrom (28) und einen Restgasstrom
(29) aufgetrennt. Der gereinigte Wasserstoffstrom gelangt
in eine Brennstoffzelle (30), worin er zu Wasser verbrannt
wird und wobei das entstehende Wasser über eine Leitung (31)
in die Aufarbeitungsstufe (23) zurückgeführt werden kann. Der in der
Brennstoffzelle gewonnene Strom wird über eine elektrische Leitung (32)
dem elektrisch beheizbaren Reaktor zugeführt. In dem dargestellten geschlossenen
System wird somit ein großer
Teil der erforderlichen Energie zur Durchführung der endothermen Gasreaktion
durch die Verbrennung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle
gewonnen. Eine solche Ausführungsform ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine andere Verwendungsmöglichkeit
für den
als Nebenprodukt gebildeten Wasserstoff besteht.
-
Der
erfindungsgemäße Reaktor
sowie eine diesen enthaltende Anlage lässt sich, wie zuvor bereits
angesprochen, in Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei
hohen Temperaturen, insbesondere endothermen Reaktionen bei mehr
als 500 °C
und insbesondere mehr als 900 °C
verwenden. Sofern es sich bei der Gasreaktion um eine reine Pyrolyse
handelt, wird dem Reaktor das zu pyrolysierende Gas oder ein dieses
enthaltendes Gasgemisch zugeführt.
Bei Gasreaktionen, bei welchen mindestens zwei Gase miteinander
umgesetzt werden, werden dem Reaktor mindestens die umzusetzenden Gase
zugeführt,
und bei Bedarf kann das Gasgemisch zusätzlich unter den Reaktionsbedingungen inerte
Gase enthalten. Je nach dem Reaktionstypus kann das Verfahren in
An- oder in Abwesenheit eines wirksamen Katalysators durchgeführt werden.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
Ammoniak und ein niederer Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan,
in Gegenwart eines geeigneten Katalysators für das BMA-Verfahren bei 1100 bis 1200 °C zu Cyanwasserstoff
und Wasserstoff umgesetzt.
-
Ein
weiteres Verfahren richtet sich auf Reformierungsprozesse, in welchen
ein Brennstoff, wie Methanol, in Gegenwart von Wasserdampf in Wasserstoff
und CO2 überführt wird
und der Wasserstoff zur Gewinnung elektrischer Energie einer Brennstoffzelle
zugeführt
werden kann.
-
- 1
- Reaktor
- 2
- Reaktorblock
- 3
- Monolithischer
Modul
- 4
- Kanäle (Reaktionsraum)
- 5
- Gaseintritt
(umzusetzendes Gasgemisch)
- 6
- Gasaustritt
(Reaktionsgemisch)
- 7,
7'
- Strahlungsabschirmung
- 8,
8'
- Elektrode
(ringförmig)
- 9
- Stromzuführung
- 10
- Isolierschicht
1
- 11
- Isolierschicht
2
- 12
- Isolierschicht
3
- 13
- Behälterwand
(Doppelmantel)
- 14
- Inertgaszuführung
- 15
- Inertgasabführung
- 16
- Führungsstift
- 17
- Wärmaustauscher
- 18
- Gaszuführung (Gas
1)
- 19
- Gaszuführung (Gas
2)
- 20
- Gasgemischaustritt
- 21
- Reaktionsgasleitung
in 17
- 22
- Reaktionsgasleitung
aus 17
- 23
- Vorrichtung
zur Aufarbeitung
- 24
- Zuführung von
Hilfsstoffen
- 25
- Austrag
von Reaktionsprodukten
- 26
- Leitung
zur Vorrichtung 27
- 27
- Vorrichtung
zur Gastrennung
- 28
- Brennleitung
(H2)
- 29
- Restgasaustrag
- 30
- Brennstoffzelle
- 31
- Wasserleitung
- 32
- Stromzufuhrleitung
aus Brennstoffzelle zum Reaktor