DE112006000447T5

DE112006000447T5 - Katalytische Reaktoren

Info

Publication number: DE112006000447T5
Application number: DE112006000447T
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Preston BOWE
Original assignee: CompactGTL PLC
Current assignee: CompactGTL PLC
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2008-01-17
Also published as: GB0504622D0; GB2436773A; EA011296B1; WO2006095204A1; CA2597161A1; EP1922141A1; US20080148635A1; TW200640575A; NO20074479L; AU2006221805A1; BRPI0607501A2; EA200701897A1; CN101137434B; GB0714314D0; US20120195813A1; CN101137434A; US8173083B2; AU2006221805B2; CA2597161C

Abstract

Kompakter katalytischer Reaktor, der eine Vielzahl von ersten und zweiten Strömungskanälen bildet, die abwechselnd im Reaktor angeordnet sind, zum Leiten von ersten bzw. zweiten Strömungsmitteln, wobei zumindest die ersten Strömungsmittel einer chemischen Reaktion unterliegen; wobei jeder erste Strömungskanal eine austauschbare gasdurchlässige Katalysatorstruktur enthält, die ein Metallsubstrat einschließt, wobei die Katalysatorstruktur Strömungswege dort hindurch bildet; wobei die Katalysatorstruktur eine Vielzahl von vorstehenden elastischen Streifen enthält, welche die Katalysatorstruktur im Abstand von mindestens einer angrenzenden Wand des Kanals abstützen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen katalytischen Reaktor, der zur Verwendung in einem chemischen Verfahren zur Umwandlung von Erdgas in langkettige Kohlenwasserstoffe geeignet ist, und auf eine Anlage, die solche katalytische Reaktoren zur Durchführung des Verfahrens einschließt.
Ein Verfahren ist in WO 01/51194 und WO 03/033131 (Accentus plc) beschrieben, bei dem Methan mit Dampf zur Reaktion gebracht wird, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem ersten katalytischen Reaktor zu erzeugen; das resultierende Gasgemisch wird dann dazu verwendet, eine Fischer-Tropsch-Sythese in einem zweiten katalytischen Reaktor durchzuführen. Das Gesamtergebnis ist, Methan in langkettige Kohlenwasserstoffe von höherem Molekulargewicht umzuwandeln, die gewöhnlich Flüssigkeiten oder Wachse unter Umgebungsbedingungen sind. Die beiden Stufen des Verfahrens, Dampf/Methan-Reformierung und Fischer-Tropsch-Synthese, erfordern unterschiedliche Katalysatoren, und katalytische Reaktoren werden für jede Stufe beschrieben. In jedem Fall kann der Katalysator eine gewellte Folie aufweisen, die mit einem katalytischen Material beschichtet ist. In jedem Fall haben die gewellten Folien eine Höhe, die im wesentlichen gleich derjenigen der Kanäle ist: Zum Beispiel könnten die Kanäle eine Breite von 20 mm und eine Tiefe von 2,5 mm haben, wobei die Folie 2,5 mm hohe Wellungen aufweist.
Erfindungsgemäß ist ein kompakter katalytischer Reaktor vorgesehen, der eine Vielzahl von ersten und zweiten Strömungskanälen bildet, die abwechselnd im Reaktor angeordnet sind, und zwar zum Leiten von ersten bzw. zweiten Strömungsmitteln, wobei zumindest die ersten Strömungsmittel einer chemischen Reaktion unterliegen; wobei jeder erste Strömungskanal eine austauschbare gasdurchlässige Katalysatorstruktur enthält, die ein Metallsubstrat einschließt, wobei die Katalysatorstruktur dort hindurch Strömungskanäle bildet; wobei die Katalysatorstruktur eine Vielzahl von vorstehenden federnd nachgiebigen Streifen enthält, welche die Katalysatorstruktur im Abstand von zumindest der einen angrenzenden Wand des Kanals abstützen.
Die federnd nachgiebigen Streifen können vorstehende Ansätze sein, die am einen Ende am Metallsubstrat befestigt sind.
Vorzugsweise enthält jede Katalysatorstruktur federnd nachgiebige Streifen, die in entgegengesetzten Richtungen vorstehen, so dass die Katalysatorstruktur von beiden sich gegenüberliegenden Wänden des Kanals beabstandet ist. Wenn chemische Reaktionen sowohl im ersten als auch im zweiten Strömungskanal stattfinden sollen, dann würden die zweiten Strömungskanäle ebenfalls eine herausnehmbare gasdurchlässige Katalysatorstruktur enthalten, die solche vorstehenden federnd nachgiebige Streifen enthält.
Der Reaktor kann aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden, aus rostfreiem Stahl, aus Legierungen mit hohem Nickelanteil oder aus anderen Stahllegierungen, abhängig von Temperatur und Druck, die für die Reaktionen erforderlich sind, sowie auch von der Art der Strömungsmittel, sowohl der Reaktionsteilnehmer als auch der Produkte. Die Katalysatorstrukturen bieten keine Festigkeit für den Reaktor, so dass der Reaktor selbst ausreichend stark sein muss, um jeglichen Druckkräften während des Betriebs zu widerstehen. Es versteht sich, dass der Reaktor innerhalb eines Druckbehälters eingeschlossen sein kann, um so die auf ihn wirkenden Druckkräfte zu reduzieren, oder derart, dass die Druckkräfte nur kompressiv sind.
Der Reaktor muss außerdem mit Knopfstücken ausgestattet sein, um die Strömungsmittel den Strömungskanälen zuzuführen, und vorzugsweise hat jedes erste Kopfstück eine Kammer, die an der Außenseite des Reaktors befestigt ist und mit einer Vielzahl der ersten Strömungskanäle in Verbindung steht, und jedes zweite Kopfstück weist eine Kammer auf, die an der Außenseite des Reaktors angebracht ist und mit einer Vielzahl der zweiten Strömungskanäle in Verbindung steht, so dass nach Abnahme eines Kopfstückes die entsprechenden Katalysatorschichten in den Strömungskanälen austauschbar sind. Dies stellt sicher, dass die Katalysatoren leicht ausgetauscht werden können, wenn sie verbraucht sind.
Die Katalysatorstruktur weist vorzugsweise eine keramische Beschichtung auf, um das katalytische Material zu tragen. Vorzugsweise ist das Metallsubstrat für die Katalysatorstruktur eine Stahllegierung, die eine anhaftende Oberflächenbeschichtung aus Aluminiumoxid bei einer Erhitzung bildet, zum Beispiel ein Aluminium tragender ferritischer Stahl, wie beispielsweise Eisen mit 15% Chrom, 4% Aluminium und 0,3% Yttrium (z.B. Fecralloy (TM)). Wenn dieses Metall in Luft erhitzt wird, bildet es eine anhaftende Beschichtung aus Aluminiumoxid, welche die Legierung gegen weitere Oxidation und gegen Korrosion schützt. Besteht die keramische Beschichtung aus Aluminiumoxid, so scheint diese sich an die Oxidbeschichtung auf der Oberfläche zu binden. Das Substrat kann ein Drahtgeflecht oder eine Filzscheibe sein, aber das bevorzugte Substrat ist eine dünne Metallfolie mit beispielweise einer Dicke von weniger als 100 μm, und das Substrat kann gewellt, geriffelt oder sonst wie geformt sein, um so eine Vielzahl von Strömungswegen zu bilden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat (Trägermaterial) der Katalysatorstruktur eine Folie, die in Kronierungen (rechteckige Wellungen) gewellt ist, und elastische Ansätze stehen über und unter den Kronierungen vor, wobei sie mit der Folie einstückig ausgebildet sind und durch Ausstanzen aus der rechteckig gewellten Folie gebildet werden. Andere Formen von Wellungen sind ebenfalls möglich.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Substrat wiederum eine Folie, wobei die Folie durch parallele Schlitze geschnitten wird, und wobei die Folienstreifen zwischen den Schlitzen in eine Krümmung verformt werden, die oberhalb und unterhalb der benachbarten Teile des Substrates vorsteht. Dies ist anwendbar, selbst wenn der Rest des Substrates flach ist.
Das Metallsubstrat der Katalysator-Struktur innerhalb der Strömungskanäle begünstigt die Wärmeübertragung innerhalb der Katalysator-Struktur, wobei heiße oder kalte Stellen verhindert werden, vergrößert den Katalysator-Oberflächenbereich und schafft eine mechanische Festigkeit. Die vorstehenden Streifen stellen sicher, dass die Katalysator-Struktur nicht in dem Kanal festgeklemmt wird, zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung, und sie erlauben außerdem Unterschiede in den Dimensionen der Katalysator-Struktur und des Kanals, die infolge von Festigungstoleranzen auftreten können. Die vorstehenden Streifen lassen außerdem zu, dass alle Oberflächen der Katalysator-Struktur effektiv mit den strömenden Reaktionsmitteln in Berührung kommen, da ein Spalt zwischen den Kanalwänden und der Katalysator-Struktur entsteht. Die durch die Katalysator-Struktur festgelegten Strömungswege können jede geeignete Querschnittsform haben, würden aber typischerweise rechteckig sein; und aufgrund der Spalte zwischen vorstehenden Streifen stehen benachbarte Strömungswege entlang der Außenseite der Katalysator-Struktur miteinander in Verbindung. Vorzugsweise enthalten alle die Katalysator-Struktur bildenden Oberflächen katalytisches Material.
Wenn die Kanaltiefe nicht mehr als etwa 3 mm beträgt, dann kann die Katalysator-Struktur beispielsweise eine einzelne geformte Folie sein. Alternativ, und insbesondere dann, wenn die Kanaltiefe größer als etwa 2 mm ist, kann die Katalysator-Struktur eine Vielzahl solcher gewellter Folien aufweisen, die durch im wesentlichen flache Folien voneinander getrennt sind; die gewellten Folien und flachen Folien können miteinander verkettet sein, zum Beispiel durch ähnliche vorstehende Ansätze, die sich in entsprechenden Schlitzen befinden, oder sie können alternativ als separate Einzelteile eingesetzt sein. Um den erforderlichen guten Wärmekontakt sicherzustellen, zum Beispiel mit einem Fischer-Tropsch-Reaktor, sind die Kanäle vorzugsweise weniger als 20 mm tief und noch mehr bevorzugt weniger als 10 mm tief, und für einen Dampf/Methan-Reformierungsreaktor sind die Kanäle vorzugsweise weniger als 5 mm tief. Aber die Kanäle sind vorzugsweise mindestens 1 mm tief, oder es wird schwierig, die Katalysator-Strukturen einzusetzen, und technische Toleranzen werden kritischer. In wünschenswerter Weise wird die Temperatur innerhalb der Kanäle über die Kanalbreite hinweg einheitlich gehalten, und zwar innerhalb etwa 2-4C°, und dies ist umso schwieriger zu erreichen, je größer der Kanal wird.
Der Reaktor kann einen Stapel von Platten aufweisen. Zum Beispiel können erste und zweite Strömungskanäle durch Nuten in jeweiligen Platten gebildet werden, wobei die Platten gestapelt und dann aneinander gebunden werden. Alternativ können die Strömungskanäle durch dünne Metallbleche festgelegt werden, die zinnenartig geformt sind und abwechselnd mit flachen Blechen gestapelt werden; die Kanten der Strömungskanäle können durch Dichtungsstreifen festgelegt werden. Der den Reaktor bildende Stapel von Platten wird zum Beispiel durch Diffusionsbindung, Hartlöten oder isostatisches Heißpressen gebunden.
Somit kann eine Anlage zur Verarbeitung von Erdgas, um längerkettige Kohlenwasserstoffe zu erhalten, einen Dampf/Methan-Reformierungsreaktor nach der Erfindung einschließen, um Methan mit Dampf zur Bildung von Synthesegas zur Reaktion zu bringen, sowie einen erfindungsgemäßen Fischer-Tropsch-Reaktor umfassen, um längerkettige Kohlwasserstoffe zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beispielsweise anhand von Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:
1 eine Schnittdarstellung von einem Teil eines kompakten katalytischen Reaktors,
2 einen Katalysatorträger zur Verwendung in dem Reaktor nach 1,
3 eine Schnittdarstellung des Katalysatorträgers nach 2 nach der Linie 3-3 in 2,
4 eine Draufsicht eines alternativen Katalysatorträgers zur Verwendung in dem Reaktor nach 1,
5 eine Seitenansicht in Pfeilrichtung B in 4, nach Einsetzung des Katalysatorträgers in einen Strömungskanal,
6 eine Seitenansicht eines alternativen Katalysatorträgers und
7 eine Draufsicht eines weiteren Katalysatorträgers zur Verwendung in dem Reaktor nach 1.
Die Erfindung ist anwendbar für einen weiten Bereich von unterschiedlichen chemischen Reaktionen, insbesondere bei jenen, die gasförmige Reaktionsmittel einschließen und einen Katalysator erfordern. Zum Beispiel würde sie anwendbar sein bei einem chemischen Verfahren zur Umwandlung von Naturgas (in erster Linie Methan) zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen. Dies kann erzielt werden durch ein zweistufiges Verfahren, und jede Stufe kann einen Reaktor nach der Erfindung verwenden. Die erste Stufe ist Dampfreformierung, bei der Dampf mit Erdgas gemischt und auf eine erhöhte Temperatur (um etwa 800°C zu erreichen) erhitzt wird, so dass eine Reformierung stattfindet: H₂O + CH₄ → Co + 3 H₂,
Diese Reaktion ist endothermisch und kann katalysiert werden durch einen Rhodium- oder Platin/Rhodium-Katalysator in einem Strömungskanal. Die Wärme, die erforderlich ist, um diese Reaktion zu bewirken, kann durch Verbrennung eines entflammbaren Gases wie Methan oder Wasserstoff erzeugt werden, welches exothermisch ist und durch einen Platin/Palladium-Katalysator in einem benachbarten zweiten Gasströmungskanal katalysiert werden kann.
Das durch die Dampf/Methan-Reformierung erzeugte Gasgemisch wird dann dazu verwendet, eine Fischer-Tropsch-Synthese durchzuführen, um einen längerkettigen Kohlenwasserstoff zu erzeugen, d.h.: n CO + 2n H₂ → (CH₂)_n + n H₂O, welches eine exothermische Reaktion ist, die bei einer erhöhten Temperatur, im typischen Fall zwischen 190°C und 280°C, und bei einem erhöhten Druck von typischerweise zwischen 1,5 MPa und 2,5 MPa (absolute Werte) in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen, Kobalt oder geschmolzenes Magnetit auftritt. Der bevorzugte Katalysator für die Fischer-Tropsch-Synthese weist eine Beschichtung aus Gamma-Aluminiumoxid mit einem spezifischen Oberflächenbereich von 140-230 m²/g mit etwa 10-40% Kobalt (gewichtsmäßig verglichen mit dem Aluminiumoxid) und mit einem Beschleuniger wie Ruthenium, Platin oder Gadolinium, dessen Gewicht geringer ist als 10% des Gewichts des Kobalts, und einem Basizitäts-Beschleuniger wie Lanthanoxid auf.
Der Strom aus Hochdruck-Kohlenmonoxid und Wasserstoff, erzeugt durch Dampf-Methan-Reformierung, wird gekühlt und auf den erhöhten Druck, etwas 2,0 MPa, komprimiert, und wird dann einem katalytischen Fischer-Tropsch-Reaktor zugeführt, der ein Reaktor nach der Erfindung sein kann; das Reaktionsmittelgemisch strömt durch den einen Satz von Kanälen, während ein Kühlmittel durch den anderen Satz von Kanälen strömt.
Die Reaktionsprodukte aus der Fischer-Tropsch-Synthese, vorwiegend Wasser und Kohlenwasserstoffe wie Paraffine, werden gekühlt, um die Flüssigkeiten zu kondensieren, und zwar mittels Durchgang durch einen Wärmetauscher und durch einen Zyklon-Separator, gefolgt von einer Trennkammer, in der sich die drei Phasen Wasser, Kohlenwasserstoffe und Anhanggase (tail gases) trennen, und das Kohlenwasserstoff-Produkt wird bei atmosphärischem Druck stabilisiert. Die Kohlenwasserstoffe, die in der Gasphase verbleiben, und überschüssiges Wasserstoffgas (die Fischer-Tropsch-Anhanggase) werden gesammelt und gespalten. Eine Teilmenge kann durch ein Druckminderventil hindurchgeleitet werden, um den Brennstoff für den katalytischen Verbrennungsprozess im Reformer (wie oben beschrieben) bereitzustellen. Die übrigen Anhanggase können einer Gasturbine zur Elektrizitätserzeugung zugeführt werden. Der überwiegende Bedarf der Anlage an elektrischer Energie wird von den Kompressoren verursacht, die dazu verwendet werden, den Druck auf denjenigen zu steigern, der für die Fischer-Tropsch-Reaktion erforderlich ist; Elektrizität kann außerdem dazu eingesetzt werden, eine Vakuum-Destillationseinheit zu betreiben, um Prozesswasser für eine Dampferzeugung zu liefern.
In 1 ist ein Reaktorblock 10 dargestellt, der für die Verwendung als Dampf-Reformierungsreaktor geeignet ist, wobei die Einzelteile der Klarheit wegen getrennt sind. Der Reaktorblock 10 besteht aus einem Stapel von Platten, die in Draufsicht rechteckig sind, wobei jede Platte aus korrosionsbeständigem Hochtemperaturstahl wie Inconel 800HT oder Haynes HR-120 besteht. Flache Platten 12 mit einer Dicke von 1 mm sind abwechselnd mit zinnenförmigen Platten 14, 15 angeordnet, bei denen die Zinnenformen so sind, dass sie gerade Durchgangskanäle 16, 17 von der einen zur anderen Seite der Platte bilden. Die zinnenförmig ausgebildeten Platten 14 und 15 sind im Stapel abwechselnd angeordnet, so sind die Kanäle 16, 17 in orthogonalen Richtungen bei abwechselnden zinnenförmigen Platten 14, 15 ausgerichtet. Die Dicke der zinnenförmigen Platten 14, 15 (im typischen Fall im Bereich zwischen 0,2 und 3,5 mm) beträgt in jedem Fall 0,75 mm. Die Höhe der Zinnen (typischerweise im Bereich von 2-10 mm) beträgt 3 mm bei diesem Ausführungsbeispiel, und stabile Randstreifen 18 von gleicher Dicke sind an den Seiten entlang vorgesehen. Bei den zinnenartigen Platten 15, welche die Verbrennungskanäle 17 bilden, ist die Wellenlänge der Zinnen derart, dass aufeinander folgende Sehnen 25 mm voneinander entfernt sind, während bei den zinnenartigen Platten 14, welche die Reformierungskanäle 16 bilden, aufeinander folgende Sehnen 15 mm voneinander entfernt sind.
Ein Reaktorblock ähnlich demjenigen der 1 würde ebenfalls zur Verwendung als Fischer-Tropsch-Reaktor geeignet ein, wobei er in diesem Fall Kanäle für ein Kühlmedium abwechselnd mit Kanälen für die Fischer-Tropsch-Synthese bildet. Die Kanäle für Kühlmittel können z.B. 2 mm hoch sein (typischerweise im Bereich von 1 bis 4 mm), und Kanäle für die Fischer-Tropsch-Synthese können eine Höhe von 5 mm haben (im typischen Fall im Bereich von 3 bis 10 mm). In diesem Fall arbeitet der Reaktor nicht bei einer so hohen Temperatur; so können die Bauelemente aus Aluminiumlegierung bestehen, zum Beispiel Güteklasse 3003 (Aluminium mit etwa 1,2% Mangan und 0,1% Kupfer).
In jedem Fall wird der Stapel wie oben beschrieben zusammengesetzt und aneinander gebunden, z.B. durch Hartlötung oder heißes isostatisches Pressen. Katalysatorträger 20 (nur zwei sind dargestellt) werden dann in die Kanäle eingesetzt, in denen Reaktionen stattfinden sollen, wobei die Kanäle entsprechende Katalysatoren tragen. Entsprechende Kopfstücke können dann an der Außenseite des Stapels angebracht werden. Jeder Katalysatorträger 20 enthält ein Metallfoliensubstrat, welches dabei mitwirkt, die Wärme gleichmäßig über die Oberfläche des Katalysators zu verteilen, um so die Entwicklung von überhitzten Stellen zu reduzieren oder zu vermeiden, und das außerdem eine strukturelle Integrität für den Katalysator schafft. Es ist aber nunmehr erkannt worden, dass in vielen Fällen eine Wärmeleitung vom Katalysator zu den Kanalwänden nicht kritisch ist; im Fall der Verbrennungs- und Reformierungsreaktionen ist dies so, weil eine Wärmeübertragung zwischen dem Katalysatorträger 20 und den Wänden des Kanals in erster Linie durch Konvektion und Strahlung stattfindet; und im Fall der Fischer-Tropsch-Reaktion erfolgt der Hauptteil der Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen dem Katalysatorträger 20 und den Wänden des Kanals.
Unter Bezugnahme auf 2, in der die Kanalwände nur in gestrichelten Linien dargestellt sind, weist jeder Katalysatorträger 20 eine 50 μm dicke Fecralloy-Folie auf, die in eine zinnenartige Form gewellt ist (mit rechteckigen Wellungen), wobei die Gesamthöhe der Wellungen 1 mm weniger als die Höhe des Kanals beträgt. Die Folie ist mit einem Keramiküberzug beschichtet (nicht separat in den Figuren dargestellt), wie beispielsweise Aluminiumoxid in einer Dicke typischerweise in einem Bereich von 30-80 μm (für Verbrennung und Dampfreformierung), und das aktive katalytische Material (wie z.B. Platin/Rhodium im Fall von Dampfreformierung) ist in die Keramik eingebaut. Elastische Ansätze 22 werden außerdem aus der Folie während des Wellungsprozesses ausgestanzt, wobei diese zum Beispiel 0,5 mm breit und 1,5 mm lang sind und am einen Ende einstückig mit der Folie verbunden bleiben und über die oder unterhalb der Wellungen vorstehen. Diese können zum Beispiel in 25 mm Abständen entlang der Länge der Folie angeordnet sein und können (wie dargestellt) bei jeder Wellung vorgesehen sein, oder bei beliebiger Aufteilung zumindest einmal alle zwei oder drei Wellungen über die Breite der Folie hinweg.
Wie in 3 dargestellt, stehen die Ansätze 22, die oberhalb und unterhalb des Katalysatorträgers 20 überstehen, an im wesentlichen den gleichen Stellen entlang der Länge des Katalysatorträgers 20 vor, und wenn der Katalysatorträger 20 in den Kanal eingesetzt wird, werden die Ansätze 22 zusammengedrückt und in eine Schräglage geschoben. Der Katalysatorträger 20 wird daher elastisch durch die Ansätze 22 abgestützt.
Es versteht sich, dass die Elastizität der Ansätze 22 jegliche unterschiedliche Wärmeausdehnung des Reaktorblocks und der Katalysatorträger 20 sowie auch jedes Verbiegen des Kanals als Folge von Wärmebeanspruchung ausgleichen kann und außerdem eine etwaige Unstimmigkeit zwischen der Höhe des Katalysatorträgers 20 und derjenigen des entsprechenden Kanals zulässt (wie dies als Folge von Fertigungstoleranzen vorkommen kann). Die Ansätze machen es jedoch erforderlich, dass die Katalysatorträger 20 in Richtung des Pfeiles A in 3 sowohl eingesetzt als auch entnommen werden, so dass abnehmbare Kopfstücke an beiden Enden jedes Kanals vorgesehen sein müssen.
Es versteht sich, dass die Wellungen eine andere Form als die hier dargestellte haben können, sie können zum Beispiel ein anderes Verhältnis der Höhe zur Breite jeder Wellung gegenüber dem dargestellten haben, wobei sie zum Beispiel quadratische statt rechteckige Wellungen sind. Zudem könnten die Wellungen überhaupt eine andere Form haben, zum Beispiel könnten die vertikalen Teile der in 2 dargestellten Wellungen stattdessen schräg geneigt sein, um eine Zickzackform mit flachen Kopfenden zu bilden; auch könnten die Wellungen gewölbt oder sinusförmig sein. Die Ansätze könnten auch anders beabstandet sein als die oben beschriebenen und könnten eine andere Form und Abmessung haben. Es könnten Ansätze nur auf der einen Seite des Katalysatoreinsatzes sein anstelle von Ansätzen, die auf beiden entgegengesetzten Oberflächen vorgesehen sind.
Es versteht sich außerdem, dass in einigen Fällen, zum Beispiel bei einem Kanal, der eine Höhe oberhalb etwa 4 mm hat, es angebracht ist, einen Bausatz von gewellten Katalysatorträgern zu verwenden, die durch im wesentlichen flache Folien getrennt sind, die ebenfalls Katalysatorträger sein können. Zum Beispiel könnten in einem 6-mm-Kanal zwei Katalysatorträger aus gewellter Folie jeweils 2,5 mm hoch vorhanden sein, die durch eine im wesentlichen flache Folie getrennt sind. In diesem Fall brauchen Ansätze nur an den Oberflächen von Katalysatorträgern vorgesehen zu sein, die einer Wand des Kanals benachbart sind – vorstehend vom oberen Bereich der oberen gewellten Folie und vom unteren Bereich der unteren gewellten Folie, bei diesem Ausführungsbeispiel. Ähnliche Ansätze könnten auch zum Verriegeln der Folien miteinander vorgesehen sein, zum Beispiel Ansätze, die von der unteren Oberfläche des oberen gewellten Katalysatorträgers und von der oberen Oberfläche des unteren gewellten Katalysatorträgers vorstehen, könnten in entsprechenden Schlitzen in der flachen Folie sitzen; solche Ansätze könnten in entgegengesetzter Richtung zu denen geneigt sein, die den Kanalwänden benachbart sind. Und alternativ könnten Ansätze vorgesehen sein, die unter und über der flachen Folie vorstehen und in entsprechenden Schlitzen in den gewellten Folien sitzen.
Es versteht sich, dass dieser Katalysatoraufbau, weil er von der Wand durch die Ansätze 22 auf Abstand gehalten ist, eine vergrößerte Querschnittsfläche für eine Strömungsmittelströmung bietet, was die lokale Gasgeschwindigkeit und den Druckabfall über den Reaktorblock hinweg reduziert.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die elastischen Ansätze 22 als mit den übrigen Teilen der Folie am einen Ende verbunden und in einer allgemein geraden Linie sich erstreckend dargestellt (in Auslegerart). Die elastischen Ansätze könnten alternativ entlang ihrer Länge gekrümmt sein und können tatsächlich mit übrigen Teilen der Folie an beiden Enden verbunden sein. Außerdem ist bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Katalysatorträger selbst gewellt. Durch die Verwendung gewellter Folien kann der Freiraum (der Teil der Querschnittsfläche des Kanals, die für den Hauptstrom von Strömungsmitteln verfügbar ist) auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, zum Beispiel durch eine Änderung der Wellenlänge oder der Höhe der Wellungen. Bei einer Alternative könnten die Folien im wesentlichen flach sein, und ein Katalysatorträger innerhalb eines Kanals könnte durch einige solcher im wesentlichen flachen Folien gebildet werden, die durch elastische Streifen oder Ansätze beabstandet sind. Bei einer solchen Anordnung kann der Freiraum durch eine Änderung der Höhe der elastischen Streifen oder Ansätze und somit durch eine Änderung der Anzahl von Folien eingestellt werden, die den Stapel bilden und den Kanal belegen. Ein zusätzlicher Aspekt dieses Aufbaus ist, dass die in der Folie durch die herausgeschnittenen Streifen gebildeten Öffnungen und die von den vorstehenden Streifen erzeugte zusätzliche Turbulenz bei der Förderung der Turbulenz und der Strömungsmittelmischung zwischen Strömungsmitteln auf entgegengesetzten Seiten einer Folie mithelfen können, die Schichtung von Strömungsmittel und Temperaturgefälle zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf 4 weist ein alternativer Katalysatorträger 30 eine Fecralloy-Folie 31 auf, die hauptsächlich flach ist und eine geeignete Breite hat, um in den entsprechenden Strömungskanal 16 oder 17 zu passen. In diesem Fall ist die Folie 31 8 mm breit (um in einen Strömungskanal 16 oder 17 mit einer Breite von etwa 8,5 mm zu passen). In Abständen von 45 mm auf ihrer Länge ist die Folie 31 mit sechs parallelen Längsschlitzen versehen, die drei Streifen 32, 33 und 34 bilden, wobei jeder Streifen 32, 33, 34 2 mm breit und 10 mm lang ist und die Streifen durch schmale Streifen 35 mit einer Breite von 0,5 mm getrennt sind; beim Schneiden der Schlitze werden die Streifen 32, 33 und 34 gestreckt und in einen Bogen geformt, und zwar über oder unter den flachen Rest der Folie 31. Über die Breite der Folie hinweg ragen abwechselnde Streifen 32, 33 oder 34 nach oben und unten vom übrigen Teil der Folie 31 vor; in diesem Fall ragen die Streifen 32 und 34 nach oben und die Streifen 33 nach unten vor. Vorzugsweise erstrecken sich bei der nächsten derartigen Position entlang der Länge der Folie 31 die entsprechenden Streifen 32 und 34 nach unten, während sich der entsprechende Streifen 33 nach oben erstreckt.
Wie in 5 dargestellt, die eine Seitenansicht des Katalysatorträgers 30 in Position in einem Kanal 17 (in gestrichelter Linie dargestellt) zeigt, besteht der Katalysatorträger 30 aus einem Stapel von drei Katalysatorfolien 31 jeweils mit vorstehenden Streifen 32, 33 und 34, die Spitzen in Abständen von 45 mm entlang der Länge der Folie 31 bilden. Die Positionen der vorstehenden Streifen 32, 33 und 34 sind bei benachbarten Folien 31 in dem Stapel unterschiedlich, so dass sich die Positionen der Spitzen bei der einen Folie 31 in der Mitte zwischen den Positionen der Spitzen bei der benachbarten Folie 31 befinden. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamthöhe des Stapels 5,5 mm vor dem Einsetzen in den Kanal 17, aber der Kanal 17 hat eine Höhe von 5,0 mm, so dass die vorstehenden Streifen 32, 33 und 34 nach dem Einsetzen leicht zusammengepresst sind.
Bei einer Abänderungsform des Katalysatorträgers nach den 4 und 5, die in 6 dargestellt ist und auf die nunmehr Bezug genommen wird, sitzen nach oben vorstehende Streifen 36 an der einen Folie 37 zwischen nach unten vorstehenden Streifen 38 an der nächsten Folie in dem Stapel, und in dieser Position können die benachbarten Folien 37 in dem Stapel durch Einsetzen von Stiften 39 aneinander gesichert werden, um jene Streifen 36 und 38 zu verriegeln.
Gemäß 7 ist bei einer weiteren Abänderungsform des Katalysatorträgers der 4 und 5 eine Fecralloy-Folie 41 wiederum hauptsächlich flach, aber in diesem Fall sind die Schlitze alle über die Breite hinweg gleichmäßig beabstandet, so dass die gesamte Breite der Folie Streifen bildet, und sich daraus ergebende benachbarte Streifen 42 und 43 sind in Kurven jeweils oberhalb und unterhalb des flachen Restes der Folie 41 gebogen. (In diesem Fall befinden sich keine schmalen flachen Streifen zwischen benachbarten gekrümmten Streifen 42 und 43). Solche Schlitze und gekrümmte Streifen 42 und 43 sind in Abständen von etwa 40 mm auf der Länge der Folie 41 gebildet. Es versteht sich, dass in der Seitenansicht dieser Katalysatorträger dem Katalysatorträger nach 5 ähnlich aussehen würde.
Die Katalysator-Trägerfolien 31, 37 und 41, wie in den 4 bis 7 dargestellt, können mit katalytischem Material in einer der oben beschriebenen ähnlichen Weise versehen sein, zum Beispiel durch Aufbringen einer keramischen Beschichtung, beispielsweise aus Aluminiumoxid als Katalysatorträger, und Einbringen eines geeigneten aktiven katalytischen Materials in den keramischen Träger. Es versteht sich, dass die Abtrennung zwischen aufeinanderfolgenden Spitzen und Mulden (festgelegt durch die gekrümmten Streifen 32-34 oder 42, 43) auf der Länge der Folie im wesentliche jeden beliebigen Wert haben kann, ist aber im typischen Fall geringer als 75 mm, z.B. zwischen 5 und 50 mm. Dies wird jedoch abhängig sein von der Dicke der Trägerfolie 31 oder 41 und somit von deren Steifigkeit, da das Zusammenwirken zwischen den Spitzen an der einen Folie und dem flachen Folienteilstück an der benachbarten Folie in dem Stapel eine Abstützung bildet. In ähnlicher Weise können die Abmessungen der gekrümmten Streifen 32-34 und 42, 43 von den zuvor beschriebenen abweichen. Wie in 6 angedeutet, kann ein Stapel von Folien in einigen Fällen durch Einsetzen von Verriegelungsstiften gesichert werden, während in anderen Situationen aufeinanderfolgende Folien miteinander punktgeschweißt werden können.
Zusammenfassung
Titel: Katalytische Reaktoren
Ein kompakter katalytischer Reaktor bildet eine Vielzahl von ersten und zweiten Strömungskanälen, die abwechselnd in dem Reaktor angeordnet sind, zum Leiten von ersten und zweiten Strömungsmitteln, wobei zumindest die ersten Strömungsmittel einer chemischen Reaktion unterliegen. Jeder erste Strömungskanal enthält eine austauschbare gasdurchlässige Katalysatorstruktur (20), die ein Metallsubstrat einschließt, wobei die Katalysatorstruktur Strömungswege dort hindurch bildet und wobei wenigstens einige Oberflächen eines jeden derartigen Strömungsweges mit katalytischem Material versehen sind. Die Katalysatorstruktur enthält außerdem eine Vielzahl von vorstehenden elastischen Ansätzen (22), die die Katalysatorstruktur (20) im Abstand von mindestens einer angrenzenden Wand des Strömungskanals (17) abstützen.

Claims

Kompakter katalytischer Reaktor, der eine Vielzahl von ersten und zweiten Strömungskanälen bildet, die abwechselnd im Reaktor angeordnet sind, zum Leiten von ersten bzw. zweiten Strömungsmitteln, wobei zumindest die ersten Strömungsmittel einer chemischen Reaktion unterliegen; wobei jeder erste Strömungskanal eine austauschbare gasdurchlässige Katalysatorstruktur enthält, die ein Metallsubstrat einschließt, wobei die Katalysatorstruktur Strömungswege dort hindurch bildet; wobei die Katalysatorstruktur eine Vielzahl von vorstehenden elastischen Streifen enthält, welche die Katalysatorstruktur im Abstand von mindestens einer angrenzenden Wand des Kanals abstützen.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, bei dem chemische Reaktionen sowohl im ersten als auch im zweiten Strömungskanal stattfinden, und wobei sowohl der erste als auch der zweite Strömungskanal jeweilige ausbaubare gasdurchlässige Katalysatorstrukturen enthält, die ein Metallsubstrat einschließen, und die Strömungswege dort hindurch bilden, wobei jede derartige Katalysatorstruktur eine Vielzahl von vorstehenden elastischen Streifen enthält, die die Katalysatorstruktur im Abstand von zumindest einer benachbarten Wand des Kanals abstützen.
Katalytischen Reaktor nach Anspruch 1 oder 2,, bei dem die oder jede Katalysatorstruktur elastische Streifen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen vorstehen, so dass die Katalysatorstruktur von beiden sich gegenüberliegenden benachbarten Wänden des Kanals beabstandet ist.
Katalytischer Reaktor nach jedem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die oder jede Katalysatorstruktur eine Metallfolie enthält, die in zinnenartige Formen gewellt ist, und die elastischen Streifen von den Spitzen der Zinnen vorragen, wobei sie mit der Folie einstückig ausgebildet sind.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 4, bei dem die elastischen Streifen vorstehende Ansätze sind, die an der Folie an einem Ende befestigt sind.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 4, bei dem die elastischen Streifen vorstehende Krümmungen sind, die jeweils an der Folie an beiden Enden befestigt sind.
Katalytischer Reaktor nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die oder jede katalytische Struktur bei Ausschluss der vorspringenden Streifen eine Höhe hat, die zwischen 0,1 mm und etwa 1 mm geringer ist als die entsprechende Dimension des Kanals.
Katalytischer Reaktor nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die ersten Strömungsmittel (Fluide) einer Dampfreformierung ausgesetzt sind.
Katalytischer Reaktor nach jedem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die ersten Strömungsmittel einer Fischer-Tropsch-Synthese ausgesetzt sind.
Anlage zur Verarbeitung von Erdgas, um längerkettige Kohlenwasserstoffe zu erhalten, mit einem Dampf/Methan-Reformierungsreaktor nach Anspruch 8, um Methan mit Dampf zur Reaktion zu bringen, um Synthesegas zu bilden, und mit einem Fischer-Tropsch-Reaktor nach Anspruch 9, um längerkettige Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.