DE19904398A1 - Stapelreaktor - Google Patents
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Abstract
Stapelreaktor zur Durchführung einer katalytischen Reaktion mit einer Anzahl übereinander angeordneter Katalysatorscheiben, wobei die Katalysatorscheiben jeweils Durchbrüche aufweisen, welche unter Bildung eines Eduktkanals, über welchen wenigstens ein zu reagierendes Edukt an die Katalysatorscheiben heranführbar ist, miteinander fluchten, wobei der Stapelreaktor eine in dem Eduktkanal sich erstreckende rohrförmige Lanze, in welche das wenigstens eine zu reagierende Edukt stirnseitig einführbar ist, wobei die Lanze entlang ihrer Längserstreckung Mittel zur Ausgabe der eingeführten Edukte aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stapelreaktor zur
Durchführung einer katalytischen Reaktion nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie eine Lanze zur gleichmäßigen
Beaufschlagung aufeinanderliegender Katalysatorscheiben eines
Stapelreaktors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Aus der DE 197 43 673.0 ist ein aus aufeinandergestapelten
Katalysatorscheiben gebildeter Stapelreaktor bekannt. Zur
Herstellung eines derartigen Stapelreaktors wird aus mindestens
einem Katalysatorpulver durch Verpressen eine einen Formkörper
(Katalysatorscheibe) bildende dünne und stark komprimierte
Schicht gebildet, wobei dem Katalysatorpulver Kupferpulver,
insbesondere dendritisches Kupfer, beigemischt wird. Im
Anschluß an das Verpressen wird der Formkörper einer Sinterung
unterzogen und anschließend werden die einzelnen Katalysator
scheiben aufeinandergestapelt und zu einem Stapelreaktor
verbunden. Bei dem Verbinden der einzelnen Katalysatorscheiben
muß auf eine dichte Ausbildung der Fügestellen zwischen den
einzelnen Katalysatorscheiben geachtet werden.
Eine typische Anwendung eines derartigen Stapelreaktors ist
beispielsweise die Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol,
welche auf der Gesamtreaktion CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 basiert.
Zur Durchführung dieser Reaktion wird in der Praxis ein den
Kohlenwasserstoff und Wasserdampf umfassendes Reaktionsgemisch
unter Zufuhr von Wärme an einem geeigneten Katalysator entlang
geleitet, um in einem zwei- oder mehrstufigen Reaktionsablauf
den gewünschten Wasserstoff zu erzeugen. Eine derartige
Vorrichtung zur zweistufigen Methanol-Reformierung ist
beispielsweise aus der EP 0 687 648 A1 bekannt. In der
bekannten Vorrichtung wird das Reaktionsgemisch einem ersten
Reaktor zugeführt, in dem nur ein Teilumsatz des Methanols
angestrebt wird. Nach dem Durchströmen des ersten Reaktors wird
das Gasgemisch, in welchem noch Anteile nicht umgesetzter
Edukte enthalten sind, einem zweiten Reaktor zugeleitet, der
restumsatzoptimiert aufgebaut ist.
Die Zudosierung der zu reagierenden Edukte erfolgt typischer
weise dadurch, daß diese in einen Einlaßkanal, welcher durch
fluchtende Anordnung von Durchbrüchen in den einzelnen
Katalysatorscheiben des Stapelreaktors gebildet ist, eingeführt
wird. Als nachteilig erweist sich hierbei, daß bei einem
einseitigen Einbringen bzw. Eindüsen von flüssigen Edukten
(beispielsweise von oben) in den Einlaßkanal keine ausreichende
Gleichverteilung der Edukte bezüglich der einzelnen Scheiben
erreicht wird. Dies bewirkt, daß im Bereich des Kanaleinganges
angeordnete Katalysatorscheiben mit relativ großen Eduktmengen
beaufschlagt werden, während weiter entfernt von dem Kanal
eingang angeordneten Katalysatorscheiben eine relativ kleine
Eduktmenge zugeführt wird. Diese Ungleichverteilung kann
beispielsweise dazu führen, daß die katalytische Reaktion bei
den erstgenannten Katalysatorscheiben in relativ ineffektiver
Weise erfolgt, während die letztgenannten Katalysatorscheiben
nicht ausreichend ausgelastet sind und nicht ausreichend
beheizt werden. Dies führt dazu, daß zur Erzielung einer
gewünschten Reaktionsrate relativ große Stapelkatalysator
verwendet werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Stapelkatalysators, bei welchem eine gleichmäßige Beauf
schlagung der einzelnen Katalysatorscheiben mit zugeführten
Edukten erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Stapelkatalysator mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Lanze zur gleich
mäßigen Beaufschlagung aufeinanderliegender Katalysatorscheiben
eines Stapelreaktors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Erfindungsgemäß ist es nun möglich, die einzelnen Scheiben
eines Stapelkatalysators gleichmäßig mit zugeführten Edukten zu
beaufschlagen. Hierdurch ist eine optimale Dimensionierung
eines Stapelreaktors, bei welcher sowohl zu hohe, als auch zu
niedrige Beaufschlagungen von Katalysatorscheiben mit zu
reagierenden Edukten wirksam vermieden werden können, möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Stapelreaktors bzw. der erfindungsgemäßen Lanze sind die Mittel
zur Ausgabe des wenigstens einen eingeführten Eduktes als
Löcher in der Mantelwand der Lanze ausgebildet. Hiermit ist in
besonders preiswerter Weise eine gleichmäßige Beaufschlagung
einzelner Katalysatorscheiben eines Stapelreaktors zur Ver
fügung gestellt. Hierbei kann das wenigstens eine eingeführte
Edukt als aus den Löchern austretender Strahl in die einzelnen
Scheibenkanäle eingespritzt werden, wobei für die katalytische
Reaktion notwendige weitere Edukte, beispielsweise Luft,
parallel zudosiert werden können.
Zweckmäßigerweise ist die Lanze als konzentrisches Doppelrohr
ausgebildet, wobei das wenigstens eine, in das Innenrohr des
Doppelrohres einführbare Edukt über in der Mantelwand des
Innenrohres ausgebildete Löcher oder Düsen in das umgebende
Außenrohr austritt, und mittels dem Außenrohr zugeführtem Gas,
insbesondere Luft, zerstäubt wird, wobei das derart zerstäubte
Edukt über weitere, in der Mantelwand des Außenrohres vorge
sehene Löcher oder Düsen, auf die Katalysatorscheiben aufbring
bar ist. Hierdurch kann, unter Ausnutzung des Prinzips der
Zweistoffdüse, in einfacher und zuverlässiger Weise eine Zer
stäubung des zugeführten Eduktes durchgeführt werden. Dadurch,
daß die Löcher bzw. Düsen mit sehr kleinem Durchmesser,
beispielsweise < 0,4 mm, ausgebildet werden können, ist zudem
in wirksamer Weise ein Flammrückschlag verhindert, wodurch der
sichere Betrieb des erfindungsgemäßen Stapelreaktors gewähr
leistet ist.
Zweckmäßigerweise sind die Düsen derart dimensioniert, daß
zwischen Düse und Mantelwand des Außenrohres ein schmaler
Spalt, insbesondere einer Breite von 0,1-0,3 mm, gebildet
wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stapel
reaktors sowie der erfindungsgemäßen Lanze wird nun anhand der
beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 in seitlicher Darstellung einen Schnitt durch einen
aus mehreren aufeinandergestapelten Katalysator
scheiben gebildeten Stapelreaktor, in welchem eine
erfindungsgemäße Lanze, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, einführbar ist;
Fig. 2 in seitlicher Darstellung eine bevorzugte Aus
führungsform einer erfindungsgemäßen Lanze, welche
beispielsweise in den Stapelreaktor der Fig. 1
einführbar ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils der Lanze
der Fig. 2, und
Fig. 4 eine (stark schematisierte) seitliche Ansicht einer
bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Stapelreaktors.
In Fig. 1 ist ein aus einer Anzahl aufeinandergestapelter
Katalysatorscheiben 10 gebildeter Stapelreaktor 20 dargestellt.
Man erkennt, daß durch ein alternierendes Aufeinanderstapeln
mehrerer um jeweils 180° verdrehter Katalysatorscheiben 10 eine
Grundstruktur erzeugt wird, bei welcher Vorsprünge 12a bzw. 12b
benachbarter Katalysatorscheiben 10 jeweils aufeinander zu
liegen kommen. Kontakte zwischen den jeweiligen Katalysator
scheiben 10, welche als Fügestellen bezeichnet werden, sind mit
Bezugszeichen 18 versehen.
Aufgrund der Vorsprünge 12a, 12b liegen die Flächen der
Katalysatorscheiben 10 beabstandet zueinander, so daß zwischen
den einzelnen Katalysatorscheiben 10 Hohlräume gebildet werden,
die beispielsweise mit Gitternetzen 16 als Stützeinrichtung
ausgefüllt sind.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
Struktur des Stapelreaktors 20 nach unten von einer
Katalysatorscheibe 10' abgeschlossen, die mittig durchgehend
abgeschlossen ist (Bezugszeichen 14).
Die einzelnen Katalysatorscheiben 10 sind jeweils mittig mit
Durchbrüchen 11 ausgebildet, welche miteinander fluchten, so
daß insgesamt ein sich durch den Stapelreaktor erstreckender
Kanal 21 gebildet wird.
In den Kanal 21 ist eine Lanze 30, wie sie beispielsweise in
Fig. 2 dargestellt ist, einführbar. Die Lanze 30 ist in Form
eines konzentrischen Doppelrohres mit einem Innenrohr 31 und
einem Außenrohr (Hülse) 32 ausgebildet. Hierbei ist das Innen
rohr 31 innerhalb eines Grundkörpers 33 gehaltert. Das Innen
rohr 31 ist über seine Längserstreckung mit einer Anzahl von
Löchern 34 ausgebildet, welche jeweils mit Düsen 35, welche auf
dem das Innenrohr umgebenden Grundkörper 33 gehaltert sind,
fluchten. Zwischen den Auslaßseiten 37 der Düsen 35 und der
Mantelwand des Außenrohres 32 ist jeweils ein schmaler Spalt
einer Breite von etwa 0,1-0,3 mm ausgebildet. Dieser Spalt
ist in der Fig. 3 zu erkennen. Es sei angemerkt, daß der Spalt
37 in seiner Breite weiter variiert werden kann. Das Außenrohr
32 ist seinerseits mit Löchern 50 ausgebildet, welche mit
Düsenöffnungen 35a der Düsen fluchten. Insbesondere in Fig. 3
erkennt man, daß die Löcher 50 in dem Außenrohr 32 in Richtung
der Außenseite des Rohres 32 sich konisch erweiternd ausge
bildet sind.
Die dargestellte Lanze 30 weist in ihrem oberen Bereich einen
Flansch 40 auf, mittels dessen die Lanze bei Einführung in
einen Kanal eines Stapelreaktors auf der Oberseite des Stapel
reaktors anbringbar ist. Der Flansch 40 dient ferner zur
Stabilisierung des Doppelrohres.
Über die Stirnseite 42 des Innenrohres ist ein Edukt,
beispielsweise Methanol, in das Innenrohr 31 der Lanze 30
einführbar (Pfeil M). Gleichzeitig ist über einen in dem
Flansch 40 ausgebildeten Einlaß 41 Luft in das Außenrohr 32
einführbar (Pfeil L).
Mit dem erfindungsgemäßen Lanzenaufbau ist gewährleistet, daß
das in das Innenrohr eingebrachte Edukt gleichmäßig über die
Löcher 34 bzw. die mit diesen fluchtenden Düsenkörper 35 aus
dem Innenrohr 31 austritt. Vor dem anschließenden Austritt des
Eduktes aus den mit den Düsenkörpern 35 fluchtenden Löchern 50
im Außenrohr 32 kommt der Eduktstrahl in Wirkverbindung mit der
durch das Außenrohr durchströmenden Luft. Hierdurch kommt es zu
einer Zerstäubung des Eduktstrahls, so daß insgesamt ein zer
stäubtes Edukt aus den Löchern 50 austritt und die einzelnen
Katalysatorscheiben beaufschlagt.
Durch die erfindungsgemäße Unter- bzw. Hintereinanderanordnung
der jeweiligen Düsenkörper und ihre jeweilige Dimensionierung
ist gewährleistet, daß über die gesamte Länge der Lanze 30 ein
gleichmäßiger Austritt von zerstäubtem Edukt erfolgt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erweist es sich als besonders vor
teilhaft, die fluchtenden Löcher bzw. Düsenkörper 34, 35, 50
derart anzuordnen, daß sie auf gleicher Höhe wie die Gitter
netze 16 ausgebildet sind. Hiermit ist eine besonders effektive
katalytische Umsetzung des Eduktes in dem die Gitternetze
jeweils umgebenden Katalysatormaterial erzielbar.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stapelreaktors 20,
welcher eine Lanze zur gleichmäßigen Verteilung aufweist,
beschrieben.
Hier sind, stark schematisch, einzelne übereinanderliegende
Katalysatorscheiben wiederum mit 10 bezeichnet. Zwischen den
jeweiligen Katalysatorscheiben ausgebildete Reaktionskanäle
sind mit 70 bezeichnet. Bei im wesentlichen runder Ausbildung
des Stapelkörpers bilden die Einlaßkanäle 70 jeweils
Ringspalte. Die Höhe der Einlaßkanäle beträgt beispielsweise
0,5 mm. In den Eduktkanal 21 des dargestellten Stapelreaktors,
der, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, durch
fluchtende Anordnung von Durchbrüchen in den einzelnen
Katalysatorscheiben 10 gebildet ist, ist eine Lanze 30a zur
gleichmäßigen Beaufschlagung der aufeinanderliegenden
Katalysatorscheiben eingeführt. Die Lanze ist hier stark
schematisch dargestellt, wobei auf eine explizite Darstellung
des Innenaufbaus der Lanze verzichtet wurde. Es ist bevorzugt,
daß die Lanze 30a einen doppelrohrförmigen Aufbau entsprechend
der Lanze 30 gemäß Fig. 2 aufweist. Es sei angemerkt, daß
anstelle einer Zerstäubung des der Lanze zudosierten Eduktes
(schematisch, mittels Löchern 50 in der Außenwandung der Lanze
30a dargestellt) das der Lanze zugeführte Edukt bzw. Flüssig
keitsgemisch als Flüssigkeitsstrahl in die Kanäle 70 der
jeweiligen Katalysatorscheiben eingespritzt werden könnte,
wobei hierbei mittels nicht dargestellter Luftzuführungsmittel
Luft gleichzeitig den Kanälen 70 zudosiert wird.
Claims (8)
1. Stapelreaktor zur Durchführung einer katalytischen Reaktion
mit einer Anzahl übereinander angeordneter Katalysatorscheiben
(10), wobei die Katalysatorscheiben (10) jeweils Durchbrüche
(11) aufweisen, welche unter Bildung eines Eduktkanals (21),
über welchen wenigstens ein zu reagierendes Edukt an die
Katalysatorscheiben (10) heranführbar ist, miteinander
fluchten,
gekennzeichnet durch
eine in dem Eduktkanal (21) sich erstreckende rohrförmige Lanze
(30, 30a), in welche das wenigstens eine zu reagierende Edukt
stirnseitig einführbar sind, wobei die Lanze (30, 30a) entlang
ihrer Längserstreckung Mittel (34, 35, 50) zur Ausgabe der
eingeführten Edukte aufweist.
2. Stapelreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel (3, 4, 35, 50) zur Ausgabe des wenigstens einen
eingeführten Eduktes als Löcher (50) in der Mantelwand (32) der
Lanze (30) ausgebildet sind.
3. Stapelreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine als
konzentrisches Doppelrohr (31, 32) ausgebildete Lanze, wobei in
das Innenrohr (31) des Doppelrohres einführbares Edukt über in
der Mantelwand des Innenrohres ausgebildete Löcher (34) und/
oder Düsen (35) in das konzentrisch angeordnete Außenrohr (32)
des Doppelrohres überführbar und mittels dem Außenrohr (32)
zugeführten Gases, insbesondere Luft, zerstäubbar ist, wobei
das derart zerstäubte Edukt über weitere, in der Mantelwand des
Außenrohres (32) vorgesehene Löcher und/oder Düsen auf die die
Lanze umgebenden Katalysatorscheiben aufbringbar ist.
4. Stapelreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Düsen (35) und der Mantelwand des Außenrohres (32)
ein schmaler Spalt (37), insbesondere einer Breite von 0,1 -
0,3 mm, ausgebildet ist.
5. Lanze zur gleichmäßigen Beaufschlagung aufeinanderliegender
Katalysatorscheiben (10) eines Stapelreaktors mit wenigstens
einem Edukt,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein zu reagierendes Edukt stirnseitig in die
rohrförmige Lanze einführbar ist, wobei die Lanze entlang ihrer
Längserstreckung Mittel (34, 35, 50) zur Ausgabe des wenigstens
einen eingeführten Edukts aufweist.
6. Lanze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel (34, 35, 50) zur Ausgabe des wenigstens einen
eingeführten Eduktes als Löcher (50) in der Mantelwand (32) der
Lanze ausgebildet sind.
7. Lanze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als
konzentrisches Doppelrohr (31, 32) ausgebildet ist, wobei in
das Innenrohr (31) des Doppelrohres einführbares Edukt über in
der Mantelwand des Innenrohres ausgebildete Löcher (34) und/
oder Düsen (35) in das konzentrisch angeordnete Außenrohr (32)
des Doppelrohres überführbar und mittels dem Außenrohr (32)
zugeführtem Gas, insbesondere Luft, zerstäubbar ist, wobei das
derart zerstäubte Edukt über weitere, in der Mantelwand des
Außenrohres (32) vorgesehene Löcher und/oder Düsen aus der
Lanze ausstoßbar ist.
8. Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen
derart dimensioniert sind, daß zwischen den jeweiligen Düsen
und der Mantelwand des Außenrohres ein schmaler Spalt,
insbesondere einer Breite von 0,1-0,3 mm, gebildet wird.
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