DE19907796A1 - Reactor catalytically-converting hydrocarbon in presence of oxygen, to produce very pure hydrogen for use in e.g. vehicle fuel cells, employs selectively-permeable membranes for oxygen and hydrogen - Google Patents
Reactor catalytically-converting hydrocarbon in presence of oxygen, to produce very pure hydrogen for use in e.g. vehicle fuel cells, employs selectively-permeable membranes for oxygen and hydrogenInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Erzeugung von Wasserstoff durch Umsetzung einer Kohlenwasserstoff- oder Koh lenwasserstoffderivat-Ausgangssubstanz unter Sauerstoffzufuhr, insbesondere durch katalytische partielle Oxidation der Aus gangssubstanz, z. B. Methanol.The invention relates to a reactor for generating Hydrogen by reacting a hydrocarbon or Koh Hydrogen derivative starting substance with oxygen supply, especially by catalytic partial oxidation of the off common substance, e.g. B. methanol.
Derartige Reaktoren werden beispielsweise in Brennstoffzellen fahrzeugen eingesetzt, um den für die Brennstoffzellen benötig ten Wasserstoff fahrzeugseitig unter Verwendung von mitgeführtem Methanol oder einem anderen Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasser stoffderivat als Ausgangssubstanz zu erzeugen. Dies erspart vo luminöse und schwere Wasserstoffspeichertanks im Fahrzeug. Al lerdings ist insbesondere für die häufig verwendeten PEM-Brenn stoffzellen sehr reiner Wasserstoff erforderlich, der weitestge hend frei von schädlichen Nebenprodukten wie Kohlenmonoxid ist. Gleichzeitig sollte bei dieser mobilen Anwendung der benötigte Bauraum klein gehalten werden, und aufgrund der typischen An triebslastschwankungen im Fahrbetrieb des Fahrzeugs bestehen ho he Dynamikanforderungen an den Reaktor. Es besteht daher Bedarf an einem möglichst kleinen und leichten, kompakten Aufbau des Reaktors. Außerdem ist ein hoher Wirkungsgrad erstrebenswert, so daß möglichst wenig Komponenten, wie Regelungs- und Steuerein heiten, und wenig aufzuwärmende Einbaugehäuse mit hoher Wärmeka pazität vorhanden sein sollten. Es ist eine hohe Umsetzungsrate und durch entsprechende Reaktionsproduktbehandlung die Gewinnung sehr hochreinen Wasserstoffs anzustreben. Nicht zuletzt sollte sich der Reaktor mit möglichst geringem Herstellungsaufwand in hoher Stückzahl fertigen lassen. Such reactors are used, for example, in fuel cells vehicles used to meet the needs for the fuel cells th hydrogen on the vehicle side using entrained Methanol or another hydrocarbon or hydrocarbon to produce a derivative of the substance as a starting substance. This saves vo luminous and heavy hydrogen storage tanks in the vehicle. Al lerdings is especially for the commonly used PEM burner very pure hydrogen is required is free of harmful by-products such as carbon monoxide. At the same time, this mobile application should have the required Installation space can be kept small, and due to the typical type fluctuations in the load when driving the vehicle are ho he dynamic requirements for the reactor. There is therefore a need on a small and light, compact construction of the Reactor. In addition, high efficiency is desirable that as few components as possible, such as regulation and control units, and installation housings with little heat that require little heating capacity should be available. It is a high implementation rate and extraction by appropriate reaction product treatment to strive for very high-purity hydrogen. Last but not least the reactor with the least possible manufacturing effort have a large number produced.
Die wasserstofferzeugende Umsetzung unter Sauerstoffzufuhr er folgt häufig durch katalytische partielle Oxidation, die insbe sondere in Kaltstartphasen von einer vollständigen katalytischen Oxidation sowie besonders im warmgelaufenen Betrieb von einer endothermen katalytischen Reformierung des Kohlenwasserstoffs bzw. Kohlenwasserstoffderivats begleitet sein kann. Insbesondere ist dabei die Kombination der exothermen partiellen Oxidation mit der endothermen Reformierung, z. B. einer Reformierung mit tels Wasserdampf, zu einem autothermen Umsetzungsprozeß möglich.The hydrogen-producing implementation with the addition of oxygen often follows through catalytic partial oxidation, especially especially in cold start phases of a complete catalytic Oxidation and especially in the warmed up operation of one endothermic catalytic reforming of the hydrocarbon or hydrocarbon derivative can be accompanied. In particular is the combination of the exothermic partial oxidation with endothermic reforming, e.g. B. a reform with water vapor, possible for an autothermal conversion process.
Ein Reaktor der eingangs genannten Art zur Wasserstofferzeugung mit der Möglichkeit einer autothermen Prozeßführung ist in der Patentschrift US 5.741.474 beschrieben. Beim dortigen Reaktor beinhalten die Sauerstoffzufuhrmittel eine in einen Verdampfer mündende Lufteinspeiseleitung, wobei dem Verdampfer außerdem die umzusetzende Ausgangssubstanz, z. B. Methanol, zugeführt wird, der Wasser beigemischt sein kann. Der Verdampfer grenzt an die Eingangsseite des katalysatorbelegten Reaktionsraums an, der in einem Seitenbereich von einer Wasserstoffpermeationsmembran be grenzt wird, während er im gegenüberliegenden Seitenbereich über eine wärmeleitende Seitenwand an eine Heizeinrichtung angrenzt. In der Heizeinrichtung kann zu Heizzwecken ein Teil der bevorra teten Ausgangssubstanz mit Luft verbrannt werden, um den Reak tionsraum und den Verdampfer zu beheizen.A reactor of the type mentioned for hydrogen production with the possibility of an autothermal process control is in the Patent US 5,741,474. At the reactor there the oxygen supply means include one in an evaporator opening air feed line, the evaporator also the starting substance to be implemented, e.g. B. methanol is supplied, the water can be mixed. The evaporator borders on the Input side of the catalyst-occupied reaction space, which in a side region of a hydrogen permeation membrane is bordered while in the opposite side area a heat-conducting side wall adjoins a heating device. A part of the vorra Starting material can be burned with air to give the reac heating room and the evaporator.
Die den Reaktionsraum von einem Wasserstoffsammelraum abgrenzen de Wasserstoffpermeationsschicht dient dazu, den bei der Umset zungsreaktion im Reaktionsraum gebildeten Wasserstoff selektiv abzutrennen, indem sie nur den Durchtritt des Wasserstoffs in den Wasserstoffsammelraum gestattet und die übrigen im Reakti onsraum vorliegenden Substanzen davor zurückhält. Für diesen Zweck geeignete Wasserstoffpermeationsschichten sind insbesonde re in Form entsprechender Membranen verschiedentlich bekannt, siehe z. B. die Patentschriften US 4.902.307, US 4.981.676, US 5.149.600, US 5.451.386 und US 5.525.322. They delimit the reaction space from a hydrogen collection space de Hydrogen permeation layer is used for the conversion tion reaction selectively formed hydrogen in the reaction space separate by only allowing the passage of hydrogen in allowed the hydrogen collection room and the rest in the reacti onsraum from existing substances. For this Suitable hydrogen permeation layers are in particular variously known in the form of corresponding membranes, see e.g. B. the patents US 4,902,307, US 4,981,676, US 5,149,600, US 5,451,386 and US 5,525,322.
In der Offenlegungsschrift WO 98/41394 ist ein Reaktor zur Was serstofferzeugung durch Umsetzung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderivats unter Sauerstoffzufuhr offenbart, bei dem ein Reaktionsraum von einer Mehrschicht-Kompositmembran be grenzt wird. Diese Membran trägt reaktionsraumseitig eine poröse Schicht, die im wesentlichen aus einem zur Durchführung der ge wünschten Umsetzungsreaktion geeigneten Katalysatormaterial be steht. Auf ihrer reaktionsraumabgewandten Seite trägt die Mem bran eine im wesentlichen aus einem Sauerstoffaktivierungskata lysatormaterial bestehende poröse Schicht. Die Kompositmembran fungiert als Sauerstoffpermeationsschicht, indem sie mit ihrer reaktionsraumabgewandten porösen Schicht eine Umwandlung von an geströmtem Luftsauerstoff in Sauerstoffionen und deren Durch tritt durch die Membran bis zur reaktionsraumseitigen porösen Schicht bewirkt, wo die umzusetzende Ausgangssubstanz mit Hilfe der selektiv durch die Membran transportierten Sauerstoffionen partiell oxidiert wird. Das im Reaktionsraum entstehende, was serstoffhaltige Reaktionsgasgemisch wird aus dem Reaktionsraum zur Weiterverwendung abtransportiert.In the published patent application WO 98/41394 there is a reactor for what Production of hydrogen by conversion of a hydrocarbon or Disclosed hydrocarbon derivative with oxygen, at which is a reaction space from a multi-layer composite membrane is bordered. This membrane has a porous side on the reaction space Layer consisting essentially of one to carry out the ge desired reaction material suitable catalyst stands. On its side facing away from the reaction space, the mem bran essentially consists of an oxygen activation kata existing porous layer. The composite membrane acts as an oxygen permeation layer by using its a porous layer facing away from the reaction space Flown atmospheric oxygen in oxygen ions and their passage passes through the membrane to the porous side of the reaction chamber Layer causes where the starting substance to be converted with the help the oxygen ions selectively transported through the membrane is partially oxidized. What emerges in the reaction space Reaction gas mixture containing hydrogen is removed from the reaction space transported for further use.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Reaktors der eingangs genannten Art zugrunde, der sich möglichst einfach und kompakt bauen läßt und eine zufriedenstel lende Umsetzungsreaktion im Reaktionsraum mit möglichst gleich mäßiger Sauerstoffzufuhr sowie die Gewinnung von sehr reinem Wasserstoff ermöglicht.The invention is a technical problem of providing based on a reactor of the type mentioned can be built as simply and compactly as possible and is satisfactory lende reaction in the reaction space with the same as possible moderate oxygen supply and the extraction of very pure Hydrogen enables.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Reaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Reaktor beinhal tet einerseits eine direkt an den Reaktionsraum angrenzende Was serstoffpermeationsschicht, über die im Reaktionsraum gebildeter Wasserstoff sehr rein in den entsprechenden Wasserstoffsammel raum abgetrennt werden kann, und andererseits eine ebenfalls di rekt an den Reaktionsraum angrenzende Sauerstoffpermeations schicht, über die selektiv Sauerstoff aus in einen Luftzufuhr raum eingeleiteter Luft abgetrennt und gleichmäßig, flächig verteilt in den Reaktionsraum geleitet werden kann. Die zum Re aktionsraum unmittelbar benachbarte Positionierung sowohl der Wasserstoffabtrennmittel als auch der Sauerstoffzufuhrmittel er laubt eine kompakte Reaktorbauform und ein zufriedenstellendes Reaktionsdynamikverhalten selbst bei Lastschwankungen und ohne hohen Aufwand für Prozeßregelungs- und Prozeßsteuereinheiten. Gleichzeitig läßt sich durch die direkte Wasserstoffabtrennung das Reaktionsgleichgewicht im Reaktionsraum zugunsten vermehrt er Reaktionsproduktbildung verschieben.The invention solves this problem by providing a Reactor with the features of claim 1. The reactor included on the one hand a was directly adjacent to the reaction space permeation layer, over that formed in the reaction space Hydrogen very pure in the corresponding hydrogen collection space can be separated, and on the other hand also di oxygen permeation adjacent to the reaction space layer through which oxygen is selectively released into an air supply Air introduced into the room is separated and even, flat can be distributed distributed into the reaction space. The for re action space immediately adjacent positioning both the Hydrogen release agent as well as the oxygen supply agent leaves a compact reactor design and a satisfactory Reaction dynamic behavior even with load fluctuations and without high effort for process control and process control units. At the same time, the direct hydrogen separation he increases the reaction equilibrium in the reaction space in favor Postpone reaction product formation.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Reaktor besteht die Sauerstoffpermeationsschicht aus einem Perovskitmaterial, einem aktivierten porösen Material oder einem Polymermaterial. Es zeigt sich, daß derartige Schichten besonders geeignet sind, Luftsauerstoff ausreichend selektiv von zugeführter Luft abzu trennen.In a further developed according to claim 2 there is Oxygen permeation layer made of a perovskite material, a activated porous material or a polymer material. It it turns out that such layers are particularly suitable To selectively remove atmospheric oxygen from the supplied air separate.
Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Reaktor ist der Reak tionsraum von einem porösen Materialkörper aus Keramik, Glas, Metall, Kohlenstoff, einem Polymer oder einer Kombination dieser Materialien gebildet, dessen Oberfläche mit einem geeigneten Ka talysatormaterial belegt ist. Die Verwendung eines solchen porö sen Materialkörpers führt zu einem sehr befriedigenden Reakti onsablauf und wegen der hohen volumenspezifischen Oberfläche des porösen Materialkörpers zu einer hohen Umsatzleistung bei gege bener Baugröße. Insbesondere ist die wirksame, katalysatorbeleg te Oberfläche in diesem Fall bei gegebenem Reaktionsraumvolumen deutlich höher als bei Reaktoren, in denen das Katalysatormate rial lediglich als eine Wandschicht an der Reaktionsrauminnen wand vorhanden ist.In a reactor developed according to claim 3, the reak tion space of a porous material body made of ceramic, glass, Metal, carbon, a polymer or a combination of these Materials formed, the surface of which with a suitable Ka Talysatormaterial is occupied. The use of such a porö sen material body leads to a very satisfactory reaction and because of the high volume-specific surface of the porous material body to a high sales performance at gege size. In particular, the effective, catalyst document te surface in this case for a given reaction space volume significantly higher than in reactors in which the catalyst mate rial only as a wall layer on the inside of the reaction space wall is present.
Besonders geeignete Wasserstoffpermeationsschichten sind in An spruch 4 angegeben.Particularly suitable hydrogen permeation layers are in An pronounced 4.
Vorteilhafte Gestaltungen und Positionierungen der Wasserstoff abtrennmittel und/oder der Sauerstoffzufuhrmittel sind im An spruch 5 angegeben. Advantageous designs and positioning of the hydrogen Release agents and / or the oxygen supply means are in the An pronounced 5.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An advantageous embodiment of the invention is in the Drawing shown and is described below.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Längsschnittansicht durch einen Wasserstofferzeugungsreaktor.The single figure shows a schematic longitudinal sectional view through a hydrogen generation reactor.
Der in seinem Aufbau in einer Längsschnittansicht gezeigte Reak tor weist einen Reaktionsraum 1 auf, der von einem porösen Mate rialkörper aus Keramik, Glas, Metall, Kohlenstoff, einem Polymer oder einer Kombination dieser Materialien gebildet ist. Durch seine Porosität weist der den Reaktionsraum 1 bildende Materi alkörper eine hohe volumenspezifische Oberfläche auf, die mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, das die gewünschte Umsetzung einer Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderi vat-Ausgangssubstanz, z. B. Methanol, unter Sauerstoffzufuhr ka talysiert.The reac tor shown in its construction in a longitudinal sectional view has a reaction space 1 which is formed by a porous material body made of ceramic, glass, metal, carbon, a polymer or a combination of these materials. Due to its porosity, the material forming the reaction chamber 1 has a high volume-specific surface which is coated with a catalyst material which provides the desired reaction of a hydrocarbon or hydrocarbon derivative starting substance, for. B. methanol, ka talysiert with oxygen.
Die umzusetzende Ausgangssubstanz ist in einem dem Reaktionsraum 1 eintrittsseitig zugeführten Stoffstrom 2 enthalten. In Fällen, in denen die Umsetzungsreaktion neben einer vollständigen oder partiellen Oxidation auch eine Wasserdampfreformierungsreaktion umfaßt, vorzugsweise in Form eines autothermen Prozesses, ent hält der eintrittsseitige Stoffstrom 2 außerdem das benötigte Wasser, das bevorzugt zuvor geeignet erwärmt wird.The starting substance to be converted is contained in a stream 2 supplied to the reaction chamber 1 on the inlet side. In cases in which the conversion reaction comprises, in addition to complete or partial oxidation, also a steam reforming reaction, preferably in the form of an autothermal process, ent inlet stream 2 also contains the required water, which is preferably suitably heated beforehand.
In einem ersten, in der Figur unteren Seitenbereich ist der Re aktionsraum 1 von einer Wasserstoffpermeationsschicht in Form einer Wasserstoffabtrennmembran 3 begrenzt, die aus einer porö sen Keramik- Glas-, Kohlenstoff- oder Polymerschicht oder aus einer dichten Metallschicht, vorzugsweise aus einem Metall der Elementgruppen IVb, Vb, VIII oder deren Legierungen besteht oder als Kompositmembran aus einer Kombination mehrerer solcher Schichten aufgebaut ist. In jedem Fall hat die Wasserstoffab trennmembran 3 die Eigenschaft, daß sie von den im Reaktionsraum 1 vorliegenden Substanzen hochselektiv nur Wasserstoff (H2) hin durchtreten läßt, der auf diese Weise in einen Wasserstoffsam melraum 4 gelangt, der an die Wasserstoffabtrennmembran 3 auf deren dem Reaktionsraum 1 gegenüberliegenden Seite angrenzt.In a first, in the figure lower side area, the reaction space 1 is delimited by a hydrogen permeation layer in the form of a hydrogen separation membrane 3 , which consists of a porous ceramic, glass, carbon or polymer layer or of a dense metal layer, preferably of a metal from the element groups IVb, Vb, VIII or their alloys consists or is constructed as a composite membrane from a combination of several such layers. In any case, the hydrogen separating membrane 3 has the property that it allows only hydrogen (H 2 ) to pass through from the substances present in the reaction chamber 1 , which in this way reaches a hydrogen collecting chamber 4 which connects to the hydrogen separating membrane 3 on the one thereof Reaction space 1 opposite side.
In einem der Wasserstoffabtrennmembran 3 gegenüberliegenden Sei tenbereich ist der Reaktionsraum 1 von einer Sauerstoffpermeati onsschicht 5 begrenzt, die aus einem Perovskitmaterial, einer aktivierten porösen Schicht oder einer Polymerschicht in her kömmlicher Weise derart besteht, daß sie selektiv den Durchtritt von Sauerstoff beispielweise in ionisierter Form ermöglicht. Auf ihrer dem Reaktionsraum 1 abgewandten Seite grenzt an die Sauer stoffpermeationsschicht 5 ein Luftzufuhrraum 6 an. Dieser bildet zusammen mit der Sauerstoffpermeationsschicht 5 und einer übli chen, nicht näher gezeigten Lufteinspeiseleitung Sauerstoffzu fuhrmittel, mit denen ein Luftstrom 7 in den Luftzufuhrraum 6 eingeleitet und selektiv der in der zugeführten Luft enthaltene Sauerstoff wenigstens teilweise in den Reaktionsraum 2 einge speist wird. Indem die Sauerstoffeinspeisung über die Sauer stoffpermeationsschicht 5 erfolgt, gelangt der Sauerstoff in atomarer, normalerweise ionisierter Form sehr gleichmäßig und flächig verteilt in den Reaktionsraum 1 und steht dort zur Oxi dation des umzusetzenden Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasser stoffderivats zur Verfügung. Der Luftstickstoff und der gegebe nenfalls nicht von der Sauerstoffpermeationsschicht 5 aufgenom mene Teil des Luftsauerstoffs verlassen den Luftzufuhrraum 6 an einer seiner Eintrittsseite gegenüberliegenden Austrittsseite als Restluftstrom 8, der beispielsweise einer nicht gezeigten katalytischen Brennereinheit zugeführt werden kann. Dort kann der noch enthaltene Sauerstoff zur katalytischen Verbrennung ei nes zugeführten Brennstoffs genutzt werden, um Wärme zur Behei zung entsprechender Anlagenkomponenten zu erzeugen, wie eines Verdampfers.Tenbereich in one of the Wasserstoffabtrennmembran 3 opposite Be the reaction chamber 1 is onsschicht of a Sauerstoffpermeati 5 limited, consisting of a perovskite material, an activated porous layer or a polymer layer in a conventional manner to that selectively, for example, allows the passage of oxygen in the ionized form . On its side facing away from the reaction space 1 is adjacent to the Sauer stoffpermeationsschicht 5 to an air supply space. 6 This forms together with the oxygen permeation layer 5 and a übli Chen, not shown air feed line oxygen supply means with which an air stream 7 is introduced into the air supply space 6 and selectively the oxygen contained in the supplied air is at least partially fed into the reaction space 2 . By feeding the oxygen through the oxygen permeation layer 5 , the oxygen in atomic, normally ionized form is distributed very evenly and over a wide area into the reaction space 1 and is available there for the oxidation of the hydrocarbon or hydrocarbon derivative to be converted. The atmospheric nitrogen and, if necessary, not part of the oxygen permeated by the oxygen permeation layer 5 leave the air supply space 6 on an outlet side opposite its inlet side as a residual air stream 8 , which can be supplied, for example, to a catalytic burner unit, not shown. There, the oxygen still present can be used for the catalytic combustion of a supplied fuel in order to generate heat for heating corresponding system components, such as an evaporator.
Wie gezeigt, besitzt der Reaktor einen sehr kompakten Aufbau, bei dem die wasserstofferzeugende Umsetzungsreaktion einer zuge führten Ausgangssubstanz im katalysatorbelegten Reaktionsraum 1 mit einer hoch selektiven Wasserstoffabtrennung direkt aus dem Reaktionsraum 1 sowie einer flächigen, gleichmäßigen Zuführung praktisch reinen Sauerstoffs in den Reaktionsraum 1 in einem ge meinsamen Reaktorgehäuse vorteilhaft integriert ist. Die hohe volumenspezifische Oberfläche des porösen katalysatorbelegten Reaktionsraum-Materialkörpers trägt bei gegebener, geforderter Umsatzleistung ebenso zu einem kleinen Bauvolumen bei wie die fein verteilte Einspeisung atomaren Sauerstoffs in den Reakti onsraum 1. Durch die Kompaktheit des Reaktoraufbaus ergibt sich eine gute Kaltstartfähigkeit und ein gutes reaktionsdynamisches Verhalten auch bei den für mobile Anwendungen typischen, raschen Lastwechseln. Durch die direkte Wasserstoffabtrennung aus dem Reaktionsraum 1 verschiebt sich dort das Reaktionsgleichgewicht zugunsten erhöhter Wasserstoffproduktion. Der Reaktor eignet sich ersichtlich genauso gut für einen reinen partiellen Oxida tionsprozeß wie für eine Kombination der exothermen partiellen Oxidation mit einer endothermen Reformierungsreaktion, insbeson dere zur Erzielung eines autothermen Reaktionsprozesses. Spe ziell eignet sich der Reaktor unter anderem zur Gewinnung von Wasserstoff für die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenfahr zeugs im laufenden Fahrbetrieb aus einem flüssig mitgeführten Kohlenwasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoffderivat-Brennstoff, wie Methanol.As shown, the reactor has a very compact structure in which the hydrogen-generating reaction of a supplied starting substance in the catalyst-occupied reaction space 1 with a highly selective hydrogen separation directly from the reaction space 1 and a flat, uniform supply of practically pure oxygen into the reaction space 1 in one ge common reactor housing is advantageously integrated. The high volume-specific surface of the porous catalyst-coated reaction chamber material body contributes to a small construction volume for a given, required sales performance, as does the finely divided feed of atomic oxygen into reaction chamber 1 . The compactness of the reactor structure results in good cold start capability and good dynamic response behavior even with the rapid load changes typical of mobile applications. The direct hydrogen separation from reaction chamber 1 shifts the reaction equilibrium there in favor of increased hydrogen production. The reactor is evidently just as suitable for a pure partial oxidation process as for a combination of the exothermic partial oxidation with an endothermic reforming reaction, in particular in order to achieve an autothermal reaction process. Specifically, the reactor is suitable, inter alia, for the production of hydrogen for the fuel cells of a fuel cell vehicle while driving from a liquid hydrocarbon or hydrocarbon derivative fuel such as methanol.
Es versteht sich, daß neben dem oben beschriebenen Beispiel zahlreiche weitere Realisierungen des erfindungsgemäßen Reaktors möglich sind. So kann anstelle des porösen Materialkörpers ein hohler Reaktionsraum vorgesehen sein, der mit einer Katalysator schüttung befüllt und/oder an seiner Innenwand mit einer Kataly satorschicht versehen ist. Die gezeigte Schnittansicht kann eine solche durch einen Reaktor vom Schichtstapeltyp sein, bei dem der Reaktionsraum 1, die Wasserstoffpermeationsschicht 3, der Wasserstoffsammelraum 4, die Sauerstoffpermeationsschicht 5 und der Luftzufuhrraum 6 je eine Schicht eines Schichtstapels bilden. Alternativ kann diese Schnittansicht jedoch auch eine Längs schnittansicht durch einen zylindrischen Reaktor mit in der Fi gur parallel zur Strömungsrichtung des Ausgangssubstanz-Stoff stroms 2 liegender Zylinderachse sein, der im Inneren den Reak tionsraum 1 enthält, an den radial nach außen einander gegen überliegend die Wasserstoffpermeationsschicht 3 und die Sauer stoffpermeationsschicht 5 als jeweilige Zylinderringsektoren an grenzen. Dabei können die beiden Permeationsschichten z. B. aus sich gegenüberliegenden Zylinderhalbringen bestehen, alternativ können sie jedoch auch von unterschiedlicher Umfangslänge sein. Als weitere Alternative kann eine in Zylinderumfangsrichtung al ternierende Abfolge mehrerer Zylinderringsektoren vorgesehen sein, die jeweils einen Teil der dann mehrteiligen Wasserstoff permeationsschicht bzw. Sauerstoffpermeationsschicht bilden. Ra dial nach außen schließen dann jeweils der Wasserstoffsammelraum und der Luftzufuhrraum in entsprechend ein- oder mehrteiliger Form an. In einer weiteren zylindrischen Realisierung ist der Wasserstoffsammelraum oder der Luftzufuhrraum im Zylinderinneren angeordnet, das dann ringförmig vom Reaktionsraum umgeben wird, an den sich dann radial nach außen der Luftzufuhrraum bzw. der Wasserstoffsammelraum als weiterer Ringraum anschließt. In die ser Realisierung können beide Permeationsschichten als koaxiale, geschlossene Zylinderringe ausgebildet sein.It goes without saying that, in addition to the example described above, numerous further implementations of the reactor according to the invention are possible. Thus, instead of the porous material body, a hollow reaction space can be provided which is filled with a catalyst bed and / or is provided on its inner wall with a catalyst layer. The sectional view shown can be one through a layer stack type reactor in which the reaction space 1 , the hydrogen permeation layer 3 , the hydrogen collection space 4 , the oxygen permeation layer 5 and the air supply space 6 each form a layer of a layer stack. Alternatively, this sectional view can, however, also be a longitudinal sectional view through a cylindrical reactor with the cylinder axis lying in the fi gur parallel to the flow direction of the starting substance stream 2 , which contains the reaction chamber 1 inside, to which the hydrogen permeation layer is located radially outward 3 and the oxygen permeation layer 5 as respective cylindrical ring sectors. The two permeation layers can, for. B. consist of opposing cylinder half rings, alternatively, however, they can also be of different circumferential lengths. As a further alternative, a sequence of a plurality of cylindrical ring sectors which alternate in the cylinder circumferential direction can be provided, each of which forms part of the then multi-part hydrogen permeation layer or oxygen permeation layer. Ra dial then connect to the outside of the hydrogen collection space and the air supply space in a corresponding one-part or multi-part form. In a further cylindrical implementation, the hydrogen collection space or the air supply space is arranged in the interior of the cylinder, which is then surrounded in a ring by the reaction space, to which the air supply space or the hydrogen collection space then adjoins radially outwards as a further annular space. In this implementation, both permeation layers can be designed as coaxial, closed cylindrical rings.
Als weitere Gestaltungsalternative ist es möglich, eine oder mehrere voneinander beabstandete, dem Reaktionsraum durchqueren de Hohlfasern vorzusehen und den Reaktionsraum im übrigen mit einer Katalysatorschüttung zu befüllen. Die Hohlfasern können dann je nach Auslegung der Hohlfaserwandung als eine selektiv Wasserstoff oder Sauerstoff abtrennende Schicht die Funktion ei ner direkt an den Reaktionsraum angrenzenden Wasserstoffpermea tionsschicht bzw. Sauerstoffpermeationsschicht erfüllen. Der Hohlfaserinnenraum dient dabei entsprechend als Wasserstoffsam melraum bzw. Luftzufuhrraum. Je nach Anwendungsfall können nur wasserstoffabführende oder nur sauerstoffzuführende Hohlfasern oder eine Kombination beider Hohlfaserarten vorgesehen sein.As a further design alternative, it is possible to use one or several spaced apart, cross the reaction space de to provide hollow fibers and the reaction space with the rest to fill a catalyst bed. The hollow fibers can then depending on the design of the hollow fiber wall as a selective Hydrogen or oxygen separating layer the function ner directly adjacent to the reaction space hydrogen permeate tion layer or oxygen permeation layer. The The hollow fiber interior accordingly serves as hydrogen seed air space. Depending on the application, only Hydrogen-dissipating or only oxygen-supplying hollow fibers or a combination of both types of hollow fibers can be provided.
Claims (5)
- - einem katalysatorbelegten Reaktionsraum (1),
- - einer den Reaktionsraum von einem Wasserstoffsammelraum (4) abgrenzenden Wasserstoffpermeationsschicht (3) und
- - Mittel zur Zufuhr von Sauerstoff in-den Reaktionsraum,
dadurch gekennzeichnet, daß - - die Sauerstoffzufuhrmittel eine den Reaktionsraum (1) von einem Luftzufuhrraum (6) abgrenzende Sauerstoffpermeations schicht (5) aufweisen.
- - a catalyst-occupied reaction space ( 1 ),
- - A hydrogen permeation layer ( 3 ) delimiting the reaction space from a hydrogen collection space ( 4 ) and
- Means for supplying oxygen into the reaction space,
characterized in that - - The oxygen supply means have a reaction space ( 1 ) from an air supply space ( 6 ) delimiting oxygen permeation layer ( 5 ).
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