DE19953233A1 - Autothermal reactor circuits for the direct coupling of endothermic and exothermic reactions - Google Patents
Autothermal reactor circuits for the direct coupling of endothermic and exothermic reactionsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur direkten Kopplung einer endothermen Synthese reaktion mit einer exothermen Begleitreaktion. Endotherme Synthesereaktionen spielen in der Chemischen Industrie eine wichtige Rolle zur Erzeugung von Grund chemikalien und Zwischenprodukten. Diese Reaktionen werden meist in der Gas phase bei erhöhter Temperatur und häufig an festen Katalysatoren in sog. Festbett reaktoren durchgeführt. Typische Beispiele sind Reformierreaktionen von Kohlen wasserstoffen zur Erzeugung von Synthesegas sowie Dehydrierungen.The invention relates to methods for the direct coupling of an endothermic synthesis reaction with an exothermic accompanying reaction. Endothermic synthesis reactions play an important role in the production of soil in the chemical industry chemicals and intermediates. These reactions are mostly in the gas phase at elevated temperature and often on solid catalysts in a so-called fixed bed reactors carried out. Typical examples are coal reforming reactions Hydrogen for the production of synthesis gas and dehydration.
Die erforderliche Reaktionswärme wird dabei durch eine exotherme Begleitreaktion, typischerweise eine Verbrennungsreaktion, erzeugt und meist durch indirekten Wärmeaustausch auf das Reaktionsgas übertragen. Dabei erfolgt die Wärmeüber tragung in vor- oder zwischengeschalteten Wärmeübertragern, in Rohrbündelreak toren, die von einem heißen Wärmeträgerfluid umströmt werden, oder indem die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre direkt in einer Brennkammer angeordnet sind. Bei diesen Anordnungen findet der Wärmeeintrag relativ ungezielt statt, so daß lokal hohe Übertemperaturen auftreten und das Produktgas relativ lange bei hohen Tem peraturen verweilt, was unerwünschte Neben- und Folgereaktionen begünstigt. Au ßerdem läßt sich die in den heißen Abgasen enthaltene Wärme nur mit hohem Auf wand (teure hochtemperaturbeständige Wärmetauscher) und auf mäßigem Tempe raturniveau rückgewinnen und auch nur in einem geeigneten Energieverbund weiter nutzen.The required heat of reaction is achieved through an exothermic accompanying reaction, typically a combustion reaction, generated and mostly by indirect Transfer heat exchange to the reaction gas. The heat is transferred Carried in upstream or intermediate heat exchangers, in tube bundle cracks gates, which are surrounded by a hot heat transfer fluid, or by using Catalyst-filled reaction tubes are arranged directly in a combustion chamber. In these arrangements, the heat input takes place relatively untargeted, so locally high excess temperatures occur and the product gas relatively long at high temperatures temperatures remain, which favors undesirable secondary and subsequent reactions. Au In addition, the heat contained in the hot exhaust gases can only be increased wall (expensive high temperature resistant heat exchanger) and at moderate tempe recover the level of the building and only continue in a suitable energy network use.
Deswegen gab es zahlreiche Überlegungen und Versuche, die benötigte Reaktions wärme direkt im Reaktionssystem zu erzeugen und im Sinne einer integrierten Reak tionsführung auch dort so weitgehend zu nutzen, daß die Zu- und Abläufe weitge hend "kalt" erfolgen und keine Überschußwärme abgeführt werden muß. Eine solche Reaktionsführung wird im folgenden als "autotherm" bezeichnet, wobei "kalt" der Temperatur entspricht, mit der die Einsatzstoffe z. B. nach einem Verdampfer oder Verdichter vorliegen, und die in den Ablaufströmen enthaltene Wärme nicht mehr wirtschaftlich nutzbar ist.Therefore, there were numerous considerations and attempts to get the required response generate heat directly in the reaction system and in the sense of an integrated reak tion management to be used there to such an extent that the inflows and outflows hend "cold" and no excess heat must be dissipated. Such Reaction control is referred to below as "autothermal", with "cold" the Corresponds to temperature at which the feed materials z. B. after an evaporator or Compressor are present, and the heat contained in the discharge streams no longer is economically usable.
Basis einer geeigneten autothermen Reaktionsführung ist also die möglichst gute energetische Kopplung einer exothermen Begleitreaktion mit der gewünschten endo thermen Synthesereaktion. Dabei wird zweckmäßigerweise ein direkter regenerativer oder ein indirekter rekuperativer Wärmeaustausch zwischen dem heißen Reaktorab lauf und dem kalten Reaktorzulauf vorgeschlagen. Die bisher vorgeschlagenen Kon zepte zeigen aber durchweg Schwierigkeiten, so daß bisher noch keine großtechni schen Realisierungen bekannt geworden sind.The basis for a suitable autothermal reaction is the best possible energetic coupling of an exothermic accompanying reaction with the desired endo thermal synthesis reaction. A direct regenerative is expediently or an indirect recuperative heat exchange between the hot reactor run and the cold reactor feed proposed. The previously proposed Kon Scepters, however, consistently show difficulties, so that no large-scale techni realizations have become known.
In [1] wird ein Verfahren zur Dampfreformierung von Methan in einem Reaktor mit periodischer Strömungsumkehr vorgestellt. Dem Reaktionsgemisch wird dabei so viel Sauerstoff zugegeben, daß die Gesamtreaktion exotherm wird. Durch den rege nerativen Wärmerücktausch im Reaktor wird eine autotherme Reaktionsführung er zielt. Die Experimente zeigen sehr schmale und hohe Temperaturspitzen mit der Ge fahr von Katalysatorschädigung, eine sehr hohe parametrische Empfindlichkeit und Probleme der Rückreaktion und der Koksbildung im abfallenden Teil des Tempera turprofils.[1] describes a process for steam reforming methane in a reactor periodic flow reversal presented. The reaction mixture is so much oxygen added to make the overall reaction exothermic. By the brisk Native heat exchange in the reactor will lead to an autothermal reaction aims. The experiments show very narrow and high temperature peaks with the Ge drive from catalyst damage, a very high parametric sensitivity and Problems of back reaction and coke formation in the falling part of the tempera door profile.
In [2, 3] wird ebenfalls das Verhalten eines Reaktors mit periodischer Strömungsum kehr für die Methan-Dampfreformierung untersucht. Im Gegensatz zu [1] wird die Reaktionswärme für die endotherme Reformierungsreaktion nicht simultan zu dieser bereitgestellt. Vielmehr wird die Reformiergasmischung während einer Halbperiode von einer Seite des Reaktors, eine Brenngasmischung während der zweiten Halbpe riode von der anderen Seite zugeführt. Die Autoren zeigen, daß ein stabiler Betrieb nur in einem sehr schmalen Betriebsbereich und mit unbefriedigendem Verhalten möglich ist. Charakteristisch sind wiederum sehr steile, hohe Temperaturspitzen während der Brenngasphase. Dabei kann in den schmalen Hochtemperaturzonen nicht genügend Wärme für die nachfolgende endotherme Periode gespeichert wer den. In [4] wird gezeigt, daß durch inerte Randzonen bei dieser Betriebsweise eine Verbesserung aber kein insgesamt befriedigendes Verhalten erzielt werden kann. In [5] wird die Methan-Dampfreformierung statt mit regenerativem mit rekuperativem Wärmetausch in einem sog. "Gegenstromfestbettreaktor" untersucht. Die Autoren zeigen, daß durch geeignete Wahl der katalytisch aktiven und der inerten Bereiche eine Verbesserung des ursprünglich unbefriedigenden Reaktorverhaltens erreicht werden kann. Als Nachteile bleiben aber eine sehr schmale, steile Reaktionszone und eine insgesamt unbefriedigende Wärmeintegration, da die Verbrennungsreakti on bereits rein thermisch kurz nach dem Zulauf anspringt, so daß auf der Brenngas seite kein ausreichend langer Wärmeaustausch realisiert werden kann.[2, 3] also describes the behavior of a reactor with a periodic flow for methane steam reforming. In contrast to [1], the Heat of reaction for the endothermic reforming reaction is not simultaneous to this provided. Rather, the reforming gas mixture is during a half period from one side of the reactor, a fuel gas mixture during the second half period fed from the other side. The authors show that stable operation only in a very narrow operating range and with unsatisfactory behavior is possible. Again, very steep, high temperature peaks are characteristic during the fuel gas phase. It can in the narrow high temperature zones not enough heat is stored for the subsequent endothermic period the. In [4] it is shown that an inert Improvement but no overall satisfactory behavior can be achieved. In [5] the methane steam reforming is used instead of regenerative with recuperative Heat exchange in a so-called "countercurrent fixed bed reactor" examined. the authors show that by appropriate choice of the catalytically active and the inert areas achieved an improvement in the originally unsatisfactory reactor behavior can be. The disadvantages, however, remain a very narrow, steep reaction zone and an overall unsatisfactory heat integration, since the combustion reaction one already starts thermally shortly after the inlet, so that on the fuel gas a sufficiently long heat exchange cannot be realized.
In [6, 7] wird für die Styrolsynthese eine autotherme Reaktionsführung mit periodi schem Wechsel der Strömungsrichtung vorgeschlagen, bei dem die Reaktionswär me über einen in Reaktormitte eingespeisten Heißgasstrom erzielt wird. Auch hierbei erweist sich die Wärmeintegration als nicht vollständig befriedigend, weil der Schüt tungsbereich, der durch Reaktionsgas und Heißgas durchströmt wird, einen höheren Durchsatz besitzt als der Teil, der nur vom Reaktionsgas durchströmt wird.In [6, 7] an autothermal reaction with periodi proposed change of flow direction in which the reaction heat me is achieved via a hot gas stream fed into the middle of the reactor. Here too the heat integration turns out to be not completely satisfactory because of the bulk tion area, which is flowed through by reaction gas and hot gas, a higher Throughput has as the part that only the reaction gas flows through.
Insgesamt besitzen somit alle bisher bekannt gewordenen Konzepte zur autother
men Kopplung exo- und endothermer Reaktionen gravierende Nachteile, die in fol
genden Punkten zusammengefaßt werden können:
Overall, all of the previously known concepts for the autothermal coupling of exothermic and endothermic reactions have serious disadvantages, which can be summarized in the following points:
- - sehr hohe, schmale Temperaturspitzen, hervorgerufen durch örtliche oder zeit liche Separierung der exothermen und der endothermen Reaktionszone,- very high, narrow temperature peaks, caused by local or time separation of the exothermic and endothermic reaction zones,
- - unkontrolliertes (homogenes) Anspringen der Verbrennungsreaktion,- uncontrolled (homogeneous) start of the combustion reaction,
- - mangelhafte Wärmeintegration, d. h. Teilströme verlassen das Reaktionssys tem zu heiß.- poor heat integration, d. H. Partial streams leave the reaction system tem too hot.
Es stellt sich somit die Aufgabe, neue Reaktorkonfigurationen für die autotherme Kopplung einer endothermen Synthesereaktion mit exothermen Begleitreaktionen zu entwickeln, die die obigen Nachteile nicht oder nur in deutlich reduziertem Umfang besitzen. Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen niedergelegte er findungsgemäßen Ausgestaltungen gelöst.The task thus arises of new reactor configurations for the autothermal Coupling of an endothermic synthesis reaction with exothermic accompanying reactions develop that does not have the above disadvantages or only to a significantly reduced extent have. This task is accomplished by the one set out in the claims Developments according to the invention solved.
Basis der erfindungsgemäßen Problemlösung ist zum einen die Sicherstellung eines optimalen Wärmeaustauschs zwischen heißem Ablauf und kaltem Zulauf. Ein sol cher optimaler Wärmetausch kann bekanntlich nur über einen indirekten Gegen stromwärmeaustausch oder einen hinreichend schnellen direkten regenerativen Wärmeaustausch erfolgen, wenn die in beiden Richtungen pro Zeiteinheit zu- /abgeführten Stoffströme gleiche Wärmekapazität besitzen. Ein erstes Charakteristi kum der erfindungsgemäßen Problemlösung lautet also, daß die im Wärmeaus tausch stehenden Stoffströme jeweils gleiche Wärmekapazität besitzen. Da sich die Wärmekapazität durch Temperaturänderung und chemische Reaktion ändert, kann diese Forderung in der Praxis nur mit einer gewissen Bandbreite erfüllt werden. Die zweite Forderung lautet, daß steile, hohe Temperaturspitzen vermieden werden müssen. Wie die vorstehend diskutierten Beispiele zeigen, kommen diese Tempera turspitzen stets dadurch zustande, daß die exotherme Begleitreaktion sehr schnell, quasi spontan und räumlich getrennt von der endothermen Reaktion abläuft. Insbe sondere bei Gegenstromführung der exothermen und der endothermen Reaktion zeigt sich eine ausgeprägte Tendenz der beiden Reaktionszonen, sich voneinander örtlich zu separieren. Diese Tendenz ist umso größer, je höher die Reaktionsge schwindigkeiten der beiden Teilströme sind. Das zweite erfindungsgemäße Charak teristikum besagt somit, daß die beiden Teilreaktionen so gedämpft und ihre Reak tionszonen so verlangert werden müssen, daß ihr Überlappungsbereich möglichst groß wird. Geeignete Maßnahmen dafür sind eine Einschränkung der katalytisch ak tiven Bereiche auf eine gemeinsame Überlappungszone und die Dämpfung der kata lytischen Aktivität durch Katalysatorverdünnung oder eine geeignete schnelle Auf einanderfolge aus katalytisch aktiven und inaktiven Abschnitten. Besonders vorteil haft ist auch ein Wechsel von Gegenstromführung zu Gleichstromführung in der ge meinsamen Reaktionszone oder die Durchführung der exothermen Reaktion unter weitgehend durchmischten Bedingungen, z. B. in einer Wirbelschicht. Wo das nicht möglich ist, muß die in der exothermen Reaktion freigesetzte Wärme durch sehr ef fektive Transportmechanismen in den Bereich der Hauptreaktionszone der endo thermen Reaktion transportiert werden.The basis of the problem solution according to the invention is on the one hand ensuring one optimal heat exchange between hot outlet and cold inlet. A sol As is well known, optimal heat exchange can only take place via an indirect counter electricity heat exchange or a sufficiently fast direct regenerative Heat exchange takes place if the in both directions per time unit / removed material flows have the same heat capacity. A first characteristic Cum of the problem solution according to the invention is that in the heat exchanged material flows each have the same heat capacity. Since the Heat capacity changes due to temperature change and chemical reaction in practice, this requirement can only be met with a certain bandwidth. The second requirement is that steep, high temperature peaks are avoided have to. As the examples discussed above show, this tempera comes peaks always occur because the exothermic accompanying reaction very quickly, happens almost spontaneously and spatially separated from the endothermic reaction. In particular especially when the exothermic and endothermic reaction is carried out in countercurrent there is a pronounced tendency of the two reaction zones to differ from one another to separate locally. The higher the reaction rate, the greater the tendency are speeds of the two partial flows. The second character according to the invention Teristikum thus says that the two partial reactions are so damped and their react tion zones must be extended so that their overlap area as possible gets big. Suitable measures for this are a restriction of the catalytically active tive areas to a common overlap zone and the damping of the kata lytic activity by catalyst dilution or a suitable rapid Auf sequence of catalytically active and inactive sections. Particularly advantageous is also a change from countercurrent to direct current in the ge common reaction zone or the implementation of the exothermic reaction largely mixed conditions, e.g. B. in a fluidized bed. Where not? is possible, the heat released in the exothermic reaction must be very ef fective transport mechanisms in the area of the main reaction zone of endo thermal reaction can be transported.
Die dritte Forderung lautet, daß die Wärme der exothermen Begleitreaktion erst im Bereich der gewünschten (katalytisch aktiven) Reaktionszone der endothermen Syn thesereaktion und dort (Forderung 2) möglichst kontrolliert und örtlich verteilt freige setzt werden darf. Wie in [5] gezeigt, läßt sich das nicht immer durch eine entspre chende Anordnung des Oxidationskatalysators erreichen. Ein erfindungsgemäßes Vorgehen besagt, daß z. B. ein Reaktand der exothermen Begleitreaktion erst am gewünschten Reaktionsort eingemischt wird. Dabei kann es sich im Sinne der zwei ten Forderung als zweckmäßig erweisen, die Einmischung auf mehrere über die ge wünschte Reaktionsstrecke diskret oder kontinuierlich verteilte Einspeiseorte aufzu spalten. The third requirement is that the heat of the exothermic accompanying reaction only in the Area of the desired (catalytically active) reaction zone of the endothermic syn thesis reaction and there (requirement 2) as controlled as possible and distributed locally may be set. As shown in [5], this cannot always be done by an equivalent Reach appropriate arrangement of the oxidation catalyst. An inventive Procedure says that z. B. only a reactant of the exothermic reaction on desired reaction site is mixed. It can be in the sense of the two ten demand prove to be expedient, the interference on several over the ge desired discrete or continuously distributed feed locations columns.
In den folgenden erfindungsgemäßen Beispielen werden Lehren gegeben, wie die drei vorstehend genannten Forderungen gleichzeitig erfüllt werden können.In the following examples according to the invention, lessons are given, such as the three of the above requirements can be met at the same time.
Fig. 1a zeigt eine Grundform der erfindungsgemäßen Ausgestaltung für den Fall, daß die Ströme der endothermen Synthesereaktion und der exothermen Begleitreak tion separat geführt werden müssen, d. h. nicht vermischt werden dürfen ("separate Reaktionsführung"). Dabei wird das Reaktionsmedium der exothermen Reaktion 1 über einen Wärmetauscher 2 in den Reaktionsraum 7 geführt. Das Abgas der exo thermen Reaktion 3 verläßt den Reaktionsraum 7 und gibt seine Wärme im Wärme tauscher 2 an den Zulauf 1 ab. Bei dem Wärmetauscher 2 wird es sich aus Gründen der Energieeffizienz zweckmäßigerweise um einen Gegenstrom- oder Kreuzgegen stromwärmetauscher handeln. Alternativ sind auch Regenerativwärmetauscher in getakteter Ein- oder Mehrbett- oder Rotoranordnung geeignet. In vergleichbarer Weise wird das Reaktionsgemisch der endothermen Reaktion 8 über einen Wärme tauscher 9 dem Reaktionsraum 7 zugeführt und das gebildete Produktgemisch 10 durch den Wärmetauscher 9 abgeführt. Fig. 1a shows a basic form of the embodiment according to the invention in the event that the flows of the endothermic synthesis reaction and the exothermic Begleitreak tion must be performed separately, ie must not be mixed ("separate reaction management"). The reaction medium of the exothermic reaction 1 is fed into the reaction space 7 via a heat exchanger 2 . The exhaust gas from the exothermic reaction 3 leaves the reaction chamber 7 and gives off its heat in the heat exchanger 2 to the inlet 1 . For reasons of energy efficiency, the heat exchanger 2 will expediently be a countercurrent or cross-countercurrent heat exchanger. Alternatively, regenerative heat exchangers in a clocked single or multiple bed or rotor arrangement are also suitable. In a comparable manner, the reaction mixture of the endothermic reaction 8 is fed to the reaction chamber 7 via a heat exchanger 9 and the product mixture 10 formed is discharged through the heat exchanger 9 .
Falls die Gefahr besteht, daß das Reaktionsgemisch für die exotherme Reaktion 1 schon im Wärmetauscher 2 reagiert, muß ein Reaktand 4 (zweckmäßigerweise die Unterschußkomponente) dieser Reaktion getrennt zugeführt und erst unmittelbar vor bzw. im Reaktionsraum 7 zugemischt werden (Einspeisung 5). Zur Erzielung einer gleichmäßigen Wärmeübertragung im Reaktionsraum 7 kann es zweckmäßig sein, die Unterschußkomponente zusätzlich an mehreren Stellen 6 lokal oder örtlich ver teilt in den Reaktionsraum einzuspeisen. Falls der Reaktand 4 im Vergleich zu den übrigen Reaktanden 1 nur einen geringen Wärmekapazitätsstrom darstellt, kann er ohne thermische Kopplung mit dem Wärmetauscher 2 dem Reaktionsraum 7 direkt zugeführt werden. Andernfalls sollte seine Aufheizung wie in Fig. 1a angedeutet im Wärmetauscher 2 erfolgen. Eine entsprechende Aufteilung der zugeführten Reak tanden kann auch für die Seite der endothermen Reaktion erfolgen, falls eine Vorre aktion im Wärmetauscher 8 ausgeschlossen werden soll.If there is a risk that the reaction mixture for the exothermic reaction 1 already reacts in the heat exchanger 2 , a reactant 4 (expediently the deficit component) must be fed to this reaction separately and only added immediately before or in the reaction space 7 (feed 5 ). To achieve a uniform heat transfer in the reaction chamber 7 , it may be expedient to feed the deficit component additionally at several points 6 locally or locally into the reaction chamber. If the reactant 4 represents only a small heat capacity flow compared to the other reactants 1 , it can be fed directly to the reaction space 7 without thermal coupling with the heat exchanger 2 . Otherwise, it should be heated in the heat exchanger 2 as indicated in FIG. 1a. A corresponding division of the supplied reactants can also take place for the side of the endothermic reaction if a pre-reaction in the heat exchanger 8 is to be excluded.
Der Reaktionsraum 7 ist in einen Bereich 11 für die exotherme Reaktion und in einen Bereich 12 für die endotherme Reaktion unterteilt, wobei beide Bereiche in intensi vem Wärmeaustausch stehen. Ziel der Gestaltung des Reaktionsraums 7 ist es, die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Wärme lokal möglichst vollständig und gleichmäßig auf die endotherme Reaktion zu übertragen, so daß starke Temperatur schwankungen im Reaktionsraum 7 vermieden werden. Eine erfindungsgemäße Maßnahme dafür ist die Gleichstromführung von Strom 1 und Strom 8, wie in Fig. 1a dargestellt. Die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit der endothermen Reaktion am Eintritt in den Reaktionsraum 12 sollte dabei zweckmäßigerweise so gewählt wer den, daß die Wärmebedarfsrate der endothermen Reaktion gerade der Wärmepro duktionsrate der exothermen Reaktion entspricht. Diese Forderung kann durch Ein stellen der Katalysatoraktivität für die endotherme oder die exotherme Reaktion und/oder durch Wahl der Zulauftemperaturen in Reaktionsraum 11 bzw. 12, d. h. durch die Gestaltung der Wärmetauscher 2 bzw. 9, erreicht werden. Eine weitere Maßnahme ist die bereits angesprochene örtlich verteilte Nachdosierung des Reak tanden 4 mittels der Einspeisungen 6. Diese verteilte Nachdosierung ist insbesonde re dann zweckmäßig, wenn aus apparativen Gründen eine Gegenstromführung von Strom 1 und 8 gewählt wurde. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, die Kataly satoraktivität der endothermen Reaktion z. B. durch Verdünnen oder eine schnelle Aufeinanderfolge aktiver und inerter Abschnitte so weit zu reduzieren, daß sich die endotherme Reaktion über den größten Teil des Reaktionsraums 12 erstreckt.The reaction space 7 is divided into an area 11 for the exothermic reaction and an area 12 for the endothermic reaction, both areas being in intensive heat exchange. The aim of the design of the reaction chamber 7 is to locally transfer the heat released by the exothermic reaction as completely and uniformly as possible to the endothermic reaction, so that strong temperature fluctuations in the reaction chamber 7 are avoided. One measure according to the invention for this is the direct current flow of current 1 and current 8 , as shown in Fig. 1a. The initial reaction rate of the endothermic reaction at the entry into the reaction space 12 should be chosen so that the heat demand rate of the endothermic reaction corresponds to the heat production rate of the exothermic reaction. This requirement can be achieved by setting the catalyst activity for the endothermic or exothermic reaction and / or by selecting the inlet temperatures in reaction chamber 11 or 12 , ie by designing the heat exchanger 2 or 9 . Another measure is the previously mentioned locally distributed replenishment of the reactants 4 by means of the feeds 6 . This distributed replenishment is particularly expedient if, for apparatus reasons, a countercurrent flow 1 and 8 was selected. In this case, it may be appropriate to the catalyst activity of the endothermic reaction z. B. by dilution or a rapid succession of active and inert sections so far that the endothermic reaction extends over most of the reaction space 12 .
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist die Sicherstellung eines hohen Wär metransports parallel zur Richtung der Ströme 1, 8 im Reaktionsraum 7. Dies kann durch wärmeleitende Einbauten, durch Wärmerohre (heat pipes) oder durch eine mäanderförmige oder spiralförmige Strömungsführung beider Reaktionsströme 1, 8 im Reaktionsraum 7 erfolgen. Alternativ kann ein extra Wärmeträgerkreis im Reak tionsraum 7 angeordnet werden.Another measure according to the invention is to ensure a high heat transfer parallel to the direction of the streams 1 , 8 in the reaction chamber 7 . This can be done by thermally conductive internals, by heat pipes or by a meandering or spiral flow of both reaction streams 1 , 8 in the reaction chamber 7 . Alternatively, an extra heat transfer circuit can be arranged in the reaction space 7 .
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, eine der beiden Reak tionen, vorzugsweise aber die exotherme Reaktion, im Reaktionsraum 7 in einer Wirbelschicht durchzuführen, wobei die Reaktionskanäle für die endotherme Reakti on in diese Wirbelschicht eintauchen und die Reaktionswärme möglichst direkt aufnehmen.Another measure according to the invention is to carry out one of the two reactions, but preferably the exothermic reaction, in the reaction space 7 in a fluidized bed, the reaction channels for the endothermic reaction being immersed in this fluidized bed and absorbing the heat of reaction as directly as possible.
In einer Konkretisierung des vorstehenden Grundkonzepts für eine Dampfreformie rung von Kohlenwasserstoffen wird das Reaktionsgemisch 1 z. B. aus Luft bestehen. Ihm wird als Reaktand 4 ein Teil der Einsatzkohlenwasserstoffe oder ein sonstiges brennstoffreiches (Ab-)Gas an den Einspeisungen 5, 6 zugemischt. Die Verbren nungsreaktion läuft auf der Brenngasseite 11 des Reaktionsraums 7 je nach erfor derlicher Temperatur an einem Oxidationskatalysator oder homogen und zweckmä ßigerweise an einer porösen Trägerstruktur ab. Auf der Reformiergasseite wird eine Mischung von Kohlenwasserstoffgas oder -dampf und Wasserdampf im Wärmetau scher 9 im Gegenstrom zum heißen Ablauf aufgeheizt und der Reformiergasseite 12 des Reaktionsraums 7 zugeführt. Dort findet an einem geeigneten Katalysator die Dampfreformierung statt, wobei der Katalysator möglichst nahe bzw. direkt auf den Wärmetauschflächen zur Verbrennungsreaktion angeordnet sein soll. Die zu erwar tenden Temperaturprofile in den einzelnen Abschnitten des Grundkonzepts nach Fig. 1a sind schematisch in Fig. 1b angegeben. Infolge der näherungsweise glei chen Wärmekapazitätsströme in den Gegenstromwärmetauschern 2, 9 sind die Temperaturprofile in den Wärmetauschern weitgehend gerade und parallel. Durch den Gleichstromwärmetausch und die Seiteneinspeisung von Brenngas ergeben sich im Reaktionsraum 7 in etwa die gezeigten Profile. Sie können weiter geglättet werden, wenn die oben genannte Forderung nach gleichen Anfangsraten für Wär meverbrauch und Wärmeproduktion besser erfüllt wird und/oder der axiale Wärme transport durch die angeführten Maßnahmen verbessert wird. Prinzipiell ähnliche Temperaturverläufe ergeben sich, wenn anstelle der hier angenommenen Gegen strom- (oder Kreuz-/Gegenstrom-) Wärmetauscher Regenerativwärmetauscher in Form getakteter oder rotierender Festbetten eingesetzt werden. In allen diskutierten Fällen kann es zweckmäßig sein, den Abströmteil 10 des Wärmetauschers 9 mit Shiftkatalysatoren zu bestücken, falls ein wasserstoffreiches (CO-armes) Produktgas benötigt wird.In a concretization of the above basic concept for a steam reforming of hydrocarbons, the reaction mixture 1 z. B. consist of air. Part of the feed hydrocarbons or another fuel-rich (waste) gas is mixed in at the feeds 5 , 6 as the reactant 4 . The combustion reaction takes place on the fuel gas side 11 of the reaction chamber 7, depending on the temperature required, on an oxidation catalyst or homogeneously and expediently on a porous support structure. On the reforming gas side, a mixture of hydrocarbon gas or steam and water vapor in the heat exchanger 9 is heated in countercurrent to the hot discharge and supplied to the reforming gas side 12 of the reaction chamber 7 . Steam reforming takes place there on a suitable catalyst, the catalyst being arranged as close as possible or directly to the heat exchange surfaces for the combustion reaction. The temperature profiles to be expected in the individual sections of the basic concept according to FIG. 1a are indicated schematically in FIG. 1b. As a result of the approximately equal heat capacity flows in the counterflow heat exchangers 2 , 9 , the temperature profiles in the heat exchangers are largely straight and parallel. Due to the direct current heat exchange and the side feed of fuel gas, the profiles shown in reaction chamber 7 result approximately. They can be further smoothed if the above-mentioned requirement for equal starting rates for heat consumption and heat production is better met and / or the axial heat transport is improved by the measures mentioned. In principle, similar temperature profiles result if, instead of the counterflow (or cross / counterflow) heat exchangers assumed here, regenerative heat exchangers in the form of clocked or rotating fixed beds are used. In all the cases discussed, it may be appropriate to equip the outflow part 10 of the heat exchanger 9 with shift catalysts if a hydrogen-rich (low-CO) product gas is required.
Fig. 2a zeigt eine Grundform der Erfindung für den Fall, daß die exotherme und die endotherme Reaktion im gleichen Reaktionsgemisch abläuft ("simultane Reaktions führung"). Das Reaktionsgemisch 13 wird im Gegenstrom zum Produktgemisch 15 im Wärmetauscher 14 aufgeheizt und tritt danach in den Reaktionsraum 16 ein. Falls die Gefahr besteht, daß eine Vorreaktion im Wärmetauscher 14 auftritt, muß ein ausgewählter Reaktand 4 wieder getrennt zugeführt und entweder vollständig am Zulauf 5 oder über dem Reaktionsraum 16 verteilt dosiert werden. Der Reaktions raum 16 ist so gestaltet, daß ein starker zusätzlicher Wärmetransport parallel zur Hauptströmungsrichtung erfolgt, so daß die bei der exothermen Reaktion freigesetz te Wärme möglichst vollständig und ohne Übertemperaturentwicklung in die endo therme Reaktion eingekoppelt werden kann. Erfindungsgemäße Maßnahmen dafür sind stark wärmeleitende Einbauten, Wärmerohre (heat pipes) oder eine mäander förmige oder spiralförmige Strömungsführung. Falls eine unerwünschte Nebenpro duktbildung nicht dagegen spricht, bietet es sich auch an, den Reaktionsraum 16 als Wirbelschicht auszubilden, in die Zuläufe 5, 6, 13 eingedüst und sehr gut verteilt und vermischt werden. Fig. 2a shows a basic form of the invention for the case that the exothermic and the endothermic reaction takes place in the same reaction mixture ("simultaneous reaction management"). The reaction mixture 13 is heated in countercurrent to the product mixture 15 in the heat exchanger 14 and then enters the reaction space 16 . If there is a risk that a pre-reaction occurs in the heat exchanger 14 , a selected reactant 4 must be fed in again separately and either metered in completely at the feed 5 or distributed over the reaction space 16 . The reaction chamber 16 is designed so that a strong additional heat transfer takes place parallel to the main flow direction, so that the heat released during the exothermic reaction can be coupled as completely as possible and without excess temperature development into the endothermic reaction. Measures according to the invention for this are highly heat-conducting internals, heat pipes or a meandering or spiral flow guide. If an undesirable byproduct formation does not speak against it, it also makes sense to design the reaction chamber 16 as a fluidized bed, into which the inlets 5 , 6 , 13 are injected and very well distributed and mixed.
In einer konkreten Ausgestaltung des Grundkonzepts von Fig. 2a für die oxidative Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen wird das Kohlenwasserstoff-/Wasser dampfgemisch als Strom 13 und Sauerstoff bzw. Luft als Strom 4 zugeführt. Der Re aktionsraum 16 kann als Wirbelschichtreaktor mit den Katalysatoren für die Oxidati ons- und die Reformierreaktion als Wirbelgut ausgebildet sein. Alternativ würde sich auch ein fester Katalysator, z. B. in Monolithform anbieten, durch den ein inertes, ab riebfestes Wirbelgut zirkuliert. Bei entsprechend hohen Temperaturen kann der Katalysator im Reaktionsraum 16 auch ganz entfallen, wenn die homogenen Reak tionen hinreichend schnell sind. Dann bietet es sich an, im Abströmteil des Wärme tauschers 14 Katalysatoren für eine Nachreformierung oder die Wassergas-Shift- Reaktion vorzusehen.In a specific embodiment of the basic concept of FIG. 2a for the oxidative steam reforming of hydrocarbons, the hydrocarbon / water vapor mixture is supplied as stream 13 and oxygen or air as stream 4 . The re action space 16 can be designed as a fluidized bed reactor with the catalysts for the oxidation and the reforming reaction as a fluidized bed. Alternatively, a solid catalyst, e.g. B. in monolith form, through which circulates an inert, ab abrasion-resistant eddy. At correspondingly high temperatures, the catalyst in the reaction chamber 16 can also be dispensed with entirely if the homogeneous reactions are sufficiently rapid. Then it makes sense to provide 14 catalysts for post-reforming or the water gas shift reaction in the outflow part of the heat exchanger.
Die zu erwartenden Temperaturprofile des Grundkonzepts von Fig. 2a sind sche matisch in Fig. 2b angegeben. Für einen Gegenstromwärmetausch in 14 ergeben sich wieder näherungsweise gerade und parallele Profile. Im Reaktionsraum 16 ist das durch das bevorzugte Anspringen der exothermen Verbrennungsreaktion be wirkte Überschwingen der Temperatur umso geringer, je besser der zusätzliche Wärmetransport parallel zur Hauptströmungsrichtung realisiert wurde.The expected temperature profiles of the basic concept of FIG. 2a are given schematically in FIG. 2b. For a countercurrent heat exchange in FIG. 14, approximately straight and parallel profiles again result. In the reaction chamber 16 , the overshoot of the temperature caused by the preferential starting of the exothermic combustion reaction is less, the better the additional heat transport was realized parallel to the main flow direction.
Fig. 3a zeigt einen Sonderfall der separaten Reaktionsführung, wenn die Wärme kapazität des Fluidstroms 1, 3 für die exotherme Reaktion und die des Fluidstroms 8, 10 für die endotherme Reaktion etwa gleich ist. Dann kann anstelle der Anordnung nach Fig. 1a mit getrennten Wärmetauschern 2, 9 auch eine Anordnung mit einem gemeinsamen Gegenstromwärmetauscher gewählt werden, in dem auch der Reak tionsraum 7 integriert ist. Im Gegensatz zu bereits bekannten ähnlichen aufgebauten Gegenstromanordnungen [5] muß eine erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß Fig. 3a die Bedingungen erfüllen, daß sich die Wärmekapazitätsströme 1, 3 und 8, 10 ähnlich sind, d. h. sich nicht um mehr als den Faktor 2 unterscheiden und eine Ein- oder Mehrfacheinspeisung des Reaktanden 4 in Teilraum 11 der Reaktionszone 7 erfolgt. Bezüglich der zweckmäßigen Wahl der Katalysatoraktivität der endother men Reaktion gilt das bei der Diskussion von Fig. 1 gesagte. Zweckmäßig ist au ßerdem, daß der axiale Wärmetransport im Bereich der Reaktionszone 7 durch wärmeleitende Einbauten oder heat pipes 17 deutlich erhöht wird. Auch eine Umge staltung der Strömungsführung so, daß die wärmetauschenden Reaktionsabschnitte 11 und 12 im Gleichstrom durchströmt werden, entspricht einem erfindungsgemäßen Vorgehen. Die für gleiche Wärmekapazitätsströme zu erwartenden Temperaturprofi le sind in Fig. 3b skizziert. Fig. 3a shows a special case of the separate reaction when the heat capacity of the fluid stream 1 , 3 for the exothermic reaction and that of the fluid stream 8 , 10 for the endothermic reaction is approximately the same. Then, instead of the arrangement according to FIG. 1a with separate heat exchangers 2 , 9 , an arrangement with a common counterflow heat exchanger can also be selected, in which the reaction space 7 is also integrated. In contrast to already known similar countercurrent arrangements [5], an embodiment according to the invention according to FIG. 3a must meet the conditions that the heat capacity flows 1 , 3 and 8 , 10 are similar, ie do not differ by more than a factor of 2 and are on - or multiple feeding of the reactant 4 into subspace 11 of the reaction zone 7 takes place. With regard to the appropriate choice of the catalyst activity of the endothermic reaction, what has been said in the discussion of FIG. 1 applies. It is also expedient that the axial heat transfer in the region of the reaction zone 7 is significantly increased by heat-conducting internals or heat pipes 17 . A change of the flow guidance so that the heat-exchanging reaction sections 11 and 12 are flowed through in direct current corresponds to a procedure according to the invention. The temperature profiles to be expected for the same heat capacity flows are outlined in FIG. 3b.
Im Vergleich zu der Grundform der separaten Reaktionsführung nach Fig. 1a gilt für Fig. 3a die Forderung nach nahezu gleichen Wärmekapazitätsströmen für die exo therme (1, 3) und die endotherme Reaktion (8, 10). Nur dann ergibt sich ein effizien ter Wärmetausch und ein minimaler Bedarf an Reaktanden für die exotherme Be gleitreaktion. Dagegen kann der Wärmekapazitätsstrom der exothermen Begleitreak tion nach Fig. 1a frei gewählt werden. Die benötigte Wärmetauschfläche des Wär metauschers 2 muß dann entsprechend angepaßt werden. Betont werden muß, daß der Gesamtbedarf an Wärmetauschfläche bei gleichem Wärmerückgewinn für beide Ausgestaltungen ähnlich ist. Allerdings läßt sich die Ausgestaltung nach Fig. 3a leichter in einem einzigen Apparat realisieren.In comparison to the basic form of the separate reaction according to FIG. 1a, the requirement for almost identical heat capacity flows for the exo therme ( 1 , 3 ) and the endothermic reaction ( 8 , 10 ) applies to FIG. 3a. Only then will there be an efficient heat exchange and a minimal need for reactants for the exothermic accompanying reaction. In contrast, the heat capacity flow of the exothermic Begleitreak tion according to Fig. 1a can be chosen freely. The required heat exchange surface of the heat exchanger 2 must then be adjusted accordingly. It must be emphasized that the total heat exchange surface requirement for the same heat recovery is similar for both configurations. However, the embodiment can according to Fig. 3a easier to achieve in a single apparatus.
Fig. 4a zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Wärmezufuhr für die endotherme Re aktion dadurch erfolgt, daß dem Reaktionsraum 12 ein heißes Brennergas 5, 6 zu gemischt wird. Dieses Brennergas wird durch die Verbrennung von zwei Teilströmen 1, 4 in einer Brennkammer 18 erzeugt. Dabei werden diese beiden Teilströme im Wärmetausch mit einem Ablaufstrom 3 im Wärmetauscher 2 vorgeheizt. Das Reak tionsgemisch der endothermen Reaktion 8 wird wie in Fig. 1a durch den heißen Ablauf 10 aus dem Reaktionsraum vorgeheizt. Im Gegensatz zu Fig. 1a besteht der Reaktionsraum jetzt nur aus dem Teilraum 12 für die endotherme Reaktion, in die das heiße Brenngas als Wärmeträger an den Stellen 5 und 6 eingemischt wird. Ein Teilstrom 3 des Ablaufs des Reaktionsraums 12 wird über den Brenngaswärmetau scher 2 geführt. Dieser Teilstrom soll so groß sein, daß seine Wärmekapazität in et wa der Wärmekapazität der beiden Teilströme 1 und 4 entspricht. Dann folgt im Wärmetauscher 2 eine energetisch optimale Wärmerückgewinnung mit Temperatur profilen gemäß Fig. 4b. Die örtlichen Temperaturschwankungen im Reaktionsraum 12 lassen sich wieder dadurch minimieren, daß zusätzliche Wärmeströme parallel zur Hauptströmungsrichtung von Strom 8 erzeugt werden. Auch hier bietet sich ähn lich wie in Fig. 2a für den Reaktionsraum 16 ein Wirbelschichtreaktor an, wobei die Ströme 8, 5, 6 in die Wirbelschicht eingespeist und durch sie verteilt werden. Fig. 4a shows an embodiment in which the heat supply for the endothermic Re action takes place in that the reaction chamber 12 is mixed with a hot burner gas 5 , 6 . This burner gas is generated by the combustion of two partial flows 1 , 4 in a combustion chamber 18 . These two partial flows are preheated in the heat exchange with a drain flow 3 in the heat exchanger 2 . The reaction mixture of the endothermic reaction 8 is preheated as in Fig. 1a by the hot outlet 10 from the reaction chamber. In contrast to Fig. 1a, the reaction space now consists only of the sub-space 12 for the endothermic reaction, in which the hot fuel gas is mixed as a heat carrier at points 5 and 6 . A partial flow 3 of the outlet of the reaction chamber 12 is performed over the fuel gas heat shear 2 . This partial flow should be so large that its heat capacity in et wa corresponds to the heat capacity of the two partial flows 1 and 4 . Then follows in the heat exchanger 2 an energetically optimal heat recovery with temperature profiles according to Fig. 4b. The local temperature fluctuations in the reaction space 12 can again be minimized by generating additional heat flows parallel to the main flow direction of flow 8 . Here, too, a fluidized bed reactor offers itself similarly as in FIG. 2a for the reaction chamber 16 , the streams 8 , 5 , 6 being fed into the fluidized bed and being distributed through it.
Eine Anordnung nach Fig. 4a eignet sich insbesondere für die Durchführung von Dehydrierreaktionen wie die Styrolsynthese durch Ethylbenzol-Dehydrierung. Das heiße Brennerabgas 5, 6 wird zweckmäßig durch stöchiometrische Verbrennung des Dehydrierabgases erzeugt. Es enthält dann vorzugsweise Wasserdampf, der einer Verkokung des Katalysators entgegenwirkt und Inertgas, das gemeinsam mit dem Wasserdampf den Reaktandenpartialdruck absenkt und damit das Gleichgewicht der volumenvermehrenden Reaktion günstig beeinflußt.An arrangement according to FIG. 4a is particularly suitable for carrying out dehydrogenation reactions such as styrene synthesis by means of ethylbenzene dehydrogenation. The hot burner exhaust gas 5 , 6 is expediently generated by stoichiometric combustion of the dehydrogenation exhaust gas. It then preferably contains water vapor, which counteracts coking of the catalyst, and inert gas, which together with the water vapor lowers the reactant partial pressure and thus has a favorable effect on the equilibrium of the volume-increasing reaction.
Anstelle des rekuperativen Wärmetauschers 9 in Fig. 4a können auch zwei regene rative Wärmetauscher 19 mit periodischem Wechsel der Strömungsrichtung einge setzt werden. Fig. 5 zeigt eine entsprechende Ausgestaltung. Die Zuführungslei tungen 1, 4 für die Brennkammer 18 werden zweckmäßigerweise in die Regenera tivwärmetauscher 19 integriert. Der Reaktionsraum 12 wird nun gemeinsam mit den beiden Regenerativwärmetauschern 19 in periodischem Wechsel von links nach rechts und von rechts nach links durchströmt. Das Brennerabgas wird dabei kontinu ierlich in den Reaktionsraum 12 eingeblasen und verteilt. Die Temperaturverläufe entsprechen dann im Mittel weitgehend denjenigen von Fig. 4b.Instead of the recuperative heat exchanger 9 in Fig. 4a, two regenerative heat exchangers 19 can be inserted with periodic changes in the flow direction. Fig. 5 shows a corresponding configuration. The supply lines 1 , 4 for the combustion chamber 18 are expediently integrated into the regenerative heat exchanger 19 . The reaction chamber 12 is now flowed through together with the two regenerative heat exchangers 19 in a periodic alternation from left to right and from right to left. The burner exhaust gas is continuously blown into the reaction space 12 and distributed. The temperature profiles then largely correspond on average to those of FIG. 4b.
Ein Aufbau nach Fig. 5 kann auch für die simultane Reaktionsführung nach Fig. 2a eingesetzt werden, wenn statt der dort gezeigten Rekuperativwärmetauscher Re generatoren eingesetzt werden. In Fig. 5 fällt dann lediglich der Brenner 18 weg. Der Reaktand 1 bzw. 4 (bei einer oxidativen Reformierung Luft oder Sauerstoff) wird über die in den Regeneratoren 19 laufenden Zuleitungen vorgeheizt und an den Stel len 6 in den Reaktionsraum 12 eingeführt und verteilt. Dabei ist es aus energeti schen Gründen sinnvoll, die Zuführungsrichtung des Reaktanden 1 bzw. 4 mit dem Wechsel der Strömungsrichtung umzuschalten, so daß die Wärmekapazitätsströme für beide Strömungsrichtungen etwa gleich sind.A structure according to FIG. 5 can also be used for the simultaneous reaction control according to FIG. 2a if, instead of the recuperative heat exchanger shown there, generators are used. In Fig. 5 then only the burner 18 is omitted. The reactant 1 or 4 (in an oxidative reforming air or oxygen) is preheated via the supply lines running in the regenerators 19 and introduced and distributed at the positions 6 in the reaction chamber 12 . It makes sense for energetic reasons to switch the feed direction of the reactants 1 and 4 with the change of the flow direction, so that the heat capacity flows are approximately the same for both flow directions.
Die im Zusammenhang mit der Verbesserung des Wärmetransports parallel zur Hauptströmungsrichtung genannte mäanderförmige oder spiralförmige Ausgestal tung der Reaktionskammer ist exemplarisch und stark schematisiert in Fig. 6a er läutert. Die Ausgestaltung nach Fig. 6b oder 6c käme z. B. für die in Fig. 1a ge zeigte Reaktionskammer 7 in Frage. Durch den mehrfach gewundenen Strömungs weg kommt es zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung und Wärmeübertra gung. Gleiches gilt für die Ausgestaltung der Reaktionskammer 16 aus Fig. 2a ge mäß dem schematischen Aufbau von Fig. 6a.The meandering or spiral configuration of the reaction chamber, which is mentioned in connection with the improvement of the heat transport parallel to the main flow direction, is exemplary and highly schematic in FIG. 6a. The embodiment according to Fig. 6b or 6c would z. B. for the ge in Fig. 1a showed reaction chamber 7 in question. The multiple winding flow path results in a more uniform temperature distribution and heat transfer. The same applies to the design of the reaction chamber 16 from FIG. 2a according to the schematic structure of FIG. 6a.
Die vorstehend diskutierten Beispiele zeigen, daß bei der erfindungsgemäßen auto thermen Kopplung von endothermen und exothermen Reaktionen ein großer Gestal tungsspielraum besteht. Insbesondere lassen sich die gezeigten Wärmetauscher wahlweise als rekuperative Gegen- oder Kreuzgegenstromwärmetauscher in Rohr bündel- oder Plattenstapelbauweise realisieren oder als Regenerativwärmetauscher in Form von Betten mit periodischem Wechsel der Strömungsrichtung bzw. als Ro torregeneratoren (Ljungström-Wärmetauscher). Kennzeichen aller Wärmetauscher konfigurationen ist, daß eine exotherme Vorreaktion, z. B. durch getrennte Führung der Reaktanden 1, 4 sicher verhindert werden muß. Dagegen kann es zweckmäßig sein, Katalysatoren für eine Nachreaktion nach der endothermen Reaktion im Reak tionsraum 7, 12 oder 16 im Abströmteil des Wärmetauschers 9, 14 oder 19 zu integ rieren. Der Reaktionsraum 7 zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Reaktionswärme der exothermen Reaktion über die Länge des Reaktionsraums möglichst gleichmäßig verteilt wird. Das kann erfindungsgemäß dadurch unterstützt werden, daß eine Reaktionskomponente 4 für die exotherme Reaktion oder ein hei ßer Teilstrom örtlich verteilt zudosiert wird, daß zwischen dem Fluid der exothermen und dem Fluid der endothermen Reaktion Gleichstrom oder eine mäandrierende (bzw. spiralförmige) Stromführung vorgesehen wird, daß Einbauten mit starkem Wärmetransport parallel zur Hauptströmungsrichtung vorgesehen werden oder daß ein zirkulierendes Hilfsmedium (z. B. in Form einer Wirbelschicht) für einen solchen Wärmetransport sorgt. Weiterhin sollte dafür Sorge getragen werden, daß sich die Wärmebedarfsraten der endothermen Reaktion und die Wärmeproduktionsraten der exothermen Reaktion bei Eintritt in den Reaktionsraum 7 in etwa entsprechen. Das kann durch Einstellung der Eintrittstemperaturen (d. h. Auslegung des jeweiligen Wärmetauschers 2, 9) und/oder Wahl bzw. Beeinflussung der Katalysatoraktivität erreicht werden. The examples discussed above show that in the auto-thermal coupling of endothermic and exothermic reactions according to the invention there is a large scope for design. In particular, the heat exchangers shown can optionally be implemented as recuperative countercurrent or cross-countercurrent heat exchangers in tube bundle or plate stack construction, or as regenerative heat exchangers in the form of beds with periodic changes in flow direction or as rotor regenerators (Ljungström heat exchangers). Characteristic of all heat exchanger configurations is that an exothermic pre-reaction, e.g. B. must be prevented by separate management of the reactants 1 , 4 safely. In contrast, it may be appropriate to integrate catalysts for a post-reaction after the endothermic reaction in the reaction space 7 , 12 or 16 in the outflow part of the heat exchanger 9 , 14 or 19 . The reaction space 7 is characterized according to the invention in that the heat of reaction of the exothermic reaction is distributed as uniformly as possible over the length of the reaction space. This can be supported according to the invention in that a reaction component 4 for the exothermic reaction or a hot partial stream is metered in locally distributed, that a direct current or a meandering (or spiral) flow is provided between the fluid of the exothermic and the fluid of the endothermic reaction, that internals with strong heat transfer are provided parallel to the main flow direction or that a circulating auxiliary medium (e.g. in the form of a fluidized bed) ensures such heat transfer. Furthermore, care should be taken to ensure that the heat demand rates of the endothermic reaction and the heat production rates of the exothermic reaction approximately correspond when entering the reaction space 7 . This can be achieved by setting the inlet temperatures (ie designing the respective heat exchanger 2 , 9 ) and / or selecting or influencing the catalyst activity.
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11
Reaktionsgemisch (Edukte) der exothermen Reaktion
Reaction mixture (starting materials) of the exothermic reaction
22nd
Wärmetauscher für den Zu-/Ablauf der exothermen Reaktion
Heat exchanger for the inflow / outflow of the exothermic reaction
33rd
Reaktionsablauf (Produkte) der exothermen Reaktion
Reaction process (products) of the exothermic reaction
44th
ein ausgewählter Reaktand (Edukt), ohne den die exotherme Reaktion nicht
abläuft
a selected reactant (educt), without which the exothermic reaction does not take place
55
Einspeiseort für Reaktand Reactant entry point
44th
am Eintritt zum Reaktionsraum at the entrance to the reaction space
77
66
Zwischeneinspeiseort für Reaktand Intermediate feed point for reactant
44th
77
Reaktionsraum, getrennt in Bereiche für die exotherme (Reaction space, separated into areas for the exothermic (
1111
) und die endo therme Reaktion () and the endo thermal reaction (
1212th
)
)
88th
Reaktionsgemisch (Edukte) für die endotherme Reaktion
Reaction mixture (starting materials) for the endothermic reaction
99
Wärmetauscher für den Zu-/Ablauf der endothermen Reaktion
Heat exchanger for the inflow / outflow of the endothermic reaction
1010th
Reaktionsablauf (Produkte) der endothermen Reaktion
Reaction process (products) of the endothermic reaction
1111
Teilraum der exothermen Reaktion von Part of the exothermic reaction of
77
1212th
(Teil-) Raum der endothermen Reaktion
(Partial) space of the endothermic reaction
1313
Reaktionsgemisch (Edukte) der simultanen Reaktion
Reaction mixture (starting materials) of the simultaneous reaction
1414
Wärmetauscher für den Zu-/Ablauf der simultanen Reaktion
Heat exchanger for the inflow / outflow of the simultaneous reaction
1515
Reaktionsablauf (Produkte) der simultanen Reaktion
Reaction process (products) of the simultaneous reaction
1616
Reaktionsraum für die simultane Reaktion
Reaction space for the simultaneous reaction
1717th
wärmeleitende Einbauten, heat pipes
thermally conductive internals, heat pipes
1818th
Brennkammer
Combustion chamber
1919th
Regenerativ-Wärmetauscher mit periodischem Wechsel der Strömungsrich
tung
Regenerative heat exchanger with periodic change of flow direction
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