DE19955892C2 - Vorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs mit langkettigen Kohlenwasserstoffanteilen - Google Patents

Vorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs mit langkettigen Kohlenwasserstoffanteilen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reformie­ rung eines Kohlenwasserstoffs mit langkettigen Kohlen­ wasserstoffanteilen, insbesondere Diesel.
Aus dem Stand der Technik ist es prinzipiell bekannt, Kohlenwasserstoffe mittels partieller Oxidation oder autothermer Reformierung zu reformieren und dabei durch die Zugabe von Wasser oder einem wasserhaltigen Medium ein wasserstoffhaltiges Gas zu erhalten. Übli­ cherweise findet die Reformierung dabei in einem Reak­ tor statt, wobei in dem Reaktor außer den Edukten Kat­ alysatoren oder katalytisch wirkende Verbindungen vor­ handen sind, welche den Reformierungsprozeß unterstüt­ zen.
Aus DE-AS 11 43 602 ist ein Pyrolyse-Reaktor bekannt, der wenigstens zwei Reaktionszonen aufweist, wobei die erste Zone eine Düseneinrichtung enthält. Eine erste und eine zweite Zone sind voneinander getrennt. Bei­ spielhaft zeigen die Fig. 2 und 3 drei Öffnungen, die in die zweite Zone führen. Vor der zweiten Zone wird durch eine Düse Wasserdampf zugeführt.
Nun stellt sich jedoch insbesondere bei der Reformie­ rung von Kohlenwasserstoffen mit langkettigen Kohlen­ wasserstoffanteilen, wie z. B. Diesel, die Problematik, daß es erforderlich ist, die in den Reaktor bzw. den Reformer zugeführten Edukte komplett umzusetzen, um für den Ablauf des Reformierungsprozesses nachteilige Rückstände an langkettigen Kohlenwasserstoffen in dem Reaktor zu vermeiden. Langkettige Kohlenwasserstoffe, insbesondere diejenigen, die in Diesel auftreten, las­ sen sich jedoch nur bei sehr hohen Temperaturen in dem Reaktor komplett aufspalten. Diese hohen Temperaturen, welche zur kompletten Umsetzung der zugegebenen Edukte erforderlich sind, führen in dem Reaktor jedoch zu einer Schädigung des Katalysators bzw. der katalytisch wirkenden Verbindungen. Dadurch ergeben sich gravie­ rende Nachteile für die Lebensdauer des in dem Reaktor befindlichen Katalysators.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Reformierung eines Kohlen­ wasserstoffs mit langkettigen Kohlenwasserstoffantei­ len ermöglicht, wobei die zugegebenen Edukte komplett umgesetzbar sind, ohne den erforderlichen Katalysator durch zu hohe Temperaturen zu schädigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannte Vorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs mit langkettigen Kohlenwasser­ stoffanteilen gelöst.
Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung näher erläutert. Bei der Reformie­ rung eines Kohlenwasserstoffs werden unkontrolliert und parallel nebeneinander ablaufende katalytische und nichtkatalytische Reaktionen gezielt voneinander ge­ trennt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt der Kohlenwasserstoff nichtkatalytisch aufgespalten, wobei durch die hierbei mögliche hohe Temperatur si­ chergestellt werden kann, daß es zu einer kompletten Aufspaltung auch der langkettigen Kohlenwasserstoffan­ teile in dem Kohlenwasserstoff, beispielsweise einem Dieselöl, kommt. Im darauffolgenden zweiten Verfah­ rensschritt wird den Reaktionsprodukten aus dem ersten Verfahrensschritt Wasser oder ein wasserhaltiges Medi­ um zugeführt, wobei das Gemisch aus den Reaktionspro­ dukten und dem Wasser dann im dritten Verfahrens­ schritt unter Anwesenheit eines Katalysators die ei­ gentliche Reformierung in Form einer Wasser-Gas- Shiftreaktion erfährt.
Die hohen Temperaturen, welche zur kompletten Aufspal­ tung der langkettigen Kohlenwasserstoffanteile erfor­ derlich sind, treten also überwiegend nur in dem er­ sten Verfahrensschritt auf, der ohne die Anwesenheit eines Katalysators auskommt, so daß hier auch kein Katalysator durch die hohen Temperaturen geschädigt werden kann. In dem zweiten Verfahrensschritt wird den heißen Reaktionsprodukten das Wasser oder das wasser­ haltige Medium zugeführt, wodurch die heißen Reakti­ onsprodukte auf ein gegenüber dem ersten Verfahrens­ schritt geringeres Temperaturniveau abgekühlt werden. Dieses Temperaturniveau ist jedoch immer noch ausrei­ chend groß, um in dem dritten Verfahrensschritt unter Anwesenheit eines Katalysators die eigentliche Refor­ mierung, z. B. eine autotherme Reformierung, zuzulas­ sen. Dabei ist das Temperaturniveau jedoch so niedrig, daß der Katalysator durch die Temperatur während des dritten Verfahrensschritts keine Schädigung erfährt.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung erlaubt es, die katalytische und nichtkatalytische Reaktion räumlich voneinander zu trennen, was die Durchführung eines kontinuierlich arbeitenden Verfahrens aus den drei Verfahrensschrit­ ten erleichtert. Als besonderer Vorteil kann dabei der zweite Verfahrensschritt sowohl als verfahrens­ technische als auch als räumliche und temperaturmäßige Trennung des ersten und des dritten Verfahrensschritts genutzt werden.
Die Vorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasser­ stoffs mit langkettigen Kohlenwasserstoffanteilen ge­ mäß Anspruchs 1 ist dabei natürlich insbesondere dazu geeignet, das oben genannte Verfahren durchzuführen, sie kann jedoch prinzipiell auch mit anderen Verfahren genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Reaktor mit wenigstens zwei Reaktionszonen auf, wobei in der ersten Reaktionszone eine Düseneinrichtung angeordnet ist, welche zum Einbringen des Kohlenwasserstoffs und beispielsweise eines sauerstoffhaltigen Gemischs vor­ gesehen ist, wobei dann in der ersten Reaktionszone die nicht katalytische Aufspaltung des Kohlenwasser­ stoffs erfolgt. In der zweiten Reaktionszone ist eine Struktur mit einem Katalysator oder einer katalytisch wirkenden Verbindung angeordnet, so daß in dieser zweiten Reaktionszone beispielsweise die katalytische Reformierung des Kohlenwasserstoffs erfolgt. Zwischen den beiden oben genannten Reaktionszonen ist ein Tren­ nelement angeordnet, welches wenigstens eine Öffnung als Verbindung zwischen den beiden Reaktionszonen und Leitungselemente zur Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen in den Bereich der wenigstens ei­ nen Öffnung aufweist. Damit werden in besonders vor­ teilhafter Weise zweistufige Reaktionen möglich, bei denen die beiden Einzelreaktionen thermisch und räum­ lich voneinander getrennt ablaufen können bzw. sollen.
Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nun beispiels­ weise für das oben genannte Verfahren eingesetzt, so können die Reaktionsprodukte aus der in der ersten Reaktionszone stattfindenden nichtkatalytischen Auf­ spaltung durch die wenigstens eine Öffnung des Tren­ nelements in die zweite Reaktionszone gelangen. Dabei kann den durch die Öffnung hindurchtretenden Gasen über die Leitungselemente ein flüssiges und/oder gas­ förmiges, beispielsweise wasserhaltiges, Gemisch zuge­ führt werden. Die Reaktionsprodukte aus der ersten Reaktionszone können somit Wärme an das Trennelement selbst als auch an das zugeführte Gemisch abgeben und gelangen so auf einem niedrigeren Temperaturniveau als demjenigen, das sie nach der katalytischen Aufspaltung in der ersten Reaktionszone hatten, in die zweite Re­ aktionszone.
Dieser Aufbau eines erfindungsgemäßen Reaktors mit einem Trennelement zwischen einer ersten und einer zweiten Reaktionszone, wobei durch dieses Trennelement zusätzliche flüssige und/oder gasförmige Stoffe zuge­ führt werden können, weist dabei den Vorteil auf, daß er zwei bezüglich ihrer Temperatur leicht voneinander zu trennenden Reaktionszonen anbietet und so ein kon­ tinuierliches Verfahren zum erzielen einer Reaktion einzelner Verbindungen bei verschiedenen Temperatur­ niveaus ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Un­ teransprüchen und aus dem anhand der Zeichnung nach­ folgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die einzige Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Reaktors 1 in einem Querschnitt.
Der Reaktor 1 bzw. Reformer 1 weist dabei innerhalb eines Gehäuses 2 eine erste Reaktionszone 3 und eine zweite Reaktionszone 4 auf. Zwischen den beiden Reak­ tionszonen 3, 4 ist ein Trennelement 5 angeordnet. Die erste Reaktionszone 3 weist eine Düseneinrichtung 6 auf, welche zur Zufuhr der Edukte für die in der er­ sten Reaktionszone 3 ablaufende Reaktion bestimmt ist, und welche in einem dem Trennelement 5 abgewandten Bereich des Gehäuses 2 angeordnet ist.
Bei der Reaktion in der ersten Reaktionszone 3 kann es sich in besonders günstiger Weise um eine nichtkataly­ tische Reaktion in Form einer Gasphasenreaktion 7, hier durch die Flamme 7 angedeutet, handeln. Für diese zumindest partielle Oxidation eines Kohlenwasserstoffs in der Gasphasenreaktion 7 kann durch die Düsenein­ richtung 6 beispielsweise ein Gemisch aus dem Kohlen­ wasserstoff und einem sauerstoffhaltigen Medium, wie z. B. Luft, in die erste Reaktionszone 3 zugeführt wer­ den. Die Düseneinrichtung 6 kann, um einen besonders günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, dabei als eine Brennerdüse 6 in prinzipiell bekannter Bauart, wie sie z. B. bei Standheizungen oder dergleichen verwendet wird, ausgebildet sein.
Die Reaktionsprodukte, welche bei der Gasphasenreakti­ on 7 in der ersten Reaktionszone 3 entstehen, sind heiße Gase, welche dann durch eine Öffnung 8 in dem Trennelement 5 in die zweite Reaktionszone 4 gelangen. Neben dieser dargestellten Öffnung 8 können weitere, vergleichbare Öffnungen 8 in größerer Zahl über das gesamte Trennelement 5 verteilt sein, was hier jedoch nicht explizit dargestellt ist.
Jede der Öffnungen 8 in dem Trennelement 5 weist dabei in Richtung der sie durchströmenden heißen Reaktions­ produkte eine Querschnittsverengung 9 auf. In den Be­ reich dieser Querschnittsverengung 9 mündet jeweils wenigstens ein Leitungselement 10, durch welches flüs­ sige oder gasförmige Stoffe, oder eine Gemisch aus denselben, in den Gasstrom der Reaktionsprodukte zuge­ führt werden können. Im hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist lediglich ein Leitungselement 10 dargestellt, es ist jedoch denkbar, daß insbesondere bei der Zufuhr von mehreren Stoffen in den Gasstrom aus den Reaktionsprodukten mehrere Leitungselemente 10 in den jeweiligen Bereich der Querschnittsverengung 9 jeder Öffnung 8 münden, so daß die Mischung der zuge­ führten Stoffe dann in jeder der Öffnungen 8 erfolgt, welche dann jeweils als eine Art "Mischdüse" wirkt.
Gemäß dem hier vorgestellten Verfahren wird durch das Leitungselement 10 Wasser oder ein wasserhaltiges Ge­ misch, wie beispielsweise eine Mischung aus Wasser und dem zu reformierenden Kohlenwasserstoff, in den Be­ reich der Querschnittsverengung 9 der Öffnung 8 zuge­ führt. Durch die Querschnittsverengung 9 kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der die Öffnung 8 durchströmenden gasförmigen Reaktionsproduk­ te aus der nichtkatalytischen Gasphasenreaktion 7 in der ersten Reaktionszone 3. Durch diese Erhöhung der Geschwindigkeit kann das flüssige und/oder gasförmige Wasser bzw. wasserhaltige Gemisch von dem Gasstrom aus den Reaktionsprodukten ideal aufgenommen und gleichmä­ ßig in demselben verteilt werden. Der Gasstrom aus den Reaktionsprodukten der Gasphasenreaktion 7 gibt dabei einen Teil seiner thermischen Energie an das Trenn­ element 5 selbst ab, ein anderer Teil der thermischen Energie wird von dem über das Leitungselement 10 in die Querschnittsverengung 9 der Öffnungen 8 einge­ brachten Stoff aufgenommen. Insbesondere bei der Zu­ fuhr von flüssigem Wasser oder einem flüssigen, was­ serhaltigen Gemisch wird zumindest ein Teil des ther­ mischen Energieinhalts des Gasstroms aus den Reakti­ onsprodukten zum Verdampfen des flüssigen Wassers oder des flüssigen, wasserhaltigen Gemischs benötigt.
Die in die zweite Reaktionszone 4 gelangende Mischung aus den Reaktionsprodukten der Gasphasenreaktion 7 und dem zugeführten Wasser oder wasserhaltigem Gemisch kann somit auf ein Temperaturniveau eingestellt wer­ den, welches für die Reformierung des Kohlenwasser­ stoffs in der zweiten Reaktionszone 4 ausreicht, wel­ ches jedoch für den auf einer Struktur 11 in der zwei­ ten Reaktionszone 4 aufgebrachten Katalysator bzw. die katalytisch wirkende Verbindung unschädlich ist. In der zweiten Reaktionszone 4 kann dann die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe und des Wassers zu dem ge­ wünschten wasserstoffhaltigen Gas und einigen Restpro­ dukten, wie CO2 und dergleichen, auf katalytischer Basis bedenkenlos erfolgen.
Der Katalysator bzw. die katalytisch wirkende Verbin­ dung ist dabei in an sich bekannter Art und Weise auf die Struktur 11 aufgebracht, wobei die Struktur 11 als Wabenstruktur oder auch als eine Schüttung aus mit dem Katalysator beschichteten Pellets oder dergleichen ausgebildet sein kann.
Mit dem beschriebenen Aufbau des Reaktors 1 ist somit eine Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit langket­ tigen Kohlenwasserstoffanteilen, wie z. B. Diesel, un­ ter Verwendung von Luft und Wasser möglich, wobei sämtliche Kohlenwasserstoffe annähernd rückstandsfrei umgesetzt werden, und wobei in jeder der Reaktionszo­ nen 3, 4 das für die dort ablaufende Reaktion ideale Temperaturniveau erreicht werden kann, ohne daß sich die beiden Reaktionszonen 3, 4 in einer Weise beein­ flussen, welche für die dort jeweils ablaufenden kata­ lytischen oder nichtkatalytischen Reaktionen in ther­ mischer Hinsicht ungünstig wäre.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Reformierung eines Kohlenwasser­ stoffs mit langkettigen Kohlenwasserstoffantei­ len, insbesondere Diesel, mit einem Reaktor, wobei der Reaktor (1) wenigstens zwei Reakti­ onszonen (3, 4) aufweist, wobei die erste Reakti­ onszone (3) eine Düseneinrichtung (6) aufweist, wobei die zweite Reaktionszone (4) eine Struktur (11) mit einer katalytisch wirkenden Verbindung aufweist, und wobei zwischen den beiden Reaktions­ zonen (3, 4) ein Trennelement (5) angeordnet ist, welches wenigstens eine Öffnung (8) und wenigstens ein Leitungselement (10) zur Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen in den Bereich der Öffnung (8) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Öffnung (8) im Bereich der Mündung des wenigstens einen Leitungselements (10) eine Querschnittsverengung (9) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (11) als eine mit einem Katalysator beschichtete Wabenstruktur ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (11) als eine Schüttung von mit einem Katalysator beschichteten Pellets ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (6) als Brennerdüse ausgebil­ det ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor derart ausgestaltet ist, daß die kata­ lytische und nichtkatalytische Reaktion räumlich und thermisch voneinander getrennt sind.
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