DE2521710A1

DE2521710A1 - Reaktor zur katalytischen umsetzung von kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffhaltigen gas

Info

Publication number: DE2521710A1
Application number: DE19752521710
Authority: DE
Inventors: Josef Grininger; Hellmuth Dipl Ing Mentschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-05-15
Filing date: 1975-05-15
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2310958A1; JPS51139803A; IT1061036B; FR2310958B1

Description

Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Gas

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhten Temperaturen, mit einem Einlaß, einem Auslaß und einem zwischen diesen liegenden, eine Katalysatorfüllung enthaltenden Reaktionsraum.

Werden gasförmige oder flüssige Ausgangsstoffe durch ein mit Katalysator gefülltes Rohr geleitet, in dem diese Ausgangsstoffe in einer exothermen Reaktion bei hohen Temperaturen umgesetzt werden, so findet diese Umsetzung nicht im ganzen Rohr gleichmäßig statt, sondern in einer relativ schmalen Reaktionszone, die durch eine hohe Wärmeentwicklung, beispielsweise erkennbar am Glühen einer bestimmten Katalysatorschicht, gekennzeichnet ist. Wird die Reaktion an einer Stelle, etwa an einer um das Rohr gelegten Heizwicklung, gezündet, so wird die Reaktionszone im allgemeinen unter sonst unveränderten Bedingungen nicht an diesem Ort bleiben. Vielmehr wird die benachbarte Schicht zünden und die Reaktion übernehmen. Die Reaktionszone wandert dann mit oder entgegen der Strömungsrichtung im Rohr.

Diese Reaktionszonenwanderung ist untersucht und das Zündverhalten in derartigen Rohrreaktoren beispielsweise in der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik" 43. Jahrgang (1971), Seite 601 bis 608, beschrieben worden.

Vernachlässigt man die Wärmeabgabe an den Rohrwänden, so kann man die Wanderung der Reaktionszone einmal als Funktion der äußeren Betriebsparameter des Reaktors beschreiben, wie der Temperatur, Geschwindigkeit und chemischen Zusammensetzung, mit der die Ausgangsstoffe dem Reaktor zugeführt werden. Zum

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anderen müssen die Parameter der Katalysatorfüllung selbst, z.B. die Aktivierungsenergie und Wärmeentwicklung der Umsetzung und vor allem die Oberfläche und Wärmeleitfähigkeit des Katalysators, berücksichtigt werden.

Bei einem stationären Betrieb eines derartigen Reaktors kann man die Dimensionierung des Reaktors so mit den Betriebsbedingungen abstimmen, daß die Reaktionszone im Inneren des Reaktors liegt. Unterliegen die Betriebsbedingungen jedoch starken Schwankungen, so kann die Reaktionszone unter Umständen bis an die Eintrittsöffnung oder Austrittsöffnung des Reaktors wandern.

Derartige Schwankungen können besonders dann auftreten, wenn kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff in einem Reaktor zu einem Spaltgas umgesetzt wird, das in einer Brennkraftmaschine verbrannt wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DT-OS 2 306 026 beschrieben. Hierbei wird flüssiger Brennstoff versprüht ader -verdampft und unter Beimischung von sauerstoffhaltigem Gas dem Reaktionsraum eines Spaltgasgenerators zugeführt. Dieses Gemisch wird dort katalytisch zu einem vollständig verbrennbaren Brenngas (Spaltgas) mit hoher Octanzahl umgesetzt. Dieses Spaltgas ist zum Betrieb von Brennkraftmaschinen besonders geeignet, da auf eine Zugabe von Antiklopfmitteln verzichtet werden kann und das Gas in der Brennkraftmaschine mit weiterer Verbrennungsluft vollständiger verbrennt als direkt eingespritzter flüssiger Brennstoff. Die Abgase derartiger spaltgasbetriebener Brennkraftmaschinen enthalten daher wesentlich weniger Schadstoffe als dies Sei direktem Betrieb der Brennkraftmaschinen mit flüssigem Brennstoff möglich ist.

"'.fill ein derartiger Spaltgasgenerator beispielsweise zum Betrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges benutzt, so müssen dem Spaltgasgenerator entsprechend der Belastung der Brennkraftmaschine sehr unterschiedliche Mengen "ion Brenngas entnommen werden können. Dazu muß nicht nur die Menge des umgesetzten

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Brennstoffes verändert werden (Quantitätsregelung), sondern es kann auch erforderlich sein, durch Veränderung der Mengenverhältnisse von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas, beispielsweise einem Luft/Abgas-Gemisch, die Qualität des erzeugten Brenngases zu variieren. Fercer werden die Ausgangsstoffe vor dem Einleiten in den Spaltgasgenerator vorteilhaft vorgewärmt, z.B. in abgasbeheizten Wärmetauschern; mit wechselnder Belastung der Heizvorrichtung wird sich dann auch die Temperatur der Ausgangsstoffe verändern. Menge, Zusammensetzung und Temperatur der zuzuführenden Ausgangsstoffe unteriiqgen also starken Schwankungen, und der Spaltgasgenerator muß unter diesen stark veränderlichen Betriebsbedingungen zuverlässig betrieben werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Reaktors der eingangs erwähnten Art auch unter stark wechselnden Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Die Betriebsbedingungen sollen dabei ohne Rücksicht auf den Betriebszustand des Reaktors innerhalb der für den normalen Reaktorbetrieb vorgesehenen Grenzen, die durch die wechselnden Anforderungen an Menge und Qualität des erzeugten Produktgases gegeben sind, frei verändert werden können.

Hierbei muß insbesondere vermieden werden, daß eine exotherme Umsetzung des Reaktionsgemisches bei geringer Belastung, beispielsweise im Leerlauf des Kraftfahrzeugmotors, bereits in der vordersten Front des Katalysators stattfindet. Es besteht dann nämlich die Gefahr einer Rückzündung der Reaktion in den vor dem Katalysator liegenden Raum, in dem der Brennstoff noch nicht homogen mit dem s auerstoffhaltigen Gas vermischt ist und in dem es dann zu einer nichtkatalytischen, unter Umständen explosionsartigen, oder mit der Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte, wie Ruß, verbundenen Umsetzung kommen kann. Andererseits soll auch vermieden werden, daß bei starker Belastung die Umsetzung an der hintersten Front des Katalysators stattfindet und unter Umständen ganz aus dem Katalysator hinaus in das an den Reaktionsraum anschließende Leitungssystem für das Brenngas verlagert

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Da außerdem beispielsweise im Motorraum von Kraftfahrzeugen nur ein begrenzter Raum für den Einbau eines Spaltgasgenerators zur Verfügung steht, wird man eine möglichst kompakte Bauweise mit einem kleinen Katalysatorvolumen anstreben. Die Reektionszone kann dann nur innerhalb enger Grenzen wandern.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei dem eingangs erwähnten Reaktor erfindungsgemäß der Reaktionsraum und/oder die Katalysatorfüllung derart ausgestaltet, daß die Reaktionszone einer im Reaktionsraum in der Nähe des Einlasses oder des Auslasses in Gang gekommenen Umsetzung unter normalen Betriebsbedingungen des Reaktors stets zur Mitte des Reäiionsraumes hineinwandert.

Zur groben Beschreibung der Wanderung einer Reaktionszone in einem Reaktor kann die Peclet-Zahl dienen:

Pe = u · S -Cp. d

Hierbei ist u die Störmungsge-schwindigkeit, $ die Dichte bei 20⁰C, c die mittlere spezifische Wärme des am Ort des Katalysators vorbeiströmenden Gasgemisches, d, ist eine geeignete den Katalysator charakterisierende Länge und % die axiale Wärmeleitfähigkeit der Katalysatorfüllung, d.h. die Wärmeleitfähigkeit in Strömungsrichtung. Die Peclet-Zahl gibt das Verhältnis der Kühlintensität des strömenden Gasgemisches zur Intensität der Wärmerückleitung der Katalysatorfüllung in einem adiabatischen Reaktor an. Der Wärmeaustausch der Reaktorwand mit der Umgebung ist also vernachlässigt.

Um in einem bereits gezündeten Reaktor die nachströmenden Ausgangsstoffe auf die Umsetzungstemperatur (Zündtemperatur) zu bringen, ist eine gewisse Wärme nötig. Diese entsteht bei der Umsetzung und wird durch Wärmeleitung in der Katalysatorfüllung von der Reaktionszone in die umgebenden Zonen abgegeben. Bei niedriger Peclet-Zahl gibt die Reaktionszone soviel Wärme in die strömungsmäßig vorgelagerte Katalysatorschicht ab, daß be-

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reits dort eine Zündung stattfinden kann und die Reaktionszone entgegen der Strömungsrichtung wandert. Bei hoher Peclet-Zahl dagegen wird die vor der Reaktionszone !Legende Katalysatorschicht von den kühleren Ausgangsstoffen abgekühlt und erreicht die Zündtemperatur nicht; jedoch wird die nachfolgende Katalysatorschicht durch die Wärmeleitung im Katalysatormaterial und durch die Konvektion der heißen Umsetzungsprodukte aufgeheizt und die Reaktionszone verschiebt sich in Strömungsrichtung.

Der erfindungsgemäße Reaktor wird daher vorteilhaft so ausgestaltet, daß das Produkt u.d^. aus der Strömungsgeschwindigkeit und einem geeigneten,den Katalysator charakterisierenden geometrischen Parameter, beispielsweise bei einer Katalysatorschüttung der Korngröße, vom Ort im Reaktionsraum abhängt und in Strömungsrichtung stark abnimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Reaktors weist der Reaktionsraum einen sich erweiternden Strömungsquerschnitt auf, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der den Reaktor durchsetzenden Medien und damit die,Peclet-Zahl in Störmungsrichtung abnimmt.

Statt dessen oder daneben kann die Katalysatorfüllung vorteilhaft Schichten etwa kugelförmiger Katalysatorkörner enthalten, deren Durchmesser von Schicht zu Schicht in Strömungsrichtung abnimmt. Dadurch wird, unter Umständen verbunden mit einer Erweiterung des Reaktionsraumes, ebenfalls eine starke Ahnahme der Peclet-Zahl in Strömungsrichtung erreicht.

Besonders günstig ist eine körnige Katalysatorfüllung, deren dem Einlaß des Reaktionsraumes benachbarte Schicht aus porösen Vollkugeln, die weiteren Schichten aus porösen Hohlkugeln bestehen.

Wie noch erläutert werden wird, wandert in einer Vollkugelfüllung die Reaktionszone einer Umsetzung schon in Strömungsrichtung, wenn - verglichen mit einer Hohlkugelfüllung - wesentlich geringere Strömungsgeschwindigkeiten aufrecht erhalten

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- 6 werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors besteht der Katalysator aus einer Schüttung von Korundkörpern. Unter Korund versteht man d^-Al-O , das auf viele Umsetzungsreaktionen von Kohlenwasserstoffen katalysierend wirkt und leicht zusätzlich mit katalytisch aktiven Substanzen imprägniert werden kann. Korund ist in Form von VoHcugeln und in Form von Hohlkugeln handelsüblich und kann auch zu größeren, rotationssymmetrischen Formstücken, etwa Topfen oder Hohlzylindern, verarbeitet werden.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn im Reaktionsraum zwischen der Füllung aus Katalysatorkörnern und dem Auslaß eine Schicht aus temperaturbeständigem, anorganischem Fasermaterial angeordnet ist. Als Faserschicht eignet sich besonders annähernd homogen gepackte, handelsübliche Quarzglas- oder AlpO^-Wolle, beispielsweise mit einer Faserdicke von etwa 2 bis 4 /u. Eine derartige, die Katalysatorfüllung abschließende Faserschicht verhindert, daß Katalysatorkörner oder durch Abrieb entstandene Katalysatorteilchen von der Produktgas-Strömung aus dem Reaktionsraum befördert werden. Insbesondere hat sich ferner auch gezeigt, daß eine derartige Faserschicht ebenfalls hervorragend geeignet ist, um eine Verlagerung der Umsetzungszone aus dem Reaktionsraum der Reaktoreinheit in das nachgeschaltete Leitungssystem zu verhindern.

Bei dem eingangs erwähnten Verfahren zur Umsetzung von kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu einem Spaltgas wird dem Spaltgasgenerator mit dem Brennstoff nur soviel Sauerstoff zugeführt, daß im Reaktionsraum durch katalytisch^, partielle Oxidation des Brennstoffes ein Methan, Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff enthaltendes Brenngas entsteht. Um den Heizwert des Brenngases nicht zu stark herabzusetzen, wird die Sauerstoffzufuhr zum Spaltgasgenerator weit unter das zur Verbrennung des Brennstoffes benötigte Maß ge-

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drosselt. Es ist jedoch bekannt, daß bei stark unterstöchiometrischer Verbrennung im thermodynamisehen Gleichgewicht Rußbildung auftritt. Bei geeigneter Füllung im Reaktionsraum kann diese Rußbildung im Inneren des Reaktionsraumes vermieden werden, jedoch muß berücksichtigt werden, daß bei den herrschenden hohen Temperaturen auch an den Wänden des Reaktionsraumes eine Umsetzung stattfinden kann. So kann durch Stöße der Gasmoleküle mit der Wand eine Rußbildung gefördert werden. Vor allem bei kleinen Reaktoren können daher durch Wandkatalyse störende Mengen unerwünschter Reaktionsprodukte entstehen. Viele der üblichen Metalle und Metallegierungen, beispielsweise auch rostfreier Stahl, können durch eine derartige, ungünstige Wandkatalyse eine Rußbildung bewirken.

Vorzugsweise sollten daher alle hohen Temperaturen ausgesetzten Teile des Reaktors aus einem nichtmetallischen, hitzebeständigen, die Entstehung unerwünschter Reaktionsprodukte nicht katalysierenden Material bestehen.

Ein derart gebauter Reaktor kann vorteilhaft einen Reaktionsraum enthalten, der von einem mehrwandigen Mantel und einem darin angeordneten Kühler umgeben ist. Dieser Kühler kann insbesondere als Wärmetauscher für das heiße Produktgas und die verhältnismäßig kühlen Ausgangsstoffe ausgebildet und dem Einlaß des Reaktionsraumes strömungsmäßig vorgelagert sein. Der im Reaktor umzusetzende kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff, beispielsweise Benzin, kann vor dem Eintritt in den Kühler versprüht oder verdampft und mit dem sauerstoffhaltigen Gas, etwa Luft, vermischt werden; das Benzin kann aber auch in flüssiger Form eingeleitet und erst im Kühler oder Wärmetauscher verdampft und mit der Luft vermischt werden. Ferner kann der Kühler einen Ringkanal mit Durchtrittsöffnungen zum Reaktionsraum enthalten, um die Ausgangsstoffe gleichmäßig auf den Eintrittsquerschnitt des Reaktionsraumes zu verteilen.

Vorteilhaft ist im Mantelhohlraum auch eine Zwischenwand ange-

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ordnet, die das aus dem Auslaß des Reaktionsraumss austretende, heiße Produktgas entlang der den Reaktionsraum begrenzenden Innenwand zu dem Kühler lenkt, Dort wird das Produktgas gekühlt und kann entlang der Außenwand des Mantels, die beispielsweise als Metallgehäuse ausgebildet sein kann, aus dem Reaktor geleitet werden. Da dieses Metallgehäuse von dem nunmehr gekühlten Produktgas bestrichen wird, ist dort eine unerwünschte Wandkatalyse nicht mehr zu befürchten, Die von den Ausgangsstoffen oder vom Produktgas auf dem Wege vom Einlaß bis zum Kühler bestrichenen Wände jedoch, also die Innen- und Zwischenwand des Mantels und Teile des Wärmetauschers, bestehen ganz aus einem nichtmetallischen, die Entstehung unerwünschter Reaktionsprodukte nicht katalysierenden Material. Hierzu ist besonders hochfestes, korundhaltiges Porzellan oder dichtgesinterte Cordterit-haltige Keramik geeignet, da dieses Material in Gegensatz zu inertem Material zwar katalysierend wirkt, aber nur für erwünschte, nicht für unerwünschte Reaktionen. So begünstigt es die partielle Oxidation von Kohlenwaaasr stoff en, ohne gleichzeitig eine Rußbildung zu katalysieren.

Aus verschiedenen Materialien bestehende Teile sind vorzugsweise nur in Nähe des Kühlers mechanisch fest miteinander verbunden. Die Teile des Reaktors, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, können sich dann entsprechend ihrem unterschiedliehen Wärmeausdehnungskoeffizienten ungehindert ausdehnen, der Reaktor kann also hohen Reaktionstemperaturen und starken Temperaturwechseln ausgesetzt werden, ohne daß zerstörerische thermische Spannungen auftreten.

An Hand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt - größtenteils im Schnitt - die Seitenansicht einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Reaktors.

Der Reaktor besteht im wesentlichen aus einem Reaktionsraum 1

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unü einer aer: rieaK^ionsraun; oegrensencen ^nnenwanc. Jie mrie:;-wand wird von einem sich konisch erweiternder· Topf 2 gebildet, der durch alner Deckel 3 abgeschlossen ist und auf dessen Boden ein Einsatz 4 aufliegt. Im Boden des Topfes 2 ist in der Mitte eine in axialer Richtung verlaufende Einstülpung 30 eingesetzt, die beispielsweise zur Aufnahme einer Zusatzheizung geeignet ist, durch welche ein Absinken der Temperatur im Reaktionsraum verhindert werden kann. Die Einstülpung 3C kann hierbei zusammen mit dem Topf aus einem Stück gefertigx sein oder als eigenes, den Topfboden bildendes Teil hergestellt und eingepaßt sein. Der Einsatz 4 enthält einen Ringkanal 5, in den eine oder mehrere Zuführungsleitungen 6 für die Ausgangsstoffe einmünden und der über Durchtrittsöffnungen 7 mit dem Reaktionsraum 1 verbunden ist. Der Reaktionsraum 1 enthält eine Katalysatorschüttung, j.eren erste Schicht aus Korund-Vollkugeln 8 von etwa 4 mm Durchmesser besteht. Hieran schließen sich zwei Lagen von Korund-Hohlkugeln, sogenanntem Kugelkorund 9, mit etwa 3 bzw. 1 mm Durchmesser an. Unterhalb des Deckels 3 ist die Katalysatorschüttung mit einer Schicht 27 dichtgepackter Al„O.,-Wolle mit einer Faserstärke von etwa 3 /U abgedeckt.

Die Seitenwand des Topfes 2 ist konzentrisch von einer konischen Zwischenwand 10 umgeben, auf der ein weiterer Deckel 11 aufliegt. Dieser Deckel 11 hat einen Vorsprung 12, der in eine am Deckel 3 des Topfes 2 angebrachte ringförmige Fassung 13 eingreift. Hierdurch wird die Zwischenwand 10 mit ihrem Deckel 11 im Abstand zur Innenwand 2 mit dem Deckel 3 und konzentrisch zu dieser gehalten. Der so entstehende Zwischenraum zwischen der Innenwand und der Zwischenwand ist über Durchlaßöffnungen 14 im Deckel 3 des Topfes 2 mit de;n Reaktionsraum 1 verbunden.

Der Topf 2 ist an seinem Boden über eine Schraubverbindung 15 in einem ebenfalls konischen und topfartigen Metallgehäuse 16 befestigt, an das ein Deckel 17 angeflanscht ist. Gehäuse 16 und Gehäusedeckel 1? weisen federartige Abstandhalter 18 auf, durch die die Zwischenwand 10 mit ihrem Deckel 11 in ihrer

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Flauff. s^isoner- Gehäuse 16 und Zwischene ^? sirs untere:: Rand der Zwischenwand r Zwischenwand 10 und der Innenwand 2

verbundene Der Deckel 1? weist zentral einen Auslaßstutzen 20 für das Produktgas auf.

Eine mechanisch feste Verbindung und Zentrierung des Topfes 2 und der Einstülpung 30 mi" dem Gehäuse 16 kann man dadurch errei-CiISiI₉ daß man den Boden des Topfes 2 durch die Schrauben 15 zwischen der Bodenplatte 21 des Gehäuses 15 und einem Metallring festklemmt. Zur besseren Abdichtung werden dabei zwischen Bodenplatte und Topfboden sowie zwischen Topfboden und Metallring Dichtungsringe 23 und 24 eingelegt. Ist die Einstülpung am Topfboden als eigenes Bauteil gefertigt, so wird auch sie durch diese Verbindung in zentrischer Lage festgehalten. Über eine Verzahnung ist ferner der Einsatz 4 mit dem Metallring 22 verbunden und durch die Einstülpung 30 zentriert gelagert. Bei Erschütterungen kann sich somit keine Verschiebung der einzelnen Teile des Reaktors gegeneinander ergeben.

Das Gehäuse 16 mit- der Bodenplatte 21 und dem Deckel 17 sowie der Mefellring 22 bestehen vorzugsweise aus Stahl. Der Einsatz sowie der Topf 2 und die Zwischenwand 10 sind mit den dazugehörigen Deckeln 3 und 11 vorteilhaft aus Korund oder einer anderen, dichtgesinterten, aluminiumoxidhaltigen Keramik gefertigt. Darüber hinaus kann die Wand mit aktiven Metallkomponenten imprägniert sein.

Der dem Reaktor zuzuführende kohlenwasserstoffhaltige flüssige Brennstoff kann vor dem Eintritt in die Zuführung 6 versprüht oder verdampft und mit dem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise Frischluft, vermischt werden. Dabei sollte eine Temperatur von etwa 150 bis 200⁰G jedoch nicht überschritten werden= Das in den Ringkanal entretende, verhältnismäßig kühle Gemisch der Ausgangsstoffe bewirkt eine Kühlung des Einsatzes 4, des Metallringes 22, des Bodens des Topfes 2, der Bodenplatte 21 des

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Metallgehäuses und der untersten Korundvollkugeln 3. Diese -.eile wirken dfennach als Kühler für das den Mantel durchströmende rroduktgas. Die Kohlenwasserstoffe können aber auch in flüssiger :^?orm in den Ringkanal geleitet und erst dort und an den VoIl- >:ugeln der untersten Korund-Schüttung verdampft werden, wodurch las Produktgas noch stärker abgekühlt wird. In dieser ΚΓ '.zone <ondensierende Reaktionsprodukte können über einen an .'.er Bodenplatte 21 befestigten Stutzen 25 abgeführt v/erden.

Die Ausgangsstoffe treten in Richtung der Pfeile 26 in den Ringkanal und den Reaktionsraum ein, werden dort vorgewärmt und in der Vollkugelschüttung vermischt.

Innerhalb des Reaktors tritt an der relativ kleinen Oberfläche der größeren, von den Ausgangsstoffen gekühlten Vollkugeln bei mittlerer Belastung des Reaktors keine Umsetzung auf, vielmehr werden die Ausgangsstoffe erst in einer im Inneren der Hohlkugel schüttung 9 liegenden Reaktionszone umgesetzt. Bei geringen Durchsätzen oder bei einem höheren Luftanteil des umzusetzenden Kohlenwasserstoff/Luft-Gemisches kann die Reaktionszone entgegen der Strömungszone etwas in die Vollkugelschüttung wandern. Selbst bei dem niedrigsten für den Betrieb des Reaktors vorgesehenen Durchsatz kann die Reaktionszone aber nicht tiefer in den Bereich der Vollkugelschüttung eindringen, da zur Erwärmung der Vollkugeln eine relativ große Wärmemenge benötigt wird und der Strömungsquerschnitt so klein ist, daß bei normalen Betrieb des Reaktors unmittelbar hinter dem Einsatz 4 stets Geschwindigkeiten erreicht werden, bei denen eine Reaktionszone mit der Strömungsgeschwindigkeit ins Innere der Katalysatorschüttung wandert.

Die abdeckende Faserschicht, die dieser vorgelagerte Katalysatorschicht aus kleinen Hohlkugeln und die aufgrund des größeren Strömungsquerschnittes geringe Strömungsgeschwindigkeit bewirken andererseits, daß dort unter normalen Betriebsbedingungen eine Reaktionszonenwanderung entgegen der Strömungsrichtung

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stattfinden vrirle und die Reakti^nazc ;.:- .I',.',.--- -'Aj- Duro'ut. ri ':^J. :--- Öffnungen 14 des Deckels 3 nicht erreiche, kam;,

Nach der Umsetzung im Reaktionsraum verlassen die heißen Produktgase den Reaktionsraum über Auslaßöffnungen 14 im Deckel 3 und werden im mehrwandigen Mantel in Richtung der Pfeile 28 zunächst an der Außenseite der den Reaktionsraum begrenzenden Wand 2 entlang zu dem am Einlaß des Reaktionsraumes angebrachten Kühler geleitet. Die heißen Prcduktgase bringen dabei die Wand des Reaktionsraumes auf eine höhere Temperatur und vermindern so die Wärmeverluste an der Wand des Reaktionsraumes. Unter Erwärmung der Ausgangsstoffe wird das Produktgas nunmehr abgekühlt und kann sodann an dem Metallgehäuse 16 entlang zum Austrittsstutzen Γ0 dos Reaktors strömen.

Auf dem Weg vom Einlaß des Reaktionsraumes bis zum Produktga:■·>-Kühler kommen die Ausgangsstoffe, die im Reaktor erhitzt werden, urü das heiße Produktgas nur mit dem keramischen Material der Katalysatorfüllung 8, 9, 27 und. der Wandflächen 2, 3, 10, 11 und 30 in Berührung, wobei dieses Material zusätzlich mit einer katalytisch aktiven Komponente imprägniert sein kann. Dieses keramische Material fördert die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in ein Brenngas, das Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, und wirkt nicht gleichzeitig katalysierend auf die Entstehung unerwünschter Reaktionsprodukte wie Ruß und Teerstoffe. Von der Erwärmung des Reaktionsgemisches bis zur Abkühlung des Produktgases im Wärmetauscher wird daher die Umsetzung katalytisch gesteuert und insbesondere wird verhindert, daß durch Wandstöße eine mit Rußbildung verbundene thermische Zersetzung der Kohlenwasserstoffe begünstigt werden kann.

Die Peclet -Zahl nimmt durch die Erweiterung des Strömungsquerschnittes auf dem Weg durch den Reaktionsraum im Verhältnis 5:1, durch die Verwendung zweier Hohlkugelschüttungen mit 3 bis 4 mm 0 t2V/. 1 bis 2 mm 0 nochmals im Verhältnis vor. erv/a 2s 1 bis

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3:1 ao. Bei mittleren delastungen kann der Umsatz demnach etwa i:.i Verhältnis 10:1 variiert v/erden, ohne daß die Reaktionszone aus der Hohlkugelschicht, herauswandert.

Aber auch bei extremen Belastungen kann die Reaktionszone der Umsetzung nicht durch die Faserschicht ο-ler durch dia VoIlkus'elschüttung hindurch aus dem Reaktionsraum hinaus wandern. Ss zeigt sich nämlich, daß bei unveränderter Temperaxur und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe die Strömungsgeschwindigkeit über das Bfe.che hinaus gesteigert werden müßte, um in einem rohrförmigen Reaktor, der mit Kugelkorund von etwa 3 mm 0 und einer anschließenden dichtgepackten Schicht aus AlpO^-V/olle gefüllt ist, die Reaktionszone aus der Korundschüttung ganz in die Wolle-Schicht zu verlagern.

Vergleicht man andererseits zwei mit Korund-Hohlkugeln von etwa 3 mm 0 bzw. mit Korund-Vollkugeln von etwa 4 mm 0 gefüllte Reaktoren, so stellt man fest, daß die Strömungsgeschwindigkeit in dem mic Vollkugeln gefüllten Reaktor auf etwa 1/5 herabgesetzt werden müßte, um die Reaktionszone in dem selben Abstand von der Eintrittsöfxnung zu stabilisieren wie in dem mit Hohlkugeln gefüllten Reaktor. Darüber hinaus ist die hohe Wärmekapazität der Vollkugel schüttung besonders dann erwünscht, wenn die dem Reaktor zuzuführende Menge von umzusetzendem Brennstoff sprunghaft gesteigert wird. Die bei geringerem Durchsatz in Nähe der Vollkugelschicht ablaufende Umsetzung heizt diese Schicht nämlich auf und bei sprunghafter Steigerung des Durchsatzes werden die Ausgangsstoffe in dieser Schicht wirkungsvoll vorgewärmt, bevor sie die Reaktionszone erreichen. Dadurch wird verhindert, daß die Reaktion durch einen plötzlich anschwellenden Strom kühlerer Ausgangsstoffe "ausgeblasen" wird. Insbesondere kann dem Reaktor flüssiger Brennstoff zugeführt werden, der an den Vollkugeln im Reaktionsraum selbst verdampft v/erden kann.

In dem beschriebenen erfindungsgemäßen Reaktor kann also der Umsatz im Verhältnis 200:1 variiert werden, ohne daß die Reaktionszone den Einlaß oder den Auslaß des Reaktionsraumes erreichen

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kann= Damit ist ein ausreichender- Sicherheitsspielraum für einen zuverlässigen Betrieb -/on Brennkraftmaschinen gegeben, der bei Lastwechseln beispielsweise mit Schwankungen des Brennstoffbedarfes bis zu 140:1 verbunden ist.

7 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Patentansprüche

1. Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhten Temperaturen, mit einem Einlaß, einem Auslaß, und einem zwischen diesen liegenden, eine Katalysatorfüllung enthaltenden Reaktionsraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum und/oder die Katalysatorfüllung derart ausgebildet sind, daß die Reaktionszone einer im Reaktionsraum in der Nähe des Einlasses oder des Auslasses in Gang gekommenen Umsetzung unter normalen Betriebsbedingungen des Reaktors stets zur Mitte des Reaktionsraumes hin wandert.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum (1) einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Strömungsquerschnitt aufweist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorfüllung Schichten etwa kugelförmiger Katalysatorkörner (8, 9) mit in Strömungsrichtung von Schicht zu Schicht abnehmenden Korndurchmesser enthält.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Einlaß (7) angrenzende Schicht der Katalysatorkörner aus porösen Vollkugeln (8), die weiteren Schichten aus porösen Hohlkugeln (9) bestehen.

5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorkörner (8, 9) aus Korund bestehen.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsraum zwischen dem Auslaß (14) und der Füllung aus Katalysatorkörnern (8, 9) eine Schicht (27) aus temperaturbeständigem anorganischen»Fasermaterial angeordnet ist.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (27) aus annähernd homogen gepackter Quarzglas- oder Aluminiumoxid-Wolle besteht.

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