DE60203315T2

DE60203315T2 - Katalytischer reaktor

Info

Publication number: DE60203315T2
Application number: DE60203315T
Authority: DE
Inventors: Andrew Jason Cheadle MAUDE
Original assignee: GTL Microsystems AG
Current assignee: CompactGTL PLC
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: US7189271B2; EP1436078B1; EP1436078A1; MY128122A; GB0125000D0; DE60203315D1; US20040237303A1; WO2003033132A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen katalytischen Reaktor, der sich zur Verwendung bei der Durchführung von Gasphasenreaktionen, insbesondere, aber nicht ausschließlich für die Durchführung hoch exothermer und endothermer Reaktionen eignet, sowie ein chemisches Verfahren, bei dem der katalytische Reaktor eingesetzt wird.
Die Verwendung von katalytischem Material, das auf einem Metallsubstrat geträgert ist, ist allgemein bekannt. Beispielsweise beschreibt GB 1 490 977 einen Katalysator, der ein aluminiumtragendes Substrat aus einer ferritischen Legierung umfasst. Dieses ist mit einer Schicht aus einem feuerfesten Oxid wie Aluminiumoxid, Titandioxid oder Zirconiumdioxid sowie dann mit einem katalytischen Metall der Platingruppe beschichtet. Wie in GB 1 531 134 und GB 1 546 097 beschrieben, kann ein Katalysatorkörper im Wesentlichen flache Bahnen und geriffelte Bahnen aus diesem Material umfassen. Diese sind abwechselnd angeordnet, um Kanäle durch den Körper zu definieren. Dabei werden entweder mehrere solcher Bahnen in einem Stapel angeordnet oder zwei solcher Bahnen werden zusammengewickelt, um eine Spule zu bilden. In diesen Beispielen sind sowohl die flachen Bahnen als auch die geriffelten Bahnen mit Riffelungen im kleinen Maßstab überlagert, um die Bildung der Beschichtung zu unterstützen. Solche Katalysatorkörper werden als geeignet zur Verwendung bei der Behandlung von Abgasen aus Fahrzeugen beschrieben. In diesem Zusammenhang ist die Wärmeübertragung zwischen einem Kanal und dem benachbarten Kanal kein Thema, da alle Kanäle die gleichen Gase bei den gleichen Drücken tragen. EP 0 885 653 A (Friedrich et al.) beschreibt einen kompakten Wärmetauscher für katalytische Reaktionen, in denen Strömungskanäle durch eine einzige lange Metallbahn definiert sind, die wie eine Ziehharmonika gefaltet ist, wobei sich geriffelte Folien zwischen aufeinanderfolgenden Platten der Ziehharmonika befinden. Die geriffelten Folien sind Katalysatorträger und verbessern die Wärmeübertragung zwischen den Kanälen, und in einem Beispiel durchlaufen die Gase auf einer Seite der Bahn eine exotherme Reaktion, während bei denen auf der anderen Seite eine endotherme Reaktion abläuft.
Erfindungsgemäß zur Verfügung gestellt wird ein katalytischer Reaktor, umfassend eine Vielzahl von Metallbahnen, die als Stapel angeordnet sind, um erste Strömungskanäle zwischen benachbarten Bahnen zu definieren, die mit zweiten Strömungskanälen zwischen benachbarten Bahnen abwechseln, um sicherzustellen, dass ein guter Wärmekontakt zwischen den Fluids im ersten und zweiten Strömungskanal besteht, wobei jede dieser Bahnen einen hochstehenden peripheren Rand hat, durch den sie gegen die nächste Bahn im Stapel abgeschlossen ist, und jede Bahn mindestens vier Öffnungen für den Strom von Fluids definiert, sowie röhrenförmige Mittel, um Öffnungen in einer Bahn gegen korrespondierende Öffnungen in der nächsten Bahn des Stapels abzuschließen.
Die Fluids in den Kanälen können Gase oder Gasgemische sein und außerdem Tröpfchen von Flüssigkeit als Aerosol umfassen. Wenn eine erwünschte Reaktion exotherm ist, kann eine Wärmeübertragungsflüssigkeit (eher als ein Gas) durch die andere Gruppe von Strömungskanälen geleitet werden.
Jede Bahn ist vorzugsweise weniger als 3 mm, stärker bevorzugt weniger als 1 mm dick. Jede Bahn kann geriffelt sein, um den Fluss entlang dem Strömungskanal zwischen dieser Bahn und der nächsten zu leiten. Alternativ kann eine geriffelte oder zickzackförmige Folie in den Strömungskanal eingelegt werden. Die Bahnen oder die geriffelte Folien (wo sie vorgesehen sind) in mindestens einem der Strömungskanäle beinhalten einen Katalysator, der in einer Keramikschicht an der Oberfläche der Bahn oder Folie inkorporiert sein kann. Eine solche Folie kann alternativ durch ein permeables Metallsubstrat wie ein Netz oder eine faserige Metallbahn ersetzt werden.
Um den erforderlichen guten Wärmekontakt sicherzustellen, ist sowohl der erste als auch der zweite Strömungskanal vorzugsweise weniger als 5 mm tief; das heißt, die peripheren Ränder sind weniger als 5 mm hoch. Stärker bevorzugt sind der erste und der zweite Strömungskanal beide weniger als 3 mm tief.
Die röhrenförmigen Mittel, die Öffnungen in aufeinanderfolgenden Bahnen miteinander verbinden, können integraler Bestandteil einer Bahn sein oder vor dem Zusammenbau mit dieser verschweißt werden. Während des Zusammenbaus werden sie dann mit der benachbarten Bahn verschweißt. Ähnlich werden die Ränder auf einer Bahn während des Zusammenbaus mit der Peripherie der nächsten Bahn verschweißt. Bei geringen Druckunterschieden können die Verbindungen auch durch Anpressen anstelle des Schweißens hergestellt werden.
Bei einer Anwendung des katalytischen Reaktors unterscheidet sich das in jeden Kanal eingespeiste Gasgemisch von dem den benachbarten Kanälen zugeführten Gasgemisch, und auch die entsprechenden chemischen Reaktionen sind unterschiedlich. Eine der Reaktionen kann exotherm sein, während die andere Reaktion endotherm ist. In diesem Fall wird Wärme durch die Wand der Bahn übertragen, die die benachbarten Kanäle voneinander trennt, und zwar von der exothermen Reaktion zur endothermen Reaktion.
Dieser Reaktor eignet sich besonders gut zur Durchführung der Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen (bei der es sich um eine endotherme Reaktion handelt, in der Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt werden). Die abwechselnden Kanäle können ein Kohlenwasserstoff/Luft-Gemisch enthalten, so dass eine exotherme Reaktion die notwendige Wärme für die endotherme Reformierungsreaktion zur Verfügung stellt. Für die Oxidationsreaktion können mehrere unterschiedliche Katalysatoren verwendet werden, z. B. Palladium, Platin oder Kupfer auf einem Keramikträger. Beispiele sind Kupfer oder Platin auf einem mit Lanthan, Cer oder Barium stabilisierten Aluminiumoxidträger, oder Palladium auf Zirconiumdioxid, oder Palladium auf einem Metallhexaaluminat wie Magnesium-, Calcium-, Strontium-, Barium- oder Kaliumhexaaluminat. Für die Reformierungsreaktion können auch mehrere unterschiedliche Katalysatoren verwendet werden, z. B. Nickel, Platin, Palladium, Ruthenium oder Rhodium, die auf keramischen Beschichtungen eingesetzt werden können. Der bevorzugte Katalysator für die Reformierungsreaktion ist Rhodium oder Platin auf Aluminiumoxid oder stabilisiertem Aluminiumoxid. Die Oxidationsreaktion kann bei im Wesentlichen atmosphärischem Druck durchgeführt werden, während die Reformierungsreaktion bei erhöhtem Druck ablaufen kann, z. B. bis zu 2 MPa (20 atm) typischer im Bereich von 0 bis 200 kPa über dem atmosphärischen Druck. Sowohl die Oxidation als auch die Reformierung kann bei erhöhtem Druck (z. B. 200 kPa) durchgeführt werden, wobei der Reaktor dann in einem externen Druckgefäß eingeschlossen ist.
Fachleuten wird klar sein, dass die Materialien, aus denen der Reaktor besteht, während der Verwendung einer stark korrodierenden Atmosphäre ausgesetzt sein können. Zum Beispiel kann die Temperatur bis zu 900°C betragen; typischer liegt sie um 850°C. Der Reaktor kann aus einem Metall wie einem aluminiumtragenden ferritischen Stahl hergestellt sein, insbesondere von dem als Fecralloy^® bekannten Typ, bei dem es sich um Eisen mit bis zu 20% Chrom, 0,5 bis 12% Aluminium und 0,1 bis 3% Yttrium handelt. Beispielsweise kann er Eisen mit 15% Chrom, 4% Aluminium und 0,3% Yttrium enthalten. Wenn dieses Metall an der Luft erhitzt wird, bildet es eine haftende Oxidbeschichtung aus Aluminiumoxid, die die Legierung vor weiterer Oxidation schützt. Diese Oxidschicht schützt die Legierung auch vor Korrosion unter den Bedingungen, die beispielsweise in einem Methanoxidationsreaktor oder einem Dampf/Methan-Reformierungsreaktor herrschen. Wenn dieses Metall als Katalysatorsubstrat verwendet wird und mit einer Keramikschicht beschichtet ist, in die ein Katalysatormaterial inkorporiert wird, nimmt man an, dass die Aluminiumoxidschicht sich mit der Keramikbeschichtung verbindet und so sicherstellt, dass das katalytische Material am Metallsubstrat haftet. Die Keramikbeschichtung ist vorzugsweise nicht mehr als 300 μm dick.
Ein Problem bei allen katalytischen Reaktoren besteht darin, dass der Katalysator seine Wirkung verlieren kann und daher ersetzt werden muss. Der erfindungsgemäße Reaktor ist so leicht gebaut, dass er weggeworfen werden kann, wenn der Katalysator erschöpft ist.
Für einige Zwecke kann das Katalysatormetall statt dessen direkt auf die haftende Oxidbeschichtung des Metalls (ohne Keramikschicht) aufgebracht werden.
Besonders wenn der Reaktor für eine endotherme Reaktion verwendet werden soll, kann es wünschenswert sein, die Temperatur des Reaktors durch direktes elektrisches Erhitzen auf die erwünschte Betriebstemperatur zu erhöhen. Dabei wird elektrischer Strom durch die Bahnen geleitet, die den Reaktor bilden. Dies würde typischerweise nur am Anfang erfolgen, weil die Wärme anschließend durch eine exotherme Reaktion, die in den zweiten Gasströmungskanälen abläuft, oder durch heiße Gase (z. B. Abgase aus einem externen Verbrennungsverfahren wie einem Brenner mit laminarer Strömung) zur Verfügung gestellt wird.
Die Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer und im einzelnen lediglich beispielhaft beschrieben.
Darin zeigt:
1 eine Planansicht eines Reaktors;
2 eine Querschnittsansicht der Linie 2-2 des Reaktors von 1;
3 eine Querschnittsansicht der Linie 3-3 des Reaktors von 1;
4 eine 3 äquivalente Ansicht einer Abwandlung des Reaktors.
Erfindungsgemäße Reaktoren können in einem chemischen Verfahren zur Umwandlung von Methan in Kohlenwasserstoffe mit längeren Ketten verwendet werden. Die erste Stufe beinhaltet die Dampf/Methan-Reformierung, das heißt folgende Reaktion Dampf + Methan → Kohlenmonoxid und Wasserstoff
Diese Reaktion ist endotherm und kann in einem ersten Gasströmungskanal durch einen Rhodiumkatalysator katalysiert werden. Die erforderliche Wärme, mit der diese Reaktion in Gang gesetzt wird, stammt aus der Verbrennung von Methan, das heißt: Methan + Sauerstoff → Kohlendioxid und Wasser
Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion, die durch einen Palladiumkatalysator in einem benachbarten Gasströmungskanal katalysiert werden kann. Beide Reaktionen können bei atmosphärischem Druck durchgeführt werden, obwohl alternativ die Reformierungsreaktion auch bei erhöhtem Druck ablaufen kann. Die durch die Verbrennungsreaktion erzeugte Wärme würde durch die Metallbahn geleitet, die die benachbarten Kanäle trennt.
Das durch die Dampf/Methan-Reformierung erzeugte Gasgemisch wird Synthesegas genannt. Der Wasserstoff kann selbst ein erwünschtes Produkt sein, das z. B. in einer Brennstoffzelle eingesetzt wird. Alternativ kann das Gasgemisch anschließend dazu eingesetzt werden, eine Fischer-Tropsch-Synthese durchzuführen, das heißt: Kohlenmonoxid + Wasserstoff → Paraffin oder Olefin (z. B. C₁₀) + Wasser
Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion, die bei erhöhter Temperatur, typischerweise 200 bis 350°C, z. B. 280°C und bei erhöhtem Druck, typischerweise zwischen 2 MPa und 4 MPa, z. B. 2,5 MPa, in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen, Cobalt oder geschmolzenes Magnetit mit einem Kalium- oder Rutheniumbeschleuniger ablaufen kann. Die genaue Beschaffenheit der durch die Reaktion gebildeten organischen Verbindungen hängt vom Druck, der Temperatur und dem Katalysator sowie dem Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff ab. Die bei dieser Synthesereaktion abgegebene Wärme kann dazu verwendet werden, zu mindest einen Teil der für die Dampf/Methan-Reformierungsreaktion erforderlichen Wärme zu liefern. Zum Beispiel kann ein Wärmeübertragungsfluid wie Wasser, Helium oder Dowtherm A (eine Marke von Dow Chemical) dazu verwendet werden, die Wärme von einem Reaktor, in dem die Fischer-Tropsch-Synthese abläuft, zu übertragen und mindestens einen der in den Reformierungsreaktor eingeleiteten Gasströme vorzuwärmen.
Beispielsweise wird im Reformierungsschritt ein Beschickungsgas, das hauptsächlich aus Methan mit einem kleinen Prozentsatz (z. B. 10%) Ethan und Propan besteht, auf etwa 400°C erwärmt, mit einem Dampfstrom vermischt, der ebenfalls eine Temperatur von etwa 400°C hat, und dann einem katalytischen Reaktor zugeführt. Beide Ströme können atmosphärischen Druck oder z. B. einen Druck von etwa 100 kPa über dem atmosphärischen Wert haben. Die Ströme sind vorzugsweise so beschaffen, dass das Molverhältnis von Dampf zu Methan zwischen 1 : 1 und 2 : 1 liegt. Der erste Teil des Reaktors ist ein Vorreformer mit einem Nickelmethanierungskatalysator auf 400°C, in dem die höheren Alkane mit dem Dampf reagieren, um Methan (und Kohlenmonoxid) zu bilden. Dieser Vorreformer ist nicht erforderlich, wenn das Beschickungsgas im Wesentlichen keine höheren Alkane enthält. Der zweite Teil des Reaktors ist ein Reformer mit einem Platin/Rhodium-Katalysator, in dem das Methan und Dampf reagieren, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu bilden. Die Reaktion kann bei 850°C durchgeführt werden. Die Wärme für die endothermen Reaktionen kann durch die Verbrennung von Methan über einem Palladium- oder Platinkatalysator mit benachbarten Gasströmungskanälen oder alternativ aus Abgasen aus einer externen Verbrennungseinheit wie einem Brenner mit laminarem Fluss erzeugt werden, wobei die Gase aus dem Brenner gegenläufig zum Gasfluss durch den Reformer strömen. Dadurch können die reagierenden Gase im Reformer eine Endtemperatur von bis zu 1000°C erreichen. Wenn man sich einer katalytischen Verbrennung bedient, kann der Katalysator ein Metallhexaaluminat (wie Magnesiumhexaaluminat) als Substrat umfassen, aber ein bevorzugter Katalysator ist Platin und Palladium (10 Gew.-%) auf γ-Aluminiumoxid. Das Methan/Sauerstoff-Gemisch kann in Stufen entlang dem Reaktor zugeführt werden, um sicherzustellen, dass die Verbrennung über seine ganze Länge erfolgt.
Das aus dem Reformer austretende heiße Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff kann dazu verwendet werden, dem Dampf und dem Beschickungsgas Wärme zuzuführen. Anschließend kann es weiterverarbeitet werden. Zum Bei spiel kann man es komprimieren und einem katalytischen Reaktor zuführen, in dem die Gase reagieren und eine Fischer-Tropsch-Synthese durchlaufen, um eine Reihe von Kohlenwasserstoffverbindungen wie Paraffine herzustellen. Das Gesamtergebnis der Prozesse besteht darin, dass Methan zu Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht umgewandet wird, die typischerweise bei Umgebungstemperaturen flüssig sind. Die erwünschten Kohlenwasserstoffe können daher durch Kühlen von den übrigen Gasen getrennt werden, weil die Flüssigkeiten dann kondensieren. Die Verfahren können an einem Öl- oder Gasbohrloch zum Einsatz kommen, um Methangas zu einem flüssigen Kohlenwasserstoff umzuwandeln, der sich leichter transportieren lässt.
In den Zeichnungen umfasst ein Reaktor 10 (der z. B. zur Dampf/Methan-Reformierung geeignet ist) einen Stapel Platten 12 und 13, die abwechselnd angeordnet sind. Sie bestehen alle aus Fecralloy-Stahl und sind jeweils rechteckig mit einer Länge von 500 mm und einer Breite von 325 mm. Jede Platte 12 und 13 hat eine tafelähnliche Form, wobei der Stahl 150 μm dick und die Peripherie aufgebogen ist, um einen Rand 14 mit einer Höhe von 2 mm zu bilden. Wie insbesondere 2 zeigt, ist der mittlere Bereich jeder Platte 12 und 13 geriffelt; die Riffelung 15 erstreckt sich um 1 mm über und unter die mittlere Ebene. Die Riffelungen 15 in den Platten 13 sind genauso geformt wie die in den Platten 12, aber in entgegengesetzten Phasen angeordnet, so dass die hervorstehenden Teile in einer Platte 12 in Kontakt mit den Vertiefungen in der nächsten Platte 13 stehen. Wie 1 zeigt, definiert jede Platte 12 und 13 vier Öffnungen 16, 17, 18 und 19. Die Röhren 20 mit einer Länge von 2,3 mm werden in die Öffnungen 16 und 19 jeder Platte 13 geschweißt. Identische Röhren 21 werden in die Öffnungen 17 und 18 jeder Platte 12 geschweißt, so dass jede Röhre 20 und 21 um 0,15 mm über den entsprechenden Rand 14 hinausragt.
Der Stapel wird dadurch zusammengebaut, dass man die Platten 12 und 13 abwechselnd aufeinander legt und die obere Kante jedes Rands 14 auf die Peripherie der nächsten Platte schweißt. Wenn jede Platte 13 auf dem Stapel liegt, werden die über die Platte 12 hinausragenden Röhren 21 in die entsprechenden Öffnungen 17 und 18 positioniert und mit der Oberkante an die Platte 13 geschweißt. Ähnlich werden dann, wenn alle Platten 12 auf dem Stapel liegen, die über die Platte 13 hinausragenden Röhren 20 in die entsprechenden Öffnungen 16 und 19 positioniert und mit der Oberkante an die Platte 12 geschweißt. Am Boden des Stapels befindet sich eine Platte (nicht gezeigt), die identisch mit den anderen Platten 12 ist, aber keine Öffnungen hat. Am oberen Ende des Stapels befindet sich eine Platte 13, wobei Ein- und Auslassrohre (nicht gezeigt) an jede der Öffnungen 16, 17, 18 und 19 geschweißt sind.
Somit liegt auf der Hand, dass das obere Ende der Platten 12 und die Unterseite der Platten 13 eine Reihe von Strömungskanälen definieren, die über die Öffnungen 16 und 17 alle miteinander in Kommunikation stehen. Das obere Ende der Platten 13 und die Unterseite der Platten 12 definieren eine getrennte Reihe von Strömungskanälen, die über die Öffnungen 17 und 18 miteinander kommunizieren. Geeignete Katalysatoren werden (vor dem Zusammenbau) je nach der erwünschten chemischen Reaktion in diesem Strömungskanal auf die Riffelungen 15 auf jeder Oberfläche jeder Platte 12 und 13 geschweißt.
Daher wird bei Einsatz zum Dampf/Methan-Reformieren das Dampf/Methan-Gemisch bei atmosphärischem Druck in die Öffnung 19 am oberen Ende des Stapels eingeführt, und das resultierende Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid tritt durch die Öffnung 16 am oberen Ende des Stapels aus, nachdem es entlang der Pfade über den Platten 12 geströmt ist. Das Methan/Luft-Gemisch wird bei atmosphärischem Druck durch die Öffnung 17 am oberen Ende des Stapels zugeführt, so dass Abgas aus dem Verbrennungsprozess durch die Öffnung 18 am oberen Ende des Stapels austritt, nachdem es entlang der Pfade unter den Platten 12 (und daher über den Platten 13) geströmt ist. Daher sind die Gasströme innerhalb des Reaktors gegenläufig, so dass der heißeste Bereich in den Verbrennungskanälen, der sich nahe dem Einlass in diese Kanäle befindet, dem Auslass für die Dampf/Methan-Reformierungsreaktion am nächsten ist. Alternativ können die Strömungspfade auch so angeordnet sein, dass sie gleichstromig sind.
Der auf die Riffelungen 15 in den beiden Gasströmungskanälen abgeschiedene Keramiktyp kann ebenso wie die Katalysatormaterialien unterschiedlich sein. Beispielsweise könnte das Keramikmaterial Aluminiumoxid in einem der Gasströmungskanäle und Zirkoniumdioxid im anderen Gasströmungskanal umfassen. Außerdem kann der Gangabstand oder das Muster der Riffelungen 15 entlang eines Strömungspfades unterschiedlich sein, um die katalytische Aktivität einzustellen und die Steuerung der Temperaturen oder Reaktionsgeschwindigkeiten an unterschiedlichen Punkten im Reaktor 10 zu ermöglichen. Außerdem können Teile der Platten 12 und 13 unterschiedliche Katalysatorbeladungen haben oder keinen Katalysator aufweisen.
Im vorstehend beschriebenen Reaktor 10 ist angegeben, dass die Öffnungen in allen Platten 12 und 13 die gleiche Größe haben. Um die Strömung innerhalb des Stapels besser zu verteilen, kann es aber wünschenswert sein, die Öffnungen (und die entsprechenden Rohre) in einem Teil des Stapels größer als in anderen Teilen des Stapels zu machen. Außerdem können die Öffnungen 16, 17, 18 und 19 innerhalb jeder beliebigen Platte 12 oder 13 unterschiedlich groß sein. Die Rohre 20 und 21 (und die Öffnungen) können auch einen anderen als einen kreisförmigen Querschnitt haben und, ob kreisförmig oder nicht, in die eine oder andere der Platten 12 oder 13 (die durch Verformen in einer Presse gebildet werden) integriert sein, so dass es sich nicht um separate Komponenten handelt, die an die Platten 12 oder 13 geschweißt sind. In einer anderen Abwandlung des Reaktors 10 sind die Platten 12 und 13 ebenfalls aus Fecralloy-Material, aber das Katalysatormaterial wird direkt auf die Oxidschicht des Fecralloys abgeschieden.
In einer weiteren Abwandlung des Reaktors sind alle Platten 12 und 13 flach, aber getrennte Katalysatorträger befinden sich je nach Bedarf in den Gasströmungskanälen. Diese können z. B. geriffelte Folien aus Fecralloy-Stahl mit einer Dicke von beispielsweise 50 μm sein. Die Folien verbessern die Wärmeübertragung und dienen als Träger für den Katalysator sowie als Führungen für den Gasstrom. Speziell in diesem Fall können die Platten 12 und 13 aus einem anderen Material wie rostfreiem Stahl 304 oder 310, Incalloy 800 HAT oder Titan bestehen. Alternativ könnte anstelle dieser geriffelten Folien ein Netz, eine geriffelte Bahn aus gesinterten Metallfasern mit einem relativen Porenvolumen von mehr als 60% zur Verwendung in den Gasströmungskanälen mit Keramik und Katalysator beschichtet werden.
4 zeigt nun eine 3 äquivalente, teilweise aufgebrochene Ansicht von zwei Platten 112 und 113 eines Reaktors 110, der sich insofern vom Reaktor 10 unterscheidet, als die Platten miteinander verbunden sind. In anderer Hinsicht ist der Reaktor 110 der gleiche wie der Reaktor 10. Die Platten 112 und 113 haben Riffelungen 15 entlang ihrer Mittelteile. An jeder Öffnung (wobei nur die Öffnung 17 gezeigt ist) werden die Platten 112 und 113 herunter- oder heraufgedrückt, so dass die beiden Platten an einem Rand 122 und 123 aufeinander ruhen; die Ränder 122 und 123 können zusammengeschweißt sein. Jede Platte 112 und 113 hat eine tafelähnliche Form und eine Dicke von 150 μm. An der Peripherie sind sie aufgebogen, um einen stehenden Rand 14 mit einer Höhe von 2 mm zu bilden. In diesem Fall bildet jede der Platten 112 und 113 jedoch einen schmalen peripheren Flansch 124 unmittelbar unter dem Rand 14 und einen breiteren peripheren Flansch 125 am oberen Ende des Randes 14. Während des Zusammenbaus des aus den Platten 112 und 113 gebildeten Stapels ruht der schmale untere Flansch 124 einer Platte auf dem breiteren oberen Flansch 125 einer bereits im Stapel befindlichen Platte. Dann wird der breitere Flansch 125 um den schmalen Flansch 124 gebogen, um eine gebördelte Verbindung 126 herzustellen. Solche gebördelten Verbindungen 126 sind dort ausreichend, wo die Druckunterscheide zwischen den beiden Gasströmen nicht hoch sind. Die Verbindung zwischen den Rändern 122 und 123 an den Öffnungen (wie der Öffnung 17) kann selbstverständlich auch durch Bördeln hergestellt werden.
Bei einem alternativen Einsatzmodus erfolgt die Verbrennung in einem externen Brenner (wie einem Brenner mit laminarem Fluss). Die sehr heißen Abgase mit etwa 900 oder 1000°C werden anstelle des Methan/Luft-Gemischs durch den Reaktor 10 oder 110 geleitet, und zwar gegenläufig zum Methan/Dampf-Fluss. In diesem Fall ist es nicht notwendig, Katalysator in diesen Kanälen zur Verfügung zu stellen.
In den Heizkanälen des katalytischen Reaktors 10 oder 110 kann dann, wenn die Wärme durch katalytische Verbrennung erzeugt wird, der Verbrennungskatalysator selbst mit einer dünnen porösen inerten Keramikschicht beschichtet sein, um den Kontakt des Gasgemischs mit dem Katalysator zu beschränken und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit insbesondere am Anfang des Kanals zu begrenzen, wenn die maximale Temperatur allmählich erreicht werden soll.
Wie bereits erwähnt, kann man zu Anfang elektrisch erhitzen, indem man einen elektrischen Strom direkt durch die den Reaktor bildenden Platten leitet, um die Temperatur des katalytischen Reaktors auf etwa 400°C zu erhöhen, ehe Gase zugeführt werden, um sicherzustellen, dass es zu einer katalytischen Verbrennung kommt. Dieses elektrische Erhitzen kann auch während des Beriebes eingesetzt werden, um die Reaktortemperatur einzustellen. Elektrisch kann auch in der Nähe des Reaktorauslasses erhitzt werden, um sicherzustellen, dass die die Reformierungsreaktion durchlaufenden Gase eine Temperatur von beispielsweise 900°C erreichen.

Claims

Katalytischer Reaktor, umfassend eine Vielzahl von Metallbahnen, die als Stapel angeordnet sind, um erste Strömungskanäle zwischen benachbarten Bahnen zu definieren, die mit zweiten Strömungskanälen zwischen benachbarten Bahnen abwechseln, um sicherzustellen, dass ein guter Wärmekontakt zwischen den Fluids im ersten und zweiten Strömungskanal besteht, wobei jede dieser Bahnen einen hochstehenden peripheren Rand hat, durch den sie gegen die nächste Bahn im Stapel abgeschlossen ist, und jede Bahn mindestens vier Öffnungen für den Strom von Fluids definiert, sowie röhrenförmige Mittel, um Öffnungen in einer Bahn gegen korrespondierende Öffnungen in der nächsten Bahn des Stapels abzuschließen.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, in dem jede Bahn eine Dicke von nicht mehr als 1 mm aufweist.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, in dem jede Bahn gewellt ist, um den Strom des Fluids entlang dem Strömungskanal zwischen dieser Bahn und der nächsten zu lenken.
Katalytischer Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem ein Katalysator auf mindestens einer Oberfläche jeder Bahn inkorporiert ist.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 4, bei dem der Katalysator in einer Keramikschicht an der Oberfläche der Bahn inkorporiert ist.
Katalytischer Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das röhrenförmige Mittel, das die Öffnungen in aufeinanderfolgenden Bahnen verbindet, in eine oder beide Bahnen integriert ist.
Anlage zur Durchführung der Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs, in der ein katalytischer Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche inkorporiert ist.