DE9320711U1 - Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner - Google Patents

Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

Info

Publication number
DE9320711U1
DE9320711U1 DE9320711U DE9320711U DE9320711U1 DE 9320711 U1 DE9320711 U1 DE 9320711U1 DE 9320711 U DE9320711 U DE 9320711U DE 9320711 U DE9320711 U DE 9320711U DE 9320711 U1 DE9320711 U1 DE 9320711U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
burner
catalyst
reaction
gas
catalytic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE9320711U
Other languages
English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE9320711U priority Critical patent/DE9320711U1/de
Publication of DE9320711U1 publication Critical patent/DE9320711U1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0242—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical
    • B01J8/0257—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical in a cylindrical annular shaped bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
    • B01J8/0446—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical
    • B01J8/0461—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical annular shaped beds
    • B01J8/0465—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical annular shaped beds the beds being concentric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
    • B01J8/0446—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical
    • B01J8/0461—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical annular shaped beds
    • B01J8/0469—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical annular shaped beds the beds being superimposed one above the other
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/02—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00115—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements inside the bed of solid particles
    • B01J2208/00132—Tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00309—Controlling the temperature by indirect heat exchange with two or more reactions in heat exchange with each other, such as an endothermic reaction in heat exchange with an exothermic reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00389—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2208/00415—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements electric resistance heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00477—Controlling the temperature by thermal insulation means
    • B01J2208/00495—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

Fraunhofer-Gesellschaft 93/30455-iSE
zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Leonrodstraße 54
80636 München
Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner
Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor mit integriertem Brenner.
In der chemischen Technik gehören katalytische Reaktionen zu den Grundoperationen der Stoffumwandlung. Abhängig von den jeweils ablaufenden Reaktionen gibt es katalytische Prozesse, bei denen Reaktionswärme frei wird (exotherm), aber auch katalytische Prozesse, bei denen Wärme in die Reaktionszone eingespeist werden muß, damit die Reaktionen ablaufen können (endotherm). Beispiele für exotherme Reaktionen sind Oxidationsreaktionen z.B. CO-Oxidation, während viele Spaltreaktionen z.B. von Erdöl, Erdgas endotherm ablaufen. Die Einbringung der erforderlichen Wärmemengen bei endothermen katalytischen Reaktionen wird heute technisch in unterschiedlicher Weise gelöst, z.B. durch elektrische Heizelemente, durch Gasbrenner, etc. Verfahrenstechnisch und kostenmäßig ist besonders der Einsatz von Brennern, die mit konventionellen Brennstoffen betrieben werden, vorteilhaft. Typischerweise werden die Brenner mit Erdgas oder Heizöl betrieben, in seltenen Fällen auch mit Wasserstoff, falls er z.B. als Nebenprodukt der Chloralkali-Elektrolyse preiswert zur Verfügung steht. Der Einsatz dieser Brenner ist mit bestimmten Nachteilen verbunden, wie relativ hohe Schadstoffemissionen auf Grund der Flammenverbrennung oder nicht optimaler Wärmeübergang zwischen Flamme und Katalysatorzone, bzw. den Reaktanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen schadstoffarmen Reaktor zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dies durch einen chemischen Reaktor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktor zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen, der mit einem extrem schadstoffarmen kataiytischen Brenner beheizt wird und bei dem der Wärmetransport vom katalytischen Brenner zum katalytischen Reaktor optimiert ist.
Katalytische Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe sind bekannt aus den deutschen Patentanmeldungen P 42 04 320.4-13, und P 43 17 554.6. Bezüglich der Einzelheiten wird ausdrücklich auf diese Patentanmeldungen Bezug genommen. Alle diese Brenner basieren auf einem zweistufigen Konzept, wobei die erste Stufe ca. 70% des Brenngases umsetzt, während die 2. Stufe den voiiständsigen Ausbrand durchführt. Der Einsatz dieser Brenner zum Beheizen eines Reaktors für katalytische Reaktionen erfolgt dadurch, daß die Katalysatorschicht der 1. Brennerstufe parallel zu der Schicht bzw. Schüttung der Reaktionskatalysatoren verläuft, wobei beide Katalysatorschichten durch einen Gasspalt und eine gasdichte, gut wärmeleitende Sperrschicht voneinander getrennt sind. Die in der 2. Stufe des Brenners freiwerdende Wärme wird durch einen Abgaswärmetauscher genutzt, in dem z.B. Wasser verdampft werden kann, oder in dem ebenfalls endotherme katalytische Reaktionen stattfinden können, wenn die gegenüber dem Abgasstrom geschlossenen Leitungen mit Katalysator gefüllt und entsprechende Reaktanden hindurchgeführt werden. Für das Funktionieren des Reaktors ist ein zweistufiger Brenner jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Bei dem Reaktor muß es sich nicht um einen solchen für katalytische Reaktionen handeln, es kann auch ein Reaktor für Absorptionsreationen vorgesehen sein, dann wird der Reaktor mit Absorptionsmaterial, z.B. mit Aktivkohle, gefüllt.
In Bild 1 ist das Prinzip allgemein dargestellt an einer Reaktion, bei der Reaktanden zusammen mit Wasserdampf in dem Reaktionskatalysator reagieren. Die gezeigte Anordnung ist radiaisymmetrisch, kann jedoch auch planar aufgebaut sein. Der katalytische Brenner besteht in der 1. Stufe aus einem Spaltbrenner und die aktive Schicht ist auf der Außenfläche des Katalysatorrohres aufgebracht. Das vorgemischte Brennstoff-/Luft-Gemisch wird in dem Ringspalt, gebildet aus Katalysatorrohr und gasdichter Sperrschicht, geführt und verbrennt katalytisch.
Wird anstatt des Spaltbrenners ein Diffusionsbrenner eingesetzt, dann ergeben sich gegenüber Bild 1 einige geringfügige Änderungen, vor allem bei der Brenngasversorgung. Bei dem Diffusionsbrenner ist das Katalysatorrohr porös, der Brennstoff wird unvermischt in das Innere des Katalysatorrohres eingespeist und die erforderliche Verbrennungsluft strömt in den Ringspalt ein. Der weitere Aufbau ist identisch.
Auf der gegenüberliegenden Seite der gasdichten Sperrschicht, die recht dünn (1 mm) und gut wärmeleitend sein kann, ist der Reaktionskataiysator angeordnet. Dabei muß es sich nicht nur um einen Typus von Reaktionskatalysator handeln, sondern es können auch verschiedene Katalysatoren entweder entlang des Gasweges, oder aber auch in radialen Schichten angeordnet werden. Alle üblichen Reaktionskataiysatoren können eingesetzt werden, z.B. beschichtete Pellets, Kugeln, Fasern, Waben, Gewebe, Sinterscheiben etc., wobei als Trägermaterialien z.B. Keramik, Metall, Glas, Polymer etc. in Frage kommen. Die Größe des für den Reaktionskatalysator vorzusehenden Volumens ergibt sich aus der Katalysatoraktivität und dem Wärmebedarf der Reaktion. Zur Verbesserung des Wärmetransportes im Reaktionskatalysator empfiehlt es sich, Katalysatoren mit metallischen Trägern einzusetzen, oder bei keramischen Trägern durch Zusatz bzw. Einbau von gut wärmeleitenden Materialien den Wärmefluß zu erhöhen. Eine einfache Maßnahme stellt z.B. bei keramischen Kugeln die Mischung mit Kupferkugeln dar. Besonders günstig ist es, wenn eine metallische Trägerstruktur, z.B. Sinterkörper oder Metallfilz, direkt auf die äußere Wandung der gasdichten Sperrschicht aufgebracht wird. Durch diese Maßnahme wird ein optimaler Wärmezufluß erzielt.
Der Abgaswärmetauscher nach der 2. Brennerstufe, dem Wabenkataiysator, dient in diesem Beispiel zur Dampferzeugung.
Im weiteren werden einige Beispiele speziell zur Reformierung fossiler Energieträger zur Erzeugung von Wasserstoff dargestellt. Die Reaktionsgleichung zum Beispiel für den Ausgangsstoff Erdgas (Methan) lautet dabei:
CH4 + 2 H2O ■*■ 4 H2 + CO2
Neben Methan reagieren analog auch die höheren Kohlenwasserstoffe, aber auch Alkohole, z.B. Methanol, mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid. Die weiteren Ausführungen beziehen sich daher auf alle Reaktionen organischer Kohlenwasserstoffe mit Wasser zu Wasserstoff und weiteren Produkten.
Die Reaktion kann in zwei wesentliche Teilschritte aufgespalten werden. Zum einen reagiert Methan mit Wasserdampf in einer endothermen Reaktion zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff und in einem zweiten Schritt wird in einer exothermen Wassergasreaktion Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt. Aus beiden Schritten setzt sich die obige Gesamtreaktion zusammen. Bei einigen Ausgangsstoffen werden für die Shiftstufen mehrere unterschiedliche Katalysatoren eingesetzt, in den Ausführungsbeispielen wird vereinfachend immer nur von einem Shift-Katalysator gesprochen.
Beispiel 1
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel (Bild 2) wird der katalytische Spaltreaktor durch eine Heizpatrone auf die zur katalytischen Umsetzung des Brennstoffes (z.B. Methan oder Methanol) nötigen Temperatur erwärmt. Bei Erreichen der Reaktionstemperatur wird der Brennstoff mit der entsprechenden Verbrennungsluftmenge dem Spaltbrenner zugeführt. In der unteren Hälfte des Brenners wird ein Großteil der Verbrennungswärme erzeugt, so daß in diesem Bereich die Wärmeabgabe über Strahlung und Konvektion an den äußeren Tauscherkreis am größten ist.
In diesem Bereich ist im äußeren Hüllrohr zunächst eine Überhitzerzone und daran anschließend der eigentliche Reformierkatalysator eingesetzt. Die Temperaturen können dabei Werte bis zu 800° C erreichen; dieser Wert ist für eine gute Reformierleistung auch beim Einsatz von Erdgas (Methan) ausreichend, im oberen Bereich des Spaltbrenners verringert sich die Leistungsdichte der Verbrennungsreaktion aufgrund der Abreicherung des Brennstoff/Luft-Gemisches. Die Temperaturen in diesem Bereich werden in diesem Ausführungsbeispiel genutzt, um ein ausreichend hohes Temperaturniveau für die Wasseergasreaktion zu erzielen.
Der Spaltbrenner erreicht in seiner ersten Brennerstufe einen Umsatz von 70 - 80%. Der restliche Umsatz wird durch die zweite Brennerstufe, die zum Beispiel aus einem katalytisch aktiven, keramischen Monolithen besteht, erzielt. Diese noch erzeugte Wärmemenge wird in einem Abgaswärmetauscher genutzt, um das Brennstoff/Wasser-Gemisch oder nur flüs
siges Wasser, das für die Reformierung genutzt wird, zu verdampfen. Ein gasförmiger Brennstoff kann auch nach der Verdampfung des Wassers zudosiert werden. Dieses Brennstoff/Wasserdampf-Gemisch wird dann in den unteren Teil des äußeren Hüllrohres eingespeist und der Überhitzerzone zugeführt.
Eine thermische Isolierung nach außen ist unbedingt vorzusehen, um Wärmeverluste zu minimieren. Diese Isolierschicht kann aus mineralischen Materialien bestehen und ist in den Zeichnungen nicht eingetragen.
Beispiel 2
Das zweite Ausführungsbeispiei unterscheidet sich durch die Art der Vorheizung des kataiytischen Spaltbrenners und der Anordnung der für die Reformierung und der Wassergasreaktion notwendigen Katalysatoren.
Die Vorheizung zum Start der katalytischen Verbrennung wird durch einen Flammenbrenner erzeugt, dessen heiße Abgase durch das Innere des Katalysatorrohres geführt werden.
Die Zone, die mit dem Reformierkatalysator gefüllt ist, ist in diesem Beispiel verlängert worden, um ein "Wandern" der Reaktionszone des katalytischen Brenners auszugleichen.
Durch die Anordnung des Shift-Katalysators um den Reformierkataiysator wird der Wärmeverlust in der Reaktionszone vermindert, gleichzeitig kann jedoch die Reaktionswärme der exothermen Shift-Reaktion leichter nach außen abgegeben werden.
Die Verdampfung des für die Reformierung notwendigen Reaktionswassers geschieht durch den schon beschriebenen Abgaswärmetauscher nach der zweiten Brennerstufe. Zur weiteren Verbesserung ist es auch möglich, die Brennstoff/Wasserdampf-Gasführung derart zu gestalten, daß auch die Reaktionswärme der Shift-Reaktion mitgenutzt werden kann. Dies kann zum Beispiel durch ein Auflöten des gasführenden Rohres auf die Außenumwandung des Reaktors geschehen.
In Bild 3 ist auch die prinzipielle Möglichkeit dargestellt, in einem weiteren Abgaswärmetauscher endotherme kataiytische Reaktionen durchzuführen. Die im Bereich der 1. Brennerstufe nur teilweise reformierten Reaktanden durchströmen z.B. eine mit Reformierkatalysator gefüllte Rohrschlange, die von dem Abgasstrom der 2. Stufe umströmt wird. Dadurch kann ein vollständiger Umsatz erzielt werden. Die heißen Reformiergase durchströmen anschließend in den Shift-Katalysator. Vor Verlassen des Reaktors geben die reformierten Gase ihre Wärmeenthalpie im Gegenstrom an das einströmende Methan-Wasserdampf-Gemisch ab.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine thermische Isolierung nach außen unbedingt vorzusehen, um Wärmeverluste zu minimieren.
&iacgr;&ogr;:.
Figuren und Bezugszeichenliste:
Bild 1 Allgemeine Darstellung der Ankopplung eines endothermen Prozesses an einen
katalytisch arbeitenden Brenner
Bild 2 Beispiel 1 eines Reformers mit Katalytischem Brenner
Bild 3 Beispiel 2 Reformer mit Katalytischer Verbrennung
1 Reaktionskatalysator
1 a Reformierter Katalysator
2 Katalysatorrohr des Brenners
3 Katalysatorschicht des Brenners
4 Ringspalt
5 Wabenkatalysator
6 Abgaswärmetauscher
7 Überhitzungszone
8 Heizpatrone
9 zweiter Reformer
10 Shift-Kataiysator
11 Brennerblech
12 Stützhülse für das Katalysatorrohr
13 gasdichte Sperrschicht
14 Gaszuführung für den Vorheizbrenner

Claims (4)

Fraunhofer-Gesellschaft 92/30455-ISE zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Leonrodstraße 54 80636 München Schutzansprüche
1. Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner, d adurch gekennzeichnet,
daß der Brenner ein katalytischer Brenner ist, die Kataiysatorschicht (3) des Brenners parallel zur Begrenzung des Reaktionskatalysators (1) verläuft, Kataiysatorschicht und Begrenzung und/oder Schüttung durch einen Gasspalt (4) getrennt sind, der den katalytischen Brennraum bildet.
2. Chemischer Reaktor nach Anspruch 1, d adurch gekennzeichnet,
daß der Brenner ein zweistufiger katalytischer Brenner ist.
3. Chemischer Reaktor nach den Ansprüchen 1 - 2, d adurch gekennzeichnet,
daß die Begrenzung des Reaktors aus einer gasdichten gut wärmeleitenden Schicht (13) besteht, z.B. aus Metall, z.B. Aluminium oder Stahl, oder aus Siliciumcarbid.
4. Chemischer Reaktor nach Anspruch 3, d adurch gekennzeichnet,
daß die gasdichte Schicht (13) des Reaktors mit den Trägern für das Kataysator- oder Absorptionsmaterial in gut wärmeieitendem Kontakt ausgebildet ist.
DE9320711U 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner Expired - Lifetime DE9320711U1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE9320711U DE9320711U1 (de) 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE9320711U DE9320711U1 (de) 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner
DE4324376 1993-07-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE9320711U1 true DE9320711U1 (de) 1995-01-19

Family

ID=25927869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE9320711U Expired - Lifetime DE9320711U1 (de) 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE9320711U1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19960093A1 (de) * 1999-12-14 2001-07-05 Bosch Gmbh Robert Gasbrenner und Verfahren zum flammenlosen Verbrennen eines Gas-Luft-Gemisches
WO2001064327A1 (en) * 2000-03-01 2001-09-07 Geoffrey Gerald Weedon Endothermic reaction process and an apparatus therefor
EP1167282A1 (de) * 1999-12-28 2002-01-02 Daikin Industries, Ltd. Modifizierende vorrichtung
EP1486456A1 (de) * 2002-03-15 2004-12-15 Matsushita Electric Works, Ltd. Reformiervorrichtung und betriebsverfahren dafür
DE102005017192A1 (de) * 2005-04-13 2006-10-19 Forschungszentrum Jülich GmbH Vorrichtung sowie Verfahren zur Messung der stabilen Isotopenverhältnisse von Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff aus anorganischen und organischen Verbindungen sowie die Bestimmung der quantitativen elementaren Zusammensetzung der Verbindungen
GR1006128B (el) * 2007-05-25 2008-11-03 . Υψηλα θερμικα ολοκληρωμενος αναμορφωτης για παραγωγη υδρογονου
WO2011023177A1 (de) 2009-08-28 2011-03-03 Bekon Energy Technologies Gmbh & Co. Kg Verfahren zum betreiben eines reaktormodul für endotherme reaktionen sowie reaktor mit einer mehrzahl von solchen reaktormodulen
ITVR20120098A1 (it) * 2012-05-18 2013-11-19 I C I Caldaie S P A Reattore chimico

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19960093A1 (de) * 1999-12-14 2001-07-05 Bosch Gmbh Robert Gasbrenner und Verfahren zum flammenlosen Verbrennen eines Gas-Luft-Gemisches
EP1167282A1 (de) * 1999-12-28 2002-01-02 Daikin Industries, Ltd. Modifizierende vorrichtung
EP1167282A4 (de) * 1999-12-28 2005-04-13 Daikin Ind Ltd Modifizierende vorrichtung
US7279019B2 (en) 2000-03-01 2007-10-09 Weedon Geoffrey G Endothermic reaction process and an apparatus therefor
WO2001064327A1 (en) * 2000-03-01 2001-09-07 Geoffrey Gerald Weedon Endothermic reaction process and an apparatus therefor
EP1486456A1 (de) * 2002-03-15 2004-12-15 Matsushita Electric Works, Ltd. Reformiervorrichtung und betriebsverfahren dafür
EP1486456A4 (de) * 2002-03-15 2006-07-12 Matsushita Electric Works Ltd Reformiervorrichtung und betriebsverfahren dafür
US7156886B2 (en) 2002-03-15 2007-01-02 Matsushita Electric Works, Ltd. Reforming apparatus
DE102005017192A1 (de) * 2005-04-13 2006-10-19 Forschungszentrum Jülich GmbH Vorrichtung sowie Verfahren zur Messung der stabilen Isotopenverhältnisse von Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff aus anorganischen und organischen Verbindungen sowie die Bestimmung der quantitativen elementaren Zusammensetzung der Verbindungen
DE102005017192B4 (de) * 2005-04-13 2013-11-14 Forschungszentrum Jülich GmbH Vorrichtung sowie Verfahren zur Messung der stabilen Isotopenverhältnisse von Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff aus anorganischen und organischen Verbindungen sowie zur Bestimmung der quantitativen elementaren Zusammensetzung der Verbindungen
GR1006128B (el) * 2007-05-25 2008-11-03 . Υψηλα θερμικα ολοκληρωμενος αναμορφωτης για παραγωγη υδρογονου
WO2008146052A1 (en) * 2007-05-25 2008-12-04 Helbio S.A. Hydrogen And Energy Production Systems Highly heat integrated reformer for hydrogen production
WO2011023177A1 (de) 2009-08-28 2011-03-03 Bekon Energy Technologies Gmbh & Co. Kg Verfahren zum betreiben eines reaktormodul für endotherme reaktionen sowie reaktor mit einer mehrzahl von solchen reaktormodulen
DE102009039276A1 (de) * 2009-08-28 2011-03-10 Bekon Energy Technologies Gmbh & Co. Kg Reaktormodul für endotherme Reaktionen sowie Reaktor mit einer Mehrzahl von solchen Reaktormodulen
ITVR20120098A1 (it) * 2012-05-18 2013-11-19 I C I Caldaie S P A Reattore chimico

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69309862T2 (de) Kombinierter Reformer und Shift Reaktor
DE69222777T2 (de) NOx-ARME VERBRENNUNG, GESTEUERT DURCH NOx-ARME PILOTBRENNER
DE60222123T2 (de) Zylinderförmige wasserdampfreformierungseinheit
DE69913429T2 (de) Synthesegasreaktor mit keramischer Membran
EP0991587B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur autothermen reformierung von kohlenwasserstoffen
US7794862B2 (en) Pyrolysis-based fuel processing method and apparatus
US4054407A (en) Method of combusting nitrogen-containing fuels
DE19720294C1 (de) Reformierungsreaktor und Betriebsverfahren hierfür
US7976594B2 (en) Method and system for vaporization of liquid fuels
EP1835990B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum bereitstellen eines homogenen gemisches aus brennstoff und oxidationsmittel
DE3912003A1 (de) Reaktor zum reformieren von kohlenwasserstoff und verfahren zum reformieren von kohlenwasserstoff
DE10338240A1 (de) Kompakter Partialoxidations-/Wasserdampfreaktor mit integriertem Luftvorheizer und Brennstoff- und Wasserstoffverdampfer
DE102012100468A1 (de) Brennkammer für die emissionsarme Verbrennung von mehreren vorgemischten reformierten Brennstoffen und verwandtes Verfahren
DE1964810B2 (de) Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff
JPS61247601A (ja) 炭化水素燃料処理装置
EP0814054B1 (de) Reformierungsreaktor, insbesondere zur Wasserdampfreformierung von Methanol
DE9320711U1 (de) Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner
DE102008039014A1 (de) Mehrstufige Reaktorkaskade zur rußfreien Herstellung von Systhesegas
DE69622361T2 (de) Katalytisches Verbrennungssystem mit gestufter Kraftstoffeinspritzung
DE2303586B2 (de) Gasturbinenanlage mit vollstaendiger kontinuierlicher verbrennung des ihr zugefuehrten brennstoffs
EP1941008B1 (de) Dampfreformierungseinheit
US8790114B2 (en) Byproduct compound retention device for fuel rich start-up combustor
EP0514739B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Minderung der NOx-emission
DE10010069A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Gaserzeugungsvorrichtung bzw. eines Brennstoffzellensystems, Gaserzeugungsvorrichtung und Brennstoffzellensystem
DE19921420A1 (de) Primärreformer zum Einsatz bei der Methanol- oder Ammoniakgewinnung