EP4594006A1 - Reaktor wärmeübertrager-einheit - Google Patents

Reaktor wärmeübertrager-einheit

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EP4594006A1
EP4594006A1 EP23801760.2A EP23801760A EP4594006A1 EP 4594006 A1 EP4594006 A1 EP 4594006A1 EP 23801760 A EP23801760 A EP 23801760A EP 4594006 A1 EP4594006 A1 EP 4594006A1
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EP
European Patent Office
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heat
channels
reactor
flow
flows
Prior art date
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Pending
Application number
EP23801760.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Krusch
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a design of a ceramic reactor heat exchanger unit, in particular for hydrogen (H 2 ) production.
  • reactors In many areas of chemical process engineering, reactors, catalysts, heat exchangers and evaporators are used to split or synthesize substances.
  • hydrocarbons are broken down into methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide in a pre-reformer using steam at a temperature of 723K - 773K and a pressure of 2.5 MPa - 3MPa.
  • methane and steam are converted into carbon monoxide and hydrogen in a reformer at a temperature of 1073K - 1173K and a pressure of 2.5 MPa - 3MPa using a nickel catalyst.
  • ammonia cracking ammonia is evaporated, heated and split into hydrogen and nitrogen in a reactor (cracker) at a temperature of 1193K and a pressure of > 0.1 MPa, preferably over a nickel catalyst.
  • a particular challenge to the corrosion resistance of the reactor materials used is the corrosion attack by the starting media (hydrocarbons, water vapor, ammonia) and by the reaction products (hydrogen, carbon, nitrogen).
  • heating by a burner results in the additional requirement of resistance to oxidizing atmospheres.
  • Plants for ammonia splitting currently only exist in the capacity range ⁇ 100 kg H 2 /h and are constructed similarly to steam reformers.
  • Metal-based plant concepts for steam reforming are generally operated with beds of mostly extruded ceramic profiles (pellets) that are coated or vapor-coated with the catalyst material. Due to the flow through such randomly arranged catalyst beds, the catalysts exhibit significant flow resistances or pressure losses due to the (design-intentioned) turbulence.
  • pellets extruded ceramic profiles
  • the pellet beds are usually housed in externally heated tubes or in double tubes heated from the inside. These designs have an unfavorable ratio of the inner reactor surface to the outer shell surface. The heat transfer from the heated tube to the pellet bed to maintain the endothermic fission reaction is impaired due to the small contact area inherent in the system.
  • Figure 1 is a plan view of a reactor
  • FIG. 3 shows a division of the reactor into its
  • Figure 9 is a 2D top view of channels.
  • the aim or main requirement is to achieve an adapted heat transfer performance with the highest possible efficiency and the lowest possible flow resistance or pressure loss.
  • a high level of efficiency is promoted by a high thermal conductivity of the reactor material and a large internal heat exchanger surface (heat transfer) with the smallest possible external surface (heat loss through radiation and convection) as well as the requirement for the lowest possible heat loss through the escaping reaction products.
  • a 3D-printed ceramic reactor heat exchanger unit is proposed.
  • the development progress of 3D printing with ceramic materials makes it possible to exploit their advantageous properties, especially under high high operating temperatures and under the influence of corrosive atmospheres for components with specific geometric degrees of freedom.
  • 3D printing offers process-specific geometric degrees of freedom that cannot be achieved using conventional manufacturing processes.
  • 3D printing appears to be particularly advantageous for the production of a reactor/heat exchanger structure consisting of many flow channels. This makes it possible to create large internal reactor surfaces, e.g. with round (as in a tube bundle heat exchanger) or rectangular (as in a plate heat exchanger) flow cross-sections.
  • the defined flow guidance results in low flow resistance and low pressure loss.
  • turbulators can be implemented within the flow channels during the manufacturing process.
  • the manufacturing process offers the possibility of producing the reactor, i.e. the material flows, and the upstream heat exchanger, i.e. the heat flows, as an integrated unit.
  • One of the main advantages of such a design is in particular a favorable ratio of the inner reactor and heat exchanger surface to the outer shell surface.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a reactor 1.
  • the reactor 1 has an axial direction 2.
  • the reactor 1 has an outermost shell 13, in particular in the form of a tube.
  • the reactor 1 and thus the outermost shell 13 preferably have a cylindrical shape.
  • the largest part of the reactor 1 is formed by the fan-shaped flow channels 20 within the outermost shell 13, which are shown in more detail in Figure 2.
  • the flow channels 20 extend in the axial direction 2 .
  • Figure 2 shows a partial cross-section (perpendicular to the axial direction 2 ) of Figure 1 and shows very schematically The operating principle of a reactor 1 with integrated heat transfer is shown.
  • flow channels 20 Shown are flow channels 20 : 20W, 20P, ..., which also extend in the radial direction 3 .
  • the flow channels 20 are preferably arranged next to one another in a fan shape, here around an inner discharge pipe 7.
  • a heat channel 20W transports heat in the axial direction 2 into the interior of the reactor 1 .
  • the concept is based on a reactor 1 with radially arranged flow channels 20, which are plate-shaped or wedge-shaped.
  • the flow channels 20 carrying heat and product flow are preferably arranged alternately.
  • the reactor 1 is divided into a reactor section 30 in the middle and two heat transfer sections 33, 36 to the left and right of the reactor section 30, i.e. at both ends ( Figure 3).
  • the heat transfer sections 33, 36 are preferably of equal length.
  • the ratio of the size ( length ) of the reactor section 30 compared to one or more heat transfer sections 33 , 36 depends on the thermal design .
  • Figure 4 shows the flow pattern of a heat channel 20W carrying heat flux.
  • the reactor 1 has an inner feed pipe 4 and inner discharge pipes 7 : 7 ' , 7 '' surrounding the inner feed pipe 4 .
  • the inner feed pipe 4 preferably extends in the axial direction 2 and preferably over the entire length of the reactor. tors 1.
  • the inner supply pipe 4 is preferably arranged centrally with respect to the cross-section of all channels 20.
  • the inner discharge pipes 7', 7'' extend only along the respective heat transfer sections 33 (discharge pipe 7''), 36 (discharge pipe 7').
  • the tubes 4, 7 are preferably cylindrical. In a one-piece form of the reactor 1, in particular when the reactor 1 is printed, the tubes 4, 7 are formed in one piece with the other structures of the reactor 1 and as such are no longer separately recognizable, but only in their function.
  • the flow channels 20: 20W, 20P fulfil two tasks:
  • the inner feed pipe 4 and thus the inner feed channel 5 is therefore preferably continuous over the length of the reactor 1.
  • the inner feed channel 5 can preferably also have an inner partition wall 14 in the middle of the reactor section 30 in order to better redirect the heat flows 41, 42.
  • the inner discharge pipes 7', 7'' and thus the inner discharge channels 8', 8'' each extend only over the length of the heat transfer sections 33, 36.
  • the reactor section 30 can optionally be divided again into two parts or halves, each of which is separately supplied with the heat flows 41 and 42 from the inner feed pipe 4. This can preferably be ensured by an outer partition wall 12 in the reactor section 30 in the heat channel 20W, which extends as an inner partition wall 14, if necessary also in the inner feed pipe 4.
  • heat channels 20W for the heat flows 41, 42 extend preferably in a fan shape in the radial direction 3 in the circumferential direction around the inner supply channel 5.
  • the supplied heat flows 41, 42 run in the axial direction 2 in the inner feed pipe 4 from the outside to the inside as far as the reactor section 30 ( Figure 3) and are introduced for the first time into the flow channels 20W in the radial direction 3 in the reactor section 30 ( Figure 4).
  • opening(s) or slots are provided in the inner feed pipe 4 in the reactor section 30 such that the heat flow 41, 42 from the inner feed pipe 4 can only flow into the respective heat channels 20W in the reactor section 30.
  • the heat channels 20W are surrounded by an outer shell 10.
  • the purpose of this guidance of the incoming heat flows 41, 42 is to heat the reactor section 30 and, after flowing through, to use the residual heat for the preheating (Fig. 5, 6) of the material flows 53, 63.
  • channel walls 11: 11', 11'' are preferably present for the heat flow, which are arranged in radial Direction 3.
  • the channel walls 11 are present between the reactor section 30 and the respective heat transfer sections 33, 36 or at the axial height of the end of the inner discharge pipes 7. With the channel walls 11', 11'', which do not extend to the outer shell 10, gaps 6: 6', 6'' result between the reactor section 30 and the heat transfer sections 33, 36.
  • the heat flow 41, 42 flows from the inner supply channel 5 into the heat channels 20W in the reactor section 30, first only in the radial direction 3 outwards and then through the gaps 6', 6'' back in the radial direction 3 inwards into the respective heat transfer section 33, 36.
  • the outgoing heat flow 44, 46 flows back outwards in the axial direction 2 in the inner discharge channels 8', 8''.
  • the heat for the heat flow 41, 42 is supplied from both end faces of the reactor 1 in the directions (parallel to the axial direction 2) of the reactor 1.
  • Figure 5 shows the flow pattern of the material stream 53 in a product channel 20P, which runs in an axial direction 2.
  • the material flow 53 here preferably the ammonia, is first introduced into the heat transfer section 36 through a feed channel 16' on one side, then flows through both the reactor 30 and the subsequent heat transfer section 33 and exits on the other side through the discharge channel 16 '' as product stream 54 , here preferably nitrogen and hydrogen .
  • the cold starting product preferably cold ammonia
  • the cold starting product is fed into the preferably outer ring channel 16', wherein the ammonia is heated in the heat transfer section 36 and then reacts in the reactor section 30 and is split here preferably into the products hydrogen and nitrogen.
  • the reactor 1 is surrounded on the outside by the completely closed outermost shell 13 .
  • the outer shell 10 has openings or slots in the region of the heat transfer sections 36 through which the material flow 53, in particular the ammonia, can flow into the product channels 20P in the region of the heat transfer section 36, here in Figure 5 into a product channel 20P.
  • the hot reaction products then flow further after the reaction section 30 as product stream 54 and then release their heat in the following and further heat transfer section 33.
  • the product channel 20P carrying the product stream 54 with the reaction products opens into the outer discharge channel 16 '' through which the product stream 54 flows out of the reactor 1 .
  • the product stream 54 then flows again through openings or slots in the outer shell 10 in the region of the heat transfer section 33 into the outer discharge channel 16 '' on the other end face and flows out of this end face of the reactor 1 as product stream 54.
  • Figure 6 shows the flow path of the material flow 63 in direction 42 .
  • a material stream 63 is introduced into the heat exchanger 33 at the outlet side of product stream 54 through an external feed channel 16, flows through the reactor 30 and the heat exchanger carrier 36 and exits on the other side through a channel.
  • cold ammonia is also supplied as a material stream 63, which is heated in the other heat transfer section 33, i.e., among other things, by the warm product stream 54 mentioned in Fig. 5, and is then split into hydrogen and nitrogen in the reactor section 30.
  • a material flow 53, 63 is thus guided in both axial directions through the reactor heat exchanger sections, in the direction of the heat flow 41 and opposite thereto or in the direction of the heat flow 42 and opposite thereto.
  • the hot reaction products then give off their heat in the heat transfer sections 33, 36 to the other material streams 53, 63 and flow out on the other end as product stream 54, 64.
  • the heat transfer performance is influenced by adjusting the structural length of the heat exchanger. From a design perspective, the length of the heat exchanger must be designed in such a way that the thermally induced stresses resulting from the temperature difference between the incoming "cold” process gas and the outgoing "hot” reaction products as well as the residual heat from the reactor do not exceed the strength limit of the ceramic material. In addition, the heat exchanger surface must be dimensioned in such a way that the outgoing reaction gases have the temperature level required for a potential post-treatment step (filter stage).
  • Figure 7 shows a section and plan view along the line VI I-VI I in Figures 4 , 5 .
  • a heat flow 46 is guided through the heat transfer section 33 via a heat channel 20W after it has passed through the reactor section 30 and has been cooled there.
  • the flow is guided in such a way that the heat flow 42 introduced axially through the inner supply pipe 4 is directed inside the reactor section 30.
  • the heat channels 20W in the reactor section 30 are spatially connected radially outward with the two heat transfer sections 33, 36, the heat flow is first guided radially outward and then against the (axial) inflow direction into the heat transfer section 33.
  • the product channels 20P carrying material flow 63 and material flow 54 are the product channels 20P carrying material flow 63 and material flow 54.
  • the product flow 54 flows axially through the reactor section 30 as material flow 53.
  • the material flows 53, 63 are each introduced into the front of the heat exchanger via the outer ring channels, the supply channels 16', 16''.
  • the preheated material streams 53, 63 then flow through the reactor section 30, in which the heat required for the endothermic reaction is supplied and the decomposition reaction takes place on the catalytically coated surface of the reactor.
  • Figure 8 shows a section along the line VIII-VIII in Figures 4, 5.
  • the heat flow 41 flows, which then flows into the reactor section 30 in the heat channel 20W.
  • Material stream 53 used this residual heat, among other things, to preheat itself.
  • the substance then flows through the reaction section 30.
  • Figure 9 shows a two-dimensional view of the flow channels 20. Shown in the middle is a product channel 20P in which the material stream 53 flows from right to left. The starting materials in this product channel 20P are initially still "cold", i.e. they have a low temperature T c .
  • the material flow 53 is preheated by the cooled outgoing heat flow 44 in the adjacent heat flow channel 20W.
  • the material stream 53 is brought to reaction temperature T H by the hot heat stream 44.
  • the product stream 54 After the reactor section 30, the product stream 54 then cools down and has a lower temperature T w , since no further active heating takes place. However, this lower temperature T w is already sufficient to preheat the "cold", counter-flowing product stream 63 in the adjacent product channel 20P, which flows in the direction of the reaction section 30 .
  • the claim includes not only the plate-shaped geometries shown but also non-planar geometries, in particular wave-shaped flow channels and the integration of turbulators.
  • Silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC) is the preferred material base.
  • Other oxide and non-oxide ceramic materials that can be produced gas-tight using 3D printing are also possible.
  • the material In addition to the essential property of processability through a 3D printing process, the material must meet a number of requirements with regard to its mechanical, thermal and chemical properties.
  • nickel (Ni) is a preferred and economically viable catalyst material for the production of hydrogen ( H2 ) by splitting, for example, ammonia ( NH3 ), the ceramic material should be coatable or wettable with nickel.
  • ammonia splitting requires a high corrosion resistance against the medium to be converted, ammonia, and against the reaction products, in particular against hydrogen and nitrogen, in the temperature range of 573K - 1223K and pressures of 0.1 MPa to 50 MPa.
  • the ceramic material In order to ensure a material separation of the heat and material flows, the ceramic material must be able to be manufactured in a gas-tight manner.
  • Silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC) preferably meets the above requirements. If other oxide or non-oxide ceramic materials can be produced gas-tight using 3D printing in the future, they represent a potential alternative material.
  • Plants for ammonia splitting currently only exist in the capacity range ⁇ 100 kg H 2 /h and, as far as is known, are constructed similarly to steam reformers.
  • Ceramic 3D printing makes it possible to use the advantageous properties of ceramics, especially at high operating temperatures and under the influence of corrosive atmospheres, for components with specific geometric degrees of freedom.
  • initial test results indicate a high level of corrosion of the metallic reactor materials, caused by the hydrogen and nitrogen atmosphere.
  • the use of corrosion- and high-temperature-resistant ceramic materials offers the potential for significant increases in component service life.
  • the main advantages of the proposed design are a high level of efficiency through the integration of heat exchanger and reactor and through the reduction of heat losses due to the small external surface, a high power density or high heat transfer per component volume, a low pressure loss due to defined flow guidance, a rapid heating behavior due to an integrated, compact design and reduced thermal losses and thus a short switch-on delay (enables use in cyclically operated systems), a low weight when using SiSiC (enables use for non-stationary applications), a high corrosion resistance against a variety of media, in particular against the influence of water vapor, ammonia, hydrogen and nitrogen and the possibility of a modular concept with which scaling for a wide range of performance can be realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Reaktor (1) aufweisend: fächerförmig angeordnete Kanäle (20, 20P, 20W), die in radialer Umfangsrichtung zueinander benachbart sind und die sich in einer Axialrichtung (2) erstrecken und durchströmbar sind, wobei der Reaktor (1) in Axialrichtung (2) aufgeteilt ist in einen mittleren Reaktionsabschnitt (30) und zwei äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36), wobei in dem Reaktionsabschnitt (30) eine Reaktion von Produkten des Stoffstroms (53, 63) stattfinden kann, wobei die Kanäle (20, 20W, 20P) als Produktkanäle (20P) entweder für Stoffströme (53, 63) oder für Wärmekanäle (20W) für Wärmeströme (41, 42) verwendet werden, wobei die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen (20W) die notwendige Energie (TH) für eine Reaktion von Ausgangsprodukten im Stoffstrom (53, 63) in dem Produktkanal (20P) in dem Reaktionsabschnitt (30) liefern können.

Description

Reaktor-Wärmeübertrager-Einheit
Die Erfindung betrifft ein Design einer keramischen Reaktor- Wärmeübertrager-Einheit, insbesondere für eine Wasserstoff (H2) -Erzeugung.
In vielen Bereichen der chemischen Prozesstechnik kommen Reaktoren, Katalysatoren, Wärmeübertrager und Verdampfer zum Einsatz, um Stoffe zu spalten oder zu synthetisieren.
Das Grundprinzip solcher Anlagen basiert auf der räumlichen Trennung von Stoffströmen und die Übertragung von Wärmeenergie durch die Reaktorstruktur. Häufig sind zur Aktivierung dieser Prozesse hohe Temperaturen, ggf. erhöhte Drücke und die Anwesenheit eines Katalysators erforderlich.
Zwei Beispiele für solchen chemischen Prozesse sind die Dampf reformierung und die Ammoniakaufspaltung zur Herstellung von Wasserstoff (H2) aus Kohlenwasserstoffen wie z. B. Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) .
Bei der Dampf reformierung (Steam Reforming) werden Kohlenwasserstoffe in einem Pre-Reformer mit Wasserdampf bei einer Temperatur von 723K - 773K und einem Druck von 2,5 MPa - 3MPa zu Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgespalten. In einem zweiten Schritt werden Methan und Wasserdampf in einem Reformer bei einer Temperatur von 1073K - 1173K und einem Druck von 2,5 MPa - 3MPa an einem Nickel- Katalysator zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt.
Bei der Ammoniak Spaltung (Ammonia Cracking) wird Ammoniak verdampft, erhitzt und in einem Reaktor (Cracker) bei einer Temperatur von 1193K und einem Druck von > 0. IMPa vorzugsweise an einem Nickel-Katalysator zu Wasserstoff und Stickstoff auf gespalten .
Für diese beiden endothermen Prozesse ist jeweils Wärmeenergie durch elektrische Beheizung oder einen integrierten Brenner zuzuführen. Bei beiden Beispielen handelt sich um Hoch- temperaturprozesse , bei denen der Wirkungsgrad von den Wärmeverlusten bzw . dem Wärmemanagement abhängt .
Eine besondere Heraus forderung stellt der Korrosionsangri f f durch die Ausgangsmedien (Kohlenwasserstof fe , Wasserdampf , Ammoniak) und durch die Reaktionsprodukte (Wasserstof f , Kohlenstof f , Stickstof f ) an die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Reaktorwerkstof fe .
Sofern der Wärmeeintrag nicht durch elektrische Behei zung erfolgt , ergibt sich durch eine Behei zung durch einen Brenner die zusätzliche Anforderung der Beständigkeit gegen oxidierende Atmosphäre .
Anlagen zur Ammoniak-Spaltung existieren derzeit nur im Leistungsbereich < 100kg H2/h und sind ähnlich aufgebaut wie Dampf reformierer .
Metallbasierte Anlagenkonzepte zur Dampf reformierung werden in der Regel mit Schüttungen meistens stranggepresster keramischer Profile ( Pellets ) , die mit dem Katalysatorwerkstof f beschichtet oder bedampft werden, betrieben . Aufgrund der Strömungs führung durch solche zufällig angeordneten Katalysatorschüttungen weisen die Katalysatoren aufgrund der ( konstruktiv gewollten) Verwirbelungen signi fikante Strömungswiderstände bzw . Druckverluste auf .
Die Pellet-Schüttungen werden in der Regel in von außen behei zten Rohren oder von innen behei zten Doppelrohren untergebracht . Diese Bauformen weisen ein ungünstiges Verhältnis der inneren Reaktoroberfläche zur äußeren Mantel fläche auf . Der Wärmeübergang vom behei zten Rohr auf die Pellet-Schüttung zur Aufrechterhaltung der endothermen Spaltreaktion wird aufgrund der systembedingt kleinen Kontakt fläche beeinträchtigt .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor mit verbesserter Wärmeübertragung gemäß Anspruch 1 . In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen .
Es zeigen
Figur 1 eine Aufsicht auf einen Reaktor,
Figur 2 Strömungskanäle eines Reaktors ,
Figur 3 eine Aufteilung des Reaktors in seine
Funkt ions ab schnitte ,
Figur 4 Strömungsverlauf eines Wärmestrom führenden Kanals Figur 5 , 6 Strömungsverläufe des Stof fstroms
Figur 7 , 8 Anordnung der Wärmestrom und Stof fstrom führenden Kanäle ,
Figur 9 eine 2D Aufsicht auf Kanäle .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Aus führungsbeispiele der Erfindung dar .
Das Ziel bzw . die Hauptanforderung besteht darin, eine angepasste Wärmeübertragungsleistung mit möglichst hohem Wirkungsgrad und möglichst geringem Strömungswiderstand bzw . Druckverlust zu erzielen .
Konstruktiv und prozesstechnisch ergeben sich weitere wesentliche Anforderungen an die Gestalt und Beschaf fenheit eines Reaktors . Ein hoher Wirkungsgrad wird begünstigt durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Reaktorwerkstof fs und eine große innere Wärmeübertrager-Oberfläche (Wärmeübertragung) bei möglichst geringer äußerer Oberfläche (Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion) sowie der Forderung nach möglichst geringen Wärmeverlusten durch die ausströmenden Reaktionsprodukte .
Es wird eine insbesondere 3D-gedruckte keramische Reaktor- Wärmeübertrager-Einheit vorgeschlagen . Der Entwicklungs fortschritt des 3D-Drucks mit keramischen Werkstof fen ermöglicht es , deren vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere unter ho- hen Einsat ztemperaturen und unter dem Einfluss korrosiver Atmosphären für Bauteile mit spezi fischen Geometriefreiheitsgraden zu nutzen . Der 3D-Druck bietet verfahrensspezi fische Geometriefreiheitsgrade , die durch konventionelle Fertigungsverfahren nicht darstellbar sind . Insbesondere für die Herstellung einer aus vielen Strömungskanälen bestehenden Reak- tor-/Wärmeübertrager-Struktur erscheint der 3D-Druck vorteilhaft . Damit sind große innere Reaktoroberflächen, z . B . mit runden (wie bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager ) oder rechteckigen (wie bei einem Platten-Wärmeübertrager ) Strömungsquerschnitten realisierbar . Durch die definierte Strömungsführung ergibt sich ein geringer Strömungswiderstand bzw . ein geringer Druckverlust .
Zur Erhöhung der Wärmeübergänge können Turbulatoren innerhalb der Strömungskanäle im Herstellungsprozess realisiert werden .
Das Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit , Reaktor, also die Stof fströme , und vorgeschalteten Wärmeübertrager, also die Wärmeströme , als integrierte Einheit herzustellen . Einer der Hauptvorteile einer solchen Bauform ist insbesondere ein günstiges Verhältnis der inneren Reaktor- und Wärmeübertrager-Oberfläche zur äußeren Mantel fläche .
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Reaktor 1 . Der Reaktor 1 weist eine Axialrichtung 2 auf . Der Reaktor 1 weist eine äußerste Hülle 13 , insbesondere in Form eines Rohres , auf .
Der Reaktor 1 und damit die äußerste Hülle 13 weisen vorzugsweise eine zylindrische Form auf .
Andere Formen, insbesondere längliche Formen, sind denkbar .
Den größten Teil des Reaktors 1 bilden die fächerförmig angeordneten Strömungskanäle 20 innerhalb der äußersten Hülle 13 , die in Figur 2 näher dargestellt sind .
Die Strömungskanäle 20 erstrecken sich in Axialrichtung 2 . Figur 2 stellt einen ausschnittsweisen Querschnitt ( senkrecht zur Axialrichtung 2 ) der Figur 1 dar und zeigt sehr schema- tisch das Wirkungsprinzip eines Reaktors 1 mit integrierter Wärmeübertragung .
Dargestellt sind Strömungskanäle 20 : 20W, 20P, ..., die sich auch in radialer Richtung 3 erstrecken .
Die Strömungskanäle 20 sind vorzugsweise nebeneinander fächerförmig angeordnet , hier um ein inneres Abfuhrrohr 7 .
Ein Wärmekanal 20W transportiert Wärme in Axialrichtung 2 in das Innere des Reaktors 1 .
Diese Wärme wird von den Ausgangsprodukten im Produktkanal 20P auf genommen . Ebenso wird Wärme von den Endprodukten abgegeben .
Das Konzept basiert auf einen Reaktor 1 mit radial angeordneten Strömungskanälen 20 , die plattenförmig oder keil förmig ausgebildet sind .
Die Wärme- und Produktstrom führenden Strömungskanäle 20 sind vorzugsweise alternierend angeordnet .
In Axialrichtung 2 ist der Reaktor 1 unterteilt in einen Reaktorabschnitt 30 in der Mitte und zwei Wärmeübertragungsabschnitte 33 , 36 links und rechts des Reaktorabschnitts 30 , also j eweils an beiden Enden ( Figur 3 ) .
Die Wärmeübertragungsabschnitte 33 , 36 sind vorzugsweise gleich lang .
Das Verhältnis der Größe ( Länge ) des Reaktorabschnitts 30 im Vergleich zu einem oder den Wärmeübertragungsabschnitten 33 , 36 hängt ab von der thermischen Auslegung .
Figur 4 zeigt den Strömungsverlauf eines Wärmestrom führenden Wärmekanals 20W .
Der Reaktor 1 weist im Inneren ein inneres Zufuhrrohr 4 und das innere Zufuhrrohr 4 umgebene , innere Abfuhrrohre 7 : 7 ' , 7 ' ' auf .
Das innere Zufuhrrohr 4 erstreckt sich vorzugsweise in Axialrichtung 2 und vorzugsweise über die gesamte Länge des Reak- tors 1.
Das innere Zufuhrrohr 4 ist vorzugsweise zentral bezogen auf den Querschnitt aller Kanäle 20 angeordnet.
Die inneren Abfuhrrohre 7', 7' ' erstrecken sich nur entlang der jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitten 33 (Abfuhrrohr 7 ' ' ) , 36 (Ab fuhr rohr 7 ' ) .
Die Rohre 4, 7 sind vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. In einer einteiligen Form der Reaktors 1, insbesondere wenn der Reaktor 1 gedruckt wird, sind die Rohre 4, 7 einteilig mit den anderen Strukturen des Reaktors 1 ausgebildet und als solches nicht mehr separat erkennbar, sondern nur in ihrer Funktion .
Dadurch ergeben sich zwei Strömungskanäle (Fig. 4) :
Ein innerer Zufuhrkanal 5 im inneren Zufuhrrohr 4 und innere Abfuhrkanäle 8' (Wärmeübertragungsabschnitt 36) , 8 ' ' (Wärmeübertragungsabschnitt 33) zwischen innerem Zufuhrrohr 4 und jeweiligen inneren Abfuhrrohren 7', 7' ', die dadurch insbesondere ringförmig ausgebildet sind.
Die Strömungskanäle 20: 20W, 20P erfüllen zwei Aufgaben:
1. einen von außen (axial) zugeführten Wärmestrom 41, 42 zu leiten und
2. von außen (axial) zugeführte Stoffströme 53, 63 (Fig.
5, 6) und Produktströme 54, 64 (Fig. 5, 6) zu leiten.
Das innere Zufuhrrohr 4 und damit der innere Zufuhrkanal 5 ist damit vorzugsweise durchgängig über die Länge des Reaktors 1.
Der innere Zufuhrkanal 5 kann vorzugsweise aber auch in der Mitte des Reaktorabschnitts 30 eine innere Trennwand 14 aufweisen, um die Wärmeströme 41, 42, besser umzuleiten. Die inneren Abfuhrrohre 7', 7' ' und damit die inneren Abfuhrkanäle 8', 8' ' erstrecken sich jeweils nur über die Länge der Wärmeübertragungsabschnitte 33, 36.
Der Reaktorabschnitt 30 kann optional nochmals aufgeteilt werden in zwei Teile bzw. Hälften, der jeweils separat mit den Wärmeströmen 41 und 42 aus dem inneren Zufuhrrohr 4 versorgt wird. Dies kann vorzugsweise durch eine äußere Trennwand 12 im Reaktorabschnitt 30 im Wärmekanal 20W gewährleistet sein, die sich als innere Trennwand 14 ggfs. auch im inneren Zufuhrrohr 4 erstreckt.
Von dem inneren Zufuhrkanal 5 aus erstrecken sich vorzugsweise fächerförmig in radialer Richtung 3 in Umfangsrichtung um den inneren Zufuhrkanal 5 herum Wärmekanäle 20W für die Wärmeströme 41, 42.
In den Wärmekanälen 20W für die Wärmeübertragung laufen die zugeführten Wärmeströme 41, 42 in axialer Richtung 2 im inneren Zufuhrrohr 4 jeweils von außen nach innen bis zum Reaktorabschnitt 30 (Figur 3) und werden im Reaktorabschnitt 30 in radialer Richtung 3 erstmalig in die Strömungskanäle 20W in radialer Richtung 3 eingeleitet (Figur 4) .
Dafür sind dann Öffnung (en) oder Schlitze so im inneren Zufuhrrohr 4 im Reaktorabschnitt 30 vorhanden, dass der Wärme- ström 41, 42 aus dem inneren Zufuhrrohr 4 nur in die jeweiligen Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 strömen kann.
Die Wärmekanäle 20W sind außen umgeben von einer äußeren Hülle 10.
Diese Führung der eingehenden Wärmestrome 41, 42 hat den Zweck, den Reaktorabschnitt 30 zu beheizen und nach Durchströmung die Restwärme für die Vorheizung (Fig. 5, 6) der Stoffströme 53, 63 zu nutzen.
In den Wärmekanälen 20W sind für den Wärmestrom vorzugsweise Kanalwände 11: 11', 11' ' vorhanden, die sich in radialer Richtung 3 erstrecken.
Die Kanalwände 11 sind zwischen Reaktorabschnitt 30 und jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 vorhanden bzw. auf der axialen Höhe des Endes der inneren Abfuhrrohre 7. Mit den Kanalwänden 11', 11' ', die sich nicht bis zur äußeren Hülle 10 erstrecken, ergeben sich Spalte 6: 6', 6' ' zwischen Reaktorabschnitt 30 und den Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36.
So strömt der Wärmestrom 41, 42 (Fig. 4) aus dem inneren Zufuhrkanal 5 in die Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 zuerst nur in radialer Richtung 3 nach außen und dann durch die Spalte 6', 6' ' in den jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitt 33, 36 in radialer Richtung 3 nach innen zurück.
Durch Öffnung (en) oder Schlitze in den inneren Abfuhrrohren 7', 7' ' strömt der ausgehende Wärmestrom 44, 46 in den inneren Abfuhrkanälen 8', 8' ' nach außen in axialer Richtung 2 weiter zurück.
Die Wärme für den Wärmestrom 41, 42 wird von beiden Stirnseiten des Reaktors 1 in den Richtungen (parallel zur axialen Richtung 2) des Reaktors 1 zugeführt.
Figur 5 zeigt den Strömungsverlauf des Stoffstroms 53 in einem Produktkanal 20P, der in einer axialer Richtung 2 verläuft .
An beiden Stirnseiten des Reaktors 1 befinden sich Zu- und Abfuhrkanäle 16: 16', 16' ', durch die die Stoffströme 53 und 63 (Fig. 6) von jeweils beiden Seiten in den Reaktor 1 eingeleitet werden, die ringförmige Kanäle zwischen den beiden Hüllen 10, 13 darstellen.
Der Stoffstrom 53, hier vorzugsweise das Ammoniak, wird an einer Seite durch einen Zufuhrkanal 16' zuerst in den Wärmeübertragungsabschnitt 36 eingeleitet, durchströmt dann sowohl den Reaktor 30 als auch den dann folgenden Wärmeübertragungs- abschnitt 33 und tritt auf der anderen Seite durch den Abfuhrkanal 16 ' ' als Produktstrom 54 , hier vorzugsweise Stickstof f und Wasserstof f , wieder aus .
An einer Stirnseite des Reaktors 1 wird das kalte Ausgangsprodukt , vorzugsweise kaltes Ammoniak, in den vorzugsweise äußeren Ringkanal 16 ' zugeführt , wobei das Ammoniak in dem Wärmeübertragungsabschnitt 36 erwärmt wird und anschließend im Reaktorabschnitt 30 reagiert und hier vorzugsweise in die Produkte Wasserstof f und Stickstof f aufgespalten wird .
Der Reaktor 1 ist außen von der vollkommen geschlossenen äußersten Hülle 13 umgeben .
Die äußere Hülle 10 weist im Bereich der Wärmeübertragungsabschnitte 36 Öf fnungen oder Schlitze auf , durch die der Stof fstrom 53 , also insbesondere das Ammoniak, in die Produktkanäle 20P im Bereich des Wärmeübertragungsabschnitt 36 strömen kann, hier in Figur 5 in einen Produktkanal 20P .
Die heißen Reaktionsprodukte strömen dann nach dem Reaktionsabschnitt 30 als Produktstrom 54 weiter und geben dann ihre Wärme in dem folgenden und weiteren Wärmeübertragungsabschnitt 33 ab .
Der den Produktstrom 54 führende Produktkanal 20P mit den Reaktionsprodukten mündet in den äußeren Abfuhrkanal 16 ' ' , durch den der Produktstrom 54 aus dem Reaktor 1 ausströmt .
Der Produktstrom 54 strömt dann wieder durch Öf fnungen oder Schlitze in der äußeren Hülle 10 im Bereich des Wärmeübertragungsabschnitt 33 in den äußeren Abfuhrkanal 16 ' ' auf der anderen Stirnseite und strömt auf der dieser Stirnseite des Reaktors 1 als Produktstrom 54 hinaus .
Figur 6 zeigt den Strömungsverlauf der Stof f Strömung 63 in Richtung 42 .
Ein Stof fstrom 63 wird an der Austrittsseite von Produktstrom 54 durch einen äußeren Zufuhrkanal 16 in den Wärmeübertrager 33 eingeleitet , durchströmt den Reaktor 30 und den Wärmeüber- träger 36 und tritt auf der anderen Seite durch einen Kanal wieder aus .
An dieser Stirnseite wird also ebenso kaltes Ammoniak als Stof fstrom 63 zugeführt , der in dem anderen Wärmeübertragungsabschnitt 33 erwärmt wird, also u . a . von in Fig . 5 erwähnten warmen Produktstrom 54 , und wird anschließend im Reaktorabschnitt 30 in Wasserstof f und Stickstof f auf gespalten .
Ein Stof fstrom 53 , 63 wird also in beiden Axial-Richtungen durch die Reaktor-Wärmetauscher-Abschnitte geführt , in Richtung des Wärmestroms 41 und entgegengesetzt dazu bzw . in Richtung des Wärmestrom 42 und entgegengesetzt dazu .
Die heißen Reaktionsprodukte geben dann ihre Wärme in dem Wärmeübertragungsabschnitten 33 , 36 an die j eweils anderen Stof fströme 53 , 63 ab und strömen auf der anderen Stirnseite als Produktstrom 54 , 64 aus .
Durch Anpassung der baulichen Länge der Wärmeübertrager wird die Wärmeübertragungsleistung beeinflusst . Die Länge der Wärmeübertrager ist aus konstruktiver Sicht so aus zulegen, dass die thermisch induzierten Spannungen infolge des Temperaturunterschieds des einströmenden „kalten" Prozessgases und der ausströmenden „heißen" Reaktionsprodukte sowie der Restwärme aus dem Reaktor die Festigkeitsgrenze des keramischen Werkstof fs nicht überschreiten . Außerdem ist die Wärmetauscher Fläche so zu dimensionieren, dass die ausströmenden Reaktionsgase das für einen potenziellen Nachbehandlungsschritt ( Filterstufe ) erforderliche Temperaturniveau aufweisen .
Figur 7 zeigt einen Schnitt und Aufsicht entlang der Linie VI I-VI I in Figuren 4 , 5 .
Über einen Wärmekanal 20W wird ein Wärmestrom 46 durch den Wärmeübertragungsabschnitt 33 geführt , nachdem er den Reaktorabschnitt 30 passiert hat und dort abgekühlt wurde .
Die Strömungs führung erfolgt derart , dass der durch das innere Zufuhrrohr 4 axial eingeführte Wärmestrom 42 innen in den Reaktorabschnitt 30 geleitet wird.
Da die Wärmekanäle 20W im Reaktorabschnitt 30 radial außen mit den beiden Wärmeübertragungsabschnitten 33, 36 räumlich verbunden sind, wird der Wärmestrom zunächst radial nach außen und anschließend entgegen der (axialen) Einströmrichtung in den Wärmeübertragungsabschnitt 33 geführt.
Neben den Wärmestrom führenden Wärmekanäle 20W liegen die Stoffstrom 63 und Stoffstrom 54 führenden Produktkanäle 20P. Der Produktstrom 54 durchströmte als Stoffstrom 53 den Reaktorabschnitt 30 axial.
Die Stoffströme 53, 63 werden jeweils stirnseitig in den Wärmetauscher jeweils über die äußeren Ringkanäle, den Zufuhrkanälen 16', 16' ' eingeleitet.
Beim Durchströmen der Wärmeübetragungsabschnitte 33, 36 wird die Restwärme aus dem Reaktorabschnitt 30 sowie die Wärme der Reaktionsprodukte des jeweiligen Gegenstroms auf das einströmende Medium übertragen.
Anschließend durchströmen die vorgeheizten Stoffströme 53, 63 den Reaktorabschnitt 30, in dem die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme zugeführt wird und die Aufspaltungsreaktion an der katalytisch beschichteten Oberfläche des Reaktors stattfindet.
Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Figur 4, 5.
Im inneren Zufuhrkanal 5 strömt der Wärmestrom 41, der dann in den Reaktorabschnitt 30 in den Wärmekanal 20W strömt.
Dort erwärmt er die Reaktionsprodukte und strömt durch den Spalt 6' zurück in den Wärmeübertragungsabschnitt 36.
Der Stoffstrom 53 hat unter anderem diese Restwärme ausgenutzt, um sich vorzuheizen.
Danach strömt der Stoff ström durch den Reaktionsabschnitt 30.
Figur 9 zeigt eine zweidimensionale Aufsicht auf die Strömungskanäle 20. Mittig dargestellt ist ein Produktkanal 20P, in dem der Stof f ström 53 von rechts nach links strömt . Die Ausgangsstoffe in diesem Produktkanal 20P sind anfangs noch „kalt" , d . h . sie weisen eine niedrige Temperatur Tc auf .
Schon im Wärmeübertragungsabschnitt 36 des Produktkanals 20 wird der Stof fstrom 53 durch den erkalteten ausgehenden Wärmestrom 44 im benachbarten Wärmestromkanal 20W vorgeschwärmt .
Im Reaktorabschnitt 30 wird der Stof fstrom 53 durch den heißen Wärmestrom 44 auf Reaktionstemperatur TH gebracht .
Nach dem Reaktorabschnitt 30 kühlt sich dann der Produktstrom 54 ab und weisen eine niedrigere Temperatur Tw auf , da keine weitere aktive Erwärmung erfolgt . Diese niedrigere Temperatur Tw reicht allerdings schon aus , um den " kalten" , gegenläufig strömenden Produktstrom 63 im benachbarten Produktkanal 20P vorzuwärmen, der in Richtung Reaktionsabschnitt 30 strömt .
Dargestellt ist auch das der Wärmestrom mit der Reaktionstem- peratur TH durch das innere Zufuhrrohr 4 , der erst im Reaktionsabschnitt 30 in radialer Richtung 3 ausströmt .
Im Hinblick auf die Gestalt der Strömungskanäle 20 umfasst der Anspruch neben den dargestellten plattenförmigen Geometrien auch nicht ebene Geometrien, insbesondere wellenförmige Strömungskanäle sowie die Integration von Turbulatoren .
Als Werkstof fbasis wird vorzugsweise sili ziuminfiltriertes Sili ziumcarbid ( SiSiC ) vorgeschlagen . Ferner kommen weitere oxidische und nicht-oxidische keramische Werkstof fe in Betracht , die mittels 3D-Durck gasdicht herstellbar sind .
An den Werkstof f werden neben der wesentlichen Eigenschaft der Verarbeitbarkeit durch ein 3D-Druck Verfahren eine Reihe von Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften gestellt .
Neben den Festigkeitsanforderungen im Temperaturbereich von RT bis 1373K infolge der hohen stationären und instationären thermischen Gradienten wird insbesondere eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit , eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit gefordert .
Da Nickel (Ni ) ein bevorzugter und wirtschaftlich darstellbarer Katalysatorwerkstof f für die Herstellung von Wasserstof f (H2 ) durch Aufspaltung von beispielsweise Ammoniak (NH3 ) sollte der keramische Werkstof f mit Nickel beschichtbar oder benetzbar sein .
Im Hinblick auf die chemische Beständigkeit wird für die Ammoniakspaltung eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen das umzusetzende Medium Ammoniak und gegen die Reaktionsprodukte , insbesondere gegen Wasserstof f und Stickstof f im Temperaturbereich von 573K - 1223K und Drücken von 0 . IMPa bis 50MPa .
Für die Dampf reformierung wird eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Kohlenwasserstof fe , beispielsweise Methan und gegen die Reaktionsprodukte , insbesondere gegen Wasserstof f , Kohlenstof f und Wasserdampf im Temperaturbereich von 293K - 1123K und Drücken von 0 . 1 MPa bis 40MPa gefordert .
Um eine stof fliche Trennung der Wärme- und Stof fströme zu gewährleisten, muss der keramische Werkstof f gasdicht herstellbar sein .
Die genannten Anforderungen erfüllt bevorzugt sili ziuminfiltriertes Sili ziumcarbid ( SiSiC ) . Sofern andere oxidische oder nicht-oxidische keramische Werkstof fe in Zukunft mittels 3D- Druck gasdicht herstellbar sind, stellen Sie eine potenzielle Werkstof f alternative dar .
Anlagen zur Ammoniak-Spaltung existieren derzeit nur im Leistungsbereich < 100 kg H2/h und sind, soweit bekannt , ähnlich auf gebaut wie Dampf reformierer .
Mit einem 3D-Druck Design einer keramischen Reaktor- Wärmeübertrager-Einheit kann der Wirkungsgrad durch Integration von Reaktor und Wärmeübertrager in ein thermisch isoliertes und Wärmestrom optimiertes System erhöht werden . Der keramische 3D-Druck ermöglicht es , die vorteilhaften Eigenschaften der Keramik, insbesondere unter hohen Einsatztemperaturen und unter dem Einfluss korrosiver Atmosphären für Bauteile mit spezi fischen Geometriefreiheitsgraden zu nutzen . Im Falle der Ammoniak Spaltung mit Ni-Katalysator und hohen Temperaturen deuten erste Versuchsergebnisse auf eine hohe Korrosion der metallischen Reaktorwerkstof fe , verursacht durch die Wasserstof f- und Stickstof f atmosphäre , hin . Der Einsatz von korrosions- und hochtemperaturbeständigen keramischen Werkstof fen bietet das Potenzial für signi fikante Erhöhungen der Bauteillebensdauern .
Die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen Designs bestehen in einem hohen Wirkungsgrad durch Integration von Wärmetauscher und Reaktor und durch Reduzierung der Wärmeverluste aufgrund geringer äußerer Oberfläche , einer hohen Leistungsdichte bzw . einer hohen Wärmeübertragung pro Bauteilvolumen, einem geringen Druckverlust durch definierte Strömungsführung, einem schnellen Aufhei zverhalten durch eine integrierte , kompakte Bauweise und reduzierte thermische Verluste und damit einer geringen Anschaltverzögerung ( ermöglicht die Nutzung in zyklisch betriebenen Anlagen) , einem geringen Gewicht bei Nutzung von SiSiC ( ermöglicht die Nutzung für nicht-stationäre Anwendungen) , einer hohen Korrosionsbeständigkeit gegen eine Viel zahl von Medien, insbesondere gegen den Einfluss von Wasserdampf , Ammoniak, Wasserstof f und Stickstof f und der Möglichkeit eines modularen Konzeptes , mit dem eine Skalierung für ein breites Leistungsspektrum realisierbar ist .

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor ( 1 ) , der insbesondere zylindrisch oder zylinderförmig ausgebildet ist, aufweisend : fächerförmig angeordnete Kanäle (20, 20P, 20W) , die in radialer Umfangsrichtung zueinander benachbart sind und die sich in einer Axialrichtung (2) , insbesondere der der Zylinderf orm, erstrecken und durchströmbar sind, wobei der Reaktor (1) in Axialrichtung (2) aufgeteilt ist in einen mittleren Reaktionsabschnitt (30) und zwei äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) , insbesondere zwei direkt benachbarten, äußeren benachbarten Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) , wobei in dem Reaktionsabschnitt (30) eine Reaktion von Produkten des Stoffstroms (53, 63) stattfinden kann, wobei die Kanäle (20, 20W, 20P) als Produktkanäle (20P) entweder für Stoffströme (53, 63) oder für Wärmekanäle (20W) für Wärmeströme (41, 42) verwendet werden, wobei die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen (20W) die notwendige Energie (TH) für eine Reaktion von Ausgangsprodukten im Stoffstrom (53, 63) in dem Produktkanal (20P) in dem Reaktionsabschnitt (30) liefern können.
2. Reaktor nach Anspruch 1, bei dem die Produktkanäle (20P) und Wärmekanäle (20W) so zueinander angeordnet sind, dass die Restwärme in den Wärmeübertragungsabschnitten (30, 33) zur Vorheizung benachbarter Stoffströme (53, 63) in benachbarten Kanälen (20) verwendet werden kann. Reaktor nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, der ein insbesondere mittiges, durchgehendes inneres Zufuhrrohr (4) für Wärmeströme (41, 42) aufweist, das einen inneren Zufuhrkanal (5) bildet, das (4) so im Reaktionsabschnitt (30) mit den sich radial (3) erstreckenden Wärmekanälen (20W) verbunden ist, dass die Wärmeströme (41, 42) nur in die Kanäle (20W) im Reaktionsabschnitt (30) strömen können. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem im Reaktionsabschnitt (30) in den Wärmekanälen (20W) eine äußere, eine sich radial erstreckende Trennwand (12) vorhanden ist, die den Reaktionsabschnitt (30) nochmals aufteilt. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das innere Zufuhrrohr (4) eine innere Trennwand (14) im Reaktionsabschnitt (30) aufweist, die (14) das innere Zufuhrrohr (4) strömungstechnisch trennt . Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, wobei die Wärmekanäle (20W) so ausgebildet sind, dass die Wärmeströme (41, 42) so gelenkt werden können, dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen können. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3,
4 oder 6, bei dem der Reaktor (1) außen durch eine äußerste Hülle (13) begrenzt wird und eine innen liegende äußere Hülle (10) aufweist, so dass in den Wärmeübertragungsabschnitten (30, 33) äußere Zu- und Abfuhrkanäle (16: 16', 16' ') gebildet sind. Reaktor nach Anspruch 7, der äußere, sich in Axialrichtung (2) , erstreckende Zu- und Abfuhrkanäle (16, 16', 16' ') aufweist, die insbesondere ringförmig ausgebildet sind, die ebenfalls mit den Kanälen (20) verbunden sind, und durch die die Produktströme (54, 64) aus den Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) ausströmen können und durch die Stoffströme (53, 63) in die Wärmeübertragungsabschnitten (33, 36) einströmen können. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem sich axial erstreckende innere Abfuhrrohre (7', 7' ') das innere Zufuhrrohr (4) im Bereich der Wärmeübertragungsabschnitte (33, 36) umgeben, und so innere, insbesondere ringförmige, Abfuhrkanäle (8 ',8' ') für die ausströmenden Wärmeströme (44, 46) bilden . Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem innere, axial sich erstreckende Abfuhrrohre (7', 7' ') und ein Zufuhrrohr (4) , mit (4, 7) sich radial (3) erstreckenden Strömungskanälen (20W, 20P) verbunden sind. Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die inneren Kanäle (5, 8) durch Rohre (4, 7) gebildet werden. Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die äußeren Hüllen (10, 13) durch Rohre gebildet werden . Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem im Wärmekanal (20W) eine Wand (11) in radialer Richtung vorhanden ist, die mit der äußeren Hülle (10) einen Spalt (6) bildet. Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, der keramisch oder metallo-keramisch ausgebildet ist, insbesondere vollständig keramisch ausgebildet oder metallo-keramisch ist. Reaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, der in den Produktkanälen (20P) im Reaktionsabschnitt (30) zumindest einen, insbesondere nur einen, Katalysator auf den Kanalwänden aufweist. Verfahren zum Betreiben eines Reaktors (1) , insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Stoffstrom (53) auf einer Seite des Reaktors (1) in einen Produktkanal eingeleitet wird und beim weiteren Durchströmen erwärmt wird und in einem Re- aktionsabschnitt (30) reagieren gelassen wird zu den Ausgangsprodukten, wobei ein weiterer Stoffstrom (63) auf der anderen Seite des Reaktor (1) parallel und im direkt benachbarten Produktkanal strömt. . Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, während die Wärmeströme (41, 42) in den Wärmekanälen (20W) umgelenkt werden, so dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen . . Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 16 oder 17, bei Wärmeströme (41, 42) von beiden Seiten des Reaktors (1) in ein inneres Zufuhrrohr (4) eingeleitet werden. . Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 16, 17 oder 18, wobei die Produktkanäle (20P) durchgehend in Axialrichtung (2) verlaufen, wobei die Wärmekanäle (20W) so ausgebildet sind, dass die Wärmeströme (41, 42) so gelenkt werden, dass sie im Kreuzstrom zu den Stoffströmen (53, 63) verlaufen .
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