EP4688660A1 - Apparat für die herstellung von nitrilen und seine verwendung - Google Patents

Apparat für die herstellung von nitrilen und seine verwendung

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Publication number
EP4688660A1
EP4688660A1 EP24711570.2A EP24711570A EP4688660A1 EP 4688660 A1 EP4688660 A1 EP 4688660A1 EP 24711570 A EP24711570 A EP 24711570A EP 4688660 A1 EP4688660 A1 EP 4688660A1
Authority
EP
European Patent Office
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chamber
electrical
gas
cooling fluid
jacket
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.)
Pending
Application number
EP24711570.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulf BINDERNAGEL
Catrin Dorothee BECKER
Thomas Müller
Martin Köstner
Zhen Li
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.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Operations GmbH
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 Evonik Operations GmbH filed Critical Evonik Operations GmbH
Publication of EP4688660A1 publication Critical patent/EP4688660A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C01C3/02—Preparation, separation or purification of hydrogen cyanide
    • C01C3/0208—Preparation in gaseous phase
    • C01C3/0212—Preparation in gaseous phase from hydrocarbons and ammonia in the presence of oxygen, e.g. the Andrussow-process
    • C01C3/022—Apparatus therefor
    • C01C3/0225—Apparatus therefor characterised by the synthesis reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024—Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0244—Coatings comprising several layers

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for producing at least one product gas from at least one reactant gas.
  • the apparatus is intended for producing nitriles.
  • the invention relates to the use of the apparatus in producing nitriles, in particular hydrogen cyanide, and in providing negative control power.
  • Hydrocyanic acid (HCN), the simplest nitrile, is an important synthetic building block in organic chemistry. Hydrocyanic acid is usually produced on an industrial scale using the Andrussow process or the BMA process.
  • BMA hydrogen cyanide from methane and ammonia
  • hydrogen cyanide is produced from methane (CH4) and ammonia (NH3) in a highly endothermic reaction that requires comparatively high reaction temperatures of 1000°-1300°C.
  • CH4 methane
  • NH3 ammonia
  • the BMA process is carried out in the absence of oxygen.
  • the necessary use of fossil fuels to provide the reaction enthalpy in conjunction with the low energetic yield for the hydrogen cyanide results in significant CO2 production.
  • the energy required in the BMA process is provided in a separate combustion chamber by burning natural gas or recycled hydrogen (H2), which is produced as a by-product of the BMA process. Due to the minimum temperatures required for the hydrogen cyanide reaction, only part of the heat energy used is used for the reaction itself, the other part is needed to heat the combustion air and the fuels.
  • H2 natural gas or recycled hydrogen
  • HCN can be produced using electrical energy instead of fossil fuels.
  • electricity from renewable sources the process is largely CO2 neutral in terms of energy.
  • an electricity-heated BMA process has further advantages over a fossil-heated BMA process, such as in the area of operating costs: • By avoiding the inevitable energy loss on the fuel gas side due to the heating of the combustion air to the high necessary minimum reaction temperature, a better energy efficiency can be expected.
  • a more homogeneous temperature regime allows higher yields, which reduces the specific amounts of methane and ammonia used to produce hydrogen cyanide. It is known that with a homogeneous temperature distribution, significantly higher yields can be achieved while at the same time lower by-product formation is possible.
  • the resulting hydrogen-containing residual gas can possibly replace natural gas as heating gas in downstream processes and achieve an additional CO2 reduction.
  • the hydrogen in the resulting residual gas has a significantly lower CO2 footprint than hydrogen produced from fossil hydrocarbons in the steam reformer and can, after any necessary purification, be used as a raw material for further chemical reactions.
  • structured catalyst bodies so-called monoliths, made of electrically conductive material are used, as described in WO2019228798A1 or WO2021/063799A1.
  • the reactants are passed through the catalyst-coated channels of an electrically heated structure (resistance heating).
  • DE10317197A1 describes a reactor for producing hydrogen cyanide using the BMA process, which can be equipped with either an induction heater or a resistance heater. Heating is provided by a module arranged in the reaction chamber, through which the reaction mixture flows lengthwise. The reactor is surrounded by thermal insulation and provided with a gas-tight double jacket. The double jacket is filled with an inert gas.
  • the disadvantage of this reactor is a monolithic structure, which makes error-free, homogeneous production from a green body very complex, is susceptible to material stress and even cracks due to thermal stress, and is considered complex for industrial-scale construction.
  • the present invention is based on the object of specifying an electrically heatable reactor for the production of gaseous products such as hydrogen cyanide and other nitriles, which is resistant to thermal (alternating) stress and has a high availability of the heating elements, enables a differentiated temperature profile and manages with cost-effective standard components.
  • a first subject of the invention is therefore an apparatus for producing at least one product gas from at least one reactant gas, in particular for producing nitriles as a product, with the following features: a) the apparatus comprises a chamber with a gas-permeable and heat-insulating wall, with an inlet for the reactant gas, with an outlet for the product gas and with a main flow direction that extends from the inlet to the outlet; b) the apparatus comprises a gas-tight jacket that encloses the chamber, with the inlet and the outlet being led through the jacket; c) an intermediate space is provided between the chamber and the jacket, which encloses the chamber and is in turn enclosed by the jacket; d) the apparatus comprises at least one electrical heating element that extends through the chamber and penetrates its wall at least once, and which has at least two electrical connections which are arranged inside the intermediate space and outside the chamber; e) the apparatus comprises an electrical voltage source arranged outside the casing, which is connected at least via a first electrical line
  • the core of the apparatus according to the invention is a chamber, which represents the actual reaction space.
  • the electrical heating elements are located in the chamber, so that the chamber can be heated electrically from the inside using the heating elements.
  • the heat is not transported into the reaction space from the outside, but is first generated in the reaction space.
  • the heat is generated in the heating elements by converting electrical energy according to the principle of resistance heating.
  • the heating elements penetrate through the wall of the chamber. This means that the heating elements are not only located inside the chamber, but also partially outside the chamber.
  • the section of the heating elements that is inside the chamber serves to heat the chamber.
  • the sections of the heating elements that are outside the chamber serve for the electrical connection.
  • Each heating element has at least two sections that are outside the chamber because each heating element requires at least two electrical connections.
  • Each electrical connection is located on a section of the heating element that is outside the chamber.
  • the wall of the chamber is lined with and/or consists of a heat-insulating material, the temperature outside the chamber is lower than inside the chamber, making it easier to establish electrical contact there.
  • the inventive implementation of the heating elements through the wall is also based on the realization that sealing the chamber in the area of the heating elements is not possible anyway. Due to thermal expansion, there must be sufficient clearance in the implementation of the Heating elements must be ensured in order to enable relative movement between the wall and the heating elements.
  • the passage of the heating elements through the wall is gas-permeable. The added filling gas is used to prevent the transfer of reactant or product gases into the intermediate space. This also means that the intermediate space must always have at least the same or higher pressure than in the chamber in order to prevent reactant or product gases from escaping from the chamber.
  • a jacket is provided according to the invention which encloses the chamber in a gas-tight manner.
  • the gap is filled with the filling gas, which cannot leave the gap to the outside due to the gas-tightness of the jacket.
  • the filling gas is predominantly nitrogen or hydrogen or hydrocarbon or a mixture of predominantly nitrogen and hydrogen and hydrocarbon.
  • the filling gas may contain traces of other gases. The filling gas can be recycled from the downstream process of the method, since the residual gas arising in the BMA method may contain the filling gases mentioned above.
  • the gas pressure in the space is regulated during operation so that it is continuously a little higher than the reaction pressure in the chamber. This largely prevents gases from the inside of the chamber from getting into the space. If this does happen, it is not a problem because the jacket is gas-tight. Conversely, if some of the filling gas gets into the chamber through the gas-tight wall, this is also not critical.
  • the jacket is made of thermally conductive metal and also serves to dissipate heat.
  • the jacket absorbs the heat radiation emanating from the wall and dissipates it into the environment. Since the space between the wall and the jacket is only filled with filling gas, the heat radiation from the wall to the jacket is not affected.
  • the gas-tight jacket can be provided with an additional heat exchanger.
  • the heat exchanger is arranged outside the jacket and connected to the jacket in a heat-conducting manner. The radiant heat absorbed by the jacket is thus dissipated via the heat exchanger.
  • the heat exchanger is preferably supplied with a cooling fluid.
  • the heat exchanger is connected in a fluid-conducting manner to a cooling fluid source via a flow line and to a cooling fluid sink via a return line. In this way, the cooling fluid flows from its source through the flow line into the heat exchanger, absorbs the heat from the jacket there and flows via the return line to the sink.
  • the temperature of the cooling fluid usually increases, so that the temperature of the cooling fluid in the return line is higher than in the inlet. It is also conceivable to combine the source and sink of the cooling fluid in a second heat exchanger and thus create a cooling fluid circuit. Air, gaseous or liquid nitrogen, gaseous argon, gaseous or liquid water, liquid oil, gaseous ammonia, gaseous hydrocarbons or mixtures thereof are suitable as cooling fluids.
  • the cooling fluid can change its thermodynamic state in the heat exchanger, for example evaporate. It is also conceivable to use the reactant gas mixture as cooling fluid and preheat it in the heat exchanger. The return flow then leads directly into the chamber or via the inlet into the chamber. The chamber serves as a coolant sink.
  • the gas-tight jacket is double-walled (double jacket).
  • double jacket A cavity is created between the two walls of the jacket, which is filled with the cooling fluid.
  • the heat is then transferred directly from the inner wall of the double jacket to the cooling fluid.
  • the double jacket filled with cooling fluid has the advantage that the cooling fluid also protects against gas escaping if the inner jacket fails.
  • the heat exchanger is designed as a cooling coil that is wound around the jacket.
  • the cooling coil represents a connection between the flow and return of the cooling fluid.
  • the cooling coil is a pipe filled with cooling fluid that is connected to the outside of the gas-tight casing via thermal bridges.
  • the pipe like the casing, is made of steel.
  • the thermal bridges are steel webs that are welded to the pipe and the casing. The steel webs thus serve to attach the cooling coil to the casing and also as a thermal bridge between the casing and the cooling coil.
  • the cooling coil can be obtained by welding an open profile onto the outside of the gas-tight jacket.
  • the cooling fluid is then located at least partially between the profile and the outside of the gas-tight jacket.
  • the wall of the chamber is preferably made of several layers. It preferably comprises an outer shell made of metal and an insulation made of a heat-insulating material arranged inside the formwork.
  • the metal shell stabilizes the chamber and emits the heat radiation into the space between.
  • insulation made of a heat-insulating material is used, the thermal conductivity of which is much lower than that of the metal shell.
  • the insulation is preferably made of a mineral or ceramic material that has a high temperature resistance and a low specific thermal conductivity. Mineral microfiber panels are preferably used as insulation.
  • the heat-insulating wall on the side of the chamber particularly preferably comprises an inner layer with a closed surface.
  • a closed surface means that the surface is largely pore-free. This can be achieved, for example, by arranging individual structural elements with a suitable surface offset one above the other.
  • the wall can be provided on its inside with metallic or ceramic elements that are not made of fiber material. Metallic and ceramic elements can be manufactured largely pore-free using technologies that are usual for these materials.
  • a particularly preferred embodiment provides that the inner wall of the chamber is provided on the surface with a catalytically active or activatable coating which contains the catalyst. This makes the wall of the chamber itself catalytically active, which prevents deposits on the thermal insulation.
  • the chamber has a non-circular cross-section when viewed in the main flow direction. It is particularly useful if the chamber has a rectangular cross-section when viewed in the main flow direction.
  • the heating elements can be distributed more evenly over a rectangular cross-section.
  • the heating elements are arranged one behind the other in the main flow direction or are offset from one another. If the heating elements are arranged one behind the other in the main flow direction, a clear passage is created between the heating elements, which reduces the flow resistance. If the heating elements are arranged one behind the other in an offset manner, the flow resistance is higher because there is no free passage, but all flow paths come into contact with heating elements, so that the heat transfer is more intensive.
  • the innermost layers of the heat-insulating wall with the closed surface have a high resistance to thermal shock. This is achieved through material selection and processing.
  • a high resistance to thermal shock has the advantage that the device can be heated up and cooled down quickly without damaging the thermal insulation of the wall.
  • the reactor can be used to provide negative control power as part of power grid stabilization.
  • Conventional BMA reactors have a fireproof lining that must be heated or cooled over several hours to avoid cracking. This is far too slow for the provision of control power; minutes count here.
  • the use of the apparatus according to the invention for providing negative control power for the purpose of stabilizing power grids is a further subject of the invention.
  • the apparatus can preferably be used to provide a negative minute reserve.
  • Negative control power means that the apparatus is only supplied with voltage from the electrical voltage source when there is an excess of electrical power in the grid to which the electrical voltage source is connected. Conversely, the apparatus can also be disconnected from the electrical voltage source if there is a shortage of available electrical power.
  • the grid in which the electrical voltage source is integrated is stabilized. This is particularly interesting when the grid uses many natural power sources such as wind power or photovoltaics, whose power output fluctuates greatly.
  • An advantage of the inventive design of the apparatus is that conventional, commercially available heating elements can be used as resistance heating, as used in conventional, electrically heated industrial furnaces. A special design of the electrical resistance heating or costly 3D printing is not required.
  • Electric heating elements are commercially available made of silicon carbide or molybdenum silicide or other materials and are stable under the reaction conditions.
  • the heating elements are aligned transversely to the flow. This means that the heating elements only experience small temperature differences. Since the apparatus according to the invention is designed to be operated in a continuous process, areas with approximately the same temperature are created during operation, which extend through the chamber; essentially transversely to the main flow direction of the reactants through the chamber. If the heating elements are arranged along this direction, the load on the heating elements due to temperature differences is very low.
  • the heating elements can be easily controlled separately.
  • the use of separately controllable heating elements makes it possible to set a temperature profile if necessary in order to specifically control the temperature profile of the reaction. This makes it possible to optimize the conversion and yield of the reaction and suppress the formation of undesirable by-products.
  • the temperature profile is set by regulating the electrical power: Setting a power profile over the length of the reactor results in a temperature profile.
  • the preferred design of the apparatus is based on the design of commercially available heating elements. These are either I-shaped, U-shaped, W-shaped or M-shaped. All of these heating elements have an imaginary main resistance axis that is arranged transversely to the flow direction.
  • the heating elements are essentially cylindrical in shape, but can also have other cross-sections, e.g. an elliptical cross-section.
  • the I-shaped heating elements have exactly two electrical connections, namely one at each end. When installed, the I-shaped heating elements extend linearly through the chamber and protrude from the wall with their end-side electrical connections. Their main resistance axis corresponds to their longitudinal axis.
  • the U-shaped heating elements also have two electrical connections, namely at the open end of each leg.
  • the connections are therefore on the same side.
  • the two legs When installed, the two legs extend parallel through the chamber. The legs penetrate the wall so that the ends with the electrical connections protrude.
  • the main resistance axis corresponds to the axis of symmetry.
  • the W-shaped heating elements correspond to a double U and have three electrical connections. They are designed for use in three-phase networks.
  • the main resistance axis corresponds to the axis of symmetry.
  • the heating elements are preferably installed in such a way that the main resistance axis forms an angle ip with the main flow direction that is at least 0° and at most 90°.
  • the angle ip is particularly preferably 90°.
  • the main resistance axis of the heating elements is then perpendicular to the main flow direction. This is the most favorable in terms of flow and thermodynamics.
  • the device is set up so that the main flow direction is vertical, i.e. parallel to the acceleration due to gravity. In this way, the main flow direction is not deflected by gravity, so that the alignment of the heating elements to the flow is maintained.
  • the main flow direction runs against the acceleration due to gravity, i.e. upwards. This prevents heat buoyancy perpendicular to the flow direction.
  • a plurality of heating elements are installed in the device. These can be electrically connected to the first and second electrical lines and possibly also to the third electrical line via a series, parallel or star connection or a mixture of these connections.
  • Heating elements made of silicon carbide or molybdenum silicide that are coated with a catalyst are preferred. It may be useful to provide a protective coating on the surface of the heating elements, onto which the catalyst is applied. This prevents a chemical or physical reaction between the catalyst and the core.
  • the catalyst can be applied to a conventional, unheated catalyst carrier and filled into the chamber.
  • the inventive design of the apparatus thus opens up a multitude of advantages, which can be exploited in particular in the production of product gases such as hydrogen cyanide or other nitriles, for example aceto- or acrylonitrile.
  • a second subject matter of the invention is therefore a process for producing nitriles using the apparatus according to the invention.
  • Such a process has the following steps: a) providing an apparatus according to the invention b) applying a reactant gas mixture to the feed; containing at least ammonia and gaseous hydrocarbon; c) applying electric current from the electrical voltage source to the heating element; d) withdrawing a product gas mixture containing at least one nitrile formed from the outlet.
  • Hydrogen cyanide is preferably produced in this way.
  • Hydrogen cyanide is a nitrile that is produced in the product gas mixture.
  • the reactant gas mixture must contain the hydrocarbon methane. If hydrogen cyanide is to be produced, a material containing platinum is used as a catalyst.
  • the reactant gas mixture also contains oxygen, a potentially ignitable mixture is created. Ignitability is present when the concentration of oxygen KO within the reactant gas mixture is above the oxygen limit concentration SGK of the mixture.
  • the oxygen limit concentration SGK depends on the composition of the reactant gas mixture and can be found in the relevant tables.
  • the reactant gas mixture contains so little oxygen that the oxygen concentration KO? is below the limit oxygen concentration SGK. This means that the reactant gas mixture is not ignitable. This means that the safety of the operation can be ensured with less effort.
  • a process for producing hydrogen cyanide that is operated below the ignition limit is to be regarded as a BMA process. Since the heat energy required for the reaction is provided electrically, it is referred to below as the "E-BMA process".
  • the E-BMA process enables almost complete material conversion of the reactants using electrical energy, and in the case of the use of green electricity, it is even potentially CO2-neutral. (The methane used in the Andrussow process is always converted to CO2 in proportion due to the process characteristics.)
  • the apparatus according to the invention can also be used for similar reactions, for example for the production of aceto- and acrylonitrile.
  • the apparatus according to the invention is designed to be operated at a reaction pressure PR of at least 1*10 5 Pa absolute and at most 5*10 5 Pa absolute in the chamber.
  • a slightly higher gas pressure pc prevails in the intermediate space in order to create a slight pressure gradient to the reaction space.
  • the wall of the reaction space is almost pressure-free.
  • the excess pressure compared to the ambient pressure is borne by the wall of the jacket.
  • the wall of the jacket must be designed to be pressure-resistant.
  • the gas pressure pc in the intermediate space is applied by the filling gas.
  • the filling gas is predominantly nitrogen or hydrogen or methane or a mixture of predominantly nitrogen, hydrogen and methane.
  • the filling gas may contain traces of other gases.
  • the process is preferably operated in such a way that the heating elements in the reaction chamber are evenly flowed against, so that a nearly constant temperature profile is formed over the respective heating element with a constant surface performance.
  • the heating elements can thus better tolerate the thermal load.
  • the service life of the heating elements is extended.
  • the temperature window for the reaction is between 800°C and less than 1500°C.
  • the reaction temperature is not necessarily the same at all locations in the chamber, but can assume different values within the temperature window mentioned.
  • heat is preferably removed from the jacket via a heat exchanger using a cooling fluid.
  • the cooling fluid is continuously drawn from the cooling fluid source, the heat exchanger is continuously supplied with the cooling fluid, and cooling fluid is continuously withdrawn from the heat exchanger, with the temperature of the cooling fluid in the supply line being lower than in the return line.
  • the reactant gas mixture is used as a cooling fluid.
  • the chamber of the apparatus then serves as the cooling fluid sink. In this way, the reactant gas mixture is preheated and the heat is recovered.
  • Fig. 1 First embodiment of the apparatus (linear heating elements), schematic;
  • Fig. 2 Second embodiment of the apparatus (U-shaped heating elements), schematic.
  • FIG. 1 shows the apparatus 0 according to the invention schematically.
  • the apparatus 0 comprises a chamber 1 with a non-gas-tight wall 2.
  • the wall 2 comprises a heat-insulating material and a shell made of a metallic material placed around it.
  • a chemical reaction is carried out within the chamber 1.
  • the chamber 1 thus represents the reaction space.
  • the chemical reaction is, for example, the conversion of methane CH4 with ammonia NH3 in the absence of oxygen O2, which produces hydrogen cyanide HCN and hydrogen H2 (E-BMA process).
  • the reactant stream which mainly contains methane CH4 and ammonia NH3, is fed as a gas mixture through an inlet 3 via a distribution device (e.g. a perforated plate) into chamber 1.
  • a distribution device e.g. a perforated plate
  • the products hydrocyanic acid HCN and hydrogen H2 as well as unused reactants and by-products are also withdrawn from chamber 1 in gaseous form, namely through a designated outlet 4.
  • Thermal energy is required for the chemical conversion. According to the invention, this is generated by converting electrical energy within the chamber 1. The heat is required at a temperature level in the range between 800°C and 1500°C (reaction temperature TR).
  • a plurality of heating elements 5 are provided in the chamber 1, which extend through the chamber 1.
  • the heating elements 5 are, in the simplest case, are cylindrical elements made of silicon carbide. Silicon carbide is very temperature-stable and, due to its physical properties, is often used in practice to convert electrical energy into heat.
  • the temperature outside the chamber 1, in the area of the electrical connections +/- is much lower; it is approximately less than 400°C. This temperature is referred to here as the intermediate temperature T c .
  • the electrical connections +/- are connected to a first electrical line 71 and a second electrical line 72, respectively, by means of a first circuit 61 and a second circuit 62.
  • the circuits 61, 62 can be a series connection (not shown) or a parallel connection (shown) or a mixture of both. In three-phase networks, a star connection is also possible (not shown).
  • the first and second electrical lines 71, 72 lead to an electrical voltage source 8. In three-phase networks, a third electrical line to the voltage source 8 is required (not shown).
  • the voltage source 8 provides the energy required for the process in electrical form. Preferably, all of the energy required for the chemical conversion of methane and ammonia into hydrogen cyanide and hydrogen is provided in electrical form.
  • the electrical heating elements are supplied with an electrical voltage U obtained from the electrical voltage source 8 via the electrical lines 71, 72 and the circuits 61, 62, so that an electrical current / flows through the electrical heating elements 5.
  • the heating elements 5 convert the electrical energy into thermal energy, which heats the surface of the heating elements. This enables the reaction.
  • the heat required for the reaction is not introduced into the chamber 1 from the outside, but is generated in-situ in the reaction chamber with the heating elements 5.
  • a catalyst is used in the chamber 1.
  • the catalyst can contain platinum and is preferably applied to the surface of the heating elements 5.
  • the hydrogen cyanide HCN produced in the process is highly toxic.
  • the chamber 1 is surrounded by a gas-tight jacket 9, which is designed as a double-walled double jacket.
  • the double jacket 9 also serves as a heat exchanger 10, which is filled with a cooling fluid.
  • a gap 12 extends between the jacket 9 and the chamber 1.
  • the heating elements 5 extend through the wall 2 of the chamber 1 into the gap 12, where their electrical connections +/- are located.
  • the passage of the heating elements 5 through the wall 2 is not gas-tight because a certain degree of mobility of the heating elements 5 relative to the wall 2 is required due to thermal expansion.
  • the wall 2 of the chamber 1 is also not gas-tight, unlike the casing 9, which is why reactants from the chamber 1 could get into the intermediate space 12.
  • the intermediate space 12 can be statically charged with a filling gas, which may contain small amounts of the reactants and which has a pressure gradient to the reaction space.
  • the filling gas is obtained from a filling gas source 11 and fed into the intermediate space 12 via a filling gas line (not shown) and a connection element (not shown).
  • the double jacket 9 is supplied with a cooling fluid from the inside, which is taken from a cooling fluid source 3.
  • the cooling fluid is withdrawn from the jacket 9 again, to a cooling fluid sink 4.
  • the cooling fluid thus flows from its source 13 through the jacket 9 to its sink 14.
  • heat is dissipated from the double jacket 9 via the cooling fluid.
  • the double jacket 9 simultaneously acts as a heat exchanger 10.
  • the apparatus 0 is thus actively cooled.
  • a substance with a good specific heat capacity such as liquid water or liquid oil, is used as the cooling fluid.
  • the heat dissipated to the sink 14 via the cooling fluid is heat which has been transferred from the metallic shell of the wall 2 to the double jacket 9 by thermal radiation. This is comparatively low thanks to the insulation of the wall 2.
  • the heat exchanger 10 can also be implemented with a cooling coil that is wound around the jacket 9 (not shown).
  • the jacket 9 can then be designed with a single wall, because the cooling fluid flows through the cooling coil. If the gas pressure p c of the filling gas in the intermediate space 12 is only slightly greater than the reaction pressure PR in the chamber 1, the wall 2 of the chamber 1 is hardly subjected to any mechanical stress. In particular, it does not need to withstand any massive internal pressure. Consequently, the wall 2 can be optimized in terms of thermal insulation.
  • the double jacket 9, on the other hand, is subject to pressure. In contrast to the wall 2 of the chamber 1, this has to withstand an internal pressure which corresponds to the difference between the gas pressure p c and the ambient pressure po.
  • the jacket 9 Since the jacket 9 is not subjected to such a high thermal stress - the temperature 7j of the cooling fluid within the jacket 9 is usually less than 100°C - pressure safety is much easier to achieve here.
  • the double jacket 9 can be made of steel, which is not thermally insulating, but is more mechanically resilient than an insulating material which the wall 2 of the chamber 1 contains. In the apparatus according to the invention, the wall 2 thus fulfils only the function of thermal insulation, while the function of gas tightness and pressure maintenance is taken over by the jacket 9.
  • Another important aspect of the apparatus according to the invention is the orientation of its heating elements 5 in relation to the acceleration due to gravity g and the main flow direction V of the reactants:
  • the main flow direction V extends from the inlet to the outlet through chamber 1. Along this main flow direction V, the reactants CH4, NH3 flow into chamber 1 and the products HON, H2 as well as unreacted reactants and by-products flow out of chamber 1 again.
  • the heating elements 5 are arranged transversely to the main flow direction V, so that the longitudinal axis H of the heating elements 5 forms an angle of 90° with the main flow direction V.
  • each heating element 5 only experiences small temperature differences: the reaction temperature TR is not the same everywhere in the chamber 1, but changes along the main flow direction V. This is due on the one hand to the fact that the temperature changes along the main flow direction due to the progressive conversion.
  • the heating elements 5 can also be set to different temperatures via the power supply in order to impose an optimal temperature profile on the reaction along the main flow direction.
  • the power supply and thus ultimately also the temperature can be set via the size of the current that is drawn from the voltage source 8.
  • the heating elements 5 are arranged transversely to the main flow direction V, the temperature profile at the position of an individual heating element is almost constant. Consequently, the temperature expansion of the heating element is constant over its entire length, which in turn improves its stability.
  • the main flow direction V is arranged vertically, namely against the acceleration due to gravity g.
  • the chamber 1 is therefore preferably flowed through from bottom to top, other flow directions are also possible if the design requires this.
  • the longitudinal axis H of the heating elements 5 optimally runs horizontally.
  • the apparatus 0 has cylindrical heating elements 5 in which the longitudinal axis H is arranged horizontally.
  • Figure 2 shows a second embodiment of an apparatus 0 according to the invention, in which the heating resistors 5 are U-shaped.
  • the legs of the U In order to align U-shaped heating elements along an isotherm, the legs of the U should be aligned transversely to the main flow direction V and positioned at the same point along the main flow direction V in the chamber 1. With a vertical main flow direction V, the legs of the U can be at the same height level (not shown).
  • U-shaped heating elements like cylindrical heating elements, extend along a main resistance axis H, which is arranged transversely to the main flow direction V. The legs of the U run parallel on both sides of the main resistance axis H, which corresponds to the axis of symmetry of the U.
  • the longitudinal axis corresponds to the main resistance axis H.
  • the invention is based on the object of specifying an electrically heatable reactor for the production of hydrogen cyanide and other nitriles, which enables a differentiated temperature profile and requires inexpensive standard components.
  • the core of the apparatus 0 according to the invention is the chamber 1 made of gas-permeable, heat-insulating material, which represents the actual reaction chamber.
  • the electrical heating elements 5 protrude into the chamber 1, so that the chamber 1 can be heated from the inside with the heating elements 5.
  • the electrical connections of the heating elements are located outside the reaction chamber, but inside the surrounding jacket. Unlike in the industrially practiced BMA process, the heat is not transported into the reaction chamber from the outside, but is generated in the reaction chamber. The heat is generated by converting electrical energy by means of the Heating elements 5 based on the principle of resistance heating.
  • the jacket 9 is provided, which encloses the chamber 1 in a gas-tight manner.
  • the tests are simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD).
  • the software Ansys Fluent version Fluent 2021 R2 was used.
  • the reaction chamber is rectangular and contains about 900 heating elements.
  • the synthesis gas consists of ammonia and methane in a molar ratio of 1.1:1 at an absolute pressure of 2.8 bar (2.8*10 5 Pa).
  • the gas is preheated to 200°C and the reactant quantity is 1440 kg/h.
  • the simulations are carried out under adiabatic conditions with a heating power of 4.1 MW.
  • Fig 3 Temperature along a heating element in the center of the reactor with horizontal and vertical orientation of the heating elements
  • the heating elements are arranged vertically, ie parallel to the acceleration due to gravity, and the flow through the reactor is horizontal.
  • the power of the heating elements is set to 38 kW/m 2 in the example described here.
  • test 1 The operating parameters of test 1 were retained, ie the power of the heating elements is also set to a constant 38 kW/m 2. However, the heating elements are arranged horizontally and the flow through the reactor is from bottom to top.
  • the temperature profile is shown in the dotted line in Figure 4.
  • the yield of HCN based on NH3 is shown in the dotted line in Figure 5.
  • the maximum gas temperature is above 1400°C, which can negatively affect the service life of the heating element.
  • the yield of HCN based on NH3 is 80%.
  • the heating elements are arranged horizontally and the flow through the reactor from bottom to top.
  • the power of the heating elements is controlled via a profile, whereby the power varies between 4 and 60 kW/m 2 .
  • the course of the power profile is shown in Figure 6.
  • the highest yield can be achieved when the heating elements are arranged horizontally and a variable power profile is provided. In addition, horizontal heating elements suffer less temperature stress.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrisch beheizbaren Reaktor für die Blausäureherstellung und die Herstellung anderer Nitrile anzugeben, der ein differenziertes Temperaturprofil ermöglicht und mit kostengünstigen Standard-Bauteilen auskommt. Kern des erfindungsgemäßen Apparats (0) ist eine Kammer (1) aus gasdurchlässigem, wärmeisolierendem Material, welche den eigentlichen Reaktionsraum darstellt. In die Kammer (1) ragen elektrische Heizelemente (5), sodass sich die Kammer (1) von innen mit den Heizelementen (5) beheizen lässt. Die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente befinden sich außerhalb des Reaktionsraumes, aber innerhalb des umschließenden Mantels. Anders als beim industriell praktizierten BMA-Verfahren wird die Wärme also nicht von außen in den Reaktionsraum transportiert, sondern im Reaktionsraum erzeugt. Die Wärme-Erzeugung erfolgt durch Umwandlung elektrischer Energie vermittels der Heizelemente (5) nach dem Prinzip einer Widerstandsheizung. Um die Gasdichtigkeit des Apparats (0) sicherzustellen ist ein Mantel (9) vorgesehen, welcher die Kammer (1) gasdicht umschließt.

Description

Apparat für die Herstellung von Nitrilen und seine Verwendung
Die Erfindung betrifft einen Apparat für die Herstellung von mindestens einem Produktgas aus mindestens einem Eduktgas. Insbesondere ist der Apparat für die Herstellung von Nitrilen bestimmt. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung des Apparats in der Herstellung von Nitrilen, insbesondere von Blausäure sowie in der Bereitstellung von negativer Regelleistung.
Blausäure (HCN), das einfachste Nitril, ist ein wichtiger Synthesebaustein in der organischen Chemie. Die Herstellung von Blausäure erfolgt im industriellen Maßstab meist nach dem Andrussow- Verfahren oder dem BMA-Verfahren.
Eine Einführung in die Technologie der Blausäureherstellung bieten:
Gail, E., Gos, S., Külzer, R., Lorösch, J., Rubo, A., Sauer, M„ Kellens, R., Reddy, J., Steier, N. and Hasenpusch, W. (201 1 ). Cyano Compounds, Inorganic. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (Ed.). DOI 10.1002/14356007. a08_159.pub3
Beim BMA-Verfahren (BMA = Blausäure aus Methan und Ammoniak) wird Blausäure aus Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) in einer stark endothermen Reaktion hergestellt, die mit 1000°-1300°C vergleichsweise hohe Reaktionstemperaturen benötigt. Im Gegensatz zu dem Andrussow-Verfahren wird das BMA-Verfahren in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt. Der notwendige Einsatz fossiler Energieträger zur Bereitstellung der Reaktionsenthalpie in Verbindung mit der geringen energetischen Ausbeute für die Blausäure bedingen eine signifikante Erzeugung von CO2.
Durch die Verbrennung von Erdgas oder rückgeführtem Wasserstoff (H2), der als das Nebenprodukt des BMA-Verfahrens entsteht, wird die im BMA-Verfahren benötigte Energie in einem separaten Brennraum bereitgestellt. Dabei wird aufgrund der notwendigen Mindesttemperaturen für die Blausäurereaktion nur ein Teil der eingesetzten Heizenergie für die Reaktion selbst genutzt, der andere Teil wird zur Aufheizung der Verbrennungsluft und der Brennstoffe benötigt.
Als eine alternative Energiequelle kann HCN mit elektrischer Energie statt mit fossilen Brennstoffen produziert werden. Bei Einsatz von Elektrizität aus regenerativ erzeugten Quellen ist das Verfahren energetisch weitestgehend CO2 neutral. Darüber hinaus weist ein strombeheiztes BMA-Verfahren weitere Vorteile gegenüber einem fossil beheiztem BMA-Verfahren auf, wie z. B. im Bereich der Betriebskosten: • Durch Vermeidung des zwangsweisen Energieverlustes auf der Brenngasseite aufgrund der Aufheizung der Verbrennungsluft auf die hohen notwendigen Mindestreaktionstemperatur ist ein besserer energetischer Wirkungsgrad zu erwarten.
• Da keine Feuerfestmaterialien zur Ausmauerung des Reaktors eingesetzt werden müssen, werden schnellere An- und Abfahrzyklen erreicht.
• Eine homogenere Temperaturfahrweise erlaubt höhere Ausbeuten, wodurch sich die spezifischen Einsatzmengen an Methan und Ammoniak zur Blausäureherstellung verringern. Es ist nämlich bekannt, dass bei homogener Temperaturverteilung deutlich höhere Ausbeuten bei gleichzeitig geringerer Nebenproduktbildung erzielt werden können.
Auch im Bereich der Investitionskosten sind Vorteile auf Seiten einer elektrisch beheizten BMA- Anlage gegenüber einer thermisch beheizten Anlage zu sehen:
• die Abwesenheit von Brenngas- und Rauchgasräumen erlaubt eine kompaktere Bauweise und höhere Raumzeitausbeuten,
• ebenso sind günstige, modulare Verschaltungen möglich.
Schließlich ist ein elektrisches betriebenes BMA Verfahren nachhaltiger:
• das anfallende, wasserstoffhaltige Restgas kann ggf. in nachgeschalteten Prozessen Erdgas als Heizgas substituieren und hier eine zusätzliche CO2 Minderung erreichen.
• Durch Wegfall der Feuerfestmaterialien und einem Prozessdesign, das einen höheren Automatisierungsgrad erlaubt, können bei Betriebsstörungen Fackelzeiten deutlich minimiert werden.
• Der Wasserstoff im anfallenden Restgas hat einen erheblich niedrigen CO2-Rucksack als Wasserstoff, der aus fossilen Kohlenwasserstoffen im Steam Reformer erzeugt wird und kann, nach eventuell notwendiger Aufreinigung, als Rohstoff für weitere chemische Reaktionen eingesetzt werden.
Aus all diesen Gründen besteht ein Interesse daran, ein mit elektrischer Energie betriebenes BMA Verfahren zu entwickeln, mit welchem im industriellen Maßstab Blausäure produziert werden kann.
Zur Herstellung von HCN in elektrisch beheizten Reaktoren sind verschiedenen Konzepte bekannt: Zum einen wird für die Blausäureherstellung die Anwendung von elektrisch beheizten Festbettreaktoren beschrieben, wobei die Aufheizung der Katalysatorschüttung durch Induktion erfolgen kann; vgl. WO2017186437A1 .
Zum anderen werden strukturierte Katalysatorkörper, sogenannten Monolithe, aus elektrisch leitfähigem Material eingesetzt, wie dies in WO2019228798A1 oder WO2021/063799A1 beschrieben ist. In den genannten Veröffentlichungen werden die Edukte durch die mit Katalysator beschichteten Kanäle einer elektrisch beheizten Struktur (Widerstandsheizung) geleitet.
Aus der DE10317197A1 ist ein Reaktor zur Herstellung von Blausäure nach dem BMA Verfahren bekannt, der wahlweise mit einer Induktionsheizung oder einer Widerstandsheizung versehen sein kann. Die Beheizung erfolgt über ein im Reaktionsraum angeordnetes Modul, welches von den Reaktionsgemisch längs durchströmt wird. Der Reaktor ist von einer Wärmeisolierung umgeben und mit einem gasdicht abschließenden Doppelmantel versehen. Der Doppelmantel wird mit einem Inertgas gefüllt. Nachteil dieses Reaktors ist eine monolithische Struktur, die eine fehlerfreie, homogene Fertigung aus einem Grünling sehr aufwendig macht, anfällig für Materialbeanspruchung bis hin zu Rissen aufgrund thermischer Spannungen ist und als aufwändig angesehen wird für Baugrößen im industriellen Maßstab.
In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen elektrisch beheizbaren Reaktor für die Herstellung von gasförmigen Produkten wie Blausäure und anderen Nitrilen anzugeben, der beständig gegen thermische (Wechsel-)Beanspruchung ist und eine hohe Verfügbarkeit der Heizelemente aufweist, ein differenziertes Temperaturprofil ermöglicht und mit kostengünstigen Standard-Bauteilen auskommt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Apparat nach Anspruch 1 . Ein erster Gegenstand der Erfindung ist mithin ein Apparat zur Herstellung von mindestens einem Produktgas aus mindestens einem Eduktgas, insbesondere für die Herstellung von Nitrilen als Produkt mit den folgenden Merkmalen: a) der Apparat umfasst eine Kammer mit einer gasdurchlässigen und wärmeisolierenden Wandung, mit einem Zulauf für das Eduktgas, mit einem Ablauf für das Produktgas und mit einer Hauptströmungsrichtung, die sich vom Zulauf zum Ablauf erstreckt; b) der Apparat umfasst einen gasdichten Mantel, welcher die Kammer umschließt, wobei der Zulauf und der Ablauf durch den Mantel hindurchgeführt sind; c) zwischen Kammer und Mantel ist ein Zwischenraum vorgesehen, welcher die Kammer umschließt und seinerseits von dem Mantel umschlossen ist; d) der Apparat umfasst mindestens ein elektrisches Heizelement, welches sich durch die Kammer erstreckt und deren Wandung zumindest einmal durchstößt, und welches mindestens zwei elektrische Anschlüsse aufweist, welche innerhalb des Zwischenraums und außerhalb der Kammer angeordnet sind; e) der Apparat umfasst eine außerhalb des Mantels angeordnete elektrische Spannungsquelle, welche zumindest über eine erste elektrische Leitung mit dem ersten elektrischen Anschluss des Heizelements und über eine zweite elektrische Leitung mit dem zweiten elektrischen Anschluss des Heizelements verbunden ist, wobei die erste und zweite elektrische Leitung durch den Mantel hindurchgeführt sind; f) der Apparat umfasst mindestens ein Anschlusselement für eine außerhalb des Mantels angeordnete Füllgasquelle, die über eine Füllgasleitung mit dem Zwischenraum dergestalt fluidleitend verbindbar ist, dass der Zwischenraum mit einem von der Füllgasquelle bezogenen Füllgas beaufschlagbar ist; g) in der Kammer ist ein Katalysator angeordnet.
Kern des erfindungsgemäßen Apparates ist eine Kammer, welche den eigentlichen Reaktionsraum darstellt. In der Kammer befinden sich die elektrischen Heizelemente, sodass sich die Kammer von innen mit den Heizelementen elektrisch beheizen lässt. Anders als bei industriell praktizierten BMA- Verfahren wird die Wärme also nicht von außen in den Reaktionsraum transportiert, sondern im Reaktionsraum erst erzeugt. Die Wärme-Erzeugung erfolgt in den Heizelementen durch Umwandlung elektrischer Energie nach dem Prinzip einer Widerstandsheizung. Anders als bei industriell praktizierten BMA-Verfahren gibt es bei dem erfindungsgemäßen Apparat keinen Energieverlust durch Rauchgas, das mit Reaktionstemperatur anfällt. Dadurch ist die energetische Effizienz deutlich erhöht.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Apparates besteht darin, dass die Heizelemente durch die Wandung der Kammer hindurch stoßen. Dies bedeutet, dass die Heizelemente sich nicht nur innerhalb der Kammer befinden, sondern teilweise auch außerhalb der Kammer. Der Abschnitt der Heizelemente, der sich innerhalb der Kammer befindet, dient der Beheizung der Kammer. Die Abschnitte der Heizelemente, die sich außerhalb der Kammer befinden, dienen dem elektrischen Anschluss. Jedes Heizelement weist mindestens zwei außerhalb der Kammer liegende Abschnitte auf, weil jedes Heizelement mindestens zwei elektrische Anschlüsse benötigt. Jeder elektrische Anschluss befindet sich auf einem Abschnitt des Heizelements, welcher außerhalb der Kammer liegt.
Da die Wandung der Kammer mit einem wärmeisolierenden Material ausgekleidet ist und/oder aus einem wärmeisolierenden Material besteht, ist die Temperatur außerhalb der Kammer niedriger als innerhalb der Kammer, sodass dort die elektrische Kontaktierung einfacher zu bewerkstelligen ist.
Die erfindungsgemäße Durchführung der Heizelemente durch die Wandung hindurch beruht zudem auf der Erkenntnis, dass eine Abdichtung der Kammer im Bereich der Heizelemente ohnehin nicht möglich ist. Aufgrund der Wärmedehnung muss genügend Spielraum in der Durchführung der Heizelemente gewährleistet sein, um eine Relativbewegung zwischen Wandung und Heizelemente zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist gewollt, dass die Durchführung der Heizelemente durch die Wandung gasdurchlässig ist. Um einen Übergang von Edukt- oder Produktgasen in den Zwischenraum zu verhindern, wird das aufgegebene Füllgas genutzt. Dies bedeutet auch, dass im Zwischenraum immer mindestens derselbe oder ein höherer Druck als in der Kammer herrschen muss, um einen Austritt von Edukt- oder Produktgasen aus der Kammer zu verhindern.
Um die Gasdichtigkeit des Apparats sicherzustellen, ist erfindungsgemäß ein Mantel vorgesehen, welcher die Kammer gasdicht umschließt. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Mantel und der Wandung der Kammer der Zwischenraum. Der Zwischenraum wird gemäß der Erfindung mit dem Füllgas beaufschlagt, welches aufgrund der Gasdichtigkeit des Mantels den Zwischenraum nach außen nicht verlassen kann. Bei dem Füllgas handelt es sich überwiegend um Stickstoff oder Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff oder um ein Gemisch aus überwiegend Stickstoff und Wasserstoff und Kohlenwasserstoff. In dem Füllgas können ggf. Spuren anderer Gase enthalten sein. Das Füllgas kann aus dem Downstreamprozess des Verfahrens rezykliert werden, da das im BMA-Verfahren anfallende Restgas die oben angeführten Füllgase enthalten kann.
Der Gasdruck im Zwischenraum wird im Betrieb so eingeregelt, dass er kontinuierlich ein wenig höher liegt als der Reaktionsdruck in der Kammer. Auf diese Weise wird weitestgehend verhindert, dass Gase aus dem Innern der Kammer in den Zwischenraum gelangen. Wenn dies doch geschieht, ist dies nicht weiter schlimm, weil der Mantel gasdicht ausgeführt ist. Wenn umgekehrt etwas von dem Füllgas durch die gasundichte Wandung in die Kammer gelangt, ist das ebenfalls unkritisch.
Der Mantel ist aus wärmeleitfähigen Metall gefertigt und dient auch zur Wärmeabfuhr. Dazu nimmt der Mantel die von der Wandung ausgehende Wärmestrahlung auf und führt sie an die Umgebung ab. Da der Zwischenraum zwischen Wandung und Mantel lediglich mit Füllgas gefüllt ist, wird die Wärmestrahlung von der Wandung auf den Mantel nicht beeinträchtigt.
Um die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern, kann der gasdichte Mantel mit einem zusätzlichen Wärmetauscher versehen sein. Der Wärmetauscher wird außerhalb des Mantels angeordnet und wärmeleitend mit dem Mantel verbunden. Die von dem Mantel aufgenommene Strahlungswärme wird so über den Wärmetauscher abgeführt. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise mit einem Kühlfluid beaufschlagt. Dazu wird der Wärmetauscher über einen Vorlauf mit einer Kühlfluidquelle und über einen Rücklauf mit einer Kühlfluidsenke fluidleitend verbunden. Auf diese Weise fließt das Kühlfluid von der seiner Quelle durch den Vorlauf in den Wärmetauscher, nimmt dort die Wärme des Mantels auf und fließt über der Rücklauf zur Senke. Die Temperatur des Kühlfluids nimmt dabei in der Regel zu, sodass die Temperatur des Kühlfluids im Rücklauf höher ist als im Zulauf. Es ist auch denkbar, die Quelle und Senke des Kühlfluids in einem zweiten Wärmetauscher zusammenzuschließen und so einen Kühlfuidkreislauf zu schaffen. Als Kühlfluid eigenen sich Luft, gasförmiger oder flüssiger Stickstoff, gasförmiges Argon, gasförmiges oder flüssiges Wasser, flüssiges Öl, gasförmiger Ammoniak, gasförmiger Kohlenwasserstoff oder Mischungen daraus. Das Kühlfluid kann seinen thermodynamischen Zustand im Wärmetauscher ändern, etwa verdampfen. Es ist auch denkbar, das Eduktgasgemisch als Kühlfluid zu verwenden und dies im Wärmetauscher vorzuwärmen. Der Rücklauf führt dann unmittelbar in die Kammer oder über den Einlauf in die Kammer. Die Kammer dient insoweit als Kühlmittelsenke.
Es kommen verschiedene Ausführungsformen des Wärmetauschers in Betracht. In einer ersten Ausführungsform wird der gasdichte Mantel doppelwandig ausgeführt (Doppelmantel). Zwischen den beiden Wänden des Mantels entsteht ein Hohlraum, der mit dem Kühlfluid gefüllt wird. Die Wärmeübertragung erfolgt dann direkt von der inneren Wand des Doppelmantels auf das Kühlfluid. Der mit Kühlfluid gefüllte Doppelmantel hat den Vorteil, dass das Kühlfluid zusätzlich vor Gasausbruch schützt, falls der innere Mantel versagen sollte.
Alternativ ist es denkbar, dass der Wärmetauscher als eine Kühlschlange ausgeführt wird, welche um den Mantel herumgeschlungen wird. Die Kühlschlange stellt eine Verbindung zwischen Vorlauf und Rücklauf des Kühlfluids dar.
Einfachstenfalls handelt es sich bei der Kühlschlange um ein mit Kühlfluid gefülltes Rohr, welches über Wärmebrücken mit der Außenseite des gasdichten Mantels verbunden ist. Das Rohr besteht wie der Mantel aus Stahl. Bei den Wärmebrücken handelt es sich um Stahlstege, die mit dem Rohr und dem Mantel verschweißt sind. Die Stahlstege dienen somit der Befestigung der Kühlschlange auf dem Mantel als auch als Wärmebrücke zwischen Mantel und Kühlschlange.
Alternativ kann die Kühlschlange dadurch erhalten sein, dass ein offenes Profil auf der Außenseite des gasdichten Mantels aufgeschweißt ist. Das Kühlfluid befindet sich dann zumindest teilweise zwischen Profil und der Außenseite des gasdichten Mantels. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Wärmeübergang direkt von dem Mantel in das Kühlfluid erfolgt - ohne Umweg über Wärmebrücken.
Die Wandung der Kammer ist vorzugsweise mehrschichtig ausgeführt. Sie umfasst vorzugsweise eine äußere Schale aus Metall und eine innen in der Schalung angeordnete Isolation aus einem wärmeisolierenden Material. Die Schale aus Metall stabilisiert die Kammer und gibt die Wärmestrahlung in den Zwischenraum ab. Um den Wärmeabfluss gering zu halten, wird eine Isolation aus einem wärmeisolierenden Material verwendet, dessen Wärmeleitfähigkeit viel geringer ist als die von der metallischen Schale. Die Isolation wird vorzugsweise aus einem mineralischem oder keramischen Material hergestellt, das eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist. Vorzugsweise werden mineralische Mikrofaserplatten als Isolation verwendet.
Es ist auch denkbar, eine mehrschichtige Wärmeisolierung zu verwenden, wobei die einzelnen Schichten der Wärmeisolierung eine unterschiedliche spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Besonders bevorzugt umfasst die wärmeisolierende Wandung auf der Seite der Kammer eine innere Schicht mit einer geschlossenen Oberfläche auf. Unter einer geschlossenen Oberfläche ist zu verstehen, dass die Oberfläche weitestgehend porenfrei ist.. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass einzelne Strukturelemente mit geeigneter Oberfläche versetzt übereinander angeordnet werden. Insbesondere kann die Wandung an ihrer Innenseite mit metallischen oder keramischen Elementen versehen sein, die nicht aus Fasermaterial bestehen. Metallische und keramische Elemente können mit für diese Werkstoffe üblichen Technologien weitestgehend porenfrei hergestellt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die innen liegende Wandung zur Kammer auf der Oberfläche mit einer katalytisch aktiven oder aktivierbaren Beschichtung versehen ist, welche den Katalysator enthält. Dadurch wird die Wandung der Kammer selbst katalytisch aktiv, was Ablagerungen auf der Wärmeisolierung vermeidet.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Kammer in Hauptströmungsrichtung gesehen einen unrunden Querschnitt aufweist. Insbesondere macht es Sinn, wenn die Kammer in Hauptströmungsrichtung gesehen einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Auf einem rechteckigen Querschnitt lassen sich die Heizelemente gleichmäßiger verteilen.
Zur Anordnung der Heizelemente ist anzumerken, dass dies vorzugsweise so erfolgt, dass die Heizelemente in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet oder zueinander versetzt angeordnet sind. Falls die Heizelemente in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet sind, entsteht ein lichter Durchgang zwischen den Heizelementen, der den Strömungswiderstand senkt. Sind die Heizelemente versetzt hintereinander angeordnet, ist der Strömungswiderstand zwar höher, weil kein freier Durchgang besteht, aber dafür kommen alle Strömungspfade mit Heizelementen in Kontakt, sodass der Wärmeübergang intensiver ist.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die innersten Schichten der wärmeisolierenden Wandung mit der geschlossenen Oberfläche eine hohen Temperaturwechselbeständigkeit besitzen. Die wird durch Materialauswahl und Verarbeitung erreicht. Eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit hat den Vorteil, dass der Apparat schnell aufgeheizt und wieder abgekühlt werden kann, ohne dass die Wärmeisolierung der Wandung Schaden nimmt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Reaktor zur Bereitstellung von negativer Regelleistung im Rahmen der Stromnetzstabilisierung genutzt werden kann. Herkömmliche BMA Reaktoren weisen eine feuerfeste Ausmauerung auf, die über mehrere Stunden aufgeheizt oder gekühlt werden müssen, um nicht zu reißen. Für die Bereitstellung von Regelleistung ist das viel zu träge, hier kommt es auf Minuten an.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Apparats zur Bereitstellung negativer Regelleistung zwecks Stabilisierung von Stromnetzen ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung. Bevorzugt kann der Apparat zur Bereitstellung einer negativen Minutenreserve genutzt werden. Negative Regelleistung bedeutet, dass der Apparat nur dann mit von der elektrischen Spannungsquelle bezogenen Spannung beaufschlagt wird, wenn in dem Netz, mit dem die elektrische Spannungsquelle verbunden ist, ein Überangebot an elektrischer Leistung herrscht. Umgekehrt kann der Apparat auch von der elektrischen Spannungsquelle getrennt werden, falls sich ein Unterangebot an elektrisch verfügbarer Leistung einstellt. Auf beide Weisen wird das Netz, in dem die elektrische Spannungsquelle eingegliedert ist, stabilisiert. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn in dem Netz viele Naturstromquellen wie Windkraft oder Photovoltaik genutzt werden, deren Leistungsabgabe stark fluktuiert.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion des Apparats besteht darin, dass herkömmliche, kommerziell erhältliche Heizelemente als Widerstandsheizung verwendet werden können, wie sie in herkömmlichen, elektrisch beheizten Industrie-Öfen verwendet werden. Eine Sonderkonstruktion der elektrischen Widerstandsheizung oder ein kostspieliger 3D-Druck entfällt.
Elektrische Heizelemente sind kommerziell erhältlich aus Siliciumcarbid oder Molybdänsilicid oder anderen Materialien und bei den Reaktionsbedingungen beständig.
Es ist vorteilhaft, wenn die Heizelemente quer zu der Strömung ausgerichtet werden. Dies führt dazu, dass die Heizelemente nur geringe Temperaturunterschiede erfahren. Da der erfindungsgemäße Apparat dafür eingerichtet ist, in einem kontinuierlichen Verfahren betrieben zu werden, entstehen im Betrieb Bereiche mit annähernd gleicher Temperatur, die sich durch die Kammer erstrecken; und zwar im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung der Reaktanten durch die Kammer. Werden die Heizelemente entlang dieser Richtung angeordnet, ist die Belastung der Heizelemente durch Temperaturunterschiede sehr gering.
Darüber hinaus sind die Heizelemente in einfacher Weise separat regelbar. Die Verwendung separat regelbarer Heizelemente ermöglicht gegebenenfalls die Einstellung eines Temperaturprofils, um so den Temperaturverlauf der Reaktion gezielt zu steuern. So ist es möglich, den Umsatz und die Ausbeute der Reaktion zu optimieren und die Bildung unerwünschter Nebenprodukte zu unterdrücken. Das Temperaturprofil wird durch die Regelung der elektrischen Leistung eingestellt: Die Einstellung eines Leistungsprofils über die Reaktorlänge ergibt ein Temperaturprofil. Die bevorzugte Ausführungsform des Apparates orientiert sich an der Ausführung kommerziell erhältlicher Heizelemente Diese sind entweder I-förmig, U-förmig, W-förmig oder M-förmig. Alle diese Heizelemente weisen eine gedachte Hauptwiderstandsachse auf, die quer zur Strömungsrichtung anzuordnen ist.
Die Heizelemente sind im Wesentlichen zylindrisch ausgeformt, können aber auch andere Querschnitte, z.B. einen elliptischen Querschnitt, aufweisen. Die I-förmigen Heizelemente weisen genau zwei elektrische Anschlüsse auf, nämlich einen an jedem Ende. Eingebaut erstrecken sich die I-förmigen Heizelemente linear durch die Kammer und ragen mit ihren endseitigen elektrischen Anschlüssen aus der Wandung heraus. Ihre Hauptwiderstandsachse entspricht ihrer Längsachse.
Die U-förmigen Heizelemente weisen auch zwei elektrische Anschlüsse auf, nämlich jeweils am offenen Ende der Schenkel. Die Anschlüsse liegen somit auf derselben Seite. Eingebaut erstrecken sich die beiden Schenkel parallel durch die Kammer. Die Schenkel durchstoßen die Wandung, sodass die Enden mit den elektrischen Anschlüssen herausragen. Die Hauptwiderstandsachse entspricht der Symmetrieachse.
Die W-förmigen Heizelemente entsprechen einem doppelten U und weisen drei elektrische Anschlüsse auf. Sie sind für den Einsatz in Dreiphasen-Netzen bestimmt. Die Hauptwiderstandsachse entspricht der Symmetrieachse.
Die Heizelemente werden vorzugsweise so eingebaut, dass die Hauptwiderstandsachse mit der Hauptströmungsrichtung einen Winkel ip einschließen, der mindestens 0° und höchstens 90° beträgt. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel ip 90°. Die Hauptwiderstandsachse der Heizelemente steht dann senkrecht auf der Hauptströmungsrichtung. Dies ist strömungs- und thermodynamisch am günstigsten.
Vorzugsweise wird der Apparat so aufgestellt, dass die Hauptströmungsrichtung vertikal, also parallel zur Erdbeschleunigung verläuft. Auf diese Weise wird die Hauptströmungsrichtung nicht durch die Gravitation abgelenkt, sodass die Ausrichtung der Heizelemente zu der Strömung beibehalten wird. Vorzugsweise verläuft Hauptströmungsrichtung entgegen der Erdbeschleunigung also aufwärts. Dies verhindert einen Wärmeauftrieb quer zur Strömungsrichtung.
Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Heizelementen in dem Apparat verbaut. Diese können per Reihen-, Parallel- oder Sternschaltung oder einer Mischung dieser Schaltungen mit der ersten und der zweiten elektrischen Leitung und ggf. auch mit der dritten elektrischen Leitung elektrisch leitend verbunden sind. Bevorzugt werden Heizelemente aus Siliciumcarbid oder aus Molybdänsilicid eingesetzt, die mit Katalysator beschichtet sind. Es kann sinnvoll sein, auf der Oberfläche der Heizelemente eine Schutzbeschichtung vorzusehen, auf welche der Katalysator aufgetragen wird. Dies verhindert eine chemische oder physikalische Reaktion zwischen Katalysator und Kern.
Alternativ kann der Katalysator auf einen herkömmlichen, unbeheizten Katalysatorträger aufgebracht und in die Kammer eingefüllt werden.
Da sich im Bereich der Wandung Kurzschlussströmungen ausbilden können kann dies zu einem suboptimalen Reaktionsverlauf führen. Um die Bildung unerwünschter Strömungsregimes zu vermeiden, können unbeheizte Heizelemente zusätzlich eingebracht werden.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Apparats erschließt somit eine Vielzahl von Vorteilen, die sich insbesondere bei der Herstellung von Produktgasen wie Blausäure oder anderen Nitrilen, zum Beispiel Aceto- oder Acrylnitril heben lassen.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist mithin ein Verfahren zur Herstellung von Nitrilen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Apparats. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Apparats b) Beaufschlagen des Zulaufs mit einem Eduktgasgemisch; enthaltend zumindest Ammoniak und gasförmiger Kohlenwasserstoff; c) Beaufschlagen des Heizelements mit von der elektrischen Spannungsquelle bezogenen elektrischem Strom; d) Abziehen eines Produktgasgemisches enthaltend zumindest ein gebildetes Nitril, aus dem Ablauf.
Vorzugsweise wird auf diese Weise Blausäure hergestellt. Bei der Blausäure handelt es sich um ein Nitril, das in dem Produktgasgemisch anfällt. In dem Eduktgasgemisch muss dafür der Kohlenwasserstoff Methan enthalten sein. Sofern Blausäure hergestellt werden soll, wird als Katalysator ein Material verwendet, das Platin enthält.
Sofern das Eduktgasgemisch zusätzlich Sauerstoff enthält, entsteht ein potentiell zündfähiges Gemisch. Die Zündfähigkeit ist dann gegeben, wenn die Konzentration des Sauerstoffs KO innerhalb des Eduktgasgemisches oberhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration SGK des Gemisches liegt. Die Sauerstoffgrenzkonzentration SGK hängt von der Zusammensetzung des Eduktgasgemisches ab und ist entsprechenden Tabellenwerken zu entnehmen. Vorzugsweise weist das Eduktgasgemisch so wenig Sauerstoff auf, dass Konzentration des Sauerstoffs KO? unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration SGK liegt. Dies bedeutet, dass das Eduktgasgemisch nicht zündfähig ist. Dadurch lässt sich die Sicherheit des Betriebes mit geringerem Aufwand sicher stellen.
Ein unterhalb der Zündgrenze betriebenes Verfahren zur Herstellung von Blausäure ist als BMA- Verfahren aufzufassen. Da die für die Reaktion benötigte Wärmeenergie elektrisch bereit gestellt wird, wird es im Folgenden als „E-BMA-Verfahren“ bezeichnet.
Anders als die klassischen, thermisch beheizten BMA- und Andrussow-Verfahren ermöglicht das E- BMA-Verfahren eine nahezu komplette Stoffumwandlung der Edukte mittels elektrischer Energie, im Falle des Einsatzes von grünem Strom sogar potentiell CO2-neutral. (Das beim Andrussow- Verfahren eingesetzte Methan wird aufgrund der Prozesscharakteristik anteilig immer zu CO2 umgewandelt.)
Dank der besonderen Konstruktion des erfindungsgemäßen Apparats ist es möglich, den damit betriebenen E-BMA Prozess hinsichtlich Ausbeute und Umsatz so zu optimieren, dass er mit klassischem BMA und Andrussow-Prozessen konkurrenzfähig ist.
Neben E-BMA-Verfahren kann der erfindungsgemäße Apparat auch für ähnliche Reaktionen eingesetzt werden, so zum Beispiel für die Herstellung von Aceto- und Acrylnitril.
Der erfindungsgemäße Apparat ist dafür eingerichtet, bei einem in der Kammer herrschenden Reaktionsdruck PR von mindestens 1*105 Pa absolut und höchstens 5*105 Pa absolut betrieben zu werden. Vorzugsweise herrscht im Zwischenraum ein leicht größerer Gasdruck pc, um ein geringes Druckgefälle zum Reaktionsraum zu schaffen. Auf diese Weise ist die Wandung des Reaktionsraumes nahezu druckfrei. Der Überdruck zum Umgebungsdruck wird indes von der Wandung des Mantels getragen. Die Wandung des Mantels ist entsprechend druckfest auszuführen.
Der Gasdruck pc in dem Zwischenraum wird von dem Füllgas aufgebracht. Bei dem Füllgas handelt es sich überwiegend um Stickstoff oder Wasserstoff oder Methan oder um ein Gemisch aus überwiegend Stickstoff, Wasserstoff und Methan. In dem Füllgas können ggf. Spuren anderer Gase enthalten sein.
Vorzugsweise wird der Prozess so betrieben, dass die Heizelemente in Reaktionsraum gleichmäßig angeströmt werden, so dass sich bei konstanter Oberflächenleistung ein nahezu konstantes Temperaturprofil über das jeweilige Heizelement ausbildet. Die thermische Belastung ist auf diese Weise für die Heizelemente besser zu ertragen. Die Lebensdauer der Heizelemente verlängert sich.
Das Temperaturfenster für die Reaktion liegt zwischen 800°C und kleiner 1500°C. Die Reaktionstemperatur ist nicht notwendigerweise an allen Orten in der Kammer identisch, sondern kann unterschiedliche Werte in dem genannten Temperaturfenster annehmen. Im Zwischenraum herrscht eine Zwischentemperatur Tcvon kleiner 400°C, vorzugsweise kleiner 150DC.
Um die Temperatur im Zwischenraum auf kleiner 400°C zu halten wird vorzugsweise mittels eines Kühlfluids Wärme über einen Wärmetauscher von dem Mantel abgeführt. Dafür wird das Kühlfluid kontinuierlich von der Kühlfluidquelle bezogen, der Wärmetauscher kontinuierlich mit dem Kühlfluid beaufschlagt wird, und dass kontinuierlich Kühlfluid aus dem Wärmetauscher abgezogen wird, wobei die Temperatur des Kühlfluid in dem Vorlauf geringer ist als in dem Rücklauf.
In einer besonderen Ausführungsform wird das Eduktgasgemisch als Kühlfluid genutzt. Als Kühlfluidsenke dient dann die Kammer des Apparats. Auf diese Weise wird das Eduktgasgemisch vorgewärmt und die Wärme zurückgewonnen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierfür zeigen:
Fig. 1 Erste Ausführungsform des Apparats (lineare Heizelemente), schematisch;
Fig. 2 Zweite Ausführungsform des Apparats (U-förmige Heizelemente), schematisch.
Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen Apparat 0 schematisch. Der Apparat 0 umfasst eine Kammer 1 mit einer nicht gasdichten Wandung 2. Die Wandung 2 umfasst ein wärmeisolierendes Material und eine darum gelegte Schale aus einem metallischen Werkstoff. Innerhalb der Kammer 1 wird eine chemische Reaktion durchgeführt. Die Kammer 1 stellt somit den Reaktionsraum dar.
Bei der chemischen Reaktion handelt es sich beispielhaft um die Umsetzung von Methan CH4 mit Ammoniak NH3 in Abwesenheit von Sauerstoff O2, wodurch Blausäure HCN und Wasserstoff H2 entstehen (E-BMA-Verfahren).
Der Eduktstrom, der überwiegend Methan CH4 und Ammoniak NH3 enthält, wird als ein Gasgemisch durch einen Zulauf 3 über eine Verteileinrichtung (z.B. ein Lochblech) in die Kammer 1 geführt. Die Produkte Blausäure HCN und Wasserstoff H2 sowie unverbrauchte Edukte und Nebenprodukte werden ebenfalls gasförmig aus der Kammer 1 abgezogen, nämlich durch einen dafür vorgesehenen Ablauf 4.
Für die chemische Umsetzung wird thermische Energie benötigt. Diese wird erfindungsgemäß durch Umwandlung von elektrischer Energie innerhalb der Kammer 1 erzeugt. Die Wärme wird auf einem Temperaturniveau im Bereich zwischen 800°C und 1500°C benötigt (Reaktionstemperatur TR).
Für diesen Zweck sind in der Kammer 1 eine Vielzahl von Heizelementen 5 vorgesehen, die sich durch die Kammer 1 hindurch erstrecken. Bei den Heizelementen 5 handelt es sich einfachstenfalls um zylindrische Elemente aus Siliciumcarbid. Siliciumcarbid ist sehr temperaturstabil und wird aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften häufig in der Praxis zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme eingesetzt. Jedes Heizelement 5 weist mindestens zwei elektrische Anschlüsse +/- auf. Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur (7R = 800°C bis 1500°C), die innerhalb der Kammer 1 herrscht, ist es wichtig, dass die elektrischen Anschlüsse (+/-) der Heizelemente 5 sich außerhalb der Kammer 1 befinden. Aus diesem Grund erstrecken sich die Heizelemente 5 durch die Wandung 2 der Kammer 1 hindurch. Im Bereich der Durchführung ist jeweils eine Hülse zwischen Wandung und Heizelement angeordnet (nicht dargestellt). Da die Wandung 2 aus wärmeisolierendem Material besteht und der Apparat 0 eine später beschriebene aktive Kühlung aufweist, ist die Temperatur außerhalb der Kammer 1 , im Bereich der elektrischen Anschlüsse +/- viel niedriger; sie liegt etwa bei kleiner 400°C. Diese Temperatur wird hier Zwischentemperatur Tc genannt.
In diesem niedrigeren Temperaturbereich sind die elektrischen Anschlüsse +/- mit einer ersten Verschaltung 61 und einer zweiten Verschaltung 62 jeweils an eine erste elektrische Leitung 71 bzw. an eine zweite elektrische Leitung 72 angeschlossen. Bei den Verschaltungen 61 , 62 kann es sich um eine Reihenschaltung (nicht dargestellt) oder um eine Parallelschaltung (dargestellt) oder um eine Mischung aus beiden handeln. In dreiphasigen Netzen ist auch eine Sternschaltung möglich (nicht dargestellt). Die erste und die zweite elektrische Leitung 71 , 72 führen zu einer elektrischen Spannungsquelle 8. In dreiphasigen Netzen wird eine dritte elektrische Leitung zur Spannungsquelle 8 benötigt (nicht dargestellt).
Die Spannungsquelle 8 stellt die für den Prozess notwenige Energie in elektrischer Form bereit. Vorzugweise wird die gesamte Energie, welche für die chemische Umsetzung von Methan und Ammoniak in Blausäure und Wasserstoff notwendig ist, in elektrischer Form bereitgestellt.
Im Betrieb werden die elektrischen Heizelemente über die elektrischen Leitungen 71 , 72 und die Verschaltungen 61 , 62 mit einer von der elektrischen Spannungsquelle 8 bezogenen elektrischen Spannung U beaufschlagt, sodass durch die elektrischen Heizelemente 5 ein elektrischer Strom / fließt. Die Heizelemente 5 wandeln die elektrische Energie in Wärmeenergie um, wodurch sich die Oberfläche der Heizelemente erhitzt. Dies ermöglicht die Reaktion.
Im Gegensatz zum klassischen thermisch beheizten BMA-Verfahren, wird die für die Reaktion benötigte Wärme nicht von außen in die Kammer 1 eingeleitet, sondern in-situ im Reaktionsraum mit den Heizelementen 5 erzeugt.
Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird in der Kammer 1 ein Katalysator eingesetzt. Der Katalysator kann Platin enthalten und ist vorzugsweise auf der Oberfläche der Heizelemente 5 aufgetragen. Die in dem Prozess erzeugte Blausäure HCN ist hochgiftig. Um einen Ausbruch der Blausäure zu vermeiden, ist die Kammer 1 von einem gasdichten Mantel 9 umgeben, der doppelwandig als ein Doppelmantel ausgeführt ist. Der Doppelmantel 9 dient gleichzeitig als ein Wärmetauscher 10, der mit einem Kühlfuid gefüllt wird.
Damit die gasförmigen Edukte CHU, NH3 durch den gasdichten Mantel 9 in die Kammer 1 und die Produkte HCN, H2 und nicht umgesetzte Edukte sowie Nebenprodukte aus der Kammer 1 wieder heraus gelangen, sind der Zulauf 3 und der Ablauf 4 jeweils durch den Mantel 9 hindurchgeführt und demgegenüber gasdicht abgedichtet.
Zwischen Mantel 9 und Kammer 1 erstreckt sich ein Zwischenraum 12. Die Heizelemente 5 erstrecken sich durch die Wandung 2 der Kammer 1 in den Zwischenraum 12, wo sich ihre elektrischen Anschlüsse +/- befinden.
Die Durchführung der Heizelemente 5 durch die Wandung 2 ist nicht gasdicht, weil hier aufgrund der Wärmeausdehnung eine gewisse Beweglichkeit der Heizelemente 5 gegenüber der Wandung 2 erforderlich ist. Auch die Wandung 2 der Kammer 1 ist anders als der Mantel 9 nicht gasdicht, weswegen Reaktionsteilnehmer aus der Kammer 1 in den Zwischenraum 12 gelangen könnten. Um dies zu verhindern, lässt sich der Zwischenraum 12 mit einem Füllgas statisch beaufschlagen, welches gegebenenfalls kleine Mengen der Edukte enthalten kann und welches ein Druckgefälle zum Reaktionsraum aufweist. Das Füllgas wird von einer Füllgasquelle 1 1 bezogen und über eine nicht gezeichnete Füllgasleitung und ein nicht gezeichnetes Anschlusselement in den Zwischenraum 12 geleitet.
In ähnlicher Weise wird der Doppelmantel 9 von innen mit einem Kühlfluid beaufschlagt, welches von einer Kühlfluidquellel 3 bezogen wird. Allerdings wird das Kühlfluid aus dem Mantel 9 wieder abgezogen; und zwar zu einer Kühlfluidsenkel 4. Das Kühlfluid fließt somit von der seiner Quelle 13 durch den Mantel 9 hindurch zu seiner Senke 14. Auf diese Weise wird über das Kühlfluid Wärme aus dem Doppelmantel 9 abgeführt. Der Doppelmantel 9 wirkt gleichzeitig als Wärmetauscher 10. Der Apparat 0 erhält so eine aktive Kühlung. Für diesen Zwecke wird als Kühlfluid eine Substanz mit guter spezifischer Wärmekapazität verwendet, etwa flüssiges Wasser oder flüssiges Öl. Bei der über das Kühlfluid zur Senke 14 abgeführte Wärme handelt es sich um Wärme, welche durch Wärmestrahlung von der metallischen Schale der Wandung 2 auf den Doppelmantel 9 übertragen worden ist. Diese ist dank der Isolierung der Wandung 2 vergleichsweise gering.
Als Alternative zu dem Doppelmantel 9 kann der Wärmetauscher 10 auch mit einer Kühlschlage verwirklicht werden, die um dem Mantel 9 herum geschlungen ist (nicht dargestellt). Der Mantel 9 kann dann einwandig ausgeführt sein, denn das Kühlfluid fließt durch die Kühlschlange. Sofern der Gasdruck pc des Füllgases in dem Zwischenraum 12 nur geringfügig größer ist als der Reaktionsdruck PR in der Kammer 1 , wird die die Wandung 2 der Kammer 1 kaum mechanisch belastet ist. Insbesondere braucht sie keinem massiven Innendruck standhalten. Folglich kann die Wandung 2 hinsichtlich Wärmeisolierung optimiert werden. Druckbelastet hingegen ist der Doppelmantel 9. Dieser muss nämlich im Gegensatz zu der Wandung 2 der Kammer 1 einem Innendruck standhalten, welcher der Differenz des Gasdrucks pc und dem Umgebungsdruck po entspricht. Da der Mantel 9 thermisch nicht so stark belastet ist - die Temperatur 7j des Kühlfluids innerhalb des Mantels 9 beträgt zumeist weniger als 100°C - ist hier die Drucksicherheit viel einfacher zu bewerkstelligen. Außerdem kann der Doppelmantel 9 aus Stahl bestehen, der zwar nicht wärmeisolierend ist, aber dafür mechanisch belastbarer als ein Isolationsmaterial, welches die Wandung 2 der Kammer 1 enthält. Die Wandung 2 erfüllt somit bei dem erfindungsgemäßen Apparat allein die Funktion der Wärmeisolierung, währenddessen die Funktion der Gasdichtigkeit und der Druckhaltung von dem Mantel 9 übernommen wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Apparats ist die Ausrichtung seiner Heizelemente 5 in Relation der Erdbeschleunigung g und der Hauptströmungsrichtung V der Reaktionsteilnehmer:
Die Hauptströmungsrichtung V erstreckt sich von dem Zulauf zu dem Ablauf durch die Kammer 1 hindurch. Entlang dieser Hauptströmungsrichtung V strömen die Edukte CH4, NH3 in die Kammer 1 ein und die Produkte HON, H2 sowie nicht ungesetzte Edukte und Nebenprodukte aus der Kammer 1 wieder aus.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Apparats sind die Heizelemente 5 quer zur Hauptströmungsrichtung V angeordnet, sodass die Längsachse H der Heizelemente 5 mit der Hauptströmungsrichtung V einen Winkel von 90° einschließen.
Dies hat den Vorteil, dass jedes Heizelement 5 lediglich geringe Temperaturunterschiede erfährt: Die Reaktionstemperatur TR ist nämlich nicht überall in der Kammer 1 gleich, sondern ändert sich entlang der Hauptströmungsrichtung V. Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass sich die Temperatur aufgrund es fortschreitenden Umsatzes entlang der Hauptströmungsrichtung ändert. Zum anderen können die Heizelemente 5 auch über die Leistungszufuhr auf unterschiedliche Temperatur eingestellt sein, um der Reaktion entlang der Hauptströmungsrichtung ein optimales Temperaturprofil aufzuprägen. Die Leistungszufuhr und damit letztendlich auch die Temperatur lässt sich über die Größe des Stroms einstellen, der von der Spannungsquelle 8 bezogen wird.
Wenn die Heizelemente 5 quer zur Hauptströmungsrichtung V angeordnet sind, ist das Temperaturprofil an der Position eines einzelnen Heizelements nahezu konstant Folglich ist die Temperaturausdehnung des Heizelements über seine gesamte Länge konstant, was wiederum seine Stabilität verbessert. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Apparats ist die Hauptströmungsrichtung V vertikal angeordnet, und zwar entgegen der Erdbeschleunigung g. Die Kammer 1 wird also bevorzugt von unten nach oben durchströmt, andere Strömungsrichtungen sind ebenfalls möglich, wenn die Bauform dies erfordert.
Unter der Maßgabe, dass sich die Hauptströmungsrichtung V vertikal erstreckt und die Längsachse der Heizelemente 5 unter 90° quer dazu, verläuft die Längsachse H der Heizelemente 5 optimalerweise horizontal.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform weist der Apparat 0 zylindrische Heizelemente 5 auf, bei denen die Längsachse H horizontal angeordnet ist.
Für den Fall, dass Heizelemente in einer anderen Bauform gewählt werden, ist die Ausrichtung innerhalb der Kammer entsprechend zu wählen.
So zeigt Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Apparats 0, bei der die Heizwiederstände 5 U-förmig sind. Um U-förmige Heizelemente entlang einer Isotherme auszurichten, sollten die Schenkel des U quer zur Hauptströmungsrichtung V ausgerichtet sein und an der gleichen Stelle entlang der Hauptströmungsrichtung V in der Kammer 1 positioniert sein. Bei einer vertikalen Hauptströmungsrichtung V können die Schenkel des U auf demselben Höhenniveau (nicht dargestellt). Insoweit erstrecken sich U-förmige Heizelemente ebenso wie zylindrische Heizelemente entlang einer Hauptwiderstandsachse H, die quer zur Hauptströmungsrichtung V angeordnet ist. Die Schenkel des U verlaufen parallel beidseitig der Hauptwiderstandsachse H, welche der Symmetrieachse des U entspricht. Bei zylindrischen Heizelementen (Figur 1 ) entspricht die Längsachse der Hauptwiderstandsachse H.
Wesentliche Aspekte der Erfindung sollen noch einmal zusammen gefasst werden:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrisch beheizbaren Reaktor für die Blausäureherstellung und die Herstellung anderer Nitrile anzugeben, der ein differenziertes Temperaturprofil ermöglicht und mit kostengünstigen Standard-Bauteilen auskommt. Kern des erfindungsgemäßen Apparats 0 ist die Kammer 1 aus gasdurchlässigem, wärmeisolierendem Material, welche den eigentlichen Reaktionsraum darstellt. In die Kammer 1 ragen die elektrische Heizelemente 5, sodass sich die Kammer 1 von innen mit den Heizelementen 5 beheizen lässt. Die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente befinden sich außerhalb des Reaktionsraumes, aber innerhalb des umschließenden Mantels. Anders als beim industriell praktizierten BMA-Verfahren wird die Wärme also nicht von außen in den Reaktionsraum transportiert, sondern im Reaktionsraum erzeugt. Die Wärme-Erzeugung erfolgt durch Umwandlung elektrischer Energie vermittels der Heizelemente 5 nach dem Prinzip einer Widerstandsheizung. Um die Gasdichtigkeit des Apparats 0 sicherzustellen ist der Mantel 9 vorgesehen, welcher die Kammer 1 gasdicht umschließt.
Versuche
Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Apparats verdeutlichen folgende Versuche.
Bei den Versuchen handelt es sich um Simulationen mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD). Es wurde die Software Ansys Fluent (Version Fluent 2021 R2) verwendet.
Der Reaktionsraum ist rechteckig und enthält ca. 900 Heizelemente.
Bei allen drei Versuchen besteht das Synthesegas aus Ammoniak und Methan im molaren Verhältnis von 1 ,1 : 1 bei einem absoluten Druck vom 2.8 bar (2.8*105 Pa). Das Gas ist auf 200°C vorgeheizt, die Eduktmenge beträgt 1440 kg/h. Die Simulationen werden unter adiabaten Bedingungen mit einer Heizleistung von 4.1 MW durchgeführt.
Die Ergebnisse der Simulationen sind graphisch in den Figuren 3 bis 6 dargestellt:
Fig 3: Temperatur entlang eines Heizelements im Zentrum des Reaktors bei horizontal und vertikaler Ausrichtung der Heizelemente;
Fig 4: Temperaturverlauf durch den Reaktor;
Fig. 5: Verlauf der Ausbeute;
Fig. 6: Verlauf Leistungsprofil in Versuch 3.
Versuch 1 (vertikale Ausrichtung der Heizelemente - konstante Leistung)
Die Heizelemente sind vertikal, d.h. parallel zur Erdbeschleunigung angeordnet und der Reaktor wird in horizontaler Richtung durchströmt. Die Leistung der Heizelemente ist im hier beschrieben Beispiel auf 38 kW/m2 gesetzt.
Aufgrund des thermischen Auftriebs können entlang des Heizelementes Temperaturgradienten von 500 bis 700 K vorliegen (vgl. gestrichelte Linie in Figur 3), welche die Lebensdauer des Heizelements negativ beeinflussen könnten. Der Temperaturverlauf durch den Reaktor ist in der gestrichelten Linie der Figur 4 aufgezeigt. Die Ausbeute an HCN basierend auf NH3 ist in der gestrichelten Linie der Figur 5 dargestellt. Die Ausbeute beträgt 72 %.
Versuch 2 (horizontale Ausrichtung der Heizelemente - konstante Leistung)
Die Betriebsparameter von Versuch 1 wurden beibehalten, d.h. die Leistung der Heizelemente ist im hier ebenfalls auf konstant 38 kW/m2 gesetzt. Die Heizelemente werden jedoch horizontal angeordnet und der Reaktor von unten nach oben durchströmt.
Aufgrund der horizontalen Anordnung der Heizelemente stellt über jedem Heizelement eine relativ homogene Temperatur ein, die die Lebensdauer des Heizelements positiv beeinflussen kann (vgl. durchgezogene Linie in Figur 3).
Der Temperaturverlauf ist in der gepunkteten Linie der Figur 4 aufgezeigt. Die Ausbeute an HCN basierend auf NH3 ist in der gepunkteten Linie der Figur 5 dargestellt. Die maximale Gas-Temperatur liegt oberhalb von 1400°C was die Lebensdauer des Heizelements negativ beeinflussen kann. Die Ausbeute an HCN basierend auf NH3 beträgt 80 %.
Versuch 3 (horizontale Ausrichtung der Heizelemente mit variablen LeistunasprofiD
Die Heizelemente werden horizontal angeordnet und der Reaktor von unten nach oben durchströmt. Die Leistung der Heizelemente wird über ein Profil geregelt, wobei die Leistung zwischen 4 und 60 kW/m2 variiert. Der Verlauf des Leistungsprofil ist in Figur 6 dargestellt.
Aufgrund der horizontalen Anordnung der Heizelemente stellt sich über jedem Heizelement eine nahezu homogene Temperatur ein, welche die Lebensdauer des Heizelements positiv beeinflussen kann. Der Temperaturverlauf über die Stablänge ist in der durchgezogenen Linie der Figur 3 dargestellt.
Der Temperaturverlauf durch den gesamten Reaktor ist in Figur 4 dargestellt (durchgezogene Linie) Die maximale Gas-Temperatur liegt im Bereich von 1300°C. Aufgrund des zum Ende sinkenden Leistungsprofil (Figur 6) nimmt auch die Temperatur zum Ende in Versuch 3 wieder ab (durchgezogene Linie der Figur 4).
Die Ausbeute an HCN basierend auf NH3 ist in der durchgezogenen Linie der Figur 5 dargestellt. Die Ausbeute an HCN basierend auf NHs beträgt 83 % und damit höher als im Versuch 1 und 2. Fazit
Die höchste Ausbeute ist zu erzielen, wenn die Heizelemente horizontal angeordnet werden und ein variables Leistungsprofil vorgesehen ist. Zudem leiden horizontale Heizelemente weniger Temperaturstress.
Bezugszeichen liste
0 Apparat
1 Kammer
2 Wandung
3 Zulauf
4 Ablauf
5 Heizelement
61 erste Verschaltung
62 zweite Verschaltung
71 erster elektrische Leitung
72 zweite elektrische Leitung
8 elektrische Spannungsquelle
9 Mantel (als Doppelmantel ausgeführt)
10 Wärmetauscher
11 Füllgasquelle
12 Zwischenraum
13 Kühlfluidquelle
14 Kühlfluidsenke
+ erster elektrischer Anschluss zweiter elektrischer Anschluss
Pt Platin-Katalysator
TR Reaktionstemperatur
Tc Zwischentemperatur
Ti Temperatur des Kühlfluids
P Reaktionsdruck pc Gegendruck po Umgebungsdruck
CH4 Methan
NH3 Ammoniak
HCN Blausäure
H2 Wasserstoff
O2 Sauerstoff g Erdbeschleunigung
V Hauptströmungsrichtung
H Hauptwiderstandsachse
(|) Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Apparat (0) zur Herstellung von mindestens einem Produktgas aus mindestens einem Eduktgas, insbesondere für die Herstellung von Nitrilen, umfassend die folgenden Merkmale: a) eine Kammer (1 ) mit einer gasdurchlässigen und wärmeisolierenden Wandung (2), mit einem Zulauf (3) für Eduktgas, mit einem Ablauf (4) für Produktgas und mit einer Hauptströmungsrichtung (V), die sich vom Zulauf (3) zum Ablauf (4) erstreckt; b) ein gasdichter Mantel (9), welcher die Kammer (1 ) umschließt, wobei der Zulauf (3) und der Ablauf (4) durch den Mantel (9) hindurchgeführt sind; c) ein zwischen Kammer (1) und Mantel (9) angeordneter Zwischenraum (12), welcher die Kammer (1 ) umschließt und seinerseits von dem Mantel (9) umschlossen ist; d) mindestens ein elektrisches Heizelement (5), welches sich durch die Kammer (1 ) erstreckt und deren Wandung (2) zumindest einmal durchstößt, und welches mindestens zwei elektrische Anschlüsse (+,-) aufweist, welche innerhalb des Zwischenraums (12) und außerhalb der Kammer (1 ) angeordnet sind; e) eine außerhalb des Mantels (9) angeordnete elektrische Spannungsquelle (8), welche zumindest über eine erste elektrische Leitung (71 ) mit dem ersten elektrischen Anschluss (+) des Heizelements (5) und über eine zweite elektrische Leitung (72) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (-) des Heizelements (5) verbunden ist, wobei die erste und zweite elektrische Leitung (71 , 72) durch den Mantel (9) hindurchgeführt sind; f) mindestens ein Anschlusselement für eine außerhalb des Mantels (9) angeordnete Füllgasquelle (11 ), die über eine Füllgasleitung mit dem Zwischenraum (12) dergestalt fluidleitend verbindbar ist, dass der Zwischenraum (12) mit einem von der Füllgasquelle (11 ) bezogenen Füllgas beaufschlagbar ist; g) ein in der Kammer (1) angeordneter Katalysator.
2. Apparat (0) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens einen außerhalb des gasdichten Mantels (9) angeordneten Wärmetauscher (10), der dem Mantel (9) wärmeleitend verbunden ist.
3. Apparat (0) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) ein Kühlfluid umfasst, und dass der Wärmetauscher (10) über einen Vorlauf mit einer Kühlfluidquelle (13) und über einen Rücklauf mit einer Kühlfluidsenke (14) fluidleitend verbunden ist.
4. Apparat (0) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Mantel (9) doppelwandig als ein Doppelmantel (9) ausgeführt ist, und dass das Kühlfluid zumindest teilweise innerhalb des Doppelmantels (9) leitbar ist.
5. Apparat (0) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) eine Kühlschlange umfasst, welche den Vorlauf mit dem Rücklauf kühlfluidleitend verbindet und um den Mantel (9) herumgeschlungen ist.
6. Apparat (0) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlange als ein Rohr ausgeführt ist, welches über Wärmebrücken mit der Außenseite des gasdichten Mantels (9) verbunden ist.
7. Apparat (0) nach Anspruch 5, wobei die Kühlschlange dadurch erhalten ist, dass ein offenes Profil auf der Außenseite des gasdichten Mantels (9) aufgeschweißt ist, und wobei das Kühlfluid zumindest teilweise zwischen Profil und Außenseite des gasdichten Mantels (9) leitbar ist.
8. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kühlfluid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den folgenden Kühlfluiden: Luft, gasförmiger Stickstoff, gasförmiges Argon, gasförmiges Wasser, flüssiges Wasser, flüssiger Stickstoff, flüssiges Öl, gasförmiger Ammoniak, gasförmige
Kohlenwasserstoffe oder Mischungen daraus.
9. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (5) genau zwei elektrische Anschlüsse (+, -) aufweist und sich linear durch die Kammer (1 ) erstreckt.
10. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (5) genau zwei elektrische Anschlüsse (+, -) aufweist und sich U-förmig oder M-förmig durch die Kammer (1 ) erstreckt oder dass das elektrische Heizelement (5) genau drei elektrische Anschlüsse aufweist und sich W-förmig durch die Kammer erstreckt oder Kombinationen davon.
11. Apparat (0) nach Anspruch 9 oder 10, wobei sich das elektrische Heizelement (5) entlang einer Hauptwiderstandsachse (H) durch die Kammer (1 ) erstreckt, wobei die Hauptwiderstandsachse (H) und die Hauptströmungsrichtung (V) einen Winkel (ip) einschließen, der mindestens 0° und höchstens 90° beträgt.
12. Apparat (0) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (cp) 90° beträgt.
13. Apparat (0) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, die Hauptströmungsrichtung (V) vertikal verläuft.
14. Apparat (0) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung (V) entgegen der Erdbeschleunigung (g) verläuft.
15. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Vielzahl elektrischer Heizelemente (5), die in Reihen- und/oder Parallelschaltung miteinander elektrisch verschaltet sind.
16. Apparat (0) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in Gestalt einer katalytisch aktiven Beschichtung auf die Oberfläche zumindest eines elektrischen Heizelementes (5) aufgebracht ist.
17. Apparat (0) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch mindestens ein Heizelement (5), das frei von einer katalytisch aktiven Beschichtung ist.
18. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Wandung (2) der Kammer (1 ) mehrschichtig ausgeführt ist.
19. Apparat (0) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Wandung (2) mindestens zwei Schichten umfasst, die sich hinsichtlich ihrer spezifischen Wärmeleitfähigkeit unterscheiden.
20. Apparat (0) nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine zusätzliche innere Schicht auf der Wandung der Kammer mit einer geschlossenen Oberfläche.
21. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht auf der Wandung (2) der Kammer (1 ) mit einer katalytisch aktiven oder aktivierbaren Beschichtung versehen ist, welche den Katalysator enthält.
22. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (1 ) in Hauptströmungsrichtung (V) einen unrunden Querschnitt aufweist.
23. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (5) in Hauptströmungsrichtung (V) gesehen hintereinander angeordnet oder zueinander versetzt angeordnet sind.
24. Apparat (0) nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch mindestens ein Heizelement (5), welches in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wandung (2) parallel zur Wandung (2) verläuft und welches an zumindest eine der beiden elektrische Leitungen (71 , 72) nicht angeschlossen ist.
25. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Platin (Pt) enthält.
26. Apparat (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) einen Kern aus Siliciumcarbid oder aus Molybdänsilicid umfasst, wobei auf dem Kern eine Schutzbeschichtung aufgebracht ist und auf der Schutzbeschichtung eine katalytisch aktive Beschichtung aufgebracht ist.
27. Verfahren zur Herstellung von Nitrilen, insbesondere von Blausäure (HCN) mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Apparats (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 26; b) Beaufschlagen des Zulaufs (3) mit einem Eduktgasgemisch; enthaltend zumindest Ammoniak (NH3) und gasförmiger Kohlenwasserstoff, bevorzugt Methan (CH4); c) Beaufschlagen des Heizelements (5) mit von der elektrischen Spannungsquelle (8) bezogenen elektrischem Strom; d) Abziehen eines Produktgasgemisches enthaltend zumindest ein gebildetes Nitril, bevorzugt Blausäure (HCN), aus dem Ablauf (4) und e) Beaufschlagen des Zwischenraums (12) mit einem Füllgas, sodass in dem Zwischenraum ein Gasdruck (pc) herrscht, der gleich oder größer ist als der in der Kammer (1 ) herrschende Reaktionsdruck (PR).
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgasgemisch Methan (CH3) enthält, sodass Blausäure (HCN) hergestellt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Eduktgasgemisch zusätzlich Sauerstoff (O2) enthält, sodass dem Eduktgasgemisch eine Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) zuzuordnen ist, oberhalb derer das Eduktgasgemisch zündfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Sauerstoffs (KO2) innerhalb des Eduktgasgemisches unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) liegt.
30. Verfahren nach Anspruch 27, 28 oder 29, durchgeführt bei einem in der Kammer (1 ) herrschenden Reaktionsdruck (PR) von mindestens 1*105 Pa absolut und höchstens 5*105 Pa absolut.
31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, kontinuierlich durchgeführt, dergestalt, dass eine Strömung entlang einer Hauptströmungsrichtung (V) durch die Kammer (1 ) entsteht, die sich von dem Zulauf (3) zu dem Ablauf (4) erstreckt, wobei sich das Heizelement (5) entlang einer Hauptwiderstandsachse (H) durch die Kammer (1 ) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hauptströmungsrichtung (V) senkrecht zu der Hauptwiderstandsachse (H) des Heizelementes (5) erstreckt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31 , durchgeführt bei mindestens einer in der Kammer (1) herrschenden Reaktionstemperatur (7R) größer 800°C und kleiner 1500°C, wobei in dem Zwischenraum (12) eine Zwischentemperatur (Tc) von kleiner 400°C herrscht.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas aus der Gruppe bestehend aus den folgenden Füllgasen ausgewählt ist: gasförmiger Stickstoff, gasförmiger Wasserstoff, gasförmiger Kohlenwasserstoff, gasförmiger Ammoniak oder Mischungen daraus,
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, wobei ein Apparat (0) nach einem der Ansprüche 3 bis 26 bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid kontinuierlich von der Kühlfluidquelle (13) bezogen, der Wärmetauscher (10) kontinuierlich mit dem Kühlfluid beaufschlagt wird, und dass kontinuierlich Kühlfluid aus dem Wärmetauscher (10) abgezogen wird, wobei die Temperatur des Kühlfluids in dem Vorlauf geringer ist als in dem Rücklauf.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlfluid um Eduktgasgemisch handelt, und dass es sich bei der Kühlfluidsenke um die Kammer (1) handelt, sodass das Eduktgasgemisch in dem Wärmetauscher (10) vorgeheizt wird.
36. Verwendung eines Apparats (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zur Bereitstellung negativer Regelleistung zwecks Stabilisierung von Stromnetzen.
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