ES2862396T3 - Microrreactor y control del proceso de metanización - Google Patents

Abstract

Reactor con carcasa de reactor, cámara de reacción y cámara de refrigeración, así como con líneas de suministro separados y estancos para al menos un fluido reactante y para un fluido refrigerante, caracterizado porque existen al menos dos líneas de suministro para el fluido refrigerante, cada uno de ellos con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo, donde el reactor posee al menos una línea de descarga para el fluido refrigerante calentado que presenta al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo, donde una estructura de canal significa una cavidad alargada paralela a la dirección del flujo en la cámara de reacción y una estructura de columna significa una cavidad alargada perpendicular a la dirección del flujo en la cámara de reacción, donde una estructura de columna forma parte de la línea del fluido refrigerante que conecta dos estructuras de canal, permitiendo así la conducción estanca del fluido refrigerante, donde la cámara de reacción está cargada con un catalizador, donde la cámara de refrigeración enlaza con la línea de suministro del fluido refrigerante y se extiende hasta la línea de descarga y discurre paralelamente a la cámara de reacción.

Description

DESCRIPCIÓN

Microrreactor y control del proceso de metanización

La presente invención se refiere a un reactor, preferentemente un microrreactor para la metanización, y al funcionamiento de este reactor, es decir, al control del proceso para la producción de metano.

Para garantizar el paso de fuentes de energía fósiles a fuentes de energía renovables, es necesario, en primer lugar, ofrecer posibilidades de almacenamiento de energía. Sobre todo, porque la electricidad procedente de la energía eólica y solar está sujeta a grandes fluctuaciones diurnas o estacionales.

Uno de los enfoques consiste en almacenar energía en compuestos químicos, en particular como hidrógeno, oxígeno o hidrocarburos de cadena corta como el metano.

Por ejemplo, la electricidad procedente de la energía eólica y solar que no se consume inmediatamente se utiliza para dividir el agua electrolíticamente en hidrógeno y oxígeno. En una síntesis posterior con el CO² emitido, por ejemplo, de las plantas de biogás, se pueden sintetizar hidrocarburos como el metano y almacenarlos para su uso posterior. Estos hidrocarburos pueden utilizarse directamente para la generación de energía por combustión, como materia prima para una síntesis posterior o para su reconversión y, por tanto, la generación de energía eléctrica. Así se puede conseguir un suministro estable de energía eólica y solar.

Dado que la energía regenerativa solo está disponible a nivel local, también hay que adoptar enfoques descentralizados para almacenar la energía o para producir y almacenar los correspondientes compuestos químicos «almacenadores de energía».

Estas plantas descentralizadas difieren significativamente tanto en su estructura como en el control del proceso de las plantas industriales a gran escala conocidas hasta ahora. Por ejemplo, se conoce un microrreactor cerámico a partir del documento DE 102005004075 B4, en el que se consigue una distribución uniforme del flujo de material a través de varios orificios, para poder llevar a cabo la metanización a temperaturas de 200 °C a 1000 °C.

Los microrreactores o dispositivos para la producción de energía que contienen microestructuras se conocen además de los documentos US 20020106311, US 6,200,536 B1, US 7,297,324 B2, US 6,192,596 B1 y US 5,811,062 A y US2003/152488.

Los procedimientos para la producción de metano se conocen, por ejemplo, de los documentos EP 2213367 A1, EP 0 241 902 A1 o US 7.297.324 B2. En estos procedimientos, el metano se produce a partir de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

El problema de la producción de metano a partir de H², CO² y CO es la configuración de la temperatura en el reactor. La conversión debe tener lugar a temperaturas de al menos 200 °C para evitar la formación de carbonilos metálicos, que pueden hacer que el catalizador se descargue del reactor. Por otro lado, debe alcanzarse una conversión mínima del 70 % de CO² , lo que termodinámicamente solo es posible a temperaturas bajas, en torno a los 200 °C. De este modo, se puede producir metano con la pureza necesaria y evitar el esfuerzo de separar el CO² restante. En este contexto, es importante garantizar que la calidad del metano sea lo más alta posible y, en su caso, lo más constante posible, lo que se caracteriza en particular por el índice de Wobbe. Según el índice de Wobbe, en la utilización de los gases combustibles no solo es importante el poder calorífico, sino también la densidad del gas combustible utilizado, a fin de utilizar el caudal necesario para una determinada cantidad de energía. Los componentes secundarios, excedentes o residuales, como el CO² y el H² , modifican tanto el poder calorífico como el índice de Wobbe.

Otro problema a temperaturas de entre 250 °C y 500 °C (a presión normal) es la formación de coque en el catalizador en presencia de monóxido de carbono. Siempre que no se haya alcanzado la composición de equilibrio termodinámico, se debe aspirar a una temperatura de reacción lo más alta posible a nivel local por razones de aumento de la velocidad de reacción con la temperatura, para que el reactor sea lo más compacto y rentable posible.

Por otro lado, en la cámara de reacción pueden producirse máximos locales de temperatura, los llamados puntos calientes. La temperatura aquí es más alta que en el resto del reactor. Por un lado, los puntos calientes pueden provocar reacciones secundarias no deseadas, lo que da lugar a la formación de subproductos no deseados y, en algunos casos, difíciles o imposibles de separar del producto principal. Por encima de una determinada temperatura de punto caliente, el catalizador también puede sufrir daños irreversibles. La formación de puntos calientes supone, por tanto, un problema adicional que acaba provocando la desactivación del catalizador. Este problema se reduce utilizando un gran exceso de catalizador, o produciendo catalizadores resistentes a altas temperaturas que se han adaptado con precisión a las condiciones existentes. De esta manera, no se evita ningún punto caliente, sino que solo se aumenta el tiempo de funcionamiento del reactor sin cambio de catalizador. La consecuencia es un reactor o catalizador más grande y, por tanto, más caro.

Con la refrigeración a contracorriente, la curva de temperatura en el lecho del catalizador a la salida del reactor suele aproximarse a la temperatura del refrigerante. Esto hace que el punto caliente recorra lentamente el reactor por desactivación del catalizador y se acerque a la salida del mismo. En este punto, sigue la sustitución del catalizador. Una forma de evitar los puntos calientes fuertes es recircular el gas de producto para inertizar la mezcla de gas entrante en una primera etapa de reacción. Esta inercia con el producto disminuye la velocidad de reacción, lo que requiere un mayor volumen del reactor. Además, este proceso es contraproducente para la producción de metano lo más puro posible.

El objetivo de la presente invención era superar las desventajas del estado de la técnica y proporcionar un reactor, preferentemente un microrreactor, así como un control de proceso correspondiente que cumpla con los requisitos modernos también con respecto a una protección medioambiental sostenible.

El reactor debe garantizar el mayor aprovechamiento posible del calor, en particular mediante la mayor temperatura final posible en el medio de transferencia de calor. Por tanto, debe evitarse la desactivación del catalizador si el lecho del mismo no está suficientemente refrigerado. Además, las temperaturas de funcionamiento no deben estar limitadas por la formación de coque, que puede provocar atascos, especialmente en los microrreactores.

Estas condiciones deben cumplirse a pesar de la limitación termodinámica de la conversión del CO² en una mezcla de CO² y CO.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar un reactor adecuado que, por un lado, asegure una refrigeración suficiente de la cámara de reacción para reducir y/o evitar los inconvenientes causados por los puntos calientes. Por otro lado, también hay que evitar que la temperatura se reduzca demasiado, ya que esto puede provocar casi una extinción de la reacción en la cámara de reacción. Teóricamente, esto podría garantizarse mediante una pared divisoria gruesa entre la cámara de reacción y la cámara de refrigeración. Sin embargo, esto conduce a un gradiente de temperatura elevado entre estos dos espacios. A su vez, un gradiente de temperatura elevado conduce a la formación de puntos calientes.

A menudo, la metanización va precedida de una electrólisis a alta temperatura (electrólisis HT), en la que se produce hidrógeno, oxígeno y CO a partir de vapor y CO2.

El objetivo de la presente invención era también utilizar el calor residual de la metanización para generar vapor de proceso para la electrólisis HT. Para ello, el objetivo es alcanzar la mayor temperatura final posible en el medio de transferencia de calor, el fluido refrigerante. La electrólisis no siempre se lleva a cabo por completo, por lo que hay residuos de vapor de agua y CO² en el producto de la electrólisis.

La metanización (formación de metano, síntesis de metano) a partir de H² y CO y/o CO² es una reacción exotérmica que se enfría por evaporación según la invención. La temperatura en el lecho del catalizador para la conversión del Co es preferentemente de unos 350 °C-450 °C. Esto implica una alta temperatura de evaporación. Para una refrigeración óptima, el punto de ebullición del fluido refrigerante tendría que adaptarse a la temperatura del lecho del catalizador. Sin embargo, para ello se necesitan refrigerantes especiales.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento rentable y el reactor correspondiente.

Este objetivo se resuelve mediante un reactor con carcasa de reactor, cámara de reacción y cámara de refrigeración, así como con líneas de suministro separadas y estancas para al menos un fluido reactante y para un fluido refrigerante, caracterizado porque existen al menos dos líneas de suministro para el fluido refrigerante, cada una de ellas con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo según la reivindicación 1. En el sentido de la invención, la inversión del flujo significa una inversión del flujo, es decir, una desviación del flujo de fluido o del caudal, en particular una desviación de la dirección del flujo en 180 grados. En otras palabras, después de la inversión del flujo, el fluido fluye en la dirección opuesta a la dirección del flujo o del caudal antes de la inversión. Por ejemplo, después de la línea de suministro, el fluido refrigerante puede fluir en contracorriente a la dirección del flujo de los reactantes en la cámara de reacción y después de la desviación, es decir, después de la inversión del flujo, puede fluir a través de una estructura de canales en corriente directa a la dirección del flujo de los reactantes en la cámara de reacción y viceversa. Por lo tanto, también es posible una inversión de flujo desde el flujo directo o la dirección de flujo de los reactivos en la cámara de reacción a contracorriente.

Dentro de una línea, el fluido refrigerante siempre fluye desde la línea de entrada a la de salida o desde la cámara de reacción de entrada a la de salida. Por lo tanto, la desviación o la inversión del flujo no se produce dentro de la línea, sino que es el resultado del trazado o la posición de las líneas y los tramos de línea de unos con respecto a otros. Según la invención, la posición de las zonas individuales de la línea en relación con las demás resulta de estructuras de canales superpuestas. En otras palabras, la línea de fluido se ha plegado. Las estructuras de columna son necesarias para plegar o conectar entre dos estructuras de canal individuales o entre la estructura de canal y la entrada y salida en y sobre el reactor o en y sobre la cámara de refrigeración.

Según la invención, los términos inversión de la corriente, inversión del flujo, conversión de la dirección del flujo, inversión del flujo, desviación del flujo o dirección del flujo, en particular en 180 grados son sinónimos.

Axial se refiere a la dirección o disposición paralela a la cámara de reacción y/o a la cámara de refrigeración, o paralela al flujo en la cámara de reacción, y perpendicular a la misma se refiere a radial.

Las estructuras de canales están orientadas axialmente, es decir, paralelas a la dirección del flujo de los reactivos en la cámara de reacción. Las estructuras de las columnas están orientadas perpendicularmente a ellas, es decir, radialmente.

En el sentido de la invención, las estructuras de canales y columnas plegadas o dispuestas una sobre otra están dispuestas radialmente una sobre otra, por lo que los canales o estructuras de canales de una línea, es decir, aquellas zonas de la línea que están dispuestas axialmente, están situadas radialmente una sobre otra.

Tanto las líneas de suministro para el al menos un reactivo fluido como para el fluido refrigerante son estancas y, en consecuencia, también están separadas entre sí de forma estanca.

El espacio de reacción es el espacio en el que se produce la reacción. La cámara de reacción es una cavidad o canal alargado de cualquier sección transversal, que solo dispone de dos aberturas: Una para la entrada del al menos un reactivo, preferentemente un gas o mezcla de gases de reacción; y la otra abertura opuesta, para la entrada del producto de reacción.

La cámara de refrigeración en el sentido de la invención es la cámara en la que el fluido refrigerante baja la temperatura en la cámara de reacción por absorción de calor, por lo que la temperatura del fluido refrigerante aumenta. Según la invención, las líneas de suministro y descarga del fluido refrigerante no pertenecen a la cámara de refrigeración. La cámara de refrigeración colinda con la línea de suministro del fluido refrigerante, se extiende hasta la línea de descarga y discurre paralelamente a la cámara de reacción. Sin embargo, el calor también puede ser absorbido por el fluido refrigerante en las líneas de suministro y/o descarga, es decir, la temperatura en la cámara de reacción disminuye mientras la temperatura del fluido refrigerante aumenta. La cámara de refrigeración es una cavidad o canal alargado de cualquier sección transversal.

Esencial para la invención es la estructura de las líneas de suministro del fluido refrigerante y/o la línea de descarga para el fluido refrigerante dentro del reactor según la invención.

Según la invención, la línea de suministro del fluido refrigerante debe presentar al menos una inversión de flujo antes de discurrir paralelamente a la cámara de reacción. La inversión del flujo se consigue mediante una estructura de canal y columna; en la que canal, abreviatura de estructura de canal, significa una cavidad alargada paralela a la cámara de reacción, respectivamente paralela a la dirección del flujo en la cámara de reacción y columna perpendicular a la misma. De esta manera, la línea de suministro del fluido refrigerante presenta al menos una zona del canal paralela al espacio de reacción, o paralela a la dirección del flujo en la cámara de reacción, y al menos una zona de columnas perpendicular a la cámara de reacción, o perpendicular a la dirección del flujo en la cámara de reacción, que preceden la cámara de refrigeración.

Las estructuras de columnas o columnas son cavidades, zonas y/o partes de la línea del fluido refrigerante, que conectan dos estructuras de canales o líneas de suministro o descarga hacia el interior y/o exterior del reactor y/o hacia el interior y/o la cámara de refrigeración y permiten de esa manera una línea estanca del fluido refrigerante. La estructura de canales está conectada a la cámara de refrigeración mediante una estructura de columnas, de modo que se produce una inversión del flujo del fluido refrigerante. La conexión entre la cámara de refrigeración y la línea de suministro se establece mediante la estructura de al menos una columna, o a partir de la entrada del fluido refrigerante mediante la última estructura de columna.

Por lo tanto, la inversión del flujo en la línea de suministro del fluido refrigerante es importante para mantener la temperatura en el reactor. La inversión del flujo hace que el fluido refrigerante se caliente más lentamente, es decir, se calienta más lejos de la reacción. Si se calienta rápidamente, el fluido refrigerante extraería demasiada energía de la reacción, provocando que se detenga.

En una alternativa, las al menos dos líneas de suministro están dispuestas secuencialmente con respecto al flujo en la cámara de reacción.

El reactor presenta una carcasa estable a la presión. La estabilidad de la presión en el sentido de la invención se define como una carcasa de reactor que puede soportar altas presiones sin sufrir daños. En el sentido de la invención, una alta presión se define como 5 -100 bar, preferentemente 10 -50, con especial preferencia 20-40, en particular alrededor de 30 bar con valores de fluctuación del 20 % cada uno, preferentemente del 10 %, con especial preferencia del 5 %, en particular del 3 %.

Además, en una alternativa, la cámara de reacción, la cámara de refrigeración y/o las líneas de suministro y descarga también son estables a la presión.

Una realización del reactor presenta al menos una de las dos líneas de suministro del fluido refrigerante con al menos dos estructuras respectivas de canales y columnas plegadas una sobre la otra con inversión de flujo.

A este respecto, la primera línea de suministro (primero con respecto a la dirección del flujo en la cámara del reactor) puede tener al menos dos estructuras de canales y columnas plegadas una sobre la otra y la segunda u otras líneas de suministro pueden tener solo una estructura de canales y columnas plegadas una sobre la otra. En una alternativa más, la primera línea de suministro posee una estructura de canales y columnas plegadas una sobre la otra y la segunda o cada una de las líneas de suministro adicionales tiene dos estructuras de canales y columnas plegadas una sobre la otra. En otra alternativa, es posible cualquier combinación. En una de las alternativas, todas las líneas de suministro tienen el mismo número de estructuras de canales y columnas plegadas una sobre la otra.

Por lo tanto, las al menos dos líneas de suministro de fluido refrigerante pueden presentar también dos o más inversiones de flujo, es decir, en el caso de dos inversiones de flujo, la línea de suministro posee dos secciones de canal y dos secciones de columna antes de abrirse a la cámara de refrigeración.

En otra realización, el reactor presenta al menos una línea de descarga para el fluido refrigerante calentado con al menos una estructura de canales y columnas plegada una sobre la otra con inversión de flujo.

La línea para el fluido refrigerante está configurada de la misma manera que las líneas de suministro, es decir, presenta al menos una inversión de flujo, es decir, una sección de canal y una sección de columna. Sin embargo, la línea de descarga también presentar tener dos o más inversiones de flujo.

En una realización, el reactor según la invención puede presentar cualquier combinación de líneas de suministro y líneas de descarga con respecto a su estructura de canales y columnas. Preferentemente, las al menos dos líneas de suministro tienen cada una dos secciones de canales y columnas, la al menos una sección de canal y de columna. La configuración de las líneas de suministro y descarga del fluido refrigerante con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo, es decir, desviación de la dirección del flujo, facilita por un lado la construcción del reactor y asegura además que el lecho de catalizador se enfríe uniformemente hasta el final del reactor. Esto es particularmente cierto porque, en el caso de la estratificación de varios niveles de cámaras de reacción y cámaras de refrigeración, se requieren ramificaciones laterales, que siempre contienen un componente de flujo cruzado.

Debido a la inversión o redirección del flujo, se produce un solapamiento de la corriente directa y la contracorriente con respecto al flujo del gas de reacción.

En una realización, las al menos dos líneas de suministro están dispuestas en la zona de la primera mitad de la cámara de reacción.

Dado que la cámara de reacción tiene forma de cavidad alargada o canal de cualquier sección transversal, su longitud está bien definida. La primera mitad es aquella en la que se encuentra la abertura de entrada del al menos un reactivo. En el contexto de la invención, en la zona de la primera mitad del espacio de reacción significa que:

1. la cámara de reacción está separada de la cámara de refrigeración por una pared estanca al fluido, es decir, una capa impermeable al fluido, por tanto,

2. la cámara del reactor y la cámara de refrigeración están dispuestas en paralelo y, por tanto, la longitud de la cámara de refrigeración también está definida, y

3. la estructura de la columna que conecta la línea de suministro restante con la cámara de refrigeración está dispuesta en cada caso en la primera mitad de la cámara de refrigeración.

La primera mitad de la cámara de refrigeración corresponde, pues, a la primera mitad de la cámara de reacción, ya que ambas están dispuestas en paralelo; sin embargo, el valor absoluto de la longitud no tiene por qué ser idéntico. En otra realización, las al menos dos líneas de suministro y/o la al menos una línea de descarga tienen secciones transversales diferentes en términos de forma y/o área en la zona de las estructuras de canal y columnas plegada una sobre otra con inversión de corriente. En una realización alternativa, las líneas de suministro y de descarga difieren entre sí en la sección transversal. En otra alternativa, las secciones individuales de una o más líneas de suministro y descarga difieren en su sección transversal. En otra alternativa, es posible cualquier combinación y formas mixtas de las alternativas anteriores.

Una realización se refiere a un reactor en el que al menos una línea de suministro en al menos una estructura de canal y/o columna comprende fases sinterizadas, metales sinterizados, fibras, cilindros y/o espacios en blanco circulares. Las fases y/o fibras sinterizadas están hechas preferentemente de material metálico o cerámico térmicamente conductor con baja resistencia al flujo. Los cilindros y/o las piezas circulares son de material inerte. Esta integración de material adicional tiene la función de retener los componentes líquidos del fluido refrigerante o de aumentar la calidad de la evaporación.

En una realización, al menos un catalizador está situado en la cámara de reacción, es decir, la cámara de reacción está cargada con al menos un catalizador. Los principales representantes de la metanización son los elementos activos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd y Ag. Si se utiliza un material de soporte para los componentes activos, éste puede ser un representante o una mezcla de TiO² , AbO3, YSZ o SiO².

Otra realización se refiere a un reactor que presenta, corriente abajo de la línea de descarga, una parte del reactor con refrigeración a contracorriente con al menos una línea de suministro para el fluido refrigerante con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de corriente. Según la invención, las partes del reactor según la invención forman una cámara de reacción común y/o una cámara de refrigeración.

En dicha alternativa, la al menos una línea de descarga no está situada en el extremo de la cámara de refrigeración. Partiendo de la dirección del flujo en la cámara del reactor, la cámara de refrigeración presenta al menos otra línea de suministro con al menos una estructura de canales y columnas que se encuentra corriente abajo de la línea de descarga.

Por lo tanto, en esta alternativa, el reactor presenta la siguiente disposición, a partir de la entrada de los reactivos en la cámara de reacción:

En la zona de entrada de los reactivos a la cámara de reacción, se encuentran al menos dos líneas de suministro en la primera mitad de la cámara. En la dirección del flujo de los reactivos o del producto ya formado, está dispuesta la línea de descarga del fluido refrigerante. Siguiendo la dirección del flujo en la cámara de reacción, se encuentra al menos otra línea de suministro, también con al menos un canal y una estructura de columna, para el fluido de refrigeración. Entre esta línea de suministro y la línea de descarga, el fluido refrigerante fluye, por tanto, en contracorriente con respecto al flujo en la cámara de reacción.

El reactor, que comprende una segunda parte en la que el fluido refrigerante es dirigido en contracorriente, puede tener su propia línea de descarga para el fluido refrigerante en esta parte o el fluido refrigerante es dirigido hasta la línea de descarga del fluido refrigerante de la primera parte, tal como se ha descrito anteriormente.

Debido a la ubicación de las al menos dos líneas de suministro del líquido refrigerante en la primera mitad de la longitud del reactor, aumenta por un lado la resistencia térmica total entre la zona de evaporación y el catalizador, de modo que no se produce un «apagado» de la reacción. Esto significa que la reacción no se extingue debido a una reducción excesiva de la temperatura. La evaporación en los puntos calientes a lo largo del eje de reacción en la respectiva celda de alimentación también se reduce de forma autorregulada. Si hay otra línea de suministro al final del reactor después de la línea de descarga del fluido refrigerante, el flujo en contracorriente del fluido refrigerante y la reacción puede seguir creando un espacio de reacción con una temperatura de reacción baja, en el que se pueden conseguir unas condiciones límite termodinámicas favorables para una conversión del CO² superior al 70 %. En una alternativa, a partir de la entrada de los reactivos en la cámara de reacción, se pueden utilizar diferentes catalizadores a lo largo de la línea de suministro en corriente directa y en contracorriente. Los elementos activos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd y Ag pueden ser mencionados aquí como representantes esenciales para la metanización en ambas zonas conductoras de corriente. Si se utiliza un material de soporte para los componentes activos, éste puede ser un representante o una mezcla de TiO² , ALO3, YSZ o SiO². Los materiales catalizadores utilizados pueden ser idénticos o diferentes, pero difieren en términos de actividad con respecto a la temperatura. En el campo del flujo a contracorriente, las propiedades del material del catalizador se optimizan para lograr una mayor actividad a menor temperatura, por ejemplo, mediante una alta dispersión o una superficie elevada.

Esto suele ser sinónimo de menor estabilidad a la temperatura.

En una realización de la presente invención, la producción de hidrocarburos, preferentemente la metanización tiene lugar en dos reactores secuenciales y separados según la invención, preferentemente microrreactores, que están en serie.

En un primer reactor tiene lugar la convención de sustancialmente CO en el reactor posterior la convención de sustancialmente CO². Los dos reactores están cargados con diferentes catalizadores. Los principales representantes de la metanización en ambos reactores son los elementos activos Ru, Ir, Rh, Ni, Co, Os, Pt, Fe, Mo, Pd y Ag. Si se utiliza un material de soporte para los componentes activos, éste puede ser un representante o una mezcla de TiO², ALO³ , YSZ o SiO². Los materiales catalizadores utilizados pueden ser idénticos o diferentes, pero difieren en términos de actividad con respecto a la temperatura. En el segundo reactor, las propiedades del material del catalizador se optimizan de este modo para lograr una mayor actividad a menor temperatura, por ejemplo, mediante una alta dispersión o una superficie elevada. Esto suele ser sinónimo de menor estabilidad a la temperatura.

En una realización preferida, el reactivo fluido es o comprende un fluido que comprende hidrógeno y monóxido de carbono y/o dióxido de carbono. Los componentes secundarios pueden ser además N² o vapor de agua.

En una realización de la presente invención, el reactor incluye elementos de calentamiento en el lado de la cámara de reacción opuesto a la cámara de refrigeración. Preferentemente, los elementos calefactores son cartuchos redondos o placas planas de acero inoxidable resistente a la temperatura con un relleno de MgO para aislar el conductor térmico. En este caso, el conductor térmico está hecho de una aleación resistiva.

En una realización, el reactor según la invención es de construcción tipo sándwich, es decir, comprende una pluralidad de capas o láminas superpuestas y conectadas entre sí de forma estanca.

En una realización alternativa, los estratos o capas no son planos sino curvos y forman una superficie envolvente en el sentido de un cilindro hueco. A continuación, las capas individuales se interconectan, preferentemente de forma concéntrica en el caso de los cilindros huecos. Sin embargo, no se requiere necesariamente una sección transversal circular, sino que la sección transversal puede tener cualquier otra forma deseada.

En una alternativa más, los estratos o capas del reactor con estructura de sándwich según la invención son planos, es decir, no curvos. En la dirección radial, se presenta la siguiente estructura:

La base está formada por una placa que contiene elementos calefactores. Encima se encuentra una segunda placa. Esta tiene canales o ranuras en la parte inferior, es decir, hacia la placa que contiene los elementos calefactores, que forman la cámara de reacción. Encima, en la parte superior de la placa, hay canales o ranuras que forman la cámara de refrigeración. La placa que sigue en dirección radial tiene al menos dos estructuras de columna, es decir, orificios pasantes, que se abren hacia la cámara de refrigeración. En la superficie superior de la placa hay dos estructuras de canales que parten de una estructura de columna. Estas estructuras de al menos dos canales y columnas están situadas en la región de la primera mitad de la cámara de reacción. En la segunda mitad, hacia el final de la cámara de reacción, hay una estructura análoga de columnas y canales que forman la línea de descarga. Estos forman la línea de suministro del líquido refrigerante. En la placa que sigue radialmente a continuación, por encima del extremo de la estructura del canal opuesto a la estructura de la columna, hay respectivamente una conexión para el suministro y la descarga del fluido de refrigeración.

En otra alternativa, debajo de la última placa con las conexiones para el fluido de refrigeración hay al menos otra placa con columnas y estructura de canales para lograr una desviación del fluido de refrigeración. Estas placas adicionales pueden tener columnas y estructuras de canal para una sola línea de suministro y/o descarga, o posiblemente para varias líneas de suministro.

Los niveles siguientes tienen el mismo diseño de estructuras de canales y columnas, pero desplazados de tal manera que el fluido refrigerante se desvía con respecto a la dirección del flujo. La estructura de las líneas de suministro y descarga del líquido refrigerante es análoga. Sin embargo, las líneas de suministro pueden tener más desviaciones que las líneas de descarga del líquido refrigerante. En consecuencia, las placas adyacentes a la tercera placa presentan estructuras de columna y de canal para la línea de suministro, pero solo estructuras de columna para la línea de descarga. Como última placa en cada caso, el microrreactor presenta una placa con orificios pasantes y conexiones para el suministro y la descarga del fluido refrigerante (agua), posiblemente provista de válvulas. Según la invención, se proporcionan al menos dos líneas de suministro y una línea de descarga.

En otra alternativa, también es posible una estructura de placas análoga en la dirección radial opuesta, partiendo de la misma placa que contiene los elementos de calentamiento. En otras palabras, el montaje descrito en la dirección radial se refleja en la placa central que contiene los elementos de calentamiento.

Con una estructura reflejada en la placa central, el microrreactor contiene, por tanto, al menos dos cámaras de reacción y las correspondientes cámaras de refrigeración perpendiculares a la placa central, ya que la estructura es perpendicular a la placa central en ambas direcciones. Dentro de un plano hay al menos dos, preferentemente 2 o 3 cámaras de reacción y cámaras de refrigeración, de modo que el microrreactor presenta un total de al menos cuatro (o las correspondientes a 6) cámaras de reacción con las cámaras de refrigeración asociadas.

En otra alternativa, después de la línea de descarga del fluido de refrigeración en la cámara de refrigeración en la dirección del flujo en la cámara de reacción, hay al menos otra línea de suministro para el fluido de refrigeración, que entonces enfría la cámara de reacción en contracorriente.

Todas las estructuras de canales, así como los canales de la cámara de reacción y de la cámara de refrigeración, están preferentemente dispuestos uno encima del otro en dirección radial.

Las placas individuales, o capas y estratos del reactor, están conectadas entre sí de forma estanca a los fluidos y a la presión. En función del material, esto es posible, por ejemplo, mediante soldadura por láser, soldadura por difusión, haz de electrones o soldadura por fricción de cualquier tipo, atornillado o pegado y, si es necesario, sellado.

Las capas individuales están hechas de los siguientes materiales: Aceros inoxidables o aleaciones a base de níquel, preferentemente 1.4301, 1.4404, 1.4571 y 1.4876 o 1.4958/9 y 2.4816. Otros materiales o alternativas son los plásticos resistentes al calor, como el teflón, o el vidrio, la fibra de vidrio o la fibra de carbono.

Las ranuras, los canales o las estructuras de columnas y canales se realizan en las respectivas placas por medios conocidos por el experto en la materia, como perforaciones, fresado, grabado químico húmedo o corte por láser, erosión por hilo o técnicas utilizadas en la fabricación de semiconductores.

En el caso de los microrreactores, en particular de silicio, también se utilizan técnicas conocidas de la fabricación de semiconductores, en particular la fotolitografía.

También se pueden utilizar diferentes materiales para las distintas placas.

En una realización de la presente invención, se trata de un microrreactor.

Por microrreactor en el sentido de la presente invención se entiende una cámara de reacción con una altura de 0,1 a 10 mm, preferentemente de 0,2 a 5 mm, con especial preferencia de 0,5 a 3 mm, una anchura de 1 a 60 mm, preferentemente de 1,5 a 50 mm, con especial preferencia de 2 a 40 mm y una longitud de 1 a 40 cm, preferentemente de 5 a 30 cm, con especial preferencia de unos 10 cm; preferentemente con una sección transversal de 2 x 40 mm. La altura de los canales de refrigeración es de 0,01 - 10 mm, preferentemente de 0,05-5 mm, con especial preferencia de 0,1-2 mm, en particular de 0,5 mm; la anchura estructurada corresponde a la anchura de la cámara de reacción. Preferentemente, las estructuras de canales y/o columnas presentan una altura y una anchura de 1 mm en cada caso, en particular de 0,5 mm en cada caso.

En una realización de la presente invención, las paredes del reactor entre la cámara de reacción y la cámara de refrigeración o entre los deflectores del fluido de refrigeración, en particular de un microrreactor, tienen un grosor de 0,1 a 5 mm, preferentemente de 0,1 a 3 mm, con especial preferencia de 0,1 a 2 mm. Las paredes dentro del (mini)reactor entre los deflectores del líquido refrigerante tienen preferentemente un grosor de 1 mm, en particular de 0,5 mm.

Las paredes del reactor son típicamente de 2 a 10 mm, preferentemente de 5 mm de espesor.

En una realización de la presente invención, el reactor se construye a partir de un único bloque que, sin embargo, presenta todas las características esenciales, como la cámara del reactor, la cámara de refrigeración, la estructura de canales y columnas, así como las conexiones para las entradas y salidas. Esto es posible, por ejemplo, mediante la utilización de impresoras 3D.

En otra alternativa, el reactor es estanco a los fluidos y a la presión y, opcionalmente, no presenta ninguna carcasa de reactor.

Una realización adicional se refiere al reactor según la invención, que está conectado de forma estanca con un dispositivo de electrólisis situado delante. Si es necesario, el dispositivo de electrólisis y el reactor o los reactores según la experiencia se conectan adicionalmente de forma estanca a los fluidos y/o a la presión con intercambiadores de calor, de modo que se dispone de un sistema cerrado para la producción y/o el almacenamiento de energías en hidrocarburos. Solo es necesario introducir en este sistema la energía para la electrólisis, el CO² y, opcionalmente, el agua.

Por tanto, otro objetivo de la presente invención es un sistema o dispositivo de generación y/o almacenamiento de energías en hidrocarburos, en particular metano, que está construido de la siguiente manera:

Un dispositivo para una electrólisis de alta temperatura se alimenta con electricidad y tiene líneas de suministro para los reactivos de la electrólisis HT: H2O y CO2. Los principales productos de la electrólisis son hidrógeno, dióxido de carbono y oxígeno. Como subproductos, así como reactivos residuales, el CO2 y e1H2O salen del aparato de electrólisis, además de los productos principales ya mencionados. Se separa el oxígeno O2. En al menos un intercambiador de calor se enfría el O2, con lo que se precalienta el CO2 como reactivo para la electrólisis HT. Los demás productos H2, CO y los productos no consumidos CO2 y H2O también se introducen en al menos un intercambiador de calor. En este caso también se precalienta el CO2 como educto para la electrólisis HT.

Los productos H2 y CO, así como los reactivos no consumidos CO2 y H2O procedentes de la electrólisis, pasan opcionalmente a un segundo intercambiador de calor después de un primer intercambiador de calor. Dentro del mismo se precalienta el agua, que se utiliza como fluido refrigerante en el reactor según la invención. Después de pasar por el segundo intercambiador de calor para los productos de la electrólisis HT H2 y CO (así como los subproductos y los reactivos no consumidos CO2 y H2O), tiene lugar una separación gas-líquido. El agua líquida separada se introduce en el último intercambiador de calor mencionado, donde se precalienta con el agua restante como fluido refrigerante para el reactor según la invención. La fase gaseosa pasa a otro intercambiador de calor. Dentro del mismo, e1H2 y el CO, así como el CO2 no consumido y posiblemente también el vapor de agua restante, se precalientan antes de que se introduzcan como reactivos en el reactor según la invención. Son precalentados por el metano caliente y húmedo del reactor o reactores según la invención.

En el reactor según la invención, el CO y el H2 reaccionan para formar metano CH4 y H2O. En el reactor, al menos una parte del CO2 y del H2 no reacciona. Todo o parte del CO2 puede separarse y utilizarse como reactivo en la electrólisis HT. El producto del reactor según la invención, es decir, en particular CH4, H2O, pero también el CO2 no reaccionado y que tampoco fue descargado, así como el H2 no reaccionado, puede en una alternativa ser alimentado a otro reactor según la invención. Allí se produce una metanización de CO2 con H2. En el proceso se forma más metano y agua. En otra alternativa, se utiliza un reactor según la invención, que tiene una parte del reactor con refrigeración a contracorriente después de la descarga. En esta segunda parte con enfriamiento en contracorriente, se produce entonces la metanización de CO2 correspondiente.

En la primera alternativa, la refrigeración a contracorriente también puede estar presente en el segundo reactor conectado en serie. El CO2 restante del segundo reactor también puede ser alimentado como reactivo a la electrólisis HT. El metano caliente y húmedo se introduce en un intercambiador de calor descrito anteriormente, en el que los productos de la electrólisis HT se precalientan como reactivos de la metanización. Tras este intercambio de calor, se produce una separación gas-líquido. El metano gaseoso y seco se descarga del sistema o dispositivo y se almacena o posiblemente se utiliza para la generación de energía. La fase líquida restante, es decir, el agua, se introduce en ese intercambiador de calor que precalienta el agua como fluido refrigerante para la metanización por el calor de los productos de la electrólisis HT.

También es objeto de la presente invención utilizar el reactor en un procedimiento de producción de hidrocarburos, preferentemente metano, o la utilización del reactor para la producción de hidrocarburos, preferentemente metano. Además, es un objeto de la invención proporcionar un procedimiento de funcionamiento de un reactor según la invención.

En una realización, el procedimiento según la experiencia se lleva a cabo sustancialmente en un modo autotérmico. En el sentido de la invención, esencialmente autotérmico significa que el proceso global, es decir, el procedimiento global de producción de hidrocarburos (metano) es independiente del suministro de calor externo; la energía de las reacciones exotérmicas se pone así a disposición de las reacciones endotérmicas o directamente de la producción de fluido refrigerante gaseoso. En esencia, esto significa que al menos el 60 %, preferentemente al menos el 70 %, con especial preferencia al menos el 80 % de la demanda energética del proceso global se cubre sin suministro de calor externo. En una alternativa, se evita el subenfriamiento de la cámara de reacción y, por tanto, la extinción de la reacción mediante elementos de calentamiento. Por tanto, los elementos calefactores pueden utilizarse exclusivamente para el precalentamiento.

La producción de hidrocarburos según la invención, preferentemente la metanización, se lleva a cabo bajo presión, preferentemente de 2 a 30 bar, particularmente preferentemente de 4 a 8 bar. Esto reduce la formación de subproductos de coque y facilita la purificación y el almacenamiento del metano producido. Esto es válido, en particular, cuando tanto el CO² como el vapor de agua, los materiales de partida de la electrólisis, están bajo presión.

En una realización, el fluido refrigerante se suministra a una presión de 5-100 bar, preferentemente 10-50, con especial preferencia 20-40 bar, en particular 30 bar.

Se puede conseguir un proceso rentable utilizando agua para enfriar la formación exotérmica de hidrocarburos, en particular la metanización. El agua calentada de esa manera o el vapor de agua formado de esa manera se utiliza directamente como reactivo en la electrólisis HT en una celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC). En una realización, el fluido refrigerante es, por tanto, agua. En una alternativa, el fluido refrigerante es vapor, y en otra alternativa, el fluido refrigerante es vapor sobrecalentado. Según la invención, el término agua también incluye el vapor, tanto el húmedo como el seco, pero también el vapor sobrecalentado y el vapor supercrítico, así como el vapor saturado en seco. En su caso, el fluido refrigerante está presente en una o varias de estas formas en el reactor, o pasa de una a otra, según la temperatura y la presión. En una realización, se utiliza generalmente un fluido refrigerante que experimenta al menos un cambio de fase.

Para alcanzar una temperatura de ebullición del agua como fluido refrigerante de 350 °C, tendría que prevalecer una presión de unos 164 bar en el sistema de refrigeración, es decir, en las líneas de suministro del fluido refrigerante y en la cámara de refrigeración, lo que haría que el procedimiento y el reactor fueran muy complejos y costosos. Las presiones elevadas representan inicialmente un riesgo. Para reducir el peligro que supone una presión elevada, se necesitan equipos complejos y materiales caros que puedan soportar presiones elevadas y no muestren signos de fatiga a largo plazo.

Si se va a utilizar vapor de agua en el proceso de electrólisis y, por tanto, se genera ligeramente por encima de la presión de reacción del proceso de metanización, es suficiente una presión de 10-40 bar. A esta presión, el agua tiene un punto de ebullición de aproximadamente 180-250 °C. Esta temperatura puede provocar la extinción de la reacción en el catalizador; sin embargo, una pared demasiado gruesa entre el fluido refrigerante y la cámara de reacción provoca un gradiente de temperatura, que también genera puntos calientes. Debido a la inversión del flujo del fluido refrigerante en las líneas de suministro según la invención, es decir, debido a la estructura de canales y columnas de la línea de suministro según la invención, se produce una deslocalización de la evaporación, es decir, se produce una distribución temporal y espacial del potencial de refrigeración. Si hay un exceso de temperatura en un punto, la evaporación se produce preferentemente en este punto. Si el aumento de temperatura se desplaza, sigue la zona de evaporación. De este modo, se evitan los puntos calientes en determinados lugares durante un periodo de tiempo más largo y se suprimen los daños en el catalizador.

En el procedimiento según la experiencia, el fluido refrigerante se suministra a una temperatura 0,1 -30 Kelvin o grados Celsius, preferentemente 1-20, con especial preferencia 5-10 Kelvin por debajo de la temperatura de ebullición del fluido refrigerante.

En la realización en la que el agua se utiliza como fluido de refrigeración, la temperatura es por lo tanto alrededor de 150 °C o superior.

La cantidad de alimentación de líquido refrigerante puede regularse por línea de suministro en función del grado de activación del catalizador. La regulación se realiza midiendo la temperatura en los respectivos puntos de alimentación. Si una temperatura supera el valor objetivo, el flujo de volumen aumenta y viceversa. De este modo, también se puede observar y compensar la desactivación en el catalizador.

Mediante el control de la cantidad de inyección, se evita un apagado, la extinción de la reacción al inicio del reactor. Asimismo, se evita la formación de puntos calientes en los siguientes puntos de inyección. Según la invención, los puntos de inyección son aquellos puntos en los que se producen las líneas de suministro del fluido refrigerante en la cámara de refrigeración.

En otra realización, la temperatura en la cámara de reacción/lecho de catalizador es de 100- 800 °C, preferentemente de 200-700 °C, con especial preferencia de 300-500 °C. En particular, en la cámara de reacción hay zonas de diferentes temperaturas, es decir, hay una dispersión axial de la temperatura, con temperaturas que van desde un mínimo de 100 °C hasta un máximo de 800 °C.

En una realización, la temperatura de entrada del gas de reacción en el reactor está entre 250 y 450 grados Celsius, preferentemente entre 300 y 400 °C, particularmente alrededor de 350 °C con variaciones de un 10 %, preferentemente de un 5 %, en particular de un 3 %. Según la invención, las variaciones se definen como desviaciones, por lo que una variación del 10 % con respecto a la temperatura preferida de 350 °C significa una temperatura entre 315 y 385 °C.

Además, en una alternativa, la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada del fluido de reacción y la temperatura de entrada del fluido de refrigeración es de 10 - 300 °C, preferentemente de 50- 250 °C, con especial preferencia de 100-150 °C.

En una realización, el enfriamiento del reactor da lugar a un calentamiento del fluido refrigerante, de 20 a 300 °C, preferentemente de 100 a 200 °C.

En consecuencia, cuando se utiliza agua, la temperatura del efluente es de 400 a 450 °C, con una temperatura máxima repartida axialmente en el lecho del catalizador de 300 a 500 °C.

En otra realización, se utiliza un producto residual de la reacción de la cámara de reacción como fluido refrigerante. En una realización alternativa, el llamado agua de reacción, es decir, el agua que se produce como subproducto durante el proceso de metanización, se utiliza para enfriar el proceso de metanización. En una alternativa, se precalienta enfriando los reactivos o enfriando la corriente de producto.

En una realización, al menos dos reactores están conectados en serie de forma estanca, donde el primero es enfriado por medio de la conducción de corriente directa, y el segundo enfriado por medio de la conducción de contracorriente. Como reactivos, en una alternativa, se introduce en el reactor según la invención el producto de una electrólisis HT, preferentemente en una SOEC, es decir, una mezcla de gases que contiene (como componentes esenciales) o que está formada por H2, CO y CO² como gas de reacción.

El fluido refrigerante calentado del reactor o reactores según la invención se introduce como vapor de agua en la electrólisis HT.

En una realización, se puede operar el reactor según la invención como sigue: Un máximo de 450 °C como temperatura del reactor. Los productos salen del reactor a una temperatura de 350-400 °C. La reacción tiene lugar a una presión de 5 bar. Como electrólisis HT se utiliza una celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC). La electrólisis tiene lugar a 730-850 °C y consigue una conversión del 60 % de CO2 y del 70 % de H2O. Hay una alimentación de CO2 a H2O en una proporción desde 0,2: 0,8 hasta 0,1: 0,9. También en este caso la electrólisis se realiza a una presión de 5 bar. La alimentación de CO2 también tiene lugar a una presión de 5 bar. Alimentación de agua a presión atmosférica. El CO2 y el H2O se introducen a una temperatura de aproximadamente 20 °C. El agua de refrigeración utilizada tiene una temperatura de 7 a 15 °C.

El reactor y el procedimiento según la invención, en particular el funcionamiento del reactor según la invención, presentan las siguientes ventajas:

Un desvío del fluido de refrigeración, es decir, la presencia de al menos un canal y una estructura de columna a la salida del reactor, es decir, a la salida del fluido de refrigeración para el vapor generado, facilita la estructura o garantiza que el lecho de catalizador se enfríe uniformemente hasta el final del reactor, ya que en el caso de una estructura en sándwich de varias capas, las ramificaciones laterales para el suministro o la eliminación de medios en el reactor siempre conllevan un componente de flujo cruzado forzado.

Mediante el número de inversiones, la posición del proceso de ebullición se puede desplazar en dirección radial entre los niveles y con el suministro controlado por separado del fluido de refrigeración (también son posibles diferentes cantidades de esta manera) se puede ajustar específicamente el flujo de calor extraído del catalizador. De este modo, el perfil de temperatura en el lecho del catalizador también puede ajustarse de forma selectiva en la dirección axial sin provocar la interrupción de la reacción.

De este modo, la mencionada subdivisión de la zona de reacción en diferentes áreas se consigue mediante diferentes longitudes de las estructuras de canal y/o número de desviaciones, es decir, número de estructuras de columna para influir en el flujo de calor y el perfil de temperatura en la dirección axial.

El uso de agua de reacción para la refrigeración de la metanización, precalentada por el enfriamiento de la corriente de reactivo o producto, ahorra el gasto de energía para el suministro de agua libre de iones.

El reactor es muy compacto (sus dimensiones externas son al menos 10 veces menores) en comparación con el estado de la técnica, por lo que puede utilizarse en sistemas móviles, de contenedores o modulares listos para funcionar.

Debido a la reducción del punto caliente, apenas hay desactivación del catalizador y, por tanto, una reducción significativa del riesgo de que la reacción se apague, así como ventajas en términos de mantenimiento (intervalos de mantenimiento más largos).

El fluido refrigerante tiene una alta temperatura de salida (aprox. 400-450 °C) y, por tanto, es adecuado para el retorno directo del calor de reacción al proceso de electrólisis HT.

El procedimiento muestra una baja limitación con respecto a la conversión de CO² (bajo esfuerzo de purificación del metano producido sintéticamente) en mezclas de CO y CO² con hidrógeno, como ocurre en una coelectrolisis de vapor de H²O y CO² a H² y CO.

Además, los costes son bajos debido a una desactivación mínima del catalizador. El diseño compacto garantiza un calentamiento/enfriamiento extremadamente rápido, por lo que el funcionamiento dinámico con cambios de carga es muy fácil. Esto es especialmente ventajoso cuando se utiliza un excedente de energía.

Mediante el uso de dos reactores conectados en serie o un reactor con la dirección del flujo del fluido refrigerante en la cámara de refrigeración en corriente directa y contracorriente con la dirección del flujo en la cámara de reacción, se proporcionan zonas/reactores separados para la conversión de CO y CO² (el CO se convierte preferentemente en los catalizadores comunes y el CO² tiene que competir por los centros de los catalizadores), con la posibilidad de utilizar diferentes catalizadores en los dos reactores, es decir, primero un catalizador para la conversión de CO con mayor estabilidad a la temperatura y a la coquización, y posteriormente un catalizador para la conversión de CO² con mayor actividad específica a temperaturas bajas.

Esta configuración también permite el uso de reactores de diferentes tamaños o de un reactor con zonas de diferentes tamaños con respecto a las zonas en las que en la cámara de refrigeración hay una corriente directa y contracorriente al flujo de la corriente en la cámara de reacción. El tamaño de los reactores o zonas depende de la relación CO/CO². Por tanto, según la invención, no solo el flujo de calor en la dirección radial, sino también el perfil de temperatura del reactor global en la dirección axial, se ve influenciado por la interconexión. De este modo, mediante el acoplamiento de un segundo reactor o parte del reactor con dirección de flujo posiblemente invertida, se consigue un valor máximo de la temperatura en el medio de refrigeración en la unión de las dos salidas de refrigerante. Esto tiene ventajas a la hora de utilizar el refrigerante para otros fines de calentamiento. La inversión de la dirección del flujo entre los reactores o segmentos del reactor permite combinar la reducción del pico de temperatura en la zona frontal del primer reactor con el ajuste de la transferencia de calor en diferentes zonas axiales en caso de recalentamiento del vapor hacia el final del primer reactor o segmento del reactor. En el segundo reactor o segmento del reactor, también se puede utilizar un catalizador diferente mediante el enfriamiento selectivo a temperaturas significativamente más bajas mediante la operación en contracorriente pura, con el fin de desplazar el equilibrio termodinámico en la dirección de los productos de la reacción.

El reactor y el procedimiento según la invención, en particular el funcionamiento del reactor según la invención, encuentran su uso en la industria del gas natural/industria eléctrica: para la producción de gas natural sintético (GNS) para la alimentación de la red de gas natural o para las estaciones de servicio de gas natural mediante un excedente de energía.

Además, se pueden utilizar emisores de CO² para proporcionar reactivos: Utilización de las emisiones (por ejemplo, del biogás o en la industria del cemento o en las centrales de cogeneración) para la producción de gas natural sintético (GNS) utilizando el excedente de energía. Además, se puede almacenar el excedente de energía y se evita el exceso de capacidad de la red eléctrica.

Las ventajas del dispositivo o sistema según la invención para la producción y/o almacenamiento de energía en hidrocarburos radica en una recuperación máxima de calor de cada etapa de la operación, una temperatura baja de la fuente de calentamiento que se usa para estabilizar el sistema. Esta está por debajo de 300 °C. Además, se consigue una optimización de la relación entre el CO² y el H2 para la metanización. Además, solo es necesario un mínimo de purificación del metano producido. Otra ventaja del sistema o dispositivo según la invención es un procedimiento casi autotérmico, en el que solo hay que alimentar una pequeña cantidad de agua. De esa manera, el consumo de agua también se reduce al mínimo.

A continuación, se describen mediante figuras algunas de las realizaciones de la presente invención. Sin embargo, no se pretende limitar el objeto de la invención, sino simplemente ilustrar realizaciones individuales o alternativas. Figura 1:

La Figura 1 muestra la construcción de un reactor a partir de placas individuales (capas). Partiendo de una placa central 1, que puede estar provista de elementos calefactores, la construcción es simétrica en ambas direcciones por medio de diferentes placas. En consecuencia, las placas 2 y 2' son especularmente simétricas y también presentan las mismas características de modo especularmente simétrico. De forma análoga, se realiza la construcción del reactor según la invención con las placas adicionales 3, 4, 5, 6, 7, que también se continúa de modo especularmente simétrico en la otra dirección opuesta. La placa 2 contiene ranuras continuas en la parte inferior, es decir, hacia la placa central. En la placa inferior 2' se encuentran ranuras análogas 2". Una vez soldada la pila, se puede pasar un alambre a través de estas ranuras 2", y el material entre dos ranuras de la respectiva placa 2 o 2' puede ser eliminado por erosión del alambre para crear la cámara de reacción. La placa central constituye la tapa de la cámara de reacción. Las placas de la primera capa 2 y 2' tienen más ranuras en el lado que se encuentra alejado de la placa central, que se cubren con la placa 3, 3' siguiente, y forman la cámara de refrigeración.

A continuación, la estructura se hace hacia arriba mediante placas 4-7 adicionales, que presentan las estructuras de canal y columna, formadas por ranuras y perforaciones. La última placa tiene conexiones para la entrada del medio refrigerante 8 así como para su salida 9. Desde la placa central hacia abajo se realiza la correspondiente estructura especularmente simétrica, tal como se muestra en la figura.

Figura 2:

La Figura 2 muestra una sección transversal de un reactor según la invención. Partiendo de una placa central 11, hay cámaras de reacción 12 con simetría especular en la parte superior e inferior. Encima de cada una de ellas se encuentra una cámara de refrigeración 13. La línea de suministro 16 del fluido refrigerante se caracteriza por una estructura de canal 15 y columna 14 plegada una sobre otra. En este caso, la línea de suministro muestra tres de estas estructuras plegadas una sobre otra. En esta alternativa, el fluido refrigerante 19 también se descarga a través de una estructura de canal 18 y columna 17.

Figura 3:

En la Figura 3 se describe una realización en la que el reactor según la invención presenta una parte de reactor con refrigeración a contracorriente con una línea de suministro para el fluido refrigerante después de la descarga. La primera parte del reactor A' se ha descrito en la Fig. 2. La segunda parte del reactor B' se caracteriza por presentar otra línea de suministro para el líquido refrigerante 16', que tiene una estructura de canal 15' y columna 14'.

Figura 4:

La Figura 4 describe una realización en la que se muestran dos reactores según la invención que pueden conectarse en serie. El primer reactor A se muestra en la Figura 2. El segundo reactor B" corresponde a la segunda parte del reactor B' mostrado en la Figura 3. También presenta una placa o plano central 11" y una cámara de reacción 12" adyacente a la misma. Además, el segundo reactor B" tiene una línea de suministro 1' para el fluido refrigerante con una estructura de canal 15' y columna 14'. Además, el segundo reactor presenta una línea de descarga para el fluido refrigerante 19" con también estructura de canal 18" y columna 17". El enfriamiento en la cámara de refrigeración 20" tiene lugar en contracorriente con el flujo en la cámara del reactor 12".

Fig. 5:

La Figura 5 describe una realización del sistema o dispositivo según la invención para la producción y/o almacenamiento de energía en hidrocarburos, en particular metano. Un dispositivo de electrólisis de alta temperatura 31 se alimenta con electricidad 32. El agua y el dióxido de carbono se introducen como reactivos. Uno de los productos derivados de la electrólisis es el oxígeno 47. Otros productos son el hidrógeno y el monóxido de carbono, que contienen dióxido de carbono residual y agua y vapor de agua, respectivamente 33. Estos se enfrían en el intercambiador de calor 34 y luego en el 35. Tras una separación gas-líquido 36, el hidrógeno y el monóxido de carbono, incluidos los componentes residuales, se introducen en un reactor A según la invención. En este reactor según la invención, con corriente continua en la cámara de reacción y refrigeración, tiene lugar la metanización del monóxido de carbono. Este está conectado a un segundo reactor "B" según la invención. En este reactor hay un flujo de contracorriente en la cámara de refrigeración con respecto a la cámara de reacción. Aquí tiene lugar la metanización posterior del monóxido de carbono y, en particular, del dióxido de carbono. El metano húmedo, como producto de reacción de los dos reactores 44 según la invención, se enfría frente a los reactantes del reactor A a través del intercambiador de calor 37. El agua 39 se separa en una separación gas-líquido 45, que se introduce en el intercambiador de calor 35. El metano 46 seco se retira del sistema como producto y se almacena o utiliza inmediatamente. En el intercambiador de calor 35, el agua 39 separada del producto de reacción es calentada por los productos de la electrólisis 33 y enviada a los intercambiadores de calor 40 y 41. Los intercambiadores de calor 40 y 41 son, por tanto, calefactores auxiliares alimentados eléctricamente, por combustión o por otro suministro de calor externo. Posteriormente, el agua calentada se introduce como fluido refrigerante con una temperatura cercana al punto de ebullición en los reactores A y B" según la invención. Desde los reactores A y B" según la invención, el agua, que se ha utilizado como fluido refrigerante y que ahora está presente como gas, pasa a la electrólisis a través del intercambiador de calor 34. Antes del intercambiador de calor 34, se alimenta dióxido de carbono 43 como reactivo para la electrólisis. Por lo tanto, en el intercambiador de calor 34, los productos de la electrólisis se calientan frente a los productos de la electrólisis.

El oxígeno 47 está presente como otro producto de la electrólisis, que se enfría en el intercambiador de calor 48 y puede ser descargado del sistema como producto 49 y almacenado o utilizado directamente. El intercambiador de calor 48 está conectado en paralelo con el intercambiador de calor 34 y también calienta los reactivos de la electrólisis. El sistema es estanco a los fluidos y a la presión. Si es necesario, se puede inyectar agua 38 en el sistema.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Reactor con carcasa de reactor, cámara de reacción y cámara de refrigeración, así como con líneas de suministro separados y estancos para al menos un fluido reactante y para un fluido refrigerante, caracterizado porque existen al menos dos líneas de suministro para el fluido refrigerante, cada uno de ellos con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo,

donde el reactor posee al menos una línea de descarga para el fluido refrigerante calentado que presenta al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo,

donde una estructura de canal significa una cavidad alargada paralela a la dirección del flujo en la cámara de reacción y una estructura de columna significa una cavidad alargada perpendicular a la dirección del flujo en la cámara de reacción,

donde una estructura de columna forma parte de la línea del fluido refrigerante que conecta dos estructuras de canal, permitiendo así la conducción estanca del fluido refrigerante,

donde la cámara de reacción está cargada con un catalizador,

donde la cámara de refrigeración enlaza con la línea de suministro del fluido refrigerante y se extiende hasta la línea de descarga y discurre paralelamente a la cámara de reacción.

2. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una de las dos líneas de suministro del fluido refrigerante presenta al menos dos estructuras de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de flujo.

3. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las al menos dos líneas de suministro están dispuestas en la zona de la primera mitad de la cámara de reacción.

4. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las al menos dos líneas de suministro y/o la al menos una línea de descarga presentan secciones transversales diferentes en términos de forma y/o área en la zona de las estructuras de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de corriente.

5. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una línea de suministro en al menos una estructura de columna comprende fases sinterizadas, metales sinterizados, fibras, cilindros o rodajas.

6. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta, después de la línea de descarga, una parte del reactor con refrigeración a contracorriente con al menos una línea de suministro para el fluido refrigerante con al menos una estructura de canal y columna plegada una sobre otra con inversión de corriente.

7. Reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está conectado de forma estanca con un dispositivo de electrólisis situado delante.

8. Uso de un reactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en un procedimiento de producción de hidrocarburos, preferentemente metano.

9. Procedimiento para el funcionamiento de un reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 caracterizado porque el fluido refrigerante se suministra a una presión de 5-100 bar, preferentemente 10-50, más preferentemente 20-40 bar, en particular 30 bar.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-10 caracterizado porque el fluido refrigerante se suministra a una temperatura de 0,1-30 Kelvin, preferentemente 1-20, con especial preferencia 5-10 Kelvin por debajo de la temperatura de ebullición del fluido refrigerante.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-11 caracterizado porque la temperatura en la cámara de reacción/lecho de catalizadores es de 100-800 °C, preferentemente de 200-700 °C, con especial preferencia de 300-500 °C.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-12 caracterizado porque la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada del fluido de reacción y la temperatura de entrada del fluido de refrigeración es de 10-300 °C, preferentemente de 50-250 °C, con especial preferencia de 100-200 °C.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-13 caracterizado porque un producto residual de la reacción de la cámara de reacción se utiliza como fluido refrigerante.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-14 caracterizado porque al menos dos reactores están conectados en serie de forma estanca al fluido, donde el primero es enfriado mediante una conducción en corriente directa y el segundo es enfriado mediante una conducción en contracorriente.