NL1031754C2

NL1031754C2 - Reactorinrichting, alsmede werkwijze voor het uitvoeren van een reactie met waterstof als reactieproduct.

Info

Publication number: NL1031754C2
Application number: NL1031754A
Authority: NL
Inventors: Jan Wilco Dijkstra; Yvonne Christine Van Delft; Steven Cornelis Anton Kluiters
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2007-11-06
Also published as: CA2651336A1; EP2012912A1; CN101466462A; JP2009535292A; WO2007142518A1; NO20084681L; US20100044642A1

Description

Titel: Reactorinrichting, alsmede werkwijze voor het uitvoeren van een reactie met waterstof als reactieproduct

De uitvinding heeft betrekking op een reactorinrichting, omvattende een 5 reactiekamer voor het uitvoeren van een reactie met waterstof (¾) als reactieproduct, een verbrandingskamer, alsmede een waterstofdoorlaatbare membraan, dat is aangebracht tussen de reactiekamer en de verbrandingskamer.

Uit WO 03/031325 is een zogenaamde reformerreactor voor het produceren van een syngas uit aardgas bekend. Een syngas is een gasmengsel dat in hoofdzaak 10 koolstofmonoxide (CO) en waterstof (¾) omvat. Deze reformerreactor omvat een reactiekamer met een inlaat voor een voedingsstroom van aardgas (CH4) en water (H2O) en een uitlaat voor syngas. De reactiekamer is in omtreksrichting begrensd door een membraan, dat in hoofdzaak slechts voor waterstof doorlaatbaar is. Het membraan is omgeven door een permeaatkamer, die tevens een verbrandingskamer vormt. De 15 verbrandingskamer heeft een luchtinlaat en een uitlaatopening.

Tijdens bedrijf wordt de voedingsstroom van aardgas en water toegevoerd aan de reactiekamer, waarin zogenaamde stoomreforming optreedt. Hierbij worden koolstofmonoxide en waterstof worden gevormd uit het aardgas en het water. In de reactiekamer ontstaat een productstroom die in hoofdzaak syngas bevat. De 20 productstroom verlaat de reactiekamer via de uitlaat.

Aangezien stoomreforming een endotherme reactie is, moet warmte worden toegevoerd om de reactie in stand te houden. De hoeveelheid waterstof die door het waterstofdoorlaatbaar membraan wordt getransporteerd, is afhankelijk van de partiaaldruk van waterstof in de reactiekamer en de verbrandingskamer. De 25 partiaaldruk van waterstof is bepaald door de molfiractie van waterstof vermenigvuldigd met de absolute druk. Tijdens bedrijf is de partiaaldruk van waterstof in de reactiekamer hoger dan in de verbrandingskamer. Hierdoor zal een hoeveelheid van de gevormde waterstof vanuit de reactiekamer via het membraan in de verbrandingskamer terechtkomen. Daarnaast wordt lucht via de luchtinlaat toegevoerd aan de 30 verbrandingskamer, zodat verbranding optreedt van de waterstof in de verbrandingskamer. Hierbij komt warmte vrij, die de endotherme stoomreforming van warmte voorziet en ervoor zorgt dat de temperatuur van de reactiekamer voldoende hoog blijft voor de stoomreforming.

103 1754 2

Doordat een gedeelte van de gevormde waterstof wordt verbrand voor het verwannen van de reactiekamer, is een afzonderlijke verbrandingsruimte overbodig. De permeaatkamer, waarin de geproduceerde waterstof wordt afgevangen, en de verbrandingskamer zijn immers in een ruimte gecombineerd. Dit leidt tot een 5 eenvoudige constructie. Bovendien is het transport van waterstof door het membraan vergroot door het verbranden van een gedeelte van de waterstof aan de permeaatzijde. De verbrandingsreactie verlaagt immers de partiaaldruk van waterstof aan de permeaatzijde. Verder kan het verbranden van een gedeelte van de gevormde waterstof rendementsvoordelen opleveren ten opzichte van het verschaffen van de benodigde 10 warmte door het verbranden van een hoeveelheid aardgas in een afzonderlijke verbrandingsruimte.

In de permeaat- oftewel verbrandingskamer treedt echter een verbranding op, die ongelijkmatig over de verbrandingskamer is verdeeld. De luchtinlaat is nabij een eind van de verbrandingskamer aangebracht, zodat de verbranding nabij de luchtinlaat 15 anders verloopt dan op afstand daarvan. Als gevolg hiervan is de temperatuur in de reactiekamer ook niet gelijkmatig over de reactiekamer verdeeld - de temperatuur in de reactiekamer kan lokaal telkens verschillen. In de reactiekamer treden lokaal temperatuurpieken op. De temperatuurverschillen over de reactiekamer beïnvloeden de stoomreforming, die daarin plaatsvindt. Dit beïnvloedt de beheersbaarheid van de 20 stoomreforming nadelig. Bovendien kan de ongelijkmatige temperatuurverdeling de levensduur en de stabiliteit van de katalysator en het membraan verslechteren. De temperatuurpieken kunnen verder leiden tot aantasting van de wanden van de reactorinrichting.

Een doel van de uitvinding is een verbeterde reactorinrichting te verschaffen.

25 Dit doel is volgens de uitvinding bereikt doordat een toevoerkanaal is aangebracht in de verbrandingskamer, welk toevoerkanaal is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen voor het toevoeren van een fluïdum omvattende zuurstof (O2) aan de verbrandingskamer. Het fluïdum omvattende zuurstof is bijvoorbeeld lucht. De toevoeropeningen verdelen die lucht gelijkmatiger over de verbrandingskamer - de 30 lucht wordt verdeeld over de verbrandingskamer toegevoerd. Hierdoor treedt het verbranden van de waterstof in de verbrandingskamer gecontroleerd en gedoseerd op. Dit leidt tot een temperatuur in de verbrandingskamer, van het membraan, en in de reactiekamer, die gelijkermatiger is verdeeld. Daarnaast is ook de permeatie van 3 waterstof door het membraan gelijkmatiger. De stoomreforming in de reactiekamer verloopt hierdoor gelijkmatiger.

Opgemerkt wordt dat uit WO 2004/022480 een inrichting voor het produceren van waterstof door stoomreforming bekend is. Deze inrichting is een membraan 5 stoomreforming reactor met zogenaamde “flameless distributed combustion” (FDC). De reactor omvat een centrale permeaatkamer, die is omgeven door een ringvormige reactiekamer. De permeaatkamer en de reactiekamer zijn van elkaar gescheiden door een waterstofdoorlaatbaar membraan. De reactiekamer is omgeven door een buitenste verwarmingskamer, waarin FDC-buizen zijn aangebracht. Tussen de reactiekamer en 10 de verwarmingskamer bevindt zich een dichte scheidingswand.

Tijdens bedrijf worden aardgas en water toegevoerd aan de reactiekamer, waarin stoomreforming optreedt. De gevormde waterstof diffundeert door het membraan naar de centrale permeaatkamer. Een spoelgas kan door de permeaatkamer stromen om het transport van waterstof door het membraan te bevorderen. De waterstof verlaat de 15 centrale permeaatkamer via een uitlaat.

Om de endotherme reformingreactie op gang te houden, wordt verbranding van aardgas uitgevoerd in de verwarmingskamer. Lucht stroomt aan een kopeind van de verwarmingskamer binnen, terwijl het aardgas via de FDC-buizen wordt verspreid over de verwarmingskamer. De door de verbranding vrijgekomen warmte wordt 20 overgedragen aan de reactiekamer, zodat de temperatuur binnen de reactiekamer voldoende hoog blijft voor stoomreforming.

Volgens de uitvinding kan het toevoerkanaal op verschillende manieren zijn uitgevoerd. Bijvoorbeeld omvat het toevoerkanaal een buisvormige toevoerleiding, waarin de zijdelingse toevoeropeningen zijn opgenomen. Daarnaast kan het 25 toevoerkanaal zijn gevormd tussen twee op afstand van elkaar geplaatste platen, waarin de toevoeropeningen zijn aangebracht.

Het verdient volgens de uitvinding de voorkeur, dat de reactiekamer is uitgevoerd voor een endotherme reactie, en de zijdelingse toevoeropeningen zodanig zijn uitgevoerd, dat de warmteproductie door verbranding van waterstof in de 30 verbrandingskamer is aangepast aan de warmtevraag van die endotherme reactie in de reactiekamer. Dit betekent overigens niet dat die warmteproductie lokaal precies gelijk moet zijn aan die warmtevraag.

4

In het bijzonder is de grootte van de toevoeropeningen en/of de onderlinge afstanden daartussen en/of de positionering daarvan over het toevoerkanaal zodanig, dat de warmteproductie in de verbrandingskamer lokaal is aangepast aan de warmtevraag in de reactiekamer. De grootte van de toevoeropeningen en/of de 5 onderlinge afstanden daartussen en/of de positionering daarvan over het toevoerkanaal vormen ontwerpparameters. Door optimalisatie daarvan kunnen temperatuurpieken in de reactiekamer grotendeels worden voorkomen. Dergelijke ontwerpparameters kunnen overigens ook bij een exotherme reactie in de reactiekamer worden toegepast voor het bereiken van een gewenste temperatuurverdeling.

10 Als het toevoerkanaal is uitgevoerd als buisvormige toevoerleiding kunnen de toevoeropeningen in langsrichting daarvan zijn verdeeld. Een tussen platen gevormd toevoerkanaal heeft bijvoorbeeld toevoeropeningen die over het gehele plaatoppervlak zijn verspreid. In de praktijk zijn meestal de toevoeropeningen op in hoofdzaak ongelijke afstanden van elkaar zijn aangebracht. De verdeling van de toevoeropeningen 15 is dan ongelijkmatig.

Het verdient volgens de uitvinding de voorkeur, dat de verbrandingskamer is voorzien van een inlaat voor een spoelfluïdum. Het spoelfluïdum omvat bijvoorbeeld stoom en/of stikstof, al dan niet vermengd met een fluïdum omvattende zuurstof (02), zoals lucht. Tijdens bedrijf kan een spoelstroming door de verbrandingskamer vloeien. 20 De spoelstroming bevordert het transport van waterstof door het waterstofdoorlaatbare membraan.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is de verbrandingskamer voorzien van een uitlaat voor ten minste waterstof, die door het membraan heen is getransporteerd. De uitlaat kan bijvoorbeeld zuivere waterstof of waterstof vermengd met het 25 spoelfluïdum afvoeren. De reactorinrichting kan worden toegepast voor het produceren van waterstof. In dat geval wordt zo veel mogelijk waterstof door het membraan naar de verbrandingskamer gebracht - de waterstof vormt dan een hoofdproduct aan de permeaatzijde. Die waterstof stroomt vervolgens uit de uitlaat van de verbrandingskamer. Via die uitlaat verlaat tevens het verbrandingsproduct water (H2O) 30 de verbrandingskamer. Door de verbranding van waterstof ontstaat immers water, dat ook wordt afgevoerd.

Het is volgens de uitvinding mogelijk, dat de reactiekamer is voorzien van een toevoer voor het toevoeren van een voedingsstroom. In het bijzonder omvat de 5 voedingsstroom methaan en water. De voedingsstroom kan echter elke koolwaterstof omvatten die door een endotherme reactie met water waterstof als reactieproduct heeft. Bijvoorbeeld is een methanol/water mengsel eveneens toepasbaar. Ook kan de voedingsstroom koolstofmonoxide, waterstof en koolstofdioxide omvatten, 5 bijvoorbeeld doordat de voedingsstroom voorafgaand aan het binnenstromen in de reactiekamer reeds een gedeeltelijke reactie heeft ondergaan, zoals reforming of prereforming.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is de reactiekamer voorzien van een af voer voor het afvoeren van een niet-gereageerde voedingsstroom en door de reactie 10 gevormde producten en bijproducten, zoals CO2, H2O, H2, CH4 en CO. De reactorinrichting kan ook worden toegepast voor het produceren van syngas. In dat geval wordt slechts een zodanige hoeveelheid waterstof door het membraan naar de verbrandingskamer gebracht, die nodig is om de endotherme reactie in de reactiekamer van warmte te voorzien. In de reactiekamer bevinden zich dan aanzienlijke 15 hoeveelheden koolstofmonoxide, waterstof en koolstofdioxide. Het syngas vloeit uit de afVoer van de reactiekamer.

De reactiekamer kan verder zijn voorzien van een katalytisch bed. De katalysator in het bed heeft een gunstige invloed op de reactie in de reactiekamer. Overigens kan de oxidatiereactie aan de permeaatzijde, d.w.z. in de verbrandingskamer, eveneens 20 ondersteund worden door een katalysator.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding is een reactorvat voorzien, dat is voorzien van meerdere waterstofdoorlaatbare membranen, die elk een verbrandingskamer begrenzen, waarbij de reactiekamer zich uitstrekt tussen de verbrandingskamers, en waarbij elke verbrandingskamer is voorzien van een 25 toevoerkanaal, dat is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen voor het toevoeren van een fluïdum omvattende zuurstof (O2). Het reactorvat is op industrieschaal geschikt voor bijvoorbeeld het uitvoeren van een endotherme reactie met waterstof als reactieproduct.

Hierbij is het mogelijk, dat het reactorvat een toevoeropening voor een 30 voedingsstroom heeft, die uitmondt in de reactiekamer tussen de door de waterstofdoorlaatbare membranen begrensde verbrandingskamers. De ruimte tussen de verbrandingskamers vormt een gemeenschappelijke reactiekamer, waarin de endotherme reactie ter vorming van waterstof plaatsvindt. Vanuit de reactiekamer 6 dringt de waterstof via de membranen de verbrandingskamers binnen, die verspreid in de reactiekamer van het reactorvat zijn aangebracht.

Het waterstofdoorlaatbare membraan kan volgens de uitvinding een buisvormige verbrandingskamer begrenzen. Het waterstofdoorlaatbare membraan is in dit 5 uitvoeringsvoorbeeld buisvormig. De verbrandingskamer strekt zich uit binnen dat buisvormige membraan. De verbrandingskamer is omgeven door de reactiekamer buiten het membraan.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding is elke buisvormige toevoerleiding voorzien van ten minste een centrale buis voor het doorvoeren van 10 spoelfluïdum naar een eindgedeelte van de reactor, welke centrale buis zich binnen de toevoerleiding uitstrekt, en waarbij de inlaat voor het spoelfluïdum van elke verbrandingskamer is aangebracht in die centrale buis nabij het eindgedeelte. De toevoerleiding en de centrale buis vormen in dit geval twee in hoofdzaak concentrische kanalen. Als de reactor verticaal is opgesteld, voert het binnen de centrale buis 15 verlopende kanaal de spoelstroming naar beneden, zodat de spoelstroming vanaf de bodem opwaarts door de verbrandingskamer stroomt. Door het ringvormige kanaal dat buiten de centrale buis en binnen de toevoerleiding verloopt, stroomt tijdens bedrijf lucht. In de wand van de toevoerleiding zijn perforaties aangebracht, die de toevoeropeningen voor het toevoeren van lucht vormen. De verbrandingskamer bevindt 20 zich tussen de wand van de toevoer en het waterstofdoorlaatbare membraan.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren van een reactie, waarbij waterstof (H2) als reactieproduct wordt gevormd, omvattende: - het verschaffen van een reactiekamer en een verbrandingskamer, die van elkaar zijn gescheiden door een waterstofdoorlaatbaar membraan, welke verbrandingskamer 25 een toevoerkanaal voor een fluïdum omvattende zuurstof (02) heeft, dat is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen, - het uitvoeren van die reactie in de reactiekamer, - het overbrengen van de waterstof uit de reactiekamer naar de verbrandingskamer via het waterstofdoorlaatbare membraan, 30 - het toevoeren van het fluïdum omvattende zuurstof (02) aan de verbrandingskamer door de toevoeropeningen van het toevoerkanaal, - het verbranden van de waterstof in de verbrandingskamer onder vrijkoming van warmte, 7 - het overdragen van die warmte aan de reactiekamer.

Het is volgens de uitvinding mogelijk, dat de in de reactiekamer uitgevoerde reactie endotherm is, waarbij de aan de reactiekamer overgedragen warmte wordt gebruikt voor het in stand houden van die endotherme reactie. De endotherme reactie 5 kan elke endotherme evenwichtsreactie zijn met waterstof als reactieproduct, zoals het omzetten van een koolwaterstof, dehydrogenering of stoomreforming. Een voorbeeld van dehydrogenering is de dehydrogenering van propaan tot propeen.

Daarnaast kan de in de reactiekamer uitgevoerde reactie exotherm zijn. Zowel in de verbrandingskamer als in de reactiekamer treedt dan een exotherme reactie op. De 10 uitvinding is ook geschikt voor een dergelijke exotherme reactie in de reactiekamer.

Het is volgens de uitvinding mogelijk, dat waterstof wordt afgevoerd uit de verbrandingskamer via een uitlaat. In dit geval is sprake van productie van waterstof.

Daarbij kan de uit de verbrandingskamer afgevoerde waterstof worden toegevoerd aan een gasturbine voor het opwekken van elektriciteit. De uitvinding heeft 15 daarom tevens betrekking op een systeem voor het opwekken van elektriciteit, omvattende een reactorinrichting zoals hierboven beschreven, alsmede een gasturbine, die een compressor, een verbrandingsruimte en een turbine omvat, waarbij de verbrandingskamer van de reactorinrichting, in het bijzonder de uitlaat daarvan, is verbonden met de verbrandingsruimte van de gasturbine voor het daaraan toevoeren 20 van waterstof. De waterstof die is geproduceerd met de reactorinrichting volgens de uitvinding kan worden toegevoerd aan een gasturbine van een elektriciteitscentrale. De uitvinding betreft derhalve ook het gebruik van de waterstof die is geproduceerd met de reactorinrichting volgens de uitvinding voor het opwekken van electriciteit met een gasturbine.

25 Daarnaast is het volgens de uitvinding mogelijk, dat de uit de verbrandingskamer afgevoerde waterstof samen met stikstof wordt toegevoerd aan een ammoniakreactor voor het produceren van ammoniak (NH3). De uitvinding heeft tevens betrekking op een systeem voor het produceren van ammoniak, omvattende een reactorinrichting zoals hierboven beschreven, alsmede een ammoniakreactor, waarbij de 30 verbrandingskamer van de reactorinrichting, in het bijzonder de uitlaat daarvan, is verbonden met de ammoniakreactor voor het toevoeren van waterstof vermengd met stikstof in een verhouding van in hoofdzaak 3:1. De waterstof die is geproduceerd met de reactorinrichting volgens de uitvinding is tevens bijzonder geschikt voor toepassing δ bij de productie van ammoniak. De uitvinding betreft derhalve ook het gebruik van de waterstof die is geproduceerd met de reactorinrichting volgens de uitvinding voor ammoniakproductie.

De uitvinding kan bovendien worden toegepast voor de productie van syngas. In 5 dit geval wordt syngas afgevoerd uit de reactiekamer via een afvoer. Dit syngas kan worden gestookt in een elektriciteitscentrale voor het opwekken van elektriciteit. De uitvinding betreft derhalve ook het gebruik van syngas dat is geproduceerd met de reactorinrichting volgens de uitvinding voor het opwekken van electriciteit met een gasturbine.

10 Vanzelfsprekend is ook een combinatie van waterstofproductie en syngasproductie mogelijk. Hierbij vindt gelijktijdige afvoer van waterstof uit de verbrandingskamer en syngas uit de reactiekamer plaats.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening.

15 Figuur 1 toont schematisch het werkingsprincipe van het uitvoeren van een reactie met waterstof als reactieproduct volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een reactorvat voor het produceren van een gasmengsel met waterstof volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont een detail ΙΠ uit figuur 2.

20 Figuur 4 toont een detail IV uit figuur 2.

Figuur 5 toont een detail V uit figuur 2.

De reactorinrichting voor het uitvoeren van een reactie met waterstof (¾) als reactieproduct is in zijn geheel aangeduid met 1. Het werkingsprincipe van de inrichting 1 is schematisch weergegeven in figuur 1.

25 De inrichting 1 omvat een reactiekamer 2, die een toevoer 17 voor een voedingsstroom heeft. De voedingsstroom omvat bijvoorbeeld een mengsel van aardgas (CH4) en water (H2O). De voedingsstroom kan vanzelfsprekend elk ander gasmengsel omvatten, waaruit waterstof (¾) kan worden vrijgemaakt.

In de reactiekamer 2 treedt bijvoorbeeld zogenaamde stroomreforming van de 30 voedingsstroom op. Stoomreforming is een endotherme evenwichtsreactie, waarbij koolstofinonoxide (CO) en waterstof worden gevormd uit aardgas en water. De koolstofmonoxide en waterstof vormen syngas. In reactievergelijking: CH4 + H20 + warmte <-► CO + 3 H2.

9

De gevormde koolstofmonoxide reageert met water uit de voedingsstroom in de reactiekamer 2 tot koolstofdioxide (CO2) en waterstof. Deze evenwichtsreactie wordt een zogenaamde water gas shift reactie genoemd. In reactievergelijking: C0 + H20<-C02 + H2.

5 Deze twee evenwichtsreacties leveren als totaalreactie in de reactiekamer 2: CH4 + 2 H20 + warmte <-► C02 + 4 H2.

De reactiekamer 2 omvat een katalytisch bed van katalysatordeeltjes 7. Het katalytisch bed ondersteunt de stoomreforming in de reactiekamer 2.

De reactiekamer 2 is begrensd door een waterstofdoorlaatbaar membraan 3. Het 10 membraan 3 is in hoofdzaak doorlaatbaar voor waterstof, maar vormt een barrière voor bijvoorbeeld koolstofdioxide. Het waterstofdoorlaatbare membraan 3 omvat bijvoorbeeld een laag 22 van palladium of zilver of een legering daarvan (zie figuur 3). De waterstofmoleculen kunnen door het metaalrooster van een dergelijke laag heen diffunderen. De laag 22 is aangebracht op een substraatlaag 23, zoals een keramische 15 laag of een metallische laag, al dan niet met een of meer keramische tussenlagen.

In de reactiekamer 2 heerst een partiaaldruk van waterstof die groter is dan aan de permeaatzijde. Door stoomreforming gevormde waterstof zal via het membraan 3 de reactiekamer 2 verlaten. Die waterstof komt dan in een verbrandingskamer 5 van de inrichting 1 terecht. Het doordringen van waterstof door het membraan 3 is schematisch 20 aangegeven met pijlen A. Het membraan 3 is aangebracht tussen de reactiekamer 2 en de verbrandingskamer 5. De verbrandingskamer 5 bevindt zich aan de permeaatzijde van het membraan 3.

De reactiekamer 2 heeft verder een afvoer 18 voor het af voeren van een retentaatstroom. De retentaatstroom omvat reactieproducten, niet-gereageerde 25 voedingsstroom en bijproducten, zoals C02, H20, H2, CH4 en CO.

De verbrandingskamer 5 aan de permeaatzijde van het membraan 3 omvat een inlaat 14 voor een spoelfluïdum, zoals stoom (H20) en/of stikstof (N2). De stroming van een dergelijke spoelfluïdum wordt vaak een "sweep" genoemd. De stroming van een spoelfluïdum door de verbrandingskamer 5 leidt tot een aanzienlijke verbetering 30 van het transport van waterstof door het membraan 3.

De verbrandingskamer 5 omvat in dit uitvoeringsvoorbeeld een buisvormige toevoerleiding 9. De toevoerleiding 9 heeft een reeks zijdelingse toevoeropeningen 10 voor het toevoeren van lucht aan de verbrandingskamer 5. In plaats van lucht kan 10 overigens elk oxidatief fluïdum worden toegevoerd, in het bijzonder elk fluïdum omvattende zuurstof. Bijvoorbeeld kan de toevoerleiding 9 ook verarmde lucht of lucht waaraan stoom is toegevoegd toevoeren aan de verbrandingskamer 5. Deze luchttoevoer is schematisch aangegeven met pijlen C.

5 De toevoeropeningen 10 zijn in langsrichting over de toevoerleiding 9 verdeeld.

De toevoeropeningen 10 strekken zich uit over de gehele lengte van de toevoerleiding 9. Hoewel de afstand tussen opeenvolgende toevoeropeningen 10 telkens ongeveer even groot is getekend, zal die afstand gewoonlijk verschillen. Deze afstand is immers een van de ontwerpparameters voor het afstemmen van de warmteproductie in de 10 verbrandingskamer op de warmtebehoefte in de reactiekamer.

Door middel van de buisvormige toevoerleiding 9 wordt de lucht verspreid over de gehele verbrandingskamer 5 toegevoerd. De toegevoerde lucht vermengt met de waterstof die door het membraan 3 in de verbrandingskamer 5 terecht is gekomen. Een hoeveelheid van die waterstof, bijvoorbeeld 20%, zal hierdoor verbranden.

15 De hierbij vrijgekomen warmte wordt overgedragen aan de voedingsstroom in de reactiekamer 2. Deze warmteoverdracht is schematisch aangegeven met pijlen B. Aangezien de toevoeropeningen de lucht in hoofdzaak gelijkmatig verdelen over de verbrandingskamer 5 is de vrijgekomen warmte eveneens in hoofdzaak gelijkmatig verdeeld. In de verbrandingskamer 5 heerst een nagenoeg homogene temperatuur. De 20 warmteproductie in de verbrandingskamer 5 is daarmee aangepast aan de warmtebehoefte van de endotherme stroomreforming in de reactiekamer 2. Als gevolg hiervan verloopt de stroomreforming in de reactiekamer 2 beheerst. Overigens zal ook warmteoverdracht naar de lucht in de buisvormige toevoerleiding plaatsvinden.

De verbrandingskamer 5 heeft verder een uitlaat 15 voor de waterstof, die niet is 25 verbrand. Ook het spoelfluïdum kan de verbrandingskamer 5 via de uitlaat 15 verlaten, alsmede de verbrandingsproducten, die in dit geval in hoofdzaak water omvatten.

De stromingen in de reactiekamer 2 en de verbrandingskamer 5 zijn in figuur 1 in tegenstroom. In plaats daarvan kunnen deze stromingen ook in meestroom met elkaar zijn. Hetzelfde geldt voor de stroming in de buisvormige toevoerleiding - deze kan 30 zowel in meestroom als in tegenstroom met de stroming in de reactiekamer 2 en/of in de verbrandingskamer 5 zijn.

Figuur 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting voor het produceren van een gasmengsel met waterstof, die op industrieschaal kan worden toegepast. In 11 figuur 2-5 worden dezelfde onderdelen als in figuur 1 aangeduid met dezelfde verwij zingscij fers.

De in figuur 2 getoonde inrichting 1 voor het produceren van een gasmengsel met waterstof omvat een reactorvat 20. Het reactorvat 20 omvat een opstaande 5 omtrekswand, die is afgesloten door een bodemgedeelte 31 en een bovengedeelte 32. Het reactorvat 20 heeft in het bovengedeelte 32 een inlaatopening 24 voor het spoelfluïdum, dat bijvoorbeeld stoom en stikstof omvat. In het bodemgedeelte 31 is een afVoeropening 28 voor de retentaatstroom aangebracht.

De omtrekswand van het reactorvat 20 heeft een toevoeropening 27 voor het 10 toevoeren van de voedingsstroom. De voedingsstroom kan elk gasmengsel omvatten, waaruit waterstof kan worden vrijgemaakt. In dit uitvoeringsvoorbeeld omvat de voedingsstroom aardgas en water. In de omtrekswand van het reactorvat 20 is een inlaatopening 21 voor het toevoeren van lucht aangebracht. Een zijdelingse uitlaat 25 voor de permeaatstroom is eveneens aangebracht in de omtrekswand van het reactorvat 15 20.

Binnen het reactorvat 20 zijn meerdere buisvormige verbrandingskamers 5 opgehangen. Elke buisvormige verbrandingskamer 5 is begrensd door een waterstofdoorlaatbaar membraan 3, dat in zichzelf gesloten is. De membranen 3 vormen membraanbuizen. De reactiekamer 2 met het katalytisch bed van 20 katalysatordeelljes 7 strekt zich uit tussen die membraanbuizen 3 (zie figuur 3).

Zoals het duidelijkst weergegeven in figuur 3 en 4 is elke verbrandingskamer 5 voorzien van een buisvormige toevoerleiding 9. De toevoerleidingen 9 zijn elk aangesloten op de inlaatopening 21 voor lucht. Elke buisvormige toevoerleiding 9 heeft zijdelingse toevoeropeningen 10 voor het toevoeren van lucht - de toevoeropeningen 25 10 zijn aangebracht in de omtrekswand van de toevoerleiding 9. De toevoeropeningen 10 zijn over de lengte van elke toevoerbuis 9 verdeeld. De lucht wordt via de toevoeropeningen 10 verspreid over de hoogte van de verbrandingskamers 5 toegevoerd. Dit is bijzonder gunstig voor de temperatuurverdeling over de reactiekamer 2.

30 Elke buisvormige toevoerleiding 9 heeft een centrale buis 30 voor het doorvoeren van het spoelfluïdum naar het bodemgedeelte 31 van het reactorvat 20. De centrale buis 30 van elke toevoerleiding 9 is aangesloten op de inlaatopening 24 voor het spoelfluïdum. Het spoelfluïdum stroomt vanaf die inlaatopening 24 via de centrale 12 buizen 30 naar het bodemgedeelte 31 van het reactorvat 20. Nabij het bodemgedeelte 31 bevindt zich de inlaat 14 voor het spoelfluïdum van de verbrandingskamers 5. De “sweep” stroomt vanaf beneden naar boven door de verbrandingskamers 5. Vanaf de inlaatopening 21 stroomt lucht in het ringvormige kanaal tussen de centrale buis 30 en 5 de toevoerleiding 9.

In de reactiekamer 2 wordt de voedingsstroom omgezet, bijvoorbeeld door stoomreforming. Hierbij wordt waterstof gevormd. De waterstof dringt via de membranen 3 door tot in de verbrandingskamers 5. Een gedeelte van de waterstof dient als brandstof voor de verbranding in de verbrandingskamers 5. De overige waterstof 10 wordt met het spoelfluïdum omhoog meegevoerd als permeaat. Het permeaat verlaat de verbrandingskamers 5 via de uitlaten 15. De uitlaten 15 van de verbrandingskamers 5 zijn aangesloten op de uitlaatopening 25 van het reactorvat 20, waardoor het permeaat wordt afgevoerd.

Deze inrichting voor het produceren van een gasmengsel met waterstof heeft ten 15 minste twee toepassingen, te weten elektriciteitsproductie en ammoniakproductie.

Bij elektriciteitsproductie wordt de uit de inrichting 1 afgevoerde waterstof meegestookt in een gasturbine van een elektriciteitscentrale.

Voor ammoniakproductie wordt de uit de inrichting 1 afgevoerde waterstof toegevoerd aan een ammoniakreactor. Bij de productie van ammoniak (NH3) ligt de 20 hoeveelheid aan de verbrandingskamers toe te voeren lucht vast. De toevoerlucht bevat stikstof, waarvan de hoeveelheid beperkt is, omdat de verhouding van stikstof (N2) ten opzichte van waterstof (¾) voor ammoniakproductie in hoofdzaak 1:3 is. Het gedeelte van de waterstof dat in de verbrandingskamers kan verbranden is hierdoor relatief klein. Daarom zou in het bijzonder bij ammoniakproductie een extra verwarming 25 kunnen worden toegevoegd, zoals een afzonderlijke verbrandingsruimte. Ook kan lucht of zuurstof aan de reactiekamer worden toegevoerd, zodat daar exotherme omzetting van voedingsstroom plaatsvindt - een hoeveelheid aardgas wordt bijvoorbeeld in de reactiekamer verbrand om warmte te genereren.

Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot de hierboven beschreven 30 uitvoeringsvoorbeelden. Bijvoorbeeld kan de reactiekamer zich centraal binnen de verbrandingskamer bevinden. De verbrandingskamers zijn dan aangebracht buiten de membraanbuizen. Ook kan de reactorinrichting volgens de uitvinding een vlakke 13 geometrie bezitten. De membranen en het toevoerkanaal zijn dan vlak, terwijl de verbrandingskamer zich daartussen uitstrekt.

De uitvinding omvat daarnaast alle evenwichtsreacties waarbij waterstof als reactieproduct wordt gevormd in een reactiekamer en waarbij het evenwicht verschuift 5 wanneer waterstof uit de reactie onttrokken wordt via een waterstof selectief membraan. De onttrokken waterstof komt hierdoor terecht in een tweede reactiekamer. In die tweede reactiekamer wordt een reactie uitgevoerd voor het consumeren van de waterstof, waarbij een reactant voor die reactie wordt toegevoerd via de zijdelingse toevoeropeningen van het toevoerkanaal.

10 In de tweede reactiekamer kunnen verschillende reacties optreden, bijvoorbeeld een verbrandingsreactie. De tweede reactiekamer vormt in dit geval een verbrandingskamer, waarbij een fluïdum omvattende zuurstof ((¾) wordt toegevoerd aan de verbrandingskamer. De waterstof aan de permeaatzijde van het membraan wordt dan verbrand.

15 Als een endotherme evenwichtsreactie in de reactiekamer wordt uitgevoerd, genereert de verbranding in de verbrandingskamer warmte voor het in stand houden van die endotherme reactie. Daarnaast blijft de partiaaldruk van waterstof aan de permeaatzijde laag. Een lage partiaaldruk van waterstof in de verbrandingskamer is gunstig voor het transport van waterstof door het membraan.

20 De reactie in de reactiekamer hoeft niet endotherm te zijn. Het verbranden van waterstof aan de permeaatzijde leidt in het geval van een exotherme reactie in de reactiekamer tot een temperatuurstijging van het gas aan de permeaatzijde en aan de voedingszijde. Door de gedoseerde toevoer van het zuurstofhoudende gas is de temperatuurstijging in ten minste de verbrandingskamer gelijkmatig. Een voorbeeld 25 van een dergelijke reactie is de water gas shift reactie.

1031754

Claims

1. Reactorinrichting (1), omvattende een reactiekamer (2) voor het uitvoeren van een reactie met waterstof (H2) als reactieproduct, een verbrandingskamer (5), alsmede 5 een waterstofdoorlaatbaar membraan (3), dat is aangebracht tussen de reactiekamer (2) en de verbrandingskamer (5), met het kenmerk, dat een toevoerkanaal (9) is aangebracht in de verbrandingskamer (5), welk toevoerkanaal (9) is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen (10) voor het toevoeren van een fluïdum omvattende zuurstof (02) aan de verbrandingskamer (5). 10

2. Reactorinrichting volgens een conclusie 1, waarbij het toevoerkanaal een buisvormige toevoerleiding (9) omvat.

3. Reactorinrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de reactiekamer (2) is 15 uitgevoerd voor een endotherme reactie, en waarbij de zijdelingse toevoeropeningen (10) zodanig zijn uitgevoerd, dat de warmteproductie door verbranding van waterstof in de verbrandingskamer is aangepast aan de warmtevraag van die endotherme reactie in de reactiekamer.

4. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de toevoeropeningen (10) op in hoofdzaak ongelijke afstanden van elkaar zijn aangebracht.

5. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de 25 verbrandingskamer (5) is voorzien van een inlaat (14) voor een spoelfluïdum, zoals stoom en/of stikstof en/of een fluidum omvattende zuurstof (O2), zoals lucht.

6. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de verbrandingskamer (5) is voorzien van een uitlaat (15) voor ten minste waterstof, die 30 door het membraan (3) heen is getransporteerd. 1031754

7. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de reactiekamer (2) is voorzien van een toevoer (17) voor het toevoeren van een voedingsstroom, die bijvoorbeeld CH4 en H2O omvat.

8. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de reactiekamer (2) is voorzien van een afvoer (18) voor het af voeren van niet-gereageerde voedingsstroom en door de reactie gevormde producten en bijproducten, zoals CO2, H2O, H2, CH4 en CO.

9. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de reactiekamer (2) en/of de verbrandingskamer (5) is voorzien van een katalytisch bed.

10. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende een reactorvat (20), dat is voorzien van meerdere waterstofdoorlaatbare membranen (3), die 15 elk een verbrandingskamer (5) begrenzen, waarbij de reactiekamer (2) zich uitstrekt tussen de verbrandingskamers (5), en waarbij elke verbrandingskamer (5) is voorzien van een toevoerkanaal (9), dat is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen (10) voor het daaraan toevoeren van een fluïdum omvattende zuurstof (O2).

11. Reactorinrichting volgens conclusie 10, waarbij het reactorvat (20) een toevoeropening (27) voor een voedingsstroom heeft, die uitmondt in de reactiekamer (2) tussen de door de waterstofdoorlaatbare membranen (3) begrensde verbrandingskamers (5).

12. Reactorinrichting volgens conclusie 10 of 11, waarbij de waterstofdoorlaatbare membranen (3) elk in hoofdzaak verticaal zijn opgehangen in het reactorvat (20).

13. Reactorinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het waterstofdoorlaatbare membraan (3) een buisvormige verbrandingskamer (5) begrenst. 30

14. Inrichting volgens een van de conclusies 10-13, waarbij elke buisvormige toevoerleiding (9) is voorzien van ten minste een centrale buis (30) voor het doorvoeren van spoelfluïdum naar een eindgedeelte (31) van het reactorvat (20), welke centrale buis (30) zich binnen de toevoerleiding (9) uitstrekt, en waarbij de inlaat (14) voor het spoelfluïdum van elke verbrandingskamer (5) is aangebracht in die centrale buis (30) nabij het eindgedeelte (31).

15. Werkwijze voor het uitvoeren van een reactie, waarbij waterstof (¾) als reactieproduct wordt gevormd, omvattende: - het verschaffen van een reactiekamer (2) en een verbrandingskamer (5), die van elkaar zijn gescheiden door een waterstofdoorlaatbaar membraan (3), welke verbrandingskamer (5) een toevoerkanaal (9) voor een fluïdum omvattende zuurstof 10 (O2) heeft, dat is voorzien van zijdelingse toevoeropeningen (10), - het uitvoeren van die reactie in de reactiekamer (2), - het overbrengen van de waterstof uit de reactiekamer (2) naar de verbrandingskamer (5) via het waterstofdoorlaatbare membraan (3), - het toevoeren van het fluïdum omvattende zuurstof (O2) aan de 15 verbrandingskamer (5) door de toevoeropeningen (10) van het toevoerkanaal (9), - het verbranden van een hoeveelheid waterstof in de verbrandingskamer (5) onder vrijkoming van warmte, - het overdragen van die warmte aan de reactiekamer (2).

16. Werkwijze volgens conclusie 15, waarbij de in de reactiekamer (2) uitgevoerde reactie endotherm is, en waarbij de aan de reactiekamer (2) overgedragen warmte wordt gebruikt voor het in stand houden van die endotherme reactie.

17. Werkwijze volgens conclusie 15, waarbij de in de reactiekamer (2) uitgevoerde 25 reactie exotherm is.

18. Werkwijze volgens een van de conclusies 15-17, waarbij de in de reactiekamer (2) uitgevoerde reactie een evenwichtsreactie is.

19. Werkwijze volgens een van de conclusies 15-18, waarbij een spoelfluïdum, zoals stoom en/of stikstof en/of een fluïdum omvattende zuurstof (O2), zoals lucht, door de verbrandingskamer (5) wordt gevoerd.

20. Werkwijze volgens een van de conclusies 15-19, waarbij waterstof wordt afgevoerd uit de verbrandingskamer (5) via een uitlaat (15).

21. Werkwijze volgens conclusie 20, waarbij de uit de verbrandingskamer (5) 5 afgevoerde waterstof wordt toegevoerd aan een gasturbine voor het opwekken van elektriciteit.

22. Werkwijze volgens conclusie 20, waarbij de uit de verbrandingskamer (5) afgevoerde waterstof samen met stikstof wordt toegevoerd aan een ammoniakreactor 10 voor het produceren van ammoniak (NH3).

23. Werkwijze volgens een van de conclusies 15-22, waarbij syngas wordt afgevoerd uit de reactiekamer (2) via een afvoer (18). 15 1031754