WO2019149434A1 - Rohrreaktor und verfahren zum betreiben eines rohrreaktors - Google Patents

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hydrogen
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Thomas Stiegler
Jakob Albert
Manfred Baldauf
Katharina Meltzer
Alexander Tremel
Peter Wasserscheid
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a tubular reactor for converting hydrogen to methane and a method for operating the tubular reactor.
  • Electricity generation fluctuates with increasing share of electricity from renewable energies during the course of the day.
  • controllable power plants or storage facilities are needed to store this energy.
  • One of the currently envisaged solutions is the conversion of electrical energy into value products, in particular organic platform chemicals or synthesis gas comprising carbon monoxide and hydrogen represent.
  • One possible technique for converting electrical energy into value products is electrolysis.
  • the electrolysis of water to hydrogen and oxygen is a method known in the art.
  • the hydrogen produced in the electrolysis process can react with a component comprising carbon dioxide to form methane and water.
  • the methane can then advantageously be fed directly into the existing natural gas infrastructure.
  • the tubular reactor according to the invention for converting hydrogen and carbon dioxide to methane and water comprises at least three reaction zones, each reaction zone having a catalyst.
  • the first reaction zone has a temperature in a first temperature range
  • the second reaction zone has a temperature in a second temperature range
  • the third reaction zone has a temperature in a third temperature range, wherein each of the reaction zones is isolated such that the reaction adiabat is feasible.
  • at least between two neighboring Bart reaction zones arranged a feeder for a cooling fluid.
  • the inventive method for converting hydrogen to methane in a tubular reactor comprises several steps. First, there is provided a tubular reactor having at least three reaction zones, wherein a first reaction zone has a temperature in a first temperature range, a second reaction zone has a temperature in a second temperature range, and a third reaction zone has a temperature in a third temperature range. Each reaction zone is isolated such that the tubular reactor is adiabatically operable within a reaction zone. Furthermore, each reaction zone has a catalyst. Between we least two adjacent reaction zones Zu2020vor a device for a cooling fluid is arranged. In this tube reactor, a reactant gas comprising hydrogen is fed into the first reaction zone. In the first reaction zone, a first portion of the hydrogen is converted to a first portion of methane.
  • reactant gas comprising the unreacted hydrogen and the first portion of methane is fed into the second reaction zone.
  • a second portion of hydrogen is converted to a second portion of methane.
  • the educt gas comprising the unreacted hydrogen, the first and the second portion Me than out of the second to the third reaction zone.
  • a third portion of which hydrogen is converted to a third proportion of methane is supplied between at least two adjacent reaction zones.
  • the first reaction zone represents a start-up zone of the tubular reactor.
  • the first temperature range of this zone should expediently be above a minimum temperature which is above the reaction ignition temperature and above the condensation temperature of water, in particular 100 ° C.
  • the second reaction zone having a temperature in the second temperature range should in particular be below the temperature which limits the stability of the catalyst. In this zone, the largest conversion of hydrogen takes place.
  • the hydrogen is reacted, which was not yet reacted in the first two reaction zone. It is advantageous if the temperature in the third temperature range is lower than in the second temperature range Tempe. As in the first reaction zone, the temperature in this third reaction zone should, however, advantageously be above the condensation temperature of water and above the reaction start temperature.
  • this Rohrreak tor can advantageously be operated with fluctuating hydrogen Z ustrom ben.
  • the dynamic addition of the cooling fluid ensures that the maximum temperature is not exceeded or a minimum temperature is not exceeded.
  • hydrogen and carbon dioxide may be converted to methane, wherein the amount of cooling fluid to be added may be low or high depending on the inlet volume flow of the educt gas.
  • a dynamic temperature control of the respective reac tion zones depending on the supplied amount of hydrogen can be achieved before geous by the addition of the cooling fluid at different points of the tubular reactor, ie between the respective reac tion zones.
  • direct cooling by means of a cooling fluid, in particular water can be set dynamically as required.
  • the reaction of hydrogen and carbon dioxide to methane is exothermic, whereby a high amount of energy is released at a high conversion, which must be brought out of the system before the mixture of hydrogen, carbon dioxide and methane flows through the third reaction zone.
  • it is sufficient to Errei sufficient cooling power through a low flow of cooling fluid when supplying a large educt gas in the tube reactor.
  • a high cooling fluid Ström are supplied.
  • the tubular reactor can be operated with energy-efficient and dynamic.
  • the supply device for the cooling fluid between the at least two second reaction zones and / or between the second reaction zone and the third reaction zone is arranged.
  • At least two first and / or third reaction zones are arranged in the flow direction of the educt gas behind one another. Between each of these zones, a supply device for the coolant is arranged. In other words, a reaction zone is limited by the addition means for the refrigerant.
  • the supply of a cooling fluid, in particular of water, into the tube reactor between two adjacent reaction zones ensures that the maximum temperature which may prevail there so that neither the catalyst nor the reactor material is damaged will not be exceeded.
  • the amount of the cooling fluid can be adjusted such that the temperatures of the second reaction zones are within an optimum temperature range, so that the conversion is advantageously high.
  • the addition of a cooling fluid between the second reaction zone and the third reaction zone advantageously ensures that the temperature of the third reaction zone is below the temperature of the second reaction zone. It is thus possible in part before to achieve a large cooling capacity by a high cooling fluid flow before the third reaction zone.
  • the temperature in the first reaction onszone in a first temperature range ranging from 100 ° C to 400 ° C. Particularly advantageous is the temperature in the first temperature range between 150 ° C and 250 ° C.
  • the heat generated in the first reaction zone is transported into the second reaction zone by means of the educts and products and thus used to heat the second reaction zone.
  • the inlet temperature is adjusted before each zone, depending on the volume flow of the reactant gas. At low flow rates, the heating power is set lower in the first zone, since the residence time of the educt gas in the first reaction zone is higher and thus percentage more can be implemented. At ho hen volume flows of the educt gas through the first reaction zone, the inlet temperature is set higher because the residence time of the educt gas in the first reaction zone is shorter. The relative sales are lower here.
  • the maximum temperature of the two th temperature range is 600 ° C.
  • the maximum temperature of the second temperature range is 500 ° C.
  • this maximum temperature is chosen such that both the strength of the reactor material and the Sta can be ensured stability of the catalyst.
  • a high conversion of hydrogen and carbon dioxide to methane is achieved, resulting in Ent- tion leads high amounts of heat. This heat must be dissipated so as not to exceed the maximum temperature.
  • the temperature in the third temperature range is between 200 ° C and 400 ° C. Particularly advantageous is the temperature in the third temperature range between 250 ° C and 350 ° C.
  • the temperature in the third temperature range is below the temperature of the second temperature range at high catalyst bed density, thereby ensuring that the unreacted hydrogen and carbon dioxide in the third reaction zone is converted to methane.
  • the first reaction zone comprises a Hei tion.
  • This heater advantageously ensures that the mini maltemperatur is reached for the reaction start. Furthermore, the heater ensures that the temperature is above the condensation temperature of the water. Water is produced as a product during the conversion of the hydrogen with carbon dioxide to methane. Furthermore, water may be supplied as cooling fluid to the process as needed. The water should be in vapor form to ensure the stability of the cata- torbetts and prevent coking.
  • the first, the second and / or the third catalyst bed comprise a porous metal structure for accommodating the catalyst.
  • the metal structure is advantageously electrically conductive.
  • such metallic Grundstruktu ren high thermal conductivity and high electrical Conductivity on.
  • these structures allow a high surface to volume ratio, allowing for efficient heat input into the reactor.
  • the heat input can via a heating of the reactor wall, which is in direct contact with the metal structure, take place. This allows a better heat input compared to conventional catalyst pellets. This is particularly advantageous in the first reaction zone.
  • the metal structure may be connected to electrodes.
  • a tempera ture increase of the metal structure can be achieved.
  • Contacting the metal structure with electrodes allows even faster heat input compared to contacting the metal structure with a heater.
  • the fast heating of the first reaction zone is particularly advantageous when the reactor has cooled to a temperature below a minimum temperature in an interruption of educt supply and therefore must be heated quickly when re-using the reactor to reach the starting temperature.
  • the catalyst is introduced as a porous bulk material in the tubular reactor.
  • the hydrogen comes from the electrolysis of water.
  • the tubular reactor with the three reaction zones with the fluctuating hydrogen flow from the electrolysis in dependence on the available electrical energy can be operated dynamically.
  • water is used as the cooling fluid.
  • Water is advantageous as a product already in the reactor IN ANY, so that water does not cause any additional side reactions. Furthermore, water can absorb advantageously large amounts of heat due to its evaporation ent halpie.
  • the cooling fluid before the first reaction onszone is fed into the reactor.
  • the total reactor temperature can be lowered.
  • this addition point for the cooling fluid thus prevents premature aging of the catalyst and the Reaktorma materials.
  • the first reaction zone comprises a first catalyst bed having a first density
  • the second reaction zone a second catalyst bed having a second density
  • the third reaction zone a third catalyst bed having a third density.
  • the first density is smaller than the second density
  • the second density is smaller than the third density.
  • guiding the reactant gas to capture hydrogen through the different reaction zones with increasing catalyst bed density allows a flexible order of hydrogen without the use of a large, costly hydrogen storage and without the use of a hydrogen Temperature control during a reaction interruption, so that the flexible reaction of hydrogen with low energy consumption is possible.
  • FIG. 1 shows a tubular reactor having a first reaction zone, a second reaction zone, a third reaction zone and a variable reaction zone;
  • Figure 2 shows a tubular reactor with four reaction zones, temperature turverlauf and feeding devices for the cooling fluid
  • FIG. 4 shows a metal structure of a catalyst bed of the
  • FIG. 5 shows a process diagram of the methanation of the hydrogen by means of the tube reactor.
  • Figure 1 shows a tubular reactor 1 having a first reaction zone 11, a second reaction zone 112, a third reaction zone 13 and a variable reaction zone 212.
  • the reaction zone 212 may function as an additional second reaction zone or as an additional third reaction zone depending on the temperature profile.
  • Hydrogen 2 and carbon dioxide 3 are fed into the first reaction zone 11.
  • the Rohrre actuator 1 the methanation is carried out according to equation 1.
  • methane 4 and water 5 leave the tubular reactor 1.
  • a coolant in particular water 5
  • the coolant in particular water 5
  • Figure 2 shows the same tubular reactor 1 as Figure 1 and additional Lich a first temperature profile 21 in the first reaction onszone 11, a second temperature profile 22 in the second reaction zone 112, a third temperature profile 23 in the third reaction zone 13 and a fourth temperature profile 39 in the variable Reaction zone 212. Furthermore, Figure 2 shows the minimum temperature T min , above which the temperature must be in the reaction zone, so that the reaction starts and the water does not condense. Also, the maximum temperature T max is shown in Figure 2, above which the catalyst is deactivated. Furthermore, FIG. 2 shows another supply device 37 and 38 for the coolant, in particular water 5.
  • variable zone 212 may also act as another second zone as needed. Then a less strong chilling Accordingly, the variable zone 212 allows dynamic operation of the tubular reactor 1, in which by selecting the amount of the cooling fluid, in particular water 5, between the reaction zones, the number of reaction zones and their function variable can be adjusted.
  • reaction zone is thus always determined by the addition of water 5 as a coolant.
  • the reaction zone is independent of the catalyst density in the catalyst bed. It is therefore also conceivable a tubular reactor with only a con stant density of the catalyst over the entire length of the tubular reactor with different reaction zones due to the temperature ranges. It is also conceivable that the catalyst bed density increases constantly in the flow direction of the Eduktga ses and then an increasing catalyst bed density is also present within a reaction zone.
  • the length of the reaction zone can vary.
  • the exit temperature of each zone should be substantially the same.
  • the inlet temperature in each zone should vary depending on whether it is a first, second or third zone.
  • the fourth supply device 38 for the cooling fluid water 5 can be used in particular if the temperature in the entire reactor is to be lowered.
  • a low Gasgemischtem temperature is generated by the evaporation of water.
  • a reduction in temperature Tempe over the entire tubular reactor 1 is made possible.
  • At least one of the Zuzhouvor directions a temperature measurement, which makes it possible to control the water supply dynamically depending on the educt gas volume flow.
  • FIG. 3 shows a tube reactor 1 with a first reaction zone 11, a second reaction zone 112, a third reaction zone tion zone 13 and a variable reaction zone 212.
  • the first reaction zone 11 comprises a first catalyst bed 14 having a first density.
  • the second reaction zone 112 comprises a second catalyst bed 15 having a second density.
  • the third reaction zone 13 comprises a third catalyst bed 16 having a third density.
  • the variable reaction zone 212 in this example comprises a second catalyst bed 15 having a second density.
  • the reaction zones are arranged one behind the other in the tubular reactor 1 with respect to the hydrogen 2 and carbon dioxide 3 through the flow direction of the educt gases. Between the second reaction zone 12 and the third reaction zone 13 there is a supply device 9 for a cooling fluid.
  • a supply device 9 for the cooling fluid is provided between the second reaction zone 112 and the variable reaction zone 212 .
  • the variable reaction zone 212 depending on the ge to given Wassermen act as an additional second reaction zone or as a third reac tion zone.
  • Me than 4 and water 5 leave the tubular reactor 1 as a product stream.
  • the density of the catalyst bed in the respective reaction zone increases in the direction of the flow of educt gas. That is, the first reaction zone has the catalyst bed with the lowest density, the third reaction zone, the catalyst bed with the highest density.
  • the catalyst is particularly advantageously arranged as a layer in a metal structure 30. This metal structure is explained in more detail in FIG.
  • the three reaction zones 11, 112, 13 allow by the un ferent densities of the three catalyst beds 14, 15 and
  • the reactor 1 can be operated dyna mixed.
  • the fourth supply device 38 for the coolant, in particular water 5 serves in particular to cool the entire tubular reactor 1 ab. A large hydrogen storage for storing the hydrogen in times of high hydrogen production is not necessary before geous.
  • FIG. 4 shows a metal structure 30 into which the catalyst can be embedded.
  • This metal structure 30 has, in particular, a diamond unit cell which has spaces in which catalyst can be introduced.
  • the metal structure was coated with catalyst, so that a catalyst layer 32 is formed on the metal carrier 33.
  • This metallic basic structure advantageously has a high thermal conductivity and a high electrical conductivity.
  • this structure has a high surface to volume ratio, which allows an effective heat input into the reactor 1.
  • the heat input into the tubular reactor 1 can take place either via the heating of a reactor wall of the tubular reactor. Then it is useful if the reactor wall of the tubular reactor 1, the metal structure 30 contacted directly.
  • the metal structure 30 is contacted by electrodes and is heated when a voltage is applied due to the electrical resistance. This allows a very efficient and rapid He warming the catalyst structure, which makes the heat input into the tubular reactor 1 energy efficient.
  • the cooled down tubular reactor 1 can also be electrically heated rapidly, and thus the operating temperature of the first reaction zone 11 can be rapidly generated again.
  • This coated metal structure 30 is particularly advantageous in the first reaction zone 11 before. It is also possible that the metal structure 30 is also arranged in the second reaction zone 112 and in the third reaction zone 13.
  • FIG. 5 shows schematically the interconnection of the tubular reactor 1, ie the methanation 10, with the electrolysis 40, a treatment plant 50 and the natural gas network 60.
  • Water 5 is split into hydrogen 2 and oxygen 17 by means of electrical energy, in particular if excess energy is present in a large amount of wind and sun.
  • the hydrogen 2 is fed into the tubular reactor 1 for methanation 10.
  • carbon dioxide 3 is supplied.
  • the methane 4 is then fed into a methane treatment plant 50, where it is worked up so that it can be Gelei tet in the natural gas network 60.
  • the methane is used for subsequent reactions.
  • the methane can be used directly as a fuel in locomotion, in particular vehicles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor und ein Verfahren zum Betreiben eines Rohrreaktors zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan mit wenigstens 3 Reaktionszonen. Dabei weist jede Reaktionszone einen Katalysator auf. In einer ersten Reaktionszone herrscht eine erste Temperatur in einem ersten Temperaturbereich, in einer zweiten Reaktionszone herrscht eine zweite Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich und in einer dritten Reaktionszone herrscht eine dritte Temperatur in einem dritten Temperaturbereich. Jede der Reaktionszone ist derart isoliert, dass die Methanisierung innerhalb einer Reaktionszone adiabat durchführbar ist. Zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen ist eine Zuführvorrichtung für ein Kühlfluid angeordnet. Diese Anordnung der Reaktionszonen in Verbindung mit der Zuführvorrichtung für ein Kühlfluid ermöglichen einen dynamischen Betrieb des Rohrreaktors in Abhängigkeit der Eduktgasmenge.

Description

Beschreibung
Rohrreaktor und Verfahren zum Betreiben eines Rohrreaktors
Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan und ein Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors .
Die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausgleichen zu kön nen, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Speicher, um die se Energie zu speichern.
Eine der derzeit angedachten Lösungen ist das Umwandeln von elektrischer Energie in Wertprodukte, die insbesondere orga nische Plattformchemikalien oder Synthesegas, welches Kohlen stoffmonoxid und Wasserstoff umfasst, darstellen. Eine mögli che Technik zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wert produkte stellt die Elektrolyse dar.
Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine im Stand der Technik bekannte Methode dar. Der in dem Elektrolyseprozess hergestellte Wasserstoff kann mit ei ner Kohlenstoffdioxid umfassenden Komponente zu Methan und Wasser reagieren. Das Methan kann dann vorteilhaft direkt in die bestehende Erdgasinfrastruktur eingespeist werden.
Da die regenerativen Energiequellen wie Windenergie und So larenergie nicht regelmäßig bereitstehen, kommt es bei der Produktion von Wasserstoff aus der Elektrolyse zu Schwankun gen hinsichtlich der produzierten Wasserstoffmenge. Diese Schwankungen führen zu Fluktuationen des Wasserstoffvolumen- stroms in einem Methanisierungsreaktor und können daher bei der Methanisierungs-Reaktion nachteilig zu einer Fluktuation der Produktgasqualität führen. Dadurch ist es nachteilig nö tig, das produzierte Erdgas vor einer Einspeisung in das Erd- gasnetz aufzubereiten. Ein zusätzlicher Aufbereitungsprozess führt nachteilig zu einem komplexeren Gesamtaufbau der Anlage und zu höheren Prozesskosten.
Eine Möglichkeit diesen schwankenden Wasserstoffström auszu gleichen besteht darin, einen WasserstoffSpeicher zwischen dem Wasserelektrolyseur und dem Reaktor zur Methanisierung anzuordnen. Die Wasserstoff-Fluktuationen werden auf diese Weise gepuffert. Nachteilig sind diese WasserstoffSpeicher sehr groß, wartungs- und kostenintensiv.
Trotz Einsatz eines WasserstoffSpeichers kann es dennoch zu langfristigen Unterbrechungen der Wasserstoffzufuhr kommen, sodass der Reaktor nicht betrieben werden kann. Um das Anfah ren des Reaktors nach einer Unterbrechung möglichst kurzfris tig gewährleisten zu können, werden die Reaktoren während der Stillstandzeit beheizt. Dieses Beheizen ist nachteilig kos ten- und energieintensiv.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Reaktor und ein Ver fahren zum Betreiben eines Reaktors anzugeben, welcher eine flexible und energieoptimierte Herstellung von Methan bei fluktuierender Wasserstoffzufuhr ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Rohrreaktor gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben des Rohrreaktors gemäß Anspruch 11 gelöst.
Der erfindungsgemäße Rohrreaktor zum Umsetzen von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser umfasst wenigstens drei Reaktionszonen, wobei jede Reaktionszone einen Katalysa tor aufweist. Die erste Reaktionszone weist eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich auf, die zweite Reaktions zone weist eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich auf und die dritte Reaktionszone weist eine Temperatur in ei nem dritten Temperaturbereich auf, wobei jede der Reaktions zonen derart isoliert ist, dass die Reaktion adiabat durch führbar ist. Weiterhin ist wenigstens zwischen zwei benach- barten Reaktionszonen eine Zuführvorrichtung für ein Kühl fluid angeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Umsetzen von Wasserstoff zu Methan in einem Rohrreaktor umfasst mehrere Schritte. Zu nächst erfolgt das Bereitstellen eines Rohrreaktors mit we nigstens drei Reaktionszonen, wobei eine erste Reaktionszone eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich aufweist, eine zweite Reaktionszone eine Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich aufweist und eine dritte Reaktionszone eine Temperatur in einem dritten Temperaturbereich aufweist. Jede Reaktionszone ist derart isoliert, dass der Rohrreaktor in nerhalb einer Reaktionszone adiabat betreibbar ist. Weiterhin weist jede Reaktionszone einen Katalysator auf. Zwischen we nigstens zwei benachbarten Reaktionszonen ist eine Zuführvor richtung für ein Kühlfluid angeordnet. In diesen Rohrreaktor wird ein Eduktgas umfassend Wasserstoff in die erste Reakti onszone zugeführt. In der ersten Reaktionszone wird ein ers ter Anteil des Wasserstoffs zu einem ersten Anteil Methan um gesetzt. Anschließend wird Eduktgas umfassend den nicht rea gierten Wasserstoff und der erste Anteil Methan in die zweite Reaktionszone geführt. In der zweiten Reaktionszone wird ein zweiter Anteil Wasserstoff zu einem zweiten Anteil Methan um gesetzt. Anschließend wird das Eduktgas umfassend den nicht reagierten Wasserstoff, der erste und der zweite Anteil Me than aus der zweiten in die dritte Reaktionszone geführt. In der dritten Reaktionszone wird dann ein dritter Anteil Was serstoff zu einem dritten Anteil Methan umgesetzt. Dabei wird zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen ein Kühlfluid zugeführt.
Die erste Reaktionszone stellt eine Anfahrzone des Rohrreak tors dar. Der erste Temperaturbereich dieser Zone sollte zweckmäßigerweise über einer Mindesttemperatur liegen, die oberhalb der Reaktionszündtemperatur und oberhalb der Konden sationstemperatur von Wasser, insbesondere 100 °C, liegt. Die zweite Reaktionszone mit einer Temperatur in dem zweiten Tem peraturbereich sollte insbesondere unterhalb der Temperatur liegen, die die Stabilität des Katalysators begrenzt. In die ser Zone erfolgt der größte Umsatz des Wasserstoffs.
In der dritten Reaktionszone wird der Wasserstoff umgesetzt, welcher in den ersten beiden Reaktionszone noch nicht umge setzt wurde. Vorteilhaft ist, wenn die Temperatur in dem dritten Temperaturbereich geringer als in dem zweiten Tempe raturbereich ist. Wie bereits in der ersten Reaktionszone sollte die Temperatur in dieser dritten Reaktionszone zweck mäßigerweise aber oberhalb der Kondensationstemperatur von Wasser und oberhalb der Reaktions-Starttemperatur liegen.
Da die Wasserstoffkonzentrationen zu Beginn der jeweiligen Zone schwanken können, und ein Umsatz in der jeweiligen Reak tionszone immer noch gewährleistet ist, kann dieser Rohrreak tor vorteilhaft mit fluktuierendem WasserstoffZustrom betrie ben werden. Insbesondere die dynamische Zugabe des Kühlfluids sorgt dafür, dass die Maximaltemperatur nicht überschritte oder eine Minimaltemperatur nicht unterschritten wird. Es ist also vorteilhaft möglich, dass Wasserstoff und Kohlenstoffdi- oxid zu Methan umgesetzt werden, wobei die zuzugebende Menge des Kühlfluids je nach Eingangsvolumenstrom des Eduktgases, gering oder hoch sein kann. In anderen Worten kann also vor teilhaft durch die Zugabe des Kühlfluids an unterschiedlichen Stellen des Rohrreaktors, also zwischen den jeweiligen Reak tionszonen, eine dynamische Temperierung der jeweiligen Reak tionszonen in Abhängigkeit der zugeführten Wasserstoffmenge erreicht werden. Vorteilhaft lässt sich eine direkte Kühlung mittels eines Kühlfluids, insbesondere Wasser, dynamisch nach Bedarf einstellen. Das Umsetzen von Wasserstoff und Kohlen stoffdioxid zu Methan ist exotherm, wodurch bei einem hohen Umsatz eine hohe Energiemenge freigesetzt wird, welche aus dem System herausgebracht werden muss, bevor das Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Methan die dritte Reakti onszone durchströmt. So ist es ausreichend bei Zuführen einer großen Eduktgasmenge in den Rohrreaktor eine ausreichende Kühlleistung durch einen niedrigen Kühlfluidstrom zu errei chen. Für den Fall, dass eine geringe Eduktgasmenge zu Beginn in den Rohrreaktor geführt wird, kann ein hoher Kühlfluid- ström zugeführt werden. Vorteilhaft kann der Rohrreaktor so mit energieeffizient und dynamisch betrieben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei zweite Reaktionszonen in
Längsrichtung des Rohrreaktors hintereinander angeordnet. In anderen Worten heißt das, dass der Rohrreaktor in Strömungs richtung des Eduktgases hintereinander wenigstens zwei zweite Reaktionszonen aufweist. Vorteilhaft kann so der Umsatz des Rohrreaktors weiter erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung ist die Zuführvorrichtung für das Kühl fluid zwischen den wenigstens zwei zweiten Reaktionszonen und/oder zwischen der zweiten Reaktionszone und der dritten Reaktionszone angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung sind wenigstens zwei erste und/oder dritte Reaktionszonen in Strömungsrichtung des Eduktgases hinterei nander angeordnet. Zwischen jeder dieser Zonen ist eine Zu führvorrichtung für das Kühlmittel angeordnet. In anderen Worten heißt das, dass eine Reaktionszone durch die Zugabe vorrichtung für das Kühlmittel begrenzt wird.
Vorteilhaft gewährleistet die Zuführung eines Kühlfluids, insbesondere von Wasser, in den Rohrreaktor zwischen zwei be nachbarten zweiten Reaktionszonen, dass die Maximaltempera- tur, welche dort herrschen darf, damit weder der Katalysator noch das Reaktormaterial beschädigt werden, nicht überschrit ten wird. Dabei kann vorteilhaft die Menge des Kühlfluids derart angepasst werden, dass die Temperaturen der zweiten Reaktionszonen in einem optimalen Temperaturbereich liegen, sodass der Umsatz vorteilhaft hoch ist. Bei einer geringen Wasserstoffmenge, insbesondere aufgrund von Eduktgasknapp heit, kann im Extremfall sogar auf die Zugabe des Kühlmediums verzichtet werden, sodass dann die beiden benachbarten zwei- ten Reaktionszonen wieder als nur eine zweite Reaktionszone fungieren .
Die Zugabe eines Kühlfluids zwischen der zweiten Reaktionszo ne und der dritten Reaktionszone gewährleistet vorteilhaft, dass die Temperatur der dritten Reaktionszone unterhalb der Temperatur der zweiten Reaktionszone liegt. Es ist also vor teilhaft möglich, eine große Kühlleistung durch einen hohen Kühlfluidstrom vor der dritten Reaktionszone zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung liegt die Temperatur in der ersten Reakti onszone in einem ersten Temperaturbereich, der von 100 °C bis 400 °C reicht. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur in dem ersten Temperaturbereich zwischen 150 °C und 250 °C. Vor teilhaft wird die in der ersten Reaktionszone entstehende Wärme in die zweite Reaktionszone mittels der Edukte und Pro dukte transportiert und somit zum Heizen der zweiten Reakti onszone verwendet. Vorteilhaft wird in Abhängigkeit des Volu menstroms des Eduktgases die Eintrittstemperatur vor jeder Zone angepasst. Bei geringen Volumenströmen wird die Heiz leistung in der ersten Zone niedriger eingestellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reaktionszone höher ist und damit prozentual mehr umgesetzt werden kann. Bei ho hen Volumenströmen des Eduktgases durch die erste Reaktions zone wird die Eintrittstemperatur höher eingestellt, da die Verweilzeit des Eduktgases in der ersten Reaktionszone kürzer ist. Der relative Umsatz ist hier geringer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung beträgt die maximale Temperatur des zwei ten Temperaturbereichs 600 °C. Besonders vorteilhaft beträgt die Maximaltemperatur des zweiten Temperaturbereichs 500 °C. Vorteilhaft wird diese Maximaltemperatur derart gewählt, dass sowohl die Festigkeit des Reaktormaterials als auch die Sta bilität des Katalysators gewährleistet werden können. In die ser zweiten Reaktionszone wird ein hoher Umsatz von Wasser stoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan erreicht, was zu Ent- stehung hoher Wärmemengen führt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die maximale Temperatur nicht zu überschreiten.
Das kann mittels einer indirekten Kühlung, insbesondere durch das Einbringen von Kühlmedien durchströmten Bauteilen, insbe sondere in Form von Wärmetauschern, erfolgen. Alternativ kann auch ein direktes Kühlen mittels eines Kühlfluids, insbeson dere Wasser, durchgeführt werden, wobei das Wasser in die zweite Reaktionszone eingedüst wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung liegt die Temperatur im dritten Tempera turbereich zwischen 200 °C und 400 °C. Besonders vorteilhaft liegt die Temperatur im dritten Temperaturbereich zwischen 250 °C und 350 °C. Vorteilhaft liegt die Temperatur im drit ten Temperaturbereich unterhalb der Temperatur des zweiten Temperaturbereichs bei hoher Katalysatorbettdichte, wodurch gewährleistet wird, dass der noch nicht umgesetzte Wasser stoff und Kohlenstoffdioxid in der dritten Reaktionszone zu Methan umgesetzt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung umfasst die erste Reaktionszone eine Hei zung. Diese Heizung gewährleistet vorteilhaft, dass die Mini maltemperatur für den Reaktionsstart erreicht wird. Weiterhin gewährleistet die Heizung, dass die Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Wassers liegt. Wasser wird als Produkt während des Umsetzens des Wasserstoffs mit Kohlen stoffdioxid zu Methan produziert. Weiterhin kann nach Bedarf Wasser als Kühlfluid dem Prozess zugeführt werden. Das Wasser sollte dampfförmig vorliegen, um die Stabilität des Katalysa torbetts zu gewährleisten und Verkokung zu verhindern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfassen das erste, das zweite und/oder das dritte Katalysatorbett eine poröse Metallstruktur zur Aufnahme des Katalysators. Die Metallstruktur ist vorteilhaft elektrisch leitend. Vorteilhaft weisen solche metallischen Grundstruktu ren eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ermöglichen diese Strukturen ein hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor ermöglicht. Der Wärmeeintrag kann über eine Beheizung der Reaktorwand, welche mit der Metall struktur in direktem Kontakt steht, erfolgen. Dies ermöglicht einen im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatorpellets besse ren Wärmeeintrag. Dies ist insbesondere in der ersten Reakti onszone vorteilhaft.
Alternativ kann die Metallstruktur mit Elektroden verbunden sein. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und den elektrischen Widerstand in der Metallstruktur kann ein Tempe raturanstieg der Metallstruktur erreicht werden. Das Kontak tieren der Metallstruktur mit Elektroden ermöglicht einen noch schnelleren Wärmeeintrag im Vergleich zur Kontaktierung der Metallstruktur mit einer Heizung. Das schnelle Beheizen der ersten Reaktionszone ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Reaktor bei einer Unterbrechung der Eduktzufuhr auf eine Temperatur unterhalb einer Minimaltemperatur abgekühlt ist und daher bei erneutem Einsatz des Reaktors schnell beheizt werden muss, um die Anfahrtstemperatur zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Katalysator als poröses Schüttgut in den Rohrreaktor eingebracht.
Eine alternative Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfin dung besteht darin, die Metallstruktur mit Katalysator zu be schichteten .
Besonders vorteilhaft ist die Kombination einer mit Katalysa tor beschichteten Metallstruktur, welche mit Elektroden ver bunden ist, um eine direkte und damit auch vorteilhaft schnelle Heizung der Metallstruktur und somit des Katalysa tors zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung stammt der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser. Besonders vorteilhaft kann der Rohrreaktor mit den drei Reaktionszonen mit dem fluktuierenden Wasserstoff strom aus der Elektrolyse in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie dynamisch betrieben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung wird als das Kühlfluid Wasser verwendet.
Vorteilhaft ist Wasser als Produkt bereits im Reaktor vorhan den, sodass Wasser keine zusätzlichen Nebenreaktionen hervor ruft. Weiterhin kann Wasser aufgrund seiner Verdampfungsent halpie vorteilhaft große Wärmemengen aufnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung wird das Kühlfluid vor der ersten Reakti onszone in den Reaktor geführt. Vorteilhaft kann mittels die ser Zugabestelle für das Kühlfluid, insbesondere für das Was ser, die gesamte Reaktortemperatur erniedrigt werden. Somit kann bei sehr hohen Umsätzen vermieden werden, dass die maxi mal zulässige Temperatur des Reaktors überschritten wird. Vorteilhaft vermeidet diese Zugabestelle für das Kühlfluid somit vorzeitige Alterung des Katalysators und der Reaktorma terialien .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung umfasst die erste Reaktionszone ein erstes Katalysatorbett mit einer ersten Dichte, die zweite Reakti onszone ein zweites Katalysatorbett mit einer zweiten Dichte und die dritte Reaktionszone ein drittes Katalysatorbett mit einer dritten Dichte. Dabei ist die erste Dichte kleiner als die zweite Dichte, und die zweite Dichte kleiner als die dritte Dichte. In anderen Worten heißt das, dass die Dichte in Strömungsrichtung der Eduktgase innerhalb des Rohrreaktors zunimmt. Vorteilhaft ermöglicht das Führen des Eduktgases um fassend Wasserstoff durch die unterschiedlichen Reaktionszo nen mit zunehmender Katalysatorbett-Dichte ein flexibles Um setzen von Wasserstoff ohne den Einsatz eines großen, kosten intensiven WasserstoffSpeichers und ohne den Einsatz einer Temperierung während einer Reaktionsunterbrechung, sodass das flexible Umsetzen des Wasserstoffs bei geringem Energiever brauch möglich ist.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung un ter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch :
Figur 1 einen Rohrreaktor mit einer ersten Reaktionszone, einer zweiten Reaktionszone, einer dritten Reakti onszone und einer variablen Reaktionszone;
Figur 2 einen Rohrreaktor mit vier Reaktionszonen, Tempera turverlauf und Zuführvorrichtungen für das Kühl fluid;
Figur 3 einen Rohrreaktor mit vier Reaktionszonen und drei
Katalysatorbetten unterschiedlicher Dichte;
Figur 4 eine Metallstruktur eines Katalysatorbetts des
Rohrreaktors ;
Figur 5 ein Verfahrensschema der Methanisierung des Wasser stoffs mittels des Rohrreaktors.
Figur 1 zeigt einen Rohrreaktor 1 mit einer ersten Reaktions zone 11, einer zweiten Reaktionszone 112, einer dritten Reak tionszone 13 und einer variablen Reaktionszone 212. Die Reak tionszone 212 kann in Abhängigkeit des Temperaturprofils als zusätzliche zweite Reaktionszone oder als zusätzliche dritte Reaktionszone fungieren. In die erste Reaktionszone 11 wird Wasserstoff 2 und Kohlenstoffdioxid 3 geführt. In dem Rohrre aktor 1 erfolgt die Methanisierung gemäß Gleichung 1.
4 H2+C02 CH4+ 2 H20 Gleichung 1 Demnach verlassen Methan 4 und Wasser 5 den Rohrreaktor 1. Zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 kann ein Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, hinzugegeben werden. Auch zwischen der variablen Reaktionszo ne 212 und der dritten Reaktionszone 13 kann das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, hinzugegeben werden.
Figur 2 zeigt denselben Rohrreaktor 1 wie Figur 1 und zusätz lich einen ersten Temperaturverlauf 21 in der ersten Reakti onszone 11, einen zweiten Temperaturverlauf 22 in der zweiten Reaktionszone 112, einen dritten Temperaturverlauf 23 in der dritten Reaktionszone 13 und einen vierten Temperaturverlauf 39 in der variablen Reaktionszone 212. Weiterhin zeigt Figur 2 die Minimaltemperatur Tmin, oberhalb welcher die Temperatur in der Reaktionszone sein muss, damit die Reaktion startet und das Wasser nicht kondensiert. Auch die Maximaltemperatur Tmax ist in Figur 2 gezeigt, oberhalb welcher der Katalysator desaktiviert wird. Des Weiteren zeigt Figur 2 weitere Zuführ vorrichtung 37 und 38 für das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5.
Figur 2 macht deutlich, dass jede der Reaktionszonen adiabat betrieben wird. Die Methanisierungs-Reaktion gemäß Gleichung 1 ist exotherm. Daher steigt innerhalb einer Reaktionszone die Temperatur an. Aus Figur 2 wird auch deutlich, dass die zweite Reaktionszone 112 die Reaktionszone mit dem größten Umsatz ist, da hier die Temperatur am deutlichsten und höchs ten steigt. Zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 ist ein deutlicher Temperatur sprung sichtbar. An dieser Stelle wird Wasser als Kühlmittel hinzugegeben. Dadurch sinkt auch der Umsatz. In der dritten Reaktionszone 13 erfolgt das Umsetzen des dritten Anteils Wasserstoff zu Methan. In diesem Beispiel fungiert die vari able Zone 212 als dritte Zone, um ein Überhitzen des Rohrre aktors im dynamischen Betrieb bei Umsätzen zu verhindern.
Die variable Zone 212 kann bei Bedarf ebenso als weitere zweite Zone fungieren. Dann erfolgt eine weniger starke Küh- lung zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212. Die variable Zone 212 ermöglicht demnach einen dynamischen Betrieb des Rohrreaktors 1, bei dem mit Auswahl der Menge des Kühlfluids, insbesondere Wasser 5, zwi schen den Reaktionszonen die Anzahl der Reaktionszonen und deren Funktion variabel eingestellt werden kann.
Eine weitere Reaktionszone wird also immer durch das Zugeben von Wasser 5 als Kühlmittel festgelegt. Dabei ist die Reakti onszone unabhängig von der Katalysatordichte im Katalysator bett. Es ist demnach auch ein Rohrreaktor mit nur einer kon stanten Dichte des Katalysators über die gesamte Länge des Rohrreaktors mit unterschiedlichen Reaktionszonen aufgrund der Temperaturbereiche denkbar. Ebenso ist denkbar, dass die Katalysatorbettdichte konstant in Fließrichtung des Eduktga ses zunimmt und dann auch innerhalb einer Reaktionszone eine zunehmende Katalysatorbettdichte vorhanden ist. Die Länge der Reaktionszone kann variieren. Die Austrittstemperatur jeder Zone sollte im Wesentlichen gleich sein. Sie Eintrittstempe- ratur in jede Zone sollte in Abhängigkeit, ob es sich um eine erste, eine zweite oder eine dritte Zone handelt, variieren.
Die vierte Zuführvorrichtung 38 für das Kühlfluid Wasser 5, kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn die Temperatur im gesamten Reaktor erniedrigt werden soll. Durch die Zufuhr von Wasser 5 am Eingang der ersten Reaktionszone 11 wird durch das Verdampfen des Wassers eine niedrige Gasgemischtem peratur erzeugt. Durch die Konvektion des Gasgemisches mit der geringeren Temperatur, wird eine Verringerung der Tempe ratur über den gesamten Rohrreaktor 1 ermöglicht.
Zweckmäßigerweise erfolgt an wenigstens einer der Zuführvor richtungen eine Temperaturmessung, welche es ermöglicht, die Wasserzufuhr dynamisch in Abhängigkeit des Eduktgasvolumen stromes zu regeln.
Figur 3 zeigt einen Rohrreaktor 1 mit einer ersten Reaktions zone 11, einer zweiten Reaktionszone 112, einer dritten Reak- tionszone 13 und einer variablen Reaktionszone 212. Die erste Reaktionszone 11 umfasst ein erstes Katalysatorbett 14 mit einer ersten Dichte. Die zweite Reaktionszone 112 umfasst ein zweites Katalysatorbett 15 mit einer zweiten Dichte. Die dritte Reaktionszone 13 umfasst ein drittes Katalysatorbett 16 mit einer dritten Dichte. Die variable Reaktionszone 212 umfasst in diesem Beispiel ein zweites Katalysatorbett 15 mit einer zweiten Dichte. Die Reaktionszonen sind im Rohrreaktor 1 hintereinander hinsichtlich der durch Strömungsrichtung der Eduktgase Wasserstoff 2 und Kohlenstoffdioxid 3 angeordnet. Zwischen der zweiten Reaktionszone 12 und der dritten Reakti onszone 13 befindet sich eine Zuführvorrichtung 9 für ein Kühlfluid. Auch zwischen der zweiten Reaktionszone 112 und der variablen Reaktionszone 212 ist eine Zuführvorrichtung 9 für das Kühlfluid vorgesehen. Für den Fall, dass in diese Zu führvorrichtung Wasser 5 eingebracht wird, kann die variable Reaktionszone 212 in Abhängigkeit der zu gegebenen Wassermen ge als zusätzliche zweite Reaktionszone oder als dritte Reak tionszone fungieren. Am Ende des Rohrreaktors 1 verlassen Me than 4 und Wasser 5 als Produktstrom den Rohrreaktor 1.
Die Dichte des Katalysatorbetts in der jeweiligen Reaktions zone nimmt in Richtung der Strömung des Eduktgases zu. D. h., die erste Reaktionszone weist das Katalysatorbett mit der niedrigsten Dichte auf, die dritte Reaktionszone das Kataly satorbett mit der höchsten Dichte.
Der Katalysator ist insbesondere vorteilhaft als Schicht in einer Metallstruktur 30 angeordnet. Diese Metallstruktur wird in Figur 4 näher erläutert.
Die drei Reaktionszonen 11, 112, 13 ermöglichen durch die un terschiedlichen Dichten der drei Katalysatorbetten 14, 15 und
16 den Betrieb für unterschiedliche Wasserstoff-Eingangskon- zentrationen . Aufgrund der vielen Zuführvorrichtungen für das Kühlfluid, insbesondere Wasser 5, kann der Reaktor 1 dyna misch betrieben werden. Durch die erste Zuführvorrichtung 9 und die zweite Zuführvorrichtung 36 kann eingestellt werden, ob die variable Reaktionszone 212 eine zweite Reaktionszone oder eine dritte Reaktionszone darstellen soll. Die vierte Zuführvorrichtung 38 für das Kühlmittel, insbesondere Wasser 5, dient insbesondere dazu, den gesamten Rohrreaktor 1 abzu kühlen. Ein großer WasserstoffSpeicher zum Speichern des Was serstoffs in Zeiten von hoher Wasserstoffproduktion ist vor teilhaft nicht nötig.
Figur 4 zeigt eine Metallstruktur 30, in welche der Katalysa tor eingebettet werden kann. Diese Metallstruktur 30 weist insbesondere eine Diamanteinheitszelle auf, welche Zwischen räume aufweist, in welche Katalysator eingebracht werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Metallstruktur mit Katalysator beschichtet, sodass eine Katalysatorschicht 32 auf dem Metallträger 33 entsteht. Vorteilhaft weist diese metallische Grundstruktur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem weist diese Struktur ein hohes Oberflächen- zu Volumenverhältnis auf, was einen effektiven Wärmeeintrag in den Reaktor 1 ermöglicht.
Der Wärmeeintrag in den Rohrreaktor 1 kann entweder über die Beheizung einer Reaktorwand des Rohrreaktors erfolgen. Dann ist es zweckmäßig wenn die Reaktorwand des Rohrreaktors 1 die Metallstruktur 30 direkt kontaktiert.
Besonders bevorzugt ist es aber alternativ, dass die Metall struktur 30 von Elektroden kontaktiert wird und bei Anlegen einer Spannung aufgrund des elektrischen Widerstands erhitzt wird. Dies ermöglicht eine sehr effiziente und schnelle Er wärmung der Katalysatorstruktur, was den Wärmeeintrag in den Rohrreaktor 1 energieeffizient gestaltet. Vorteilhaft kann weiterhin bei der Unterbrechung der Eduktzufuhr der abgekühl te Rohrreaktor 1 schnell elektrisch beheizt werden und somit schnell wieder die Betriebstemperatur der ersten Reaktionszo ne 11 erzeugt werden.
Diese beschichtete Metallstruktur 30 liegt besonders vorteil haft in der ersten Reaktionszone 11 vor. Es ist aber auch möglich, dass die Metallstruktur 30 auch in der zweiten Reak tionszone 112 und in der dritten Reaktionszone 13 angeordnet ist .
Figur 5 zeigt schematisch die Verschaltung des Rohrreaktors 1, also der Methanisierung 10, mit der Elektrolyse 40, einer Aufbereitungsanlage 50 und dem Erdgasnetz 60.
Wasser 5 wird mittels elektrischer Energie, insbesondere wenn Überschussenergie bei viel Wind und Sonne vorhanden ist, zu Wasserstoff 2 und Sauerstoff 17 gespalten. Der Wasserstoff 2 wird in den Rohrreaktor 1 zur Methanisierung 10 geführt. Au ßerdem wird Kohlenstoffdioxid 3 zugeführt. Während der Metha nisierung wird aus dem Kohlenstoffdioxid 3 und dem Wasser stoff Methan 4 und Wasser 5 hergestellt. Das Methan 4 wird anschließend in eine Methanaufbereitungsanlage 50 geführt, wo es so aufgearbeitet wird, dass es in das Erdgasnetz 60 gelei tet werden kann. Alternativ zu dem Führen in die Erdgaslei tung ist es denkbar, dass das Methan für Folgereaktionen ver wendet wird. Weiterhin kann das Methan direkt als Treibstoff in Fortbewegungsmitteln, insbesondere Fahrzeugen, eingesetzt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Rohrreaktor (1) zum Umsetzen von Wasserstoff (2) zu Methan (4) mit wenigstens drei Reaktionszonen,
wobei
- jede Reaktionszone einen Katalysator aufweist,
- eine erste Reaktionszone (11) eine erste Temperatur (21) in einem ersten Temperaturbereich aufweist, eine zweite Reak tionszone (112) eine zweite Temperatur (22) in einem zwei ten Temperaturbereich aufweist und eine dritte Reaktionszo ne (13) eine dritte Temperatur (23) in einem dritten Tempe raturbereich aufweist und jede Reaktionszone derart iso liert ist, dass der Rohrreaktor (1) innerhalb einer Reakti onszone adiabat betreibbar ist und
- zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen we nigstens eine Zuführvorrichtung (9) für ein Kühlfluid ange ordnet ist.
2. Rohrreaktor (1) nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei zweite Reaktionszonen (112, 212) entlang der Längsachse des Rohrreaktors (1) hintereinander angeordnet sind.
3. Rohrreaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuführ vorrichtung (9) für das Kühlfluid zwischen zwei zweiten Reak tionszonen (112, 212) und/oder zwischen der zweiten Reakti onszone (112) und der dritten Reaktionszone (13) angeordnet ist .
4. Rohrreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dritte Temperaturbereich (23) unterhalb des zweiten Temperaturbereichs (22) liegt.
5. Rohrreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Temperaturbereich (22) oberhalb des ersten Temperaturbereichs (21) liegt.
6. Rohrreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Reaktionszone (11) eine Heizung umfasst.
7. Rohrreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste (11), die zweite (112) und/oder die dritte Reaktionszone (13) eine poröse Metallstruktur (30) zum Auf nehmen des Katalysators umfassen.
8. Rohrreaktor (1) nach Anspruch 7, wobei der Katalysator als eine Schicht (32) auf der porösen Metallstruktur (30) aufge bracht ist.
9. Rohrreaktor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die poröse Metallstruktur (30) in direktem Kontakt mit der Heizung steht.
10. Rohrreaktor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die poröse Metallstruktur (30) zum direkten Aufheizen der Me tallstruktur mit einem Elektrodenpaar verbunden ist.
11. Verfahren zum Umsetzen von Wasserstoff (2) zu Methan (4) in einem Rohrreaktor (1) mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Rohrreaktors (1) mit wenigstens drei Reaktionszonen, wobei eine erste Reaktionszone (11) eine erste Temperatur (21) in einem ersten Temperaturbereich aufweist, eine zweite Reaktionszone eine zweite Temperatur (22) in einem zweiten Temperaturbereich aufweist und eine dritte Reaktionszone eine dritte Temperatur (23) in einem dritten Temperaturbereich aufweist und jede Reaktionszone derart isoliert ist, dass der Rohrreaktor (1) innerhalb ei ner Reaktionszone adiabat betreibbar ist und jede Reakti onszone einen Katalysator aufweist und zwischen wenigstens zwei benachbarten Reaktionszonen eine Zuführvorrichtung (9) für ein Kühlfluid angeordnet ist,
- Zuführen eines Eduktgases umfassend Wasserstoff (2) in die erste Reaktionszone (11),
- Umsetzen eines ersten Anteils des Wasserstoffs (2) zu einem ersten Anteil Methan (4),
- Führen des nicht reagierten Wasserstoffs (2) und des ersten Anteils Methan (4) in die zweite Reaktionszone (112), - Umsetzen eines zweiten Anteils des Wasserstoffs (2) zu ei nem zweiten Anteil Methan (4) in der zweiten Reaktionszone (112), wobei der zweite Anteil Methan (4) größer als der erste Anteil Methan (4) ist,
- Führen des nicht reagierten Wasserstoffs (2), des ersten und des zweiten Anteils an Methan (4) aus der zweiten in die dritte Reaktionszone (13),
- Umsetzen eines dritten Anteils Wasserstoff (2) zu einem dritten Anteil Methan (4) in der dritten Reaktionszone (13), wobei ein Kühlfluid zwischen zwei benachbarten Reak tionszonen zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Kühlfluid Wasser (5) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei zwi schen der ersten (11) und zweiten Reaktionszone (112) das Kühlfluid zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei vor der ersten Reaktionszone (11) das Kühlfluid in den Rohrreak tor (1) zugeführt wird.
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