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DE9320711U1 - Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner - Google Patents

Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

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DE9320711U1
DE9320711U1 DE9320711U DE9320711U DE9320711U1 DE 9320711 U1 DE9320711 U1 DE 9320711U1 DE 9320711 U DE9320711 U DE 9320711U DE 9320711 U DE9320711 U DE 9320711U DE 9320711 U1 DE9320711 U1 DE 9320711U1
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catalyst
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catalytic
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Description

Fraunhofer-Gesellschaft 93/30455-iSE
zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Leonrodstraße 54
80636 München
Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner
Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor mit integriertem Brenner.
In der chemischen Technik gehören katalytische Reaktionen zu den Grundoperationen der Stoffumwandlung. Abhängig von den jeweils ablaufenden Reaktionen gibt es katalytische Prozesse, bei denen Reaktionswärme frei wird (exotherm), aber auch katalytische Prozesse, bei denen Wärme in die Reaktionszone eingespeist werden muß, damit die Reaktionen ablaufen können (endotherm). Beispiele für exotherme Reaktionen sind Oxidationsreaktionen z.B. CO-Oxidation, während viele Spaltreaktionen z.B. von Erdöl, Erdgas endotherm ablaufen. Die Einbringung der erforderlichen Wärmemengen bei endothermen katalytischen Reaktionen wird heute technisch in unterschiedlicher Weise gelöst, z.B. durch elektrische Heizelemente, durch Gasbrenner, etc. Verfahrenstechnisch und kostenmäßig ist besonders der Einsatz von Brennern, die mit konventionellen Brennstoffen betrieben werden, vorteilhaft. Typischerweise werden die Brenner mit Erdgas oder Heizöl betrieben, in seltenen Fällen auch mit Wasserstoff, falls er z.B. als Nebenprodukt der Chloralkali-Elektrolyse preiswert zur Verfügung steht. Der Einsatz dieser Brenner ist mit bestimmten Nachteilen verbunden, wie relativ hohe Schadstoffemissionen auf Grund der Flammenverbrennung oder nicht optimaler Wärmeübergang zwischen Flamme und Katalysatorzone, bzw. den Reaktanden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen schadstoffarmen Reaktor zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dies durch einen chemischen Reaktor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktor zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen, der mit einem extrem schadstoffarmen kataiytischen Brenner beheizt wird und bei dem der Wärmetransport vom katalytischen Brenner zum katalytischen Reaktor optimiert ist.
Katalytische Brenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe sind bekannt aus den deutschen Patentanmeldungen P 42 04 320.4-13, und P 43 17 554.6. Bezüglich der Einzelheiten wird ausdrücklich auf diese Patentanmeldungen Bezug genommen. Alle diese Brenner basieren auf einem zweistufigen Konzept, wobei die erste Stufe ca. 70% des Brenngases umsetzt, während die 2. Stufe den voiiständsigen Ausbrand durchführt. Der Einsatz dieser Brenner zum Beheizen eines Reaktors für katalytische Reaktionen erfolgt dadurch, daß die Katalysatorschicht der 1. Brennerstufe parallel zu der Schicht bzw. Schüttung der Reaktionskatalysatoren verläuft, wobei beide Katalysatorschichten durch einen Gasspalt und eine gasdichte, gut wärmeleitende Sperrschicht voneinander getrennt sind. Die in der 2. Stufe des Brenners freiwerdende Wärme wird durch einen Abgaswärmetauscher genutzt, in dem z.B. Wasser verdampft werden kann, oder in dem ebenfalls endotherme katalytische Reaktionen stattfinden können, wenn die gegenüber dem Abgasstrom geschlossenen Leitungen mit Katalysator gefüllt und entsprechende Reaktanden hindurchgeführt werden. Für das Funktionieren des Reaktors ist ein zweistufiger Brenner jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Bei dem Reaktor muß es sich nicht um einen solchen für katalytische Reaktionen handeln, es kann auch ein Reaktor für Absorptionsreationen vorgesehen sein, dann wird der Reaktor mit Absorptionsmaterial, z.B. mit Aktivkohle, gefüllt.
In Bild 1 ist das Prinzip allgemein dargestellt an einer Reaktion, bei der Reaktanden zusammen mit Wasserdampf in dem Reaktionskatalysator reagieren. Die gezeigte Anordnung ist radiaisymmetrisch, kann jedoch auch planar aufgebaut sein. Der katalytische Brenner besteht in der 1. Stufe aus einem Spaltbrenner und die aktive Schicht ist auf der Außenfläche des Katalysatorrohres aufgebracht. Das vorgemischte Brennstoff-/Luft-Gemisch wird in dem Ringspalt, gebildet aus Katalysatorrohr und gasdichter Sperrschicht, geführt und verbrennt katalytisch.
Wird anstatt des Spaltbrenners ein Diffusionsbrenner eingesetzt, dann ergeben sich gegenüber Bild 1 einige geringfügige Änderungen, vor allem bei der Brenngasversorgung. Bei dem Diffusionsbrenner ist das Katalysatorrohr porös, der Brennstoff wird unvermischt in das Innere des Katalysatorrohres eingespeist und die erforderliche Verbrennungsluft strömt in den Ringspalt ein. Der weitere Aufbau ist identisch.
Auf der gegenüberliegenden Seite der gasdichten Sperrschicht, die recht dünn (1 mm) und gut wärmeleitend sein kann, ist der Reaktionskataiysator angeordnet. Dabei muß es sich nicht nur um einen Typus von Reaktionskatalysator handeln, sondern es können auch verschiedene Katalysatoren entweder entlang des Gasweges, oder aber auch in radialen Schichten angeordnet werden. Alle üblichen Reaktionskataiysatoren können eingesetzt werden, z.B. beschichtete Pellets, Kugeln, Fasern, Waben, Gewebe, Sinterscheiben etc., wobei als Trägermaterialien z.B. Keramik, Metall, Glas, Polymer etc. in Frage kommen. Die Größe des für den Reaktionskatalysator vorzusehenden Volumens ergibt sich aus der Katalysatoraktivität und dem Wärmebedarf der Reaktion. Zur Verbesserung des Wärmetransportes im Reaktionskatalysator empfiehlt es sich, Katalysatoren mit metallischen Trägern einzusetzen, oder bei keramischen Trägern durch Zusatz bzw. Einbau von gut wärmeleitenden Materialien den Wärmefluß zu erhöhen. Eine einfache Maßnahme stellt z.B. bei keramischen Kugeln die Mischung mit Kupferkugeln dar. Besonders günstig ist es, wenn eine metallische Trägerstruktur, z.B. Sinterkörper oder Metallfilz, direkt auf die äußere Wandung der gasdichten Sperrschicht aufgebracht wird. Durch diese Maßnahme wird ein optimaler Wärmezufluß erzielt.
Der Abgaswärmetauscher nach der 2. Brennerstufe, dem Wabenkataiysator, dient in diesem Beispiel zur Dampferzeugung.
Im weiteren werden einige Beispiele speziell zur Reformierung fossiler Energieträger zur Erzeugung von Wasserstoff dargestellt. Die Reaktionsgleichung zum Beispiel für den Ausgangsstoff Erdgas (Methan) lautet dabei:
CH4 + 2 H2O ■*■ 4 H2 + CO2
Neben Methan reagieren analog auch die höheren Kohlenwasserstoffe, aber auch Alkohole, z.B. Methanol, mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid. Die weiteren Ausführungen beziehen sich daher auf alle Reaktionen organischer Kohlenwasserstoffe mit Wasser zu Wasserstoff und weiteren Produkten.
Die Reaktion kann in zwei wesentliche Teilschritte aufgespalten werden. Zum einen reagiert Methan mit Wasserdampf in einer endothermen Reaktion zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff und in einem zweiten Schritt wird in einer exothermen Wassergasreaktion Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt. Aus beiden Schritten setzt sich die obige Gesamtreaktion zusammen. Bei einigen Ausgangsstoffen werden für die Shiftstufen mehrere unterschiedliche Katalysatoren eingesetzt, in den Ausführungsbeispielen wird vereinfachend immer nur von einem Shift-Katalysator gesprochen.
Beispiel 1
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel (Bild 2) wird der katalytische Spaltreaktor durch eine Heizpatrone auf die zur katalytischen Umsetzung des Brennstoffes (z.B. Methan oder Methanol) nötigen Temperatur erwärmt. Bei Erreichen der Reaktionstemperatur wird der Brennstoff mit der entsprechenden Verbrennungsluftmenge dem Spaltbrenner zugeführt. In der unteren Hälfte des Brenners wird ein Großteil der Verbrennungswärme erzeugt, so daß in diesem Bereich die Wärmeabgabe über Strahlung und Konvektion an den äußeren Tauscherkreis am größten ist.
In diesem Bereich ist im äußeren Hüllrohr zunächst eine Überhitzerzone und daran anschließend der eigentliche Reformierkatalysator eingesetzt. Die Temperaturen können dabei Werte bis zu 800° C erreichen; dieser Wert ist für eine gute Reformierleistung auch beim Einsatz von Erdgas (Methan) ausreichend, im oberen Bereich des Spaltbrenners verringert sich die Leistungsdichte der Verbrennungsreaktion aufgrund der Abreicherung des Brennstoff/Luft-Gemisches. Die Temperaturen in diesem Bereich werden in diesem Ausführungsbeispiel genutzt, um ein ausreichend hohes Temperaturniveau für die Wasseergasreaktion zu erzielen.
Der Spaltbrenner erreicht in seiner ersten Brennerstufe einen Umsatz von 70 - 80%. Der restliche Umsatz wird durch die zweite Brennerstufe, die zum Beispiel aus einem katalytisch aktiven, keramischen Monolithen besteht, erzielt. Diese noch erzeugte Wärmemenge wird in einem Abgaswärmetauscher genutzt, um das Brennstoff/Wasser-Gemisch oder nur flüs
siges Wasser, das für die Reformierung genutzt wird, zu verdampfen. Ein gasförmiger Brennstoff kann auch nach der Verdampfung des Wassers zudosiert werden. Dieses Brennstoff/Wasserdampf-Gemisch wird dann in den unteren Teil des äußeren Hüllrohres eingespeist und der Überhitzerzone zugeführt.
Eine thermische Isolierung nach außen ist unbedingt vorzusehen, um Wärmeverluste zu minimieren. Diese Isolierschicht kann aus mineralischen Materialien bestehen und ist in den Zeichnungen nicht eingetragen.
Beispiel 2
Das zweite Ausführungsbeispiei unterscheidet sich durch die Art der Vorheizung des kataiytischen Spaltbrenners und der Anordnung der für die Reformierung und der Wassergasreaktion notwendigen Katalysatoren.
Die Vorheizung zum Start der katalytischen Verbrennung wird durch einen Flammenbrenner erzeugt, dessen heiße Abgase durch das Innere des Katalysatorrohres geführt werden.
Die Zone, die mit dem Reformierkatalysator gefüllt ist, ist in diesem Beispiel verlängert worden, um ein "Wandern" der Reaktionszone des katalytischen Brenners auszugleichen.
Durch die Anordnung des Shift-Katalysators um den Reformierkataiysator wird der Wärmeverlust in der Reaktionszone vermindert, gleichzeitig kann jedoch die Reaktionswärme der exothermen Shift-Reaktion leichter nach außen abgegeben werden.
Die Verdampfung des für die Reformierung notwendigen Reaktionswassers geschieht durch den schon beschriebenen Abgaswärmetauscher nach der zweiten Brennerstufe. Zur weiteren Verbesserung ist es auch möglich, die Brennstoff/Wasserdampf-Gasführung derart zu gestalten, daß auch die Reaktionswärme der Shift-Reaktion mitgenutzt werden kann. Dies kann zum Beispiel durch ein Auflöten des gasführenden Rohres auf die Außenumwandung des Reaktors geschehen.
In Bild 3 ist auch die prinzipielle Möglichkeit dargestellt, in einem weiteren Abgaswärmetauscher endotherme kataiytische Reaktionen durchzuführen. Die im Bereich der 1. Brennerstufe nur teilweise reformierten Reaktanden durchströmen z.B. eine mit Reformierkatalysator gefüllte Rohrschlange, die von dem Abgasstrom der 2. Stufe umströmt wird. Dadurch kann ein vollständiger Umsatz erzielt werden. Die heißen Reformiergase durchströmen anschließend in den Shift-Katalysator. Vor Verlassen des Reaktors geben die reformierten Gase ihre Wärmeenthalpie im Gegenstrom an das einströmende Methan-Wasserdampf-Gemisch ab.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine thermische Isolierung nach außen unbedingt vorzusehen, um Wärmeverluste zu minimieren.
&iacgr;&ogr;:.
Figuren und Bezugszeichenliste:
Bild 1 Allgemeine Darstellung der Ankopplung eines endothermen Prozesses an einen
katalytisch arbeitenden Brenner
Bild 2 Beispiel 1 eines Reformers mit Katalytischem Brenner
Bild 3 Beispiel 2 Reformer mit Katalytischer Verbrennung
1 Reaktionskatalysator
1 a Reformierter Katalysator
2 Katalysatorrohr des Brenners
3 Katalysatorschicht des Brenners
4 Ringspalt
5 Wabenkatalysator
6 Abgaswärmetauscher
7 Überhitzungszone
8 Heizpatrone
9 zweiter Reformer
10 Shift-Kataiysator
11 Brennerblech
12 Stützhülse für das Katalysatorrohr
13 gasdichte Sperrschicht
14 Gaszuführung für den Vorheizbrenner

Claims (4)

Fraunhofer-Gesellschaft 92/30455-ISE zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Leonrodstraße 54 80636 München Schutzansprüche
1. Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner, d adurch gekennzeichnet,
daß der Brenner ein katalytischer Brenner ist, die Kataiysatorschicht (3) des Brenners parallel zur Begrenzung des Reaktionskatalysators (1) verläuft, Kataiysatorschicht und Begrenzung und/oder Schüttung durch einen Gasspalt (4) getrennt sind, der den katalytischen Brennraum bildet.
2. Chemischer Reaktor nach Anspruch 1, d adurch gekennzeichnet,
daß der Brenner ein zweistufiger katalytischer Brenner ist.
3. Chemischer Reaktor nach den Ansprüchen 1 - 2, d adurch gekennzeichnet,
daß die Begrenzung des Reaktors aus einer gasdichten gut wärmeleitenden Schicht (13) besteht, z.B. aus Metall, z.B. Aluminium oder Stahl, oder aus Siliciumcarbid.
4. Chemischer Reaktor nach Anspruch 3, d adurch gekennzeichnet,
daß die gasdichte Schicht (13) des Reaktors mit den Trägern für das Kataysator- oder Absorptionsmaterial in gut wärmeieitendem Kontakt ausgebildet ist.
DE9320711U 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner Expired - Lifetime DE9320711U1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE9320711U DE9320711U1 (de) 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4324376 1993-07-21
DE9320711U DE9320711U1 (de) 1993-07-21 1993-07-21 Chemischer Reaktor mit integriertem Brenner

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DE9320711U1 true DE9320711U1 (de) 1995-01-19

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