CHEMISCHER REAKTOR MIT KÜHLVORRICHTUNG Die Erfindung betrifft einen Reaktor nach dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors nach Patentanspruch 8.

Der Umsatz bei chemischen Reaktionen ist durch die Gleichge- wichtslage der Reaktion beschränkt. Liegt das chemische

Gleichgewicht einer Synthesereaktion nur teilweise auf der Seite der Produkte, führt eine einstufige Reaktionsführung nur zu einem Teilumsatz. Werden dagegen kontinuierlich die Reaktionsprodukte aus dem Reaktor abgeführt, findet im Reak- tor ein kontinuierlicher Umsatz von Edukten zu Produkten statt. Zur kontinuierlichen Abfuhr von Reaktionsprodukten können Sorptionsmittel verwendet werden. Diese Sorptionsmit ^¬ tel bilden eine zusätzliche Phase die Selektivprodukte auf ^¬ nimmt, die dadurch aus dem chemischen Gleichgewicht entfernt werden. Die Sorptionsphase kann mitsamt dem Produkt aus dem Reaktor ausgeschleust werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reaktor bzw. ein Verfahren bereitzustellen, die dafür geeignet sind, gleichgewichtslimitierte Reaktionen unter Verwendung eines

Sorptionsmittels durchzuführen und dabei gegenüber den Stand der Technik, die Ausbeute an Reaktionsprodukten zu erhöhen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Reaktor mit den Merk- malen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.

Der erfindungsgemäße Reaktor gemäß Patentanspruch 1 weist ei ^¬ nen Reaktionsraum auf, wobei am Reaktionsraum eine Zuführvor- richtung für Edukte, eine Zuführvorrichtung für ein Sorptionsmittel sowie eine Ablassvorrichtung für das Sorptionsmit ^¬ tel angeordnet sind. Dabei steht die Ablassvorrichtung in Verbindung mit der Zuführvorrichtung und zwischen der Ablass- Vorrichtung und der Zuführvorrichtung ist eine Fördervorrichtung zur Rezirkulation des Sorptionsmittels vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Ablassvorrichtung und der Zuführvorrichtung eine Kühlvorrich- tung zur Kühlung des Sorptionsmittels angeordnet ist.

Die Kühlung des Sorptionsmittels bewirkt zum einen, dass ei ^¬ ner thermischen Zersetzung des Sorptionsmittels vorgebeugt wird, was wiederum die Auswahl an möglichen Sorptionsmitteln erhöht und den Einsatz effizienterer Sorptionsmittel bei der Reaktion erlaubt. Andererseits wird durch die Kühlung des Sorptionsmittels die Erwärmung im gesamten Reaktionsraum reduziert, was sich positiv auf den Gleichgewichtsumsatz der Reaktion auswirkt.

Im Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass außerhalb des Reak ^¬ tionsraumes ein Phasenabscheider zur Trennung des Sorptionsmittels von einem Reaktionsprodukt angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Sorptionsmittel von dem Reaktionsprodukt ge- trennt werden und dem Prozess wieder zugeführt werden.

In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls zweckmäßig, dass der Phasenabscheider in Verbindung mit einerseits der Ablassvorrichtung und andererseits in Verbindung mit der Zuführvor- richtung steht.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass eine Rezirkulationsvorrichtung (21) vorgesehen ist, die die Ablassvorrichtung (10), den Phasenabscheider (28), die Kühlvorrichtung (13), die Fördervorrichtung (17) und die Zuführvorrichtung (8) umfasst.

Ferner ist es zweckmäßig, zur Beschleunigung der Umsetzungs ^¬ reaktion, im Reaktionsraum einen Katalysatorraum zur Aufnahme eines Katalysators anzuordnen. Der Katalysator sorgt dafür, dass die Reaktion schneller abläuft, er beeinflusst jedoch nicht im Wesentlichen den Gleichgewichtszustand. Reaktions- Produkte, die an der Katalysatoroberfläche stehen, werden vom Sorptionsmittel absorbiert und aus dem Reaktionsraum geführt.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Reaktionsraum den Katalysa- torraum und einen Sorptionsraum umfasst. Eine Trennung des Katalysatormaterials vom Sorptionsmittel ist bei vielen Paa ^¬ rungen von Katalysator und Sorptionsmittel zweckmäßig, da beide Stoffe sich bezüglich der Reaktion negativ beeinflussen können .

Dabei ist es wiederum zweckmäßig, dass der Sorptionsraum und der Katalysatorraum durch ein gasdurchlässiges Element vonei ^¬ nander getrennt sind. Dieses Element ist dabei wiederum zweckmäßigerweise für Flüssigkeiten bzw. für Flüssigkeits- tropfen undurchlässig. Auf dieser Weise kann ein gasförmiges Reaktionsprodukt leichter vom Katalysatorraum in den Sorptionsraum gelangen, ohne dass dabei Sorptionsmittel, das in flüssiger Form vorliegt, in den Katalysatorraum gelangen kann. Bei dem Element kann es sich beispielsweise um ein Ge- webe, insbesondere ein metallisches Gewebe oder um eine se ^¬ lektive Membran handeln.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors, das zur Umsetzung von gleichge- wichtslimitierten Reaktionen dient. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Zunächst werden Edukte in einen Reaktions ^¬ raum eingebracht. Im Weiteren wird in diesen Reaktionsraum ebenfalls ein flüssiges Sorptionsmittel eingebracht. Im Wei ^¬ teren werden die Edukte an einen Katalysator geführt, der ebenfalls im Reaktionsraum angeordnet ist. An einer Katalysa ^¬ toroberfläche werden diese Reaktionsedukte zu Reaktionspro ^¬ dukten umgesetzt, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen den Produkten und Edukten einstellt. Dabei werden die Reakti ^¬ onsprodukte von der Katalysatoroberfläche zum Sorptionsmittel geführt und sie werden von diesen sorbiert, wonach sich das mit den Reaktionsprodukten beladene Sorptionsmittels aus dem Reaktionsraum geleitet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Reaktionsprodukt vom Sorptionsmittel abge- schieden, wonach das Sorptionsmittel zumindest teilweise er ^¬ neut in den Reaktionsraum eingeleitet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Sorptionsmittel außerhalb des Reaktionsraums gekühlt wird.

Auch hier besteht wieder der Vorteil, dass durch die Kühlung des Sorptionsmittels die Anzahl der verfügbaren Spezies er ^¬ höht wird, andererseits wird durch die Senkung der Temperatur im Reaktionsraum der Gleichgewichtsumsatz positiv beein- flusst.

Dabei ist es ebenfalls zweckmäßig, dass die Kühlung des Sorp ^¬ tionsmittels nach dem Abscheiden des Reaktionsproduktes vom Sorptionsmittel erfolgt.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei handelt es sich um eine exemplarische Ausgestaltungsform, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellt.

Dabei zeigt:

Die einzige Figur einen Reaktor zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen mit einer Zirkulationsvorrich- tung für Sorptionsmittel.

In der Figur ist ein Reaktor 2, der in Form eines Rührkesselreaktors ausgestaltet ist, dargestellt. Der Reaktor 2 umfasst dabei eine Eduktezuführvorrichtung 6 sowie eine Zuführvor- richtung 8 für Sorptionsmittel 9. In einem Reaktionsraum 4 werden dabei Edukte 7 und Sorptionsmittel 9 eingebracht. Der Reaktionsraum 4 umfasst weiterhin einen Katalysatorraum 20, der dazu geeignet ist, einen Katalysator 22 aufzunehmen. Ferner umfasst der Reaktionsraum 4 einen Sorptionsraum 24, in dem sich das Sorptionsmittel 9, bevorzugt tröpfchenförmig be ^¬ findet und dabei kontinuierlich in Richtung eines unteren Bereiches 11, wo sich eine Sorptionsmittelsammelzone 12 befin ^¬ det, absetzt. Im Folgenden wird dabei näher auf ein typisches Reaktionsver- fahren eingegangen, das im Reaktor 2 bzw. im Reaktionsraum 4 stattfindet .

Die gasförmigen Edukte 7 werden wie bereits erwähnt, in den Reaktionsraum 4 eingeleitet, wobei sie zu der Stelle des Reaktionsraums 4 geführt werden, an dem der Katalysator 20 vorliegt. Durch das Einstellen von geeigneten Reaktionsbedingungen, die jeweils auf die entsprechende Reaktion bzw. die entsprechende Edukte ausgerichtet ist, kommt es am Katalysa ^¬ tor zu einer exothermen (wärmetönenden) Reaktion der Edukte zu flüssigen oder gasförmigen Reaktionsprodukten 15. Dabei erhöht sich die Temperatur in einer Gasphase innerhalb des Reaktors, wodurch es zu Deaktivierungsmechanismen am Katalysator (Verkochung oder Sintern kommen kann) . Die Gasphase im Reaktor umfasst dabei sowohl gasförmige Edukte 7 als auch ge ^¬ gebenenfalls gasförmige Reaktionsprodukte 15. In einer sol ^¬ chen Reaktionsanordnung werden die Edukte 7 maximal bis zum thermodynamisch möglichen Gleichgewichtsumsatz reagieren, der bei einigen Reaktionen bei niedrigen Werten liegt. Beispielsweise ist die Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff zum Methanol

C0 ₂ + 3H ₂ ->■ CH ₃ OH + H ₂ 0 Gl 1 thermodynamisch durch einen niedrigen Gleichgewichtsumsatz bei typischen und wirtschaftlichen Reaktionsbedingungen limitiert. Die typischen Reaktionsbedingungen hierfür sind ein Druck von 75 bar und eine Temperatur von 250 °C. Durch die starke Wärmetönung, also durch die Energiefreigabe während der Reaktion wird bei dieser Reaktion der Gleichgewichtsumsatz gesenkt, da die Reaktionstemperatur steigt. Daher ist es zweckmäßig, die durch die Reaktion der Gasphase frei werdende Wärme mittels geeigneter Maßnahmen aus dem Reaktionsraum zu entfernen. Auf die entsprechenden Maßnahmen wird noch eingegangen werden. Als Sorptionsmittel 9 bietet sich hierbei beispielsweise ein Wärmeträgeröl , eine Salzschmelze oder eine ionische Flüssig ^¬ keit an, die eine hoher Wärmekapazität aufweist und dabei ei ^¬ nen möglichst niedrigen Dampfdruck besitzt. Eine vorteilhafte Mischung für ein Sorptionsmittel ist beispielsweise Mischung aus einem Phosphonium NTf2 IL und einem Alkali oder Erdalkali NTf2 Salz.

Eine nicht abgeschlossene Auflistung von geeigneten ionische Flüssigkeiten ist in Tabelle 1 gegeben.

Tabelle 1: Für die Sorption geeignete Ionische Flüssigkeiten (teilweise unter Zumischung von Salzen)

Ionische Flüssigkeit

P _l444 NTf ₂

N ₁₈₈₈ NTf ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ Tf ₂ und Li NTf ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ NTf ₂ und Cs NTf ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ NTf ₂ und Mg (NTf ₂ ) ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ NTf ₂ und Ca (NTf ₂ ) ₂

P1444 MeSQ ₄

EMIM NTf ₂

EMIM MeSQ ₃

Pl444 OTf

P2 EII ₂ PO

Das Sorptionsmittel kann die in der Gasphase enthaltenen Wär ^¬ me aufnehmen und somit die Temperatur der Gasphase absenken. Dies führt zu einer homogenen Temperaturverteilung in der Reaktionszone (im Umfeld des Katalysators) und damit idealer- weise zu einem isothermen Verhalten im Reaktionsraum 4. Hierzu ist ein effektiver Wärmeaustausch der Gasphase, also insbesondere der Phase der Edukte 7, mit dem Sorptionsmittel 9 erforderlich . Der Katalysator 21 und das Sorptionsmittel 9 sind Stoffe, die in einigen Fällen möglichst nicht miteinander in Berührung kommen sollen, da dadurch ihre Stabilität und ihre Funktiona- lität negativ beeinflusst werden können. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, dass der Katalysatorraum 20 vom Sorptionsraum 24 durch ein gasdurchlässiges Element 26 getrennt ist. Dieses gasdurchlässige Element 26 kann beispielsweise in Form eines metallischen Gewebes oder in Form einer gegenüber den ent- sprechenden Gasphasen durchlässigen Membran ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, dass die in der Regel gasförmigen Edukte 7 durch das gasdurchlässige Element 26 durchdringen und an der Katalysatoroberfläche zu den Reaktionsprodukten 15 rea ^¬ gieren. Die Reaktionsprodukte 15 sind bei der vorherrschenden Atmosphäre ebenfalls in der Regel gasförmig und verlassen den Katalysatorraum 20 durch das entsprechende Element 26. Nach ^¬ dem sie durch das Element 26 in den Sorptionsraum 24 eingetreten sind, können sie vom Sorptionsmittel 9 sorbiert wer ^¬ den. Das mit den Reaktionsprodukten 15 beladene Sorptionsmit- tel 9 wird im Weiteren als 9 ^λ bezeichnet. Dieses Sorptions ^¬ mittel 9 das die Reaktionsprodukte 15 enthält, sammelt sich in der Sorptionsmittelsammelzone 12 und kann gegebenenfalls durch eine Umwälzvorrichtung 19, hier ausgestaltet in Form einer Rührvorrichtung, umgewälzt werden, bevor es durch die Ablassvorrichtung 10 den Reaktionsraum 4 verlässt.

Das Sorptionsmittel 9 ^λ wird in einen Phasenabscheider 28 ge ^¬ geben und dort vom Reaktionsprodukt 15 entladen. Das Reakti ^¬ onsprodukt 15 wird aus dem Phasenabscheider abgezogen und an- derweitig als Wertstoff weiterverwendet. Das nun entladene

Sorptionsmittel 9 wird aus dem Phasenabscheider 28 entnommen und über eine entsprechende Leitung einer Kühlvorrichtung 13 zugeführt. Die Kühlvorrichtung 13 ist dabei Bestandteil einer Rezirkulationsvorrichtung 21 und ist somit außerhalb des Reaktionsraumes 4 angeordnet. Über eine Fördervorrichtung 17, in der Regel ausgestaltet in Form einer Pumpe, wird das Sorp ^¬ tionsmittel 9 wieder zurück zur Zuführvorrichtung 8 geleitet und wird dem Reaktionsraum 4 wieder zugeführt. Bei der Kombi- nation aus der Ablassvorrichtung 10, dem Phasenabscheider 28, der Kühlvorrichtung 13, der Fördervorrichtung 17 und der Zuführvorrichtung 8 wird im Weiteren von der Zirkulationsvorrichtung 21 gesprochen.

Die Zirkulationsvorrichtung 21 enthält somit die Kühlvorrichtung 13, wobei die Anordnung der Kühlvorrichtung 13 in der Zirkulationsvorrichtung 21 in der Figur beispielhaft gewählt ist. Die Kühlvorrichtung 13 kann auch an anderen Segmenten der Zirkulationsvorrichtung 21 angeordnet sein, beispielsweise direkt nach der Ablassvorrichtung vor dem Phasenabscheider 28. In diesem Fall würde gekühltes Sorptionsmittel 9 ^λ in den Phasenabscheider 28 eingebracht werden, was je nach der Beschaffenheit des Sorptionsmittels zum Entladen der Reaktions- produkte 15 zweckmäßig sein kann. Ferner steht der Begriff

Kühlvorrichtung ganz allgemein für eine Temperiervorrichtung. Grundsätzlich kann je nach Beschaffenheit des Sorptionsmit ^¬ tels und der im Reaktionsraum 4 durchgeführten Reaktion (beispielsweise wenn diese endotherm ist) die Kühlvorrichtung auch in Form einer Heizvorrichtung ausgestaltet sein.

Das entsprechend temperierte, in der Regel gekühlte Sorpti ^¬ onsmittel 9 wird wieder dem Reaktionsraum 4 zugeführt und es entzieht dem Reaktionsraum bzw. der darin befindlichen

Gasphase thermische Energie, indem es wiederum aufgeheizt wird. Diese Wärmeübertragung zwischen der Gasphase und dem Sorptionsmittel dient der gezielten thermischen Regulierung des Reaktionsraumes 4 und somit der gezielten Reaktionsfüh ^¬ rung. Eine bevorzugte und beispielhafte exotherm verlaufende Reaktion ist in Gleichung 1 genannt, sie dient zur Darstel ^¬ lung von Methanol aus den Edukten 7 CO ₂ und Wasserstoff.