Membranreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Erzeugung von Wasserstoff, aufweisend einen von einem Mantelrohr umschlossenen Reaktionsraum mit einem darin angeordneten, zur Durchführung einer Dampfreformierung geeigneten Katalysator, eine im Mantelrohr angeordnete, zumindest abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand, die einen Abzugsraum begrenzt, über den Wasserstoff aus dem Reaktor abziehbar ist, sowie eine Zuführeinrichtung, über die Einsatzstoffe an einem Ende des Mantelrohres in den Reaktionsraum einleitbar sind.

Eine derartige Vorrichtung, die im Weiteren als Membranreaktor bezeichnet wird, ist beispielsweise aus den Patentanmeldungen EP0167101 und WO2010/000375 bekannt. Die selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand ist hier in Form eines oder mehrerer Membranrohre in einem Mantelrohr angeordnet, wobei die Längsachsen des oder der Membranrohre parallel zur Längsachse des Mantelrohres verlaufen. Die Vorrichtung kann zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes verwendet werden. Dabei wird der kohlenwasserstoffhaltige Einsatz, wie

beispielsweise Methan, gemeinsam mit Wasserdampf an einem Ende des

Mantelrohres in den Reaktionsraum eingeleitet, wo er mit Hilfe eines geeigneten Katalysators vorwiegend in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt wird. Im

Wesentlichen laufen hierbei eine Reformierungs- und eine Konvertierungsreaktion nach den folgenden Reaktionsgleichungen ab:

C _n H _m + nH ₂ 0 => nCO + (m/2+n)H ₂

CO + H ₂ 0 o C0 ₂ + H ₂

Der gebildete Wasserstoff wird über die selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand kontinuierlich aus dem Reaktionsraum abgezogen und mit hoher Reinheit weiter geführt. Das Abziehen des Wasserstoffs aus dem Reaktionsraum ist mit einer

Gleichgewichtsverschiebung der im Reaktionsraum ablaufenden Reaktionen zur Seite der Produkte verbunden. Dies bewirkt eine höhere Wasserstoffausbeute bei gleichzeitiger Verminderung der Kohlenmonoxidkonzentration. Entscheidend für die Trennleistung der Membran ist die Höhe des zwischen ihrer Retentatseite, die dem Reaktionsraum zugewandt ist, und der dieser gegenüber liegenden sog. Permeatseite bestehenden Unterschieds des Wasserstoff-Partialdrucks; je größer dieser

Unterschied, umso höher ist die Trennleistung.

Der Reaktionsraum, in dem der Katalysator gewöhnlich als Schüttung vorliegt, wird von den Einsatzstoffen und den bei der Dampfreformierung gebildeten Produkten weitgehend axial durchströmt. Entstehender Wasserstoff gelangt somit vor allem durch Diffusion aus der Katalysatorschüttung zur Trennwand. Um Beschädigungen der i. Allg. sehr empfindlichen Membranen zu vermeiden, ist ein Membranrohr mit einem Abstand zur Katalysatorschüttung angeordnet, so dass beide durch einen spaltförmigen

Leerraum voneinander getrennt sind. Aufgrund des Strömungswiderstandes, der im Leerraum wesentlich geringer ist als in der Katalysatorschüttung, werden Stoffe, die einmal in den Leeraum gelangt sind mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf ihrem Weg durch den Reaktionsraum auch hier verbleiben und nicht mehr mit dem Katalysator in Kontakt kommen. Im Leerraum befindliche Kohlenwasserstoffe werden somit nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit reformiert, was sich negativ auf die

Wasserstoffausbeute auswirkt. Darüber hinaus kann sich im Reaktionsraum in radialer Richtung ein Wasserstoffpartialdruckgefälle ausbilden, durch das die

Wasserstoffabtrennung über die Membranrohre behindert, im schlimmsten Fall sogar unterbunden wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Reaktor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch den die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Reaktor wenigstens einen Umlenkkörper aufweist, durch den im Betrieb des Reaktors

Reformierungsprodukte und/oder Einsatzstoffe zur Trennwand hin und/oder von dieser weg gelenkt werden können.

Die Erfindung ermöglicht im Betrieb des Reaktors einen im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich intensiveren Stofftransport hin zur Trennwand und/oder von dieser weg. Der Diffusionsbewegung des im Reaktionsraum erzeugten Wasserstoffs überlagert sich eine Strömung, aufgrund der sich an der Retentatseite der Membran ein erhöhter Wasserstoffpartialdruck einstellt. Wegen der sich ergebenden höheren Wasserstoffpartialdruckdifferenz zwischen Retentat- und Permeatseite steigt die Trennleistung der Membran im Vergleich zum Stand der Technik an. Aber auch die Ausbeute erhöht sich, da noch nicht oder noch nicht vollständig reagierte Einsatzstoffe von der Trennwand wieder zurück zum Katalysator lenkbar sind, um dort umgesetzt zu werden.

Durch einen Umlenkkörper, bei dem es sich beispielsweise um einen Ring oder eine Kugel handelt, wird der freie Strömungsquerschnitt in Achsrichtung des Reaktors eingeschränkt. In seiner einfachsten Form ist ein Umlenkkörper als ebene Platte ausgeführt, die vorzugsweise quer zur Längsachse des Mantelrohres im

Reaktionsraum angeordnet ist. Unter einer ebenen Platte ist ein Bauteil zu verstehen, das von zwei im Wesentlichen parallelen Flächen begrenzt ist, deren Abstand zueinander deutlich kleiner ist, als ihre eigene Ausdehnung. Die Anordnung der ebenen Platte quer zur Längsachse des Mantelrohres ist so zu verstehen, dass die Flächennormale einer der parallelen Flächen parallel zur Längsachse des

Mantelrohres gerichtet ist. Durch den Reaktionsraum strömende Stoffe werden durch die Platte zunächst zur Trennwand oder von dieser weg und anschließend - nach dem Passieren der Platte - von der Trennwand weg bzw. zu dieser hin gelenkt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Umlenkkörper zumindest eine Aussparung aufweist, die sich zwischen seiner stromaufwärts und seiner stromabwärts gelegenen Seite erstreckt. Die Aussparung kann beispielsweise als Bohrung oder als Kerbe ausgeführt sein. Durch die Wahl von Anzahl, Größe und Position der

Aussparungen ist es möglich, den Strömungswiderstand des Umlenkkörpers zu optimieren und die Ausbildung von Toträumen zu vermeiden, in denen es aufgrund mangelhafter Durchströmung zu Überhitzungen des Katalysatormaterial kommen könnte. Ein Umlenkkörper kann mit einem Bestandteil des Reaktors, wie beispielsweise dem Mantelrohr, fest verbunden und damit im Reaktor fixiert sein. Eine Anordnung ohne eine feste Verbindung im Reaktor ist jedoch auch möglich. So hat es sich als günstig erwiesen, einen Umlenkkörper lose in das Katalysatormaterial zu legen, von dem er auch während des Reaktorbetriebs in Position gehalten wird. Vorzugsweise umfasst der Reaktor mehrere Umlenkkörper, wobei jeweils zwei benachbarte Umlenkkörper in Richtung der Längsachse des Mantelrohres einen von Null verschiedenen Abstand aufweisen. Sinnvollerweise sind zwei unmittelbar benachbarte Umlenkkörper so ausgebildet und angeordnet, dass sie den

Strömungsquerschnitt auf unterschiedliche Weise einschränken. Beispielsweise kann ein Umlenkkörper sich von der Innenseite des Mantelrohres in Richtung der

Trennwand erstrecken, wobei der Strömungsquerschnitt bis auf einen unmittelbar an die Trennwand grenzenden Bereich eingeengt wird, während der benachbarte

Umlenkkörper sich von der Trennwand in Richtung der Innenseite des Mantelrohres erstreckt, wobei er den Strömungsquerschnitt bis auf einen unmittelbar an die

Innenseite des Mantelrohres grenzenden Bereich einschränkt. Sind die Umlenkkörper als ebene Platten ausgeführt, so sind diese vorzugsweise alle quer zur Längsachse des Mantelrohres und parallel zueinander ausgerichtet. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Reaktor eine zumindest

abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand, die einen zwischen der Innenseite und der Längsachse des Mantelrohres angeordneten Abzugsraum bildet, wobei der zwischen der Längsachse des Mantelrohres und der Trennwand gelegene Raum vorzugsweise frei von Katalysatormaterial ist; eine vollständige oder teilweise Füllung dieses Raumes mit Katalysatormaterial soll jedoch nicht ausgeschlossen werden. Die Trennwand kann gasdurchlässig ausgeführt sein, so dass Gas aus dem zwischen der Innenseite des Mantelrohres und der Trennwand gelegenen Raum in den Raum zwischen Trennwand und der Längsachse des Mantelrohres und umgekehrt strömen kann. In diesem Fall weist der Reaktor bevorzugt mehrere Umlenkkörper auf, wobei zwei unmittelbar benachbarte Umlenkkörper auf verschiedenen Seiten der Trennwand angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Umlenkkörper sich von der Innenseite des Mantelrohres in Richtung der Trennwand erstrecken, ohne diese zu berühren, während sich ein unmittelbar benachbarter Umlenkkörper von der

Trennwand in Richtung der Längsachse des Mantelrohres ausdehnt.

Reformierungsprodukte und/oder Einsatzstoff werden im Betrieb des Reaktors somit vom ersten Umlenkkörper zur Trennwand hin gelenkt, wo gebildeter Wasserstoff abgetrennt wird und in den Abzugsraum gelangt. Der größte Teil des verbleibenden Stoffstroms tritt in den Raum zwischen der Trennwand und der Längsachse des Mantelrohres ein, wo er durch den zweiten Umlenkkörper umgelenkt und zur Trennwand bzw. in den Raum zwischen der Innenseite des Mantelrohres und der Trennwand zurückgeführt wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein mit dem durch die selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand gebildeten Abzugsraum verbundenes Abzugsrohr durch den zwischen der Längsachse des Mantelrohres und der Trennwand gelegenen Raum zu dem Ende des Mantelrohres verläuft, an dem sich die

Zuführeinrichtung für die Einsatzstoffe befindet. Diese Bauweise ermöglicht eine Reduzierung der Bauhöhe sowie eine vereinfachte Handhabung des Reaktors, da im Reaktionsraum gebildeter Wasserstoff über dasselbe Ende des Mantelrohres abgezogen werden kann, über das die Einsatzstoffe in den Reaktionsraum einleitbar sind. Darüber hinaus kann das Abzugsrohr zur Befestigung der Trennwand und/oder eines Umlenkkörpers im Mantelrohr verwendet werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der minimale Abstand zwischen

Abzugsrohr und Trennwand größer oder gleich ist dem minimalen Abstand zwischen Katalysatormaterial und Trennwand.

Eine sinnvolle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors sieht vor, dass die abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand im Bereich eines

Umlenkkörpers so ausgeführt ist, dass ein Kontakt des Umlenkkörpers mit der

Trennwand im Betrieb nicht zu Beschädigungen führt. Insbesondere kann in einem solchen Bereich der Trennwand keine wasserstoffdurchlässige Membran angeordnet sein. Eine weitere Ausgestaltung des Reaktors sieht vor, dass die abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand wenigstens fünf Membranrohre umfasst, deren Längsachsen alle auf einem Zylindermantel angeordnet sind, dessen Längsachse mit der Längsachse des Mantelrohres zusammenfällt. Die Membranrohre können so angeordnet sein, dass sich ihre Oberflächen berühren. Sinnvollerweise sind sie jedoch mit einem von Null verschiedenen Abstand zueinander angeordnet.

Gegenüber dem Stand der Technik kann mit einem erfindungsgemäßen Reaktor eine höhere Umsatzleistung erreicht werden. Alternativ kann eine gleich hohe

Umsatzleistung mit einer geringeren Membranfläche erzielt werden, wodurch der Reaktor kompakter und kostengünstiger gebaut werden kann. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor mit als ebene Platten

ausgeführten Umlenkkörpern.

Der Reaktor R umfasst ein Mantelrohr M, zwischen dessen Innenseite I und

Längsachse L eine selektiv wasserstoffdurchlässige Trennwand T angeordnet ist, die einen Abzugsraum A bildet. Die Trennwand T besteht vorzugsweise aus mehr als fünf Membranröhrchen, die auf einem Zylindermantel angeordnet sind, dessen Längsachse mit der Längsachse L des Mantelrohres zusammenfällt. Der Raum zwischen der Innenseite I des Mantelrohrs M und der Trennwand T bildet einen Reaktionsraum Z, der weitgehend mit Katalysatormaterial K gefüllt ist, während der Raum zwischen der Trennwand T und der Längsachse L des Mantelrohres M frei von Katalysatormaterial ist. Zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen ist zwischen der Trennwand T und dem Katalysatormaterial K mit geringem Abstand ein Schutzgitter S angebracht, so dass beide durch einen spaltförmigen Leerraum voneinander getrennt sind. Im Betrieb des Reaktors R werden Einsatzstoffe 1 , wie beispielsweise Wasserdampf und Methan, über eine Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) in den Reaktionsraum Z eingeleitet und dort mit katalytischer Unterstützung zu Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert. In dem zwischen der Längsachse L des Mantelrohres M und der Trennwand T

gelegenen, katalysatorfreien Raum verläuft ein mit dem Abzugsraum A verbundenes (Verbindung nicht dargestellt) Abzugsrohr B, über das während des Betriebs im Katalysatormaterial K gebildeter Wasserstoff 3 mit hoher Reinheit aus dem Reaktor R abgezogen werden kann, während vorwiegend aus Kohlendioxid und Wasser bestehendes Retentat 2 wird über eine Abzugseinrichtung (nicht dargestellt) aus dem Reaktor ableitbar ist. Zu beiden Seiten des Abzugsraumes A sind entlang der

Längsachse L des Mantelrohres M abwechselnd als ebene Platten ausgeführte Umlenkkörper U1 und U2 angeordnet, durch die Reformierungsprodukte und/oder Einsatzstoffe zur Trennwand hin gelenkt werden (durch die gebogenen Pfeile angedeutet). Durch einen Umlenkkörper U1 , der vorzugsweise lose eingelegt und nur durch das Katalysatormaterial K an seinem Platz fixiert ist, werden

Reformierungsprodukte und/oder Einsatzstoff zur Trennwand T hin gelenkt, wo gebildeter Wasserstoff abgetrennt wird und in den Abzugsraum A gelangt. Der größte Teil des verbleibenden Stoffstroms tritt in den Raum zwischen der Trennwand T und der Längsachse L des Mantelrohres M ein, wo er durch einen mit dem Abzugsrohr B fest verbundenen Umlenkkörper U2 umgelenkt und zur Trennwand T bzw. in den Reaktionsraum Z zurückgeführt wird.