REAKTOR M IT KÜHLEINRICHTUNG Die Erfindung betrifft einen Reaktor nach dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors nach Patentanspruch 11.

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 11.

Der erfindungsgemäße Reaktor gemäß Anspruch 1 weist einen Reaktionsraum auf, wobei am Reaktionsraum eine Zuführvorrich- tung für Edukte, eine Zuführvorrichtung für flüssiges Sorpti ^¬ onsmittel sowie eine Ablassvorrichtung für das Sorptionsmit ^¬ tel angeordnet sind. Dabei befindet sich in einem unteren Be ^¬ reich des Reaktionsraums eine Sorptionsmittelsammelzone, wo- bei sich der Reaktor dadurch auszeichnet, dass eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Sorptionsmittels vorgesehen 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.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kühlvorrichtung im Bereich der Sorptionsmittelsammelzone an ^¬ geordnet. Dies führt zu einer effektiven Kühlung des Sorpti- onsmittels und zu einer guten Wärmeübertragung zwischen der Kühlvorrichtung und dem flüssigen Sorptionsmittelmedium.

Wiederum bevorzugt ist dabei die Kühlvorrichtung so angeord ^¬ net, dass sie in einem Betriebszustand unterhalb oder zumin ^¬ dest teilweise eines Flüssigkeitsspiegels des Sorptionsmit ^¬ tels liegt. Durch diese Maßnahme ist eine optimale Wärmeüber ^¬ tragung von der Kühlvorrichtung zum Sorptionsmittel möglich.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist zwischen der Ablassvorrichtung und der Zuführvorrichtung eine Rezykliervorrichtung zur Rezirkulation des Sorptionsmittels angeordnet. Diese Rezykliervorrichtung ist dazu geeignet, das Sorptionsmittel erneut in den Reaktionsraum einzubringen, wenn es dabei bereits gekühlt ist, wirkt sich dies auch posi ^¬ tiv auf die Stabilität während der Reaktion aus.

Ferner ist es zweckmäßig, in der Sorptionsmittelsammelzone eine Umwälzvorrichtung, insbesondere eine Rührvorrichtung anzuordnen, um den Austausch von Wärme zwischen dem Sorptionsmittel und der Kühlvorrichtung zu gewährleisten. 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.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Reaktor einen Phasenab ^¬ scheider aufweist, der außerhalb des Reaktionsraumes angeord- net ist und der dazu dient, eine Trennung zwischen Sorptions ^¬ mittel und dem Reaktionsprodukt vorzunehmen. Dabei steht die ^¬ ser Phasenabscheider mit der Ablassvorrichtung des Reaktors in Verbindung. Dieser Phasenabscheider ist dabei in bevorzugter Weise Bestandteil der Rezykliervorrichtung .

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors zur Umsetzung gleichgewichtslimitierter Reaktionen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Dieses Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: Zum einen werden mehrere Reaktionsedukte in einen Reaktionsraum einge ^¬ bracht. Des Weiteren wird ebenfalls in den Reaktionsraum ein flüssiges Sorptionsmittel eingeführt. Die Edukte werden dabei an einen im Reaktionsraum befindlichen Katalysator geführt, wobei dieser dort an der Katalysatoroberfläche bis zum Auf ^¬ treten einer Gleichgewichtssituation zu Reaktionsprodukten umgesetzt werden. Die Reaktionsprodukte werden von der Kata ^¬ lysatoroberfläche zum Sorptionsmittel geführt und von diesem absorbiert wonach sich das mit dem Reaktionsprodukt beladene Sorptionsmittel in einer Sorptionsmittelsammelzone absetzt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das flüssige Sorptionsmittel im Reaktionsraum mittels einer Kühlvorrichtung 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 .

Wiederum ist es auch hier zweckmäßig, dass die Kühlung des Sorptionsmittels durch die Kühlvorrichtung im Bereich der Sorptionsmittelsammelzone erfolgt .

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das mit dem Reaktionsprodukt beladene Sorptionsmittel aus dem Reaktionsraum abgeleitet wird und das Reaktionsprodukt vom Sorptionsmittel getrennt wird. Das so entladene Sorptionsmittel kann in vorteilhafter Weise durch ein Wiedereinbringen in den Reaktionsraum

rezykliert werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das beladene Sorptionsmittel im Bereich der Sorptionsmittelsammelzone durch eine Umwälz ^¬ vorrichtung umgewälzt wird, um den Austausch mit der Kühlvorrichtung zu verbessern. Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Reaktor mit einem Reaktionsraum und einer Sorp- tionsmittelsammelzone, wobei eine Kühlung des Sorptionsmit ^¬ tels in der Sorptionsmittelsammelzone erfolgt,

Fig. 2 ein Reaktor analog des Reaktors zu Fig. 1, wobei eine Kühlung des Sorptionsmittels außerhalb der Sorptionsmittel ^¬ sammelzone erfolgt.

In Fig. 1 ist ein Reaktor 2, der in Form eines Rührkesselreaktors ausgestaltet ist, dargestellt. Der Reaktor 2 umfasst dabei eine Eduktezuführvorrichtung 6 sowie eine Zuführvorrichtung 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. Fer- ner 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 Reaktionsverfahren 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 limi- tiert. 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 eine wässrige Flüssigkeit, ein Wärmeträgeröl , eine Salzschmelze oder eine ionische Flüssigkeit an, die eine hoher Wärmekapa ^¬ zität aufweist und dabei einen 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 ₁ NTf ₂

N ₁₈₈₈ NTf ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ Tf ₂ und Li NTf ₂

Mischung aus Pi ₄₄₄ Tf ₂ und Cs NTf ₂

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

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

P1444 MeSQ ₄

EMIM NTf ₂

EMIM MeSQ ₃

Pi444 OTf

P ₂₄₄₄ Et ₂ ?04

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 entsprechenden 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.

In Fig. 1 ist dabei eine Ausführungsform gezeigt, wobei das Sorptionsmittel direkt innerhalb des Reaktionsraumes 4 in ei ^¬ ner Reaktionsmittelsammelzone 12 durch eine Kühlvorrich- tung 13 gekühlt wird. Die Kühlvorrichtung 13 ist dabei so ausgestaltet, dass sie unterhalb eines Flüssigkeitsspie ^¬ gels 14 der Sorptionsmittelsammelzone 12 angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung 13 ist somit vollständig in das Sorptionsmit ^¬ tel in der Sammelzone 12 eingetaucht, was zu einer sehr ef- fektiven Kühlung des Sorptionsmittels 9 führt. Ferner ist es zweckmäßig, eine Umwälzvorrichtung 18, beispielsweise in Form einer Rührvorrichtung 19 einzubringen. Dies bewirkt, dass das erwärmte und mit den Reaktionsprodukten 15 beladenen Sorptionsmittel 9 ^λ im Bereich der Sorptionsmittelsammelzone 12 kon- tinuierlich um die Kühlvorrichtung 13 fließt und somit ein optimaler Wärmeaustausch stattfindet.

Als Kühlvorrichtung 13 können Wärmetauscher verwendet werden, die in Form von Kassetten in der Sorptionsmittelsammelzone 12 angeordnet sind. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausge ^¬ staltungsformen zweckmäßig, beispielsweise kann eine Kühlvor ^¬ richtung 13 direkt in einer Wand des Reaktionsraums 4 inte ^¬ griert sein. Diese Ausgestaltungsform hat den Vorteil, dass die Wärme di ^¬ rekt im Reaktor 2 bzw. im Reaktionsraum 4 abgeführt werden kann und es im Reaktionsraum 4 nicht zu einer Erwärmung und damit zu einer verminderten Aufnahmefähigkeit des Sorptions ^¬ mittels 9 für Reaktionsprodukte 15 kommt. Anschließend wird ein Teil des mit dem Reaktionsprodukt 15 beladenen Sorptions ^¬ mittels 9 ^λ aus der Reaktionsmittelsammelzone 12 über eine Ab ^¬ lassvorrichtung 10 aus dem Reaktionsraum 4 entfernt. Das beladene Sorptionsmittel 9 ^λ wird in einen Phasenabscheider 28 geführt, in dem das Sorptionsmittel 9 vom Produkt 15 getrennt wird. Das Produkt 15 wird abgezogen und anderweitig gesam ^¬ melt. Das entladene Sorptionsmittel 9 wird über eine

Rezykliervorrichtung 16, die eine Pumpe 17 umfasst, wieder der Zuführvorrichtung 8 für das Sorptionsmittel 9 zugeführt. Das auf diese Weise rezyklierte Sorptionsmittel 9 gelangt wieder in den Reaktionsraum 4 und ist bereit zur Aufnahme von Reaktionsprodukten 15. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung gemäß

Fig. 2 ist die Kühlvorrichtung 13 ^λ nicht wie in Fig. 1 dargestellt, im Bereich der Sorptionsmittelsammelzone 12 angeord ^¬ net, sondern in einem oberen Bereich des Reaktionsraumes 4. Hierin unterscheiden sich die ansonsten identischen Darstel- lungen von Fig. 1 und Fig. 2. Die an dieser Stelle angeordnete Kühlvorrichtung 13 ^λ fördert das Lösen von Reaktionsprodukten 15 in dem Sorptionsmittel 9 und fördert ebenfalls die Kondensation der flüssigen Produkte 15. Auch hierdurch tritt eine Kühlung des Reaktionsraumes 4 und somit der gesamten at- mosphärischen Umgebung im Reaktionsraum 4 ein, was sich positiv auf die Reaktionsbedingungen und somit auf den Gleichge ^¬ wichtsumsatz auswirkt. Bevorzugt werden die Edukte 7 gasför ^¬ mig in den Reaktionsraum 4 eingebracht, es ist jedoch auch alternativ möglich, die Edukte 7 in einer kondensierten Pha- se, also in flüssiger Form in den Reaktionsraum 4 einzubringen. Edukte 7 werden dabei gezielt in einmem flüssigen bzw. überkritischen Zustand bei einer hohen Fluiddichte dem Reaktor 2 zugeführt. Im Reaktor findet dann im Reaktionsraum 4 eine Verdampfung statt, da die Edukte bzw. das Edukt unter Reaktionsbedingungen gasförmig ist. Die flüssigen Edukte können gezielt an den Ort der Wärmefreisetzung am Katalysator 22 eingebracht werden. Hierbei wird eine gezielte lokale

Eindüsung, also eine entsprechende, hier nicht dargestellte Ausgestaltungsform der Zuführvorrichtung 6 für Edukte 7 ange- wandt. Bei der Reaktion gemäß Gleichung 1 zur Synthese von

Methanol würde in diesem Fall bevorzugt das Edukt Kohlendio ^¬ xid in flüssiger bzw. überkritischer Form zugegeben werden.