Bei einer heterogen katalysierten Reaktion handelt es sich bei- spielsweise um die Wasserstofferzeugung aus Kohlenwasserstoff oder Alkohol, insbesondere Methanol (Methanol-Reformierung), unter Zuführung eines Kohlenwasserstoff oder Alkohol und Wasser umfassenden Reaktionsgemisches auf einen Katalysator. Weitere Beispiele sind die Kohlenmonoxid-Verringerung unter Freisetzung von Kohlendioxid in einer sogenannten Wasserstoff-Shift- Reaktion, die Kohlenmonoxid-Oxidation unter Zuführung eines CO- haltigen Gases eines 02-haltigen Gases auf einen Katalysa- tor sowie das Verbrennen eines brennbaren Eduktes unter Zusatz eines 02-haltive-Gases in einem katalytischen Brenner.

Die Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol basiert auf der Ge- samtreaktion CH3OH + H2O # CO2 + 3H2. Zur Durchführung dieser Reaktion wird in der Praxis ein den Kohlenwasserstoff und Was- serdampf umfassendes Reaktionsgemisch unter Zufuhr von Wärme an einem geeigneten Katalysator entlanggeleitet, um in einem zwei- oder mehrstufigen Reaktionsablauf den gewünschten Wasserstoff zu erzeugen. Eine derartige Vorrichtung zur zweistufigen Metha- nol-Reformierung ist aus der EP 0 687 648 A1 bekannt. In der bekannten Vorrichtung wird das Reaktionsgemisch einem ersten Reaktor zugefuhrt, in dem nur ein Teilumsatz des Methanols an- gestrebt wird. Nach dem Durchströmen des ersten Reaktors wird das Gasgemisch, in welchem noch Anteile nicht umgesetzter Eduk- te enthalten sind, einem zweiten Reaktor zugeleitet, der rest- umsatzoptimiert aufgebaut ist. Die Reaktoren sind dabei als Platten-bzw. Schuttreaktoren ausgeführt, in welchen der Kata- lysator in Form einer Schüttung oder Beschichtung der Vertei- lungskanäle vorgesehen ist. Des weiteren sind Katalysatoren in Form von beschichteten Blechen, Netzen und Schäumen bekannt, die von dem Reaktionsgemisch durchströmt werden.

Aus der EP 0 217 532 B1 ist ein Verfahren zur katalytischen Er- zeugung von Wasserstoff aus Gemischen von Methanol und Sauer- stoff unter Verwendung eines gasdurchlässigen Katalysatorsy- stems bekannt, bei dem ein Wasserstoff-Generator mit einer obe- ren Reaktionszone und einer unteren Reaktionszone vorgesehen ist, wobei das Reaktionsgemisch von Methanol und Sauerstoff in die obere Reaktionszone eingespeist wird. Nach dem Durchströmen der oberen Reaktionszone wird das Reaktionsgemisch in die unte- re Reaktionszone geleitet, in welcher es durch eine spontane Einleitung der Oxidation des Methanols zu einem derartigen An- stieg der Temperatur kommt, daß eine teilweise Oxidation des Methanols in Anwesenheit eines Kupfer-Katalysators in der obe- ren Reaktionszone beginnt und Wasserstoff gebildet wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung in möglichst einfacher und komDakter Bauweise bereitzustellen, bei der die für die Umsetzung eines bestimmten Brennstoffmengenstroms nöti- ge Menge an Katalysatormaterial minimiert ist. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators anzugeben, mit dem die genannte Minimierung an Ka- talysatormaterial und die einfache und kompakte Bauweise er- zielt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Durchfüh-- rung einer heterogen katalysierten Reaktion mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Vorrich- tung umfaßt demnach einen Katalysator, der durch Verpressen von Katalysatormaterial in eine dünne und großflächige Schicht ge- bildet ist, wobei das Reaktionsgemisch unter Druckabfall durch den Katalysator rindurchpreßbar ist. Im Unterschied zu den be- kannten Vorrichtungen wie Wasserstoffreaktoren und dergleichen ist der Katalysator nicht als bloße Oberflächenstruktur ausge- bildet, der von dem Reaktionsgemisch nur umströmt wird, sondern als stark komprimierte dreidimensionale Schicht, durch die das Reaktionsgemisch unter starker Druckbeaufschlagung hindurchge- preßt wird. Dadurch wird eine hohe Auslastung der aktiven Kata- lysatorzentren und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit an diesen Zentren erreicht. Aufgrund des starken Druckabfalls beim Durch- tritt des Reaktionsgemisches durch die erfindungsgemäße Kataly- satorschicht spielen die Strömungswiderstände der Zu-und Ab- leitung der Edukte und Produkte der Reaktion keine große Rolle, so daß Zu-und Ableitung der an der Reaktion beteiligten Stoffe einfach gestaltet werden kann. Durch die starke Komprimierung des Katalysatormaterials beim Verpressen wird eine sehr kompak- te Katalysatorschicht erzielt, was zur Folge hat, daß der An- teil von Gasraum und nicht katalytisch wirksamen Festkörpern (wie beispielsweise Trägerbleche und dergleichen) am Gesamtvo- lumen und Gewicht des Reaktors gegenüber bekannten Vorrichtun- gen deutlich verringert ist. Vorzugsweise wird als Katalysator- material feinkörniges Katalysatorgranulat bzw.-pulver verwen- det. Dadurch wird auch bei hohen Reaktionsgeschwindigkeiten ein guter Stoff-und Wärmetransport zu und von den inneren Berei- chen der Katalysatorkörner gewährleistet. Außerdem nimmt der Anteil der durchs_römbaren Poren mit abnehmender Korngröße zu, d. h. die Anzahl aer"Sackgassen"für die Gasdurchströmung nimmt ab. Beim Durchströmen der Schicht tritt eine starke Verwirbe- lung der Gase auf, wodurch die Filmdiffusionswiderstände um die Körner des Katalysatormaterials verringert werden, was zu einem verbesserten Warmetransport durch Konvektion führt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Katalysatorschicht im- wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Reaktionsgemi- sches angeordnet. Dadurch werden besonders kurze Wege für die Gasdurchströmung erzielt. Durch die großflächige und stark kom- primierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Katalysator- schicht genügt bei senkrechter Durchströmung bereits ein kurzer Weg, um unter hohem Druckabfall einen hohen Reaktionsumsatz zu erzielen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Katalysatormaterial mit einer Trägerstruktur verpreßt, wodurch das Katalysatormaterial mechanisch stabilisiert ist und/oder eine verbesserte Warmeleitung vorliegt. Bei der Trägerstruktur handelt es sich vorteilhafterweise um eine dreidimensionale netzartige Struktur (Matrix), die in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung eine metallene Trägerstruktur ist.

Als Metall wird beispielsweise Kupfer, insbesondere dendriti- sches Kupfer verwendet.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung enthält das Kata- lysatormaterial ein Edelmetall, insbesondere Platin. Das zuge- setzte Edelmetall, bei dem es sich vorzugsweise um Platin han- delt, wobei jedoch auch die Verwendung anderer Edelmetalle mög- lich ist, reagiert bereits bei relativ niederen Betriebstempe- raturen und dient somit zur Aufheizung der Katalysatoranord- nung. Durch diese Maßnahme wird das Kaltstartverhalten der Ka- talysatoranordnung beträchtlich verbessert, was sich insbeson- dere bei einer Anwendung im Bereich der mobilen Wasserstoffer- zeugung vorteilhaft auswirkt.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind mehrere parallel geschaltete Schichten vorgesehen. Dadurch kann die insgesamt von dem Reaktionsgemisch zu durchströmende Fläche auf mehrere nachgeordnete, jedoch parallel geschaltete Schich- ten verteilt werden. Diese"Modulbauweise"führt zu einem be- sonders kompakte-Aufbau der Katalysatoranordnung.

Zur vereinfachten Zu-und Ableitung der an der Reaktion betei= ligten Stoffe in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in der mindestens einen Katalysatorschicht Kanale zum Leiten von Edukten des Reaktionsgemisches und der Reaktionsprodukte vorge- sehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine gegebenen- falls reaktionsbenötigte oder reaktionsfördernde Zuführung von Sauerstoff zu dem Reaktionsgemisch erst in der Ebene der minde- stens einen Katalysatorschicht.

Zur weiteren Lõsung der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 12 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird demnach zur Herstellung eines insbesondere in einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung verwendbaren Kata- lysators aus mindestens einem Katalysatorpulver durch Verpres- sen eine einen Formkörper bildende und stark komprimierte Schicht gebilde,, wobei das Katalysatorpulver dendritisches Kupfer in Pulveriorm umfaßt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird der Formkörper im Anschluß an das Verpressen einer Sinterung unterzogen, wodurch eine be- sonders gute Beständigkeit des erfindungsgemäßen Katalysators erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden beim Verpressen in den Formkörper Kanäle zum Leiten von Edukten und Produkten der katalytischen Reaktion eingebracht. Vorteilhafterweise wer- den diese Kanale durch Einbringen von in einem nachfolgenden Verfahrensschritt wieder entfernbaren Platzhalterelementen er- zeugt. Das Entfernen der Platzhalterelemente erfolgt vorteil- hafterweise durch Verbrennen, Pyrolysieren, Lösen oder Verdamp- fen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird auf einem bereits gesinterten Formkörper eine weitere Pulverschicht aufgepreßt und anschließend gesintert. Dadurch kann in mehrstu- figer Herstellung in einer Art Sandwichstruktur ein Katalysator mit mehreren ubereinanderliegenden Schichten hergestellt wer- den, die durch Einbringen geeigneter Kanäle parallel verschal- tet sind. Dadurch kann das gesamte von dem Reaktionsgemisch zu durchfließende Katalysatorvolumen auf eine kleinere Quer- schnittsfläche aufgeteilt und trotzdem das Konzept des hohen Druckabfalls uber einen kleinen Strömungsweg beibehalten wer- den.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figur 1 veranschaulicht in stark schematischer Darstellung die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Katalysator- schicht.

Figur 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine erfindungs- gemaße stapeiförmige. Anordnung parallel geschalteter Katalysatorschichten.

Figur 3 zeigt in perspektivischer Darstellung ein weiteres Aus- fuhrungsbeispiel einer einzelnen erfindungsgemäßen Ka- talysatorschicht.

Figur 1 zeigt schematisch in seitlicher Ansicht eine erfin- dungsgemäße Katalysatorschicht 10, die durch Verpressen von Ka- talysatormaterial in eine dünne und großflächige, stark kompri- mierte Schicht gebildet ist. Die Schicht 10 bildet einen Form- körper mit einer Dicke d, die beispielsweise 1 mm beträgt. Als Katalysatormaterial wird ein feinkörniges Katalysatorpulver oder-granulat verwendet, dessen Körner einen Durchmesser von ca. 0,5 mm oder kleiner haben. Das Verpressen erfolgt bei- spielsweise bei Temperaturen von ca. 200° bis 500°C.

Die dargestellte Katalysatorschicht 10 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Vorrichtung zur Wasserstofferzeugung, wobei die Edukte des Reaktionsgemisches unter Druckbeaufschla- gung im wesentlichen senkrecht zu der Katalysatorschicht 10 auf diese zugefuhrt und durch sie hindurchgepreßt werden. Beim Durchströmen der Katalysatorschicht 10 erfährt das Reaktionsge- misch einen Druckabfall Ap von ca. 100 mbar und mehr (bei- spielsweise 1 bis 4 bar). Auf der gegenüberliegenden Seite der Katalysatorschicht 10 treten die katalytischen Reaktionsproduk- te im Sinne des eingezeichneten Pfeiles aus.

Um dem Katalysatormaterial eine bessere mechanische Stabilität und/oder verbesserte Wärmeleitung zu verleihen, wird das Kata- lysatormaterial in eine Trägerstruktur verpreßt. Bei dieser Trägerstruktur handelt es sich um eine netzartige Matrix, die durch Vermischen des mindestens einen Katalysatorpulvers mit dendritischem Kupfer in Pulverform und Verpressen dieses Gemi- sches erhalten wird. Beim Verpressen bildet das dendritische Kupfer eine netzartige Matrixstruktur, in welche die Katalysa- torkörner"eingebaut"sind. Das dendritische Kupferpulver läßt sich auch bei einem relativ geringen Massenanteil des Kupfer- pulvers zur Gesamtmasse der Schicht leicht zu einem Netz zusam- menpressen bzw. versintern, hat eine große Oberfläche und ist selber katalytisch aktiv. Durch die Verwendung von dendriti- schem Kupferpulver wird deshalb ein stabilisierendes, fixieren- des und wärmeverteilendes Netz im Mikrometer-Bereich erhalten.

Die Katalysatorschicht 10 weist eine relativ große Fläche von beispielsweise 100 cm2 auf. Um eine kompaktere Bauweise zu er- reichen, wird das von dem Reaktionsgemisch zu durchfließende Katalysatorvolumen auf mehrere Schichten aufgeteilt, die jedoch nicht nebeneinander, sondern hintereinander, aber parallel ge- schaltet angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ist in Figur 2 dargestellt und zeigt einen eine Vielzahl von aufeinanderlie- genden Katalysatorschichten 10,10'umfassenden Stapel 20, wo- bei die in der Zeichnung oben liegenden Schichten zur besseren Veranschaulichung der Wirkungsweise beabstandet zueinander dar- gestellt sind.

Die Katalysatorschichten 10 weisen Kanäle 12,14,14'16 zum- Leiten von Edukten und Produkten der katalytischen Reaktion auf. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der Katalysatorschicht im wesentlichen parallel zu den Längskanten verlaufende Eduktkanäle 12 vorgesehen, die senk- recht zur Flächenebene der Katalysatorschicht durchgehende Fuh- rungskanäle bilden, wobei die Eduktkanäle 12 übereinanderlie- gender Katalysatorschichten 10,10'im wesentlichen deckungs- gleich zueinander angeordnet sind und somit einen durch den ge- samten Stapel 20 von oben nach unten durchgehenden Führungska- nal für die Edukte des Reaktionsgemisches bilden. Je nach Ver- wendung der Stapelanordnung wird durch die Eduktkanäle 12 ein spezifisches Reaktionsgemisch geleitet. Im Falle der Verwendung als Wasserstoffreaktor umfaßt das Reaktionsgemisch Alkohol, insbesondere Methanol, sowie chemisch gebundenen Wasserstoff, vorteilhafterweise in Form von Wasser. Im Falle der Verwendung des Stapels 20 in einer sogenannten H2-Shift-Reaktion zur Ver- ringerung von Kohlenmonoxid unter Freisetzung von Kohlendioxid umfaßt das Reaktionsgemisch Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Im Falle des Einsatzes im Bereich der Kohlenmonoxid-Oxidation um- faßt das Reaktionsgemisch ein CO-haltiges Gas sowie ein Öl- haltiges Gas. Bei der Verwendung des Katalysatorstapels 20 in einem katalytischen Brenner umfaßt das Reaktionsgemisch ein brennbares Edukt sowie ein 02-haltiges Gas.

Die Eduktkanäle 12 jeder zweiten Katalysatorschicht 10 stehen mit im wesentlichen parallel zur Flächenausdehnung der Kataly- satorschicht 10 verlaufenden Verteilungskanälen 14 in Verbin- dung, die wenigstens einen Teil des durch die Eduktkanäle 12 eintretenden Reaktionsgemisches in das Innere der Katalysator- schicht 10 ableiten.

Erfindungsgemã-*ird demnach jeweils ein Teil des durch die Eduktkanäle 12 e-ntretenden und durch den Stapel 20 geführten Reaktionsgemisches in jeder zweiten Schichtenebene durch die Verteilungskanäle 14 in das Innere der beiden angrenzenden Ka- talysatorschichten 10,10'abgeleitet, wodurch eine Parallel- schaltung der übereinanderliegend angeordneten Katalysator-- schichten erreicht wird.

In dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind wie beschrieben pro Katalysatorschicht 10,10'zwei räumlich getrennte Eduktkanäle 12 vorgesehen. Dies kann dazu genutzt werden, um verschiedene Stoffe des Reaktionsgemisches getrennt voneinander zuzufuhren, so daß einzelne Bestandteile des Reak- tionsgemisches erst in der Ebene der Katalysatorschicht 10 zu- sammenkommen.

Vorteilhafterweise wird hierzu eine Katalysatorschicht mit ei- ner Kanalstruktur eingesetzt, wie sie in dem Ausführungsbei- spiel der Figur 3 dargestellt ist. Die in Figur 3 gezeigte Ka- talysatorschicht 21 weist Eduktkanäle 22a, 22b und Produktkana- le 26 auf, die in ihrer Funktion prinzipiell den in Zusammen- hang mit der Figur 2 beschriebenen Edukt-und Produktkanälen 12 und 16 entsprechen. Abweichend von der in Figur 2 dargestellten Katalysatorschicht 10 stehen die zwei räumlich getrennt vonein- ander angeordneten Eduktkanäle 22a, 22b durch die Verteilungs- kanäle nicht miteinander in Verbindung, sondern die von jedem der Eduktkanäle 22a, 22b ausgehenden Verteilungskanäle 24a bzw.

24b erstrecken sich quer über die Katalysatorschicht 21, enden jedoch, bevor sie den gegenüberliegenden Eduktkanal 22b bzw.

22a erreichen. Dadurch wird eine Anordnung von alternierend in- einandergreifenden Kanälen geschaffen, was zur separaten Zufuh- rung eines (weiteren) Gases, das zur Reaktion benötigt wird oder diese unterstützt, genutzt werden kann. Wird im Beispiel des Methanol-Reformers durch den einen Eduktkanal, beispiels- weise den Eduktkanal 22a, eine Mischung aus Methanol und Was- serdampf zugefuhrt, so kann durch den entsprechend anderen Eduktkanal 22b Sauerstoff (Luft) zugeführt werden. Über die dem jeweiligen Eduktkanal zugeordneten Verteilungskanäle 24a, 24b werden die zugeleiteten Stoffe in der Katalysatorschicht 21 verteilt und treten erst in der Schicht selbst miteinander in Kontakt. Dadurch wird eine besonders homogene und sichere (Ex- plosionsgefahr) Verteilung und Vermischung der Edukte erreicht.

Selbstverständlich sind auch andere als die dargestellte Aus-- führungsformen mit nur einem Eduktkanal oder auch mehr als zwei<BR> <BR> <BR> <BR> Eduktkanälen möglich.

Entlang der Querkanten der Katalysatorschichten 10,10'sind analog zu den Eduktkanälen 12 ausgebildete Produktkanäle 16 an- geordnet, die ebenfalls im wesentlichen senkrecht zur Flächen- ausdehnung jeder Katalysatorschicht 10 verlaufende Führungska- näle bilden, die bei übereinandergelegten Katalysatorschichten 10 jeweils deckungsgleich mit den Produktkanälen der darüber bzw. darunterliegenden Katalysatorschicht 10,10'zum Liegen kommen. Die Produktkanäle 16 jeder zweiten Katalysatorschicht 10'stehen mit Sammelkanälen 14'in Verbindung, die das aus der jeweils darüber-und darunterliegenden Katalysatorschicht 10, 10'austretende Reaktionsprodukt sammeln und in Querrichtung den Produktkanalen 16 zuführen, mittels welcher die Reaktions- produkte durch den Stapel 20 abgeleitet werden.

In der dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung einer heterogen katalysierten Re- aktion wie der Wasserstofferzeugung verfügen die übereinander- gelegten Katalysatorschichten 10,10'also über jeweils alter- nierende Funktionsweisen ; in den Katalysatorschichten 10 werden die durch die Eduktkanäle 12 zugeführten Edukte verteilt und über Verteilungskanäle 14 über die Fläche der darüber-und da- runterliegenden Katalysatorschicht verteilt, wo sie diese im wesentlichen senkrecht und unter einem beträchtlichen Druckab- fall durchströmen. In der jeweils folgenden Katalysatorschicht 10'werden die Produkte der katalytischen Reaktion in Sammelka- nälen 14'gesammelt und den Produktkanälen 16 zum Abführen der Reaktionsprodukte aus dem Katalysatorstapel 20 zugeführt.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte und be- schriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr sind auch Aus- führungsformen denkbar, in welchen jede Katalysatorschicht das Zuführen, Verteilen, Sammeln und Abführen der Edukte bzw. Pro- dukte übernimmt. Derartige komplexere Katalysatorschichten kön- nen beispielsweise durch Aufpressen und Sintern von pulverför- migen Katalysatormaterial auf bereits gesinterte Katalysator- schichten hergestellt werden.

Erfindungsgemã$ werden somit Katalysatorschichten bereitge- stellt, die einfach und in kompakter Weise herstellbar und zur Verwendung in Wasserstoffreaktoren zur katalytischen Wasser- stofferzeugung, Wasserstoff-Shift-Stufen zur CO-Verringerung, Kohlenmonoxid-Oxidatoren sowie katalytischen Brennern geeignet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Katalysators wird eine modulare Bauweise ermöglicht, bei dem nur geringe thermische Verluste und keine großen Temperaturgradienten auf- treten, wodurch eine über ein großes Volumen homogen ablaufende Reaktion ermöglicht wird. Das gesamte Katalysatorvolumen ist räumlich mit Edukten erreichbar, was zu einer deutlich verbes- serten Startdynamik führt. Darüber hinaus wird die Gefahr der Zündung der homogenen Verbrennung von Methanol oder der Knall- gasreaktion vermieden.

Durch geeignete Wahl der Prozeßparameter (Preßdruck, Tempera- tur, Art und Beschaffenheit der Ausgangsmaterialien wie Korn- größenverteilung, Porosität etc.) kann der Fachmann eine auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnittene und bezüglich Schichtfolge, Wärmeverteilung, Strömungsverhältnisse und mecha- nische Eigenschaften wie Druckabfall und Stabilität optimierte erfindungsgemäße Katalysatorschicht bzw. Katalysatorschichten- anordnung erzeugen.