DE19929945C1 - Reaktandzufuhrsystem und dieses verwendendes Reaktandzufuhrverfahren - Google Patents
Reaktandzufuhrsystem und dieses verwendendes ReaktandzufuhrverfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem mit einem Reaktionsraum zur chemischen Umsetzung mehrerer Einsatzstoffe und Düsenmitteln zur Zufuhr der Einsatzstoffe in den Reaktionsraum und ein Verfahren zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderivats in dem Reaktorsystem unter Beteiligung von Wasser und/oder Sauerstoff als Einsatzstoff. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhalten die Düsenmittel zur Zufuhr eine am Reaktionsraumeintritt angeordnete Mischdüse, die Einlaßkanäle für wenigstens zwei der Einsatzstoffe derart aufweist, daß sich die über die Einlaßkanäle getrennt zugeführten Einsatzstoffe in der Mischdüse vermischen und vermischt aus der Mischdüse in den Reaktionsraum eintreten. DOLLAR A Verwendung z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Reaktandzufuhrsystem für ein Reaktor
system mit einem Reaktionsraum zur chemischen Umsetzung mehrerer
Einsatzstoffe, wobei das Reaktandzufuhrsystem Düsenmittel zur
Zufuhr der Reaktanden, d. h. Einsatzstoffe, in den Reaktionsraum
aufweist, und ein zugehöriges Verfahren zur Zuführung der Reak
tanden für die Reformierung eines Kohlenwasserstoffs oder Koh
lenwasserstoffderivats mit dem Reaktorsystem unter Beteiligung
von Wasser und/oder Sauerstoff als weitere Einsatzstoffe.
Beispielsweise zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen oder
Kohlenwasserstoffderivaten zwecks Wasserstoffgewinnung sind Re
aktorsysteme in Gebrauch, die einen Reaktionsraum mit Katalysa
tormaterial aufweisen, in den mittels Einstoff-Düsen flüssige
oder gasförmige Einsatzstoffe eingedüst werden, um sie fein ver
teilt mit dem Katalysatormaterial in Kontakt zu bringen. Die üb
licherweise eingesetzten Einstoff-Düsen besitzen allerdings ei
nen relativ engen Lastspreizungsbereich, d. h. Bereich mit zuver
lässig fein verteilender Vernebelung. Durch spezielle Anordnung
der Einstoff-Düsen läßt sich mit entsprechendem Aufwand eine ge
wisse Durchmischung der verschiedenen, über die einzelnen Ein
stoff-Düsen separat zugeführten Einsatzstoffe erzielen. Da bei
den herkömmlich für diesen Zweck verwendeten Einstoff-Düsen zur
Erzielung einer ausreichend feinen Verteilung die Ausströmöff
nung sehr klein ist, ist deren Verstopfungsgefahr relativ groß.
Aus der US 5 484 554 ist ein Reaktorsystem der eingangs genann
ten Art bekannt, das einen zylinderförmigen, beheizten Reakti
onsraum aufweist, in den in einem oberen Abschnitt Einlaßleitun
gen hineinragen, die von drei koaxial ineinanderliegenden Hohl
röhren gebildet sind, so daß drei parallele Einlaßkanäle zur
Verfügung stehen. Dabei wird durch den innersten und den äußer
sten Einlaßkanal Sauerstoff eingeblasen, während durch den mitt
leren Einlaßkanal Rohöl zugeführt wird. Letzteres strömt auf
diese Weise mit kreisringförmigem Strahl in den Reaktionsraum.
Der kreisringförmige Strahl ist radial nach außen und innen vom
Sauerstoff-Gasstrom umgeben, so daß in dem Reaktionsraum eine
Durchmischung von Sauerstoff und Rohöl erzielt wird, um für das
Rohöl in einer Hochtemperaturatmosphäre im Reaktionsraum günsti
ge Oxidationsbedingungen zu schaffen.
Ein Reaktandzufuhrsystem der eingangs genannten Art ist in der
Offenlegungsschrift DE 26 23 770 A1 für eine Vorrichtung zur
Spaltung von Brennstoffen durch Reaktion mit einem Zerfallspro
dukt von Wasserstoffperoxid offenbart. Das Reaktandzufuhrsystem
beinhaltet dort einen Venturi-Abschnitt in einem Fluidkanal zwi
schen einem Reaktor zur Zersetzung von Wasserstoffperoxid und
einer nachgeschalteten Reaktionskammer zur Durchführung des
Brennstoffspaltvorgangs, wobei der Venturi-Abschnitt zur Steige
rung der Geschwindigkeit des Stromes an erwärmtem Sauer
stoff/Dampf-Gemisch dient, das durch die Zersetzung von Was
serstoffperoxid gebildet wird. In den Venturi-Abschnitt mündet
ein Leitungssystem zur Zufuhr von brennbarem Material in die Re
aktionskammer. In einer der dortigen Realisierungen mündet das
Leitungssystem quer von außen in Form einer Zufuhrleitung im
engsten Bereich in den Venturi-Abschnitt ein. In anderen Reali
sierungen erfolgt die Zuführung in einer Längsrichtung über ei
nen rohrförmigen Injektor mit einer oder mehreren vorderseitigen
Austrittsöffnungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reaktandzufuhrsystem der ein
gangs genannten Art, insbesondere für ein Reaktorsystem zur Re
formierung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderi
vats, das eine gute Durchmischung von mehreren, einem Reaktions
raum zugeführten Einsatzstoffen gewährleistet, sowie ein dieses
verwendendes Reaktandzufuhrverfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Reaktandzufuhrsystem nach Anspruch
1 und ein Reaktandzufuhrverfahren nach Anspruch 3 gelöst.
Beim Reaktandzufuhrsystem nach Anspruch 1 beinhalten die Düsen
mittel zur Zufuhr der Einsatzstoffe in den Reaktionsraum eine am
Reaktionsraumeintritt angeordnete Mischdüse, die Einlaßkanäle
für wenigstens zwei Einsatzstoffe derart aufweist, daß sich die
über die Einlaßkanäle getrennt zugeführten Einsatzstoffe in der
Mischdüse vermischen und sie vermischt aus der Mischdüse in den
Reaktionsraum eintreten. Die Mischdüse besteht aus einem vereng
ten Längskanal als Einlaßkanal für einen ersten Einsatzstoff und
mehreren Querkanälen als Einlaßkanäle für einen zweiten Einsatz
stoff, wobei die Querkanäle an der engsten Stelle der Verengung
in den Längskanal münden. Die Querkanäle sind alternierend
sternförmig oder sich gegenüberliegend um den Längskanal herum
angeordnet. Insgesamt können auf diese Weise mehrere Einsatz
stoffe mit guter Gleichverteilung über die gemeinsame, ver
gleichsweise einfach realisierbare Mischdüse in den Reaktions
raum eingebracht werden.
In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 bilden der ver
engte Längskanal einen Einlaßkanal für einen gasförmigen
Einsatzstoff oder ein gasförmiges Einsatzstoffgemisch und die
Querkanäle Einlaßkanäle für einen oder mehrere flüssige Einsatz
stoffe oder Einsatzstoffgemische. Auf diese Weise kann eine be
sonders gute Feinverteilung von flüssigen Einsatzstoffen als Ae
rosol im Reaktionsraum erzielt werden.
Beim Verfahren nach Anspruch 3 werden als Reaktanden ein Kohlen
wasserstoff oder Kohlenwasserstoffderivat sowie Wasser und/oder
Sauerstoff einem Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4
zur Durchführung einer Reformierungsreaktion zugeführt. Dabei
werden über den Längskanal ein sauerstoffhaltiger Einsatzgas
strom und über die Querkanäle der Kohlenwasserstoff- oder Koh
lenwasserstoffderivat-Einsatzstoff und/oder Wasser flüssig in
die Mischdüse zugeführt. Auf diese Weise wird ein Kohlenwasser
stoff- bzw. Kohlenwasserstoffderivat-Aerosol gebildet, das für
die Reformierungsreaktion im Reaktionsraum eine große Reaktions
oberfläche aufweist.
In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird von den
beiden bei Raumtemperatur flüssigen Einsatzstoffen Wasser und
Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffderivat der eine über
den oder die Querkanäle flüssig der Mischdüse zugeführt und der
andere vor der Mischdüse verdampft und dem sauerstoffhaltigen
Einsatzgasstrom unter Bildung eines dem Längskanal der Mischdüse
zugeführten Einsatzstoff-Gasgemisches zugegeben. Auf diese Weise
wird eine besonders gute Durchmischung von Wasser, Kohlenwasser
stoff bzw. Kohlenwasserstoffderivat und sauerstoffhaltigem Gas
erzielt.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt schematisch ein Reaktorsystem mit einer
als Venturi-Düse ausgebildeten Mischdüse zur Zufuhr von Einsatz
stoffen in den Reaktionsraum.
Das gezeigte Reaktorsystem 1 umfaßt einen Reaktionsraum 2, der
mit Katalysatormaterial 3 befüllt ist und in den ein Einsatz
stoffgemisch-Aerosol 4 über eine als Mischdüse ausgebildete Ven
turi-Düse 5 zugeführt wird. Das Einsatzstoffgemisch-Aerosol 4
stellt ein Wasser-Luft-Kohlenwasserstoff-Gemisch dar und wird
von einem verengten Strömungskanal, beim Ausführungsbeispiel in
der Form einer Venturi-Düse 5, gebildet. Die Venturi-Düse 5 hat
einen trichterförmigen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Ven
turi-Längskanal, der sich ausgehend von einem Gaseinlaß 7 für
einen sauerstoffhaltigen Gasstrom 8 bis zu einer engsten Stelle
9 verjüngt, von der aus er sich wieder bis zu einem Auslaß 10
für das Einsatzstoff-Aerosol 4 aufweitet. Durch die Verengung
wird das Gas auf eine hohe Geschwindigkeit, typischerweise auf
eine Geschwindigkeit ≧ 1/10 Schallgeschwindigkeit, gebracht. In
die engste Stelle 9 des Venturi-Längskanals 6 münden einander
gegenüberliegend jeweils ein Querkanal 11 zur Zufuhr von Wasser
12 und ein Querkanal 13 zur Zufuhr eines Kohlenwasserstoff- oder
Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs 14, etwa Diesel oder Ben
zin, aber auch Methanol, Naphta oder andere Treibstoffe. Das im
Venturi-Längskanal 6 strömende sauerstoffhaltige Gas, z. B.
Druckluft, reißt an der engsten Stelle 9 die über die Querkanäle
11 und 13 zugeführten flüssigen Medien in Tröpfchenform mit, so
daß sich am Auslaß 10 der Venturi-Düse 5 ein Strom aus Einsatz
stoff-Aerosol 4 ausbildet. Dieses Einsatzstoff-Aerosol 4 besteht
aus besonders feinen Flüssigkeitströpfchen, insbesondere wenn
der Druck des über den Einlaß 7 zugeführten Gasgemischs 8 so
hoch ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Ventu
ri-Längskanal 6 strömenden Mediums an der engsten Stelle 9 in
etwa der Schallgeschwindigkeit entspricht.
Durch den Kontakt des aus feinen Tröpfchen bestehenden Einsatz
stoff-Aerosols 4 mit dem Katalysatormaterial 3 im Reaktionsraum
2 entstehen aufgrund einer Reformierungsreaktion Wasserstoffgas
und Restgas, die über nicht weiter dargestellte Auslässe abge
führt werden. Der gebildete Wasserstoff kann beispielsweise dazu
genutzt werden, ein Brennstoffzellensystem zu speisen.
Bei einer modifizierten Ausführungsform des Reaktorsystems 1 ist
die Venturi-Düse 5 nicht nur mit zwei einander gegenüberliegen
den Querkanälen für Flüssigkeit versehen, sondern weist eine
größere Anzahl von Querkanälen auf, die sternförmig in die eng
ste Stelle 9 ihres Venturi-Längskanales 6 münden. Vorzugsweise
werden die flüssigen Einsatzstoffe durch diese Querkanäle dann
alternierend zugeführt, d. h. es werden durch benachbarte Querka
näle jeweils unterschiedliche Einsatzstoffe geleitet. So läßt
sich eine besonders gute Durchmischung der Einsatzstoffe zu ei
nem Einsatzstoff-Aerosol mit feinsten Tröpfchen erzielen. Statt
alle bei Raumtemperatur flüssigen Medien über die Querkanäle 11
und 13 flüssig zuzuführen, können eine oder mehrere dieser Ein
satzstoffe dem sauerstoffhaltigen Luftstrom 8 vor Eintritt in
den Venturi-Längskanal 6 als Flüssigkeitsdampf, etwa verdampfter
Kohlenwasserstoff oder verdampftes Kohlenwasserstoffderivat bei
gemischt werden. Natürlich ist es auch möglich, dem sauerstoff
haltigen Luftstrom 8 im Venturi-Längskanal 6 über alle oder ei
nen Teil der Querkanäle 11, 13 gas- bzw. dampfförmige Medien
beizumischen.
Claims (4)
1. Reaktandzufuhrsystem (1) für ein Reaktorsystem mit einem Re
aktionsraum (2) zur chemischen Umsetzung mehrerer Einsatzstoffe
(8, 12, 14), mit
- - Düsenmitteln (5, 6, 11, 13) zur Zufuhr der Einsatzstoffe (8, 12, 14) in den Reaktionsraum (2), die eine am Reaktionsraumein tritt angeordnete Mischdüse (5) beinhalten, welche Einlaßkanäle (11, 13) für wenigstens zwei Einsatzatoffe derart aufweist, daß sich die über die Einlaßkanäle getrennt zugeführten Einsatz stoffe (8, 12, 14) in der Mischdüse (5) vermischen und sie ver mischt aus der Mischdüse (5) in den Reaktionsraum (2) eintre ten,
- - die Mischdüse aus einem verengten Längskanal (6), der als Ein laßkanal für einen ersten Einsatzstoff (8) dient, und mehreren Querkanälen (11, 13) als Einlaßkanäle für einen zweiten Einsatzstoff (12, 14) gebildet ist,
- - wobei die Querkanäle (11, 13) an der engsten Stelle (9) des Längskanals (6) von außen in diesen münden und alternierend sternförmig oder sich gegenüberliegend um den verengten Längs kanal (6) herum angeordnet sind.
2. Reaktandzufuhrsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der verengte Längskanal (6) einen Einlaßkanal für einen gasför migen Einsatzstoff oder ein gasförmiges Einsatzstoffgemisch und
- - die Querkanäle (11, 13) Einlaßkanäle für einen oder mehrere flüssige Einsatzstoffe (12, 14) oder Einsatzstoffgemische bil den.
3. Verfahren zur Zuführung von Reaktanden für die Reformierung
eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderivats (14) un
ter Beteiligung von Wasser (12) und/oder Sauerstoff mit einem
Reaktandzufuhrsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
über den verengten Längskanal (6) ein sauerstoffhaltiger Einsatz
gasstrom (8) und über die Querkanäle (11, 13) der Kohlenwasser
stoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoff (14) und/oder
Wasser (12) flüssig in die Mischdüse zugeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
von den beiden bei Raumtemperatur flüssigen Einsatzstoffen Wasser
(12) und Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffderivat (14) der
eine (12) über den oder die Querkanäle (11, 13) flüssig der
Mischdüse (5) zugeführt wird und der andere (14) vor der Mischdü
se (5) verdampft und dem sauerstoffhaltigen Einsatzgasstrom (8)
unter Bildung eines dem verengten Längskanal (6) der Mischdüse
(5) zugeführten Einsatzstoff-Gasgemisches zugegeben wird.
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