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WO2013135699A1 - Verfahren für die synthesegasherstellung im wechselbetrieb zwischen zwei betriebsarten - Google Patents

Verfahren für die synthesegasherstellung im wechselbetrieb zwischen zwei betriebsarten Download PDF

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WO2013135699A1
WO2013135699A1 PCT/EP2013/055004 EP2013055004W WO2013135699A1 WO 2013135699 A1 WO2013135699 A1 WO 2013135699A1 EP 2013055004 W EP2013055004 W EP 2013055004W WO 2013135699 A1 WO2013135699 A1 WO 2013135699A1
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WO
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heating
group
fluid
reactor
threshold value
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/055004
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Karpenko
Oliver Felix-Karl SCHLÜTER
Vanessa GEPERT
Emanuel Kockrick
Albert TULKE
Daniel Duff
Stefanie Eiden
Kristian VOELSKOW
Giulio Lolli
Rainer Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
Bayer Intellectual Property GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of synthesis gas, comprising the steps of providing a flow reactor, setting thresholds, comparing energy prices and / or energy composition with respect to regenerative sources, and a choice between the modes of dry reforming / reverse water gas shift reaction on the one hand and catalytic Partial oxidation on the other hand.
  • synthesis gas is produced by steam reforming of methane. Due to the high heat demand of the reactions involved, they are carried out in externally heated reformer tubes. Characteristic of this method is the limitation by the reaction equilibrium, a heat transport tempering and, above all, the pressure and temperature limitation of the reformer tubes used (nickel-based steels). Temperature and pressure side results in a limitation to a maximum of 900 ° C at about 20 to 40 bar.
  • An alternative method is autothermal reforming.
  • a portion of the fuel is burned by the addition of oxygen within the reformer, so that the reaction gas is heated and the expiring endothermic reactions are supplied with heat.
  • DE 10 2007 022 723 A1 and US 2010/0305221 describe a process for the production and conversion of synthesis gas, which is characterized in that it has a plurality of different operating states, which essentially consist of the alternating (i) daytime operation and (ii) night operation where the day-to-day operation (i) mainly comprises dry reforming and steam reforming with the supply of regenerative energy and night operation (ii) mainly the partial oxidation of hydrocarbons and wherein the synthesis gas produced is used to produce value products.
  • US 2007/003478 Al discloses the production of synthesis gas with a combination of steam reforming and oxidation chemistry. The process involves the use of solids to heat the hydrocarbon feed and to cool the gaseous product.
  • WO 2007/042279 AI deals with a reformer system with a reformer for the chemical reaction of a hydrocarbon-containing fuel in a hydrogen gas-rich reformate gas, and electric heating means by which the reformer heat energy for producing a reaction temperature required for the feed can be supplied, wherein the reformer system further comprises a capacitor has, which can supply the electric heating means with electric current.
  • WO 2004/071947 A2 / US 2006/0207178 AI relate to a system for the production of hydrogen, comprising a reformer for generating hydrogen from a hydrocarbon fuel, a compressor for compressing the generated hydrogen, a renewable energy source for converting a renewable resource into electrical Energy for driving the compressor and a storage device for storing the hydrogen from the compressor.
  • the object of the present invention is to provide such a method.
  • it has set itself the task of specifying a method for the production of synthesis gas, which is suitable for alternating operation between two different modes of operation and which takes into account the requirements of a production network for educts of downstream processes.
  • This object is achieved according to the invention by a process for the production of synthesis gas, comprising the steps:
  • Heating elements is electrically heated, wherein the heating level can be flowed through by the fluid and wherein at least one heating element, a catalyst is arranged and can be heated there; - set one
  • Threshold Sl for the cost of available for the flow reactor electrical energy and / or a
  • Threshold S2 for the relative proportion of electrical energy from regenerative sources of the electrical energy available for the flow reactor; and / or one
  • Threshold S3 for the demand for carbon monoxide and / or hydrogen in one or more downstream production processes
  • the first threshold S 1 relates to the electricity cost of the reactor, in particular the cost of electrically heating the reactor by the heating elements in the heating levels. Here it can be determined up to which height the electric heating is still economically reasonable.
  • the second threshold S2 relates to the relative proportion of electrical energy from regenerative sources available to the reactor and, in particular, to the electrical heating of the reactor by the heating elements in the heating levels.
  • the relative proportion is in this case based on the total electrical energy of the electric current available for the flow reactor and can of course vary over time. Examples of regenerative sources from which electrical energy can be obtained are wind, solar, geothermal, wave and hydro.
  • the relative share can be determined by providing information to the energy supplier. If, for example, a factory site owns its own regenerative energy sources such as solar plants or wind turbines, this relative energy share can also be indicated via performance monitoring.
  • the third threshold S3 concerns the question of how much carbon monoxide and / or hydrogen is actually needed in downstream processes. In this way, the integration of the method according to the invention can be mapped into a production network.
  • the threshold value S2 can be understood as a requirement to use renewable energies to the greatest possible extent.
  • S2 may mean that from a proportion of 5%, 10%, 20% or 30% of electrical energy from renewable sources, the electrical heating of the reactor should take place.
  • RWGS Reverse water gas shift reaction
  • the combustion of hydrogen can be used. It is both possible that the combustion of hydrogen in the RWGS reaction by metering of 0 2 in the educt gas (ideally a locally distributed or lateral metering) takes place, as well as possible that hydrogen-rich residual gases (for example, PSA exhaust gas), such They can be incurred in the purification of the synthesis gas, recycled and burned together with 0 2 , which then the process gas is heated.
  • hydrogen-rich residual gases for example, PSA exhaust gas
  • An advantage of the oxidative mode of operation is that soot deposits formed by dry reforming or steam reforming can be removed and thus the catalyst used can be regenerated. Moreover, it is possible to regenerate passivation layers, the heating conductor or other metallic internals in order to increase the service life.
  • endothermic reactions are heated from the outside through the walls of the reaction tubes. Opposite is the autothermal reforming with 0 2 -addition.
  • the endothermic reaction can be efficiently internally supplied with heat via an electrical heating within the reactor (the undesired alternative would be electrical heating via radiation through the reactor wall). This type of reactor operation is particularly economical if the excess supply resulting from the expansion of renewable energy sources can be used cost-effectively.
  • the inventive method provides to run the DR, SMR and RWGS reactions in the same reactor.
  • a mixed operation is expressly provided.
  • One of the advantages of this possibility is the gradual start of each other's reaction, for example through continuously reducing the hydrogen supply while increasing the supply of methane or by continuously increasing the hydrogen supply while reducing the supply of methane.
  • FIG. 1 shows schematically a flow reactor in an expanded representation.
  • FIG. 2 schematically shows a production network using the method according to the invention.
  • the flow reactor comprises: seen in the flow direction of the fluid, a plurality of heating levels, which are electrically heated by heating elements and wherein the heating levels are permeable by the fluid, wherein a catalyst is arranged on at least one heating element and is heatable there, wherein further at least once an intermediate plane between two heating levels is arranged and wherein the intermediate plane is also traversed by the fluid.
  • FIG. 1 schematically shown flow reactor used according to the invention is flowed through by a fluid comprising reactants from top to bottom, as shown by the arrows in the drawing.
  • the fluid may be liquid or gaseous and may be single-phase or multi-phase.
  • the fluid is gaseous. It is conceivable that the fluid contains only reactants and reaction products, but also that additionally inert components such as inert gases are present in the fluid.
  • the reactor has a plurality of (four in the present case) heating levels 100, 101, 102, 103, which are electrically heated by means of corresponding heating elements 110, 111, 112, 113.
  • the heating levels 100, 101, 102, 103 are in operation the fluid flows through the reactor and the heating elements 110, 111, 112, 113 are contacted by the fluid.
  • At least one heating element 110, 111, 112, 113, a catalyst is arranged and is heated there.
  • the catalyst may be directly or indirectly connected to the heating elements 110, 111, 112, 113 so that these heating elements constitute the catalyst support or a support for the catalyst support.
  • the heat supply of the reaction takes place electrically and is not introduced from the outside by means of radiation through the walls of the reactor, but directly into the interior of the reaction space. It is realized a direct electrical heating of the catalyst.
  • Thermistor alloys such as FeCrAl alloys are preferably used for the heating elements 110, 111, 112, 113.
  • electrically conductive Si-based materials particularly preferably SiC.
  • This has the effect of homogenizing the fluid flow.
  • additional catalyst is present in one or more intermediate levels 200, 201, 202 or other isolation elements in the reactor. Then an adiabatic reaction can take place.
  • the intermediate levels may act as flame arresters as needed, especially in reactions where oxygen delivery is provided.
  • the material forms an Al 2 O 3 protective layer by the action of temperature in the presence of air / oxygen.
  • This passivation layer can serve as a basecoat of a washcoat, which acts as a catalytically active coating.
  • the direct resistance heating of the catalyst or the heat supply of the reaction is realized directly through the catalytic structure.
  • the formation of other protective layers such as Si-OC systems.
  • the pressure in the reactor can take place via a pressure-resistant steel jacket.
  • suitable ceramic insulation materials it can be achieved that the pressure-bearing steel is exposed to temperatures of less than 200 ° C and, if necessary, less than 60 ° C.
  • the electrical connections are shown in FIG. 1 only shown very schematically. They can be conducted in the cold region of the reactor within an insulation to the ends of the reactor or laterally out of the heating elements 110, 111, 112, 113, so that the actual electrical connections can be provided in the cold region of the reactor.
  • the electrical heating is done with direct current or alternating current.
  • heating elements 110, 111, 112, 113 are arranged, which are constructed in a spiral, meandering, grid-shaped and / or reticulated manner.
  • At least one heating element 110, 111, 112, 113 may have a different amount and / or type of catalyst from the other heating elements 110, 111, 112, 113.
  • the heating elements 110, 111, 112, 113 are arranged so that they can each be electrically heated independently of each other.
  • the individual heating levels can be individually controlled and regulated.
  • In the reactor inlet area can be dispensed with a catalyst in the heating levels as needed, so that only the heating and no reaction takes place in the inlet area. This is particularly advantageous in terms of starting the reactor.
  • a temperature profile adapted for the respective reaction can be achieved. With regard to the application for endothermic equilibrium reactions, this is, for example, a temperature profile which achieves the highest temperatures and thus the highest conversion at the reactor outlet.
  • the (for example ceramic) intermediate levels 200, 201, 202 or their contents 210, 211, 212 comprise a material resistant to the reaction conditions, for example a ceramic foam. They serve for mechanical support of the heating levels 100, 101, 102, 103 and for mixing and distribution of the gas stream. At the same time an electrical insulation between two heating levels is possible. It is preferred that the material of the content 210, 211, 212 of an intermediate level 200, 201, 202 comprises oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • the intermediate level 200, 201, 202 may include, for example, a loose bed of solids.
  • solids themselves may be porous or solid, so that the fluid flows through gaps between the solids. It is preferred that the material of the solids Oxides, carbides, nitrides, phosphides and / or borides of aluminum, silicon and / or zirconium. An example of this is SiC. Further preferred is cordierite.
  • the intermediate plane 200, 201, 202 comprises a one-piece porous solid.
  • the fluid flows through the intermediate plane via the pores of the solid. This is shown in FIG. 1 shown.
  • Preference is given to honeycomb monoliths, as used for example in the exhaust gas purification of internal combustion engines.
  • one or more of the intermediate levels are voids.
  • the average length of a heating level 100, 101, 102, 103 is viewed in the direction of flow of the fluid and the average length of an intermediate level 200, 201, 202 in the direction of flow of the fluid is in a ratio of> 0.01: 1 to ⁇ 100: 1 to each other. Even more advantageous are ratios of> 0.1: 1 to ⁇ 10: 1 or 0.5: 1 to ⁇ 5: 1.
  • Suitable catalysts can be selected for example from the group comprising: (I) a mixed metal oxide of A A 'wA "x B B (1 y z..)' Z 0 3 .deita wherein here (1 w x..) Y B" applies:
  • A, A 'and A are independently selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb, Bi and / or Cd, B, B 'and B "are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li Na, K, Ce and / or Zn; and
  • A, A 'and A are independently selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb and / or Cd;
  • B is selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W , Gd, Yb, Bi, Mg, Cd, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt;
  • B ' is selected from the group: Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt;
  • B is selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Bi, Mg, Cd and / or Zn; and
  • Ml and M2 are independently selected from the group: Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd and / or Pt;
  • M3 is selected from the group: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and / or Lu;
  • IV a mixed metal oxide of the formula LO x (M (y / z) Al (2 - y / z) 0 3 ) z ; where:
  • L is selected from the group: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Pd, Mn, In, Tl, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and / or Lu;
  • M is selected from the group: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cu , Ag and / or Au;
  • (V) a mixed metal oxide of the formula L0 (A1 2 0 3 ) Z ; where: L is selected from the group: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Mn, In, Tl, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd , Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and / or Lu; and
  • Ml and M2 are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, Pt, Zn, Cu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and / or Lu;
  • a and B are independently selected from the group: Be, Mg, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, La, Ce , Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and / or Lu;
  • (VIII) a catalyst comprising Ni, Co, Fe, Cr, Mn, Zn, Al, Rh, Ru, Pt and / or Pd;
  • reaction products includes the catalyst phases present under reaction conditions. Preferred are for:
  • the reactor can be modular.
  • a module may include, for example, a heating level, an insulation level, the electrical contact and the corresponding further insulation materials and thermal insulation materials.
  • the individual heating elements 110, 111, 112, 113 are operated with a respective different heating power.
  • the reaction temperature in the reactor is at least in places> 700 ° C to ⁇ 1300 ° C. More preferred ranges are> 800 ° C to ⁇ 1200 ° C and> 900 ° C to ⁇ 1100 ° C. It is favorable if this temperature prevails at least at the reactor outlet
  • the average (mean) contact time of the fluid to a heating element 110, 111, 112, 113 may be, for example,> 0.01 seconds to ⁇ 1 second and / or the average contact time of the fluid to an intermediate level 110, 111, 112, 113 may be, for example > 0.001 seconds to ⁇ 5 seconds.
  • Preferred contact times are> 0.005 to ⁇ 1 second, more preferably> 0.01 to ⁇ 0.9 seconds.
  • the reaction can be carried out at a pressure of> 1 bar to ⁇ 200 bar.
  • the pressure is> 2 bar to ⁇ 50 bar, more preferably> 10 bar to ⁇ 30 bar.
  • FIG. 2 Such a composite with the reactor in which the method according to the invention is carried out is shown in FIG. 2 shown.
  • the present invention relates to a control unit which is set up for the control of the method according to the invention.
  • This control unit can also be distributed to a plurality of modules which communicate with one another or can then comprise these modules.
  • the controller may include a volatile and / or non-volatile memory containing machine-executable instructions associated with the method of the invention. In particular, these may be machine-executable instructions for detecting the threshold values, for comparing the threshold values with the currently prevailing conditions and for controlling control valves and compressors for gaseous reactants.

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Description

Verfahren für die Synthesegasherstellung im Wechselbetrieb zwischen zwei Betriebsarten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, umfassend die Schritte des Bereitstellen eines Strömungsreaktors, Festlegen von Schwellwerten, Vergleichen von Energiepreisen und/oder Energiezusammensetzung bezüglich regenerativer Quellen sowie Auswahl zwischen den Betriebsweisen Dry Reforming/umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion einerseits und katalytischer Partialoxidation andererseits.
Bedingt durch den verstärkten Ausbau regenerativer Energien entsteht ein fluktuierendes Energieangebot im Stromnetz. In Phasen günstiger Strompreise ergibt sich für den Betrieb von Reaktoren zur Durchführung endothermer Reaktionen, bevorzugt für die Herstellung von Synthesegas, die Möglichkeit eines wirtschaftlichen und ökonomisch sinnvollen Betriebs unter Ausnutzung der regenerativen Energien, wenn diese elektrisch beheizt werden.
In Phasen, in welchen keine regenerativ erzeugte elektrische Energie verfügbar ist, muss dann eine andere Form der Energieversorgung der endothermen Reaktionen gewählt werden.
Konventionell erfolgt die Herstellung von Synthesegas mittels der Dampfreformierung von Methan. Aufgrund des hohen Wärmebedarfs der beteiligten Reaktionen erfolgt deren Durchführung in von außen beheizten Reformerröhren. Charakteristisch für dieses Verfahren ist die Limitierung durch das Reaktionsgleichgewicht, eine Wärmetransporthmitierung und vor allem die Druck- und Temperaturlimitierung der eingesetzten Reformerröhren (nickelbasierte Stähle). Temperatur- und druckseitig resultiert daraus eine Limitierung auf maximal 900 °C bei ca. 20 bis 40 bar.
Ein alternatives Verfahren ist die autotherme Reformierung. Hierbei wird ein Teil des Brennstoffs durch Zugabe von Sauerstoff innerhalb des Reformers verbrannt, so dass das Reaktionsgas aufgeheizt wird und die ablaufenden endothermen Reaktionen mit Wärme versorgt werden.
Im Stand der Technik sind einige Vorschläge für eine interne Heizung von chemischen Reaktoren bekannt geworden. So beschreiben beispielsweise Zhang et al., International Journal of Hydrogen Energy 2007, 32, 3870-3879 die Simulation und experimentelle Analyse eines co-axialen, zylindrischen Methan-Dampfreformers unter Verwendung eines elektrisch beheizten Alumit- Katalysators (EHAC).
Hinsichtlich eines Wechselbetriebes beschreiben DE 10 2007 022 723 AI beziehungsweise US 2010/0305221 ein Verfahren zur Herstellung und Umsetzung von Synthesegas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mehrere unterschiedliche Betriebszustände aufweist, die im Wesentlichen aus dem im Wechsel zueinander stehenden (i) Tagesbetrieb und (ii) Nachtbetrieb bestehen, wobei der Tagesbetrieb (i) hauptsächlich die trockene Reformierung und das Steamreforming unter der Zuführung von regenerativer Energie und der Nachtbetrieb (ii) hauptsächlich die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfasst und wobei das hergestellte Synthesegas zur Herstellung von Wertprodukten verwendet wird. US 2007/003478 AI offenbart die Herstellung von Synthesegas mit einer Kombination von Dampfreformierungs- und Oxidationschemie. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Feststoffen, um den Kohlenwasserstoff -Feed aufzuheizen und das gasförmige Produkt abzukühlen. Gemäß dieser Veröffentlichung kann Wärme dadurch konserviert werden, dass der Gasfluss von Feed- und Produktgasen intervallmäßig umgekehrt wird. WO 2007/042279 AI beschäftigt sich mit einem Reformersystem mit einem Reformer zum chemischen Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes in ein wasserstoffgasreiches Reformatgas, sowie elektrischen Heizmitteln, mittels welchen dem Reformer Wärmeenergie zum Herstellen einer für die Umsetzung erforderlichen Reaktionstemperatur zuführbar ist, wobei das Reformersystem weiterhin einen Kondensator aufweist, der die elektrischen Heizmittel mit elektrischem Strom versorgen kann.
WO 2004/071947 A2/ US 2006/0207178 AI betreffen ein System zur Herstellung von Wasserstoff, umfassend einen Reformer zur Generierung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Treibstoff, einen Kompressor zur Komprimierung des erzeugten Wasserstoffs, eine erneuerbare Energiequelle zur Umwandlung einer erneuerbaren Ressource in elektrische Energie zum Antrieb des Kompressors und eine Speichervorrichtung zur Speicherung des Wasserstoffs von dem Kompressor.
Aus dem zuvor Gesagten wird deutlich, dass eine ökonomisch sinnvolle Herstellung von Synthesegas unter Ausnutzung von regenerativen Energiequellen gewisse Anforderungen an die Verfahrensdurchführung und den hierin eingesetzten Reaktor stellen. Einerseits muss eine effiziente elektrische Beheizung des Reaktors, das heißt eine effiziente Wärmeversorgung der endothermen Reaktion realisiert werden. Andererseits sollte für Phasen, in denen keine regenerativ erzeugte Energie nutzbar ist, die Möglichkeit zur anderweitigen Beheizung des Reaktors vorliegen.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein solches Verfahren bereitzustellen. Insbesondere hat sie sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas anzugeben, welches für einen Wechselbetrieb zwischen zwei verschiedenen Betriebsweisen geeignet ist und welches Anforderungen eines Produktionsverbundes für Edukte nachgelagerter Prozesse berücksichtigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Strömungsreaktors, welcher zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids eingerichtet ist, wobei der Reaktor mindestens eine Heizebene umfasst, welche mittels eines oder mehrerer
Heizelemente elektrisch beheizt wird, wobei die Heizebene von dem Fluid durchströmbar ist und wobei an mindestens einem Heizelement ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist; - Festlegen eines
Schwell wertes Sl für die Kosten der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und/oder eines
Schwellwertes S2 für den relativen Anteil von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie; und/oder eines
Schwellwertes S3 für den Bedarf an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff in einem oder mehreren nachgelagerten Produktionsprozessen;
- Vergleichen der Kosten der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie mit dem Schwellwert S 1 und/oder des relativen Anteils von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie mit dem Schwellwert S2 und/oder der gegenwärtig im Strömungsreaktor produzierten Menge an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff mit dem Schwell wert S3;
- Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Kohlendioxid und/oder Wasser in dem Strömungsreaktor, wobei als Produkte Kohlenmonoxid und Wasserstoff gebildet wird, unter elektrischer Beheizung durch ein oder mehrere Heizelemente, wenn der Schwell wert Sl unterschritten wird, der Schwellwert S2 überschritten wird und/oder der Schwellwert S3 unterschritten wird; und
- Reaktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff in dem Strömungsreaktor, wobei als Produkte mindestens Kohlenmonoxid und Wasser gebildet werden, unter elektrischer Beheizung durch ein oder mehrere Heizelemente (110, 111, 112, 113), wenn der Schwell wert Sl überschritten wird, der Schwellwert S2 unterschritten wird und/oder der Schwellwert S3 überschritten wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum hybriden Betrieb einer Synthesegasherstellung wird anhand von einem oder mehreren Schwellwerten entschieden, welche Betriebsart gewählt werden soll. Der erste Schwellwert S 1 betrifft die Elektrizitätskosten für den Reaktor, im Speziellen die Kosten für eine elektrische Beheizung des Reaktors durch die Heizelemente in den Heizebenen. Hier kann festgelegt werden, bis zu welcher Höhe die elektrische Beheizung noch wirtschaftlich sinnvoll ist.
Der zweite Schwellwert S2 betrifft den relativen Anteil von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen, die für den Reaktor und auch wieder im Speziellen für die elektrische Beheizung des Reaktors durch die Heizelemente in den Heizebenen zur Verfügung steht. Der relative Anteil ist hierbei bezogen auf die gesamte elektrische Energie der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und kann selbstverständlich im zeitlichen Verlauf schwanken. Beispiele für regenerative Quellen, aus denen elektrische Energie gewonnen werden kann, sind Windenergie, Solarenergie, geothermale Energie, Wellenenergie und Wasserkraft. Der relative Anteil kann durch Auskünfte beim Energieversorger bestimmt werden. Stehen beispielsweise auf einem Werksgelände eigene regenerative Energiequellen wie Solaranlagen oder Windenergieanlagen, so kann über eine Leistungsüberwachung auch dieser relative Energieanteil angegeben werden.
Der dritte Schwellwert S3 betrifft die Frage, wie viel Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff in Downstream-Prozessen überhaupt benötigt wird. Auf diese Weise kann die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen Produktionsverbund abgebildet werden.
So wie sich der Schwell wert Sl beispielsweise als Preisobergrenze verstehen lässt, kann der Schwellwert S2 als Vorgabe aufgefasst werden, im größtmöglichen vertretbaren Umfang erneuerbare Energien zu nutzen. Beispielsweise kann S2 lauten, dass ab einem Anteil von 5%, 10%, 20% oder 30% von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen die elektrische Beheizung des Reaktors erfolgen soll.
Ein Vergleich der Soll-Werte mit den Ist-Werten im Verfahren kann nun zu dem Ergebnis gelangen, dass elektrische Energie preisgünstig vorhanden ist und/oder genug elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht und/oder mehr CO beziehungsweise H2 als Produkte benötigt werden. Dann wird der Strömungsreaktor so betrieben, dass die vergleichsweise stark endothermen Reaktionen SMR und/oder DR durchgeführt werden:
Dry Reforming von Methan (DR): CH4 + C02 *± 2 CO + 2 H2 Steam Reforming von Methan (SMR) : CH4 + H20 *± 3 H2 + CO
Ergibt der Soll/Ist- Vergleich, dass elektrische Energie zu teuer ist und/oder zuviel Energie aus nicht-regenerativen Quellen eingesetzt werden müsste und/oder weniger CO beziehungsweise H2 benötigt werden,, so wird die Betriebsart des Strömungsreaktors umgestellt und eine weniger endotherme RWGS-Reaktion findet statt: Umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS): C02 + H2 *± CO + H20
Weiterhin kann als alternative oder zusätzliche Beheizungsmethode die Verbrennung von Wasserstoff eingesetzt werden. Es ist sowohl möglich, dass die Verbrennung von Wasserstoff bei der RWGS-Reaktion durch Zudosierung von 02 in das Eduktgas (idealerweise eine örtlich verteilte oder seitliche Zudosierung) erfolgt, als auch möglich, dass wasserstoffreiche Restgase (zum Beispiel PSA-Abgas), wie sie bei der Aufreinigung des Synthesegases anfallen können, zurückgeführt und zusammen mit 02 verbrannt werden, wodurch dann das Prozessgas aufgeheizt wird.
Ein Vorteil der oxidativen Fahrweise ist, dass durch Dry Reforming oder Steam Reforming gebildete Rußablagerungen entfernt werden können und so der eingesetzte Katalysator regeneriert werden kann. Überdies ist es möglich Passivierungsschichten, der Heizleiter oder anderer metallischer Einbauten, zu regenerieren, um die Standzeit zu erhöhen.
In der Regel werden endotherme Reaktionen von außen durch die Wände der Reaktionsröhren beheizt. Dem gegenüber steht die autotherme Reformierung mit 02-Zugabe. Im hier beschriebenen Reaktorbetrieb kann über eine elektrische Beheizung innerhalb des Reaktors (die unerwünschte Alternative wäre elektrische Beheizung via Strahlung durch die Reaktorwand) die endotherme Reaktion effizient intern mit Wärme versorgt werden. Diese Art des Reaktorbetriebs wird insbesondere dann wirtschaftlich, wenn das aus dem Ausbau der regenerativen Energiequellen resultierende Überangebot kostengünstig genutzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die DR-, SMR- und RWGS -Reaktionen in demselben Reaktor ablaufen zu lassen. Ein Mischbetrieb ist ausdrücklich vorgesehen. Einer der Vorteile dieser Möglichkeit ist das allmähliche Anfahren der jeweils anderen Reaktion, zum Beispiel durch kontinuierliches Reduzieren der Wasserstoffzufuhr bei gleichzeitiger Erhöhung der Methanzufuhr oder durch kontinuierliches Erhöhen der Wasserstoffzufuhr bei gleichzeitiger Verringerung der Methanzufuhr.
Die vorliegende Erfindung einschließlich bevorzugter Ausführungsformen wird in Verbindung mit der nachfolgenden Zeichnung weiter erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich nicht eindeutig das Gegenteil aus dem Kontext ergibt.
FIG. 1 zeigt schematisch einen Strömungsreaktor in expandierter Darstellung.
FIG. 2 zeigt schematisch einen Produktionsverbund unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Strömungsreaktor: in Strömungsrichtung des Fluids gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen, welche mittels Heizelementen elektrisch beheizt werden und wobei die Heizebenen von dem Fluid durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Heizelement ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist, wobei weiterhin mindestens einmal eine Zwischenebene zwischen zwei Heizebenen angeordnet ist und wobei die Zwischenebene ebenfalls von dem Fluid durchströmbar ist.
Der in FIG. 1 schematisch gezeigte erfindungsgemäß einzusetzende Strömungsreaktor wird von einem Reaktanden umfassenden Fluid von oben nach unten durchströmt, wie durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellt. Das Fluid kann flüssig oder gasförmig sein und einphasig oder mehrphasig aufgebaut sein. Vorzugsweise, auch angesichts der möglichen Reaktionstemperaturen, ist das Fluid gasförmig. Es ist sowohl denkbar, dass das Fluid ausschließlich Reaktanden und Reaktionsprodukte enthält, aber auch, dass zusätzlich inerte Komponenten wie Inertgase im Fluid vorliegen.
In Strömungsrichtung des Fluids gesehen weist der Reaktor eine Mehrzahl von (im vorliegenden Fall vier) Heizebenen 100, 101, 102, 103 auf, welche mittels entsprechender Heizelemente 110, 111, 112, 113 elektrisch beheizt werden. Die Heizebenen 100, 101, 102, 103 werden im Betrieb des Reaktors von dem Fluid durchströmt und die Heizelemente 110, 111, 112, 113 werden von dem Fluid kontaktiert.
An mindestens einem Heizelement 110, 111, 112, 113 ist ein Katalysator angeordnet und ist dort beheizbar. Der Katalysator kann direkt oder indirekt mit den Heizelementen 110, 111, 112, 113 verbunden sein, so dass diese Heizelemente den Katalysatorträger oder einen Träger für den Katalysatorträger darstellen.
In dem Reaktor erfolgt somit die Wärmeversorgung der Reaktion elektrisch und wird nicht von Außen mittels Strahlung durch die Wandungen des Reaktors eingebracht, sondern direkt in das Innere des Reaktionsraumes. Es wird eine direkte elektrische Beheizung des Katalysators realisiert. Für die Heizelemente 110, 111, 112, 113 kommen bevorzugt Heißleiterlegierungen wie FeCrAl- Legierungen zum Einsatz. Alternativ zu metallischen Werkstoffen können zudem auch elektrisch leitfähige Si-basierte Materialien, besonders bevorzugt SiC, eingesetzt werden.
Im Reaktor ist weiterhin mindestens einmal eine vorzugsweise keramische Zwischenebene 200, 201, 202 zwischen zwei Heizebenen 100, 101, 102, 103 angeordnet, wobei die Zwischenebene(n) 200, 201, 202 ebenfalls im Betrieb des Reaktors vom dem Fluid durchströmt werden. Dieses hat den Effekt einer Homogenisierung der Fluidströmung Es ist auch möglich, dass zusätzlicher Katalysator in einer oder mehreren Zwischenebenen 200, 201, 202 oder weiteren Isolationselementen im Reaktor vorhanden ist. Dann kann eine adiabatische Reaktion ablaufen. Die Zwischenebenen können bei Bedarf insbesondere bei Reaktionen, in denen eine Sauerstoff- Zufuhr vorgesehen ist, als Flammsperre fungieren.
Bei der Verwendung von FeCrAl-Heißleitern kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass das Material durch Temperatureinwirkung in Gegenwart von Luft/Sauerstoff eine Al203-Schutzschicht ausbildet. Diese Passivierungsschicht kann als Grundschicht eines Washcoats dienen, welcher als katalytisch aktive Beschichtung fungiert. Damit ist die direkte Widerstandsbeheizung des Katalysators beziehungsweise die Wärmeversorgung der Reaktion direkt über die katalytische Struktur realisiert. Es ist auch, bei Verwendung anderer Heißleiter, die Bildung anderer Schutzschichten wie beispielsweise von Si-O-C-Systemen möglich.
Die Druckaufnahme im Reaktor kann über einen druckfesten Stahlmantel erfolgen. Unter Verwendung geeigneter keramischer Isolationsmaterialien kann erreicht werden, dass der drucktragende Stahl Temperaturen von weniger als 200 °C und, wo notwendig, auch weniger als 60 °C ausgesetzt wird. Durch entsprechende Vorrichtungen kann dafür gesorgt werden, dass bei Taupunktsunterschreitung keine Auskondensation von Wasser am Stahlmantel erfolgt. Die elektrischen Anschlüsse sind in FIG. 1 nur sehr schematisch dargestellt. Sie können im kalten Bereich des Reaktors innerhalb einer Isolierung zu den Enden des Reaktors geführt oder seitlich aus den Heizelementen 110, 111, 112, 113 durchgeführt werden, so dass die eigentlichen elektrischen Anschlüsse im kalten Bereich des Reaktors vorgesehen sein können. Die elektrische Beheizung erfolgt mit Gleichstrom oder Wechselstrom.
Durch geeignete Formgebung kann eine Oberflächenvergrößerung erreicht werden. Es ist möglich, dass in den Heizebenen 100, 101, 102, 103 Heizelemente 110, 111, 112, 113 angeordnet sind, welche spiralförmig, mäanderförmig, gitterförmig und/oder netzförmig aufgebaut sind.
Es ist weiterhin möglich, dass an zumindest einem Heizelement 110, 111, 112, 113 eine von den übrigen Heizelementen 110, 111, 112, 113 verschiedene Menge und/oder Art des Katalysators vorliegt. Vorzugsweise sind die Heizelemente 110, 111, 112, 113 so eingerichtet, dass sie jeweils unabhängig voneinander elektrisch beheizt werden können.
Im Endergebnis können die einzelnen Heizebenen einzeln gesteuert und geregelt werden. Im Reaktoreintrittsbereich kann nach Bedarf auch auf einen Katalysator in den Heizebenen verzichtet werden, so dass ausschließlich die Aufheizung und keine Reaktion im Eintrittsbereich erfolgt. Dieses ist insbesondere im Hinblick auf das Anfahren des Reaktors von Vorteil. Wenn sich die einzelnen Heizebenen 100, 101, 102, 103 in Leistungseintrag, Katalysatorbeladung und/oder Katalysatorart unterscheiden, kann ein für die jeweilige Reaktion angepasstes Temperaturprofil erreicht werden. In Hinblick auf die Anwendung für endotherme Gleichgewichtsreaktionen ist dieses beispielsweise ein Temperaturprofil, das die höchsten Temperaturen und damit den höchsten Umsatz am Reaktoraustritt erreicht.
Die (beispielsweise keramischen) Zwischenebenen 200, 201, 202 respektive ihr Inhalt 210, 211, 212 umfassen ein gegenüber den Reaktionsbedingungen beständiges Material, beispielsweise einen keramischen Schaum. Sie dienen zur mechanischen Abstützung der Heizebenen 100, 101, 102, 103 sowie zur Durchmischung und Verteilung des Gasstroms. Gleichzeitig ist so eine elektrische Isolierung zwischen zwei Heizebenen möglich. Es ist bevorzugt, dass das Material des Inhalts 210, 211, 212 einer Zwischenebene 200, 201, 202 Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit. Die Zwischenebene 200, 201, 202 kann beispielsweise eine lose Schüttung von Festkörpern umfassen. Diese Festkörper selbst können porös oder massiv sein, so dass das Fluid durch Lücken zwischen den Festkörpern hindurchströmt. Es ist bevorzugt, dass das Material der Festkörper Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst. Ein Beispiel hierfür ist SiC. Ferner bevorzugt ist Cordierit.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Zwischenebene 200, 201, 202 einen einstückigen porösen Festkörper umfasst. In diesem Fall durchströmt das Fluid die Zwischenebene über die Poren des Festkörpers. Dieses ist in FIG. 1 dargestellt. Bevorzugt sind Wabenmonolithe, wie sie beispielsweise bei der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
Eine weitere denkbare Möglichkeit ist, dass eine oder mehrere der Zwischenebenen Leerräume sind.
Hinsichtlich der baulichen Abmessungen ist bevorzugt, dass die durchschnittliche Länge einer Heizebene 100, 101, 102, 103 in Strömungsrichtung des Fluids gesehen und die durchschnittliche Länge einer Zwischenebene 200, 201, 202 in Strömungsrichtung des Fluids gesehen in einem Verhältnis von > 0,01 : 1 bis < 100: 1 zueinander stehen. Noch vorteilhafter sind Verhältnisse von > 0,1 : 1 bis < 10: 1 oder 0,5: 1 bis < 5:1.
Geeignete Katalysatoren können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend: (I) ein Mischmetalloxid der A (1.w.x)A' wA"xB(1.y.z)B'yB"z03.deita wobei hier gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd; B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce und/oder Zn; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1 ; (II) ein Mischmetalloxid der Formel A (i-w-x)A' wA"xB(1.y.z)B'yB"z03.deita wobei hier gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb und/oder Cd; B ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Bi, Mg, Cd, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt;
B' ist ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt;
B" ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Bi, Mg, Cd und/oder Zn; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1 ;
(III) eine Mischung von wenigstens zwei verschiedenen Metallen Ml und M2 auf einem Träger, welcher ein mit einem Metall M3 dotiertes Oxid von AI, Ce und/oder Zr umfasst; wobei hier gilt:
Ml und M2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd und/oder Pt; und
M3 ist ausgewählt aus der Gruppe: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu; (IV) ein Mischmetalloxid der Formel LOx(M(y/z)Al(2-y/z)03)z; wobei hier gilt:
L ist ausgewählt aus der Gruppe: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Pd, Mn, In, TI, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu;
M ist ausgewählt aus der Gruppe: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cu, Ag und/oder Au;
1 < x < 2;
0 < y < 12; und
4 < z < 9;
(V) ein Mischmetalloxid der Formel L0(A1203)Z; wobei hier gilt: L ist ausgewählt aus der Gruppe: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Mn, In, Tl, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu; und
4 < z < 9;
(VI) ein oxidischer Katalysator, der Ni und Ru umfasst. (VII) ein Metall Ml und/oder wenigstens zwei verschiedene Metalle Ml und M2 auf und/oder in einem Träger, wobei der Träger ein Carbid, Oxycarbid, Carbonitrid, Nitrid, Borid, Silicid, Germanid und/oder Selenid der Metalle A und/oder B ist; wobei hier gilt:
Ml und M2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, Pt, Zn, Cu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu;
A und B sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Be, Mg, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu;
(VIII) ein Katalysator umfassend Ni, Co, Fe, Cr, Mn, Zn, AI Rh, Ru, Pt und/oder Pd;
und/oder
Reaktionsprodukte von (I), (II), (III), (IV), (V), (VI), (VII) und/oder (VIII) in Gegenwart von Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C.
Der Begriff "Reaktionsprodukte" schließt die unter Reaktionsbedingungen vorliegenden Katalysatorphasen mit ein. Bevorzugt sind für:
(I) LaNi03 und/oder LaNioj-o^Feoj-o^Os (insbesondere LaNi0>8Fe0>2O3)
(II) LaNi0>9-o,99Ruo,oi-o,i03 und/oder LaNi0>9-o,99Rho,oi-o,iC>3 (insbesondere LaNi0>95Ru0>05O3 und/oder LaNi0>95Rh0>05O3).
(III) Pt-Rh auf Ce-Zr-Al-Oxid, Pt-Ru und/oder Rh-Ru auf Ce-Zr-Al-Oxid (IV) BaNiAln019, CaNiAln019, BaNio^Ruo^AlnO^, BaNio^Ruo.osAlnO^, BaNi0>92Ruo,o8AlnOi9,
Figure imgf000013_0001
(V) BaAl120i9, SrAl120i9 und/oder CaAl120i9 (VI) Ni und Ru auf Ce-Zr-Al-Oxid, auf einem Oxid aus der Klasse der Perowskite und/oder auf einem Oxid aus der Klasse der Hexaaluminate
(VII) Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, Pt, Zn, Cu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu auf Mo2C und/oder WC. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt im bereitgestellten Reaktor ein elektrisches Beheizen wenigstens eines der Heizelemente 110, 111, 112, 113. Dieses kann, muss aber nicht zeitlich vor dem Durchströmen eines Reaktanden umfassenden Fluids durch den Strömungsreaktor unter zumindest teilweiser Reaktion der Reaktanden des Fluids erfolgen.
Der Reaktor kann modular aufgebaut sein. Ein Modul kann beispielsweise eine Heizebene, eine Isolationsebene, die elektrische Kontaktierung und die entsprechenden weiteren Isolationsmaterialien und Wärmedämmstoffe enthalten.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Reaktor erwähnt ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Heizelemente 110, 111, 112, 113 mit einer jeweils unterschiedlichen Heizleistung betrieben werden. Hinsichtlich der Temperatur ist bevorzugt, dass die Reaktionstemperatur im Reaktor wenigstens stellenweise > 700 °C bis < 1300 °C beträgt. Mehr bevorzugte Bereiche sind > 800 °C bis < 1200 °C und > 900 °C bis < 1100 °C. Es ist günstig, wenn diese Temperatur wenigstens am Reaktorausgang herrscht
Die durchschnittliche (mittlere) Kontaktzeit des Fluids zu einem Heizelement 110, 111, 112, 113 kann beispielsweise > 0,01 Sekunden bis < 1 Sekunde betragen und/oder die durchschnittliche Kontaktzeit des Fluids zu einer Zwischenebene 110, 111, 112, 113 kann beispielsweise > 0,001 Sekunden bis < 5 Sekunden betragen. Bevorzugte Kontaktzeiten sind > 0,005 bis < 1 Sekunden, mehr bevorzugt > 0,01 bis < 0,9 Sekunden.
Die Reaktion kann bei einem Druck von > 1 bar bis < 200 bar durchgeführt werden. Vorzugsweise beträgt der Druck > 2 bar bis < 50 bar, mehr bevorzugt > 10 bar bis < 30 bar.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der oder die nachgelagerten Produktionsprozesse, für die der Schwellwert S3 für den Bedarf an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff festgelegt wird, die Herstellung von Phosgen und/oder die Hydrierung von Nitroaromaten. Solch ein Verbund mit dem Reaktor, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, ist in FIG. 2 abgebildet. Gleichfalls betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerungseinheit, welche für die Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Diese Steuerungseinheit kann auch auf mehrere Module, welche miteinander kommunizieren, verteilt sein beziehungsweise diese Module dann umfassen. In der Steuerungseinheit kann sich ein flüchtiger und/oder nichtflüchtiger Speicher befinden, der maschinenausführbare Befehle im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält. Insbesondere kann es sich dabei um maschinenausführbare Befehle zur Erfassung der Schwellwerte, zum Vergleich der Schwellwerte mit den momentan herrschenden Bedingungen und zur Steuerung von Stell ventilen und Verdichtern für gasförmige Reaktanden handeln.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Strömungsreaktors, welcher zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids eingerichtet ist, wobei der Reaktor mindestens eine Heizebene (100, 101, 102, 103) umfasst, welche mittels eines oder mehrerer Heizelemente (110, 111, 112, 113) elektrisch beheizt wird, wobei die Heizebene (100, 101, 102, 103) von dem Fluid durchströmbar ist und wobei an mindestens einem Heizelement (110, 111, 112, 113) ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist; - Festlegen eines
Schwell wertes Sl für die Kosten der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und/oder eines
Schwellwertes S2 für den relativen Anteil von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie; und/oder eines
Schwellwertes S3 für den Bedarf an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff in einem oder mehreren nachgelagerten Produktionsprozessen;
- Vergleichen der Kosten der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie mit dem Schwellwert S 1 und/oder des relativen Anteils von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen der für den Strömungsreaktor zur Verfügung stehenden elektrischen Energie mit dem Schwellwert S2 und/oder der gegenwärtig im Strömungsreaktor produzierten Menge an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff mit dem Schwell wert S3;
- Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Kohlendioxid und/oder Wasser in dem Strömungsreaktor, wobei als Produkte Kohlenmonoxid und Wasserstoff gebildet wird, unter elektrischer Beheizung durch ein oder mehrere Heizelemente (110, 111, 112, 113), wenn der Schwellwert Sl unterschritten wird, der Schwellwert S2 überschritten wird und/oder der Schwellwert S3 unterschritten wird; und
- Reaktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff in dem Strömungsreaktor, wobei als Produkte mindestens Kohlenmonoxid und Wasser gebildet werden, unter elektrischer Beheizung durch ein oder mehrere Heizelemente (110, 111, 112, 113), wenn der Schwell wert Sl überschritten wird, der Schwellwert S2 unterschritten wird und/oder der Schwellwert S3 überschritten wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Strömungsreaktor umfasst: in Strömungsrichtung des Fluids gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen (100, 101, 102, 103), welche mittels Heizelementen (110, 111, 112, 113) elektrisch beheizt werden und wobei die Heizebenen (100, 101, 102, 103) von dem Fluid durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Heizelement (100, 101, 102, 103) ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist, wobei weiterhin mindestens einmal eine keramische Zwischenebene (200, 201, 202) (die vorzugsweise von einem keramischen oder metallischen Traggerüst/-ebene getragen wird) zwischen zwei Heizebenen (100, 101, 102, 103) angeordnet ist und wobei die Zwischenebene (200, 201, 202) ebenfalls von dem Fluid durchströmbar ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei in den Heizebenen (100, 101, 102, 103) Heizelemente (110, 111, 112, 113) angeordnet sind, welche spiralförmig, mäanderförmig, gitterförmig und/oder netzförmig aufgebaut sind.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei an zumindest einem Heizelement (110, 111, 112, 113) eine von den übrigen Heizelementen (110, 111, 112, 113) verschiedene Menge und/oder Art des Katalysators vorliegt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Heizelemente (110, 111, 112, 113) so eingerichtet sind, dass sie jeweils unabhängig voneinander elektrisch beheizt werden können.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Material des Inhalts (210, 211, 212) einer Zwischenebene (200, 201, 202) Oxide, Carbide, Nitride, Phosphide und/oder Boride von Aluminium, Silizium und/oder Zirkonium umfasst.
7. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Zwischenebene (200, 201, 202) eine lose Schüttung von Festkörpern umfasst.
8. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Zwischenebene (200, 201, 202) einen einstückigen porösen Festkörper umfasst.
9. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die durchschnittliche Länge einer Heizebene (100, 101, 102, 103) in Strömungsrichtung des Fluids gesehen und die durchschnittliche Länge einer Zwischenebene (200, 201, 202) in Strömungsrichtung des Fluids gesehen in einem Verhältnis von > 0,01 : 1 bis < 100: 1 zueinander stehen.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Katalysator ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend:
(I) ein Mischmetalloxid der A (i.w.x)A' wA"xB(i.y.z)B'yB"z03.deita wobei hier gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb, Bi und/oder Cd;
B, B' und B" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Mg, Li, Na, K, Ce und/oder Zn; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1 ; (II) ein Mischmetalloxid der Formel A (i-w-x)A' wA"xB(i_y_z)B'yB"z03.(jeita wobei hier gilt:
A, A' und A" sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb, Cs, Sn, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl , Lu, Ni, Co, Pb und/oder Cd;
B ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Bi, Mg, Cd, Zn, Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt;
B' ist ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; B" ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, Hf, Zr, Tb, W, Gd, Yb, Bi, Mg, Cd und/oder Zn; und
0 < w < 0,5; 0 < x < 0,5; 0 < y < 0,5; 0 < z < 0,5 und -1 < delta < 1 ; (III) eine Mischung von wenigstens zwei verschiedenen Metallen Ml und M2 auf einem Träger, welcher ein mit einem Metall M3 dotiertes Oxid von AI, Ce und/oder Zr umfasst; wobei hier gilt:
Ml und M2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd und/oder Pt; und M3 ist ausgewählt aus der Gruppe: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu;
(IV) ein Mischmetalloxid der Formel LOx(M(y/z)Al(2-y/z)03)z; wobei hier gilt:
L ist ausgewählt aus der Gruppe: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Pd, Mn, In, Tl, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu;
M ist ausgewählt aus der Gruppe: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cu, Ag und/oder Au;
1 < x < 2;
0 < y < 12; und 4 < z < 9;
(V) ein Mischmetalloxid der Formel L0(A1203)Z; wobei hier gilt:
L ist ausgewählt aus der Gruppe: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Sn, Pb, Mn, In, Tl, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu; und 4 < z < 9; (VI) ein oxidischer Katalysator, der Ni und Ru umfasst.
(VII) ein Metall Ml und/oder wenigstens zwei verschiedene Metalle Ml und M2 auf und/oder in einem Träger, wobei der Träger ein Carbid, Oxycarbid, Carbonitrid, Nitrid, Borid, Silicid, Germanid und/oder Selenid der Metalle A und/oder B ist; wobei hier gilt:
Ml und M2 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, Pt, Zn, Cu, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu;
A und B sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe: Be, Mg, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu;
(VIII) ein Katalysator umfassend Ni, Co, Fe, Cr, Mn, Zn, AI Rh, Ru, Pt und/oder Pd;
und/oder
Reaktionsprodukte von (I), (II), (III), (IV), (V), (VI), (VII) und/oder (VIII) in Gegenwart von Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C.
11. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die einzelnen Heizelemente (110, 111, 112, 113) mit einer jeweils unterschiedlichen Heizleistung betrieben werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Reaktionstemperatur im Reaktor wenigstens stellenweise > 700 °C bis < 1300 °C beträgt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die durchschnittliche Kontaktzeit des Fluids zu einem Heizelement (110, 111, 112, 113) > 0,001 Sekunden bis < 1 Sekunde beträgt und/oder die durchschnittliche Kontaktzeit des Fluids zu einer Zwischenebene (110, 111, 112, 113) > 0,001 Sekunden bis < 5 Sekunden beträgt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die gewählte Reaktion bei einem Druck von > 1 bar bis < 200 bar durchgeführt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der oder die nachgelagerten Produktionsprozesse, für die der Schwellwert S3 für den Bedarf an Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff festgelegt wird, die Herstellung von Phosgen und/oder die Hydrierung von Nitroaromaten sind.
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