WO2013135666A1 - Axialer strömungsreaktor auf der basis einer fe-cr-al-legierung - Google Patents

Axialer strömungsreaktor auf der basis einer fe-cr-al-legierung Download PDF

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Leslaw Mleczko
Albert TULKE
Daniel Gordon Duff
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    • B01J23/74—Iron group metals
    • B01J23/75—Cobalt

Definitions

  • the present invention relates to a flow reactor for reacting a fluid comprising reactants, comprising 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 flowed through by the fluid, wherein at least one heating element, a catalyst is arranged and there is heated. It further relates to a method for operating a flow reactor according to the invention.
  • Ferritic iron-chromium-aluminum alloys are preferably used in the prior art as a material for heating conductors in oxidative atmospheres (Werner Schatt, Klaus-Peter Wieters, Bernd Kieback (ed.); Powder metallurgy, technologies and materials; Springer-Verlag; Edition 2006; ISBN 354023652X, 9783540236528; page 167).
  • EP 0 802 373 A2 iron-chromium-aluminum alloys are used as material for ground electrodes of pilot burners.
  • EP 2 3 5 1 860 AI describes a biocompatible material of a stainless, alloyed stainless steel and at least one martensitic boundary layer formed by a heat treatment under nitriding and subsequent cooling, characterized in that orthogonal to the surface inside the sample, the martensitic surface layer exhibits a nearly linear course of the accompanying hardening and Stainless steel is nickel free.
  • the steel material is selected from the steel groups with the material numbers 1.40xx, 1.41xx, 1.45xx, 1.46xx and 1.47xx.
  • WO 2006/036193 discloses a microchannel reactor with a microreaction channel.
  • This microchannel comprises a metal substrate, a dense and substantially defect-free aluminum oxide layer on the metal substrate and catalyst metal particles on the aluminum oxide layer.
  • the earlier patent application WO 2005/094983 A2 describes a microchannel reactor and catalysts which contain a layer of a metal-alumide or which are prepared in a process in which a metal-alumide layer is formed as an intermediate.
  • Non-directly heated, wash-coated Fe-Cr-Alloy carrier bodies are used, for example, for the reactions of methane steam reforming at up to 950 ° C. (Albertazzi et al., 2010, in: Handbook of Environmental Research, Editors: A. Edelstein, D. Baer , pp. 541-550, Nova Science Publishers, Inc.) and others for CO oxidation, namely auto exhaust catalysis (Wu et al., Surface & Coatings Technology 190 (2005) 434-439).
  • the object of the present invention is therefore to provide a reactor suitable for this purpose.
  • a flow reactor for the reaction of a fluid comprising reactants comprising in the flow direction of the fluid a plurality of heating levels, which are electrically heated by heating elements and wherein the Fleizebenen are flowed through by the fluid, wherein arranged on at least one Fleizelement a catalyst is and is heated there and wherein at least a portion of the fluid contacting inner surface of the flow reactor is set up and provided to reach a temperature of> 600 ° C during operation of the flow reactor.
  • the flow reactor is characterized in that> 90% of the material of this designed and provided inner surface of the flow reactor comprises an Fe-Cr-Al alloy.
  • Another object of the present invention is a method for operating a flow reactor, comprising the steps of a) providing an aforementioned flow reactor according to the invention; b) electrically heating at least one of the heating elements of the aforementioned flow reactor according to the invention; and c) passing a fluid comprising reactant through the aforementioned flow reactor according to the invention with at least partial reaction of the reactants of the fluid.
  • Reactions that can be carried out in the flow reactor according to the invention are, for example, the dry reforming of methane (DR, CH4 + CO2 * 2 CO + 2 H2), the reverse Water gas shift reaction (RWGS, C0 2 + H 2 ⁇ CO + H 2 0), the partial oxidation of methane
  • the Fe-Cr-Ai alloys according to the invention build a layer of aluminum oxide at the surface in a pretreatment at temperatures above 100 ° C and presence of, for example, atmospheric oxygen within a few hours.
  • This layer preferably constitutes an intrinsic constituent of the catalyst (for example the carrier for the active particles or for further catalyst or support layers).
  • the layer is formed in situ from the material, this has the advantage, inter alia, that a regeneration of the Alummiumoxidschutz für can be carried out under oxidative conditions at suitable temperatures. Furthermore, this results in the fact that the layer can be produced during calcination under suitable conditions on geometrically demanding components.
  • the layer is very uniform and homogeneous, thereby a uniform, heat transfer to the catalyst allows and achieves a particularly good efficiency in one of the electric heating.
  • the uniformity of the layer also causes an improved adhesion and thermal shock resistance of applied noble metal or transition metal-containing nanoparticles or powdered catalysts.
  • the homogeneous layer of aluminum oxide has no or only very small amounts of nickel and iron, which can be removed by carbonyl formation before the reactor and then decompose and deposit in the hot region such as in the reactor, ie in the catalyst zone. In this way, the catalyst activity would be reduced or the deposits of iron and nickel can act as catalyst poisons.
  • the aluminum oxide layer has a particularly high affinity for aluminum-based Katalysatorbeschichlonne.
  • the Fe-Cr-Al alloys are ferritic alloys. According to the invention, it is provided that> 90% of the material of the inner surface of the flow reactor which is set up and provided for a temperature of> 600 ° C. during operation of the reactor comprises an Fe-Cr-Al alloy.
  • this inner surface is> 95% and more preferably> 98%.
  • loose bulkings of moldings or monolithic ceramic moldings not.
  • pressure-bearing steel shell constructions which are separated by insulating layers from the hot reaction fluid.
  • the "hot” parts of the reactor have the Fe-Cr-Al alloy (to prevent soot formation) and the "cold” parts be made of other materials such as carbon steel or 1.4571 (V4A).
  • "cold" parts of the Fe-Cr-Al alloy reactor may also be constructed.
  • FIG. 1 -4 schematic flow reactors in expanded representation
  • the Fe-Cr-Al alloy has the composition of> 20% by weight to ⁇ 30% by weight Cr,> 4% by weight to ⁇ 7.5% by weight of Al and Residual Fe and unavoidable impurities.
  • a preferred composition is> 21% by weight to ⁇ 23% by weight Cr,> 5% by weight to ⁇ 6% by weight Al and the remainder being Fe and unavoidable impurities.
  • ferritic Fe-Cr-Al alloys such as the type with the material number 1 .4765 (Kanthai® AI).
  • the flow reactor comprises feed lines and / or leads, in which the material of> 90% of its inner surface comprises an Fe-Cr-Al alloy.
  • the layer of alumina formed herein acts as a protection against high temperature corrosion by the mechanism of metal dusting and their types of corrosion. In addition, the tendency for unwanted side reaction on the walls, such as soot deposition, is reduced.
  • At least a portion of the catalyst is disposed on an inner surface of the flow reactor comprising Fe-Cr-Al alloy.
  • FeCrAl heaters it is possible to utilize the ac tivity that forms the M aterial thermal action in the presence of air / oxygen to form an AkCb protective layer.
  • This passivation layer can serve as the basis of a washcoat which acts as a catalytically active coating.
  • an intermediate level between two heating levels is arranged at least once, wherein the intermediate level can also be traversed by the fluid.
  • the intermediate level or its contents can also be catalytically coated. This not only serves as a contact surface for the metallic conductor, but also generates a pressure loss depending on the porosity and thickness, which results in better flow distribution, especially in the reactor.
  • the combination of Schuieiter and intermediate level (or support surface) can then lie on a metallic support structure, which ensures the mechanical stability. It is preferred that the intermediate plane is an electrical insulation, in particular in the presence of a metallic support structure.
  • a dwell of a reacting fluid can continue to be achieved, within which there is a more favorable heat distribution.
  • the reaction can be influenced in a comparatively simple manner. Furthermore, it is possible to influence the reaction by catalytic coatings in different types or amounts in the intermediate level or their content.
  • FIG. 1 schematically shown flow reactor is flowed through by a reactant fluid 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 fuel elements 110, 111, 112, 113.
  • the heating levels 100, 101, 102, 103 are flowed through by the fluid during operation of the reactor, and the heating elements 110, 111, 112, 113 are contacted by the fluid.
  • At least one heating element 110, 111, 1 12, 113, a catalyst is arranged and is heated there.
  • the catalyst can be connected directly or indirectly to the heating elements 110, 111, so that these heating elements represent 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.
  • heating elements 110, 111, 112, 113 are preferably Bankleiterlegtechniken such as FeC Al alloys are used.
  • metallic materials it is also possible to use electrically conductive Si-based materials, particularly preferably SiC, and / or carbon-based materials.
  • At least one, for example, ceramic intermediate level 200, 201, 202 (which is preferably supported by a ceramic or metallic support frame, plane) is arranged between two heating levels 100, 101, 102, 103, the intermediate level (s) being 200, 201, 202 or the Inh alt 210, 21 1, 212 an intermediate level 200, 201, 202 are also flowed through during operation of the reactor of the fluid. This has the effect of homogenizing the fluid flow. It is also possible that 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 pressure in the reactor can take place via a pressure-resistant steel jacket.
  • the electrical connections are shown in FIG. 1 only shown very schematically. They can be performed in the cold area of the reactor within an insulation to the ends of the reactor or laterally from the heating elements 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 performed 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.
  • inlet temperatures are often reached by 600 ° C, which are often below the desired inlet temperatures that reduce the formation of carbon black / carbon in reforming reactions.
  • the connection of one or more of the described electrically heated elements as a gas heater allows a rapid heating of the educt gases to temperatures higher than usual in the prior art, without an oxygen-containing atmosphere is required.
  • the use of the electrically heated elements in the inlet region of the reactor also has a positive effect with regard to the cold start and starting behavior, in particular with regard to rapid heating to the reaction temperature and better controllability.
  • heating elements 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 are arranged, which are constructed in a spiral, meandering, lattice-shaped and / or reticulated.
  • At least one heating element 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 one of the other heating elements 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 different amount and / or type of catalyst is present.
  • 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 which is 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, 21 1, 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. These 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 solid bodies 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 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.
  • 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 consisting of: (I) the mixed metal oxide of the formula A (i -w- x) A 'W A' ' ⁇ ⁇ (i -y - z) B' y B "z 03- ⁇ kita where:
  • 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; and
  • 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 , II f Zr, Tb W, Gd Yb Mg, Li Na, K. Ce and / or Zn, and
  • 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, and
  • B is selected from the group: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, Al, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, 11 f. Zr, Tb. W, Gd, Yb, Mg, Cd, Zn, Re, Ru. Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt; and
  • 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, I i, Zr, Tb W, Gd Yb, Mg, Cd and / or Zn, and
  • Ml and M2 are independently selected from the group: Re, Ru, Rh, Ir, Os, Pd and / or Pt; and M3 is selected from the group: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd. Tb, Oy, i l. He, Tm,
  • 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; and
  • M is selected from the group: Ti, Zr, I i f. V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co,
  • I. is selected from the group: Na, K. Rb. Cs, Mg, Ca, Sr, Ba. Sc, Y. Sn, Pb. Mn. in. Tl,
  • Ml and M2 are independently selected from the group: Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
  • a and B are independently selected from the group: Be, Mg, Ca, Sc, Ti, V,
  • reaction products includes the catalyst phases present under reaction conditions.
  • the reactor can be modular.
  • a module can contain, for example, a heating level, an intermediate level, the electrical contacting and the corresponding further insulation materials and thermal insulation materials.
  • electrical heating of at least one of the liquor elements 110, 111, 112, 113 occurs in the reactor provided. This may, but need not, be timed prior to passage of a reactant comprising fluid through the flow reactor with at least partial reaction of the reactants of the fluid. As already mentioned in connection with the reactor, it is advantageous if 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, especially> 850 ° C to ⁇ 1050 ° C.
  • the average (average) contact time of the fluid to a heating element 11 10, 11 1, 12, 13 may, for example, be> 0.01 second 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> 6 bar to ⁇ 30 bar.
  • the reactants in the fluid are selected from the group comprising alkanes, A icon, alkynes, alkanols, alkenols, alkynols, carbon monoxide, carbon dioxide, water, ammonia, hydrogen and / or oxygen.
  • alkanes methane is particularly suitable, among the alkanols methanol and / or ethanol are preferred.
  • FIG. Figure 2 shows another reactor which can preferably be used for the RWGS reaction.
  • the first heating level 100 with heating element 1 10 is not yet provided with a catalyst and serves as a gas heater.
  • the subsequent intermediate level 200 contains a monolithic shaped catalyst body 210, which is catalytically coated. Alternatively, it may also be a catalyst bed.
  • this heating bath 1 02 is again an intermediate layer 202 with monolithic catalyst shaped body or catalyst bed 212, a heating level 103 with heating element 1 13 and intermediate cell 203 with mo nelithi cal cata lysis Atorformk örp er o the catalyst bed 213. At least one of the heating elements 1 1 1, 1 12 and 1 13 also includes a catalyst.
  • the individual catalyst-carrying elements of the reactor can differ in the type and amount of the catalyst and the heating elements can be controlled and regulated individually or in groups.
  • the characteristics of the RWGS reaction lie in a comparatively moderate heat requirement and in the fact that it is an equilibrium reaction.
  • methanation may occur especially at elevated pressure and at temperatures below 800 ° C. Therefore, a high gas inlet temperature is preferably selected in order to thermodynamically suppress the side reactions and in particular the methanation. In turn, a high outlet temperature ensures high sales.
  • the kataiytician implementation takes place here for the most part adiabatically to the monolithic catalyst moldings and to a lesser extent to the catalyst provided with heating elements.
  • FIG. 3 shows a further reactor which can preferably be used for dry reforming.
  • the first heating level 100 with heating element 1 10 can not yet be provided with a catalyst and then serves as a pure gas heater. In order to avoid unwanted side reactions, however, a (weakly) catalytically active layer may already be applied to the heating element 110.
  • the subsequent intermediate level 200 contains a porous support layer 210, which may optionally be catalytically coated. This is followed by a heating level 101 with a catalytically coated heating element 11 1 1, an intermediate level 201 with a porous support layer 21 1 (optionally catalytically coated) and a further heating level 1 02 with a catalytically coated heating element 1 12.
  • this heating level 102 Downstream of this heating level 102 is again an intermediate level 202 with a porous support layer 212 (optionally catalytically coated), a heating level 103 with catalytically coated heating element 1 13 and an intermediate level 203 with a porous support layer 213 (optionally catalytically coated).
  • the individual catalyst-carrying elements of the reactor can differ in the type and amount of the catalyst and the heating elements can be controlled and regulated individually or in groups.
  • the main feature of the Dry Reforming lies in a high heat demand, which prevails locally limited, especially in the first third of the reactor. It is an equilibrium reaction with a Rußbi tion as a side reaction. Therefore, it is preferred to choose high gas inlet temperatures to thermodynamically suppress the side reaction. High outlet temperatures ensure high sales. The reaction takes place essentially on the catalytically coated heating elements.
  • FIG. 4 shows a further reactor, which can preferably be used for methane steam reforming.
  • the first heating level 100 with heating element 1 10 can not yet be provided with a catalyst and then serves as a pure gas heater. In order to avoid unwanted side reactions, however, a (weakly) catalytically active layer may already be applied to the heating element 110.
  • the subsequent intermediate level 200 contains a porous support layer 210, which may optionally be catalytically coated. This is followed by a heating level 101 with a catalytically coated heating element 1 1 1, an intermediate level 201 with a porous support layer 211 (optionally catalytically coated) and a further heating level 102 with a catalytically coated heating element 1 12.
  • this heating level 102 Downstream of this heating level 102 is again an intermediate level 202 with a porous support layer 212 (optionally catalytically coated), a heating level 103 with catalytically coated heating element 1 13 and an intermediate level 203 with monolithic shaped catalyst body or catalyst bed 213.
  • the individual catalyst-carrying elements of the reactor can differ in the type and amount of the catalyst and the heating elements can be controlled and regulated individually or in groups.
  • the main feature of methane steam reforming is a high heat requirement. It is an equilibrium reaction with a soot formation as a side reaction. Therefore, it is preferred to choose high gas inlet temperatures to thermodynamically suppress the side reaction. I boil outlet temperatures ensure a high turnover.
  • the reaction is carried out essentially in the first reactor segment on the catalytically coated heating elements.
  • the first segment is characterized by the fact that the reactant concentration and the heat requirement of the reaction are very high.
  • the second segment of the reactor which is characterized by the fact that the reactant methane is already largely implemented and the volume-specific heat demand is significantly lower, the further reaction of the starting materials can be carried out on catalytically coated moldings.
  • the heating elements then act as an intermediate heater as needed.
  • the model includes a solid phase and a gas phase ⁇
  • the mass transfer between gas and catalyst is taken into account (linear driving force approach)
  • FIG. Figure 5 shows the conversion (Xcm, Xccc) over the normalized reactor length.
  • the "peaks" in the sales profile result from the consideration of a bypass flow, which is mixed in behind each heating element.
  • the turnover rises steadily and reaches 90% after the first half of the reactor, then the turnover curve levels off and approaches the corresponding output Equilibrium value.
  • FIG. 6 shows the temperature profile of the gas and solid phase.
  • the maximum power of the heating elements is given up in the inlet area (corresponds to 100% in the power profile). Much of the electrical energy is consumed by the heat of reaction.
  • the power input is chosen so that the solid temperature (including the catalyst phase) is in the range around 1100 ° C.
  • the reaction gas enters the reactor at 800 ° C., and the temperature of the gas phase increases over the reactor length through heat exchange with the solid. The reaction takes place on the solid, reactions in the gas phase are not taken into account.
  • FIG. 7 shows the relative heating power per heating element.
  • the profile of heat input per element shows that the highest power is introduced in the first third of the reactor. At the rear of the reactor, sales level off and only a small input of power is required. From this derive the concepts that provide in the field of monolithic shaped body or catalyst bed.
  • FIG. 8 shows the conversion (Xcm, Xco2) over the normalized reactor length
  • FIG. 9 shows the temperature profile of the gas and solid phase
  • FIG. 10 shows the relative heating power per heating element.

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Abstract

Ein Strömungsreaktor zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids 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. Wenigstens ein Teil einer das Fluid kontaktierenden inneren Oberfläche des Strömungsreaktors ist eingerichtet und vorgesehen, während des Betriebes des Strömungsreaktors eine Temperatur von ≥ 600 °C zu erreichen. ≥ 90% des Materials dieser so eingerichteten und vorgesehenen inneren Oberfläche des Strömungsreaktors umfasst eine Fe-Cr-Al-Legierung. Ein Verfahren zum Betreiben eines Strömungsreaktors umfasst die Schritte: Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Strömungsreaktors; elektrisches Beheizen wenigstens eines der Heizelemente (110, 111, 112, 113); und Durchströmen eines Reaktanden umfassenden Fluids durch den Strömungsreaktor unter zumindest teilweiser Reaktion der Reaktanden des Fluids.

Description

Axialer Strömungsreaktor auf der Basis einer Fe-Cr-Al-Legierung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungsreaktor zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids, umfassend 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. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Strömungsreaktors.
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.
Konventionell erfolgt die H erste l l ung 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 Wärmetransport limitierung und vor allem die Druck- und Temperatur limitierung der eingesetzten Reformerröhren (nickelbasierte Stähle). Temperatur- und druckseitig resultiert daraus eine Limitierung auf maximal 900 °C bei ca. 10 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).
Ferritische Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen werden nach Stand der Technik bevorzugt als Werkstoff für Heizleiter in oxidativen Atmosphären eingesetzt (Werner Schatt, Klaus-Peter Wieters. Bernd Kieback (Hrsg.); Pulvermetallurgie, Technologien und Werkstoffe; Springer- Verlag; 2. Auflage 2006; ISBN 354023652X, 9783540236528; Seite 167).
Weiterhin werden gemäß EP 0 802 373 A2 Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen als Werkstoff für Masseelektroden von Zündbrennern eingesetzt. E P 2 3 5 1 860 A I b e s chreibt einen biokompatible Werkstoff aus einem nichtrostenden, legierten Edelstahl und zumindest einer durch eine Wärmeb ehandlung unter Aufstickung und nach fo lgender Abkühlung gebil deten martensitischen Randschicht, dadurch gekennzeichnet, dass orthogonal zur Oberfläche ins Probeninnere, die martensitische Randschicht einen nahezu linearen Verlauf der einhergehenden Härtung aufzeigt und der Edelstahl nickelfrei ist. Vorzugsweise ist der Stahlwerkstoff ausgewählt aus den Stahlgruppen mit den Werkstoffnummern 1.40xx, 1.41xx, 1.45xx, 1.46xx und 1.47xx.
WO 2006/036193 offenbart einen Mikrokanalreaktor mit einem Mikroreaktionskanal. Dieser Mikrokanal umfasst ein Metallsubstrat, eine dichte und im Wesentlichen defektfreie Aluminiumoxidsch icht auf dem Metall sub strat und Katalys atormetallp artikel auf der Aluminiumoxidschicht. Die hierzu frühere Patentanmeldung WO 2005/094983 A2 beschreibt einen Mikrokanalreaktor und Katalysatoren, die eine Schicht eines Metallalumnids enthalten oder die in einem Verfahren herstellt werden, in dem eine Metallalumnid-Schicht als Intermediat gebildet wird.
Die Ausbildung der passivierenden Aluminiumoxidschicht auf Fe-Cr-Al-Legierungen wird beispielhaft in folgenden Literaturstellen beschrieben: Almeida et al. 2007 (Natural Gas Conversion VIII Editors: F.B. Noronha, M. Schmal, E. F. Sousa-Aguiar; Elsevier); Camra et al. (Catalysis Today 105 (2005) 629-633); Giani et al. (Appl. Catal. B: Environ. 62 (2006) 121-131).
Hu et al., Catalysis Today 2007, 125, 103-1 10 diskutieren eine Katalysatorentwicklung für Mikrokanalreaktoren zur in situ-Erzeugung von Treibstoff für Marsvehikel. Strukturierte Katalysatoren wurden auf FeCr AI Y-Substraten hergestellt. Es wurde gefunden, dass 3% Ru/TiO: (R/A = 60:40) und 6%Ru/Ce02-Zr02 aktive Sabatier- und RWGS-Katalysatoren waren.
Nicht direkt beheizte, mit Washcoat versehene Fe-Cr-Alloy-Trägerkörper werden zum Beispiel für die Reaktionen Methandampfreformierung bei bis zu 950 °C (Albertazzi et al. 2010, in: Handbook of Environmental Research, Editors: A. Edelstein, D. Bär, pp. 541 -550, Nova Science Publishers, Inc..) eingesetzt sowie u.a. für die CO-Oxidation, nämlich die Autoabgaskatalyse (Wu et al., Surface & Coatings Technology 190 (2005) 434- 439), vorbereitet.
Dagegen beschreiben Visconti et al. (Prepr. Am Chem Soc, Div Pet Chem 55 (2010) 77-80) die Ausführung der Fischer-Tropsch-Reaktion an mit Washcoat beschichteten Aluminium-(statt Fe-Cr- Alloy-) Körpern, welche Trägerkörper allerdings analog zu den Fe-Cr-Alloy-Legierungen nach Luftausseztung ebenfalls eine Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid aufweisen.
/.hang et al. (J. Rare Harths 29 (201 1) 758-762) teilen den Einsatz von mit Lanthan-hexaaluminat beschichteten Fe-Cr-Alloy-Monolithen für die katalytische Methanverbrennung bei Temperaturen bis mindestens 760°C mit. Die Beladung einer auf Fe-Cr-Alloy-Substrat vorliegenden Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid direkt mit Rhodiumpartikeln mittels einer Imprägnierung der Oberfläche mit Rhodiumchlorid wird von Enger et al. (Chem. Eng. J. 144 (2008) 489-501) berichtet. Der sich daraus ergebende, mit hoch aktivem Katalysator beschichtete Mikrokanalreaktor wird für die katalytische, partielle Oxidation von Methan (CTO, POX) und Propan angewendet.
Ebenfalls schreiben Giani et al. ( Appl. Catal. B: Environ. 62 (2006) 121-131 ) über die direkte Imprägnierung der nativen AluminiumoxidoberfJächenschicht des Fe-Cr-Alloys mit Edelmetall, hier mit Palladium zur Katalyse der Oxidation von Kohlenmonoxid .
Wünschenswert wäre eine genauere Kontrolle eines Temperaturprofils bei einer endothermen intern beheizten Reaktion. Weiterhin wünschenswert wäre die Möglichkeit, an fast beliebigen Stellen des Reaktors einen Katalysator anbringen zu können, ohne Katalysatoträgerroste oder dergleichen anbringen zu müssen. Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen hierfür geeigneten Reaktor bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Strömungsreaktor zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids, umfassend in Strömungsrichtung des Fluids gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen, welche mittels Heizelementen elektrisch beheizt werden und wobei die Fleizebenen von dem Fluid durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Fleizelement ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist und wobei wenigstens ein Teil einer das Fluid kontaktierenden inneren Oberfläche des Strömungsreaktors eingerichtet und vorgesehen ist, während des Betriebes des Strömungsreaktors eine Temperatur von > 600 °C zu erreichen. Der Strömungsreaktor zeichnet sich dadurch aus, dass > 90% des Materials dieser so eingerichteten und vorgesehenen inneren Oberfläche des Strömungsreaktors eine Fe-Cr-Al-Legierung umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Strömungsreaktors, umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines vorgenannten, erfindungsgemäßen Strömungsreaktors; b) Elektrisches Beheizen wenigstens eines der Heizelemente der vorgenannten, erfindungsgemäßen Strömunsreaktors; und c) Durchströmen eines Reaktanden umfassenden Fluids durch den vorgenannten, erfindungsgemäßen Strömungsreaktor unter zumindest teilweiser Reaktion der Reaktanden des Fluids.
Reaktionen, die in dem erfindungsgemäßen Strömungsreaktor durchgeführt werden können, sind beispielsweise das Dry Reforming von Methan (DR, CH4 + CO2 * 2 CO + 2 H2), die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (RWGS, C02 + H2 ^ CO + H20), die Partialoxidation von Methan
(POX, Cf i-i + 1/2 02 CO + 2 FI2), die Methan-Dampfreformierung (SMR, C I L + 11.0 ^ CO + 3 H2) sowie die Reaktion von Methan mit Ammoniak zur Gewinnung von Blausäure (BMA, CH4 + NI F HCN + 3 H2). Die erfindungsgemäßen Fe-Cr-Ai-Legierungen bauen bei einer Vorbehandlung bei Temperaturen oberhalb von 100 °C und Anwesenheit z.B. von Luftsauerstoff innerhalb weniger Stunden eine Schicht von Aluminiumoxid an der Oberfläche auf. Diese Schicht stellt vorzugsweise einen intrinsischen Bestandteil des Katalysators dar (zum Beispiel den Träger für die aktiven Partikel oder für weitere Katalysator- beziehungsweise Trägerschichten). Durch die Verwendung von Werkstoffen, die eine Schicht aus Aluminiumoxid an ihrer Oberfläche ausbilden, werden folgende Vorteile gegenüber dem Einsatz von sogenannten Washcoats erhalten:
Die Schicht bildet sich in situ aus dem Werkstoff, dies birgt unter anderem den Vorteil, dass eine Regeneration der Alummiumoxidschutzschicht unter oxidativen Bedingungen bei geeigneten Temperaturen erfolgen kann. Weiterhin resultiert hieraus, dass die Schicht beim Kalzinieren bei geeigneten Bedingungen auch auf geometrisch anspruchsvoll geformten Bauteilen erzeugt werden kann.
Die Schicht ist sehr gleichmäßig und homogen, hierdurch wird ein gleichmäßiger, Wärmeübergang zum Katalysator ermöglicht und ein besonders guter Wirkungsgrad bei einer der elektrischen Beheizung erreicht. Die Gleichmäßigkeit der Schicht bewirkt auch ein verbesserter Haftung und Thermoschockbeständigkeit von aufgebrachten edelmetall- oder übergangsmetallhaltigen Nanopartikel oder pulver förmigen Katalysatoren.
Weiterhin weist die homogene Schicht aus Aluminiumoxid keine oder nur sehr geringe Anteile an Nickel und Eisen auf, welche vor dem Reaktor durch Carbonylbildung abgetragen werden können und sich dann im heißen Bereich wie zum Beispiel im Reaktor, also in der Katalysatorzone, zersetzen und ablagern können. Auf diese Weise würde die Katalysatoraktivität herabgesetzt beziehungsweise die Ablagerungen von Eisen und Nickel können als Katalysatorgifte wirken.
Die Aluminiumoxidschicht weist eine besonders hohe Affinität zu auf Aluminium basierenden Katalysatorbeschichlungen auf. Vorzugsweise sind die Fe-Cr- AI -Legierungen ferritische Legierungen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass > 90% des Materials der für eine Temperatur von > 600 °C während des Betriebes des Reaktors eingerichteten und vorgesehenen inneren Oberfläche des Strömungsreaktors eine Fe-Cr-Al-Legierung umfasst.
Vorzugsweise sind es > 95% und mehr bevorzugt > 98%. In die Berechnung dieser inneren Oberfläche gehen lose Schüttungen von Formkörpern oder monolithische keramische Formkörper nicht ein. Ebenfalls nicht berücksichtigt werden beispielsweise drucktragende Stahlmantelkonstruktionen, weiche durch Isolierschichten von dem heißen Reaktionsfluid getrennt sind.
Vereinfacht ausgedrückt wird angestrebt, dass für die "heißen" Teile des Reaktors die Fe-Cr-Al- Legierung vorgesehen ist (um Rußbildung zu vermeiden) und die "kalten" Teile aus anderen Materialien wie Kohlenstoffstahl oder 1.4571 (V4A) aufgebaut werden können. Wenn gewünscht, können selbstverständlich aber auch "kalte" Teile des Reaktors aus der Fe-Cr-Al-Legierung aufgebaut sein.
Die vorliegende Erfindung einschließlich bevorzugter Ausführungsformen wird in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen und Beispielen erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich nicht eindeutig das Gegenteil aus dem Kontext ergibt.
Es zeigen:
FIG. 1 -4 schematisch Strömungsreaktoren in expandierter Darstellung
FIG. 5-10 Ergebnisse von Simulationsberechnungen Es ist bevorzugt, dass die Fe-Cr-Al-Legierung die Zusammensetzung > 20 Gewichts-% bis < 30 Gewichts-% Cr, > 4 Gewichts-% bis < 7,5 Gewichts-% AI und als Rest Fe sowie unvermeidliche Verunreinigungen aufweist. Eine bevorzugte Zusammensetzung ist > 21 Gewichts-% bis < 23 Gewichts-% Cr, > 5 Gewichts-% bis < 6 Gewichts-% AI und als Rest Fe sowie unvermeidliche Verunreinigungen. Besonders bevorzugt sind ferritische Fe-Cr-Al-Legierungen wie der Typ mit der Werkstoffnummer 1 .4765 (Kanthai® AI).
Es ist weiter bevorzugt, dass der Strömungsreaktor Zuleitungen und/oder Ableitungen umfasst, bei denen das Material von > 90% ihrer inneren Oberfläche eine Fe-Cr-Al-Legierung umfasst. In den Vorheizern. Rohrleitungen, Wärmeaustauschern und Konstruktionselementen vor (upstream), in und nach (downstream) dem hybriden Hochtemperaturreaktor wirkt die hierin gebildete Schicht aus Aluminiumoxid als Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion nach dem Mechanismus von Metal Dusting und an deren Korrosionsarten. Auß erdem wird die Tendenz zu un erwünschten Nebenreaktion an den Wandungen wie Rußablagerung verringert. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der Legierungen vor, in und nach dem Reaktor ergibt sich für den Wechselbetrieb, da bei Materialgleichheit von Reaktor u nd umgebenden B auteilen die gleichen thermis chen Ausdehnungen auftreten, was insbesondere bei hohen Temperaturen > 600 °C und insbesondere bei Temperaturen > 900 °C wichtig ist.
Es ist ebenfalls bevorzugt, dass zumindest ein Teil des Katalysators auf einer Fe-Cr-Al-Legierung umfassenden inneren Oberfläche des Strömungsreaktors angeordnet ist. Bei der Verwendung von FeCrAl-Heizleitern kann di e T ats ac he aus g enutzt werden, das s das M ateri al durc h Temperatureinwirkung in Gegenwart von Luft/Sauerstoff eine AkCb-Schutzschicht ausbildet. Diese Passivierungsschicht kann als Grundlage 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. in einer weiteren Ausfuhrungsform ist mindestens einmal eine Zwischenebene zwischen zwei Heizebenen angeordnet, wobei die Zwischenebene ebenfalls von dem Fluid durchströmbar ist.
Die Zwischenebene beziehungsweise deren Inhalt kann auch katalytisch beschichtet sein. Diese dient nicht nur als Auflagefläche für den metallischen Leiter, sondern generiert auch Abhängig von Porosität und Dicke einen Druckverlust, der vor allem im R eak t ore i n l au f eine bessere Strömungsverteilung zur Folge hat. Die Kombination aus Heizieiter und Zwischenebene (beziehungsweise Auflagefläche) kann dann auf einem metallischen Tragegerüst liegen, das für die mechanische Stabilität sorgt. Es ist bevorzugt, dass die Zwischenebene eine elektrische Isolierung darstellt, insbesondere bei Vorliegen eines metallischen Tragegerüstes.
Durch die eine oder mehrere im Reaktor befindliche, nicht beheizte Zwischenebene kann weiterhin eine Verweilstrecke eines reagierenden Fluids erreicht werden, innerhalb derer sich eine günstigere Wärmeverteilung ergibt. Durch die Wahl entsprechend langer oder kurzer Strecken des Fluids durch die Zwischenebene(n) kann auf vergleichsweise einfache Art Einfluss auf die Reaktion genommen werden. Weiterhin ist es möglich, die Reaktion durch katalytische Beschichtungen in unterschiedlicher Art oder Menge in der Zwischenebene beziehungsweise deren Inhalt zu beeinflussen.
Der in FIG. 1 schematisch gezeigte 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 Fleizelemente 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 1 10, 1 11 , 112, 1 13 werden von dem Fluid kontaktiert.
An mindestens einem Heizelement 110, 111, 1 12, 113 ist ein Katalysator angeordnet und ist dort beheizbar. Der Katalysator kann direkt oder indirekt mit den Heizelementen 1 10, I I I , 1 12, 1 13 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 Heizleiterlegierungen wie FeC AI- Legierungen zum Einsatz. Alternativ zu metallischen Werkstoffen können zudem auch elektrisch leitfähige Si-basierte Materialien, besonders bevorzugt SiC, und/oder kohlenstoffbasierte Materialien eingesetzt werden.
Im erfindungsgemäßen Reaktor ist weiterhin mindestens einmal eine zum Beispiel keramische Zwischenebene 200, 201, 202 (die vorzugsweise von einem keramischen oder metallischen Traggerüst, -ebene getragen wird) zwischen zwei Heizebenen 100, 101, 102, 103 angeordnet, wobei die Zwischenebene(n) 200, 201, 202 beziehungsweise der Inh alt 210, 21 1 , 212 einer Zwischenebene 200, 201, 202 ebenfalls im Betrieb des Reaktors von 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 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 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 durchgeführt werden, so dass die eigentlichen elektrischen Anschlüsse im kalten Bereich des Reaktors vorgesehen sein können. Die elektrische Beheizung erfolgt mit Gleichstrom oder Wechselstrom.
Vor dem Hintergrund der herkömmlichen Wärmerückgewinnung und Wärmeintegration im Gesamtprozess und/oder Anlagenverbund werden häufig Reaktoreintrittstemperaturen um die 600 °C erreicht, die damit häufig unter den gewünschten Eintrittstemperaturen liegen, die bei Reformierreaktionen die Bildung von Ruß/Kohlenstoff reduzieren. Die Vorschaltung eines oder mehrerer der beschriebenen elektrisch beheizten Elemente als Gaserhitzer ermöglicht ein rasches Aufheizen der Eduktgase auf Temperaturen höher als nach dem Stand der Technik üblich, ohne dass eine sauerstoffhaltige Atmosphäre erforderlich ist. Der Einsatz der elektrisch beheizten Elemente im Eintrittsbereich des Reaktors wirkt sich auch positiv im Hinblick auf das Kaltstart- und Anfahrverhalten aus, insbesondere in Hinblick auf das rasche Aufheizen auf Reaktionstemperatur und die bessere Kontrollierbarkeit.
Durch geeignete Formgebung kann eine Oberflächenvergrößerung erreicht werden. Es ist möglich, dass in den Heizebenen 100, 101 , 102, 103 Heizelemente 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 angeordnet sind, welche spiralförmig, mäanderförmig, gitterförmig und/oder netzförmig aufgebaut sind.
Es ist weiterhin möglich, dass an zumindest einem Heizelement 1 10, 1 1 1, 1 12, 1 13 eine von den übrigen Heizelementen 1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13 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, 2 1 1 , 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, 21 1 , 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.
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 bestehend aus: (I) Mischmetalloxid der Formel A(i-w-x)A' WA' 'ΧΒ( i -y-z)B'yB "z03-<kita 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; und
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, I I f. 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) Mischmetalloxide der Formel A (i-w-x)A' wA"xB(i-y-Z)B'yB"z03-deita wobei hier gilt: A, Α' 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; und
B ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, 1 1 f. Zr, Tb. W, Gd, Yb, Mg, Cd, Zn, Re, Ru. Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; und
B' ist ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; und
B" ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb, I i f. Zr, Tb. W, Gd. Yb, 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) Mischungen 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, Oy, i l . Er, Tm,
Yb und/oder Lu;
(IV) Mischmetalloxide 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; und
M ist ausgewählt aus der Gruppe: Ti, Zr, I i f. V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co,
Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cu, Ag und/oder Au; und
1 < x < 2; 0 < y < 12; und 4 < z < 9;
(V) Mischmetalloxide der Formel LO(Ah03)z; wobei hier gilt:
I . 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) oxidischer Katalysator, der Ni und Ru umfasst.
(VII) Metall Ml und/oder wenigstens zwei verschiedene Metalle M 1 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,
Figure imgf000013_0001
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, I b. Dy, Ho, Er, Tm. Yb, und/oder Lu; und/oder
Reaktionsprodukte von (I), (II) , (III), (IV), (V), (VI) und/oder (VII) i n 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) LaNiCb und/oder
Figure imgf000013_0002
(insbesondere LaNio.8Feo.2O3) (II) LaNio,9-o,99Ruo,oi-o,i03 und/oder L aNio,9-o,99Rho,o ι -o, ι O3 (insbesondere LaNio.95Ruo.05O3 und/oder LaNio.95Rho.05O3).
(III) Pt-Rh auf Ce-Zr-Al-Oxid, Pt-Ru und/oder Rh-Ru auf Ce-Zr-Al-Oxid
(IV) BaNiAlnOi9, C a N i A I11O19, BaNio <raRuo,o25Ali iOi9, BaNio.95Ruo,o5AluOi9, BaNio.92Ruo,o8Ali iO 19, BaNio,84Pto,i6AlnOi9 und/oder BaRuo.osA 1,95019
(V) BaAli20i9, SrAl!20i9 und/oder CaAli20
(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. Hu. Gd, Tb, Dy, Ho. Er, Tm, Yb, und/Oder Lu auf M02C und/oder WC.
Der Reaktor kann modular aufgebaut sein. Ein Modul kann beispielsweise eine Heizebene, eine Zwischenebene, di e e l ektri s che Kontaktierung und die entspre chenden weiteren Isolationsmaterialien und Wärmedämmstoffe enthalten.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt im bereitgestellten Reaktor ein elektrisches Beheizen wenigstens eines der Fleizelemente 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. W e 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, insbesondere > 850 °C bis < 1050 °C.
Die durchschnittliche (mittlere) Kontaktzeit des Fluids zu einem Heizelement 1 10, 11 1, 1 12, 1 13 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 > 6 bar bis < 30 bar.
Es ist bevorzugt, dass die Reaktanden im Fluid ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Alkane, A Ikone, Alkine, Alkanole, Alkenole, A lkinole, Kohienmonoxid, Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak, Wasserstoff und/oder Sauerstoff. Unter den Alkanen ist Methan besonders geeignet, unter den Alkanolen sind Methanol und/oder Ethanol bevorzugt.
FIG. 2 zeigt einen weiteren Reaktor, welcher vorzugsweise für die RWGS-Reaktion eingesetzt werden kann. Die erste Heizebene 100 mit Heizelement 1 10 ist hierbei noch nicht mit einem Katalysator versehen und dient als Gaserhitzer. Die anschließende Zwischenebene 200 enthält einen monolithischen Katalysatorformkörper 210, weicher katalytisch beschichtet ist. Alternativ kann es sich auch um eine Katalysatorschüttung handeln. Flieran schließen sich eine Fleizebene 101 mit Heizelement 111, eine Zwischenebene 201 mit einer porösen Stützschicht 211 (optional katalytisch beschichtet) sowie eine weitere Heizebene 1 02 mi t Heizelement 1 12 an. Dieser Heizeb ene 1 02 nac h ge l agert ist wieder eine Zwischeneb ene 202 mit monolithis chem Katalysatorformkörper oder Katalysatorschüttung 212, eine Heizebene 103 mit Heizelement 1 13 un d e ine Zwi s c h en eb ene 203 mit m o no l ithi s c hem Kata ly s atorformk örp er o der Katalysatorschüttung 213. Mindestens eines der Heizelemente 1 1 1 , 1 12 und 1 13 umfasst auch einen Katalysator.
Auch hier können die einzelnen katalysatortragenden Elemente des Reaktors sich in Art und Menge des Katalysators unterscheiden und die Heizelemente können einzeln oder in Gruppen gesteuert und geregelt werden. Die Merkmale der RWGS-Reaktion liegen in einem vergleichsweise moderaten Wärmebedarf und darin, dass es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt. Als Nebenreaktion kann eine Methanisierung vor allem bei erhöhtem Druck und bei Temperaturen von unter 800 °C auftreten. Daher wird vorzugsweise eine hohe Gaseintrittstemperatur gewählt, um die Nebenreaktionen und insbesondere die Methanisierung thermodynamisch zu unterdrücken. Eine hohe Austrittstemperatur wiederum sorgt für einen hohen Umsatz.
Die kataiytische Umsetzung erfolgt hier zum überwiegenden Teil adiabat an den monolithischen Katalysatorformkörpern und in einem geringeren Maße an den mit Katalysator versehenen Heizelementen.
FIG. 3 zeigt einen weiteren Reaktor, welcher vorzugsweise für das Dry Reforming eingesetzt werden kann. Die erste Heizebene 100 mit Heizelement 1 10 kann hierbei noch nicht mit einem Katalysator versehen sein und dient dann als reiner Gaserhitzer. Zur Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen kann aber bereits eine (schwach) katalytisch aktive Schicht auf dem Heizelement 1 10 angebracht sein. Die anschließende Zwischenebene 200 enthält eine poröse Stützschicht 210, welche optional katalytisch beschichtet sein kann. Hieran schließen sich eine Heizebene 101 mit katalytisch beschichtetem H ei ze l emen t 1 1 1 , eine Zwischenebene 201 mit einer porösen Stützschicht 21 1 (optional katalytisch beschichtet) sowie eine weitere Heizebene 1 02 mit katalytisch beschichtetem Heizelement 1 12 an. Dieser Heizebene 102 nachgelagert ist wieder eine Zwischenebene 202 mit einer porösen Stützschicht 212 (optional katalytisch beschichtet), eine Heizebene 103 mit katalytisch beschichtetem Heizelement 1 13 und eine Zwischenebene 203 mit einer porösen Stützschicht 213 (optional katalytisch beschichtet).
Auch hier können die einzelnen katalysatortragenden Elemente des Reaktors sich in Art und Menge des Katalysators unterscheiden und die Heizelemente können einzeln oder in Gruppen gesteuert und geregelt werden. Das Hauptmerkmal des Dry Reforming liegt in einem hohen Wärmebedarf, welcher lokal begrenzt vor allem im ersten Drittel des Reaktors herrscht. Es ist eine Gleichgewichtsreaktion mit einer Rußbi ldung als Nebenreaktion. Daher ist es bevorzugt, hohe Gaseintrittstemperaturen zu wählen, um die Nebenreaktion thermodynamisch zu unterdrücken. Hohe Austrittstemperaturen sorgen für einen hohen Umsatz. Die Reaktion erfolgt hierbei im Wesentlichen an den katalytisch beschichteten Heizelementen.
FIG. 4 zeigt einen weiteren Reaktor, welcher vorzugsweise für die Methan-Dampfreformierung eingesetzt werden kann. Die erste Heizebene 100 mit Heizelement 1 10 kann hierbei noch nicht mit einem Katalysator versehen sein und dient dann als reiner Gaserhitzer. Zur Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen kann aber bereits eine (schwach) katalytisch aktive Schicht auf dem Heizelement 1 10 angebracht sein. Die anschließende Zwischenebene 200 enthält eine poröse Stützschicht 210, welche optional katalytisch beschichtet sein kann. Hieran schließen sich eine Heizebene 101 mit katalytisch beschichtetem Heizelement 1 1 1 , eine Zwischenebene 201 mit einer porösen Stützschicht 211 (optional katalytisch beschichtet) sowie eine weitere Heizebene 102 mit katalytisch beschichtetem Heizelement 1 12 an. Dieser Heizebene 102 nachgelagert ist wieder eine Zwischenebene 202 mit einer porösen Stützschicht 212 (optional katalytisch beschichtet), eine Heizebene 103 mit katalytisch beschichtetem Heizelement 1 13 und eine Zwischenebene 203 mit monolithischem Katalysatorformkörper oder Katalysatorschüttung 213.
Auch hier können die einzelnen katalysatortragenden Elemente des Reaktors sich in Art und Menge des Katalysators unterscheiden und die Heizelemente können einzeln oder in Gruppen gesteuert und geregelt werden.
Das Hauptmerkmal der Methan-Dampfreformierung liegt in einem hohen Wärmebedarf. Es ist eine Gleichgewichtsreaktion mit einer Rußbildung als Nebenreaktion. Daher ist es bevorzugt, hohe Gaseintrittstemperaturen zu wählen, um die Nebenreaktion thermodynamisch zu unterdrücken. I lohe Austrittstemp eraturen sorgen für einen hohen Umsatz. Die Reaktion wird im Wesentlichen im ersten Reaktorsegment an den katalytisch beschichteten Heizelementen durchgeführt. Das erste Segment zeichnet sich dadurch aus, dass die Eduktkonzentration und der Wärmebedarf der Reaktion sehr hoch sind. Im zweiten Segment des Reaktors, das sich dadurch auszeichnet, dass das Edukt Methan bereits zum größten Teil umgesetzt ist und der volumenspezifische Wärmebedarf deutlich geringer ist, kann die weitere Umsetzung der Edukte an katalytisch beschichteten Formkörpern erfolgen. Die Heizelemente fungieren dann nach Bedarf als Zwischenheizung.
Beispiele:
Nachfolgend werden Simulationsstudien für zwei verschiedene Betriebsweisen eines Reaktors ("Fahrweise I" und "Fahrweise II") beschrieben. Den Simulationsstudien wurde folgendes zugrunde gelegt:
• Die mathematischen Modellgleichungen wurden auf Basis der Bilanzierung der Masse und Energie am differentiellen Volumenelement abgeleitet
• Das Modell beinhaltet eine Feststoffphase und eine Gasphasen · Der Stoffübergang zwi schen Gas und Katalys ator wird berücksi chtigt (Linearer Triebkraftansatz)
• Änderungen der Zustandsgrößen werden nur in axialer Strömungsrichtung betrachtet (1D - Modell)
• Die Temperatur- und Druckabhängigkeit der Stoffgrößen wird berücksichtigt Die Simulationsstudien beziehen sich auf a) das Dry Reforming b) den Reaktortyp in Anlehnung an FIG. 3, das heißt, die Heizebenen sind katalytisch beschichtet und die Reaktion läuft an diesen katalytisch aktiven Heizleitem ab
Fahrweise I:
FIG. 5 zeigt den Umsatz (Xcm, Xccc) über der normierten Reaktorlänge. Die„Zacken" im Umsatzprofil resultieren aus der Berücksichtigung eines Bypassstroms, der hinter j edem Heizelement zugemischt wird. Der Umsatz steigt stetig an und erreicht nach der 1. Hälfte des Reaktors 90%, danach flacht der Umsatzverlauf ab und nähert sich am Ausgang dem entsprechenden Gleichgewichtswert an.
FIG. 6 zeigt das Temperaturprofil der Gas- und Feststoffphase. Bei der gezeigten Fahrweise wird im Eintrittsbereich die maximale Leistung der Heizelemente aufgegeben (entspricht 100% im Leistungsprofil). Ein Großteil der elektrisch eingebrachten Energie wird durch die Wärmetönung der Reaktion verbraucht. Der Leistungseintrag ist so gewählt, dass die Feststofftemperatur (beinhaltet die Katalysatorphase) im Bereich um 1100 °C liegt. Das Reaktionsgas tritt mit 800 °C in den Reaktor ein, durch Wärmetausch mit dem Feststoff steigt die Temperatur der Gasphase über die Reaktorlänge an. Die Reaktion findet am Feststoff statt, Reaktionen in der Gasphase sind nicht berücksichtigt. FIG. 7 zeigt die relative Heizleistung pro Heizelement. Das Profil der pro Element eingebrachten Heizleistung (in Prozent basierend auf der maximalen Leistung eines einzelnen Elements) zeigt, dass die höchste Leistung im ersten Drittel des Reaktors eingebracht wird. Im hinteren Bereich des Reaktors flacht der Umsatz ab und es ist nur noch ein geringer Leistungseintrag erforderlich. Daraus leiten sich die Konzepte ab, die in dem Bereich monolithische Formkörper oder Katalysatorschüttung vorsehen.
Fahrweise II:
Im Unterschied zur Fahrweise I wird hier der Vorteil des Reaktorkonzepts verdeutlicht, der Reaktion ein gewünschtes Temperaturprofil aufprägen zu können. Die Gastemperatur im Eintritt liegt bei 800 °C und der Leistungseintrag pro Heizelement ist so gewählt, dass eine kontinuierliche Rampe über der Reaktorlänge aufgeprägt wird wobei die höchste Temperatur am Reaktorausgang erreicht wird. Im Unterschied zur Fahrweise I ist bei dieser Fahrweise ein längerer Reaktor erforderlich, allerdings werden die Heizelemente deutlich weniger belastet, was zu längeren Standzeiten führen kann. FIG. 8 zeigt den Umsatz (Xcm, Xco2) über der normierten Reaktorlänge, FIG. 9 zeigt das Temperaturprofil der Gas- und Feststoffphase und FIG. 10 zeigt die relative Heizleistung pro Heizelement.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsreaktor zur Reaktion eines Reaktanden umfassenden Fluids, umfassend in Strömungsrichtung des Fluids gesehen eine Mehrzahl von Heizebenen (100, 101 , 102, 103), weiche mittels Heizelementen (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) elektrisch beheizt werden und wobei die
Heizebenen (100, 101 , 102, 103) von dem Fluid durchströmbar sind, wobei an mindestens einem Heizelement (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) ein Katalysator angeordnet ist und dort beheizbar ist, wobei wenigstens ein Teil einer das Fluid kontaktierenden inneren Oberfläche des Strömungsreaktors eingerichtet und vorgesehen ist, während des Betriebes des Strömungsreaktors eine Temperatur von > 600 °C zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass > 90% des Materials dieser so eingerichteten und vorgesehenen inneren Oberfläche des
Strömungsreaktors eine Fe-Cr-Al-Legierung umfasst.
Strömungsreaktor gemäß Anspruch 1 , wobei die Fe-Cr-Al-Legierung die Zusammensetzung > 20 Gewichts-% bis < 30 Gewichts-% Cr, > 4 Gewichts-% bis < 7,5 Gewichts-% AI und als Rest Fe sowie unvermeidliche Verunreinigungen aufweist.
Strömungsreaktor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Strömungsreaktor Zuleitungen und/oder Ableitungen umfasst, bei denen das Material von > 90% ihrer inneren Oberfläche eine Fe-Cr-Al-Legierung umfasst.
Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest ein Teil des Katalysators auf einer Fe-Cr-Al-Legierung umfassenden inneren Oberfläche des Strömungsreaktors angeordnet ist.
Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei weiterhin mindestens einmal eine Zwischenebene (200, 201 , 202) zwischen zwei Heizebenen (100, 101 , 1 02, 103) angeordnet ist und wobei die Zwischenebene (200, 201 , 202) ebenfalls von dem Fluid durchströmbar ist.
Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an zumin dest einem Heizelement (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) eine von den übrigen Heizelementen (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) verschiedene Menge und/oder Art des Katalysators vorliegt.
Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heizelemente (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) so eingerichtet sind, dass sie jeweils unabhängig voneinander elektrisch beheizt werden können.
8. Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
9. Strömungsreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Katalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: (I) Mischmetalloxide der Formel 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; und 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, PIf, 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) Mischmetalloxide der Formel 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, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Tl, Lu, Ni, Co, Pb und/oder Cd: und
B ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb. I I f. Zr. Tb, W, Gd, Yb. Mg, Cd, Zn. Re, R u. R h . Pd, Os, Ir und/oder Pt; und
B' ist ausgewählt aus der Gruppe: Re, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt; und
B" ist ausgewählt aus der Gruppe: Cr, Mn, Fe, Bi, Cd, Co, Cu, Ni, Sn, AI, Ga, Sc, Ti, V, Nb, Ta, Mo, Pb. I i f. Zr, Tb, W, Gd. Yb, 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) Mischungen 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, R h, Ir,
Os, Pd und/oder Pt; und
M3 ist ausgewählt aus der Gruppe: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Oy, Ho, Er,
Tm, Yb und/oder Lu;
(IV) Mischmetalloxide 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; und
M ist ausgewählt aus der Gruppe: Ti, Zr, l i , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn, Cu, Ag und/Oder Au; und
1 < x < 2; 0 < y < 12; und 4 < z < 9;
(V) Mischmetalloxide der Formel LO(Ah03)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, FIo, Er, Tm, Yb und/oder Lu; und
4 < z < 9;
(VI) oxidischer Katalysator, der Ni und Ru umfasst.
(VII) 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, i lo. Er, Tm, Yb, und/oder Lu; und 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, I I f. Ta, W, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Cid, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb, und/oder Lu; und/oder Reaktionsprodukte von (I), (II), (III), (IV), (V), (VI) und/oder (VII) in Gegenwart von
Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohienmonoxid und/oder Wasser bei einer Temperatur von > 700 °C.
10. Verfahren zum Betreiben eines Strömungsreaktors, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Strömungsreaktors gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9; b) Elektrisches Beheizen wenigstens eines der Heizelemente (1 10, I I I , 1 12, 113); und c) Durchströmen eines Reaktanden umfassenden Fluids durch den Strömungsreaktor unter zumindest teilweiser Reaktion der Reaktanden des Fluids.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die einzelnen Heizelemente (1 10, 1 1 1 , 1 12, 1 13) mit einer jeweils unterschiedlichen Fleizleistung betrieben werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , wobei die Reaktionstemperatur im Reaktor wenigstens stellenweise > 700 °C bis < 1300 °C beträgt.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die durchschnittliche Kontaktzeit des Fluids zu einem Heizelement (1 10, 1 1 1 , 112, 1 13) > 0,01 Sekunden bis < 1 Sekunde beträgt und/oder die durchschnittliche Kontaktzeit des Fluids zum Inhalt (210, 21 1 , 212) einer Zwischenebene (200, 201 , 201) > 0,001 Sekunden bis < 5 Sekunden beträgt.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Reaktion bei einem Druck von > 1 bar bis < 200 bar durchgeführt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Reaktanden i m Fluid ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Alkane, Alkene, Alkine, Aikanole, Alkenole,
Alkinole, Kohienmonoxid, Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak, Wasserstoff und/oder Sauerstoff.
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