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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelreaktor zur chemischen Synthese und ein Verfahren zum Betrieb des Rohrbündelreaktors.
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Bekannte Rohrbündelreaktoren umfassen eine Hülle, in welcher sich ein Wärmeübertragungsmedium befindet und Reaktionsrohre zur Durchführung einer chemischen Synthese in der Hülle. Sie werden insbesondere bei stark exothermen Reaktionen eingesetzt, da sie sich durch die sehr gute Kühlung basierend auf dem Wärmeübergang an den Reaktionsrohren auszeichnen. Die Kühlung erfolgt mittels eines Wärmeübertragungsmediums, welches mit den Reaktorrohren in Kontakt steht. Die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums nach dem Reaktor ergibt sich aus der frei werdenden Reaktionswärme.
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Bei Verwendung der Reaktionswärme der exothermen Reaktion in einem weiteren Prozess, insbesondere zum Beheizen einer Destillation, einer Phasenumwandlung oder einer Elektrolyse ist das nachteilig, da die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums nicht festgelegt ist und somit unplanbar variieren kann.
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Für eine Beheizung einer Destillation ist beispielsweise eine möglichst hohe Temperatur des Wärmeübertragungsmediums erwünscht. Die Effektivität der Wärmeübertragung der Reaktionswärme zum Wärmeübertragungsmedium zum Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur des Wärmeübertragungsmediums ist aber in bestehenden Rohrbündelreaktoren nachteiligerweise zu niedrig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rohrbündelreaktor und ein Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündelreaktors anzugeben, mit denen die Wärmeübertragung der Reaktionswärme an ein Wärmeübertragungsmedium verbessert wird.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Reaktors durch einen Rohrbündelreaktor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch das in Anspruch 9 angegebene Verfahren gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Rohrbündelreaktor zur chemischen Synthese umfasst Reaktorrohre, eine Außenhülle, eine Innenhülle und einen durch beide Hüllen begrenzten Zwischenraum. Der Zwischenraum weist wenigstens eine Gasleitung zum Führen der Reaktionsprodukte der chemischen Synthese auf. Die Außenhülle weist wenigstens eine Öffnung zum Führen von Wärmeübertragungsmedium in den Zwischenraum auf. Die Innenhülle weist wenigstens eine Öffnung zum Führen von Wärmeübertragungsmedium in die Innenhülle auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Rohrbündelreaktors wird ein Wärmeübertragungsmedium in den Zwischenraum geführt. Weiterhin wird ein erster Gasstrom aus Produkten der chemischen Synthese durch die Gasleitung im Zwischenraum geführt, so dass das Wärmeübertragungsmedium erhitzt wird. Das Wärmeübertragungsmedium wird anschließend in die Innenhülle des Rohrbündelreaktors geführt. Das Wärmeübertragungsmedium wird in der Innenhülle mittels der Wärme der chemischen Synthese weiter erhitzt. Schließlich wird das erhitzte Wärmeübertragungsmedium aus dem Rohrbündelreaktor geführt.
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Das Wärmeübertragungsmedium wird mittels der Wärme der Reaktionsrohre in der Innenhülle des Rohrbündelreaktors erhitzt. Vorteilhaft wird zusätzlich die Wärme der Produktgase in dem Zwischenraum zum Beheizen des Wärmeübertragungsmediums genutzt. Weiterhin wird Wärme vorteilhaft aus der Innenhülle direkt an das Wärmeübertragungsmedium im Zwischenraum über die Innenhülle übertragen. Dadurch wird eine insgesamt verbesserte Wärmeausbeute im Rohrbündelreaktor erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfassen die Reaktorrohre eine Katalysatorschüttung und/oder die Reaktorrohre sind auf der Innenseite mit Katalysator beschichtet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weisen die Reaktorrohre und/oder die Gasleitung an der Außenseite Rippen, Noppen oder Finnen auf. Die Wärmeübertragung wird durch die Oberflächenvergrößerung vorteilhaft verbessert. Weiterhin ist es möglich, die Oberfläche der Innenhülle zu vergrößern, um den Wärmeübergang zwischen dem Zwischenraum und dem von der Innenhülle umschlossenen Raum zu verbessern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rohrbündelreaktor Mittel zum gleichmäßigen Verteilen des Wärmeübertragungsmediums in der Innenhülle und/oder dem Zwischenraum. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die Wärme gleichmäßig übertragen wird und lokale Temperaturunterschiede minimiert werden. Diese Mittel umfassen insbesondere Füllkörper, Verteilerböden oder Einbauten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rohrbündelreaktor eine Einrichtung zum Einstellen eines Massenstroms des Wärmeübertragungsmediums zur Temperaturregelung. Vorteilhaft kann die Temperatur im Rohrbündelreaktor derart eingestellt werden, dass insbesondere die Ausbeute der chemischen Synthese maximal ist. Weiterhin ist es möglich, die Zusammensetzung des Produktgases, insbesondere hinsichtlich oberer Grenzwerte von Restgasen, einzustellen. Besonders vorteilhaft ist auch die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums bei Verlassen des Rohrbündelreaktors einstellbar, so dass ein weiterer Prozess, insbesondere eine Destillation oder eine Elektrolyse, mit diesem Wärmeübertragungsmedium beiheizt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rohrbündelreaktor eine Einrichtung zum Einstellen eines Betriebsdrucks des Rohrbündelreaktors zur Temperaturregelung. Vorteilhaft kann die Temperatur im Rohrbündelreaktor derart eingestellt werden, dass insbesondere die Ausbeute der chemischen Synthese maximal ist. Weiterhin ist es möglich, die Zusammensetzung des Produktgases, insbesondere hinsichtlich oberer Grenzwerte von Restgasen, einzustellen. Auch die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums bei Verlassen des Rohrbündelreaktors ist vorteilhaft einstellbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rohrbündelreaktor wenigstens ein Mittel zur Rückführung von Wärmeübertragungsmedium aus einer ersten Stelle des Zwischenraums zu einer zweiten Stelle des Zwischenraums zur Temperaturregelung. Vorteilhaft kann die Temperatur im Rohrbündelreaktor derart eingestellt werden, dass insbesondere die Ausbeute der chemischen Synthese maximal ist. Weiterhin ist es möglich, die Zusammensetzung des Produktgases, insbesondere hinsichtlich oberer Grenzwerte von Restgasen, einzustellen. Auch die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums bei Verlassen des Rohrbündelreaktors ist einstellbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die Reaktorrohre mit Mitteln zur Kompensation thermischer Ausdehnungseffekte im Rohrbündelreaktor befestigt. Diese Mittel sind insbesondere Schläuche oder flexible Metallkompensatoren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als chemische Synthese eine Methanisierung oder eine Methanolsynthese durchgeführt wird. Das in der Methanisierung entstehende synthetische Erdgas wird vorteilhaft im bestehenden Erdgasnetz gespeichert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird ein erster Teil des Produktgases zum Eduktgas der chemischen Synthese zurückgeführt. Insbesondere die Ausbeute, der Umsatzgrad und/oder die Selektivität der chemischen Synthese werden dadurch vorteilhaft erhöht. Weiterhin ist es möglich, die Zusammensetzung des Eduktgases und daraus folgend auch des Produktgases, insbesondere hinsichtlich gesetzlicher oberer Grenzwerte von Restgasen, einzustellen. Weiterhin lässt sich vorteilhafterweise die Temperatur des Rohrbündelreaktors durch diese Rückführung regeln.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wechselt das Wärmeübertragungsmedium im Zwischenraum und/oder in der Innenhülle wenigstens einmal den Aggregatzustand, insbesondere von flüssig zu dampfförmig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wechseln die Produkte der chemischen Synthese wenigstens einmal den Aggregatzustand, insbesondere von dampfförmig zu flüssig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Anordnung einen Hochtemperaturelektrolyseur und einen Rohrbündelreaktor, wobei das Wärmeübertragungsmedium Wasser und/oder Wasserdampf ist und der Wasserdampf dem Hochtemperaturelektrolyseur als Edukt dient. Vorteilhaft sind Hochtemperaturelektrolyseur und Rohrbündelreaktor stofflich gekoppelt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Reaktion und der Elektrolyse steigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird in der Anordnung im Hochtemperaturelektrolyseur wenigstens ein Edukt der chemischen Synthese erzeugt. Insbesondere in der Elektrolyse erzeugter Wasserstoff oder, im Falle einer Co-Elektrolyse, Synthesegas wird dem Ruhrbündelreaktor als Eduktgas zugeführt. Vorteilhaft sind Hochtemperaturelektrolyseur und Rohrbündelreaktor stofflich gekoppelt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Reaktion und der Elektrolyse steigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert.
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1 zeigt ein Fließbild für eine Hochtemperaturelektrolyse;
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2 zeigt schematisch den Aufbau des Rohrbündelreaktors.
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Die in 1 dargestellte Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst einen Rohrbündelreaktor 1, einen Hochtemperaturelektrolyseur 2, einen ersten Wärmetauscher 3 und einen zweiten Wärmetauscher 11. Im Rohrbündelreaktor 1 wird als chemische Synthese eine Methanisierung durchgeführt. In der Methanisierung wird Synthesegas zu Methan und Wasser umgewandelt. Das Produktgas 18 umfasst demnach Methan (synthetisches Erdgas) und Wasser. Die Abwärme der exothermen Synthese wird zum Erwärmen eines Wasserstroms 4 zu einem Wasserdampfstrom 5 verwendet. Der so erzeugte Wasserdampfstrom 5 wird mit einem ersten Kohlenstoffdioxidstrom 8 vermischt und dem ersten Wärmetauscher 3 zugeführt. Dort wird der Wasserdampf- und Kohlendioxidstrom weiter erhitzt und als überhitzter Wasserdampf- und Kohlenstoffdioxidstrom 7 dem Hochtemperaturelektrolyseur 2 zugeführt. In der Elektrolyse entsteht Synthesegas 6 und Sauerstoff. Das Synthesegas 6 umfasst überwiegend Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, aber auch geringe Restanteile von Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Das Synthesegas 6 wird dem ersten Wärmetauscher 3 zugeführt. Dort dient es der Erwärmung des Wasserdampfstroms 5 und ersten Kohlenstoffdioxidstroms 8. Das Synthesegas 6 wird dem Rohrbündelreaktor 1 dann als Eduktstrom zugeführt. Weiterhin wird ein zweiter Kohlenstoffdioxidstrom 9 dem Rohrbündelreaktor 1 direkt zugeführt. Die beiden Kohlenstoffdioxidströme 8, 9 werden aus demselben Kohlenstoffdioxidtank 21 gespeist.
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Der Hochtemperaturelektrolyseur 2 wird zusätzlich mit einem Luftstrom 13 gespült. Der in der Elektrolyse entstehende Sauerstoff kann die keramische Elektrolysemembran 12 in Ionenform passieren und verlässt den Hochtemperaturelektrolyseur 2 als sauerstoffreicher Gasstrom 14. Der Luftstrom 13 wird in dem zweiten Wärmetauscher 11 mit dem sauerstoffreichen Gasstrom 14 vorgewärmt.
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Ein Teil des in der Elektrolyse entstehenden Synthesegases 6 wird dem ersten Wärmetauscher 3 über eine Rückführungsleitung 10 zugeführt. Dies verhindert eine Oxidation der Nickel enthaltenden Wasserstoff-Elektrode.
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Die thermische Integration der Erzeugung von Wasserdampf aus Wasser durch die Methanisierung in dem Rohrbündelreaktor 1 erhöht den Wirkungsgrad deutlich. Diese thermische Integration wird durch das Einstellen des Verhältnisses des ersten Kohlenstoffdioxidstroms 8 zu dem zweiten Kohlenstoffdioxidstrom 9 weiter optimiert. Auch die Qualität des in der Methanisierung erzeugten Produktgases 18 lässt sich durch die Einstellung dieses Verhältnisses beeinflussen. Das alleinige Zuführen von Kohlenstoffdioxid über den ersten Kohlenstoffdioxidstrom 8 zum Hochtemperaturelektrolyseur 2 stellt einen ersten Grenzfall dieses Verhältnisses dar. Im zweiten Grenzfall wird Kohlenstoffdioxid ausschließlich über den zweiten Kohlenstoffdioxidstrom 9 dem Rohrbündelreaktor 1 zugeführt.
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Ein ideales Verhältnis ergibt sich, wenn im Rohrbündelreaktor 1 genauso viel Wasserdampf erzeugt wird, wie für die Elektrolyse im Hochtemperaturelektrolyseur 2 benötigt wird. Der Wasserdampfstrom 5 wird demnach über das Verhältnis der Kohlenstoffdioxidströme 8 und 9 eingestellt. Dies ist möglich, da die Wärmefreisetzung im Rohrbündelreaktor 1 sinkt, wenn der zweite Kohlenstoffdioxidstrom 9 kalt ist und dem Rohrbündelreaktor 1 zugeführt wird. In dieser Weise wird weniger Wasserdampf erzeugt. Bei konstanten Betriebsbedingungen wird ein definiertes Verhältnis der Kohlenstoffdioxidströme gewählt.
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Auch die Zusammensetzung des Produktgases 18 wird über das Verhältnis der Kohlenstoffdioxidströme 8, 9 in der Weise verbessert, dass der Methananteil steigt. Die Methanisierung von Kohlenstoffmonoxid aus dem Synthesegas hat eine andere Gaszusammensetzung des synthetischen Erdgases zur Folge als das Zuführen von Kohlenstoffdioxid direkt zur Methanisierung. Bei konstanten Betriebsbedingungen wird ein definiertes Verhältnis (Kohlenstoffdioxid Hochtemperaturelektrolyseur zu Kohlenstoffdioxid Rohrbündelreaktor) so gewählt, dass der Anteil des Methans maximal ist.
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2 zeigt einen Rohrbündelreaktor 1, welcher eine Innenhülle 19, eine Außenhülle 15 und einen Zwischenraum 16 umfasst. In der Innenhülle 19 befinden sich Reaktorrohre 20. Diese sind mit Katalysator in Form eines Festbetts gefüllt. Die Reaktorrohre 20 können alternativ an der Innenseite mit Katalysator beschichtet sein oder mit einer Katalysatorsuspension gefüllt werden. Die Außenseite der Reaktorrohre 20 und die Gasleitung 17 wird mit Rippen versehen. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang. Alternativ umfasst die Außenseite der Reaktorrohre 20 und/oder die Gasleitung 17 Noppen oder Finnen. Die Reaktorrohre 20 werden wärmekompensiert moniert, so dass durch geeignete Zwischenelemente, beispielsweise Schläuche und flexible Metallkompensatoren, die thermische Ausdehnung der Reaktorrohre 20 ausgeglichen wird. Das produzierte Erdgas wird aus den Reaktorrohren 20 in einem Produktgassammler gesammelt. Im Zwischenraum befindet sich wenigstens eine Zwischenraumgasleitung 17, durch welche das Produktgas 18 den Rohrbündelreaktor 1 über den Produktgassammler verlässt. Innerhalb der Innenhülle 19 strömen das Wasser und/oder der Wasserdampf im Gegenstrom zum Wasser und/oder Wasserdampf im Zwischenraum 16.
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Das in dem Hochtemperaturelektrolyseur 2 erzeugte Synthesegas 6 wird mit dem zweiten Kohlenstoffdioxidstrom 9 vermischt und dem Rohrbündelreaktor 1 zugeführt. Dort wird der Gasstrom auf die Reaktorrohre 20 verteilt. In den Reaktorrohren 20 erfolgt die Umsetzung von Synthesegas 6 zu Produktgas 18, das Methan und Wasser umfasst, mittels der Methanisierung. Die Abwärme, die während der Methanisierung entsteht, wird direkt dazu verwendet, Wasser zu Wasserdampf zu erhitzen.
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Das Wasser wird zunächst dem Zwischenraum 16 als Wasserstrom 4 zugeführt. Hier wird es mittels des erzeugten Produktgases 18 in der Zwischenraumgasleitung 17 vorgeheizt. Kondensiert das Wasser aus dem Produktgas 18 in der Zwischenraumgasleitung 17, so ist die Vorheizung durch die frei werdende Kondensationswärme besonders effektiv. Das Wasser strömt nun als Wasser und als Wasserdampf in die Innenhülle 19 des Rohrbündelreaktors 1. Dort wird das Wasser weiter erhitzt. Einbauten in der Innenhülle 19 verteilen das Wasser und den Wasserdampf gleichmäßig. Alternativ erfolgt die Verteilung mittels einer Füllköperschüttung in der Innenhülle 19. Der dabei entstehende Wasserdampf verlässt den Rohrbündelreaktor 1 als Wasserdampfstrom 5.
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Die Temperatur des Rohrbündelreaktors 1 kann über den Wasserstrom 4 eingestellt werden. Wird der Wasserstrom 4 so hoch gewählt, dass es zu einem Aufstauen von flüssigem Wasser im Zwischenraum 16 kommt, kühlt dieses Wasser die Innenhülle 19 und die Reaktorrohre 20. Wird der Wasserstrom 4 so hoch gewählt, dass flüssiges Wasser in die Innenhülle 19 gelangt, verdampft Wasser in der Innenhülle 19, was die Kühlung der Reaktorrohre 20 zusätzlich erhöht.
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Eine weitere Möglichkeit, die Temperatur im Rohrbündelreaktor 1 zu beeinflussen, besteht in der Wahl des Betriebsdrucks. Bei steigendem Druck steigt die Siedetemperatur des Wassers. Dadurch steigt das Temperaturniveau im gesamten Rohrbündelreaktor 1.
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Die Temperatur des Rohrbündelreaktors 1 kann alternativ über eine Rückführung des kalten Produkgases 18 zum Reaktoreingang beeinflusst werden.
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Weiterhin kann die Temperatur im Rohrbündelreaktor 1 beeinflusst werden, indem flüssiges Wasser dem Zwischenraum 16 oberhalb der Zugabe des Wasserstroms 4 zum Rohrbündelreaktor 1 entnommen wird. Dieses flüssige Wasser wird mit den Wasserstrom 4 gemischt und dem Rohrbündelreaktor 1 wiederum zugeführt.
