Autothermer Gegenstromreaktor zur Herstellung von CO-reichem Synthesegas im Hochtemperaturbereich
René Kelling
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René Kelling, Autothermer Gegenstromreaktor zur Herstellung von CO-reichem Synthesegas im Hochtemperaturbereich (2016), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832594206
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Beschreibung / Abstract
Die Herstellung von CO-reichem Synthesegas kann mittels der trockenen Reformierung von Methan oder der umgekehrten Wassergas-Shift-Reaktion erfolgen. Zur effizienten Durchführung dieser Reaktionen wird der autotherme Gegenstromreaktor vorgestellt, ein Rohrbündelreaktor, welcher aus einer Vielzahl teilweise katalytisch beschichteter keramischer Rohre besteht.
In der Wärmetauscherzone wird die Vorwärmung der kalten Edukte mit Hilfe des heißen Produktstroms auf Reaktionstemperaturen über 1000 Grad Celsius erwirkt. Durch gezielte Einspeisung von reinem Sauerstoff in die nachfolgende Katalysatorzone kann die Reaktionswärme der endothermen Synthesen effizient ausgeglichen werden. Konstant hohe Temperaturen sowie keramische Werkstoffe verhindern dabei schädliche Kohlenstoffablagerungen und Metallkorrosion.
Das Reaktorkonzept wird mittels eines 3-stufigen Ansatzes untersucht. Einfache Gleichgewichtsmodelle ermöglichen eine erste Abschätzung der Reaktorperformance. Experimente an einem keramischen Laborreaktor zeigen die praktische Umsetzbarkeit und erlauben die Validierung eines detaillierten Simulationsmodells, welches Aussagen über den industriellen Maßstab liefert.
Der autotherme Gegenstromreaktor zeichnet sich durch ein einfaches und somit skalierbares Konstruktionsprinzip aus. Gleichgewichtsumsätze entsprechend extrem hoher Reaktionstemperaturen (grösser als 1000 Grad Celsius) und eine Wärmerückgewinnung von bis zu 90% erlauben die energetisch sehr effiziente Produktion von CO-reichem Synthesegas.
In der Wärmetauscherzone wird die Vorwärmung der kalten Edukte mit Hilfe des heißen Produktstroms auf Reaktionstemperaturen über 1000 Grad Celsius erwirkt. Durch gezielte Einspeisung von reinem Sauerstoff in die nachfolgende Katalysatorzone kann die Reaktionswärme der endothermen Synthesen effizient ausgeglichen werden. Konstant hohe Temperaturen sowie keramische Werkstoffe verhindern dabei schädliche Kohlenstoffablagerungen und Metallkorrosion.
Das Reaktorkonzept wird mittels eines 3-stufigen Ansatzes untersucht. Einfache Gleichgewichtsmodelle ermöglichen eine erste Abschätzung der Reaktorperformance. Experimente an einem keramischen Laborreaktor zeigen die praktische Umsetzbarkeit und erlauben die Validierung eines detaillierten Simulationsmodells, welches Aussagen über den industriellen Maßstab liefert.
Der autotherme Gegenstromreaktor zeichnet sich durch ein einfaches und somit skalierbares Konstruktionsprinzip aus. Gleichgewichtsumsätze entsprechend extrem hoher Reaktionstemperaturen (grösser als 1000 Grad Celsius) und eine Wärmerückgewinnung von bis zu 90% erlauben die energetisch sehr effiziente Produktion von CO-reichem Synthesegas.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung
- 1.1 Motivation
- 1.2 Betrachteter Prozess und chemische Reaktionen
- 1.3 Ziele und Inhalt dieser Arbeit
- 2 Reaktorkonzeptionierung
- 2.1 Überblick über wärmeintegrierte Reaktorkonzepte
- 2.2 Der autotherme Gegenstromreaktor
- 2.3 Modulare Auslegung des Reaktors
- 3 Eigenschaften der autothermen RWGS- Reaktion und der Trockenreformierung
- 3.1 Katalysatorscreening im Zapfstellenreaktor
- 3.2 Die Verbrennung von Methan und Wasserstoff
- 3.3 Modellierung des Zapfstellenreaktors und Reaktionsgeschwindigkeiten
- 4 Prototyp des Gegenstromreaktors
- 4.1 Aufbau des Laborreaktors
- 4.2 Versuchsanlage
- 4.3 Vorbetrachtungen
- 5 Simulationsmodell des Gegenstromreaktors
- 5.1 Modellvorstellungen und Annahmen
- 5.2 Herleitung der Bilanzgleichungen
- 5.3 Mathematische Beschreibung der physikalischen Effekte
- 6 Ausführliche Untersuchung des Gegenstromreaktors
- 6.1 Betrieb der autothermen Trockenreformierung
- 6.2 Betrieb der autothermen RWGS-Reaktion
- 6.3 Betrieb der partiellen Methanoxidation zur Endogasherstellung
- Literatur
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Anhang