[发明专利]用于甲烷化的微反应器和方法控制

说明书

本发明涉及一种用于甲烷化的反应器、优选微反应器，并且涉及一种该反应器的操作，即，涉及一种用于制备甲烷的方法控制。

技术领域

本发明涉及一种用于甲烷化的反应器、优选微反应器，并且涉及该反应器的操作，即涉及用于制备甲烷的方法控制(Verfahrensführung)。

背景技术

为了实现从化石能源载体到可再生能源载体的转换，首先需要提供储存能量的手段。特别是因为来自风能和太阳能的动力受到日间波动和季节性波动的高度影响。

一种方法为在化合物、尤其是氢、氧或短链烃类(例如甲烷)中储存能量。

这涉及使用例如来自不立即被消耗的风能和太阳能的动力，以将水电解成氢和氧。例如，在利用从沼气工厂排放的CO₂的后续合成中，因此可以合成烃类、例如甲烷，并将它们储存起来供以后使用。这些烃类能够通过燃烧生成能量，而被直接用作用于进一步合成或用于再转化为动力并由此生成电能的原料。因此可以实现来自风能和太阳能的动力的稳定供应。

由于可再生能源仅在本地可用，因此还需要采用分散的方法来储存能量或生产和储存相应的“储能”化合物。

这种分散型工厂在结构和方法控制方面与迄今已知的大型工业工厂有明显不同。例如，DE 10 2005 004 075 B4公开了一种陶瓷微反应器，其中，通过多个挡板实现物质流的均匀分布，以便能够在200℃至1000℃的温度下进行甲烷化。

包括微结构的用于生成能量的微反应器或装置也从US 2002/0106311、US 6,200,536 B1、US 7,297,324 B2、US 6,192,596 B1和US 5,811,062 A中获知。

用于制备甲烷的方法例如从EP 2 213 367 A1、EP 0 241 902 A1或US 7,297,324B2中获知。这些方法涉及由氢气、一氧化碳和二氧化碳制备甲烷。

由H₂、CO₂和CO制备甲烷的问题为反应器中的温度配置。一方面，反应必须在至少200℃的温度下进行该反应，以防止形成金属羰基化合物，金属羰基化合物能够表示催化剂从反应器排出。另一方面，应实现CO₂的70％的最低转化率，这仅可在200℃左右的低温下通过热力学的方式实现。这样，能够制备必要纯度的甲烷，并且能够避免除去剩余的CO₂所涉及的复杂性。此处应特别注意，如果可行的话，均匀的甲烷质量尤其通过沃泊(Wobbe)指数表征。根据沃泊指数，在使用燃料气体的情况下，不仅热值很重要，而且所使用的燃料气体的密度也很重要，以因此使用特定量的能量所需的体积流量。其次，过量或残留成分、诸如CO₂和H₂会改变热值和沃泊指数。

(在标准压力下)在250℃至500℃之间的温度下的另外问题为在存在一氧化碳的情况下在催化剂上形成的焦炭。如果尚未达到热力学平衡组成，则由于反应速率随温度升高的原因，因此应寻求局部最大反应温度，以通过非常紧凑和低成本的方式来配置反应器。

另一方面，在反应空间中可能存在被称为热点的局部最大温度值。此处的温度高于反应器的其余部分的温度。热点首先会引起不希望的副反应，从而导致形成不希望的副产物，并且如果形成副产物，则其中一些副产物难以或不可能从主产物中除去。如果超过特定的热点温度，催化剂也会不可逆地受到损坏。因此，热点形成是最终导致催化剂失活的另外问题。通过使用过量的催化剂，或通过生产与现有条件完全匹配的高热稳定性的催化剂，可以减少该问题。然而，这不会避免所有热点，而是仅仅在没有更换催化剂的情况下增加了反应器的操作时间，其结果导致更大尺寸且由此更昂贵的反应器或催化剂。

在逆向流冷却情况下，反应器出口处催化剂床中的温度曲线通常接近冷却剂的温度。因此，热点由于催化剂失活而逐渐地移动穿过反应器并且接近反应器出口。此时，催化剂被更换。