b) Patent Beschreibung: Verfahren mit einem Katalysator welches durch ein Magnetfeld verstärkt wird

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Referenz: DPMA Nr: DE 10 214 013 701.5
Filed Date: 2014-09-28
Label: MagFieldCat_2014

Ein Verfahren mit einem Katalysator welches durch ein Magnetfeld verstärkt wird

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Katalysator, der durch ein wechselndes Magnetfeld beeinflußt wird. Die magnetischen Partikel des Katalysators werden durch ein wechselndes Magnetfeld in Bewegung versetzt, wodurch sich die Grenzflächen verschiedener Partikel öfters berühren. Dadurch können reagierende Moleküle, die sich durch physikalische und chemische Adsorption an den Oberflächen bilden, von anderen Katalysatorbestandteilen übernommen werden. Zusätzlich entsteht zwischen dem Katalysator und den reagierenden Molekülen eine sich ändernde Anziehung und Abstoßung durch die Verschiebung der elektrischen Ladungsträger.
Durch diese Erfindung findet ein höherer Umsatz der katalytischen Reaktionen statt.

ZUSTAND

Katalysatoren bestehen oft aus einer Mischung von mehreren, chemischen Komponenten, die im Zusammenspiel die Eigenschaft aufweisen, einen ursprünglichen Stoff (Edukt) in einen speziellen neuen Stoff (Produkt) umzuwandeln, indem über chemische und physikalische Adsorption ein Zwischenprodukt erzeugt wird, das in einem Folgeschritt erneut umgewandelt wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine höhere, gezielte Ausbeute in der Umwandlung erreicht wird, wenn verschiedene mehrere chemischer Elemente als Katalysator zusammenwirken.
So wird zum Beispiel bei neueren Untersuchungen die Mischung von Nickel plus Gallium als NiGa und Ni5Ga3 für die Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methanol verwendet. Eine ähnliche Eigenschaft weist die Mischung Kupfer plus Zinkoxid plus Aluminiumoxid auf. Die Mischungen können als Legierung oder elementare Mischung zusammengesetzt sein.
Bei der technischen Umsetzung werden diese Mischungen entweder als gemischtes Pulver oder als gesintertes Material in einen Reaktor gegeben, der dann entweder mit einem zu reagierenden Gasgemisch oder Flüssigkeitsgemisch gefüllt wird oder durchströmt wird, das dann mittels eines Katalysators unter Druck und Temperatur umgewandelt wird. Die Reaktorausführungen können als Durchflußreaktor ausgestaltet sein oder als Füllreaktoren, die zyklisch gefüllt und geleert werden und während der Reaktionszeit oft technisch gerührt werden.

Die meisten chemisch-mechanischen Vorgänge sind nicht bis ins Detail geklärt, aber es stellt sich heraus, dass die Reaktionen vorwiegend an besonderen Grenzflächen hervorgehoben werden. So ist es durchaus relevant, sie die mikroskopischen Oberflächen geformt sind. Kristalline Ausprägungen und Formen, wie sie von Gallium verursacht werden, können eine wesentliche Steigerung bedeuten.

Nachteil der aktuellen Situation

Der Nachteil bei den gezeigten Mischungen ist, dass die Oberflächen wie lokale unabhängige Regionen reagieren. So entstehen an vielen Grenzflächen zwar primäre chemische Adsorptionen, diese werden aber nur ungenügend oder gar nicht in Folgeprozessen umgewandelt, da die reale Verteilung von chemischen Bestandteilen nicht wirklich gleichmäßig verteilt. Regionen in denen sich vorrangig nur ein einziges chemisches Katalysator-Element befindet, können nicht vollständig aktiv werden.

AUFGABE

Die Erfindung soll die katalytische Umsetzung von Molekülen erhöhen, indem die die Kontaktierung von verschiedenen Grenzflächen erhöht und durchmischt wird.

LÖSUNG

(Fig.1): In einem Reaktor (1) befindet sich ein innerer Katalysator-Raum (3).
Der innere Katalysator-Raum ist von einer elektischen Spule (2) umgeben. Die elektrische Spule erzeugt ein Magnetfeld welches den Katalysator-Raum durchströmt sobald Strom durch die Spule fließt. Wenn sich der elektrische Strom in der Spule in Richtung und Betrag ändert, dann ändert sich auch das Magnetfeld im Katalysatorraum.
Fig. 1



(Fig.2) Durch das Ändern des durchströmenden Magnetfeldes werden die magnetisch wirksamen Partikel (7) im Katalysator bewegt, wodurch sich die adsorbierenden Grenzflächen der verschiedenen Komponenten wechselnd berühren.
Dadurch wird erreicht, dass Zwischenprodukte an den Oberflächen der Katalysator-Partikel von zweiten oder dritten Katalysator-Elementen kontaktiert werden und somit Folgereaktionen besser umgesetzt werden können.
Dabei finden auch Kontaktierungen mit magnetisch inaktiven Partikeln (8) statt.
Die Rotation oder Bewegung der magnetische wirksamen Partikel wirkt somit wie eine Mühle auf mikroskopischer Größe.

Der Reaktor (1) ist im Lösungsansatz als Durchfluß-Reaktor ausgeführt mit einer Eingangsöffnung (5) und einem Ausgang (6). Die Umsetzung kann aber auch für einseitige Reaktoren angesetzt werden, die nur von einer Seite gefüllt und entleert werden.
Fig. 2


(Fig.3) Die optimale Erregung der Partikel kann mit verschiedenen Stromformen angesteuert werden. Zunächst ist natürlich ein Wechselstrom-Signal in Sinusform oder in Rechteckform möglich. Die Frequenz und Amplitude kann nach je nach Bedarf verschieden ausgelegt werden. Ebenso muß es kein symmetrischer Aufbau des Erregerstromes und somit des Magnetfeldes sein. Es kann auch da Ziel sein die Partikel nur partiell zu verändern, ähnlich einem gelegentlichen Schütteln.
Fig. 3



(Fig.4) Das magnetische Erregersystem kann extern aufgebaut werden und über einen magnetischen Kern in den Reaktor geführt werden. Dabei wird die Spule (3) über einem magnetischen Kern (9) aufgebaut. Der magnetische Kern wird dann über Isolatoren (10) in den Reaktor geführt und im Reaktor wird der magnetische Kern unterbrochen. In der Unterbrechung (11) dehnt sich das magnetische Feld aus und durchfließt den Katalysator.
Fig. 4



(Fig.5) Als Beispiel des Effektes werden die Umsetzungen anhand eines Aufbaus dargestellt, dessen Katalysator aus Nickel und Galliumoxid/Gallium bestand und dieser zur Synthese von Methanol aus Kohlenstoff und Wasserstoff geführt wurde.
Der Reaktor wurde als Durchgangsreaktor mit einem Gasgemisch aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff durchströmt. Der Reaktor wurde mit circa 400 Grad beheizt und das Gas mit einem Druck von 20 Bar gehalten.
Da sich Nickel als ferromegnetisches Element nach dem Magnetfeld ausrichtet, konnte der Katalysator während des Betriebes mit der Spule erregt werden.
Die gemessenen Ergebnisse anhand eines Gaschromatographen zeigen, dass sich mehr Methanol gebildet hat, wenn die Spule mit einem Wechselstrom AC von 50 Hz und 1,5 Ampere oder 2,5 Ampere angesteuert wurden. Die Erregung mit einem Gleichstrom DC führte zu keiner Verbesserung.
Fig. 5




Die Zeichnungen zeigen folgende Darstellungen:
Fig.1 : Gesamtaufbau eines Reaktors
Fig.2 : Wechselndes Magnetfeld im Reakto
Fig.3 : Mögliche Ausprägungen der Erregerstromes
Fig.4 : Externer Erreger
Fig.5 : Beispielhafte Erhöhung bei der Herstellung von Methanol

Liste der Bezeichnungen in den Zeichnungen

• 1Reaktor
• 2Spule
• 3Innerer Katalysator-Raum
• 4Stromquelle
• 5Eingang
• 6Ausgang
• 7Magnetisch wirksame Katalysator Partikel
• 8Sonstige Katalysator-Partikel
• 9Magnetischer Kern
• 10Isolation
• 11Unterbrechung des magnetischen Kerns