很多在技术上具有重要意义的化学反应是平衡限制或者说平衡受限的。这意味着在建立化学平衡时，反应物或者说反应原料之间向反应产物的反应是不完全地进行的，也就是不完全处于产物侧。因此在化学平衡中始终并存产物和原料。这在传统的化学合成中例如是由氢气与一氧化碳或二氧化碳生成甲醇的反应或者是由氢气与氮气生成氨气的反应，即所谓的哈柏法(haber-bosch-verfahren)。这些反应如今工业化地在非均相催化的固定床反应器或浆体反应器中进行。正如所描述的，原料在简单地通过反应器时仅部分被转化。之后提取原料与产物的混合物并且通常将反应产物分离，其中，未转化的原料再循环到反应起始点。在工业规模上，对部分大量的气体的再循环导致了设备方面的高耗费。此外产生了其它技术上的挑战，其在整体上明显对工艺流程造成了提高成本方面的影响。在此，一方面应当提到的是反应器中的压力损失，所述压力损失在大量的再循环中必须被补偿。此外，在再循环中惰性气体和外部气体在循环中积聚，这对反应进行产生负面影响并且例如导致了更大的反应器体积。此外，在再循环中一方面始终导致原料的损失，这又对转化效率产生了负面影响。此外，回引的气体量导致了通过反应器的较高的气体体积流，这提高了反应器的结构尺寸并且由此又导致了反应器成本的升高。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于进行平衡限制的反应的反应器，所述反应器相对于现有技术具有更小的构型并且能够更低成本地运行。本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种方法，所述方法提供了与所述反应器同样的优点。
所述技术问题的解决方案在于按权利要求1所述的用于进行平衡限制的反应的反应器以及按权利要求15所述的用于运行平衡限制的反应的方法。
根据权利要求1的用于进行平衡限制的反应的反应器包括用于容纳催化剂的反应室并且还包括适用于容纳吸附剂的吸附室。此外，反应器还包括原料输入装置和吸附剂输入装置。反应器的特点在于，反应室和吸附室由透气的、隔绝或者说阻挡吸附剂的液滴或颗粒的元件分隔开。通常使用液态的吸附剂，其中，原则上形式为细颗粒状的固体也能够用作吸附剂。
通过相应的元件分隔反应室和吸附室的作用在于，气态的原料和产物能够无阻碍地在反应室和吸附室之间往复流动，其中，吸附剂的液滴留在吸附室中并且不会到达反应室中。因为在催化剂材料与液态的吸附剂接触时，反应材料的作用方式将受到不良影响，所以将所述液滴与反应室分隔是适宜的。
在此特别适宜的是，元件的通孔具有小于100μm、优选小于10μm、特别优选小于0.5μm的直径。根据通常形式为水溶液、油或离子液体的吸附剂的黏度以及元件表面被所述吸附剂润湿的情况，通孔的尺寸或者直径能够或者必须相应地适配。
被证明适宜的是，元件设计为纺织物的形式，尤其是设计具有基于玻璃、金属材料、陶瓷材料或碳的纤维。在此尤其适宜的是使用金属网、金属纱或拉伸金属。
在另一种实施形式中，元件设计为膜的形式，所述膜的特点是对原料和产物的选择透过性，并且在此是隔绝液体的。
在本发明的另一种实施形式中，反应器具有上部区域和下部区域，其中，在所述上部区域中设置有吸附剂输入装置并且在所述下部区域中设置有吸附剂排出装置。由此能够从反应器中导出装载有产物的吸附剂并且通过输入装置又将未装载的吸附剂导回。
同样被证明为适宜的是，元件阻挡液滴的作用是可变的，并且在此从反应器的上部区域向下部区域减弱。根据一种设计方案，上部区域中设置有吸附剂输入装置并且在该区域中引入和喷洒液体的吸附剂。在此适宜的是，在该区域中存在更强的防止液滴穿过元件的隔绝效果。因此例如在使用纺织物元件时能够从上部区域向下部区域增大通孔的直径、也就是增大网孔尺寸。这也可以意味着，反过来在上部区域中液滴的穿透性完全被元件抑制或者该区域是完全密封的。
此外适宜的是，在反应器的下部区域布置吸附剂收集区域，装载的吸附剂聚集在所述吸附剂收集区域中。基于此又有利的是，从反应器中取走装载的吸附剂并且输入布置在反应室之外和吸附室之外的产物分离装置中。所述产物分离装置是反应器的部分，然而其位于共同构成了反应器的反应室和吸附室之外。产物分离装置适用于将吸附剂与产物分离并且将产物从反应过程中导出。
如此与产物分离的吸附剂能够优选通过吸附剂输送装置从产物分离装置导向反应器的吸附剂输入装置。这又意味着，从反应器中取出的吸附剂被再循环并且作为新的吸附剂又输入反应器中。
此外适宜的是，在反应器的上部区域中设置有用于使气相从吸附室再循环到反应室中的抽吸装置。由此实现了气态的原料和产物通过两个室、即反应室和吸附室的更好交换并且加强了原料向催化剂表面的输入。此外，产物将以更大的程度从催化剂处输出并导向吸附室中的吸附剂。
同样可证明为有利的是，抽吸装置至少部分地集成入搅拌装置中并且搅拌轴构成抽吸装置的流动通道。这样的有利之处在于，搅拌器或者搅拌轴和搅拌桨作为抽吸装置的部分用于气相的再循环并且在反应室中仅须装入较少的构件。
本发明的另一个组成部分是按权利要求15所述的用于运行平衡限制的反应的方法，其中，在反应器的吸附室中置入气态的反应原料和液态的吸附剂。此外设置有反应室，在所述反应室中布置有催化剂。反应室和吸附室通过元件分隔，气态的反应产物通过所述元件从反应室流向吸附室。另一方面，通过所述元件将反应室与吸附室这样分隔，从而防止液态的吸附剂同时渗透到反应室中。
通过按照本发明的方法实现了，使反应产物从催化剂表面脱离并且进入吸附剂中，通过所述吸附剂可将产物输出。同时防止吸附剂穿过元件到达反应室中并且因此负面地影响催化剂的作用方式。
本发明的其它设计形式和其它特征将根据以下附图详细阐述。在附图中：
图1示出了带有吸附室和反应室的反应器，所述吸附室和反应室由相应的元件分隔开；
图2示出了按照图1的在反应室和吸附室中带有附加的气相再循环的反应器；
图3示出了按照图1的反应器，其中，吸附室和反应室之间的分隔元件设计为膜。
在图1中示出了用于实现平衡限制的反应的反应器2。在该示例反应中，在通常的例如为250℃和75bar的反应条件下，平衡位置以75％处于二氧化碳和氢气的反应原料侧。在所述反应条件下甲醇(反应产物25)的转化率在平衡位置中仅达到25％。
在所描述的反应器2中，借助原料输入装置12将原料、尤其是气态的原料、例如已经提到的二氧化碳和氢气输入反应器中。在这种情况下进行向吸附室8中的输入，例如在图3中所示的向反应室4中的输入对所有示出的附图和实施例同样是适宜的。吸附室8通过元件16、18与反应室4分隔。所述元件16设计为这样的形式，使得所述元件对于吸附剂10的液滴是不可通过的。在此，元件16的材料指的例如是纺织物、尤其是带有金属织物的纺织物、例如金属丝网、纱或者指的是拉伸金属。其它的纤维织物、例如芳酰胺纤维或其它耐高温的纤维同样适宜作为元件16的基础组成部分。元件16具有通孔或开放的细孔或网格，它们本身是透气的，然而可阻挡吸附剂10的液滴。在此根据吸附剂10的特性，典型的网眼口径或者通孔口径小于100μm。通孔口径优选在10μm以下或者在5μm以下。吸附剂10的特性尤其理解为所述吸附剂相对于元件材料的润湿角和所述吸附剂的黏度。
在反应室4中布置有催化剂6，此外，必要时在反应室4中还有搅拌装置30。催化剂例如可以悬挂在筐中或作为透气的填充物。催化剂材料这样选择，使得其加速反应、在这种情况下加速二氧化碳和氢气之间的反应，其中，所述催化剂材料具有特别大的表面积。平衡状态本身不会受催化剂材料影响。然而适宜的是，通过一定的流动(对此还将进一步阐述)，或通过搅拌运动或通过这些措施的组合使气态的反应产物25离开催化剂的表面并且通过元件16从反应室4到达吸附室8。反应产物在这里被吸附剂10的液滴吸附。被这样加载的吸附剂10的液滴在吸附室8中下沉并且在反应器2的下部区域21中在吸附剂收集区域24中被收集。将这样收集的吸附剂10从吸附剂收集区域24中取出并且输入产物分离装置26。产物分离装置26设计为相分离器27的形式，在所述相分离器中，反应产物25与吸附剂10分离并被输出。
卸载了反应产物25的吸附剂10通过吸附剂输送装置28从相分离器27导出并输送到反应器2的上部区域20中进入吸附剂输入装置14。所述吸附剂输入装置14的作用是，将吸附剂10输入反应2、更确切地说输入吸附室8中。这例如通过喷雾实现。通过这种方式方法可产生尽可能小的吸附剂液滴，所述液滴能够通过有利的体积表面积关系特别好地吸附反应产物25。吸附剂能够以水溶液、油或离子液体的形式存在。
图2给出了图1所示的反应器2的相似视图，然而在此还将更确切地描述反应产物25和原料的气体导引。示出了反应器2中的整体气流的箭头33表示原料和反应产物25的移动。在此设置了抽吸装置29，所述抽吸装置是搅拌装置30的部分。搅拌装置30又具有空心的搅拌轴31，其作为用于气流33的流动通道32。在此，形式为气态的原料被抽吸装置29抽吸，吸入流动通道32中并且在搅拌装置30的搅拌桨34处又输出到反应室中。原料在该位置位于催化剂6附近并且能够按照所描述的反应在催化剂的表面反应生成反应产物25。反应产物25和所述反应原料作为具有变化的组分的混合物又沿着反应流33通过在此也设计为金属网19的形式的元件16、通过该金属网19的通孔18导入吸附室8中。在这里反应产物25作为气流33的组成部分与吸附剂10的液滴相遇并且被所述吸附剂吸附。未被吸附剂吸附的原料重新沿着示出的箭头33被抽吸装置29抽吸并且如所描述的那样再次经过搅拌装置30导入反应室4中。
在图3中示出了与图1类似的反应器2，然而所述反应器与图1所示的反应器的不同之处在于，不是通过纺织物式的元件16，而是通过膜17确保了反应室4和吸附室8的分隔。所述膜在有利的设计方案中针对反应产物25具有高选择性和高渗透性。以此方式能够在不从反应室中移除原料的情况下从平衡中提取产物。根据选择性和渗透性，原料和反应产物自然也能够共同地通过膜扩散，在这种情况下适宜的是，与图2类似地安装抽吸装置29，其确保了与图2类似的气流33。如果原料之一是氢气，则存在氢气比反应产物25更快地扩散通过所述膜的风险。在这种情况下，反应产物25在吸附室8中通过溶解到吸附液10中而与氢气分离。在这种情况下，氢气在吸附剂10中具有更低的溶解度。以这种方式方法提高了氢气在吸附室8中的分压，因此在反应室4中的氢气含量与吸附室8中的氢气含量之间建立了平衡，由此使氢气从反应室向吸附室中的扩散达到停滞。