DE102014009531A1 - Verfahren und Vorrichtuntg zur Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt - Google Patents

Verfahren und Vorrichtuntg zur Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom (a) zu wenigstens einem Produkt vorgeschlagen. Der Einsatzstrom (a) und ein Spülgasstrom (b) werden erwärmt und einer Elektrolysezelle (1) zugeführt. In dieser werden aus dem Einsatzstrom (a) ein an dem wenigstens einen Edukt ab- und an dem wenigstens einen Produkt angereicherter Produktstrom (c) und aus dem Spülgasstrom (b) ein Spülgasabstrom (d) gebildet. Es wird jeweils Wärme zumindest von dem Produktstrom (c) auf den Einsatzstrom (a) und von dem Spülgasabstrom (d) auf den Spülgasstrom (a) übertragen. Zur Übertragung der Wärme von dem Produktstrom (c) auf den Einsatzstrom (a) und von dem Spülgasabstrom (d) auf den Spülgasstrom (b) wird ein Plattenwärmetauscher (2) verwendet. Durch den Plattenwärmetauscher (2) werden zumindest der Spülgasabstrom (d) im Gegenstrom zu dem Spülgasstrom (b) und der Produktstrom (c) im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom (a) geführt. Eine entsprechende Vorrichtung (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt und eine entsprechende Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Zur Nutzbarmachung des Treibhausgases Kohlendioxid sind derzeit unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid in Entwicklung. Diese umfassen beispielsweise elektrolytische, thermokatalytische und Plasma-Verfahren.
  • Aus der US 2012/0228150 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Kohlendioxid enthaltender gasförmiger Einsatzstrom bei erhöhter Temperatur durch eine Elektrolysezelle geführt wird. Die Elektrolysezelle ist nach Art einer Brennstoffzelle als Festoxid-Elektrolysezelle (engl. Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC) ausgebildet und weist sauerstoffdefizitäre Ferritelektroden (engl. Oxygen Deficient Ferrite, ODF) auf. In einem Kathodenraum der Elektrolysezelle wird Kohlendioxid zumindest teilweise in Kohlenmonoxid und Sauerstoff umgesetzt. Der Sauerstoff diffundiert durch eine sauerstoffpermeable Trennstruktur in einen Anodenraum und wird mittels eines Spülgasstroms abtransportiert.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das konkrete, in der US 2012/0228150 A1 vorgeschlagene Verfahren zur Umsetzung von Kohlendioxid eingeschränkt, sondern eignet sich grundsätzlich für sämtliche Verfahren, bei denen ein Kohlendioxid enthaltender gasförmiger Einsatzstrom erwärmt und einer entsprechenden Umsetzungsstufe, beispielsweise einer Elektrolysezelle, zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für den Einsatz in Fällen geeignet, bei denen in dem Einsatzstrom gebildete Reaktionsprodukte mittels eines Spülgasstroms, der zuvor ebenfalls erwärmt wird, abtransportiert werden.
  • Festoxid-Elektrolysezellen können auch als Brennstoffzellen betrieben werden, in denen beispielsweise Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid umgesetzt wird. Die Reaktion läuft also, unter Gewinnung elektrischer Energie, umgekehrt zu den oben erwähnten Verfahren ab. Beim Betrieb entsprechender Brennstoffzellen muss ein Teil der nicht zu elektrischer Energie umgesetzten Energie als Abwärme abgeführt werden. Auch für derartige Fälle eignet sich die vorliegende Erfindung.
  • Die Erwärmung entsprechender Einsatz- und Spülgasströme erfolgt auf vergleichsweise hohe Temperaturen von bis zu 900°C. Bisher zur Erwärmung verwendete Verfahren erweisen sich hier als nicht ausreichend effizient.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Erwärmung von Gasströmen in entsprechenden Verfahren zu verbessern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt und eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich, wie eingangs erläutert, insbesondere für Verfahren, in denen in einer Festoxid-Elektrolysezelle Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird und wird nachfolgend auch am Beispiel eines derartigen Verfahrens beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Verfahren beschränkt, sondern eignet sich, wie erwähnt, beispielsweise auch zum Einsatz in Verfahren, in denen Festoxid-Elektrolysezellen als Brennstoffzellen betrieben werden.
  • In allen Fällen wird wenigstens ein Edukt in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt umgesetzt, wobei eine Elektrolysezelle eingesetzt wird.
  • Die Erfindung kommt also in einem Verfahren zum Einsatz, bei dem zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt der Einsatzstrom und ein Spülgasstrom erwärmt und zumindest einer Elektrolysezelle zugeführt wird, in der aus dem Einsatzstrom ein an dem wenigstens einen Edukt ab- und an dem wenigstens einen Produkt angereicherter Produktstrom und aus dem Spülgasstrom ein Spülgasabstrom gebildet wird. Es wird jeweils Wärme zumindest von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom übertragen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Übertragung der Wärme von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom ein Plattenwärmetauscher verwendet wird, durch den zumindest der Spülgasabstrom im Gegenstrom zu dem Spülgasstrom und der Produktstrom im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom geführt wird. Es kann hierbei auch vorgesehen sein, die Wärme von mehreren Produktströmen auf mehrere Einsatzströme und von mehreren Spülgasabströmen auf mehrere Spülgasströme zu übertragen.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich der elektrische Energieverbrauch zur Vorwärmung entsprechender Ströme um mindestens 5%, insbesondere um mindestens 10%, in besonders vorteilhaften Fällen um mindestens 20%, verringern.
  • Wie bereits erläutert, werden in katalytischen Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung des Kohlendioxids eines Kohlendioxid enthaltenden gasförmigen Einsatzstroms zu Kohlenmonoxid der Einsatzstrom und ein Spülgasstrom erwärmt und zumindest einer Elektrolysezelle zugeführt.
  • In der oder den Elektrolysezellen wird aus dem Einsatzstrom ein an Kohlendioxid abgereicherter und an Kohlenmonoxid angereicherter gasförmiger Strom gebildet, der nachfolgend als Produktstrom bezeichnet wird. Mit anderen Worten enthält in katalytischen Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung des Kohlendioxids eines Kohlendioxid enthaltenden gasförmigen Einsatzstroms zu Kohlenmonoxid der Einsatzstrom Kohlendioxid als Edukt, welches zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid als Produkt umgesetzt wird, so dass der Produktstrom mit Kohlenmonoxid angereichert wird. Es versteht sich, dass ein entsprechender Produktstrom in nachgeordneten Verfahrensschritten weiter behandelt, beispielsweise aufgereinigt, verdichtet, gekühlt, mit weiteren Strömen vereinigt und auf andere Weise aufbereitet werden kann.
  • Ferner kann der Einsatzstrom Wasser und Methan als Edukte enthalten, welche durch sogenannte Co-Elektrolyse zumindest teilweise zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) als Produkte umgesetzt werden. Die Co-Elektrolyse ist besonders wirtschaftlich.
  • Da in einem derartigen Verfahren das in dem Einsatzstrom enthaltene Kohlendioxid zumindest teilweise zu Sauerstoff umgesetzt wird, muss dieser Sauerstoff abtransportiert werden. Hierzu kommt, wie eingangs erläutert, der Spülgasstrom zum Einsatz. Der Spülgasstrom wird ebenfalls erwärmt und anschließend der oder den Elektrolysezellen zugeführt.
  • Der gebildete Sauerstoff wird in den Spülgasstrom übertragen, beispielsweise über eine sauerstoffpermeable Trennstruktur, und kann auf diese Weise aus der oder den Elektrolysezellen abgeführt werden. Zur besseren Unterscheidbarkeit wird nachfolgend der zum Abtransport des Sauerstoffs zugeführte Gasstrom als Spülgasstrom und der entsprechend sauerstoffangereicherte Gasstrom stromab der Elektrolysezellen) als Spülgasabstrom bezeichnet. Es wird also aus dem Spülgasstrom ein sauerstoffangereicherter Spülgasabstrom gebildet, indem bei der Umsetzung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid freiwerdender Sauerstoff auf den Spülgasstrom übertragen wird. Entsprechendes gilt auch für die anderen erläuterten Verfahren.
  • Ein Strom ist im hier verwendeten Sprachgebrauch ”angereichert”, wenn er zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, ”abgereichert”, wenn er höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsfluid, enthält.
  • Sowohl der Einsatzstrom als auch der Spülgasstrom werden vor der Einspeisung in die Elektrolysezelle(n) erwärmt, beispielsweise auf die nachfolgend angegebenen Temperaturen. Es ist bekannt, jeweils Wärme zumindest von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom zu übertragen, um die jeweiligen Ströme auf entsprechende Temperaturen aufzuheizen. Mit der Angabe, dass die Wärme ”zumindest” von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom übertragen wird, ist dabei gemeint, dass die Wärme zusätzlich auch beispielsweise von dem Produktstrom auf den Spülgasstrom und/oder von dem Spülgasabstrom auf den Einsatzstrom übertragen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung eines Plattenwärmetauschers erweist sich als besonders günstig, weil in diesem deutlich geringere Temperaturdifferenzen zwischen den jeweiligen Strömen realisiert werden können, als dies in herkömmlichen Wärmetauschern der Fall ist. Auf diese Weise lassen sich gemäß dem Stand der Technik mehrfach vorgesehene Komponenten einsparen und es kann gegebenenfalls auf zusätzliche elektrische Heizeinrichtungen verzichtet werden. Trotz der vermeintlich aufwändigeren Erwärmung unter Verwendung eines Plattenwärmetauschers anstelle herkömmlicherweise verwendeter Gegenstromwärmeübertrager und elektrischer Beheizungen erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als deutlich effizienter als die aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten zur Erwärmung.
  • Wie bereits erwähnt, kann auch vorgesehen sein, die Elektrolysezelle als Brennstoffzelle zu betreiben, wobei der Einsatzstrom Kohlenmonoxid als Edukt enthält, welches zumindest teilweise zu Kohlendioxid als Produkt umgesetzt wird. Der Spülgasstrom enthält hier den Sauerstoff, der zur Umsetzung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid benötigt wird.
  • Beim Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen muss, wie erwähnt, ein Teil der umgesetzten Energie als Abwärme abgeführt werden. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch hier eine sehr gute Kühlleistung durch die Fluiddynamik auch bei kleinen Temperaturdifferenzen. Eine entsprechende Brennstoffzelle kann daher schonend, d. h. der Lebenserwartung dienlich, betrieben werden. Für Niedertemperatur-Brennstoffzellen sind zur Wärmeabfuhr Heatpipes vorgeschlagen worden, die sich jedoch aufgrund der deutlich höheren Temperaturen (800°C anstelle von 180°C) nicht für Hochtemperatur-Brennstoffzellen eignen. Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise zum Einsatz in Prozessen, bei denen zumindest eine Elektrolysezelle verwendet wird, die als Festoxid-Elektrolysezelle ausgebildet ist, wie eingangs erläutert. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine oder mehrere Elektrolysezellen zum Einsatz kommen, denen jeweils ein Einsatzstrom und jeweils ein Spülgasstrom zugeführt bzw. auf die jeweils ein Einsatzstrom bzw. ein Spülgasstrom verteilt wird. Ist daher im Rahmen der vorliegenden Anmeldung davon die Rede, dass die Übertragung von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom erfolgt, sind auch derartige Fälle hiervon umfasst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise für Konfigurationen, in denen der Spülgasabstrom und/oder der Produktstrom dem Plattenwärmetauscher warmseitig auf einem Temperaturniveau von 700°C bis 900°C zugeführt werden. Generell eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Erwärmung auf Temperaturniveaus von 500°C bis 1.000°C. Derartige Temperaturen liegen in den erwähnten elektrolytischen Kohlendioxidumsetzungsverfahren vor, für die das erfindungsgemäße Verfahren daher besonders vorteilhaft ist.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe ”Druckniveau” und ”Temperaturniveau”, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ±1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Einsatzstrom und/oder der Spülgasstrom dem Plattenwärmetauscher ferner kaltseitig auf einem Temperaturniveau von 25°C bis 50°C zugeführt. Generell können die Temperaturniveaus, auf denen der Einsatzstrom und/oder der Spülgasstrom dem Plattenwärmetauscher kaltseitig zugeführt werden, auch bei 0°C bis 100°C liegen.
  • Entsprechende Temperaturniveaus entsprechen beispielsweise der Umgebungstemperatur und/oder ergeben sich aus einer Verdichtung entsprechender Ströme und der hierbei entstehenden Verdichtungswärme.
  • Der Produktstrom und/oder der Spülgasabstrom werden dabei dem Plattenwärmetauscher kaltseitig auf einem Temperaturniveau entnommen, das vorteilhafterweise höchstens 5°C bis 10°C oberhalb des Temperaturniveaus liegt, auf dem der Einsatzstrom und/oder der Spülgasstrom dem Plattenwärmetauscher kaltseitig zugeführt werden. Wie erwähnt, erlaubt insbesondere ein erfindungsgemäß eingesetzter Plattenwärmetauscher derart geringe Temperaturunterschiede.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt vorzugsweise ein Plattenwärmetauscher zum Einsatz, der zumindest teilweise aus einem aufkohlungsbeständigen Edelstahl oder Nickelbasiswerkstoff hergestellt wird. Durch die Verwendung entsprechender aufkohlungsbeständiger Materialien wird insbesondere das bekannte sogenannte Metal Dusting vermieden.
  • Metal Dusting ist ein Korrosionsvorgang, der in aufkohlenden Atmosphären wie kohlenmonoxid- und kohlendioxidhaltigen Gasströmen auftritt. Metal Dusting lässt Metall zu einem Staub aus Metallpartikeln und Graphit zerfallen. An niedrig legierten Stählen und Nickelbasislegierungen mit geringen Chromgehalten führt Metal Dusting zu allgemeinem Abtrag. An Werkstoffen mit höheren Chromgehalten können sich Löcher bilden. Die Reaktionsprodukte können von schnellen Gasströmen mitgerissen werden und sich in Ecken, Winkeln oder Bereichen mit geringer Strömung sammeln. Hierdurch können nachgeordnete Einrichtungen geschädigt werden.
  • Die Ursache für Metal Dusting ist der hohe ”Kohlenstoffdruck” aufkohlender Atmosphären, also die Tendenz, Kohlenstoff in Metalle zu übertragen, die Kohlenstoff lösen beziehungsweise Kohlenstoff als Graphit abscheiden können. Die metallische Matrix wird mit gelöstem Kohlenstoff übersättigt und das Material durch Ausscheidung von Graphit zerstört. Die Zerstörung erfolgt entweder direkt, wie bei Nickel und Nickelbasislegierungen, oder aber über das instabile Karbid Zementit als Zwischenprodukt, wie bei Eisen und Stählen.
  • Durch die Bildung von Oxidschichten ist ein Schutz metallischer Werkstoffe gegen Metal Dusting möglich, insbesondere, wenn chromreiche Spinell- und Dichromtrioxidschichten gebildet werden. Diese Oxidschichten unterbinden das Eindringen von Kohlenstoff in das Metall. Gegen Metal Dusting beständige Edelstähle und Nickelbasiswerkstoffe, die sich zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders eignen, tragen beispielsweise die Werkstoffnummern 1.4958, 1.4862, 2.4889, 2.4816 und 2.4633.
  • Vorzugsweise werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Einsatzstrom, der Spülgasstrom, der Produktstrom und/oder der Spülgasabstrom dem Plattenwärmetauscher auf einem Druckniveau von 1 bar bis 10 bar zugeführt. Derartige Druckniveaus, die beispielsweise auch unterhalb von 5 bar oder unterhalb von 2 bar und jeweils oberhalb des Atmosphärendrucks liegen können, eignen sich in besonderer Weise zur erfindungsgemäßen Umsetzung des Kohlendioxids und/oder für eine besonders effiziente Wärmeübertragung. Ein entsprechender Wärmetauscher weist eine Wärmeübertragungsleistung von 1 kW bis 5000 kW, insbesondere von 10 kW bis 1000 kW auf.
  • Wie bereits erläutert, umfassen katalytische Verfahren insbesondere, das Kohlendioxid in dem Einsatzstrom in einem Kathodenraum der Elektrolysezelle, durch den der Einsatzstrom geführt wird, zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff umzusetzen. Der Sauerstoff wird über eine sauerstoffpermeable Trenneinrichtung in einen Anodenraum der Elektrolysezelle überführt, durch welchen der Spülgasstrom geführt wird. Entsprechender Sauerstoff kann damit einfach abtransportiert werden.
  • Eine Vorrichtung die zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom zu wenigstens einem Produkt eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Eine derartige Vorrichtung weist zumindest eine Elektrolysezelle auf und verfügt über Mittel, die dafür eingerichtet sind, den Einsatzstrom und einen Spülgasstrom der zumindest einen Elektrolysezelle erwärmt zuzuführen. Die Elektrolysezelle ist dafür eingerichtet, aus dem Einsatzstrom einen an dem wenigstens einen Edukt abgereicherten und an dem wenigstens einen Produkt angereicherten Produktstrom und aus dem Spülgasstrom einen Spülgasabstrom zu bilden. Der Spülgasstrom kann beispielsweise aus erwärmter und verdichteter Luft oder Stickstoff gebildet werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen Plattenwärmetauscher aus, der dafür eingerichtet ist, Wärme zumindest von dem Produktstrom auf den Einsatzstrom und von dem Spülgasabstrom auf den Spülgasstrom zu übertragen, sowie Mittel, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Spülgasabstrom im Gegenstrom zu dem Spülgasstrom sowie den Produktstrom im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom durch den Plattenwärmetauscher zu führen.
  • Entsprechende Mittel sind als Ein- und Austrittsstutzen ausgebildet bzw. umfassen derartige Ein- und Austrittsstutzen. Der Plattenwärmetauscher umfasst wenigstens zwei Eintrittsstutzen für den Einsatzstrom und den Spülgasstrom sowie zwei Austrittsstutzen für den entsprechend erwärmten Einsatzstrom und den erwärmten Spülgasstrom. Ferner sind zwei Eintrittsstutzen für den heißen Produktstrom und den sauerstoffangereicherten Spülgasabstrom vorgesehen. Zur Entnahme des entsprechend abgekühlten Spülgasabstroms und des abgekühlten Produktstroms sind entsprechende Austrittsstutzen bereitgestellt. Wie erwähnt, wird der Plattenwärmetauscher im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus aufkohlungsbeständigem Edelstahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt bzw. weist Komponenten auf, die aus entsprechenden Werkstoffen bestehen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung sämtliche Mittel auf, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • In 1 ist eine Vorrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Zentrale Komponente der dargestellten Vorrichtung 100 ist eine Elektrolysezelle 1 mit einem Kathodenraum 11 und einem Anodenraum 12. Durch den Kathodenraum 11 wird ein erwärmter, Kohlendioxid enthaltender gasförmiger Einsatzstrom a geführt, durch den Anodenraum 12 ein entsprechend erwärmter Spülgasstrom b, beispielsweise Luft oder Stickstoff.
  • Die Elektrolysezelle umfasst Elektroden 13, 14, die beispielsweise, wie erwähnt, als sauerstoffdefizitäre Ferritelektroden ausgebildet sind. Mittel zur Strom- bzw. Spannungsbeaufschlagung der Elektroden 13, 14 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Kathodenraum 11 und der Anodenraum 12 sind durch eine sauerstoffpermeable Trennstruktur 15 getrennt.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung 100 einen Plattenwärmetauscher 2. Mittels geeigneter Verdichter 3, 4 werden der Einsatzstrom a und der Spülgasstrom b auf den zuvor erwähnten Druck verdichtet und kaltseitig dem Plattenwärmetauscher 2 zugeführt. Warmseitig des Plattenwärmetauschers 2 können die Ströme a und b bei Bedarf durch beispielsweise elektrisch betriebene Spitzenerhitzer geführt werden.
  • Die Ströme a und b werden durch den Kathodenraum 11 und den Anodenraum 12 der Elektrolysezelle 1 geführt und stromab dieser als Produktstrom c bzw. Spülgasabstrom d dem Plattenwärmetauscher 2 warmseitig zugeführt. Die Ströme c und d werden im Gegenstrom zu den Strömen a und b durch den Plattenwärmetauscher 2 geführt. Hierdurch wird Wärme zumindest von dem Produktstrom c auf den Einsatzstrom a und von dem Spülgasabstrom d auf den Spülgasstrom b übertragen. Kaltseitig, d. h. in 1 auf der linken Seite des Plattenwärmetauschers 2, liegen die Ströme a bis d auf einem Temperaturniveau um beispielsweise 25°C und warmseitig, d. h. in der 1 rechts des Plattenwärmetauschers 2, auf einem Temperaturniveau um beispielsweise 800°C vor.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2012/0228150 A1 [0003, 0004]

Claims (11)

  1. Verfahren zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom (a) zu wenigstens einem Produkt, bei dem der Einsatzstrom (a) und ein Spülgasstrom (b) erwärmt und zumindest einer Elektrolysezelle (1) zugeführt werden, in der aus dem Einsatzstrom (a) ein an dem wenigstens einen Edukt ab- und an dem wenigstens einen Produkt angereicherter Produktstrom (c) und aus dem Spülgasstrom (b) ein Spülgasabstrom (d) gebildet wird, wobei jeweils Wärme zumindest von dem Produktstrom (c) auf den Einsatzstrom (a) und von dem Spülgasabstrom (d) auf den Spülgasstrom (a) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Wärme von dem Produktstrom (c) auf den Einsatzstrom (a) und von dem Spülgasabstrom (d) auf den Spülgasstrom (b) ein Plattenwärmetauscher (2) verwendet wird, durch den zumindest der Spülgasabstrom (d) im Gegenstrom zu dem Spülgasstrom (b) und der Produktstrom (c) im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom (a) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einsatzstrom (a) Kohlendioxid als Edukt enthält, welches zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid als Produkt umgesetzt wird, so dass der Produktstrom (c) an Kohlenmonoxid angereichert ist, und bei dem aus dem Spülgasstrom (b) ein sauerstoffangereicherter Spülgasabstrom (d) gebildet wird, indem bei der Umsetzung von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid freiwerdender Sauerstoff auf den Spülgasstrom (b) übertragen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Einsatzstrom (a) ferner Wasser und Methan als Edukte enthält, welche zumindest teilweise zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Produkte umgesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrolysezelle als Brennstoffzelle betrieben wird, wobei der Einsatzstrom (a) Kohlenmonoxid als Edukt enthält, welches zumindest teilweise zu Kohlendioxid als Produkt umgesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Elektrolysezelle (1) verwendet wird, die als Festoxid-Elektrolysezelle ausgebildet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Spülgasabstrom (d) und/oder der Produktstrom (c) dem Plattenwärmetauscher (2) warmseitig auf einem Temperaturniveau von 500°C bis 1.000°C zugeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Einsatzstrom (a) und/oder der Spülgasstrom (b) dem Plattenwärmetauscher (2) kaltseitig auf einem Temperaturniveau von 0°C bis 100°C zugeführt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Plattenwärmetauscher (2) verwendet wird, der zumindest teilweise aus einem aufkohlungsbeständigen Edelstahl oder Nickelbasiswerkstoff hergestellt ist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Einsatzstrom (a), der Spülgasstrom (b), der Produktstrom (c) und/oder der Spülgasabstrom (d) dem Plattenwärmetauscher (2) bei 1 bar bis 10 bar (abs.) zugeführt wird.
  10. Vorrichtung (100), die zur zumindest teilweisen Umsetzung wenigstens eines Edukts in einem gasförmigen Einsatzstrom (a) zu wenigstens einem Produkt eingerichtet ist, mit zumindest einer Elektrolysezelle (1) und Mitteln, die dafür eingerichtet sind, den Einsatzstrom (a) und einen Spülgasstrom (b) der zumindest einen Elektrolysezelle erwärmt zuzuführen, wobei die Elektrolysezelle (1) dafür eingerichtet ist, aus dem Einsatzstrom (a) einen an dem wenigstens einen Edukt ab- und an dem wenigstens einen Produkt angereicherten Produktstrom (c) und aus dem Spülgasstrom (b) einen Spülgasabstrom (d) zu bilden, gekennzeichnet durch einen Plattenwärmetauscher (2), der dafür eingerichtet ist, Wärme zumindest von dem Produktstrom (c) auf den Einsatzstrom (a) und von dem Spülgasabstrom (d) auf den Spülgasstrom (b) zu übertragen, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, zumindest den Spülgasabstrom (d) im Gegenstrom zu dem Spülgasstrom (b) sowie den Produktstrom (c) im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom (a) durch den Plattenwärmetauscher (2) zu führen.
  11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, die Mittel aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120228150A1 (en) 2011-03-08 2012-09-13 Kang Bruce S Co2 decomposition via oxygen deficient ferrite electrodes using solid oxide electrolyser cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120228150A1 (en) 2011-03-08 2012-09-13 Kang Bruce S Co2 decomposition via oxygen deficient ferrite electrodes using solid oxide electrolyser cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018202337A1 (de) * 2018-02-15 2019-08-22 Linde Aktiengesellschaft Elektrochemische Herstellung eines Gases umfassend CO mit Zwischenkühlung des Elektrolytstroms

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