DE102017000633A1

DE102017000633A1 - Dehydriervorrichtung für flüssige organische Wasserstoffträger

Info

Publication number: DE102017000633A1
Application number: DE102017000633.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Sarah Gruber; Christoph Nagl; Markus Rasch
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern und eine Dehydriervorrichtung. Dazu wird der flüssige organische Wasserstoffträger durch den Dehydrierer geführt, welcher im Inneren eine drehbare Welle (11) aufweist, an welcher mindestens zwei Schaufeln befestigt sind, welche am äußeren Rand durch einen durchströmbaren Behälter (3) begrenzt sind, in welchen ein Katalysator eingebracht ist. Der hydrierte flüssige organische Wasserstoffträger wird in den Dehydrierer eingeleitet, von außen nach innen durch den durchströmbaren Behälter (3) geführt wird und durch den Katalysator dehydriert. Im inneren der Schaufeln befindet sich dehydrierter organischer Wasserstoffträger, welcher aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird und gasförmiger Wasserstoff, welcher ebenfalls aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern.
Flüssige organische Wasserstoffträger, auch oft als LOHC (liquid organic hydrogen carrier) bezeichnet, sind Stoffe welche mit Wasserstoff hydriert werden können. Flüssige organische Wasserstoffträger können im hydrierten Zustand direkt als Treibstoff in einer Verbrennungsmaschine eingesetzt werden oder nur als Wasserstoffspeicher. Wird bei der Verwendung der flüssigen organischen Wasserstoffträger als Speichermaterial Wasserstoff benötigt, wird dieser durch Dehydrierung freigesetzt. Die flüssigen organischen Wasserstoffspeicher sind bevorzugt sowohl im hydrierten als auch im dehydrierten Zustand flüssig. So können die Stoffe einfach gelagert und transportiert werden.
Als flüssiger organische Wasserstoffträger wird unter anderem Dibenzyltoluol eingesetzt. Es eignen sich jedoch auch dibenzyltoluolhaltige Stoffe. Zudem können bevorzugt kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen, welche aromatische Gruppen und/oder Mehrfachbindungen enthalten, eingesetzt werden, wenn eine signifikante Anzahl an Wasserstoff gebunden werden kann, welches unter Umgebungsbedingungen nicht abgespalten wird.
Die flüssigen organischen Wasserstoffträger weisen im hydrierten Zustand eine Sättigung von 0,1 bis 20 %, insbesondere 5 bis 10 % und bevorzugt 7 % Wasserstoff auf. Bei den Prozentangaben handelt es sich um Prozentangaben basierend auf dem Gewicht, also Gewichtsprozent (Gew.-%).
Sowohl die Hydrierung als auch die Dehydrierung des Stoffes erfolgt in der Regel durch Katalyse und bei hohen Temperaturen (100 - 400 °C) und Drücken (1 bis 70 bar), weshalb sich die flüssigen organischen Wasserstoffträger in normaler Umgebung als stabile Speichersysteme erweisen. Der Wasserstoff wird unter normalen Lagerbedingungen nicht abgegeben, der Wasserstoff ist fest gebunden und kann nicht verdampfen.
Die Dehydrierung erfolgt bisher in der Regel in einem Batchreaktor oder einem kontinuierlich betriebenen Rohrreaktor. Der Katalysator ist dabei auf geeignete Trägermaterialien aufgebracht und als Festbettschüttung oder in Form einer Gitterstruktur in das Reaktorrohr eingebracht. Der hydrierte flüssige organische Wasserstoffträger wird über den Katalysator geleitet, beispielsweise über ein Sprühverfahren. Dabei wird der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger am Boden des Reaktors gesammelt und abgezogen und der gasförmige Wasserstoff am Kopf des Reaktors. Die flüssigen organischen Wasserstoffträger haben selbst jedoch einen geringen Dampfdruck und sind bei den Reaktionsbedingungen zumindest teilweise ebenfalls gasförmig. Deshalb muss zur Reinigung des Wasserstoffs der gasförmige Produktstrom über Filter oder über auskondensieren des flüssigen organischen Wasserstoffträgers gereinigt werden. Der gereinigte flüssige organische Wasserstoffträger kann recycelt werden.
Nachteilig an den bisherigen Verfahren ist unter anderem, dass durch die zusätzlich notwendigen Vorrichtungen zur Gasreinigung keine kompakte Bauweise des Dehydrierers möglich ist. Dies ist jedoch insbesondere zur Integration in kompakten Wasserstoffanlagen, wie beispielsweise Wasserstofftankstellen notwendig. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energieverbrauch. Zur Dehydrierung werden bisher ca. 9 kWh pro Kilogramm gewonnen Wasserstoffs benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben bei dem der Platzbedarf verringert wird.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Dehydrierer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart und ein Verfahren zum Betrieb des Dehydrierers mit den Merkmalen des Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Dehydrierers und des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
Der Dehydrierer, also die Vorrichtung zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern besteht aus einem stehenden zylinderförmigem Gehäuse wobei durch das Gehäuse zentrisch eine Welle durchgeführt ist und

- wobei an der Welle, innerhalb des Gehäuses mindestens zwei Schaufeln befestigt sind, wobei die Schaufeln einseitig geschlossen sind und an denen an der offenen Seite Umlenkbleche angebracht ist
- und wobei zwischen den Schaufeln Kühlvorrichtungen angebracht sind
- und wobei am äußeren Rand der Schaufeln durchströmbare Behälter, welche mit einem Katalysator gefüllt sind, angebracht sind
- und wobei das Gehäuse von einem Wärmetauscher umgeben ist
- und wobei das Gehäuse einen Eingang für den flüssigen organischen Wasserstoffträger aufweist sowie je einen Ausgang für Wasserstoff und dehydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträger.

Bevorzugt ist bei dem Dehydrierer eine Eingangsleitung für die Kühlvorrichtungen in den Umlenkblechen der Schaufeln eingerichtet und eine Ausgangsleitung in einem oberen Deckel der Schaufeln eingerichtet, wobei die Strömungsführung auch umgekehrt werden kann.
Vorteilhafterweise stehen die Eingangs- und die Ausgangsleitung mit der Welle in Verbindung. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante sind sowohl die Eingangs- wie auch die Ausgangsleitung zentrisch im Gehäuse angeordnet, so dass das Kühlmittel durch eine Pumpe durch den Dehydrierer gefördert wird, welche dazu mit dem Vorratsbehälter des Kühlmittels und dem Dehydrierer in Verbindung steht. Bei der Verwendung einer Pumpe können die Leitungen auf gegenüberliegenden Seiten oder auf der gleichen Seite des Dehydrierers angeordnet sein. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird nur die Ausgangsleitung zentrisch im Dehydrierer platziert und die Eingangsleitung ist exzentrisch platziert. In dieser Variante entsteht durch die Fliehkräfte, welche bei der Drehung der Welle und der daran montierten Schaufeln und Kühlvorrichtungen entstehen, ein Druckunterschied, so dass das Kühlmittel ohne Pumpe durch den Dehydrierer gefördert wird.
Bevorzugt sind zwischen 2 und 30 Schaufeln, insbesondere jedoch zwischen 5 und 15 Schaufeln vorgesehen. Vorteilhafterweise ist pro Schaufel mindestens eine Kühlvorrichtung vorhanden. Die Anzahl der Kühlvorrichtung ist von der notwendigen Kühlleistung abhängig und kann je nach Auslegung des Dehydrierers variieren.
Zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern in einem Dehydrierer, wird der flüssige organische Wasserstoffträger durch den Dehydrierer geführt, welcher im Inneren eine drehbare Welle aufweist, an welcher mindestens zwei Schaufeln befestigt sind, welche am äußeren Rand durch einen durchströmbaren Behälter begrenzt sind, in welchen ein Katalysator eingebracht ist. Hydrierter flüssiger organische Wasserstoffträger wird in den Dehydrierer eingeleitet, von außen nach innen durch den durchströmbaren Behälter geführt und durch den Katalysator dehydriert. Im Inneren der Schaufel befindet sich dehydrierter organischer Wasserstoffträger, welcher aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird und gasförmiger Wasserstoff, welcher ebenfalls aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird.
Vorteilhafterweise wird der Dehydrierer auf 150 bis 390 °C beheizt. Bevorzugt findet die Dehydrierung bei 0 bis 5 bar statt.
Die Schaufeln weisen vorteilhafterweise zwischen der Welle und dem durchströmbaren Behälter Kühlvorrichtungen auf, durch welches ein Kühlmedium insbesondere bei -40 bis 100°C und bevorzugt bei 0 bis 40°C gefördert wird.
Als Kühlmedium werden bevorzugt diverse Wasserglykole und Terphenyle verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass nur am Katalysator, also am durchströmbaren Behälter die für die Dehydrierung notwendigen Temperaturen vorherrschen. Im Inneren der Schaufel wird der dehydrierte flüssige organische Wasserstoffträger auf Temperaturen unterhalb seines Dampfdrucks gekühlt, so dass reiner gasförmiger Wasserstoff abgetrennt werden kann. Der dehydrierte flüssige Wasserstoffträger sammelt sich aufgrund der Fliehkräfte zudem im äußeren Bereich des Schaufels und/oder des Behälters, während sich der leichtere gasförmige Wasserstoff nahe der Welle sammelt. So kann eine Abtrennung beider Produkte erfolgen ohne, dass eine weitere Aufreinigung notwendig ist.
Bevorzugt erfolgt die Beheizung des Dehydrierers durch die Nutzung einer Wärmepumpe oder durch Erdgas. Besonders durch die Nutzung einer Wärmepumpe kann Energie eingespart werden und so die Betriebskosten für die Dehydrierung gesenkt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der zylinderförmige Dehydrierer statt stehend auch waagrecht angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der 1 erläutert werden. Es zeigt:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Dehydrierers.

Der in 1 dargestellte Dehydrierer besteht aus einem stehenden zylinderförmigen Gehäuse 10. Zentrisch darin eingebracht ist eine Welle 11. An dieser Welle sind Schaufeln angebracht, wobei in der dargestellten Schnittansicht zwei Schaufeln dargestellt sind. Die Schaufeln sind einseitig geschlossen. An der offenen Seite, welche sich im dargestellten Ausführungsbeispiel unten befindet, ist ein strömungsoptimierendes Umlenkblech 2 eingesetzt. An der Welle sind bevorzugt 20 Schaufeln befestigt. Zwischen den Schaufeln ist eine Kühlvorrichtung 8 angebracht. Es befindet sich bevorzugt zwischen jeder Schaufel eine Kühlvorrichtung.
Am äußeren Rand der Schaufeln ist, zwischen den Schaufeln, jeweils ein durchströmbarer Behälter 3 befestigt. Dieser Behälter 3 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Gitterkorb ausgebildet. Der Behälter nimmt den Katalysator als Festbettschüttung auf.
Die Zuleitung 7 für das Kühlmittel für die Kühlvorrichtung 8 befindet sich im dargestellten Beispiel im unteren Bereich der Schaufeln, im Umlenkblech 2. Die Zuleitung 7 wird innerhalb der Welle 11 in den Behälter 10 eingeführt.
Die Ausleitung 9 des Kühlmittels befindet sich am Deckel der Schaufeln und wird über die Welle 11 aus dem Gehäuse 10 ausgeleitet.
Der Dehydrierer wird durch einen Wärmetauscher 4 beheizt. Dieser ist als Mantel außen am Gehäuse 10 angebracht.
Im unteren Deckel des Gehäuses 10 befindet sich die Zuführung für das Edukt 1, also dem hydriertem flüssigem organischem Wasserstoffträger. Der Wasserstoffstrom wird als Edukt über den oberen Deckel des Gehäuses ausgeleitet. Die Ausleitung 6 des Wasserstoffstroms ist in diesem Ausführungsbeispiel nahe der Welle 11 angeordnet. Die Ableitung 5 für den dehydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträger befindet sich ebenfalls im oberen Deckel des Gehäuses, jedoch am äußeren Rand der Schaufeln nahe des durchströmbaren Behälters 3.
Bezugszeichenliste

1: Zuführung Edukt
2: Umlenkblech
3: durchströmbarer Behälter
4: Wärmetauscher
5: Ableitung dehydrierter flüssiger organischer Wasserstoffträger
6: Ableitung Wasserstoff
7: Zuführung Kühlmittel
8: Kühlvorrichtung
9: Ausleitung Kühlmittel
10: Gehäuse
11: Welle

Claims

Vorrichtung zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem stehenden zylinderförmigem Gehäuse (10) besteht - und dass durch das Gehäuse (10) zentrisch eine Welle (11) durchgeführt ist - wobei an der Welle (11), innerhalb des Gehäuses (10) mindestens zwei Schaufeln befestigt sind, wobei die Schaufeln einseitig geschlossen sind und an denen an der offenen Seite Umlenkbleche (2) angebracht sind - und wobei zwischen den Schaufeln Kühlvorrichtungen (8) angebracht sind - und wobei am äußeren Rand der Schaufeln durchströmbare Behälter (3), welche mit einem Katalysator gefüllt sind, angebracht sind - und wobei das Gehäuse (10) von einem Wärmetauscher umgeben ist - und wobei das Gehäuse einen Eingang für den flüssigen organischen Wasserstoffträger aufweist sowie je einen Ausgang für Wasserstoff und dehydrierten flüssigen organischen Wasserstoffträger.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsleitung (7) für die Kühlvorrichtungen (8) in den Umlenkblechen (2) der Schaufeln eingerichtet ist und eine Ausgangsleitung (9) in einem oberen Deckel der Schaufeln eingerichtet ist, wobei die Strömungsführung auch umgekehrt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs (7)- und die Ausgangsleitung (9) mit der Welle (11) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 2 und 30 Schaufeln, insbesondere jedoch zwischen 5 und 15 Schaufeln vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass pro Schaufel mindestens eine Kühlvorrichtung (8) vorhanden ist.
Verfahren zur Dehydrierung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern in einem Dehydrierer, dadurch gekennzeichnet dass der flüssige organische Wasserstoffträger durch den Dehydrierer geführt wird, welcher im Inneren eine drehbare Welle (11) aufweist, an welcher mindestens zwei Schaufeln befestigt sind, welche am äußeren Rand durch einen durchströmbaren Behälter (3) begrenzt sind, in welchen ein Katalysator eingebracht ist und dass hydrierter flüssige organische Wasserstoffträger in den Dehydrierer eingeleitet wird, von außen nach innen durch den durchströmbaren Behälter (3) geführt wird, durch den Katalysator dehydriert wird und sich im inneren der Schaufel dehydrierter organischer Wasserstoffträger befindet, welcher aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird und gasförmiger Wasserstoff, welcher ebenfalls aus dem Dehydrierer ausgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehydrierer auf 150 bis 390 °C beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydrierung bei 0 bis 5 bar stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln zwischen der Welle (11) und dem durchströmbaren Behälter (3) Kühlvorrichtungen (8) aufweisen, durch welche ein Kühlmedium gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Dehydrierers durch die Nutzung einer Wärmepumpe oder durch Erdgas erfolgt.