DE102018112463A1 - Process for carrying out strong gas-releasing reactions - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Durchführung stark Gas freisetzender Reaktionen durch Entladung eines Gas-Produktes aus einem flüssigen Edukt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein flüssiges Edukt eine mit Katalysator beladene poröse Struktur durchströmt.A method for carrying out strong gas-releasing reactions by discharging a gas product from a liquid starting material, characterized in that at least one liquid starting material flows through a porous structure loaded with a catalyst.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung stark Gas freisetzender Reaktionen durch Entladung eines Gasproduktes aus einem flüssigen Edukt, wobei das flüssige Edukt eine mit Katalysator beladene poröse Struktur durchströmt. Die Erfindung betrifft ferner Vorrichtungen zur Durchführung der Entladung sowie die Verwendung einer mit Katalysator beladenen porösen Struktur zur Durchführung stark Gas freisetzender Reaktionen.The present invention relates to a method for carrying out strong gas-releasing reactions by discharging a gas product from a liquid starting material, wherein the liquid starting material flows through a catalyst-loaded porous structure. The invention further relates to devices for carrying out the discharge and the use of a catalyst-loaded porous structure for carrying out strong gas-releasing reactions.
Stark Gas freisetzende Reaktionen, also stark Gas erzeugende Reaktionen, sind z.B. aus der Dehydrierung flüssiger, organischer Wasserstoffträger (LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carriers) bekannt.Strong gas-releasing reactions, that is strong gas-generating reactions, are e.g. from the dehydrogenation of liquid, organic hydrogen carriers (LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carriers) known.
Bei diesem Reaktionstyp wird eine flüssige organische Substanz (beladener organischer Wasserstoffträger) bei erhöhter Temperatur an einem festen Katalysator zersetzt in ein wiederum flüssiges Produkt (entladener organischer Wasserstoffträger) und Wasserstoff. Pro Molekül der organischen Substanz werden je nach chemischer Natur der organischen Substanz bis zu 9 Moleküle Wasserstoff freigesetzt, wodurch eine sehr starke und plötzliche Gasentwicklung verursacht wird. Diese Gasentwicklung behindert die Erreichung eines hohen Umsatzgrades, indem das sich bildende Gas den Zugang der noch nicht umgesetzten Flüssigkeitsanteile zu dem Katalysator erschwert. Dies liegt daran, dass der Kontakt zwischen den Flüssigkeitsmolekülen und der überwiegend im Inneren der üblicherweise porösen Katalysatoren befindlichen Katalysatoroberfläche (Nanopartikel) ein Eindiffundieren in die poröse Struktur erfordert. Bildet sich im Inneren der Struktur nun Gas, welches nach außen strebt, so wird das Eindringen der Flüssigkeit erschwert und dadurch ihre Umsetzung. Aus diesem Grund werden Katalysatoren für diesen Reaktionstyp als Schalenkatalysatoren ausgeführt, d.h. nur in einer dünnen Schale an der äußeren Oberfläche der einen oder mehrere Millimeter durchmessenden Katalysatorpellets werden die katalytisch aktiven Nanopartikel platziert. Dies jedoch führt zu einer geringen Menge an Katalysator pro Reaktorvolumen und somit zu einer schlechten Volumenausnutzung. Weiterhin tritt in konventionellen Reaktorsystemen mit durchströmten Packungen aus solchen Pellets oder mit dünnen Katalysatorschichten auf strukturierten Trägern (Schwämme, 3D-gedruckte Strukturen, etc.) durch die Gasentwicklung eine starke Verbreiterung der Verweilzeitverteilung der Flüssigphase auf, die ebenfalls einer vollständigen Umsetzung der beladenen Flüssigkeit entgegenwirkt, weil die kürzeste praktisch auftretende Verweilzeit immer noch so lange gewählt werden muss, dass eine vollständige Umsetzung möglich ist. Dies bedingt ein großes Bauvolumen um hohe Entladungsgrade sicherzustellen. Diese sind bei der Anwendung solcher Systeme in Fahrzeugen nötig um eine hohe Reichweite pro Liter LOHC zu erzielen.In this type of reaction, a liquid organic substance (charged organic hydrogen carrier) is decomposed at elevated temperature on a solid catalyst into a liquid product (discharged organic hydrogen carrier) and hydrogen. Depending on the chemical nature of the organic substance, up to 9 molecules of hydrogen are released per molecule of the organic substance, causing a very strong and sudden evolution of gas. This evolution of gas impedes the achievement of a high degree of conversion in that the forming gas impedes the access of the unreacted liquid components to the catalyst. This is because the contact between the liquid molecules and the catalyst surface (nanoparticles) located predominantly inside the usually porous catalysts requires diffusion into the porous structure. If gas forms in the interior of the structure, which strives outwards, the penetration of the liquid is made more difficult and thus its implementation. For this reason, catalysts for this type of reaction are carried out as shell catalysts, i. The catalytically active nanoparticles are placed only in a thin shell on the outer surface of the one or more millimeter-diameter catalyst pellets. However, this leads to a small amount of catalyst per reactor volume and thus to poor volume utilization. Furthermore, in conventional reactor systems with flow-through packings of such pellets or with thin catalyst layers on structured supports (sponges, 3D printed structures, etc.), the gas evolution causes a considerable broadening of the residence time distribution of the liquid phase, which likewise counteracts complete conversion of the laden liquid because the shortest practical residence time must still be chosen so long that complete implementation is possible. This requires a large volume of construction to ensure high levels of discharge. These are necessary in the application of such systems in vehicles to achieve a high range per liter LOHC.
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Die Veröffentlichung von von Wild 2010 bei der „
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Die heute erhältlichen Wasserstofffreisetzungssysteme für LOHC (Hydrogenious Technology) sind noch erheblich zu groß, um mobile Anwendungen im LKW-Bereich zu ermöglichen. Dies liegt im Wesentlichen an der zu geringen Reaktor-Produktivität pro Volumen bei dem geforderten hohen Entladungsgrad.The Hydrogenious Technology (LOHC) hydrogen release systems available today are still significantly too large to accommodate mobile applications in the trucking industry. This is mainly due to the low reactor productivity per volume at the required high discharge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist. Insbesondere soll eine gute Kontaktierung der Produkte mit dem Katalysator gewährleistet werden, um eine im Wesentlichen vollständige Umsetzung der Produkte zu erreichen. Das Verfahren soll ferner eine möglichst kurze Verweilzeit des beladenen Produktes bei einer wie oben erwähnten im Wesentlichen vollständigen Umsetzung gewährleistet.It was therefore an object of the present invention to provide a process which does not overcome the disadvantages of the prior art has more. In particular, a good contact of the products with the catalyst should be ensured in order to achieve a substantially complete reaction of the products. The method should also ensure the shortest possible residence time of the loaded product at a substantially complete implementation as mentioned above.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtungen im Bereich der Mobilität, der sog. On-Board-Erzeugung von Wasserstoff aus LOHC, z.B. in LKW sein. Im Allgemeinen sollen eine hohe volumetrische Gasfreisetzungsrate, insbesondere Wasserstoff-Freisetzungsrate und ein geringes Systemgewicht erzielt werden.Another object of the present invention is the use of the method and the corresponding devices in the field of mobility, the so-called. On-board generation of hydrogen from LOHC, e.g. be in truck. In general, a high volumetric gas release rate, in particular hydrogen release rate and a low system weight should be achieved.
Ferner sollen hohe Entladungsgrade des Produktes bei geringem Bauvolumen der für das Verfahren notwendigen Vorrichtung ermöglicht werden.Furthermore, high degrees of discharge of the product are to be made possible with a small construction volume of the device necessary for the process.
Weitere Aufgabe war es mithin, Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, in welchen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtungen sollen ein geringeres Bauvolumen als der Stand der Technik vorweisen und gleiche oder höhere Entladungsgrade des Produktes ermöglichen.Another object was therefore to provide devices in which the method according to the invention can be carried out. These devices are intended to have a smaller construction volume than the prior art and allow equal or higher levels of discharge of the product.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung stark Gas freisetzender Reaktionen durch Entladung eines Gas-Produktes aus einem flüssigen Edukt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein flüssiges Edukt eine mit Katalysator beladene poröse Struktur durchströmt. Alternativ wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Entladung eines Gas-Produktes aus einem flüssigen Edukt gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein flüssiges Edukt eine mit Katalysator beladene poröse Struktur durchströmt.The object is achieved by a method for carrying out strong gas-releasing reactions by discharging a gas product from a liquid starting material, characterized in that at least one liquid starting material flows through a catalyst-loaded porous structure. Alternatively, the object is achieved by a method for discharging a gas product from a liquid starting material, characterized in that at least one liquid educt flows through a catalyst-loaded porous structure.
In einer Ausführung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen das gesamte flüssige Produkt die poröse Struktur durchströmt.In one embodiment, the method is characterized in that essentially the entire liquid product flows through the porous structure.
Im Sinne der Erfindung wird der Begriff „im Wesentlichen“ bezogen auf eine Stoffmenge verwendet um zu definieren, dass mindestens 80 %, bevorzugt 85 %, 86, 87, 88, 89 %, besonders bevorzugt 90, 91, 92, 93, 94 %, insbesondere 95, 96, 97, 98, 99 oder 100 % dieses Stoffes betroffen sind. Das bedeutet beispielsweise, dass im Falle des Eduktes, das im Wesentlichen vollständig die poröse Struktur durchströmt beziehungsweise in diese einströmt, umgesetzt, und bevorzugt entladen wird und im Wesentlichen als Produkt die poröse Struktur verlässt, mindestens 80 %, bevorzugt 85 %, 86, 87, 88, 89 %, besonders bevorzugt 90, 91, 92, 93, 94 %, insbesondere 95, 96, 97, 98, 99 oder 100 % die poröse Struktur durchströmen beziehungsweise in die Struktur einströmen.For the purposes of the invention, the term "essentially" is used with reference to an amount of substance to define that at least 80%, preferably 85%, 86, 87, 88, 89%, particularly preferably 90, 91, 92, 93, 94%. , in particular 95, 96, 97, 98, 99 or 100% of this substance are concerned. This means, for example, that in the case of the starting material which substantially flows through the porous structure or flows into it, is reacted, and preferably discharged and essentially leaves the porous structure as a product, at least 80%, preferably 85%, 86, 87 , 88, 89%, particularly preferably 90, 91, 92, 93, 94%, in particular 95, 96, 97, 98, 99 or 100% flow through the porous structure or flow into the structure.
Ein im Wesentlichen vollständiger Umsatz bzw. Entladung bedeutet im Sinne der Erfindung, dass mindestens 80 %, bevorzugt 85 %, 86, 87, 88, 89 %, besonders bevorzugt 90, 91, 92, 93, 94 %, insbesondere 95, 96, 97, 98, 99 oder 100 % des Eduktes umgesetzt bzw. entladen werden.Substantially complete conversion or discharge means for the purposes of the invention that at least 80%, preferably 85%, 86, 87, 88, 89%, particularly preferably 90, 91, 92, 93, 94%, in particular 95, 96, 97, 98, 99 or 100% of the educt are reacted or discharged.
Entladung im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass ein Gas als Produkt aus einem flüssigen Edukt freigesetzt wird. Das Gas-Produkt, also das gasförmige Produkt, kann in einer Alternative im Edukt gebunden sein, im Sinne einer Lösung, Absorption, etc., oder durch Teilverdampfung einer Flüssigkeit entstehen.Discharge in the sense of the present invention means that a gas is liberated as product from a liquid educt. The gas product, ie the gaseous product, can be bound in an alternative in the educt, in the sense of a solution, absorption, etc., or by partial evaporation of a liquid.
In einer weiteren, bevorzugten Alternative wird das Gas bei der Reaktion des flüssigen Eduktes am Katalysator gebildet, also in situ synthetisiert in einer chemischen Reaktion. Möglich sind auch Mischformen, d.h. zum Beispiel sowohl Synthese in Kombination mit Desorption, Teilverdampfung, etc..In a further, preferred alternative, the gas is formed during the reaction of the liquid starting material on the catalyst, that is synthesized in situ in a chemical reaction. Also possible are mixed forms, i. for example both synthesis in combination with desorption, partial evaporation, etc ..
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass mindestens ein flüssiges Produkt eine poröse Struktur, die mit Katalysator beladen (beschichtet oder beaufschlagt) ist, durchströmt.An essential feature of the present invention is that at least one liquid product flows through a porous structure which is loaded (coated or coated) with catalyst.
Durchströmen im Sinne der Erfindung bedeutet jedoch nicht, dass dasselbe Produkt, welches auf der einen Seite der porösen Struktur einströmt, auf der gegenüberliegenden Seite der Struktur ausströmt. Durchströmen im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet lediglich, dass das Produkt in die poröse Struktur einströmt, bei Kontakt mit dem Katalysator umgesetzt, also entladen wird, und das gasförmige Produkt, ggf. nicht umgesetztes flüssiges Edukt und ggf. mindestens ein weiteres Produkt, bevorzugt ein weiteres flüssiges, entladenes Produkt ausströmen.However, flow according to the invention does not mean that the same product, which flows in on one side of the porous structure, flows out on the opposite side of the structure. For the purposes of the present invention, flow through only means that the product flows into the porous structure, is reacted upon contact with the catalyst, ie is discharged, and the gaseous product, if appropriate unreacted liquid educt and optionally at least one further product, preferably one pour out another liquid, discharged product.
In einer weiteren Ausführung betrifft die Erfindung ein Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur ein Material, bevorzugt ein Monolith ist, welches dreidimensional fluidisch verknüpfte Hohlräume aufweist.In a further embodiment, the invention relates to a method characterized in that the porous structure is a material, preferably a monolith, which has three-dimensionally fluidically connected cavities.
Dreidimensional fluidisch verknüpfte Hohlräume im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass eine Vielzahl einzelner Poren, auch als Hohlräume bezeichnet, in der porösen Struktur vorliegen und miteinander verknüpft sind, so dass ein Durchströmen der porösen Struktur durch ein Fluid gewährleistet ist. Mit anderen Worten, die poröse Struktur weist einen gemeinsamen feststofffreien Raum auf, der sich quer durch die poröse Struktur erstreckt, also von einem Rand bis zum gegenüberliegenden Rand. Der feststofffreie Raum ist gebildet durch Poren, Hohlräume, die fluidisch miteinander verknüpft sind.Three-dimensionally fluidically interconnected cavities in the sense of the present invention means that a large number of individual pores, also referred to as cavities, are present in the porous structure and linked to one another, so that a flow through the porous structure is ensured by a fluid. In other words, the porous structure has a common solids-free space that extends across the porous structure, that is, from one edge to the opposite Edge. The solids-free space is formed by pores, cavities, which are fluidically linked together.
Das Verfahren ist in einer Alternative dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur mit Katalysatorpartikeln beladen (beschichtet oder beaufschlagt als gleichwertige Termini) ist.The process is characterized in an alternative in that the porous structure is loaded (coated or treated as equivalent termini) with catalyst particles.
Die poröse Struktur ist in einer Ausführung mit Katalysatorpartikel beladen.The porous structure is loaded in one embodiment with catalyst particles.
In einer weiteren Alternative oder zusätzlich ist der Katalysator an den Wänden der Poren bzw. Hohlräume der porösen Struktur fixiert.In a further alternative or in addition, the catalyst is fixed to the walls of the pores or cavities of the porous structure.
Bevorzugt werden nanoskalige Katalysatorpartikel eingesetzt, das heißt Katalysatorpartilkel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1 - 1000 nm, bevorzugt 1 - 100 nm, besonders bevorzugt 1 - 10 nm.Preference is given to using nanoscale catalyst particles, that is to say catalyst particles having an average diameter of 1 to 1000 nm, preferably 1 to 100 nm, more preferably 1 to 10 nm.
In einer weiteren Ausführung weist die poröse Struktur Poren bzw. Hohlräume mit einer nominalen Porengröße von 1 nm - 20 µm auf.In a further embodiment, the porous structure has pores or cavities with a nominal pore size of 1 nm-20 μm.
In einer Alternative ist die poröse Struktur ein monolithischer Körper. In einer Alternative enthält oder besteht dieser aus mindestens einem Monolithen aus folgenden Materialien: Al2O3, ZrO2, TiO2, Al-Si-Mischoxide, Cordierit, Edelstähle oder Hochtemperaturstähle.In an alternative, the porous structure is a monolithic body. In one alternative, it contains or consists of at least one monolith of the following materials: Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , Al-Si mixed oxides, cordierite, stainless steels or high-temperature steels.
In einer Alternative ist die poröse Struktur ein keramischer Schwamm, bevorzugt ein Monolith aus keramischem Schwamm . In einer Alternative ist die poröse Struktur aus mehreren Monolithen gebildet.In an alternative, the porous structure is a ceramic sponge, preferably a ceramic sponge monolith. In an alternative, the porous structure is formed of a plurality of monoliths.
Erfindungsgemäß einzusetzende Monolithe sind mit Katalysator funktionalisierte Monolithe. In einer Alternative umfasst der Begriff Monolith auch andere (mikro)strukturierte Körper oder Packungen von Katalysatorpulver.Monoliths to be used according to the invention are catalyst-functionalized monoliths. In one alternative, the term monolith also includes other (micro) structured bodies or packages of catalyst powder.
Der oder die Materialien, bevorzugt Monolithe der porösen Struktur besitzen Poren, Hohlräume mit einer Zelldichte von 200 bis 1.000 cpsi, bevorzugt 250 bis 800, besonders bevorzugt 200 bis 700, 350 bis 650, insbesondere 400 bis 600. Der oder die Monolithe sind mit Katalysator funktionalisiert, d.h. in den Poren befindet sich mindestens ein Katalysator.The one or more materials, preferably monoliths of the porous structure, have pores, cavities with a cell density of 200 to 1000 cpsi, preferably 250 to 800, particularly preferably 200 to 700, 350 to 650, in particular 400 to 600. The monolith (s) are with catalyst functionalized, ie there is at least one catalyst in the pores.
Als Katalysator werden Katalysatoren enthaltend Metalle, bevorzugt Edelmetalle, weiter bevorzugt Rodium, Platin, Palladium und/oder Gold und/oder Übergangsmetalle, bevorzugt Nickel, Kupfer, Kobalt, Eisen, etc. eingesetzt. In einer Alternative werden mikroporöse Trägermaterialien eingesetzt, um die Oberfläche für das katalytisch aktive Material (Metalle) zu erhöhen. Dabei wird das Trägermaterial (typischerweise Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2) mit gängigen Verfahren wie Sol-Gel Technik, Washcoat oder ähnliches auf dem Monolithen aufgebracht, alternativ auf einem anderweitig beschichteten Körper wie z.B. einem mikrostrukturierten System.The catalysts used are catalysts comprising metals, preferably noble metals, more preferably rutium, platinum, palladium and / or gold and / or transition metals, preferably nickel, copper, cobalt, iron, etc. In one alternative, microporous support materials are used to increase the surface area of the catalytically active material (metals). In this case, the support material (typically Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 ) is applied by conventional methods such as sol-gel technique, washcoat or the like on the monolith, alternatively on an otherwise coated body such as a microstructured system.
In einer Alternative zeigt der sich in der porösen Struktur befindende Katalysator, also in den Poren des Materials, bevorzugt eines Monolithen, einen Konzentrationsgradienten auf. Die Konzentration des Katalysators pro Volumeneinheit Monolith oder Zelle kann sich axial oder radial ändern.In an alternative, the catalyst located in the porous structure, ie in the pores of the material, preferably a monolith, exhibits a concentration gradient. The concentration of catalyst per unit volume of monolith or cell can change axially or radially.
Die poröse Struktur ist bevorzugt ein Sintermaterial, enthaltend oder bestehend aus Metall, Glas, Keramik oder temperaturstabilem Kunststoff oder eine beliebige Kombination davon.The porous structure is preferably a sintered material containing or consisting of metal, glass, ceramic or temperature-stable plastic or any combination thereof.
In einer Alternative der Erfindung weisen die Wände der Poren eine (zusätzliche) mikroporöse Schicht auf, die mit Katalysator-Nanopartikeln beladen wird.In an alternative of the invention, the walls of the pores have an (additional) microporous layer which is loaded with catalyst nanoparticles.
Eine Ausführung betrifft ein Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein flüssiges, mit Gas beladenes Produkt druckgetrieben in die poröse Struktur einströmt beziehungsweise diese durchströmt.One embodiment relates to a method characterized in that at least one liquid gas-laden product flows pressure-driven into the porous structure or flows through it.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden.The process according to the invention can be carried out continuously.
Eine stark Gas freisetzende Reaktion im Sinne der Erfindung ist gekennzeichnet durch Freisetzung von mindestens 2 Mol eines gasförmigen Produkts aus einem Mol flüssigen Edukts oder mindestens 100 ml eines gasförmigen Produkts aus 1 ml eines flüssigen Produkts.A strong gas-releasing reaction according to the invention is characterized by liberation of at least 2 moles of a gaseous product from one mole of liquid starting material or at least 100 ml of a gaseous product from 1 ml of a liquid product.
Stark Gas-freisetzende Reaktionen werden wie folgt definiert:
- Reaktionen, bei denen aus einem Mol eines flüssigen Edukts gegebenenfalls ein Mol eines flüssigen Produkts und mindestens zwei Mol eines gasförmigen Produkts,
3, 4, 5 Mol eines gasförmigen Produkts, besonders bevorzugt 6, 7 Mol eines gasförmigen Produkts, insbesondere 8, 9 oder mehr Mol freigesetzt werden.bevorzugt - Alternativ werden solche Reaktionen über Volumina definiert als Reaktionen, aus denen aus 1 ml eines flüssigen Edukts mindestens 100 ml eines gasförmigen Produkts entstehen, bevorzugt 200, 300, besonders bevorzugt 400, insbesondere 500 ml oder mehr eines gasförmigen Produkts entsteht beziehungsweise synthetisiert wird.
- Reactions in which from one mole of a liquid educt optionally one mole of a liquid product and at least two moles of a gaseous product, preferably 3, 4, 5 moles of a gaseous product, more preferably 6, 7 moles of a gaseous product, in particular 8, 9 or more moles are released.
- Alternatively, such reactions are defined via volumes as reactions from which at least 100 ml of a gaseous product are formed from 1 ml of a liquid educt, preferably 200, 300, particularly preferably 400, in particular 500 ml or more of a gaseous product being formed or synthesized.
Wie oben erwähnt kann neben dem Gas-Produkt ein weiteres fluides Produkt gebildet werden.As mentioned above, in addition to the gas product, another fluid product may be formed.
Bevorzugt wird als Gas-Produkt
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Gasfreisetzung in einer von dem flüssigen Edukt durchströmten Pore in welcher ein Katalysator, bevorzugt in Partikelform angeordnet ist. Die Wand des Hohlraums, also der Pore, ist bevorzugt mit nanoskaligen Katalysatorpartikeln beaufschlagt beziehungsweise beladen. Eine solche poröse Struktur entspricht einem dreidimensional aufgespannten Schalenkatalysator.Essential for the present invention is the gas release in a flow-through of the liquid reactant pore in which a catalyst, preferably arranged in particle form. The wall of the cavity, so the pore, is preferably loaded or loaded with nanoscale catalyst particles. Such a porous structure corresponds to a three-dimensionally coated shell catalyst.
Das flüssige Edukt wird von der einen Seite mittels Druck in die poröse Struktur eingebracht. Bei Kontakt mit dem Katalysator erfolgt die Gasentladung. Die dreidimensional fluidisch verknüpften Hohlräume ermöglichen einen störungsfreien Abtransport der entstehenden Glasblasen in Strömungsrichtung, mit anderen Worten es erfolgt ein konvektiver Transport des entladenen Gases, also der Transport der Gasblasen mit der strömenden Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit kann einerseits das flüssige Edukt sein, andererseits aber auch das entladene, flüssige Produkt. In Strömungsrichtung wird beladenes flüssiges Edukt nachgeführt. Durch den störungsfreien Abtransport des entladenen Gases behindert dieses den Zugang von frischem Edukt zu dem Katalysator nicht. Schematisch ist dies in
In einer Ausführung der Erfindung wird das Verfahren und die entsprechende Vorrichtung wie folgt beschrieben:In one embodiment of the invention, the method and the corresponding device are described as follows:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Beladenes flüssiges Edukt (Druck pF)Loaded liquid educt (pressure pF)
- 22
- Mit Katalysator beaufschlagte HohlraumwändeCatalyst walls loaded with the cavity
- 33
- Freigesetztes Gas (Druck pF)Released gas (pressure pF)
- 44
- Entladenes flüssiges Produkt (Druck pF < pF)Discharged liquid product (pressure pF <pF)
- 55
- Poröse MembranPorous membrane
- 66
- Filterscheibenfilter discs
- 77
- Hohlraumwändecavity walls
- 88th
- Dichte mechanische Struktur für fluidische BeheizungDense mechanical structure for fluidic heating
- 99
- Poröse metallische StrukturPorous metallic structure
-
1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren. Hierbei ist mit Ziffer1 das mit Gas beladene, flüssige Edukt bezeichnet. Ziffer2 stellt die mit Katalysator beaufschlagten Hohlraumwände dar. Das freigesetzte Gas ist Ziffer3 und das entladende Produkt ist Ziffer4 .1 schematically shows the inventive method. Here is with numeral1 denotes the gas-loaded, liquid educt.digit 2 represents the catalysed cavity walls. The released gas isnumber 3 and the unloading product is numeral4 , -
2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Ziffer5 ist die poröse Rohrmembran bezeichnet. Von zwei Seiten wird das beladene, flüssige Edukt1 eingegeben. An einer Seite wird das entladene flüssige Produkt4 aus der porösen Rohrmembran5 abgeführt. Auf der anderen Seite wird das entladende Gas3 abgeführt.2 shows a device for carrying out the method according to the invention. With thenumeral 5 is called the porous tube membrane. From two sides is the loaded,liquid educt 1 entered. On one side becomes the dischargedliquid product 4 from theporous tube membrane 5 dissipated. On the other side is the discharginggas 3 dissipated. -
3 zeigt eine andere Variante der Erfindung, bei welcher rotierende Filterscheiben6 verwendet werden. In die Hohlwelle7 wird das flüssige Edukt eingespeist. Durch die Drehung wird das flüssige Edukt in die Filterscheiben6 aufgrund der Fliehkraft eingebracht. Die Filterscheiben6 sind mit einem Katalysator2 beaufschlagt. Das entladene Gas3 und das entladene flüssige Produkt4 werden voneinander getrennt und abgeführt.3 shows another variant of the invention, in whichrotating filter discs 6 be used. In thehollow shaft 7 the liquid reactant is fed. The rotation causes the liquid educt to enter thefilter discs 6 introduced due to centrifugal force. Thefilter discs 6 are with acatalyst 2 applied. The dischargedgas 3 and the dischargedliquid product 4 are separated and discharged. -
4 stellt ein Bauteil dar, das für eine fluidische Beheizung eingesetzt wird. Solche Bauteile weisen eine dichte, metallische Struktur für die fluidische Beheizung8 auf. Weiterhin ist eine poröse, metallische Struktur9 als Material eingesetzt.4 represents a component that is used for a fluidic heating. Such components have a dense, metallic structure for the fluidic heating8th on. Furthermore, a porous,metallic structure 9 used as material.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass der Kontakt zwischen dem flüssigen Edukt und dem Katalysator nicht durch Eindiffusion in ein poröses Katalysatorpellet entgegen der Richtung des Transports des gasförmigen Produkts erfolgt, sondern durch eine druckgetriebene Durchströmung eines porösen Katalysatorkörpers mit Poren im Bereich von unter 1 nm bis etwa 20 nm von innen nach außen, im einfachsten Fall ein Sinterröhrchen bestehend aus Metall, Glas, Keramik, oder einem temperaturstabilen Kunststoff, in dessen dreidimensionales Porensystem die Katalysatornanopartikel abgeschieden und an den Wänden fixiert werden. Zur Erhöhung der Menge an Katalysator-Nanopartikeln kann im Inneren des Röhrchens zuvor eine mikroporöse Schicht an den Wänden aufgebracht werden, welche dann ihrerseits die Katalysator-Nanopartikel aufnimmt und dabei aber nicht die Poren des Röhrchens für die Flüssigkeit unpassierbar macht. Anstelle von Röhrchen können nahezu beliebige Formen, wie Kapillaren, Hohlfasern, Filterscheiben oder sonstige, auch 3D-gedruckte poröse Strukturen mit großer äußerer Oberfläche pro Volumen zum Einsatz kommen. Zur Bereitstellung der erforderlichen Dehydrierwärme können z.B. mittels 3D-Druck auch Kanalstrukturen für ein Heizfluid direkt in die Bauteile integriert werden. Durch die Durchströmung von innen nach außen lassen sich die diffusiven Stofftransportwiderstände eliminieren. Das sich bildende Gas kann durch das dreidimensionale Porennetzwerk bequem nach außen entweichen und blockiert nicht den Zugang der von innen nachgeführten beladenen Flüssigkeit. Beim Austritt aus den Poren tritt in dem umgebenden Gehäuse eine z.B. durch die Schwerkraft oder bei Ausführung als rotierendes Scheibenfilter auch durch Fliehkräfte zusätzlich unterstützte Trennung von Gas und Flüssigkeit ein.The basic principle of the invention is that the contact between the liquid starting material and the catalyst is not effected by diffusion into a porous catalyst pellet counter to the direction of transport of the gaseous product, but by a pressure-driven flow through a porous catalyst body having pores in the range of less than 1 nm up to about 20 nm from the inside to the outside, in the simplest case, a sintered tube consisting of metal, glass, ceramic, or a temperature-stable plastic, in the three-dimensional pore system, the catalyst nanoparticles are deposited and fixed to the walls. In order to increase the amount of catalyst nanoparticles, a microporous layer can be applied to the walls in the interior of the tube, which then in turn absorbs the catalyst nanoparticles and does not make the pores of the tube impassable for the liquid. Instead of tubes, almost any shapes, such as capillaries, hollow fibers, filter disks or other, even 3D-printed porous structures with a large outer surface per volume can be used. To provide the required Dehydrierwärme also channel structures for a heating fluid can be integrated directly into the components, for example by means of 3D printing. Through the flow from inside to outside, the diffusive Eliminate mass transfer resistances. The forming gas can escape easily through the three-dimensional pore network to the outside and does not block the access of the internally tracked laden liquid. When exiting the pores occurs in the surrounding housing, for example, by gravity or when running as a rotating disc filter additionally supported by centrifugal forces separation of gas and liquid.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Grundprinzip einer solchen Vorrichtung ist in
Eine Temperaturerhöhung kann allgemein vor Einleiten des Eduktes in die Vorrichtung oder poröse Struktur erfolgen oder erst oder zusätzlich in der Vorrichtung und/oder porösen Struktur.A temperature increase can generally be carried out before introducing the educt into the device or porous structure or first or additionally in the device and / or porous structure.
Im Sinne der Erfindung sind erhöhte Bedingungen wie z.B. ein erhöhter Druck oder erhöhte Temperatur Bedingungen, die über den als Standardbedingung definierten Werten von 25°C und 1 Atmosphärendruck liegen. Ein erhöhter Druck beziehungsweise eine Druckdifferenz zwischen der Zufuhr- und der Abfuhrseite der porösen Struktur im Sinne der Erfindung kann durch eine Pumpe oder z.B. durch Zentrifugalkräfte erzeugt werden.For the purposes of the invention, elevated conditions such as e.g. an elevated pressure or temperature conditions above the standard conditions of 25 ° C and 1 atmospheric pressure. An increased pressure or a pressure difference between the supply and the discharge side of the porous structure according to the invention can be achieved by a pump or e.g. be generated by centrifugal forces.
Das beladene flüssige Edukt wird in die poröse Struktur eingebracht. Bei Kontakt des Eduktes mit dem Katalysator wird einerseits Gas entladen und ein entladenes, flüssiges Produkt verbleibt. Beides wird in Strömungsrichtung aus der porösen Struktur durch nachrückendes flüssiges Edukt verdrängt. Das entladene Gas hat an der Außenseite der porösen Struktur einen geringeren Druck als die zugeführte Flüssigkeit. Ebenso hat das entladene flüssige Produkt einen geringeren Druck als das eingebrachte flüssige Produkt.The loaded liquid educt is introduced into the porous structure. Upon contact of the starting material with the catalyst, on the one hand gas is discharged and a discharged, liquid product remains. Both are displaced in the flow direction from the porous structure by nachrückendes liquid educt. The discharged gas has a lower pressure on the outside of the porous structure than the supplied liquid. Likewise, the discharged liquid product has a lower pressure than the introduced liquid product.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entladung von Gasen aus flüssigen Stoffen, insbesondere aus stark Gas freisetzenden Edukten, enthält mithin eine poröse Struktur, deren Poren mit Katalysator beladen bzw. beaufschlagt sind sowie eine Vorrichtung zur Erhöhung des Druckes des flüssigen Eduktes beziehungsweise zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen der Zufuhrseite des Edukts und der Abfuhrseite der Produkte, um ein Einströmen in die poröse Struktur zu erzielen. Eine solche Vorrichtung zur Druckerhöhung ist in einer Alternative eine Pumpe. In einer weiteren Alternative handelt es sich dabei um eine Vorrichtung, welche eine oder mehrere als runde Filtertaschen ausgeprägten porösen Strukturen in Rotation versetzt und durch die Zentrifugalkraft eine Druckdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite erzeugt. Zum Aufheizen, also zur Erhöhung der Temperatur des flüssigen Eduktes und/oder zum Einbringen der für die Gasbildung beziehungsweise für die Gasfreisetzung aus der Flüssigkeit benötigten Wärmeenergie kann z.B. eine elektrische Widerstandsbeheizung eingesetzt werden, welche bevorzugt die Wärme, die für die Entladung des Gases benötigt wird, direkt in die poröse Struktur einkoppelt, wodurch eine besonders effiziente Wärmeübertragung erreicht wird.An apparatus according to the invention for the discharge of gases from liquid substances, in particular from highly gas-releasing educts, thus contains a porous structure, the pores are loaded with catalyst or acted upon and a device for increasing the pressure of the liquid educt or for generating a pressure difference between the Supply side of the educt and the discharge side of the products in order to achieve an inflow into the porous structure. Such an apparatus for increasing the pressure is in one alternative, a pump. In a further alternative, this is a device which sets one or more porous structures shaped as round filter pockets into rotation and generates a pressure difference between the inside and outside by the centrifugal force. For heating, ie for increasing the temperature of the liquid starting material and / or for introducing the heat energy required for the gas formation or for the gas release from the liquid, e.g. an electrical resistance heating are used, which preferably couples the heat required for the discharge of the gas directly into the porous structure, whereby a particularly efficient heat transfer is achieved.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus rotierenden Filterscheiben auf eine Hohlwelle aufgebaut, wie in
Eine weitere Ausführung betrifft integrierte Bauteile mit einer dichten metallischen Struktur, die für eine fluidische Beheizung eingesetzt werden. Solche integrierten Bauteile können z.B. mittels 3D-Druck hergestellt werden, z.B. 3D-Druck von Metallen durch selektives Laserschmelzen (SLM, selective laser melting). Ein Beispiel wird in
Weitere Alternativen betreffen Materialvarianten für die porösen Strukturen, wobei die Materialien ausgewählt werden aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus keramische Filter, metallische Filter, Polymerfilter und Kompositmaterialien. In weiteren Ausführungen werden elektrisch leitende Materialien (Metalle, leitfähige Keramiken oder Polymere oder Komposite) eingesetzt. Vorteilhaft ist dadurch die elektrische Widerstandsbeheizung zur direkten Einkopplung der Dehydrierungswärme der Edukt-Entladung möglich. Dies kann zu besonders kompakten Systemen führen.Further alternatives relate to material variants for the porous structures, the materials being selected from the group consisting of or consisting of ceramic filters, metallic filters, polymer filters and composite materials. In further embodiments, electrically conductive materials (metals, conductive ceramics or polymers or composites) are used. Advantageously, the electrical resistance heating for direct coupling of the dehydrogenation of the educt discharge is possible. This can lead to particularly compact systems.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Wände der Hohlräume der porösen Struktur nicht einheitlich mit Katalysatorpartikeln beaufschlagt, es liegt eine asymmetrische Anordnung der Katalysatorpartikel vor. Eine solche asymmetrische Anordnung kann z.B. gemäß der
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt oder alternativ in nacheinander geschalteten Vorrichtungen durchgeführt. Eine solche Kaskadierung gemäß der zweiten Alternative, d.h. die flüssige Phase, sowohl flüssiges Edukt als ggf. flüssiges Produkt, durchströmt nacheinander mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, führt zu einer Umsatzsteigerung pro Element, also pro Vorrichtung, als auch zu einer Optimierung des Gesamtumsatzes. In a further embodiment of the present invention, the method according to the invention is repeated or alternatively carried out in successively connected devices. Such a cascading according to the second alternative, ie the liquid phase, both liquid starting material and possibly liquid product, flows successively through several devices according to the invention, leading to an increase in sales per element, ie per device, as well as to an optimization of the overall sales.
Das hier erfindungsgemäße Verfahren für die Entladung von Gas aus flüssigen Edukten und die hieraus ableitbaren Vorrichtungen erlauben eine viel höhere wirksame Katalysatormenge pro Volumen, vermeiden gleichzeitig Stofftransportlimitierungen und sorgen für eine leichte Trennung von Gas und Flüssigkeit in einem kompakten Gehäuse als der Stand der Technik. Bei geeigneter Ausgestaltung (z.B. 3D-Druck von Metallen) können mikrofluidische Heizstrukturen direkt integriert werden. Durch die kombinierte Wirkung der drei Effekte sind viel höhere Wasserstofffreisetzungsleistungen pro Volumen möglich, die für alle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Systemkompaktheit, insbesondere im mobilen Bereich entscheidend sind.The inventive method for the discharge of gas from liquid educts and the devices derived therefrom allow a much higher effective amount of catalyst per volume, while avoiding Stofftransportlimitierungen and ensure easy separation of gas and liquid in a compact housing than the prior art. With a suitable design (for example 3D printing of metals), microfluidic heating structures can be directly integrated. Due to the combined effect of the three effects, much higher hydrogen release capacities per volume are possible, which are crucial for all applications with high demands on system compactness, in particular in the mobile sector.
Die Nutzung einer durchströmten porösen Struktur mit integrierten nanoskaljgen Katalysatorpartikeln als Katalysator für die Dehydrierung flüssiger organischer Wasserstoffträger integriert in die erfindungsgemäßen Vorrichtungen adressiert mehrere wesentliche Schwachstellen der bisherigen Ansätze: es stellt trotz Gasentwicklung einen guten Kontakt zwischen unreagiertem flüssigen Edukt und Katalysator sicher, sorgt für eine definierte Verweilzeit der Flüssigphase und verhindert die Ausbildung stagnierender Flüssigkeitsfilme, minimiert Stofftransportwiderstände, ermöglicht eine hohe Katalysatorkonzentration pro Volumen, eine integrierte Phasentrennung und auch eine direkte elektrische oder fluidische Beheizung.The use of a porous structure with integrated nanosize catalyst particles as catalyst for the dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers integrated into the inventive devices addressed several major weaknesses of the previous approaches: it ensures good contact between unreacted liquid reactant and catalyst despite gas evolution ensures a defined Dwell time of the liquid phase and prevents the formation of stagnant liquid films, minimizes mass transfer resistances, allows a high catalyst concentration per volume, an integrated phase separation and also a direct electrical or fluidic heating.
Das Prinzip ist dabei verallgemeinerbar auf alle Reaktionen, die aus einer Flüssigkeit große Gasmengen freisetzen und neben dem Gas eines oder mehrere flüssige Produkte erzeugen.The principle is generalizable to all reactions that release large quantities of gas from a liquid and produce one or more liquid products in addition to the gas.
In Hinsicht auf die Ausgestaltung der Geometrie der durchströmten porösen Struktur, möglicher, im Inneren des Porensystems angebrachter poröser Trägerschichten, der Materialien für die durchströmte Struktur und die aktive Katalysatorphase sowie auch die Geometrie des Reaktorgehäuses bestehen zahlreiche Variationsmöglichkeiten. Auch kann die Gas/Flüssigkeitstrennung durch Ausführung der Struktur als rotierendes Scheibenfilter zusätzlich unterstützt werden.With regard to the configuration of the geometry of the porous structure through which it flows, possible porous carrier layers mounted inside the pore system, the materials for the flow-through structure and the active catalyst phase as well as the geometry of the reactor housing, numerous variations are possible. Also, the gas / liquid separation can be additionally supported by execution of the structure as a rotating disc filter.
Die besondere Wirkung resultiert aus der Strömung durch das Porensystem eines Katalysators im Gegensatz zur konventionellen Gegenstromdiffusion von Edukt und Produkt. Dadurch werden die Transportwiderstände größtenteils eliminiert, die Behinderung des Zutritts von beladener Flüssigkeit zu den aktiven Zentren durch sich bildendes Gas wird durch die Strömungsrichtung von innen nach außen überwunden.The special effect results from the flow through the pore system of a catalyst in contrast to the conventional countercurrent diffusion of reactant and product. As a result, the transport resistances are largely eliminated, the obstruction of the entry of loaded liquid to the active centers by forming gas is overcome by the flow direction from the inside to the outside.
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