DE102021100218A1

DE102021100218A1 - Sabatier-Reaktoreinrichtung

Info

Publication number: DE102021100218A1
Application number: DE102021100218.4A
Authority: DE
Inventors: Ping Yu
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US11578413B2; US20210214848A1

Abstract

Offenbart ist eine Sabatier-Reaktoreinrichtung, die ein Kohlenstoffsorptionsbett, das einen Einlass zum Einführen eines Reaktantenstroms in das Kohlenstoffsorptionsbett und einen Auslass zum Auslassen eines behandelten Reaktantenstroms aus dem Kohlenstoffsorptionsbett aufweist; und einen Sabatier-Reaktor beinhaltet, der einen Einlass zum Einführen des behandelten Reaktantenstroms in den Sabatier-Reaktor und einen Auslass zum Entfernen eines Produktstroms aus dem Sabatier-Reaktor aufweist. Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktantenstroms für einen Sabatier-Reaktor.

Description

Die Sabatier-Reaktion stellt ein Verfahren zur In-situ-Ressourcennutzung von Kohlendioxid und zur Erzeugung von erforderlichen Verbrauchsmaterialien für Menschen, insbesondere Wasser und Sauerstoff, für Weltraummissionen bereit. Die Sabatier-Reaktion wandelt insbesondere ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff in der Gegenwart eines Katalysators in ein Gemisch aus Wasser und Methan um. Die Reaktion erzielt ein primäres Ziel des Umwandelns von Kohlendioxid, das sich in einer Raumkapsel aufgebaut hat oder allgegenwärtig in einer außerirdischen Umgebung ist, in wertvolle Verbrauchsmaterialien für Menschen, insbesondere Wasser, das für sich selbst geschätzt wird oder in lebenserhaltenden Sauerstoff umgewandelt wird. Die Sabatier-Reaktion beseitigt den Bedarf, große Mengen an Wasser von der Erde in den Weltraum zu transportieren und in diesem Aspekt reduziert die Sabatier-Reaktion die Nutzlast, die von der Erde projiziert und auf Weltraumreisen beibehalten wird.
Verbesserungen des Sabatier-Systems sind erwünscht, um die Systemproduktivität und -lebensdauer zu verbessern.
Offenbart ist eine Sabatier-Reaktoreinrichtung, die ein Kohlenstoffsorbensbett, das einen Einlass zum Einführen eines Reaktantenstroms in das Kohlenstoffsorbensbett und einen Auslass zum Auslassen eines behandelten Reaktantenstroms aus dem Kohlenstoffsorbensbett aufweist; und einen Sabatier-Reaktor beinhaltet, der einen Einlass zum Einführen des behandelten Reaktantenstroms in den Sabatier-Reaktor und einen Auslass zum Entfernen eines Produktstroms aus dem Sabatier-Reaktor aufweist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen enthält das Kohlenstoffsorbensbett Aktivkohle.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen weist die Aktivkohle eine Porengröße größer als oder gleich 1 Nanometer (nm) auf.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen weist die Aktivkohle eine Partikelgröße von 4 Mesh bis 40 Mesh auf.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen umfasst der Reaktantenstrom Dimethylsulfon und umfasst der behandelte Reaktantenstrom weniger als oder gleich 0,1 mg/m³ des Dimethylsulfons in dem Reaktantenstrom.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen befindet sich das Kohlenstoffsorbensbett in einem Gehäuse mit dem Sabatier-Reaktor.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen befindet sich das Kohlenstoffsorbensbett in einem Gehäuse separat von dem Sabatier-Reaktor.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet die Sabatier-Reaktoreinrichtung ferner eine Filtrationsvorrichtung.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen wird die Filtrationsvorrichtung mit dem Kohlenstoffsorbensbett kombiniert.
Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktantenstroms für einen Sabatier-Reaktor, beinhaltend das Kontaktieren des Reaktantenstroms mit einem Kohlenstoffsorbens, um einen behandelten Reaktantenstrom zu bilden, und das Einführen des behandelten Reaktantenstroms in einen Sabatier-Reaktor.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet der Reaktantenstrom Wasserstoff, Kohlendioxid oder eine Kombination davon.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen umfasst der Reaktantenstrom Dimethylsulfon und umfasst der behandelte Reaktantenstrom weniger als oder gleich 0,1 mg/m³ des Dimethylsulfons in dem Reaktantenstrom.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet das Kohlenstoffsorbensbett Aktivkohle.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen weist die Aktivkohle eine Porengröße größer als oder gleich 1 nm auf.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen weist die Aktivkohle eine Partikelgröße von 4 Mesh bis 40 Mesh auf.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen umfasst der Reaktantenstrom eine Verunreinigung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dimethylsulfon, einem Siloxan, einer organischen Fluorverbindung, einer organischen Verbindung enthaltend Chlor oder eine Kombination davon und umfasst der behandelte Reaktantenstrom weniger der Verunreinigung als der Reaktantenstrom.
Die folgenden Beschreibungen sollten in keiner Weise als einschränkend angesehen werden.
Die Figur ist eine schematische Darstellung einer Sabatier-Einrichtung.
Eine detaillierte Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der offenbarten Einrichtung und des offenbarten Verfahrens wird hierin als Beispiel und nicht als Einschränkung unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt.
Kohlendioxid und Wasserstoff können in einem Sabatier-Reaktor reagiert werden, um Methan und Wasser zu erzeugen. Elektrolyse kann Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser erzeugen. Die Kombination aus der Sabatier-Reaktion und der Elektrolyse wandelt Kohlendioxid in Sauerstoff, Wasserstoff und Methan um. Somit kann Kohlendioxid, das sich als Ergebnis von Atmung in einer eingeschlossenen Umgebung aufgebaut hat, verwendet werden, um Verbrauchsmaterialien für Menschen wie zum Beispiel Sauerstoff und Wasser zu erzeugen.
Die Sabatier-Reaktion beruht auf Katalyse. Zu beispielhaften Katalysatoren gehören Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin oder eine Kombination davon, spezifischer Nickel, Ruthenium, Rhodium, oder eine Kombination davon. Der Katalysator kann durch eine Oxidstütze in einer beliebigen Form wie zum Beispiel einem Netz, einer Röhre, einem Partikelbett oder einer Kombination davon gestützt werden. Die Aktivität des Katalysators kann durch Exposition gegenüber einer oder mehreren Verunreinigungen reduziert werden. Zu beispielhaften Verunreinigungen gehören Dimethylsulfon (DMSO₂), Siloxane wie zum Beispiel Polydimethylsiloxan, organische Fluorverbindungen wie zum Beispiel R-134a und organische Verbindungen, die Chlor beinhalten, wie zum Beispiel Dimethylchlorid. Diese Verunreinigungen können in sehr geringen Mengen in dem Reaktantenstrom zu dem Sabatier-Reaktor vorhanden sein. Sie akkumulieren jedoch im Laufe der Zeit in Mengen, die ausreichend sind, um die Aktivität des Katalysators zu verringern und die Wirksamkeit und Effizienz des Sabatier-Reaktors zu reduzieren. Zum Beispiel ist Dimethylsulfon bei Raumtemperatur (23 °C) ein Feststoff und es ist nicht zu erwarten, dass er als Verunreinigung in einem Reaktantenstrom gasförmiger Komponenten wie Kohlendioxid und Wasserstoff gefunden wird. Dennoch ist gezeigt worden, dass Dimethylsulfon eine primäre Verunreinigung in gescheiterten Sabatier-Reaktoren ist und die Entfernung von Dimethylsulfon auf sehr geringe Maße wünschenswert ist.
Das Einführen des Reaktantenstroms in ein Kohlenstoffsorbens, um einen behandelten Reaktantenstrom zu erzeugen, und dann das Einführen des behandelten Reaktantenstroms in den Sabatier-Reaktor ist ein wirksames und effizientes Verfahren, um die Dimethylsulfonkonzentration sowie die Konzentration anderer Verunreinigungen in dem behandelten Reaktantenstrom zu reduzieren und die Lebensdauer des Sabatier-Reaktorkatalysators zu verlängern. Der behandelte Reaktantenstrom kann eine Dimethylsulfonkonzentration von weniger als oder gleich 0,1 Milligramm pro Kubikmeter (mg/m³) aufweisen. Der Reaktantenstrom und der behandelte Reaktantenstrom können Wasserstoff, Kohlendioxid oder beides umfassen. Genauer gesagt kann es zwei Reaktantenströme geben, einen Wasserstoffstrom und einen Kohlendioxidstrom, und jeder kann in ein separates Kohlenstoffsorbens eingeführt werden oder die zwei Ströme können in ein gemeinsames Kohlenstoffsorbens eintreten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Reaktantenstrom, der in das Kohlenstoffsorbens eintritt, sowohl Kohlendioxid als auch Wasserstoff beinhalten kann. Es wird ferner in Betracht gezogen, dass nur einer von einem Wasserstoffstrom oder einem Kohlendioxidstrom in das Kohlenstoffsorbens eingeführt werden kann.
Der behandelte Reaktantenstrom kann einzeln oder in Kombination eine Verunreinigungskonzentration wie in Tabelle 1 gezeigt aufweisen. Tabelle 1

Verunreinigung Konzentration

Siloxan Weniger als oder gleich 5 mg/m³

R-134a Weniger als oder gleich 1 mg/m³

Dimethylchlorid Weniger als oder gleich 0,1 mg/m³
Das Kohlcnstoffsorbens beinhaltet Aktivkohle. Aktivierung von Kohlenstoff ist der Prozess der Behandlung des Kohlenstoffes, um eine große Anzahl an Poren in dem Bereich von 1 bis 20 Nanometer Durchmesser oder in dem Bereich von bis zu 100 Nanometer Durchmesser zu öffnen. Es kann fast jedes kohlenstoffhaltige Rohmaterial für die Herstellung von Aktivkohle verwendet werden. Nussschalen (insbesondere Kokosnuss), Kohle, Petrolkoks und andere Reste in körniger, brikettierter oder pelletierter Form sind veranschaulichende Beispiele für Materialien, die verwendet werden können. Nach der Aktivierung weist der Kohlenstoff den großen Oberflächenbereich (zum Beispiel 500-1500 Quadratmeter/Gramm) auf, der für die Adsorption verantwortlich ist. Der Aktivierungsprozess kann Wärmezersetzung in einem Ofen unter Verwendung einer kontrollierten Atmosphäre und von Wärme beinhalten. Zu beispielhaften Aktivkohlen gehört NORIT® ROZ 3, die von der Cabot Corporation erhältlich ist.
Die Aktivkohle kann einen Porendurchmesser größer als oder gleich 1 Nanometer (nm) oder größer als oder gleich 100 nm aufweisen. Die Aktivkohle kann eine Partikelgröße von 4 Mesh bis 40 Mesh (US-Mesh) aufweisen,
In einigen Ausführungsformen entfernt das Kohlenstoffsorbens mehr als oder gleich 99 Gewichts-% des Dimethylsulfons, das in dem Reaktantenstrom gefunden wird.
Die Gestaltung des Sabatier-Reaktors ist nicht besonders begrenzt und kann eine beliebige der auf dem Fachgebiet bekannten sein. In einigen Ausführungsformen kann es auch eine Filtrationsvorrichtung für den Reaktantenstrom oder den behandelten Reaktantenstrom vor dem Eintritt in den Reaktor geben. In einigen Ausführungsformen kann das Kohlenstoffsorbensbett mit der Filtrationsvorrichtung kombiniert sein.
Es wird ferner in Betracht gezogen, dass sich das Kohlenstoffsorbens innerhalb desselben Gehäuses befinden kann, in dem sich der Sabatier-Reaktor befindet. In einigen Ausführungsformen ist das Kohlenstoffsorbens unabhängig von dem Ort ein modulares Element, das zu gewünschten Zeiten ausgetauscht werden kann, um Verunreinigung des Reaktantenstroms zu verhindern. Der Austausch kann auf einer geplanten Wartungsbasis (d. h. in geplanten Intervallen) durchgeführt werden oder kann als Reaktion auf Erfassung von nicht annehmbaren Werten von einer oder mehreren Verunreinigungen durchgeführt werden.
Eine beispielhafte Einrichtung ist in der Figur gezeigt. Zwei Reaktantenströme 10 und 20 treten in das Kohlenstoffsorbens 30 ein, dem unmittelbar ein Filtrationsbett 40 folgt. Ein behandelter Reaktantenstrom 50 tritt aus dem Filtrationsbett aus und tritt in den Sabatier-Reaktor 60 ein. Der Produktstrom 70 tritt aus dem Sabatier-Reaktor 60 aus und tritt in einen Kondensationswärmetauscher 80 ein. Der kondensierte Produktstrom 85 tritt aus dem Kondensationswärmetauscher 80 aus und tritt in den Gastrenner 90 ein. Zwei getrennte kondensierte Produktströme 100 und 110 verlassen den Gastrenner.
Der Begriff „etwa“ soll den Fehlergrad einschließen, der mit Messung der bestimmten Menge basierend auf der zum Zeitpunkt der Einreichung der Anmeldung verfügbaren Ausrüstung verbunden ist.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ wie hierin verwendet sollen auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Patentschrift verwendet werden, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementkomponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Während die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Offenbarung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Umfang davon abzuweichen. Es ist daher gedacht, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmte offenbarte Ausführungsform als die beste Art, die in Betracht gezogen wird, um diese vorliegende Offenbarung durchzuführen, begrenzt ist, sondern dass die vorliegende Offenbarung alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Umfang der Ansprüche fallen.

Claims

Sabatier-Reaktoreinrichtung, die ein Kohlenstoffsorbensbett (30), das einen Einlass zum Einführen eines Reaktantenstroms (10, 20) in das Kohlenstoffsorbensbett (30) und einen Auslass zum Auslassen eines behandelten Reaktantenstroms (50) aus dem Kohlenstoffsorbensbett (30) aufweist; und einen Sabatier-Reaktor (60) umfasst, der einen Einlass zum Einführen des behandelten Reaktantenstroms (50) in den Sabatier-Reaktor (60) und einen Auslass zum Entfernen eines Produktstroms (70) aus dem Sabatier-Reaktor (60) aufweist.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffsorbensbett (30) Aktivkohle umfasst.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Aktivkohle eine Porengröße größer als oder gleich 1 nm aufweist.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Aktivkohle eine Partikelgröße von 4 Mesh bis 40 Mesh aufweist.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Reaktantenstrom (10, 20) Dimethylsulfon umfasst und der behandelte Reaktantenstrom (50) weniger als oder gleich 0,1 mg/m³ des Dimethylsulfons in dem Reaktantenstrom umfasst.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das Kohlenstoffsorbensbett in einem Gehäuse mit dem Sabatier-Reaktor befindet.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich das Kohlenstoffsorbensbett in einem Gehäuse separat von dem Sabatier-Reaktor befindet.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Filtrationsvorrichtung.
Sabatier-Reaktoreinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Filtrationsvorrichtung mit dem Kohlenstoffsorbensbett (30) kombiniert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Reaktantenstroms (10, 20) für einen Sabatier-Reaktor (60), umfassend das Kontaktieren des Reaktantenstroms (10, 20) mit einem Kohlenstoffsorbens, um einen behandelten Reaktantenstrom (50) zu bilden, und das Einführen des behandelten Reaktantenstroms (50) in den Sabatier-Reaktor.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Reaktantenstrom (10, 20) Wasserstoff, Kohlendioxid oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Reaktantenstrom (10, 20) Dimethylsulfon umfasst und der behandelte Reaktantenstrom weniger als oder gleich 0,1 mg/m³ des Dimethylsulfons in dem Reaktantenstrom umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Kohlenstoffsorbensbett (30) Aktivkohle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Aktivkohle eine Porengröße größer als oder gleich 1 nm aufweist, und/oder wobei die Aktivkohle eine Partikelgröße von 4 Mesh bis 40 Mesh aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Reaktantenstrom (10, 20) eine Verunreinigung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dimethylsulfon, einem Siloxan, einer organischen Fluorverbindung, einer organischen Verbindung enthaltend Chlor oder eine Kombination davon und der behandelte Reaktantenstrom (50) weniger der Verunreinigung als der Reaktantenstrom (10, 20) umfasst.