DE102022205291A1 - Method and reactor arrangement for hydrogenating a hydrogen carrier medium - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums umfasst die Verfahrensschritte katalytisches Hydrieren des Wasserstoffträgermediums in einem Hydrierreaktor (2, 3) und gezieltes Abführen von beim Hydrieren erzeugter Abwärme von dem Hydrierreaktor (2, 3) an mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (2, 3, 5, 17) mittels eines Wärmeübertragers (4).A method for hydrogenating a hydrogen carrier medium comprises the process steps of catalytic hydrogenation of the hydrogen carrier medium in a hydrogenation reactor (2, 3) and targeted removal of waste heat generated during hydrogenation from the hydrogenation reactor (2, 3) to at least one heat absorption unit (2, 3, 5, 17) by means of a heat exchanger (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Reaktoranordnung zum Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums.The invention relates to a method and a reactor arrangement for hydrogenating a hydrogen carrier medium.

DE 10 2014 102 235 A1 offenbart einen Hydrierreaktor zum Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums. Die katalytische Hydrierreaktion ist exotherm. Um ein Überhitzen des Hydrierreaktors zu vermeiden, sind insbesondere aufwändige Maßnahmen erforderlich. DE 10 2014 102 235 A1 discloses a hydrogenation reactor for hydrogenating a hydrogen carrier medium. The catalytic hydrogenation reaction is exothermic. In order to avoid overheating of the hydrogenation reactor, particularly complex measures are required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Wärmemanagement beim Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums zu verbessern.The invention is based on the object of improving heat management when hydrogenating a hydrogen carrier medium.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Reaktoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.This object is achieved according to the invention by a method with the features of claim 1 and by a reactor arrangement with the features of claim 11.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Abwärme, die beim katalytischen Hydrieren von Wasserstoffträgermedium in einem Hydrierreaktor anfällt, an mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit gezielt abgeführt wird. Die Abwärme kann auch an mehrere Wärmeaufnahmeeinheiten abgeführt werden, die insbesondere parallel zueinander und/oder in Reihenschaltung zueinander angeordnet sind. Eine Wärmeaufnahmeeinheit kann ein Wärmeverbraucher und/oder eine Wärmespeichereinheit sein. Für das Abführen der Abwärme in Folge der exothermen Reaktion in dem Hydrierreaktor dient insbesondere ein Wärmeübertrager.The core of the invention is that waste heat generated during the catalytic hydrogenation of hydrogen carrier medium in a hydrogenation reactor is specifically dissipated to at least one heat absorption unit. The waste heat can also be dissipated to several heat absorption units, which are arranged in particular parallel to one another and/or in series with one another. A heat absorption unit can be a heat consumer and/or a heat storage unit. A heat exchanger is used in particular to remove the waste heat as a result of the exothermic reaction in the hydrogenation reactor.

Es wurde erkannt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren einerseits der Hydrierreaktor thermisch entlastet wird. Der Aufwand zum Kühlen des Hydrierreaktors, insbesondere ein apparativer Aufwand und/oder ein verfahrenstechnischer Aufwand, sind reduziert. Insbesondere aufwändige Kühlmaßnahmen, insbesondere Kühlelemente, können reduziert werden und sind insbesondere entbehrlich. Andererseits kann die ohnehin anfallende Wärme gezielt genutzt werden. Der Gesamtenergiebedarf ist dadurch reduziert. Ein derartiges Verfahren ist ökonomisch und ökologisch wertvoll.It was recognized that, on the one hand, the hydrogenation reactor is thermally relieved by the process according to the invention. The effort for cooling the hydrogenation reactor, in particular the outlay on equipment and/or the outlay on process engineering, is reduced. In particular, complex cooling measures, in particular cooling elements, can be reduced and are particularly unnecessary. On the other hand, the heat that is generated anyway can be used in a targeted manner. The overall energy requirement is therefore reduced. Such a process is economically and ecologically valuable.

Beispielsweise kann die abgeführte Abwärme genutzt werden, um das Wasserstoffträgermedium in einer Reinigungseinheit aufzureinigen. Ein derartiger Reinigungsschritt kann erforderlich werden, insbesondere in regelmäßigen Abständen und insbesondere durch eine destillative Aufreinigung, wenn das Wasserstoffträgermedium, insbesondere in Folge von thermischer Überbeanspruchung, Verunreinigungen, insbesondere Degradationsprodukte, aufweist. Eine andere Abwärmenutzung ist beispielsweise ein Entsalzen von Meerwasser als Vorbereitung von Wasser für die Elektrolyse, insbesondere zur Bereitstellung von Wasserstoffgas.For example, the waste heat removed can be used to purify the hydrogen carrier medium in a cleaning unit. Such a purification step may become necessary, in particular at regular intervals and in particular by purification by distillation, if the hydrogen carrier medium contains impurities, in particular degradation products, in particular as a result of thermal overstress. Another use of waste heat is, for example, desalination of seawater to prepare water for electrolysis, in particular to provide hydrogen gas.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein verbessertes Wärmemanagement und verbindet in synergetischer Weise die Vorteile der gezielten Wärmeabfuhr von dem Hydrierreaktor einerseits und die vorteilhafte Nutzung der Abwärme an der mindestens einen Wärmeaufnahmeeinheit andererseits. Insbesondere ist es dadurch möglich, die Abwärme zur Aktivierung, insbesondere Reaktivierung, von weiteren Hydrierreaktoren zu nutzen, um eine Gesamt-Speicherleistung einer derartigen Reaktoranordnung gezielt und insbesondere flexibel veränderlich einzustellen.The method according to the invention enables improved heat management and combines in a synergistic manner the advantages of the targeted heat removal from the hydrogenation reactor on the one hand and the advantageous use of the waste heat on the at least one heat absorption unit on the other hand. In particular, it is possible to use the waste heat for activation, in particular reactivation, of further hydrogenation reactors in order to adjust the overall storage capacity of such a reactor arrangement in a targeted and, in particular, flexible manner.

Beim katalytischen Hydrieren wird das Wasserstoffträgermedium mit Wasserstoffgas hydriert. Das Wasserstoffgas wird an dem Wasserstoffträgermedium chemisch gebunden. Das Wasserstoffgas wird dadurch gespeichert. Als Wasserstoffträgermedium dient insbesondere ein flüssiger organischer Wasserstoffträger, der im Englischen bezeichnet wird als Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC). Besonders vorteilhaft ist als Wasserstoffträgermedium sind Benzyltoluol, das zu Perhydro-Benzyltoluol hydriert wird, Dibenzyltoluol, das zu Perhydro-Benzyltoluol hydriert wird, und/oder Toluol, dass zu Methylcyclohexan hydriert wird.During catalytic hydrogenation, the hydrogen carrier medium is hydrogenated with hydrogen gas. The hydrogen gas is chemically bound to the hydrogen carrier medium. The hydrogen gas is thereby stored. In particular, a liquid organic hydrogen carrier, which is referred to in English as Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), serves as the hydrogen carrier medium. Particularly advantageous hydrogen carrier mediums are benzyltoluene, which is hydrogenated to perhydro-benzyltoluene, dibenzyltoluene, which is hydrogenated to perhydro-benzyltoluene, and/or toluene, which is hydrogenated to methylcyclohexane.

Das Wasserstoffträgermedium wird ausgehend von einem Ausgangszustand mit einem Anfangshydriergrad in dem Hydrierreaktor hydriert. Beim Verlassen des Hydrierreaktors weist das Wasserstoffträgermedium einen ersten Hydriergrad auf, der größer ist als der Anfangshydriergrad. Insbesondere beträgt der erste Hydriergrad mindestens 95 % auf, insbesondere mindestens 98 %, insbesondere mindestens 99 %, insbesondere mindestens 99,5 %, insbesondere mindestens 99,9 %, insbesondere mindestens 99,99 % und insbesondere mindestens 99,999 %.The hydrogen carrier medium is hydrogenated in the hydrogenation reactor starting from an initial state with an initial degree of hydrogenation. When leaving the hydrogenation reactor, the hydrogen carrier medium has a first degree of hydrogenation that is greater than the initial degree of hydrogenation. In particular, the first degree of hydrogenation is at least 95%, in particular at least 98%, in particular at least 99%, in particular at least 99.5%, in particular at least 99.9%, in particular at least 99.99% and in particular at least 99.999%.

Das Hydrieren kann einstufig oder mehrstufig erfolgen. Wenn das Hydrieren mehrstufig erfolgt, wird das Wasserstoffträgermedium in einem ersten Hydrierreaktor anfangshydriert und in mindestens einem in Reihe dazu geschalteten zweiten Hydrierreaktor enthydriert.The hydrogenation can take place in one or more stages. If the hydrogenation takes place in multiple stages, the hydrogen carrier medium is initially hydrogenated in a first hydrogenation reactor and dehydrogenated in at least one second hydrogenation reactor connected in series.

Es wurde erkannt, dass durch das mehrstufige Hydrieren das Katalysatormaterial effizient genutzt werden kann und insbesondere der Gesamtbedarf an Katalysatormaterial bezogen auf die gespeicherte Wasserstoffgasmenge reduziert ist. Bei der mehrstufigen Hydrierung wird beim Anfangshydrieren das Wasserstoffträgermedium bewusst unvollständig anfangshydriert, insbesondere bis zu einem ersten Hydriergrad von höchstens 95 %. Der erste Hydrierreaktor wird auch als Starterreaktor bezeichnet und dient insbesondere dazu, möglichst hohe Reaktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. In dem zweiten Hydrierreaktor wird das Wasserstoffträgermedium enthydriert, insbesondere auf einen zweiten Hydriergrad von mindestens 95 %, insbesondere mindestens 96 %, insbesondere mindestens 97 %, insbesondere mindestens 98 %, insbesondere mindestens 99 %, insbesondere mindestens 99,5 %, insbesondere mindestens 99,9 %, insbesondere mindestens 99,99 % und insbesondere mindestens 99,999 %.It was recognized that the multi-stage hydrogenation allows the catalyst material to be used efficiently and, in particular, that the overall requirement for catalyst material is reduced in relation to the amount of hydrogen gas stored. In multi-stage hydrogenation, the hydrogen carrier medium is deliberately initially hydrogenated incompletely during the initial hydrogenation, in particular up to a first degree of hydrogenation of at most 95%. The first hydrogenation reactor is also referred to as a starter reactor and serves in particular to enable the highest possible reaction rates. In the second hydrogenation reactor, the hydrogen carrier medium is dehydrogenated, in particular to a second degree of hydrogenation of at least 95%, in particular at least 96%, in particular at least 97%, in particular at least 98%, in particular at least 99%, in particular at least 99.5%, in particular at least 99, 9%, in particular at least 99.99% and in particular at least 99.999%.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass insbesondere die Nutzung von Wasserstoffgas, das aus regenerativen Energiequellen hergestellt worden ist, insbesondere aus Strom, der aus Windkraft, Wasserkraft und/oder Sonnenstrahlung erzeugt worden ist, verbessert ist. Insbesondere ermöglicht das Verfahren eine flexible Anpassung der Reaktorleistung an fluktuierende Wasserstoffmengen. Derart regenerativ erzeugter Strom unterliegt naturgemäßen Schwankungen. Diese Schwankungen sind mit dem erfindungsgemäßen Konzept tolerierbar.According to the invention, it was recognized that in particular the use of hydrogen gas, which has been produced from renewable energy sources, in particular from electricity generated from wind power, hydropower and/or solar radiation, is improved. In particular, the process enables the reactor output to be flexibly adjusted to fluctuating amounts of hydrogen. Electricity generated from renewable sources is subject to natural fluctuations. These fluctuations can be tolerated with the concept according to the invention.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 reduziert das Risiko einer unerwünschten Unterbrechung bei der Wasserstoffgaszufuhr in den Hydrierreaktor.A method according to claim 2 reduces the risk of an undesirable interruption in the supply of hydrogen gas to the hydrogenation reactor.

Bei einem Verfahren gemäß Anspruch 3 wird ein Parallel-Hydrierreaktor als Wärmeaufnahmeeinheit genutzt. Der Parallel-Hydrierreaktor ist mit dem Hydrierreaktor insbesondere parallel verschaltet. Stoffströme, insbesondere des Wasserstoffträgermediums und/oder des Wasserstoffgases, sind für die beiden Reaktoren insbesondere getrennt voneinander und insbesondere das Wasserstoffträgermedium wird zwischen den beiden Hydrierreaktoren nicht ausgetauscht. Die Hydrierreaktoren werden separat und insbesondere unabhängig voneinander betrieben. Gleichwohl kann die Abwärme des Hydrierreaktors an den Parallel-Hydrierreaktor abgeführt und dort genutzt werden.In a method according to claim 3, a parallel hydrogenation reactor is used as a heat absorption unit. The parallel hydrogenation reactor is connected in particular in parallel with the hydrogenation reactor. Material flows, in particular of the hydrogen carrier medium and/or the hydrogen gas, are in particular separate from one another for the two reactors and in particular the hydrogen carrier medium is not exchanged between the two hydrogenation reactors. The hydrogenation reactors are operated separately and, in particular, independently of one another. Nevertheless, the waste heat from the hydrogenation reactor can be transferred to the parallel hydrogenation reactor and used there.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 4 ermöglicht den Betrieb des Hydrierreaktors und/oder des mindestens einen Parallel-Hydrierreaktors in einem sogenannten Selbsterhaltungsmodus. Die Hydrierreaktoren werden mit einer neutralen Wärmebilanz betrieben, so dass gerade so viel Wasserstoffträgermedium in dem jeweiligen Hydrierreaktor hydriert wird, dass die in Folge der exothermen Hydrierreaktion entstehende Wärme für die Aufrechterhaltung der Temperatur im Hydrierreaktor ausreicht. Die Exothermie der Reaktion dient also zum Ausgleich von Wärmeverlusten, die beispielsweise durch Abwärme der Reaktoranordnung auftreten können. Insbesondere sind derartige Wärmeverluste verhältnismäßig gering und betragen insbesondere höchstens 10 % bezogen auf die Wärmeleistung der Hydrierreaktion, insbesondere höchstens 5 %, insbesondere höchstens 3 % und insbesondere höchstens 1 %.A method according to claim 4 enables the hydrogenation reactor and/or the at least one parallel hydrogenation reactor to be operated in a so-called self-preservation mode. The hydrogenation reactors are operated with a neutral heat balance, so that just enough hydrogen carrier medium is hydrogenated in the respective hydrogenation reactor so that the heat generated as a result of the exothermic hydrogenation reaction is sufficient to maintain the temperature in the hydrogenation reactor. The exothermicity of the reaction therefore serves to compensate for heat losses that can occur, for example, due to waste heat from the reactor arrangement. In particular, such heat losses are relatively low and in particular amount to at most 10% based on the heat output of the hydrogenation reaction, in particular at most 5%, in particular at most 3% and in particular at most 1%.

Insbesondere werden Wärmebedarf und Wärmeverbrauch in den Hydrierreaktoren überwacht, insbesondere kontinuierlich. Insbesondere ist eine Steuerung und/oder Regelung derart vorgesehen, dass die Wärmeerzeugung in Folge der Exothermie der Hydrierreaktion überwacht und für einen, insbesondere prognostizierten, Wärmebedarf angepasst wird.In particular, heat requirements and heat consumption in the hydrogenation reactors are monitored, in particular continuously. In particular, a control and/or regulation is provided in such a way that the heat generation as a result of the exothermicity of the hydrogenation reaction is monitored and adjusted for a heat requirement, in particular a predicted one.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine flexible und insbesondere dynamische Anpassung der Hydrierleistung an die zur Verfügung gestellte Wasserstoffgasmenge. Insbesondere der Betrieb des Selbsterhaltungsmodus ist dadurch vereinfacht und insbesondere verbessert.A method according to claim 5 enables a flexible and in particular dynamic adjustment of the hydrogenation performance to the amount of hydrogen gas provided. In particular, the operation of the self-preservation mode is thereby simplified and, in particular, improved.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 6 ermöglicht eine zusätzlich erhöhte Flexibilität mit Blick auf die Betriebsweisen. Eine externe Heizquelle wird genutzt, um in dem Hydrierreaktor und/oder dem mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor ein erforderliches Temperaturniveau aufrechtzuerhalten, insbesondere in dem Fall, dass nicht ausreichend oder kein Wasserstoffgas zur Verfügung steht, um beispielsweise die Hydrierreaktoren im Selbsterhaltungsmodus zu betreiben. Mit dem Verfahren wird sichergestellt, dass der Hydrierreaktor nicht in unerwünschter Weise abkühlt. Eine Reaktivierungszeit wird dadurch verkürzt.A method according to claim 6 enables additional increased flexibility with regard to the operating modes. An external heating source is used to maintain a required temperature level in the hydrogenation reactor and/or the at least one parallel hydrogenation reactor, particularly in the event that insufficient or no hydrogen gas is available, for example to operate the hydrogenation reactors in self-sustaining mode. The process ensures that the hydrogenation reactor does not cool down in an undesirable manner. This shortens the reactivation time.

Das Temperaturniveau, auf dem der Hydrierreaktor und/oder der Parallel-Hydrierreaktor in einem Hot-Standby Betrieb gehalten werden, ist insbesondere für eine dynamische Zuschaltung und/oder dynamische Abschaltung der Reaktoranordnung relevant. Dieses Temperaturniveau beträgt mindestens 100° C, insbesondere mindestens 150° C und insbesondere mindestens 180° C. Der Hot-Standby-Betrieb dauert mindestens 10 Minuten insbesondere mindestens 30 Minuten, insbesondere mindestens eine Stunde, insbesondere mehrere Stunden und kann insbesondere kontinuierlich, quasi unendlich lange, sich fortsetzen. Aus wirtschaftlichen Erwägungen ist es sinnvoll, wenn der Hot-Standby-Betrieb nicht zu lange andauert, insbesondere höchstens 48 Stunden, insbesondere 24 Stunden und insbesondere höchstens 12 Stunden.The temperature level at which the hydrogenation reactor and/or the parallel hydrogenation reactor are maintained in a hot standby operation is particularly relevant for dynamic switching on and/or dynamic switching off of the reactor arrangement. This temperature level is at least 100° C., in particular at least 150° C. and in particular at least 180° C. The hot standby operation lasts at least 10 minutes, in particular at least 30 minutes, in particular at least one hour, in particular several hours, and can in particular be continuous, virtually indefinitely long, continue. For economic reasons, it makes sense if the hot standby operation does not last too long, in particular a maximum of 48 hours, in particular 24 hours and in particular a maximum of 12 hours.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 7 ermöglicht einen vorteilhaften Betrieb der Reaktoranordnung. Es ist nicht nur möglich, den Hydrierreaktor und/oder den Parallel-Hydrierreaktor in einen Hot-Standby-Betrieb und/oder einen Selbsterhaltungsbetrieb zu versetzen, sondern insbesondere auch diese Reaktoren zurück in einen Leistungsbetriebspunkt zu führen. Der Leistungsbetriebspunkt ist in einem Leistungsbereich, der dem Nominalleistungsbereich der Hydrierreaktoren entspricht und insbesondere mindestens 50 % der Nominalleistung beträgt. Insbesondere kann das Umschalten bzw. das Zurückschalten aus dem Hot-Standby-Betrieb und/oder aus dem Selbsterhaltungsbetrieb in den Leistungsbetriebspunkt dynamisch erfolgen.A method according to claim 7 enables advantageous operation of the reactor arrangement. It is not only possible to put the hydrogenation reactor and/or the parallel hydrogenation reactor into a hot standby mode and/or a self-sustaining mode, but in particular also to bring these reactors back to a power operating point. The power operating point is at one level range that corresponds to the nominal output range of the hydrogenation reactors and in particular is at least 50% of the nominal output. In particular, the switching or switching back from the hot standby mode and/or from the self-maintenance mode to the power operating point can take place dynamically.

Es ist erkannt worden, dass es vorteilhaft ist, wenn das Temperaturniveau und/oder das Druckniveau in den Hydrierreaktoren und/oder Parallel-Hydrierreaktoren im Hot-Standby-Betrieb und/oder im Selbsterhaltungsbetrieb auf einem Mindestniveau gehalten werden. Eine Mindesttemperatur liegt insbesondere höchstens 50 K, insbesondere höchstens 30 K, insbesondere höchstens 20 K und insbesondere höchstens 10 K unterhalb der Temperatur in dem Leistungsbetriebspunkt. Ein Mindestdruckniveau liegt insbesondere höchstens 1 bar, insbesondere höchstens 0,5 bar, insbesondere höchstens 0,2 bar und insbesondere höchstens 0,1 bar unterhalb des Druckniveaus im Leistungsbetriebspunkt.It has been recognized that it is advantageous if the temperature level and/or the pressure level in the hydrogenation reactors and/or parallel hydrogenation reactors in hot standby operation and/or in self-maintenance operation are kept at a minimum level. A minimum temperature is in particular at most 50 K, in particular at most 30 K, in particular at most 20 K and in particular at most 10 K below the temperature in the power operating point. A minimum pressure level is in particular at most 1 bar, in particular at most 0.5 bar, in particular at most 0.2 bar and in particular at most 0.1 bar below the pressure level at the power operating point.

Eine dynamische Leistungsregelung ist zusätzlich oder alternativ auch durch das Zuschalten und/oder Abschalten der einzelnen Hydrierreaktoren und/oder Parallel-Hydrierreaktoren möglich. Dadurch wird die schwankende Wasserstofffreisetzung aus regenerativ erzeugten Energiequellen berücksichtigt. Insbesondere kann über die modulare Zuschaltung und Abschaltung der Hydrierreaktoren und/oder Parallel-Hydrierreaktoren modulweise der jeweilige Betriebsmodus festgelegt werden. Es ist dadurch möglich, Wasserstoffpufferspeicher für einzelne Module kleinerbauend auszuführen oder darauf zu verzichten.Dynamic power control is additionally or alternatively possible by switching on and/or switching off the individual hydrogenation reactors and/or parallel hydrogenation reactors. This takes into account the fluctuating hydrogen release from renewable energy sources. In particular, the respective operating mode can be determined on a module-by-module basis via the modular connection and disconnection of the hydrogenation reactors and/or parallel hydrogenation reactors. This makes it possible to make hydrogen buffer storage for individual modules smaller or to do without it.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 ermöglicht eine gezielte und insbesondere flexible Ansteuerung verschiedener Hydrierreaktoren und/oder deren Versorgung mit Wärme. Dadurch können Reaktoranordnungen mit mehreren Hydrierreaktoren einer flexiblen Betriebsweise zugänglich gemacht werden, insbesondere durch flexibles, insbesondere zeitlich abhängiges, Zu- und Abschalten verschiedener Reaktoren.A method according to claim 8 enables targeted and in particular flexible control of various hydrogenation reactors and/or their supply with heat. As a result, reactor arrangements with several hydrogenation reactors can be made accessible to a flexible mode of operation, in particular through flexible, particularly time-dependent, switching on and off of various reactors.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 ist besonders energieeffizient, da der Energieaufwand für eine externe Heizquelle als zusätzliche Komponente reduziert und insbesondere vermieden ist. Insbesondere dient der ohnehin vorhandene Hydrierreaktor als externe Heizquelle für den mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor.A method according to claim 9 is particularly energy efficient because the energy expenditure for an external heating source as an additional component is reduced and in particular avoided. In particular, the existing hydrogenation reactor serves as an external heating source for the at least one parallel hydrogenation reactor.

Ein Verfahren gemäß Anspruch 10 ermöglicht weitere Nutzungen, insbesondere die zeitversetzte Nutzung der Abwärme aus dem Hydrierreaktor. Dazu ist mindestens ein Wärmespeicher als Wärmeaufnahmeeinheit an den Wärmeübertrager gekoppelt. Die Abwärme aus dem Hydrierreaktor kann in dem Wärmespeicher gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden.A method according to claim 10 enables further uses, in particular the time-delayed use of the waste heat from the hydrogenation reactor. For this purpose, at least one heat storage unit is coupled to the heat exchanger as a heat absorption unit. The waste heat from the hydrogenation reactor can be stored in the heat storage and released again at a later time.

Es versteht sich, dass in einer Reaktoranordnung mindestens ein Wärmespeicher und/oder mindestens ein Wärmeverbraucher kombiniert und insbesondere flexibel miteinander verschaltet sein können, insbesondere an den Wärmeübertrager angeschlossen sein können.It is understood that in a reactor arrangement at least one heat storage and/or at least one heat consumer can be combined and in particular flexibly connected to one another, in particular can be connected to the heat exchanger.

Eine Reaktoranordnung gemäß Anspruch 111 weist im Wesentlichen die Vorteile des Verfahrens gemäß Anspruch 1 auf, worauf hiermit verwiesen wird. Die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit dient zum Aufnehmen von Wärme, also zum Speichern und/oder Verbrauchen von Wärme. Verbrauchen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Wärme in andere Energieformen gewandelt wird. Wesentlich ist, dass der Wärmeübertrager den Hydrierreaktor und die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit thermisch miteinander koppelt, also zum Übertragen der Abwärme von dem Hydrierreaktor an die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit geeignet ist. Als Wärmeübertrager dient insbesondere ein Wärmetauscher, der als Wärmeübertragungsmedium ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, insbesondere Thermalöl und/oder ein Gas oder Dampf, insbesondere Wasserdampf, mit dem Wärme von einem auf einen anderen Prozess übertragen wird, nutzt. Zusätzlich oder alternativ kann die Wärme mit dem Wärmetauscher direkt auf das Fluid der zu koppelnden Wärmeaufnahmeeinheit übertragen werden, insbesondere durch die Erwärmung von Wasser für eine Entsalzungsanlage.A reactor arrangement according to claim 111 essentially has the advantages of the method according to claim 1, to which reference is hereby made. The at least one heat absorption unit serves to absorb heat, i.e. to store and/or consume heat. In this context, consuming means that heat is converted into other forms of energy. It is essential that the heat exchanger thermally couples the hydrogenation reactor and the at least one heat absorption unit to one another, i.e. is suitable for transferring the waste heat from the hydrogenation reactor to the at least one heat absorption unit. In particular, a heat exchanger serves as a heat exchanger, which uses a fluid, in particular a liquid, in particular thermal oil and/or a gas or steam, in particular water vapor, with which heat is transferred from one process to another as the heat transfer medium. Additionally or alternatively, the heat can be transferred using the heat exchanger directly to the fluid of the heat absorption unit to be coupled, in particular by heating water for a desalination plant.

Eine Reaktoranordnung gemäß Anspruch 12 ermöglicht die Kompensation von Schwankungen bei der Wasserstoffgasbereitstellung.A reactor arrangement according to claim 12 enables fluctuations in the provision of hydrogen gas to be compensated.

Ein Parallel-Hydrierreaktor gemäß Anspruch 13 ermöglicht verschiedene Betriebsweisen, insbesondere bei verschiedenen Lastbetrieben der Reaktoren.A parallel hydrogenation reactor according to claim 13 enables different operating modes, in particular with different load operations of the reactors.

Eine Regelungseinheit gemäß Anspruch 14 erweitert die Möglichkeiten für einen automatisierten Betrieb der Reaktoranordnung, insbesondere in Abhängigkeit des zur Verfügung stehenden Wasserstoffgasvorrats und/oder der aktuellen Betriebslast und/oder der jeweiligen Reaktortemperatur. Dazu ist die Regelungseinheit insbesondere mit dem Hydrierreaktor, dem mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor, insbesondere mindestens einer weiteren Wärmeaufnahmeeinheit, insbesondere dem Wärmeübertrager, insbesondere dem Wasserstoffpufferspeicher sowie insbesondere Stellelementen wie Pumpen und/oder Ventilen, in Signalverbindung, um veränderliche Fluidströme in der Reaktoranordnung zu ermöglichen und/oder zu beeinflussen.A control unit according to claim 14 expands the possibilities for automated operation of the reactor arrangement, in particular depending on the available hydrogen gas supply and/or the current operating load and/or the respective reactor temperature. For this purpose, the control unit is in signal connection in particular with the hydrogenation reactor, the at least one parallel hydrogenation reactor, in particular at least one further heat absorption unit, in particular the heat exchanger, in particular the hydrogen buffer storage and in particular control elements such as pumps and / or valves, to enable and/or influence variable fluid flows in the reactor arrangement.

Eine externe Heizquelle gemäß Anspruch 15 ermöglicht den sogenannten Standby-Betrieb für den Hydrierreaktor und/oder den Parallel-Hydrierreaktor.An external heating source according to claim 15 enables the so-called standby operation for the hydrogenation reactor and / or the parallel hydrogenation reactor.

Ein Wärmespeicher gemäß Anspruch 16 dient zur zeitverzögerten Wärmenutzung. Insbesondere im Maximallastbetrieb kann Wärme vorteilhaft in dem mindestens einen Wärmespeicher gepuffert werden. Diese Wärme kann zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise zum Erhalt im Hot-Standby-Betrieb in einem Niederlastzustand und/oder in einem Selbsterhaltungszustand genutzt werden.A heat storage device according to claim 16 is used for time-delayed use of heat. Particularly in maximum load operation, heat can advantageously be buffered in the at least one heat storage device. This heat can be used at a later time, for example to maintain hot standby operation in a low load state and/or in a self-sustaining state.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Reaktoranordnungen angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisem im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the exemplary embodiments of reactor arrangements according to the invention are each suitable, alone or in combination with one another, for further developing the subject matter according to the invention. The respective combinations of features do not represent any restrictions with regard to the developments of the subject matter of the invention, but are essentially only of an exemplary nature.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Reaktoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei parallel verschalteten Hydrierreaktoren und einer Wärmeaufnahmeeinheit,
  • 2 eine 1 entsprechende Darstellung einer Reaktoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem die Hydrierrealtoren als Hydriermodule mit jeweils zwei in Reihe verschalteten Hydrierreaktoren ausgeführt sind.
Further features, advantages and details of the invention result from the following description of exemplary embodiments based on the drawing. Show it:
  • 1 a schematic representation of a reactor arrangement according to a first exemplary embodiment with two hydrogenation reactors connected in parallel and a heat absorption unit,
  • 2 one 1 Corresponding representation of a reactor arrangement according to a second exemplary embodiment, in which the hydrogenation reactors are designed as hydrogenation modules, each with two hydrogenation reactors connected in series.

Eine als Ganzes mit 1 gekennzeichnete Reaktoranordnung umfasst einen ersten Hydrierreaktor 2, der in 1 links dargestellt ist, und einen zweiten Hydrierreaktor 3, der in 1 rechts dargestellt ist. Die beiden Hydrierreaktoren 2, 3 sind mittels eines Wärmeübertragers 4 miteinander verschaltet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Übertragung von Wärme von dem ersten Hydrierreaktor 2 zu dem zweiten Hydrierreaktor 3 als Wärmestrom Q̇. Der Wärmeübertrager 4 umfasst eine Wärmeübertragungsleitung, mit der ein Wärmeübertragerfluid, insbesondere Thermalöl, gefördert werden kann. Alternativ können die Hydrierreaktoren 2, 3 ohne Wärmetauscher mit einer einzigen Thermalölanlage betrieben werden, insbesondere wenn sich einer der Hydrierreaktoren 2, 3 in einem Standby-Betrieb befindet, also keine Wärme in den Thermalölkreislauf abgibt, sondern zur Kompensation von Wärmeverlusten Wärme verbraucht, die von dem jeweils anderem Hydrierreaktor in den Thermalölkreislauf abgegeben worden ist.A reactor arrangement marked as a whole with 1 comprises a first hydrogenation reactor 2, which is in 1 is shown on the left, and a second hydrogenation reactor 3, which is in 1 is shown on the right. The two hydrogenation reactors 2, 3 are interconnected by means of a heat exchanger 4. According to the exemplary embodiment shown, heat is transferred from the first hydrogenation reactor 2 to the second hydrogenation reactor 3 as heat flow Q̇. The heat exchanger 4 includes a heat transfer line with which a heat exchanger fluid, in particular thermal oil, can be conveyed. Alternatively, the hydrogenation reactors 2, 3 can be operated without a heat exchanger with a single thermal oil system, in particular if one of the hydrogenation reactors 2, 3 is in standby mode, i.e. does not release any heat into the thermal oil circuit, but instead consumes heat to compensate for heat losses has been released into the thermal oil circuit from the other hydrogenation reactor.

Da der zweite Hydrierreaktor 3 parallel zu dem ersten Hydrierreaktor 2 angeordnet ist, wird der zweite Hydrierreaktor 3 auch als Parallel-Hydrierreaktor bezeichnet.Since the second hydrogenation reactor 3 is arranged parallel to the first hydrogenation reactor 2, the second hydrogenation reactor 3 is also referred to as a parallel hydrogenation reactor.

Da der Parallel-Hydrierreaktor 3 Wärme von dem ersten Hydrierreaktor 2 empfängt, bildet der Parallel-Hydrierreaktor 3 eine Wärmeaufnahmeeinheit.Since the parallel hydrogenation reactor 3 receives heat from the first hydrogenation reactor 2, the parallel hydrogenation reactor 3 forms a heat receiving unit.

Entlang der Wärmeübertragerleitung ist eine weitere Wärmeaufnahmeeinheit 5 angeschlossen, die als Wärmeverbraucher und/oder als Wärmespeicher ausgeführt sein kann. Es versteht sich, dass an die Wärmeübertragerleitung weitere Wärmeaufnahmeeinheiten angeschlossen sein können.A further heat absorption unit 5 is connected along the heat exchanger line, which can be designed as a heat consumer and/or as a heat storage unit. It goes without saying that additional heat absorption units can be connected to the heat exchanger line.

Insbesondere ermöglicht der Wärmeübertrager 4 eine bidirektionale Wärmeübertragung. Eine Abhängigkeit der Betriebsweise der Reaktoranordnung ist es beispielsweise denkbar, dass Wärme von dem zweiten Hydrierreaktor 3 auf den ersten Hydrierreaktor 2 übertragen wird. Es ist auch denkbar, dass beide Hydrierreaktoren 2, 3 Wärme in den Wärmeübertrager 4 speisen, wobei diese Wärme an die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit 5 abgegeben und dort gespeichert und/oder verbraucht werden kann.In particular, the heat exchanger 4 enables bidirectional heat transfer. Depending on the mode of operation of the reactor arrangement, it is conceivable, for example, that heat is transferred from the second hydrogenation reactor 3 to the first hydrogenation reactor 2. It is also conceivable that both hydrogenation reactors 2, 3 feed heat into the heat exchanger 4, whereby this heat can be given off to the at least one heat absorption unit 5 and stored and/or consumed there.

Die Hydrierreaktoren 2, 3 sind insbesondere identisch ausgeführt und weisen insbesondere jeweils ein nicht näher dargestelltes Reaktorgehäuse auf. Die beiden Hydrierreaktoren 2, 3 sind insbesondere jeweils als Rohrbündelreaktoren ausgeführt mit mehreren, nicht näher dargestellten Reaktionsrohren, die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.The hydrogenation reactors 2, 3 are in particular identical and in particular each have a reactor housing, not shown in detail. The two hydrogenation reactors 2, 3 are in particular designed as tube bundle reactors with several reaction tubes, not shown, which are arranged in particular parallel to one another.

In den Hydrierreaktoren 2, 3 ist jeweils Katalysatormaterial abgeordnet, das von Wasserstoffträgermedium kontaktiert wird, um Wasserstoffgas an dem Wasserstoffträgermedium chemisch zu binden und dadurch zu speichern.Catalyst material is placed in the hydrogenation reactors 2, 3, which is contacted by the hydrogen carrier medium in order to chemically bind hydrogen gas to the hydrogen carrier medium and thereby store it.

Der Wärmeübertrager 4 kann zusätzlich eine nicht näher dargestellte Wärmepumpe umfassen, um insbesondere das Temperaturniveau der Abwärme aus den Hydrierreaktoren 2, 3 an das Temperaturniveau der mindestens einen Wärmeaufnahmeeinheit 5 anzupassen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Abwärme der Hydrierreaktoren 2, 3 mittels einer thermisch betriebenen Kältemaschine zur Kühlung zur Verfügung zu stellen.The heat exchanger 4 can additionally comprise a heat pump, not shown, in order in particular to adapt the temperature level of the waste heat from the hydrogenation reactors 2, 3 to the temperature level of the at least one heat absorption unit 5. Additionally or alternatively, it is also possible to make the waste heat from the hydrogenation reactors 2, 3 available for cooling by means of a thermally operated refrigeration machine.

Eine Wärmeaufnahmeeinheit 5 im Sinne der Erfindung ist auch ein Nah- und/oder Fernwärmenetz, das insbesondere zur Glättung von Wärmeprofilen der Hydrierreaktoren 2, 3 in Abhängigkeit der Wasserstoffspeicherleistung herangezogen werden kann.A heat absorption unit 5 in the sense of the invention is also a local and/or district heating network, which can be used in particular to smooth heat profiles of the hydrogenation reactors 2, 3 depending on the hydrogen storage capacity.

Den beiden Hydrierreaktoren 2, 3 ist jeweils eine Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 vorgeschaltet, die über eine Wasserstoffträgermedium-Zuführleitung 7 an die Hydrierreaktoren 2, 3 angeschlossen ist. Die Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 ist insbesondere als Speicherbehälter ausgeführt, in dem das Wasserstoffträgermedium mit einem Anfangshydriergrad HG0 gespeichert ist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist für beide Hydrierreaktoren 2, 3 eine gemeinsame Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 vorhanden. Es ist auch möglich, jeweils eine separate Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 mit jedem Hydrierreaktor 2, 3 zu verbinden.The two hydrogenation reactors 2, 3 are each preceded by a hydrogen carrier medium source 6, which is connected to the hydrogenation reactors 2, 3 via a hydrogen carrier medium supply line 7. The hydrogen carrier medium source 6 is designed in particular as a storage container in which the hydrogen carrier medium with an initial degree of hydrogenation HG 0 is stored. According to the exemplary embodiment shown, a common hydrogen carrier medium source 6 is present for both hydrogenation reactors 2, 3. It is also possible to connect a separate hydrogen carrier medium source 6 to each hydrogenation reactor 2, 3.

Die Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 kann alternativ durch eine Schnittstelle ausgeführt sein, über die Wasserstoffträgermedium von einem Tankfahrzeug und/oder mittels einer Versorgungsleitung, insbesondere einem Leitungsnetz, zuführbar ist und insbesondere zur Verfügung gestellt werden kann.The hydrogen carrier medium source 6 can alternatively be implemented by an interface via which hydrogen carrier medium can be supplied and in particular can be made available from a tank vehicle and/or by means of a supply line, in particular a line network.

Den Hydrierreaktoren 2, 3 ist jeweils eine Wasserstoffgasquelle 8 zugeordnet. Als Wasserstoffgasquelle 8 dient insbesondere eine nicht näher dargestellte Stromerzeugungseinheit, insbesondere zum Erzeugen von elektrischem Strom aus regenerativen Energiequellen. Die Stromerzeugungseinheit ist beispielsweise eine Photovoltaikanlage, ein Windkraftrad und/oder ein Wasserkraftwerk. Die Stromerzeugungsquelle ist insbesondere mit einem nicht dargestellten Elektrolyseur verbunden, in dem Wasser mittels elektrischem Strom in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas getrennt wird.A hydrogen gas source 8 is assigned to each of the hydrogenation reactors 2, 3. A power generation unit (not shown) serves as the hydrogen gas source 8, in particular for generating electrical power from renewable energy sources. The power generation unit is, for example, a photovoltaic system, a wind turbine and/or a hydroelectric power plant. The power generation source is in particular connected to an electrolyzer, not shown, in which water is separated into hydrogen gas and oxygen gas using electric current.

Das Wasserstoffgas kann, insbesondere über eine Zwischenspeicherung in einem nicht dargestellten Wasserstoffpufferspeicher, in einen Wasserstoffgasleitung 9 aufgegeben und an den jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3 gefördert werden. Durch das Zuschalten und/oder Abschalten der Hydrierreaktoren 2, 3 kann der Wasserstoffpufferspeicher vergleichsweise klein dimensioniert werden, da Schwankungen bei der Wasserstoffgasfreisetzung über das dynamische Hydrierverfahren kompensiert werden können. Das Verfahren ist besonders wirtschaftlich. Der Wasserstoffpufferspeicher weist insbesondere ein Maximalvolumen von höchstens 1000 l, insbesondere höchstens 500 1 und insbesondere höchstens 100 1 auf. Insbesondere kann das theoretisch erforderliche Pufferspeichervolumen durch das Zuschalten und/oder Abschalten der Hydrierreaktoren 2, 3 reduziert werden, insbesondere um mindestens 10 % bezogen auf das nominelle Wasserstoffpufferspeichervolumen, das ohne die Hydrierreaktoren 2, 3 erforderlich wäre, insbesondere um mindestens 20 % und insbesondere um mindestens 50 %. Insbesondere ist der Wasserpufferspeicher entbehrlich.The hydrogen gas can be fed into a hydrogen gas line 9 and conveyed to the respective hydrogenation reactor 2, 3, in particular via intermediate storage in a hydrogen buffer store (not shown). By switching on and/or switching off the hydrogenation reactors 2, 3, the hydrogen buffer storage can be dimensioned comparatively small, since fluctuations in the hydrogen gas release can be compensated for via the dynamic hydrogenation process. The process is particularly economical. The hydrogen buffer storage in particular has a maximum volume of at most 1000 l, in particular at most 500 l and in particular at most 100 l. In particular, the theoretically required buffer storage volume can be reduced by switching on and/or switching off the hydrogenation reactors 2, 3, in particular by at least 10% based on the nominal hydrogen buffer storage volume that would be required without the hydrogenation reactors 2, 3, in particular by at least 20% and in particular by at least 50%. In particular, the water buffer storage is unnecessary.

Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine einzige Wasserstoffgasquelle 8 vorhanden, die mit beiden Hydrierreaktoren 2, 3 verbunden ist. Es versteht sich, dass auch jeweils eine eigene Wasserstoffgasquelle 8 an die Hydrierreaktoren 2, 3 angeschlossen sein kann.According to the exemplary embodiment shown, a single hydrogen gas source 8 is present, which is connected to both hydrogenation reactors 2, 3. It goes without saying that a separate hydrogen gas source 8 can also be connected to the hydrogenation reactors 2, 3.

An die Hydrierreaktoren 2, 3 ist jeweils eine Abführleitung 10 angeschlossen, mittels der das in dem jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3 hydrierte Wasserstoffträgermedium abgeführt und einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann. Dazu dient insbesondere eine Wasserstoffträgermedium-Senke 11, wobei jeweils eine Wasserstoffträgermedium-Senke 11 an jeweils einen Hydrierreaktor 2, 3 angeschlossen sein kann. Alternativ kann auch eine gemeinsame Wasserstoffträgermedium-Senke 11 für mehrere, insbesondere für alle, Hydrierreaktoren 2, 3 vorgesehen sein.A discharge line 10 is connected to each of the hydrogenation reactors 2, 3, by means of which the hydrogen carrier medium hydrogenated in the respective hydrogenation reactor 2, 3 can be removed and fed for further use. A hydrogen carrier medium sink 11 is used in particular for this purpose, with each hydrogen carrier medium sink 11 being able to be connected to a respective hydrogenation reactor 2, 3. Alternatively, a common hydrogen carrier medium sink 11 can also be provided for several, in particular for all, hydrogenation reactors 2, 3.

Die Wasserstoffträgermedium-Senke 11 ist insbesondere ein Speicherbehälter, in dem das hydrierte Wasserstoffträgermedium bevorratet werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Wasserstoffträgermedium-Senke 11 eine Schnittstelle sein, an der das hydrierte Wasserstoffträgermedium beispielsweise an ein Transportfahrzeug und/oder in ein Leitungsnetz aufgegeben werden kann.The hydrogen carrier medium sink 11 is in particular a storage container in which the hydrogenated hydrogen carrier medium can be stored. Additionally or alternatively, the hydrogen carrier medium sink 11 can be an interface at which the hydrogenated hydrogen carrier medium can be fed, for example, to a transport vehicle and/or into a pipeline network.

An die Abführleitung 10 ist jeweils eine Rückführleitung 12 angeschlossen, um hydriertes Wasserstoffträgermedium aus dem jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3 in diesen Hydrierreaktor 2, 3 wieder zurückzuführen. Um den jeweiligen Fluidstrom, insbesondere entlang der Rückführleitung 12, gezielt zu beeinflussen, ist entlang der Rückführleitung 12 jeweils eine Pumpe 13 angeordnet. Insbesondere kann durch geeignetes Ansteuern der Pumpe 13 das Verhältnis der Massenströme des Wasserstoffträgermediums mit dem Anfangshydriergrad HG0 aus der Wasserstoffträgermedium-Quelle 6 und der Massestrom des rückgeführten Wasserstoffträgermediums mit dem erhöhten, ersten Hydriergrad HG1 über die Rückführleitung 12 gezielt angepasst, also eingestellt, werden.A return line 12 is connected to the discharge line 10 in order to return hydrogenated hydrogen carrier medium from the respective hydrogenation reactor 2, 3 into this hydrogenation reactor 2, 3. In order to specifically influence the respective fluid flow, in particular along the return line 12, a pump 13 is arranged along the return line 12. In particular, by appropriately controlling the pump 13, the ratio of the mass flows of the hydrogen carrier medium with the initial degree of hydrogenation HG 0 from the hydrogen carrier medium source 6 and the mass flow of the returned hydrogen carrier medium with the increased, first degree of hydrogenation HG 1 can be specifically adjusted, i.e. adjusted, via the return line 12 .

Die Reaktoranordnung 1 umfasst ferner eine rein schematisch dargestellte Regelungseinheit 14, die insbesondere mit den Pumpen 13 in Signalverbindung steht. Die Regelungseinheit 14 ermöglicht es, die Pumpen 13 derart anzusteuern, dass der Massestrom an Wasserstoffträgermedium gezielt veränderlich eingestellt werden kann. Die Signalverbindung der Regelungseinheit 14 ist insbesondere kabelgebunden ausgeführt. Die Signalverbindung kann aber auch, wie dies in 1 mit dem Symbol 15 angedeutet ist, kabellos, insbesondere als Funkverbindung, ausgeführt sein.The reactor arrangement 1 further comprises a purely schematically illustrated control unit 14, which is in particular in signal connection with the pumps 13. The control unit 14 makes it possible to control the pumps 13 in such a way that the mass flow of hydrogen carrier medium can be set to vary in a targeted manner. The signal connection of the control unit 14 is in particular Wired. The signal connection can also be done, as in 1 indicated by the symbol 15, can be designed wirelessly, in particular as a radio connection.

Der jeweilige Hydrierreaktor 2, 3 mit der Rückführleitung 12 und der Pumpe 13 bilden jeweils ein als Ganzes mit 16 bezeichnetes Hydriermodul 16. Die Hydriermodule 16 sind mittels des Wärmeübertragers 4 miteinander gekoppelt, insbesondere parallel verschaltet.The respective hydrogenation reactor 2, 3 with the return line 12 and the pump 13 each form a hydrogenation module 16, designated as a whole by 16. The hydrogenation modules 16 are coupled to one another by means of the heat exchanger 4, in particular connected in parallel.

Entlang der Abführleitung 10 ist insbesondere stromaufwärts der Wasserstoffträgermedium-Senke 11 eine Reinigungseinheit 17 angeordnet. Die Reinigungseinheit 17 kann auch Bestandteil des Hydriermoduls 16 sein und ist in diesem Fall insbesondere stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung 12 angeordnet. Die Reinigungseinheit 17 ist insbesondere als Destillationseinheit ausgeführt und ermöglicht insbesondere die Reinigung von Verunreinigungen, die insbesondere als Degradationsprodukte im Wasserstoffträgermedium gebildet werden und darin vermischt vorliegen. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Betrieb der Reaktoranordnung 1 näher erläutert. Das Verfahren dient insbesondere zum Hydrieren des Wasserstoffträgermediums mit Wasserstoffgas, das insbesondere fluktuierend, also unter schwankenden Versorgungsbedingungen, bereitgestellt wird. Im Normalbetrieb, insbesondere wenn ausreichend Wasserstoffgas von der Wasserstoffgasquelle 8 zur Verfügung gestellt werden kann oder zumindest ausreichend Wasserstoffgas in den nicht dargestellten Wasserstoffpufferspeichern bevorratet ist, werden der erste Hydrierreaktor 2 und gegebenenfalls der zweite Hydrierreaktor 3 unter Nominallast betrieben. Gegebenenfalls werden die Hydrierreaktoren 2, 3 unter Maximallast betrieben.A cleaning unit 17 is arranged along the discharge line 10, in particular upstream of the hydrogen carrier medium sink 11. The cleaning unit 17 can also be part of the hydrogenation module 16 and in this case is arranged in particular upstream of the branch of the return line 12. The cleaning unit 17 is designed in particular as a distillation unit and in particular enables the purification of impurities, which are formed in particular as degradation products in the hydrogen carrier medium and are mixed therein. A method for operating the reactor arrangement 1 is explained in more detail below. The method is used in particular to hydrogenate the hydrogen carrier medium with hydrogen gas, which is provided in particular fluctuatingly, i.e. under fluctuating supply conditions. During normal operation, in particular when sufficient hydrogen gas can be made available from the hydrogen gas source 8 or at least sufficient hydrogen gas is stored in the hydrogen buffer storage, not shown, the first hydrogenation reactor 2 and optionally the second hydrogenation reactor 3 are operated under nominal load. If necessary, the hydrogenation reactors 2, 3 are operated under maximum load.

Die bei der Hydrierung anfallende Wärme kann als Wärmestrom Q über den Wärmeübertrager 4 an die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit 5 abgegeben und insbesondere dort gespeichert werden.The heat generated during the hydrogenation can be given off as heat flow Q via the heat exchanger 4 to the at least one heat absorption unit 5 and in particular stored there.

Um eine Überhitzung der Hydrierreaktoren 2, 3 zu vermeiden und insbesondere das jeweilige Hydrierverfahren an die jeweiligen Verfahrensbedingungen besser anpassen zu können, kann über die jeweilige Pumpe 13 entlang der Rückführleitung 12 die rückgeführte Menge des Wasserstoffträgermediums gezielt angepasst werden. Je größer die rückgeführte Menge des Wasserstoffträgermediums ist, desto geringer ist die thermodynamische Triebkraft des Hydrierverfahrens in dem jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3. Die Reaktionsgeschwindigkeit in dem jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3 und die sich daraus ergebende Wärmeentwicklung können entsprechend gedrosselt werden.In order to avoid overheating of the hydrogenation reactors 2, 3 and in particular to be able to better adapt the respective hydrogenation process to the respective process conditions, the returned amount of hydrogen carrier medium can be specifically adjusted via the respective pump 13 along the return line 12. The larger the amount of hydrogen carrier medium recycled, the lower the thermodynamic driving force of the hydrogenation process in the respective hydrogenation reactor 2, 3. The reaction rate in the respective hydrogenation reactor 2, 3 and the resulting heat development can be throttled accordingly.

Falls weniger und insbesondere nicht ausreichend Wasserstoffgas für den regulären Hydrierbetrieb zur Verfügung gestellt wird, ist es möglich, einen oder mehrere Hydrierreaktoren in ihrer Leistung zu drosseln, also mit reduziertem Wasserstoffgasverbrauch zu betreiben. Die Leistungsdrosselung erfolgt insbesondere durch eine Reduzierung der zugeführten Menge des Wasserstoffträgermediums und insbesondere durch eine Rückführung von bereits hydriertem Wasserstoffmedium. Insbesondere kann das Mischungsverhältnis zwischen frischem Wasserstoffträgermedium und rückgeführtem Wasserstoffträgermedium im Betrieb der Hydrierreaktoren 2, 3 veränderlich und flexibel eingestellt werden. Es ist insbesondere denkbar, dass im wesentlichen Wasserstoffträgermedium aus den Hydrierreaktoren 2, 3 rückgeführt wird und lediglich so viel frisches Wasserstoffträgermedium zugeführt und in den Hydrierreaktoren 2, 3 hydriert wird, um den Wärmeverlust durch die Exothermie der Hydrierreaktion zu decken bzw. auszugleichen. Insbesondere beträgt dieses Mengenverhältnis von zugeführtem frischen Wasserstoffträgermedium zu zurückgeführtem Wasserstoffträgermedium höchstens 1:2, insbesondere höchstens 1:5, insbesondere höchstens 1:10, insbesondere 1:100 und insbesondere 1:1000.If less and in particular not sufficient hydrogen gas is made available for regular hydrogenation operation, it is possible to throttle the output of one or more hydrogenation reactors, i.e. to operate them with reduced hydrogen gas consumption. The power throttling takes place in particular by reducing the amount of hydrogen carrier medium supplied and in particular by returning hydrogen medium that has already been hydrogenated. In particular, the mixing ratio between fresh hydrogen carrier medium and recycled hydrogen carrier medium can be adjusted variably and flexibly during operation of the hydrogenation reactors 2, 3. It is particularly conceivable that essentially hydrogen carrier medium is recycled from the hydrogenation reactors 2, 3 and only enough fresh hydrogen carrier medium is supplied and hydrogenated in the hydrogenation reactors 2, 3 in order to cover or compensate for the heat loss due to the exothermicity of the hydrogenation reaction. In particular, this quantitative ratio of supplied fresh hydrogen carrier medium to recycled hydrogen carrier medium is at most 1:2, in particular at most 1:5, in particular at most 1:10, in particular 1:100 and in particular 1:1000.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn derartige Hydrierreaktoren in einem sogenannten Selbsterhaltungsmodus betrieben werden, der insbesondere eine neutrale Wärmebilanz aufweist. Das bedeutet, dass in dem Selbsterhaltungsmodus der jeweilige Hydrierreaktor 2, 3 gerade so viel Wasserstoffträgermedium hydriert, dass die in Folge der Hydrierreaktion entstehende Wärme zur Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus in dem Hydrierreaktor 2, 3 ausreicht. Für die Reaktionsdynamik ist es vorteilhaft, wenn das Druckniveau in den Hydrierreaktoren 2, 3 aufrecht erhalten bleibt.It is particularly advantageous if such hydrogenation reactors are operated in a so-called self-preservation mode, which in particular has a neutral heat balance. This means that in the self-preservation mode the respective hydrogenation reactor 2, 3 hydrogenates just enough hydrogen carrier medium that the heat generated as a result of the hydrogenation reaction is sufficient to maintain the temperature level in the hydrogenation reactor 2, 3. For the reaction dynamics, it is advantageous if the pressure level in the hydrogenation reactors 2, 3 is maintained.

Im Selbsterhaltungsmodus beträgt der Energiebedarf höchstens 10 % bezogen auf die Nominallast des jeweiligen Hydrierreaktors 2, 3, insbesondere höchstens 5 %, insbesondere höchstens 3 % und insbesondere höchstens 1%.In self-preservation mode, the energy requirement is at most 10% based on the nominal load of the respective hydrogenation reactor 2, 3, in particular at most 5%, in particular at most 3% and in particular at most 1%.

Es wurde erkannt, dass es vorteilhaft ist, die Hydrierreaktoren 2, 3 im Selbsterhaltungsmodus zu betreiben, um ein vollständiges Abschalten der Reaktoren zu verhindern. Dadurch kann die in dem Hydrierreaktor 2, 3 gespeicherte Wärme mit reduziertem Leistungsaufwand erhalten bleiben. Insbesondere weist die Reaktoranordnung dadurch eine erhöhte Flexibilität auf. Eine spontane Leistungssteigerung kann unkompliziert umgesetzt werden, da insbesondere längere Hochfahrzeiten für einen oder mehrere Hydrierreaktoren entbehrlich sind. Der Hydrierreaktor kann insbesondere unmittelbar aus dem Selbsterhaltungsmodus in einen regulären Betriebszustand wieder aufgenommen werden. Die Aufnahme in den regulären Betriebszustand ist erleichtert, wenn das Druckniveau in dem jeweiligen Hydrierreaktor 2, 3 auch während des Selbsterhaltungsmodus beibehalten, insbesondere aufrechterhalten wird.It was recognized that it is advantageous to operate the hydrogenation reactors 2, 3 in self-maintenance mode in order to prevent the reactors from being switched off completely. As a result, the heat stored in the hydrogenation reactor 2, 3 can be retained with reduced power expenditure. In particular, the reactor arrangement thereby has increased flexibility. A spontaneous increase in performance can be implemented easily, as longer start-up times for one or more hydrogenation reactors are unnecessary. The hydrogenation reactor can in particular be switched directly from self-preservation mode into regular operation condition can be resumed. The inclusion in the regular operating state is made easier if the pressure level in the respective hydrogenation reactor 2, 3 is maintained, in particular maintained, even during the self-preservation mode.

Es ist insbesondere ein Betriebszustand denkbar, in dem sämtliche Hydrierreaktoren 2, 3 im Selbsterhaltungsmodus betrieben werden.In particular, an operating state is conceivable in which all hydrogenation reactors 2, 3 are operated in self-preservation mode.

In einem alternativen Betriebszustand, in dem das zur Verfügung stehende Wasserstoffgas nicht ausreicht, um sämtliche Hydrierreaktoren 2, 3 im Selbsterhaltungsmodus zu betreiben, können einzelne Reaktoren in einem sogenannten Hot-Standby-Modus betrieben werden. In diesem Hot-Standby-Modus wird dem so betriebenen Hydrierreaktor 2, 3 ein Wärmestrom Q von einer externen Wärmequelle zugeführt. Es ist dadurch entbehrlich, dass in dem im Hot-Standby-Modus betriebenen Hydrierreaktor 2, 3 überhaupt eine Hydrierreaktion stattfindet. Der Hydrierreaktor 2, 3 im Hot-Standby-Modus ist inaktiv und wird ausschließlich mittels externer Wärme aufgewärmt.In an alternative operating state in which the available hydrogen gas is not sufficient to operate all hydrogenation reactors 2, 3 in self-sustaining mode, individual reactors can be operated in a so-called hot standby mode. In this hot standby mode, the hydrogenation reactor 2, 3 operated in this way is supplied with a heat flow Q from an external heat source. This makes it unnecessary for a hydrogenation reaction to take place at all in the hydrogenation reactor 2, 3 operated in hot standby mode. The hydrogenation reactor 2, 3 in hot standby mode is inactive and is warmed up exclusively using external heat.

Denkbar ist, dass als externe Wärmequelle ein anderer Hydrierreaktor 2, 3 dient, dessen Abwärme entsprechend genutzt wird. Es kann also insbesondere vorteilhaft sein, Wasserstoffgas in einem Hydrierreaktor 2, 3 zu nutzen, um dort Abwärme zu erzeugen, die als externe Wärme genutzt werden kann für den Hot-Standby-Modus anderer Hydrierreaktoren 2, 3.It is conceivable that another hydrogenation reactor 2, 3 serves as an external heat source, the waste heat of which is used accordingly. It can therefore be particularly advantageous to use hydrogen gas in a hydrogenation reactor 2, 3 in order to generate waste heat there, which can be used as external heat for the hot standby mode of other hydrogenation reactors 2, 3.

Eine vorteilhafte Betriebsweise ist dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere je nach Verfügbarkeit von Wärme und/oder Wasserstoff, flexibel zwischen dem Hot-Standby-Modus, in dem eine externe Wärmequelle benötigt wird, und dem Selbsterhaltungsmodus unter Nutzung einer Wasserstoffquelle variabel gewechselt werden kann. Insbesondere können die jeweiligen Hydrierreaktoren 2, 3 in den jeweiligen Zustand versetzt werden.An advantageous mode of operation is characterized in that, in particular depending on the availability of heat and/or hydrogen, it is possible to flexibly switch between the hot standby mode, in which an external heat source is required, and the self-preservation mode using a hydrogen source. In particular, the respective hydrogenation reactors 2, 3 can be put into the respective state.

Gemäß einer weiteren Variante kann überschüssige Reaktionswärme, die insbesondere bei höheren Lastbetrieben anfällt und insbesondere in einem Wärmespeicher zwischengespeichert wird, für einen späteren Energiebedarf genutzt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn insbesondere die Wärmesenke 5 absatzweise betrieben wird, beispielsweise durch eine diskontinuierliche Aufreinigung des Wasserstoffträgermediums in Spitzenlastzeiten. In diesem Fall kann mindestens ein zusätzlicher Wärmeverbraucher zur Pufferung und/oder optimierten Nutzung von Wärme bereitgestellt werden. Die Hydrierreaktion findet insbesondere kontinuierlich statt, wobei die Wärmeabnahme absatzweise realisiert sein kann. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn keine kontinuierliche Wärmeabnahme realisierbar ist, beispielsweise weil die zur Verfügung gestellte Wärmesenke und insbesondere deren Wärmeaufnahmekapazität nicht ausreicht. In diesem Fall ist eine kontinuierliche Wärmeabnahme nicht möglich.According to a further variant, excess reaction heat, which occurs in particular during higher load operations and is in particular temporarily stored in a heat storage, can be used for later energy requirements. This is particularly the case when the heat sink 5 is operated intermittently, for example by discontinuous purification of the hydrogen carrier medium during peak load times. In this case, at least one additional heat consumer can be provided for buffering and/or optimized use of heat. The hydrogenation reaction takes place in particular continuously, and the heat removal can be carried out in batches. This is particularly relevant if continuous heat consumption cannot be achieved, for example because the heat sink provided and in particular its heat absorption capacity are not sufficient. In this case, continuous heat removal is not possible.

Dies gilt auch dann, wenn eine Überlastung der Wärmesenke droht, weil die Spitzenlast die Wärmeaufnahmekapazität übersteigt. Es wurde gefunden, dass die Aufreinigung von Wasserstoffträgermedium, insbesondere in einer Destillationskolonne, einen absatzweise betriebenen Wärmeabnehmer, also eine absatzweise betriebene Wärmesenke, bilden kann. Dadurch ist es möglich, die Aufreinigung des Wasserstoffmediums insbesondere ausschließlich zu Spitzenlastzeiten durchzuführen. Es kann vorteilhaft sein, einen Vorrat an kontaminiertem Wasserstoffträgermedium bereitzustellen, um bei einer Spitzenlast die Aufreinigung des kontaminierten Wasserstoffmediums durchzuführen und zu starten, um eine ausreichende Wärmesenke bereitstellen zu können.This also applies if the heat sink is at risk of being overloaded because the peak load exceeds the heat absorption capacity. It was found that the purification of hydrogen carrier medium, in particular in a distillation column, can form a batch-operated heat collector, i.e. a batch-operated heat sink. This makes it possible to carry out the purification of the hydrogen medium, in particular exclusively during peak load times. It may be advantageous to provide a supply of contaminated hydrogen carrier medium in order to carry out and start the purification of the contaminated hydrogen medium at a peak load in order to be able to provide a sufficient heat sink.

Als Beispiel für einen absatzweisen Betrieb der Reaktoranordnung 1 ist ein Betrieb der Reaktoranordnung 1 unter Berücksichtigung einer Aufreinigung des Wasserstoffträgermediums zu verstehen.An example of a batch operation of the reactor arrangement 1 is to be understood as an operation of the reactor arrangement 1 taking into account a purification of the hydrogen carrier medium.

Im regulären Betrieb der Reaktoranordnung 1 kann es zu Degradationen des Wasserstoffträgermediums kommen. Diese Degradationsprodukte können von dem Wasserstoffträgermedium mittels der Reinigungseinheit 17, insbesondere durch Destillation, ausgereinigt werden. Die Reinigung erfolgt insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen. Insbesondere erfolgt die Reinigung absatzweise zu Energiespitzenlastzeiten und/oder bei entsprechend hohem Vorrat an kontaminiertem, also ungereinigtem, WasserstoffträgermediumDuring regular operation of the reactor arrangement 1, degradation of the hydrogen carrier medium can occur. These degradation products can be cleaned from the hydrogen carrier medium by means of the cleaning unit 17, in particular by distillation. Cleaning is carried out in particular at regular intervals. In particular, the cleaning is carried out intermittently during energy peak times and/or when there is a correspondingly high supply of contaminated, i.e. uncleaned, hydrogen carrier medium

Insbesondere, falls bei der Reaktoranordnung 1 eine Verstetigung der Wärmeübertragung aus dem Hydrierprozess nicht erfolgt und überschüssige Wärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert wird, kann die zwischengespeicherte Wärme zur Reinigung des Wasserstoffträgermediums genutzt werden. Verunreinigtes Wasserstoffträgermedium, also Wasserstoffträgermedium mit einem erhöhten Anteil an Degradationsprodukten, könnte in der Reaktoranordnung 1 bereitgestellt und insbesondere zu energiereichen Zeiten gereinigt werden. Das gereinigte Wasserstoffträgermedium könnte dem regulären Kreislauf des Wasserstoffträgermediums in der Reaktoranordnung 1 wieder beigemischt werden. Durch die Bevorratung von degradiertem Wasserstoffträgermedium für die Reinigungseinheit 17 erhöht sich zumindest indirekt die Verfügbarkeit des Wasserstoffträgermediums für die Hydrierung, ohne dass beispielsweise die Wasserstoffträgermedium-Quellen 6 größer dimensioniert oder die entsprechende Logistik zur Lieferung von entsprechendem Wasserstoffträgermedium höher frequentiert werden müsste. Die Reinigungseinheit 17 kann als Wasserstoffträgermedium-Zwischenspeicher dienen.In particular, if the heat transfer from the hydrogenation process is not stabilized in the reactor arrangement 1 and excess heat is temporarily stored in a heat storage, the temporarily stored heat can be used to clean the hydrogen carrier medium. Contaminated hydrogen carrier medium, i.e. hydrogen carrier medium with an increased proportion of degradation products, could be provided in the reactor arrangement 1 and cleaned in particular at high-energy times. The purified hydrogen carrier medium could be mixed back into the regular cycle of the hydrogen carrier medium in the reactor arrangement 1. By storing degraded hydrogen carrier medium for the cleaning unit 17, the availability of the hydrogen carrier medium for hydrogenation is at least indirectly increased, without, for example, the water Hydrogen carrier medium sources 6 would have to be larger or the corresponding logistics for the delivery of the corresponding hydrogen carrier medium would have to be more frequently used. The cleaning unit 17 can serve as a hydrogen carrier medium buffer.

Als Degradationsprodukte im Wasserstoffträgermedium sind insbesondere höhersiedende, aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Fluorene, Anthrazene, Tetrazene zu verstehen. Die Degradationsprodukte unterscheiden sich von dem Wasserstoffträgermedium insbesondere aufgrund ihrer physiochemischen Stoffeigenschaften, insbesondere Siedepunkt, Polarität, Molekülgröße und/oder -dichte. Die Degradationsprodukte lassen sich aufgrund dieser Unterschiede besonders bevorzugt durch Destillation und/oder mittels einer Zentrifuge und/oder mittels einer Trennmembran abtrennen. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine adsorptive Reinigung möglich an einem Adsorber wie Zeolith, Aktivkohle, Siliciumoxid und/oder Aluminiumoxid.Degradation products in the hydrogen carrier medium are, in particular, higher-boiling, aromatic hydrocarbons, in particular fluorenes, anthracenes and tetrazenes. The degradation products differ from the hydrogen carrier medium in particular due to their physiochemical properties, in particular boiling point, polarity, molecular size and/or density. Due to these differences, the degradation products can be particularly preferably separated by distillation and/or by means of a centrifuge and/or by means of a separation membrane. Additionally or alternatively, adsorptive cleaning is also possible using an adsorber such as zeolite, activated carbon, silicon oxide and/or aluminum oxide.

Die Reinigungseinheit 17 ist insbesondere unmittelbar an den Wärmeübertrager 4, insbesondere die diesbezügliche Wärmeübertragerleitung, angeschlossen. Die Reinigungseinheit 17 kann insbesondere von den Hydrierreaktoren 2, 3 kontinuierlich mit Abwärme versorgt werden. Zusätzlich oder alternativ kann zwischengespeicherte Wärme aus dem Wärmespeicher 5 an die Reinigungseinheiten 17 abgegeben werden.The cleaning unit 17 is in particular connected directly to the heat exchanger 4, in particular the relevant heat exchanger line. The cleaning unit 17 can be continuously supplied with waste heat, in particular from the hydrogenation reactors 2, 3. Additionally or alternatively, temporarily stored heat from the heat storage 5 can be released to the cleaning units 17.

Es ist auch möglich, dass die zur Aufreinigung benötigte Energie in Hochlastzeiten zur Verfügung gestellt wird, statt die Wärme an den Wärmespeicher 5 abzugeben. In diesem Fall würde die Reinigungseinheit 17 absatzweise in Abhängigkeit der Wärmebereitstellung aus den Hydrierreaktoren 2, 3 betrieben werden. Durch die Nutzung der Reaktionsenergie aus den Hydrierprozessen, insbesondere an energiereichen Standorten, für die Aufreinigung des Wasserstoffträgermediums kann die Wirtschaftlichkeit insgesamt erhöht und das Verfahren aufgrund der effizienteren Nutzung der Wärme aus fluktuierenden Wasserstoffquellen optimiert und somit ebenfalls wirtschaftlicher betrieben werden.It is also possible that the energy required for purification is made available during peak times instead of giving off the heat to the heat storage 5. In this case, the cleaning unit 17 would be operated intermittently depending on the heat provided from the hydrogenation reactors 2, 3. By using the reaction energy from the hydrogenation processes, especially at energy-rich locations, for the purification of the hydrogen carrier medium, the overall economic efficiency can be increased and the process can be optimized and therefore also operated more economically due to the more efficient use of heat from fluctuating hydrogen sources.

Eine weitere alternative Betriebsweise der Reaktoranordnung 1 besteht darin, dass als Wärmeaufnahmeeinheit 5 eine Entsalzungsanlage dient. Die Entsalzungsanlage dient insbesondere zum Entsalzen von Meerwasser, so dass das entsalzene Meerwasser anschließend einer Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoffgas zugeführt werden kann. Die Nutzung der Entsalzungsanlage kann kontinuierlich und/oder absatzweise in der Reaktoranordnung 1 erfolgen.Another alternative mode of operation of the reactor arrangement 1 is that a desalination plant serves as the heat absorption unit 5. The desalination plant is used in particular to desalinate seawater, so that the desalinated seawater can then be fed to electrolysis to produce hydrogen gas. The desalination plant can be used continuously and/or intermittently in the reactor arrangement 1.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.The following is with reference to 2 a second embodiment is described. Structurally identical parts are given the same reference numbers as in the first exemplary embodiment, the description of which is hereby referred to. Parts that are structurally different but functionally similar are given the same reference numerals followed by an a.

Ein wesentlicher Unterschied der Reaktoranordnung 1a besteht darin, dass die Hydriermodule 16a jeweils zwei Hydrierreaktoren 2, 18 bzw. 3, 19 aufweist. Die beiden Hydrierreaktoren 2, 18 bzw. 3, 19, die innerhalb eines Hydriermoduls 16a angeordnet sind, sind in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass ein Ausgang des stromaufwärts angeordneten, ersten Hydrierreaktors 2, 3 mit dem Eingang des jeweils zweiten Hydrierreaktors 18 bzw. 19, insbesondere unmittelbar, fluidtechnisch verbunden ist. Dazu ist zwischen den beiden Hydrierreaktoren 2, 18 bzw. 3, 19 eines Hydriermoduls 16a jeweils eine Verbindungsleitung 20 angeordnet. Die Verbindungsleitung 20 weist jeweils eine Abzweigungsleitung zu der Rückführleitung 12 auf.A significant difference in the reactor arrangement 1a is that the hydrogenation modules 16a each have two hydrogenation reactors 2, 18 and 3, 19, respectively. The two hydrogenation reactors 2, 18 and 3, 19, which are arranged within a hydrogenation module 16a, are connected in series. This means that an outlet of the first hydrogenation reactor 2, 3 arranged upstream is fluidly connected, in particular directly, to the inlet of the second hydrogenation reactor 18 or 19, respectively. For this purpose, a connecting line 20 is arranged between the two hydrogenation reactors 2, 18 and 3, 19 of a hydrogenation module 16a. The connecting line 20 each has a branch line to the return line 12.

Am Ausgang des jeweils zweiten Hydrierreaktors 18, 19 ist optional eine weitere Rückführleitung 21 angeschlossen, die insbesondere aus der Abführleitung 10 abgezweigt ist. Die jeweils weitere Rückführleitung 21 weist eine weitere Pumpe 22 auf. Die weitere Rückführleitung 21 mündet in die Rückführleitung 12.At the output of the second hydrogenation reactor 18, 19, a further return line 21 is optionally connected, which is branched off in particular from the discharge line 10. The respective further return line 21 has a further pump 22. The further return line 21 opens into the return line 12.

Der jeweils erste Hydrierreaktor 2, 3 wird als Starterreaktor bezeichnet. Der jeweils nachgeordnete zweite Hydrierreaktor 18, 19 wird als Finisherreaktor bezeichnet. Es wurde gefunden, dass eine mehrstufige, insbesondere zweistufige Hydrierung des Wasserstoffträgermediums in den hintereinandergeschalteten Hydrierreaktoren 2,18 bzw. 3, 19 besonders vorteilhaft erfolgen kann, insbesondere unter effizienterer Nutzung des Katalysatormaterials. Insbesondere ist der Gesamtbedarf an Katalysatormaterial reduziert. Insbesondere kann die Reaktionstemperatur in dem zweiten Hydrierreaktor 18, 19 vergleichsweise gering gehalten werden, insbesondere bei weniger als 250°C, insbesondere bei weniger als 240°C und insbesondere bei höchstens 230°C. Die in dem zweiten Hydrierreaktor 18, 19 absolut freisetzbare Wärmemenge ist insbesondere aufgrund des erhöhten Eingangshydriergrads reduziert. Dies resultiert bei der entsprechenden Anlagensteuerung zu einer reduzierten Reaktionsmitteltemperatur.The first hydrogenation reactor 2, 3 is referred to as the starter reactor. The downstream second hydrogenation reactor 18, 19 is referred to as a finisher reactor. It has been found that a multi-stage, in particular two-stage, hydrogenation of the hydrogen carrier medium can be carried out particularly advantageously in the series-connected hydrogenation reactors 2, 18 and 3, 19, in particular with more efficient use of the catalyst material. In particular, the overall requirement for catalyst material is reduced. In particular, the reaction temperature in the second hydrogenation reactor 18, 19 can be kept comparatively low, in particular at less than 250 ° C, in particular at less than 240 ° C and in particular at most 230 ° C. The absolute amount of heat that can be released in the second hydrogenation reactor 18, 19 is reduced, in particular due to the increased degree of initial hydrogenation. With the corresponding system control, this results in a reduced reactant temperature.

In dem ersten Hydrierreaktor 2, 3 erfolgt insbesondere eine bewusst unvollständige Hydrierung, so dass der erste Hydriergrad HG1 des Wasserstoffträgermediums beim Verlassen des ersten Hydrierreaktors 2, 3 höchstens 95 %, insbesondere höchstens 90 %, insbesondere höchstens 85 % und insbesondere höchstens 80 % beträgt.In particular, a deliberately incomplete hydrogenation takes place in the first hydrogenation reactor 2, 3, so that the first degree of hydrogenation HG 1 of the hydrogen carrier medium when leaving the first hydrogenation reactor 2, 3 is at most 95%, in particular at most is at least 90%, in particular at most 85% and in particular at most 80%.

In dem stromabwärts angeordneten zweiten Hydrierreaktor 18, 19 erfolgt ein sogenanntes Endhydrieren auf einen zweiten Hydriergrad HG2 von mindestens 95 %, insbesondere mindestens 99 % und insbesondere mindestens 99,999 %.In the second hydrogenation reactor 18, 19 arranged downstream, a so-called final hydrogenation takes place to a second degree of hydrogenation HG 2 of at least 95%, in particular at least 99% and in particular at least 99.999%.

Die Wärmeauskopplung erfolgt insbesondere an den jeweils ersten Hydrierreaktoren 2, 3, da dort die vergleichsweise höheren Temperaturen auftreten. Entsprechend kann insbesondere der jeweils erste Hydrierreaktor 2, 3 als externe Wärmequelle für einen der anderen Hydrierreaktoren im Hot-Standby-Modus genutzt werden.The heat is extracted in particular at the first hydrogenation reactors 2, 3, since the comparatively higher temperatures occur there. Accordingly, in particular the first hydrogenation reactor 2, 3 can be used as an external heat source for one of the other hydrogenation reactors in hot standby mode.

Eine zusätzliche Wärmeauskopplung kann auch an den zweiten Hydrierreaktoren 18, 19 erfolgen. Insbesondere wird dort Wärme auf einem Wärmeniveau bereitgestellt, dass vergleichsweise niedriger ist als das Temperaturniveau der ersten Hydrierreaktoren 2, 3. Dennoch ist das Temperaturniveau von den zweiten Hydrierreaktoren 18 19 zur Verfügung gestellten Wärme für Wärmeverbraucher geeignet. Die Gesamteffizienz des Verfahrens ist dadurch erhöht.Additional heat extraction can also take place at the second hydrogenation reactors 18, 19. In particular, heat is provided there at a heat level that is comparatively lower than the temperature level of the first hydrogenation reactors 2, 3. Nevertheless, the temperature level of the heat provided by the second hydrogenation reactors 18 19 is suitable for heat consumers. The overall efficiency of the process is thereby increased.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (16)

Verfahren zum Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums umfassend die Verfahrensschritte - katalytisches Hydrieren des Wasserstoffträgermediums in einem Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19), - gezieltes Abführen von beim Hydrieren erzeugter Abwärme von dem Hydrierreaktor (2, 3) an mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (2, 3, 5, 17) mittels eines Wärmeübertragers (4).Method for hydrogenating a hydrogen carrier medium comprising the method steps - catalytic hydrogenation of the hydrogen carrier medium in a hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19), - targeted removal of waste heat generated during hydrogenation from the hydrogenation reactor (2, 3) to at least one heat absorption unit (2, 3, 5, 17) by means of a heat exchanger (4). Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zuführen von Wasserstoffgas aus einem Wasserstoffpufferspeicher in den Hydrierreaktor (2, 3).Procedure according to Claim 1 , characterized by supplying hydrogen gas from a hydrogen buffer storage into the hydrogenation reactor (2, 3). Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme an einen, insbesondere mit dem Hydrierreaktor (2) parallel verschalteten, Parallel-Hydrierreaktor (3) als die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit übertragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the waste heat is transferred to a parallel hydrogenation reactor (3), in particular connected in parallel with the hydrogenation reactor (2), as the at least one heat absorption unit. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrierreaktor (2; 2, 18) und/oder der mindestens eine Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19) mit einer neutralen Wärmebilanz betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogenation reactor (2; 2, 18) and/or the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19) is operated with a neutral heat balance. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasserstoff, insbesondere die zugeführte Wasserstoffmenge, in den Hydrierreaktor (2; 2, 18) und/oder in den mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19) geregelt wird, insbesondere mittels einer Regelungseinheit (14).Procedure according to Claim 4 , characterized in that the supply of hydrogen, in particular the amount of hydrogen supplied, into the hydrogenation reactor (2; 2, 18) and/or into the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19) is regulated, in particular by means of a control unit ( 14). Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrierreaktor (2; 2, 18) und/oder der mindestens eine Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19) mittels einer externen Heizquelle (2) beheizt werden, insbesondere für einem Hot Standby-Betrieb.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogenation reactor (2; 2, 18) and/or the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19) are heated by means of an external heating source (2), in particular for a hot Standby mode. Verfahren gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Regeln verschiedener Betriebsweisen des Hydrierreaktors (2; 2, 18) und/oder des mindestens einen Parallel-Hydrierreaktors (3; 3, 19) derart, dass in einem Hot-Standby-Betrieb und/oder in einem Selbsterhaltungsbetrieb ein Mindesttemperaturniveau und/oder ein Mindestdruckniveau vorliegen.Procedure according to Claim 6 , characterized by regulating various operating modes of the hydrogenation reactor (2; 2, 18) and/or the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19) such that a minimum temperature level is achieved in a hot standby operation and/or in a self-maintenance operation and/or a minimum pressure level is present. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Hydrierreaktor (2; 2, 18) und/oder dem mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19) mittels der externen Heizquelle (2) zugeführte Wärmemenge geregelt wird, insbesondere mittels einer Regelungseinheit (14).Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that the amount of heat supplied to the hydrogenation reactor (2; 2, 18) and/or the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19) is regulated by means of the external heating source (2), in particular by means of a control unit (14) . Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als externe Heizquelle für den mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19) der Hydrierreaktor (2) dient.Procedure according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that the hydrogenation reactor (2) serves as an external heating source for the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19). Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Speichern übertragenen Abwärme in einem Wärmespeicher (5) als mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit.Method according to one of the preceding claims, characterized by storing transferred waste heat in a heat storage (5) as at least one heat absorption unit. Reaktoranordnung zum Hydrieren eines Wasserstoffträgermediums umfassend a. einen Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19) zum katalytisches Hydrieren des Wasserstoffträgermediums, b. mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (2, 3, 5, 17) zum Aufnehmen von Wärme, c. einen den Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19) und die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (2, 3, 5, 17) verbindenden Wärmeübertrager (4) zum Übertragen von beim Hydrieren erzeugter Abwärme von dem Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19) an die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (2, 3, 5, 17).Reactor arrangement for hydrogenating a hydrogen carrier medium comprising a. a hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19) for catalytically hydrogenating the hydrogen carrier medium, b. at least one heat absorption unit (2, 3, 5, 17) for absorbing heat, c. a heat exchanger (4) connecting the hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19) and the at least one heat absorption unit (2, 3, 5, 17) for transferring waste heat generated during hydrogenation from the hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19) to the at least one heat absorption unit (2, 3, 5, 17). Reaktoranordnung gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch mindestens einen Wasserstoffpufferspeicher, der insbesondere an den Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19) angeschlossen ist.Reactor arrangement according to Claim 11 , characterized by at least one hydrogen buffer storage, which is connected in particular to the hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19). Reaktoranordnung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit (3) als Parallel-Hydrierreaktor ausgeführt ist, der insbesondere mit dem Hydrierreaktor (2; 2, 18) parallel verschaltet ist.Reactor arrangement according to Claim 11 or 12 , characterized in that the at least one heat absorption unit (3) is designed as a parallel hydrogenation reactor, which is in particular connected in parallel with the hydrogenation reactor (2; 2, 18). Reaktoranordnung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Regelungseinheit (14), insbesondere zum Regeln der Zufuhr von Wasserstoff, insbesondere die zugeführte Wasserstoffmenge, in den Hydrierreaktor (2, 3; 2, 3, 18, 19) und/oder in den mindestens einen Parallel-Hydrierreaktor (3; 3, 19).Reactor arrangement according to one of Claims 11 until 13 , characterized by a control unit (14), in particular for regulating the supply of hydrogen, in particular the amount of hydrogen supplied, into the hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19) and/or into the at least one parallel hydrogenation reactor (3 ; 3, 19). Reaktoranordnung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine externe Heizquelle (2) zum Beheizen des Hydrierreaktors (2, 3; 2, 3, 18, 19) und/oder des mindestens einen Parallel-Hydrierreaktors (3; 3, 19), insbesondere für einen Hot Standby-Betrieb.Reactor arrangement according to one of Claims 11 until 14 , characterized by an external heating source (2) for heating the hydrogenation reactor (2, 3; 2, 3, 18, 19) and/or the at least one parallel hydrogenation reactor (3; 3, 19), in particular for hot standby operation . Reaktoranordnung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinheit als Wärmespeicher (5) zum Speichern übertragener Abwärme und/oder als Wärmeverbraucher (3, 17) zum Verbrauchen übertragener Abwärme ausgeführt ist.Reactor arrangement according to one of Claims 11 until 15 , characterized in that the at least one heat absorption unit is designed as a heat storage unit (5) for storing transferred waste heat and/or as a heat consumer (3, 17) for consuming transferred waste heat.
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