DE19918499C2 - Verwendung eines Rohres, das eine in Form eines Faltenbalges gewellte innere und äußere Oberfläche aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Rohres, das eine in Form eines Faltenbalges gewellte innere und äußere Oberfläche aufweist, gemäß dem ersten Patentanspruch.

Es ist seit langem bekannt, daß Wasserstoff in der Lage ist, durch eine Reihe von Metallen oder Metall-Legierungen wie z. B. Palladium, Platin, Nickel, Palladium/Silber- und Palla­ dium/Kupfer-Legierungen zu diffundieren. Diesen Effekt nutzt man zur Trennung von Wasserstoff aus einem Wasserstoff enthal­ tenden Gasgemisch, denn dadurch kann Wasserstoff selektiv aus dem Gasgemisch abgetrennt werden.

Aus der Veröffentlichung von R. Scott Wilms und K. Okuno: "Recovery of Hydrogen from Impurities Using a Palladium Mem­ brane Reactor", Proc. Of the 15^th IEEE/NPS Symp. On Fusion Eng., Hyannis, Mass., (1993) 85 ist ein sogenannter Wasser­ stoffpermeator in Form eines einseitig geschlossenen, dünnwan­ digen Rohres kleiner Nennweite aus Palladium bekannt. Bei Kern­ fusionsexperimenten besteht häufig das Problem, das radioaktive Wasserstoffisotop Tritium aus einem Gemisch verschiedener ande­ rer Gase wie Methan oder Kohlenmonoxid und Kohlendioxid abzutrennen. Der Wasserstoffpermeator wird mit dem unter einem Überdruck stehenden Gasgemisch gefüllt, wobei das Wasserstoffi­ sotop Tritium selektiv durch die für Wasserstoff permeable Rohrwandung zur Außenseite des Rohres wandert und hier in einem zweiten Rohr, das das Palladiumrohr umgibt, aufgefangen werden kann. Dadurch wird aus dem Gasgemisch das radioaktive Tritium selektiv abgetrennt.

Eine solche Vorrichtung wird auch in der JP 4-321502 A in Pa­ tents Abstracts of Japan Vol. 17 (1993) No. 158 (C-1041) für die Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen beschrieben.

Während sich bei diesen Vorrichtungen das Gasgemisch im Innern des Palladiumrohres befindet und der Wasserstoffanteil zur Rohraußenseite diffundiert, beschreibt die JP 5-317708 A in Pa­ tents Abstracts of Japan Vol. 18 (1994) No. 1347 (C-1176) einen Reaktor, der zwei miteinander verbundene, einseitig geschlos­ sene, mit Keramik abgestützte Palladiumrohre aufweist, bei dem sich das Wasserstoff enthaltende Gasgemisch auf der Außenseite der Rohre befindet und der Wasserstoff selektiv in das Innere der miteinander verbundenen Rohre diffundiert. Der Reaktor ent­ hält außerdem einen Katalysator; er wird für Dehydrogenierungs­ reaktionen eingesetzt.

Gegenstand der DE 33 32 348 A1 ist eine Wasserstoff-Permeati­ onswand, die zur Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser­ stoffgas oder zur Trennung von Wasserstoff-Isotopen eingesetzt wird. Die Permeationswand besteht aus einer dünnen Folie eines wasserstoffdurchlässigen Metalls, die auf beiden Seiten durch ein feinmaschiges Metallnetz oder Metallgewebe abgestützt wird. Zur verbesserten Aufnahme von Kräften, die aus dem Druck und der Strömung der die Wand beaufschlagenden Fluide herrühren, und zur Fixierung der Folie im Falle großer Wandflächen kann die Wand faltenbalgähnlich gestaltet sein. Unter einer falten­ balgähnlichen Gestaltung wird, wie die Figuren ausweisen, eine treppenstufenartige Faltung verstanden. Die gefaltete Folie kann auch zu einem Rohr geformt werden. Bei diesem Rohr verlau­ fen die Kanten der Faltung parallel zur Rohrachse. Die Permea­ tionswand ist verhältnismäßig kompliziert aufgebaut und daher schwierig herzustellen. Die zu einem Rohr geformte, gefaltete Permeationswand ist außerdem mechanisch nicht besonders stabil und vor allem nicht relativ zur Rohrachse biegsam, so daß der Einsatz eines solchen Rohres erschwert ist.

Eine ähnliche Wasserstoff-Permeationswand ist in der DE 33 32 346 beschrieben. Diese Permeationswand besteht aus einem Me­ tallgewebe, dessen Poren durch ein wasserstoffdurchlässiges Me­ tall, das zumindest teilweise galvanisch auf dem Gewebe abge­ schieden wurde, gefüllt sind. Das entsprechend bearbeitete Me­ tallgewebe kann auch in eine gewellte Form gebracht werden. Die Formung zu einem Rohr wird hier nicht beschrieben.

Aus der DE 22 13 599 A1 ist ein Wasserstoffdiffusions-Bauteil zum Abtrennen von Wasserstoff aus einem Wasserstoff enthalten­ den Gasgemisch bekannt, das aus zwei parallel angeordneten, ge­ wellten Folienblechen besteht, die sich gegeneinander mit Hilfe von Schraubenfedern abstützen.

Die EP 0 167 101 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich­ tung, bei denen Wasserstoff, der durch eine chemische Reaktion erzeugt wird, aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt wird, indem für eine Diffusion des Wasserstoffs aus dem Reaktionsgemisch gesorgt wird. Die Diffusion erfolgt durch eine Wasserstoffper­ meationswand, deren Oberfläche ggf. durch eine geeignete Form­ gebung auf ein Vielfaches im Vergleich zu einer glatten Fläche vergrößert sein kann. Explizit erwähnt werden gewellte oder ge­ faltete Oberflächen. Eine alternative Möglichkeit zur Erhöhung der Oberfläche wird in der Verwendung einer Vielzahl von (of­ fensichtlich parallel geschalteten) Rohren gesehen. Weiterhin wird erwähnt, dass die Oberfläche auf der Wasserstoffeintritts­ seite mit einem Katalysator belegt sein kann.

Ein ähnliches Wasserstoffdiffusions-Bauteil mit parallelen, ge­ wellten Folienblechen beschreibt auch die US 969,673. Zusätz­ lich ist in dieser Druckschrift ein Bauteil mit zwei koaxialen Rohren gezeigt und beschrieben, bei dem auf dem äußeren Rohr radial nach außen abstehende, rechteckige Folienbleche ange­ ordnet sind, deren Kanten parallel zur Rohrachse verlaufen. Dieses Bauteil kann in ein drittes koaxiales Rohr eingeschoben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung eines an sich bekannten, rohrförmigen Bauteils für die selektive Ab­ trennung von Wasserstoff aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch vorzuschlagen, das einerseits so geformt ist, daß es den durch die erforderlichen Drücke und Temperaturen auftreten­ den mechanischen Belastungen standhält und andererseits wesent­ lich leichter einsetzbar ist als die für diesen Zweck bekannten Rohre. Insbesondere soll ein solches rohrförmiges Bauteil Ver­ wendung finden, das flexibel und relativ zur Rohrachse biegsam ist, um den Einbau in Einrichtungen zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff zu erleichtern.

Die Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch beschrie­ bene Verwendung eines Rohres gelöst. Bevorzugte Verwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das gemäß der Erfindung zu verwendende Rohr wird zur selektiven Trennung von Wasserstoff oder eines oder mehrerer seiner Iso­ tope Protium (H), Deuterium (D) und Tritium (T) aus einem Was­ serstoff enthaltenden Gasgemisch eingesetzt, wobei man sich die eingangs beschriebene Diffusion von Wasserstoff durch ein was­ serstoffpermeables Metall oder eine Metallegierung zunutze macht. Als Gasgemisch können prinzipiell beliebige Gasgemische der unterschiedlichsten Zusammensetzung und Konzentration ein­ gesetzt werden. Beispielsweise wird für Kernfusionsexperimente hauptsächlich das Isotop Tritium in Form von HT und/oder T₂ aus Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltenden Gasgemi­ schen selektiv abgetrennt. Für den Einsatz von Brennstoffzellen muß Wasserstoff aus Methanol enthaltenden Gasgemischen abge­ trennt werden.

In einigen Einsatzgebieten der Erfindung liegen Gasgemische konstanter Zusammensetzung vor, aus denen Wasserstoff abge­ trennt wird. Die Erfindung kann jedoch auch dann eingesetzt werden, wenn das Gasgemisch erst infolge einer chemischen Reak­ tion entsteht oder in seiner Zusammensetzung verändert wird. Dies ist beispielsweise bei der bekannten Wassergasreaktion der Fall, bei der Kohlenmonoxid und Wasserdampf mit Kohlendioxid und Wasserstoff im Gleichgewicht stehen. Bei einer Reihe von Gasreaktionen ist die Anwesenheit eines Katalysators erforder­ lich. Der Katalysator läßt sich in diesem Fall in einfacher Weise in dem zu verwendenden Rohr vorlegen.

Das erfindungsgemäß zu verwendende Rohr kann einerseits in der Weise eingesetzt werden, daß das von Wasserstoff zu befreiende Gasgemisch im Innenraum des Rohres vorliegt. In gleicher Weise kann das Rohr jedoch auch verwendet werden, um den Wasserstoff eines außerhalb des Rohres vorliegenden Gasgemisches in den In­ nenraum des Rohres eindiffundieren zu lassen. In beiden Fällen ist in an sich bekannter Weise durch unterschiedliche Drücke, Temperaturen oder Konzentrationen im Rohrinnenraum und in der Umgebung des Rohres dafür zu sorgen, daß sich die Wasserstoff­ diffusion durch die Rohrwandung einstellt und aufrechterhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines Rohres vorgeschlagen, dessen Form und Konstruktion den seit langem bekannten Metall­ faltenbälgen entspricht, wobei deren Werkstoff wasserstoffper­ meabel sein muß. Metallfaltenbälge werden in der Technik insbe­ sondere dann verwendet, wenn andernfalls Rohrabschnitte kompli­ ziert geformt werden müßten oder wenn ein Rohrabschnitt mecha­ nischen Schwingungen unterworfen ist. Im Gegensatz zu den be­ kannten, eingangs beschriebenen rohrförmigen Wasserstoffpermea­ toren ist die Rohrwandung nicht parallel, sondern quer zur Rohrachse gewellt. Sie sind daher in alle Richtungen biegsam und flexibel und somit leicht ein- und auszubauen. Vorzugsweise werden Metallfaltenbälge mit der kleinsten technisch realisier­ baren Wandstärke verwendet. Die Wandstärke soll kleiner als 0,2 mm, vorzugsweise 0,1 mm sein.

Die Verwendung derartiger Metallfaltenbälge für den angegebenen Einsatzzweck bringt noch weitere Vorteile: Ihre Oberfläche ist infolge der Faltung gegenüber glatten Rohren wesentlich vergrö­ ßert, so daß sie bei gleicher Diffusionsfläche kürzer gehalten werden können. Werden sie von dem Wasserstoff enthaltenden Gas­ gemisch durchströmt, bildet sich infolge der quergewellten in­ neren Oberfläche eine turbulente Strömung aus, die die Wasser­ stoffdiffusion durch die Rohrwandung begünstigt. Infolge der quer verlaufenden Faltung sind auch Metallfaltenbälge mit sehr geringen Wandstärken mechanisch für die meisten Einsatzgebiete ausreichend stabil. Zudem werden sie in der Regel mit geeigne­ ten Anschlußstücken, etwa Rohrflanschen, geliefert, wodurch ihr Einsatz weiter vereinfacht wird.

Nennweite, Wandstärke und Länge der zu verwendenden Metallfal­ tenbälge werden dem zu behandelnden Gasgemisch angepaßt. Sie ergeben sich durch die erforderliche Diffusionsfläche bei gege­ bener Wandstärke.

Claims (3)

1. Verwendung eines Rohres, das eine in Form eines Faltenbalges quer zur Rohrachse gewellte innere und äußere Oberfläche aufweist und aus einem Material besteht, das selektiv für Wasserstoff durchlässig ist, zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff aus einem Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch.

2. Verwendung gemäß Anspruch 1 zur selektiven Abtrennung der Wasserstoffisotope Deuterium und/oder Tritium aus dem Gasgemisch.

3. Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Innenraum des Rohres mit einem Katalysator gefüllt ist, der eine Was­ serstoff freisetzende oder verbrauchende chemische Reaktion katalysiert.