DE19954981C1 - Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung - Google Patents

Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung

Info

Publication number
DE19954981C1
DE19954981C1 DE19954981A DE19954981A DE19954981C1 DE 19954981 C1 DE19954981 C1 DE 19954981C1 DE 19954981 A DE19954981 A DE 19954981A DE 19954981 A DE19954981 A DE 19954981A DE 19954981 C1 DE19954981 C1 DE 19954981C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
oxygen
unit
reactor
gas
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE19954981A
Other languages
English (en)
Inventor
Andreas Docter
Thomas Poschmann
Marc Sommer
Steffen Wieland
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to DE19954981A priority Critical patent/DE19954981C1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE19954981C1 publication Critical patent/DE19954981C1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00004—Scale aspects
    • B01J2219/00006—Large-scale industrial plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00076—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements inside the reactor
    • B01J2219/00085—Plates; Jackets; Cylinders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B01J2219/00103—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor in a heat exchanger separate from the reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C01B2203/0288—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step containing two CO-shift steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0866—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combination of different heating methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reaktoranlage zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs unter Beteiligung von Sauerstoff mit einer Reaktoreinheit, welcher der umzusetzende Einsatzstoff und ein sauerstoffhaltiges Einsatzgas zuführbar sind, sowie mit einem Wärmeübertrager, der einen Produktstrompfad zum abkühlenden Hindurchleiten des in der Reaktoreinheit erzeugten Produktstroms aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß beinhaltet der Wärmeübertrager eine Sauerstoffabtrenneinheit, die mit dem Produktstrompfad in Wärmekontakt steht und aus einem zugeführten sauerstoffhaltigen Rohgas durch selektive Sauerstoffabtrennung ein sauerstoffangereichertes Gas erzeugt, welches als das sauerstoffhaltige Einsatzgas für die Reaktoreinheit dient. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Erzeugung von Wasserstoff für die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenfahrzeugs aus flüssig mitgeführtem Benzin, Methanol oder dergleichen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reaktoranlage zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatz­ stoffs unter Beteiligung von Sauerstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Reaktoranlagen dieser Art werden beispielsweise zur Wasserstoff­ gewinnung für ein Brennstoffzellensystem verwendet, insbesondere auch im mobilen Einsatzfall von Brennstoffzellenfahrzeugen. Der Reaktoreinheit werden hierbei eingangsseitig der umzusetzende Einsatzstoff und ein sauerstoffhaltiges Einsatzgas sowie gegebe­ nenfalls weitere Einsatzstoffe, z. B. Wasserdampf, zugeführt, um den Einsatzstoff unter Wasserstoffbildung durch den vorhandenen Sauerstoff exotherm zu oxidieren. Bei zusätzlichem Einleiten von Wasserdampf läßt sich parallel eine endotherme Reformierungsre­ aktion ausführen, wobei die beiden Umsetzungsreaktionen so auf­ einander abgestimmt werden können, daß sich eine autotherme Pro­ zeßführung ergibt. In einem nachgeschalteten Wärmeübertrager wird der in der Reaktoreinheit erzeugte, wasserstoffhaltige Pro­ duktstrom abgekühlt. Dies kann beispielsweise zu dem Zweck er­ folgen, den abgekühlten Produktgasstrom in einer oder mehreren nachgeschalteten Gasreinigungsstufen von unerwünschtem Kohlen­ monoxid zu reinigen, z. B. durch Anwenden einer CO- bzw. Wasser­ gas-Shiftreaktion. Um für diese Reaktion eine hohe Effektivität der Reinigung von unerwünschtem Kohlenmonoxid zu erzielen, ist die Einstellung eines niedrigeren Temperaturniveaus als in der den Einsatzstoff oxidierend und/oder reformierend umsetzenden Reaktoreinheit zweckmäßig. Der abgekühlte und gegebenenfalls von schädlichem Kohlenmonoxid gereinigte Produktstrom kann dann z. B. als wasserstoffreicher Brennstoff der Anodenseite einer Brenn­ stoffzelle zugeleitet werden.
Aus DE 38 06 408 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines H2 und CO-enthaltenden Synthesegases mittels schrittweiser, katalytischer partieller Oxidation unter Verwen­ dung eines Kohlenwasserstoff-haltigen Einsatzgases bekannt, wo­ bei das Oxidationsmittel über die Gesamtlänge der katalytischen partiellen Oxidation in Teilmengen dem zu behandelnden Gas zuge­ setzt wird und wobei die fühlbare Wärme des die katalytische Be­ handlung verlassenden Gases wenigstens teilweise dem die Behand­ lung durchlaufenden Gas zugeführt wird.
Weiterhin ist aus EP 0 212 755 A2 ein Verfahren zum Erzeugen von Synthesegas durch katalytisches Reformieren von Kohlewasserstof­ fen mit Dampf in einer Reaktionszone bekannt, die einen Wär­ meaustausch mit einem Verbrennungsgas unterworfen ist, wobei das Verbrennungsgas nach dem Wärmeaustausch zumindest teilweise zu einer Verbrennungszone zurückgeführt wird.
Herkömmlicherweise wird als sauerstoffhaltiges Einsatzgas meist Luft der Reaktoreinheit zugeführt, in der Sauerstoff jedoch nur mit einer Konzentration von ca. 21% vorhanden ist. Dies bedingt bei gegebener, geforderter Umsetzungsleistung eine entsprechend großvolumige Reaktoreinheit.
Es ist des weiteren an sich bekannt, aus einem sauerstoffhalti­ gen Rohgas, wie Luft, durch selektive Sauerstoffabtrennung ein sauerstoffangereichertes Gas zu erzeugen, worunter vorliegend ein Gas verstanden werden soll, das eine höhere Sauerstoffkon­ zentration als das sauerstoffhaltige Rohgas aufweist. Als geeig­ nete Sauerstoffabtrennmittel sind beispielsweise Hohlfasermem­ branen aus Polymermaterialien, wie Polyimid und Polyethersulfon, verwendbar, wie in den Patentschriften US 5.468.283 und US 5.393.323 beschrieben. Alternativ sind auch Keramikmembranen aus ZrO oder einem Perovskitmaterial verwendbar, welche die Fähig­ keit aufweisen, Sauerstoffionen bei ausreichend hohen Temperaturen von über 350°C zu leiten und dadurch selektiv Sauerstoff beispielsweise aus Luft abzutrennen. Solche Keramikmembranen werden in sogenannten oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) eingesetzt.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Reaktoranlage der eingangs genannten Art zugrunde, die sich vergleichsweise kompakt bauen läßt und sich besonders auch zum Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen eignet.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Reaktoranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser An­ lage beinhaltet der Wärmeübertrager, der mit seinem Pro­ duktstrompfad der Reaktoreinheit nachgeschaltet ist, eine Ein­ heit, die mit dem Produktstrompfad in Wärmekontakt steht und die aus einem zugeführten sauerstoffhaltigen Rohgas, z. B. Luft, durch selektive Sauerstoffabtrennung ein sauerstoffangereicher­ tes Gas erzeugt, das der Reaktoreinheit als das sauerstoffhalti­ ge Einsatzgas zugeführt wird. Dementsprechend enthält das der Reaktoreinheit, die den Kohlenwasserstoff- bzw. Kohlenwasser­ stoffderivat-Einsatzstoff umsetzt, zugeführte sauerstoffhaltige Einsatzgas eine höhere Sauerstoffkonzentration als das sauer­ stoffhaltige Rohgas, so daß bei gleicher, gegebener Leistungsan­ forderung die Reaktoreinheit mit geringerem Bauvolumen ausgelegt werden kann als im Fall einer direkten Verwendung des sauer­ stoffhaltigen Rohgases in der Reaktoreinheit. Die Integration der Einheit zur selektiven Sauerstoffabtrennung, im weiteren Sauerstoffabtrenneinheit genannt, in den Wärmeübertrager ist ei­ ner kompakten Auslegung der gesamten Reaktoranlage förderlich. Außerdem läßt sich auf diese Weise die Sauerstoffabtrenneinheit mit geringem Aufwand auf einer erhöhten Temperatur halten, was der Effektivität der Sauerstoffabtrennung z. B. bei Verwendung einer Keramikmembran zugute kommt.
In einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Reaktoranlage ist eine Kompressor-Expander-Anordnung vorgesehen, mit deren Hilfe die im Retentat, d. h. im Restgas, der Sauerstoffabtrenneinheit und/ oder im Kathodenabgas eines angekoppelten Brennstoffzellensy­ stems enthaltene Energie wenigstens teilweise dazu genutzt wer­ den kann, der Sauerstoffabtrenneinheit das sauerstoffhaltige Rohgas unter Druck zuzuführen, was deren Sauerstoffabtrennfunk­ tion unterstützt.
Eine nach Anspruch 3 weitergebildete Reaktoranlage beinhaltet eine Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung, in welcher das sauerstoffhaltige, zur Sauerstoffabtrenneinheit geführte Rohgas mit dem Retentatstrom aus der Sauerstoffabtrenneinheit in Wärme­ kontakt steht. Dadurch läßt sich ein Teil der im Retentat ent­ haltenen Wärmeenergie zur Vorheizung des sauerstoffhaltigen Roh­ gases nutzen.
In einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Reaktoranlage sind Mittel zur Zuführung von Wasserdampf als Spülstrom in den Per­ meatstrompfad der Sauerstoffabtrenneinheit vorgesehen, wobei mit Permeatstrompfad der den abgetrennten Sauerstoff abführende Gasstrompfad der Sauerstoffabtrenneinheit bezeichnet ist. Durch das Spülen mit Wasserdampf wird die Sauerstoffkonzentration auf der Permeatseite der Sauerstoffabtrenneinheit ausreichend gering gehalten, was die Effektivität der Sauerstoffabtrennung fördert. Der Wasserdampf gelangt mit dem sauerstoffangereicherten Gas in die Reaktoreinheit und kann dort oder in Komponenten, die dem Produktstrompfad nachgeschaltet sind, als Spülstrom oder zur Durchführung einer Wasserdampfreformierung und/oder einer CO- Shiftreaktion genutzt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Reaktoranlage zur Wasserstoffge­ winnung mit angekoppelter Brennstoffzelle und
Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen in der Reaktoranlage von Fig. 1 verwendeten Wärmeübertrager mit integrierter Sau­ erstoffabtrenneinheit.
Die in Fig. 1 gezeigte Reaktoranlage beinhaltet eine Reaktorein­ heit 1 zur Umsetzung eines über eine erste Einlaßleitung 2 zuge­ führten Einsatzstoffs, wie Benzin, Methanol oder eines anderen Kohlenwasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs, unter Beteiligung von Sauerstoff, welcher der Reaktoreinheit 1 über eine zweite Einlaßleitung 3 in Form eines sauerstoffhalti­ gen Einsatzgases zugeführt wird. Die Reaktoreinheit 1 ist je nach Anwendungsfall als autothermer Reaktor (ATR) oder als par­ tieller Oxidationsreaktor (POX) ausgelegt. Im Fall des POX-Reak­ tors wird der zugeführte Einsatzstoff unter Sauerstoffeinwirkung exotherm partiell oxidiert. Im Fall des ATR-Reaktors wird der zugeführte Einsatzstoff einerseits einer endothermen Wasser­ dampfreformierung und andererseits einer exothermen partiellen Oxidation derart unterzogen, daß ein gewünschtes Temperaturni­ veau in der Reaktoreinheit 1 selbsttätig aufrechterhalten wird. Diese Reaktionstemperatur liegt typischerweise bei einigen hun­ dert Grad Celsius, z. B. bei ca. 600°C bis 900°C.
Die Umsetzungsreaktion in der Reaktoreinheit 1 dient der Gewin­ nung eines wasserstoffreichen Produktgases, das die Reaktorein­ heit 1 über eine Auslaßleitung 4 verläßt. Das Produktgas enthält üblicherweise noch einen gewissen Anteil an Kohlenmonoxid, das bei Verwendung in einer Brennstoffzelle bekanntlich vergiftend wirkt und daher für diesen Anwendungsfall weitestgehend aus dem Produktgas entfernt werden sollte. Zu diesem Zweck wird das über die Auslaßleitung 4 austretende Produktgas zunächst über einen Wärmeübertrager 5 geleitet, um auf ein zur effektiven CO-Ent­ fernung mittels einer CO- bzw. Wassergas-Shiftreaktion geeigne­ tes Temperaturniveau in der Größenordnung von z. B. 400°C abge­ kühlt zu werden. Das solchermaßen abgekühlte Produktgas wird dann einer zweistufigen Gasreinigung unterzogen, wozu es zu­ nächst einer Hochtemperatur-Shifteinheit 6 zugeführt wird, in der unter der Wirkung eines geeigneten herkömmlichen Katalysatormaterials eine erste CO-Entfernung durch eine im besagten Temperaturbereich von ca. 400°C effektive Hochtemperatur-Shift­ reaktion erfolgt. Daran schließt sich eine zweite Gasreinigungs­ stufe 7 an, in welcher eventuell verbliebenes Kohlenmonoxid aus dem inzwischen weiter abgekühlten Produktgas entfernt wird, z. B. durch eine Niedertemperatur-Shiftreaktion oder eine CO-Oxidation oder eine selektive CO-Abtrennung.
Das solchermaßen weitestgehend von Kohlenmonoxid gereinigte, im wesentlichen aus Wasserstoff bestehende Produktgas wird dann als Brennstoff der Anodenseite 8a einer angekoppelten Brennstoffzel­ le 8 zugeführt. In einer mobilen Anwendung der Reaktoranlage kann sich diese in einem Brennstoffzellenfahrzeug befinden und dessen Brennstoffzellen mit dem benötigten Wasserstoff speisen, den sie an Bord des Fahrzeugs aus dem flüssig mitgeführten Koh­ lenwasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoff ge­ winnt.
Charakteristischerweise ist in den Wärmeübertrager 5 eine Sauer­ stoffabtrenneinheit 24, 25, 26 integriert, der über eine Rohga­ seinlaßleitung 9 ein sauerstoffhaltiges Rohgas, im gezeigten Beispiel Luft, zugeführt wird und die über eine Permeatauslaß­ leitung 10 einen sauerstoffangereicherten Gasstrom mit gegenüber dem zugeführten Rohgas deutlich höherem Sauerstoffanteil abgibt. Der sauerstoffangereicherte Gasstrom wird in einem Zwischenspei­ cher 11 zwischengespeichert, von wo er über die zugehörige Ein­ laßleitung 3 als das sauerstoffhaltige Einsatzgas in die Reak­ toreinheit 1 eingespeist wird. Alternativ kann der sauerstoffan­ gereicherte Gasstrom unter Verzicht auf den Zwischenspeicher 11 direkt in die Reaktoreinheit 1 eingespeist werden.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, wird das sauerstoffhaltige Rohgas unter Druck der in den Wärmeübertrager 5 integrierten Sauerstoffabtrenneinheit 24, 25, 26 zugeführt, indem es über eine Ansaugleitung 12 einem Kompressor 13 zugeführt und von diesem verdichtet wird. Dabei wird ein Teil des verdichteten, über eine Kompressordruckleitung 14 abgegebenen sauerstoffhaltigen Rohgasstroms der im Wärmeübertrager 5 integrierten Sauerstoffabtrenn­ einheit zugeführt, während der übrige Teil des verdichteten Roh­ gasstroms der Kathodenseite 8b der Brennstoffzelle 8 zugeführt wird. Vor der Einspeisung in die Sauerstoffabtrenneinheit wird der betreffende Teil des sauerstoffhaltigen Rohgasstroms über eine Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung 15 geleitet, in welcher er mit dem Retentatgas in Wärmekontakt steht, das die Sauerstoffabtrenneinheit über eine zugehörige Retentatgasleitung 16 verläßt. Durch die Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung 15 wird somit das verdichtete sauerstoffhaltige Rohgas vor Ein­ speisung in die Sauerstoffabtrenneinheit 24, 25, 26 durch Wärme vorgeheizt, welche von dem in der Sauerstoffabtrenneinheit er­ hitzten Retentatgas abgegeben wird.
Das in der Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung 15 abge­ kühlte Retentatgas wird dann gemeinsam mit von der Kathodenseite 8b der Brennstoffzelle 8 abgegebenem Kathodenabgas über eine Ex­ pandereinlaßleitung 17 einer mechanisch an den Kompressor 13 an­ gekoppelten Expandereinheit 18 zugeführt, welche wenigstens ei­ nen Teil der im Retentatgas und im Kathodenabgas enthaltenen Energie zum Antrieb des Kompressors 13 nutzt. Soweit die hier­ durch bereitgestellte Antriebsleistung für den Kompressor 13 nicht ausreicht, wird sie von einem mechanisch an den Kompressor 13 angekoppelten Motor 19 geliefert.
Die Sauerstoffabtrenneinheit 24, 25, 26 stellt im zugehörigen Wär­ meübertrager 5 einen ersten Wärmeübertragerteil dar, mit dem ein zweiter Wärmeübertragerteil in Wärmekontakt steht, der vom Pro­ duktgasstrom durchströmt wird, welcher die Reaktoreinheit 1 über deren Auslaßleitung 4 verläßt. Auf diese Weise wird die Sauer­ stoffabtrenneinheit auf dem relativ hohen Temperaturniveau des aus der Reaktoreinheit 1 austretenden Produktgasstroms gehalten, wobei gleichzeitig das Produktgas von dem deutlichen kälteren, über die Rohgaseinlaßleitung 9 zugeführten sauerstoffhaltigen Rohgas auf das gewünschte niedrigere Temperaturniveau von ca. 400°C abgekühlt wird.
In dem Temperaturbereich von 400°C und mehr sind hierfür bekann­ te Keramiken aus Perovskitmaterialien oder keramischen Oxiden, wie beispielsweise ZrO, für Sauerstoffionen leitfähig und daher zur Bereitstellung von mit hoher Selektivität Sauerstoff aus Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Rohgas abtrennenden Membranen verwendbar. Die Effektivität der Sauerstoffabtrennung kann weiter dadurch gesteigert werden, daß über die Sauer­ stoffabtrennmembran ein hohes Partialdruckgefälle aufrechterhal­ ten wird.
Zu diesem Zweck wird im gezeigten Beispiel der Permeatseite der Sauerstoffabtrenneinheit im Wärmeübertrager 5 Wasserdampf über eine Wasserdampfzufuhrleitung 20 als Spülstrom zugeführt. Dieser Wasserdampf wird in einem Verdampfer 21 aus flüssig zugeführtem Wasser erzeugt, beispielsweise unter Verwendung einer katalyti­ schen Brennereinheit im Verdampfer 21. Die Verwendung von Was­ serdampf als Spülstrom auf der Permeatseite der Sauerstoff­ abtrenneinheit hat im Fall der Auslegung der Reaktoreinheit 1 als ATR-Reaktor den weiteren Vorteil, daß der im ATR-Reaktor zur Reformierung des Einsatzstoffs benötigte Wasserdampf ganz oder teilweise zusammen mit dem sauerstoffangereicherten Gas in die Reaktoreinheit 1 eingespeist werden kann, was gegebenenfalls ei­ ne separate Wasserdampfzuführung in die Reaktoreinheit 1 erüb­ rigt und außerdem eine erwünschte Überhitzung des Wasserdampfs durch Prozeßgaswärme ermöglicht.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer möglichen Realisie­ rung des Wärmeübertragers 5 mit integrierter Sauerstoffab­ trenneinheit 24, 25, 26 in einer Rohrkanal-Bauform für die Reak­ toranlage von Fig. 1. Wie aus Fig. 2 zu erkennen, beinhaltet dieser Wärmeübertrager 5 ein äußeres Sammelrohr 22, z. B. aus Edelstahl, an das sich radial nach innen ein ringförmiger Per­ meatabfuhrraum 23 anschließt. Dieser umgibt einen ringförmigen Keramikhalbzeug-Körper 24, in den mehrere längsverlaufende Hohl­ kanäle 25 mit äquidistantem Winkelabstand eingebracht sind. Die­ se Hohlkanäle 25 bilden die Rohgaszufuhrseite der in den Wärme­ übertrager 5 integrierten Sauerstoffabtrenneinheit, indem ihnen das sauerstoffhaltige Rohgas zugeführt wird und sie an ihrer In­ nenseite mit einer selektiv für Sauerstoff durchlässigen Be­ schichtung 26 versehen sind.
Die für Sauerstoff selektiv durchlässige Beschichtung 26 bildet mit dem Keramikringkörper 24 den aktiv sauerstoffabtrennenden Teil der Sauerstoffabtrenneinheit, wozu der Keramikringkörper 24 aus einem geeigneten Perovskitmaterial oder keramischen Oxid, wie ZrO, besteht. Diese Materialien sind in der Lage, im gewähl­ ten Prozeßtemperaturbereich von mindestens ca. 400°C Sauerstoff­ ionen zu leiten, so daß aus dem in die Hohlkanäle 25 eingeleite­ ten, sauerstoffhaltigen Rohgas Sauerstoff mit hoher Selektivität in den Permeatabfuhrraum bzw. Permeatstrompfad 23 abgetrennt und von dort zusammen mit Wasserdampf entnommen werden kann, der in nicht näher gezeigter Weise als Spülgasstrom durch den Permeat­ abfuhrraum bzw. Permeatstrompfad 23 hindurchgeleitet wird.
Der Innenraum des Keramikringkörpers 24 wird von einer Wärme­ übertragungsstruktur, dem sogenannten Produktstrompfad 27 ausge­ füllt, durch die das von der Reaktoreinheit erzeugte Produktgas strömungstechnisch getrennt von den Gasströmen der radial umge­ benden Sauerstoffabtrenneinheit hindurchgeleitet wird, wobei es über die Wärmeübertragungsstruktur bzw. dem Produktstrompfad 27 mit dem Keramikringkörper 24 in Wärmekontakt steht. Im Einsatz des Wärmeübertragers 5 in der Reaktoranlage von Fig. 1 erhitzt daher das mit einer Temperatur von typischerweise zwischen 600°C und 900°C aus der Reaktoreinheit 1 austretende Produktgas sowohl das in die Hohlkanäle 25 zugeführte und aus diesen als Retentat wieder abgeführte Rohgas als auch das abgetrennte, sauerstoffan­ gereicherte Permeatgas im Permeatabfuhrraum bzw. Permeatstrom­ pfad 23 samt den dort hindurchgeleiteten Wasserdampf. Der Pro­ duktgasstrom kühlt sich dabei im Wärmeübertrager, wie erwünscht, auf ein zur effektiven Durchführung einer CO-Hochtemperatur­ shiftreaktion geeignetes Temperaturniveau von z. B. ca. 400°C ab.
Durch die Sauerstoffionenleitung der in der Sauerstoffabtrenn­ einheit 24, 25, 26 verwendeten Keramik-Abtrennmembran läßt sich ein nahezu 100%iger Sauerstoffgehalt des Permeats erreichen. Das besonders im Fall einer geringen Membranfläche erforderliche ho­ he Partialdruckgefälle über die Membran hinweg kann durch den Einsatz des in der Reaktoreinheit zur Reformierung des Einsatz­ stoffs benötigten Wasserdampfs als Spülstrom für die Permeatsei­ te der Sauerstoffabtrenneinheit erzielt werden. Ein etwaiger Membranfehler führt nicht dazu, daß der Prozeß nicht mehr ablau­ fen kann, sondern wirkt sich allenfalls etwas selektivitätsmin­ dernd aus. Die Anforderungen an die Qualität der zur Sauer­ stoffabtrennung verwendbaren Keramikmembranen sind daher gerin­ ger als im Fall der SOFC-Brennstoffzelle. Das Restgas der Sauerstoffabtrenneinheit, das nur noch einen geringen Sauerstof­ fanteil von typischerweise unter 10% aufweist, läßt sich, wie gezeigt, in einem Expander nutzen, kann aber alternativ als ein Inertgas für andere anlageninterne Prozesse verwendet werden.
Die obige Beschreibung eines exemplarischen Beispiels macht deutlich, daß sich die erfindungsgemäße Reaktoranlage bei gege­ bener, geforderter Umsatzleistung durch die Verwendung eines sauerstoffangereicherten Einsatzgases mit vergleichsweise gerin­ gem Bauvolumen und geringem Gewicht bauen läßt und eine hohe Dy­ namik bei schwankendem Lastbedarf ermöglicht, wie sie insbeson­ dere für Fahrzeuganwendungen erwünscht ist. Durch weitgehende Nutzung der entstehenden Wärmeenergie läßt sich ein hoher Ge­ samtwirkungsgrad der Anlage erreichen. Die Integration der Sau­ erstoffabtrenneinheit in den Wärmeübertrager 5 zur Prozeßgasab­ kühlung ermöglicht eine kompakte Realisierung dieser Komponenten und eine direkte Nutzung von Prozeßgaswärme zur Aufrechterhal­ tung eines für eine effektive Sauerstoffabtrennung günstigen Temperaturniveaus in der Sauerstoffabtrenneinheit. Für den Wir­ kungsgrad der Sauerstoffabtrennung wirkt sich zudem vorteilhaft aus, daß der Sauerstoffabtrenneinheit das sauerstoffhaltige Roh­ gas unter Druck zugeführt wird und der hierzu verwendete Kom­ pressor wenigstens teilweise von Energie betrieben wird, die im Kathodenabgas der Brennstoffzelle und/oder im Retentat der Sau­ erstoffabtrenneinheit enthalten ist.
Es versteht sich, daß neben dem gezeigten Ausführungsbeispiel zahlreiche weitere Realisierungen der Erfindung möglich sind. So kann gegebenenfalls auf die Wasserdampfeinspeisung in die Sauer­ stoffabtrenneinheit verzichtet werden. Ebenso kann gegebenen­ falls die Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung entfallen. Je nach Anwendungsfall kann die gezeigte zweistufige Gasreini­ gung durch eine einstufige ersetzt sein oder ganz entfallen, z. B. dann, wenn das Produktgas nicht einer Brennstoffzelle, son­ dern einem anderen Verwendungszweck zugeführt wird, bei dem die CO-Konzentration im Produktgas unkritisch ist. Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Rohrkanal-Bauform kann der Wärmeübertrager mit integrierter Sauerstoffabtrenneinheit in Plattenbauweise ge­ fertigt sein, wie sie von herkömmlichen Plattenwärmeübertragern an sich bekannt ist.

Claims (4)

1. Reaktoranlage zur Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs unter Beteiligung von Sauerstoff, insbesondere zur Wasserstoffgewinnung für ein Brenn­ stoffzellensystem, mit
  • - einer Reaktoreinheit (1), welcher der umzusetzende Einsatz­ stoff und ein sauerstoffhaltiges Einsatzgas zuführbar sind, und
  • - einem Wärmeübertrager (5) mit einem Produktstrompfad (27) zum abkühlenden Hindurchleiten des in der Reaktoreinheit (1) er­ zeugten Produktstroms,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Wärmeübertrager (5) eine Einheit (24, 25, 26) zur selektiven Sauerstoffabtrennung aus einem sauerstoffhaltigen Rohgas ent­ hält, die mit dem Produktstrompfad (27) in Wärmekontakt steht und mit der Reaktoreinheit (1) verbunden ist.
2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
  • - einen Kompressor (13) zum Verdichten des sauerstoffhaltigen Rohgases vor Einspeisung in die Sauerstoffabtrenneinheit (24, 25, 26) des Wärmeübertragers (5) und
  • - eine mechanisch an den Kompressor (13) angekoppelte Expander­ einheit (18) für das Retentat der Sauerstoffabtrenneinheit (24, 25, 26) und/oder das Kathodenabgas (17) eines angekoppelten Brennstoffzellensystems (8).
3. Reaktoranlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Sauerstoffgas-Wärmeübertragungseinrichtung (15), in welcher der zur Sauerstoffabtrenneinheit geführte sauerstoffhaltige Roh­ gasstrom mit dem aus ihr abgeführten Retentatstrom in Wärmekon­ takt steht.
4. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel (20, 21) zur Zuführung von Wasserdampf als Spülstrom in den Permeatstrompfad (23) der Sauerstoffabtrenneinheit (24, 25, 26).
DE19954981A 1999-11-16 1999-11-16 Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung Expired - Fee Related DE19954981C1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19954981A DE19954981C1 (de) 1999-11-16 1999-11-16 Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19954981A DE19954981C1 (de) 1999-11-16 1999-11-16 Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19954981C1 true DE19954981C1 (de) 2001-06-07

Family

ID=7929148

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19954981A Expired - Fee Related DE19954981C1 (de) 1999-11-16 1999-11-16 Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19954981C1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10355494A1 (de) * 2003-11-27 2005-07-07 Webasto Ag System und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat
WO2009103554A1 (de) * 2008-02-20 2009-08-27 Clausthaler Umwelttechnik-Institut Gmbh (Cutec-Institut) Hochtemperatur-brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen von strom und wärme mit hilfe eines hochtemperatur-brennstoffzellensystems

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0212755A2 (de) * 1985-08-30 1987-03-04 Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas
DE3806408A1 (de) * 1988-02-29 1989-09-07 Uhde Gmbh Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) und co-enthaltenden synthesegases

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0212755A2 (de) * 1985-08-30 1987-03-04 Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Synthesegas
DE3806408A1 (de) * 1988-02-29 1989-09-07 Uhde Gmbh Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) und co-enthaltenden synthesegases

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10355494A1 (de) * 2003-11-27 2005-07-07 Webasto Ag System und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat
DE10355494B4 (de) * 2003-11-27 2009-12-03 Enerday Gmbh System und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat
WO2009103554A1 (de) * 2008-02-20 2009-08-27 Clausthaler Umwelttechnik-Institut Gmbh (Cutec-Institut) Hochtemperatur-brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen von strom und wärme mit hilfe eines hochtemperatur-brennstoffzellensystems

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69935101T2 (de) Synthesegasherstellung mittels leitender Mischmembranen mit integrierter Konvertierung zu flüssigen Produkten
EP1082773B1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen elektrischer energie mittels eines brennstoffzellensystems
DE69822028T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines oxidierten Produkts
DE19804286C2 (de) Reaktor für eine katalytische chemische Reaktion, insbesondere Methanolreformierungsreaktor
CH697901B1 (de) Polygenerationsanordnung.
DE3913581A1 (de) Verfahren zum betrieb von brennstoffzellen
EP1082774B1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum erzeugen elektrischer energie mittels eines brennstoffzellensystems
EP1218290B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines wasserstoff- oder synthesegases und verwendung derselben
DE102020000476A1 (de) Verfahren und Anlage zur Herstellung von Wasserstoff
DE19954979A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wasserstoffgewinnender Reaktoranlage und Sauerstoffabtrenneinheit
EP0887306A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen und kohlenmonoxidarmen Gases
EP1306351B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines schwefelarmen Reformatgases zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem
DE19902926A1 (de) Wasserdampfreformierungsanlage und Betriebsverfahren hierfür
DE102014007001B4 (de) Verfahren und Anlage zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas
DE10136768B4 (de) Brennstoffzellenanlage mit zwei Umformeinheiten zur katalytischen Dekomposition und Verfahren zur katalytischen Dekomposition
DE19954981C1 (de) Reaktoranlage zur Umsetzung eines Einsatzstoffs unter Sauerstoffbeteiligung
DE10136970A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas für eine Brennstoffzellenanlage
EP3401280B1 (de) Verfahren zur herstellung von ammoniak
DE10143656B4 (de) Verfahren zur Erzeugung von Energie in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem mit Crackreaktor und Brennstoffzelle sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE102012016561B4 (de) Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem sowie Verwendung desselben
EP0326662B1 (de) Mehrstufiges Verfahren zur Erzeugung von wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Synthesegasen
WO2019206451A1 (de) Herstellung eines zumindest kohlenmonoxid enthaltenden gasprodukts
EP4349773A1 (de) Verfahren und anlage zur herstellung eines wasserstoffprodukts
DE102011015824A1 (de) Luftfahrzeug-Brennstoffzellensystem, Luftfahrzeug und Verwendung eines synthetischen Brennstoffs
WO2004069739A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur abtrennung von co2 aus h2-haltigen gasgemischen

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
D1 Grant (no unexamined application published) patent law 81
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee