DE202010007837U1 - Vorrichtung bei der Herstellung von RANEY-Metallen - Google Patents

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Abstract

Muster einer Vorrichtung zur Nutzung des Wasserstoffs bei der Herstellung von RANEY-Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass sie den bei der Herstellung entweichenden Wasserstoff reinigt, auffängt sowie speichert, um ihn einer weiteren Verwendung zuzuführen.

Description

  • Das Verfahren zur Herstellung besonders hochaktiver, oberflächenreicher Metall-Katalysatoren wurde Mitte der Zwanziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts von dem amerikanischen Ingenieur Murray Raney entwickelt ( US Patent 1628190 , 10.05.1927).
  • Die meiste Verwendung findet wegen der leichten Zugängigkeit das Raney-Nickel. Aber auch andere Metalle, wie Kobalt, Kupfer, Eisen, und Silber werden für spezielle Synthesen nach einem analogen Prozess hergestellt.
  • In jedem Verfahren zur Herstellung dieser oberflächenreichen Metall-Katalysatoren geht man von dem homogenen Einschmelzen in Aluminium aus. Seltener kommen auch Metallkatalysator-Legierungen mit Silizium, Magnesium und Zink zum Einsatz. Die zumeist im Verhältnis 1:1 gemischten Katalysator-Metall-Legierungen mit Aluminium verhalten sich spröde und können gebrochen und zerkleinert werden (Römpp-Chemielexikon).
  • Das Aluminium wird aus dieser zerkleinerten Legierung mit Alkali herausgelöst. In der Regel wird dafür die am Markt erhältliche 50%-ige Natronlauge verwendet. Ein typischer Katalysator besteht zu etwa 85 Prozent der Masse aus Nickel, was etwa zwei Nickelatomen pro Aluminiumatom entspricht.
  • Die Löse-Operation, bei der nur der größte Teil des Aluminiums in Lösung geht, verläuft nach der chemischen Gleichung: 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2.
  • Das bedeutet, dass bei dieser Reaktion neben dem Natrium-Aluminat auch eine erhebliche Menge an Wasserstoff-Gas freigesetzt wird. Während aber das Aluminat in der Wasseraufbereitung oder in der Aluminiumoxid-Verarbeitung eine weitere Verwendung findet, wird der Wasserstoff über Dach geblasen.
  • Die unterbleibende Nutzung des Wasserstoffs bei der Herstellung von RANEY-Katalysatoren war solange nachvollziehbar, wie es vor allem an Speicher- und Verwendungsmöglichkeiten dieser Ressource gefehlt hatte.
  • Es war also Aufgabe des vorliegenden Musters, einen Weg zu finden, um bei den etablierten Prozessen zur Herstellung von RANEY-Metallen den ungenutzten Wasserstoff mit einer geeigneten Vorrichtung verwendbar zu machen.
  • Diese Bemühungen zielen in zwei Richtungen: zum einen bleibt eine kostbare, energiereiche Ressource ungenutzt, zum anderen besteht die Chance, in Abhängigkeit von Mengen, Investitionen und Betriebskosten für die Wasserstoff-Nutzung die Gesamt-Betriebskosten zu senken.
  • Es gilt daher, zunächst einmal die freigesetzte Menge an Wasserstoffgas an den einzelnen Produktionsstätten zu ermitteln, um die Wirtschaftlichkeit für eine Prozess-Erweiterung zur Nutzung des Wasserstoffs abzuschätzen.
  • In den weiteren Schritten sind Reinigungs-Aufwand und Nutzungs-Aufwand für den Wasserstoff zu kalkulieren, um zu einer Rendite für die Wasserstoff-Nutzung gegenüber einer Nichtnutzung zu gelangen. Gerade aber auf diesen Feldern haben sich in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte ergeben.
  • Zudem kann unter Umständen auch per Behörden-Auflage eine Nutzung vorgeschrieben werden, wenn sie zwar nicht rein betriebswirtschaftlich zu rechtfertigen wäre, aber im Sinne der Ressourcen-Schonung sowie der IVU-Richtlinie im Rahmen der „Besten verfügbaren Technik” für das Unternehmen zumutbar ist.
  • Die stöchiometrische Betrachtung der angeführten chemischen Gleichung besagt, dass auf jedes Mol Aluminium, bzw. Katalysatormetall, wenn es gewichtsmäßig 1:1 legiert wird, die anderthalbfache Mol-Menge an Wasserstoff entsteht. Bei einem Mol Aluminium, entsprechend grob etwa 30 g, und einem halben Mol Nickel, entsprechend ca. 0,5 × 60 g, entstehen etwa 3 g Wasserstoff. Weil ein Mol Gas einen Raum von 22,4 l einnimmt, eben mehr als 30 l Wasserstoffgas. Bei einer Monats-Produktion an RANEY-Nickel von beispielsweise 3 t, das mit 3 t Aluminium verschmolzen wurde, ist also mit mindestens 3.000 m3 (3 t/30 g × 30 l) Wasserstoff zu rechnen. Das wären vergleichsweise 1.500 Taucherflaschen á 10 l, gefüllt mit einem Druck von 200 bar.
  • Um den entweichenden Wasserstoff nicht nutzlos in die Luft entweichen zu lassen, muss das Verfahren um eine Vorrichtung erweitert werden, die den Wasserstoff reinigt, sammelt, komprimiert und gegebenenfalls lagert.
  • Der beim Lösen von Aluminium mit Natronlauge mit dem freigesetzten Wasserstoff entwickelte Aerosol-Strom muss abgetrennt werden, bevor der Wasserstoff direkt oder indirekt einer Verwendung zugeführt wird. Das geschieht über herkömmliche Aerosol-Abscheider, Filter, Adsorber oder Wasserwäscher mit anschließender Gas-Trocknung.
  • Diese Reinigungs-Schritte werden weitgehend von der nachfolgenden Verwendung bestimmt. Bei der Verwertung des Wasserstoffs im Ofen muss i. d. R. gar nicht gereinigt werden, während bei der Komprimierung zum Speichern oder bei der Verwertung über die Strom-Erzeugung in Brennstoffzellen eine umfangreichere Reinigung notwendig ist.
  • Für das Speichern von Wasserstoff bietet sich auch die Überführung in Hydride an, wie Ca-, Magnesium- oder Titan-Hydrid an. Ein weiteres Verfahren wurde in dem molekularen Speichern in Clathraten (Einschluss-Verbindungen) oder in komplexen Zink-Terephthalat-Kristallen gefunden.
  • Wenn die Gas-Kosten bei ca. 8 Euro je kg Wasserstoff liegen, entsprechend 11 m3 Wasserstoff, sparte man bei einer RANEY-Nickel-Produktion von 3 t schon etwa 2.200 Euro ein. Bei einer Jahresproduktion von einigen hundert Tonnen lassen sich dabei schon einige hunterttausend Euro für Investitionen in die Wirtschaftlichkeitsrechnungen einsetzen. Weltweit schätzen Experten die RANEY-Katalysator-Produktion auf 2.000 bis 3.000 jato. Dabei sind die großen Mengen an RANEY-Eisen noch nicht einbezogen.
  • Wenn bei Stromkosten aus Brennstoffzellen nur ca. 3 Cent/KWh zu Grunde gelegt werden, ist mit „geschenktem” Wasserstoff auch günstig an elektrischen Strom heranzukommen.
  • „Vorrichtung bei der Herstellung von RANEY-Metallen”
  • Der bei der Herstellung von RANEY-Metallen freiwerdende Wasserstoff kann durch eine Vorrichtung, bestehend aus Reinigung, Sammelbehälter, Kompressor und Lagertank direkt, oder indirekt Ressourcen schonend einer weiteren Verwendung, wie Hydrierung, Heizen, Schweißen oder Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen zugeführt werden.
  • Schlüssel-Wörter:
    • RANEY-Legierungen, RANEY-Verfahren, RANEY-Nickel, RANEY-Metall, Vorrichtung zur Prozess-Erweiterung, Wasserstoff-Reinigung, Wasserstoff-Speicherung, Wasserstoff-Adsorbtion, Wasserstoff-Absorption, Ausfrieren von Wasserstoff, Wasserstoff-Komprimierung, Wasserstoff-Nutzung, Wasserstoff-Brennstoffzelle, Ressourcen-Schonung, Rentabilität der Wasserstoff-Nutzung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 1628190 [0001]

Claims (6)

  1. Muster einer Vorrichtung zur Nutzung des Wasserstoffs bei der Herstellung von RANEY-Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass sie den bei der Herstellung entweichenden Wasserstoff reinigt, auffängt sowie speichert, um ihn einer weiteren Verwendung zuzuführen.
  2. Muster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des Wasserstoffs von mitgerissenen Lauge- und Aluminat-Aerosolen absoptiv, über die zusätzliche Einrichtung von Wäscher, Filter oder Zentrifugal-Abscheider geschieht.
  3. Muster nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freigesetzte Wasserstoff über einen ex-geschützten Kompressor verdichtet, ausgefroren bzw. über Hydride oder ab- bzw. adsorptiv gespeichert wird.
  4. Muster nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff direkt oder nach Speicherung über eine nachgeschaltete Brennstoffzelle geleitet wird, um Strom zu erzeugen.
  5. Muster nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff direkt oder nach der Speicherung in einer nachgeschalteten Vorrichtung zum Betrieb der eigenen oder anderer Öfen verwendet wird.
  6. Muster nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der komprimierte, oder absorbierte Wasserstoff externer Verwendung zugeführt wird.
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