DE202020005607U1 - Reaktor für thermische Spaltung von wasserstoffhaltigen Stoffen - Google Patents
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Abstract
Reaktor für thermische Spaltung von wasserstoffhaltigen Stoffen, in dem ein wasserstoffhaltige Gas (3) oder ein Gasgemisch in einer Kammer (1)(4) eingeführt, auf an sich bekannte Weise aufgeheizt und thermisch auf Bestandteile zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (3) in der Kammer (1)(4) unter ständiger Drehung gehalten wird, wobei das rotierende Gas (3) durch das Wirken von Zentrifugalkraft eine Trennung von kälterer und damit schwerer Gasschicht und heißerer und damit leichterer Gasschicht erfährt und dadurch eine Verdrängung des heißeren (leichteren) Gases in dem Drehzentrum der Kammer (1)(4) und des kälteren (schwereren) Gases in Richtung Kammerwand erfolgt mit den Folgen, dass Wärmeverluste durch die kältere Gasschicht im Bereich der Kammerwänden wegen geringerer Wärmeleitfähigkeit der Gase minimiert werden und dadurch hohe Temperaturen im Drehzentrum der Kammer erreicht werden, wobei kein Plasma in dem Arbeitsbereich der Kammer (1)(4) vorhanden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor zur thermischen Spaltung von wasserstoffhaltigen Stoffen (z.B. Methan, andere Kohlenwasserstoffe oder Wasser) zur Gewinnung von Wasserstoff und Nebenprodukten (z.B. festen Kohlenstoff, aromatische Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff etc.).
- Viele chemische Prozesse und Reaktionen benötigen hohe Temperaturen. Bei der Methanpyrolyse z.B. ist eine erhebliche Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts in Richtung der Reaktionsprodukte erst ab 800° C (1 atm) möglich. Bei 1200° C liegt der theoretische Wirkungsgrad der Methanumwandlung bei etwa 95% (doi:10.1088/1757-899X/228/1/012016), eine Annäherung zu einer 100%gen Methan-Zersetzung könnte in der Praxis nur bei über 2000° C erreicht werden. Bei hohen Temperaturen steigt aber Energiebedarf durch Wärmeverluste enorm, weswegen wiederum der gesamte Wirkungsgrad des chemischen Reaktors sinkt.
- Für eine direkte thermische Wasserspaltung sind Temperaturen über 2000 °C notwendig. Bei diesen hohen Temperaturen kann Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Bis heute sind jedoch keine technischen Wege zur selektiven Auftrennung des Wasserstoffs aus einem Gasgemisch bei diesen hohen Temperaturen gefunden worden, deswegen gilt die thermische Wasserspaltung verfahrenstechnisch als nicht realisierbar (DLR „Perspektiven solarthermischer Verfahren zur Wasserstofferzeugung“ https://www.dlr.de/tt/Portaldata/41/Resources/dokumente/institut/system/publications/SolH2_Bericht_final. pdf).
- Ein Beispiel für einen Reaktor für chemische Reaktionen bei hohem Druck und hoher Temperatur kann man in
EP000002361675A1 - In
DE000002905206A1 ist eine Anlage zur thermischen Wasserspaltung beschrieben, bei der das konzentrierte Sonnenlicht für die Erzeugung der Reaktionstemperatur über 1100° C verwendet wird und ein Hochtemperatur-Reaktionsgefäß durch elektromagnetische Felder gebildet wird. Nachteil dieser Anlage ist, dass ein solches Reaktionsgefäß praktisch kaum realisierbar ist. - Nächstliegend zum patentierenden Gebrauchsmuster ist im
DE102009052623A1 ein offenbartes Verfahren zum Rotationseinschluss von Plasma. Das Verfahren bezieht sich auf eine Aufrechterhaltung von heißem Plasma, betrifft aber nicht das Erreichen von hohen Temperaturen von nichtionisierten Gasen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ein sehr hoher Energiebedarf, weil ein Plasma nur bei ständiger Energiezufuhr existieren kann. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reaktor zur Erzeugung von Wasserstoff und Nebenprodukten bereitzustellen, in dem eine Trennung von heißen Gasen von Konstruktionswänden gewährleistet ist und dadurch im Arbeitsbereich hohe Gastemperaturen erreichbar sind. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Gas oder ein Gasgemisch in einer Kammer auf hohe Temperaturen aufgeheizt (z.B. durch eine elektrische Bogenentladung) und unter ständiger Drehung gehalten wird, wobei das rotierende Gas durch das Wirken von Zentrifugalkraft eine Trennung von kälterer und damit schwerer und heißerer und damit leichterer Gasschichten erfährt und dadurch eine Verdrängung des heißeren (leichteren) Gases in das Drehzentrum der Kammer und des kälteren (schweren) Gases in Richtung Kammerwand erfolgt. Da Gase eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, bildet sich zwischen den Kammerwänden und den heißen Gasmassen im Zentrum eine wärmeisolierende Gasschicht, dadurch werden Wärmeverluste minimiert und eine Überhitzung der Kammerwände kann vermiedet werden. Im zentralen Bereich der Kammer können dabei sehr hohe Temperaturen erreicht werden, sodass wasserstoffhaltige Stoffe in Wasserstoff und weitere Bestandteile thermisch zerlegt werden können. Da Wasserstoff das leichteste der chemischen Elemente ist, wird er unter der Wirkung der Zentrifugalkraft gleichzeitig von anderen Reaktionsprodukten getrennt und bleibt im Bereich der Drehachse. Der durch die Zentrifugalkraft getrennte Wasserstoff und andere Reaktionsprodukte werden dann aus dem Reaktor abgesaugt bzw. abgeführt und je nach Verwendungszweck aufbereitet.
- Die Erfindung wird schematisch in den Zeichnungen 1 bis 5 erläutert.
-
1 stellt ein Ausführungsbeispiel 1 mit einem rotierenden Rohr (1 ) mit offenen Enden (2 ) dar, wobei ein Gas (3 ) an einem Ende des Rohrs eingeführt und auf an sich bekannte Weise aufgeheizt wird. Am anderen Ende strömt das Gas (3 ) (oder die Reaktionsprodukte) wieder heraus. Im Inneren des Rohres (1 ) wird das Gas erfindungsgemäß auf einer hohen Temperatur gehalten und die Rohrwände dank wärmeisolierender Gasschicht bei einer niedrigeren Temperatur bleiben. - In der
2 ist ein Beispiel 2 der Erfindung gezeigt, wo das Gas (3 ) in einem nichtrotierenden Rohr (4 ) durch ein Laufrad mit Schaufeln oder einen Ventilator (5 ) in Drehung gebracht wird. Das Gas wird wie im Beispiel 1 aufgeheizt und erfindungsgemäß von kälteren Wänden getrennt. -
3 stellt ein Beispiel 3 für einen geschlossenen Behälter (6 ) dar, wobei der Innenraum des Behälters (6 ) unter Normal-, Unter- oder Überdruck steht. Ein Gas (3 ) (oder gasförmige Reagenzien) wird im Behälter (6 ) nach dem Ausführungsbeispiel 1 oder 2, also im einen rotierenden Rohr (1 ) oder im nicht rotierenden Rohr (4 ), erfindungsgemäß für vorgesehene Arbeitsprozesse auf einer hohen Temperatur gehalten. - Die Zentrifugalkraft wirkt bei Drehbewegung nur in radialer Richtung, das heißt, in axialer Richtung funktioniert die Wärmeisolierung erfindungsgemäß nicht. Um diesen Nachteil zu minimieren, kann die Rohrlänge wesentlich größer als der Rohrdurchmesser (z.B. im Verhältnis 10 zu 1) ausgewählt werden. Dieser Nachteil kann nicht entstehen, wenn eine Kammer ringförmig, wie z.B. ein Torus oder zwei an beiden Enden verbundene Rohre, ist, sodass es keine freien Enden des heißen Gaswirbels gibt. Das Ausführungsbeispiel 4 (
4 ) zeigt mögliche Aufbauformen (4.1 ,4.2 ,4.3 ). - Die Kammer kann waagerecht oder eine Neigung haben, siehe
5 . Wenn das Ausgangsende der Kammer nach unten gerichtet ist (5.1 ), wird eine Trennung von festen Reaktionsprodukten dank der Wirkung von Erdgravitation erleichtert. Bei einer Ausrichtung nach oben (5.2 ) können dagegen leichte gasförmige Produkte besser entweichen. - Durch Verwendung von einem erfindungsgemäß gebauten Hochtemperaturreaktor zur Wasserstofferzeugung können Wärmeverluste und dadurch der Energiebedarf wesentlich reduziert werden. Es können höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Man kann erfindungsgemäß leichtere und kostengünstigere Konstruktionsmaterialien als konventionelle (z.B. Aluminiumlegierungen anstatt hitzebeständiger Stähle) vorteilhaft verwenden, man braucht hier keine teuren hitzebeständigen keramischen Materialien bzw. Membranen zur Trennung von Produktgasen. Durch Reduzierung von Wärmeverlusten können Produktions-, Wartungs- bzw. Betriebskosten wesentlich gesenkt werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotierende Kammer
- 2
- Kammerende
- 3
- Gas
- 4
- Nichtrotierende Kammer
- 4.1
- Aufbauform 1
- 4.2
- Aufbauform 2
- 4.3
- Aufbauform 3
- 5
- Laufrad mit Schaufeln bzw. Ventilator
- 5.1
- Ausrichtung nach unten
- 5.2
- Ausrichtung nach oben
- 6
- Behälter
- 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
-
- EP 000002361675 A1 [0004]
- DE 000002905206 A1 [0005]
- DE 102009052623 A1 [0006]
Claims (8)
- Reaktor für thermische Spaltung von wasserstoffhaltigen Stoffen, in dem ein wasserstoffhaltige Gas (3) oder ein Gasgemisch in einer Kammer (1)(4) eingeführt, auf an sich bekannte Weise aufgeheizt und thermisch auf Bestandteile zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (3) in der Kammer (1)(4) unter ständiger Drehung gehalten wird, wobei das rotierende Gas (3) durch das Wirken von Zentrifugalkraft eine Trennung von kälterer und damit schwerer Gasschicht und heißerer und damit leichterer Gasschicht erfährt und dadurch eine Verdrängung des heißeren (leichteren) Gases in dem Drehzentrum der Kammer (1)(4) und des kälteren (schwereren) Gases in Richtung Kammerwand erfolgt mit den Folgen, dass Wärmeverluste durch die kältere Gasschicht im Bereich der Kammerwänden wegen geringerer Wärmeleitfähigkeit der Gase minimiert werden und dadurch hohe Temperaturen im Drehzentrum der Kammer erreicht werden, wobei kein Plasma in dem Arbeitsbereich der Kammer (1)(4) vorhanden ist.
- Reaktor nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des Gases (3) durch eine Drehung der Kammer (1) und/oder durch mindestens ein Laufrad mit Schaufeln (5) und/oder mindestens einen Ventilator (5) und/oder durch Gasströmungen erreicht wird. - Reaktor nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit auf mindestens 50 Umdrehungen pro Minute eingestellt wird. - Reaktor nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen Kammerwänden und dem Gas (3) im Bereich des Drehzentrums auf 500° C bis 2500° C eingestellt wird. - Reaktor nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen Kammerwänden und dem Gas (3) im Bereich des Drehzentrums auf über 2500° C eingestellt wird. - Reaktor nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (1)(4) waagerecht oder mit einem Neigungswinkel von 0° bis 90° (5.1) oder von 0° bis -90° (5.2) gerichtet wird. - Reaktor nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (3) in der Kammer (1)(4) Methan, Ethan, höhere Kohlenwasserstoffe, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak und/oder deren Mischungen enthält. - Reaktor nach dem
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff sich unter Wirkung von Zentrifugalkraft im Zentrum der Kammer (1)(4) sammelt und weitere Reaktionsprodukte in der Peripherie bleiben.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE202020005826U1 (de) | 2020-12-09 | 2022-09-06 | Svetlana Beck | Solarbetriebener Reaktor für thermische Spaltung von wasserstoffhaltigen Stoffen |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2905206A1 (de) | 1979-02-12 | 1980-08-21 | Interatom | Anlage zur thermochemischen wasserspaltung mit sonnenenergie |
| DE102009052623A1 (de) | 2009-11-10 | 2011-05-12 | Beck, Valeri, Dipl.-Phys. | Verfahren zum Rotationseinschluss von Plasma |
| EP2361675A1 (de) | 2010-02-26 | 2011-08-31 | Karlsruher Institut für Technologie | Reaktor für Reaktionen bei hohem Druck und hoher Temperatur und dessen Verwendung |
-
2020
- 2020-12-09 DE DE202020005607.3U patent/DE202020005607U1/de active Active
Patent Citations (3)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
| R207 | Utility model specification | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: EISENFUEHR SPEISER PATENTANWAELTE RECHTSANWAEL, DE Representative=s name: HERTIN & PARTNER RECHTS- UND PATENTANWAELTE PA, DE Representative=s name: ETL IP PATENT- UND RECHTSANWALTSGESELLSCHAFT M, DE |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: EISENFUEHR SPEISER PATENTANWAELTE RECHTSANWAEL, DE Representative=s name: HERTIN & PARTNER RECHTS- UND PATENTANWAELTE PA, DE |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: EISENFUEHR SPEISER PATENTANWAELTE RECHTSANWAEL, DE |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |