DE3145844A1 - Katalytischer so3-zersetzer - Google Patents

Katalytischer so3-zersetzer

Info

Publication number
DE3145844A1
DE3145844A1 DE19813145844 DE3145844A DE3145844A1 DE 3145844 A1 DE3145844 A1 DE 3145844A1 DE 19813145844 DE19813145844 DE 19813145844 DE 3145844 A DE3145844 A DE 3145844A DE 3145844 A1 DE3145844 A1 DE 3145844A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat pipe
catalyst
cartridge
heat
chamber
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.)
Withdrawn
Application number
DE19813145844
Other languages
English (en)
Inventor
Terry Randolph 94705 Berkeley Calif. Galloway
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.)
US Department of Energy
Original Assignee
US Department of Energy
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 US Department of Energy filed Critical US Department of Energy
Publication of DE3145844A1 publication Critical patent/DE3145844A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0203—Preparation of oxygen from inorganic compounds
    • 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
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/068—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents the hydrogen being generated from the water as a result of a cyclus of reactions, not covered by groups C01B3/063 or C01B3/105
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B4/00—Hydrogen isotopes; Inorganic compounds thereof prepared by isotope exchange, e.g. NH3 + D2 → NH2D + HD
    • 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
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

3U58U " rf.
81-R-4742
Katalytischer SO,-Zersetzer
Die Erfindung bezieht sich auf thermochemische Zyklen für die Wasserstoffherstellung, und zwar insbesondere auf Schwefeltrioxid (SO,)-Zersetzungsreaktoren, die bei thermochemischen Zyklen für die Wasserstoffherstellung Verwendung finden.
Wasserstoff ist ein wertvolles Rohmaterial für die Petroleum- und petrochemische Industrie, und man erwartet, daß es zu Beginn des nächsten Jahrhunderts ein wichtiger wiedergewinnbarer transportabler Brennstoff wird, und zwar entweder selbst oder in irgendeiner Kohlenwasserstoffform, wie beispielsweise als Methanol. Wasserstoff kann durch die Zersetzung von Wasser erzeugt werden, und zwar mittels thermochemischer Zyklen, welche die hohen Temperaturerfordernisse von 30000K beim unmittelbaren thermischen Zersetzungsverfahren auf Pegel von 12000K vermindern, die in Kernspalt- oder Kernfusions-Reaktoren oder aber in fokussierten Hochtensitäts-Solarreflektoren erzeugt werden können.
Ein Beispiel für ein thermochemisch.es Verfahren zur Herstellung von Wässerstoff ist der Schwefel-Jod-Zyklus, der von der Firma General Atomic Company in den USA entwickelt wurde. Die wesentlichen Schritte des Schwefel-Jod-Zyklus werden durch die folgenden Reaktionsgleichungen repräsentiert:
^h2O + so2 + xl2 H2SO4 + 2ΗΙχ + 1/2 O2 (370-390K)
2HIx H2 + Xl2 • (393K)
H2SO4 H2O + SO2 (1144K)
Die hervorstechendsten Energienerfordernisse, wärmeabhängig von der Temperatur, sind bei diesem Verfahren notwendig für die HpSO^-Konzentration und Verdampfung, für die Umwandlung von H2SO^ in SO, + H2O und für die SO,-Zersetzung.
Der SO,-Zersetzer ist die kritische Verfahrenseinheit bei nahezu allen arbeitsfähigen thermochemischen Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff. Diese Anlagen können durch Hochtemperatur-Gasreaktoren, Sonnenkollektoren oder Fusionsreaktoren betrieben werden, und zwar unter Verwendung von Natrium, Kalium oder Helium als Wärmeübertragungsströmungsmittel zur Lieferung der großen Wärmeanforderung des SO,-Zersetzers. Katalysatoren sind in dem Zersetzer erforderlich, um die notwendige Temperatur auf vernüftigen Niveaus von 1070-11200K zu halten. Das Haupterfordernis ist die Lieferung von Wärme an die katalytischen Oberflächen, wo die endotherme SO^-Reaktion auftritt. Diese SO-,-Zersetzung erzeugt SOp und Op für die thermochemische Herstellung von Wasserstoff.
3H58U -γ-i
Die gemessene SO^-Kinetik und das Gleichgewicht zeigen, daß dieser Hochtemperatur-SO^-Zersetzungsreaktor bei niedri-
unlorhMlb 10',O0R J .
geren Temperaturen/durch Oberflüchenkinetik (heterogen) gesteuert ist und bei höheren Temperaturen oberhalb 11800K homogen arbeitet. Für nicht-katalytische Oberflächen be» trägt die Umwandlung von SO5 zu SOp ungefähr 20-30% über dem Temperaturbereich von 10800K bis 11800K für eine 0,3 bis 1 s Verweilzeit bei ungefähr 1,5 atm. Gesamtdruck. Die geringe Umwandlung führt zu großen HgSO^-Rückströmungen-, und somit zu größerer und teurerer Ausrüstung. Eine erhöhte Verweilzeit verbessert die Kinetik, erhöht aber die Größe der Ausrüstung. Ein erhöhter Gesamtdruck verringert die Ausrüstungsgröße, verschiebt aber das Gleichgewicht in ungünstiger Weise, und die verringerte Umwandlung erhöht die Ausrüstungsgröße. Die katalytisch erhöhte Kinetik verbessert die Umwandlung stark auf dem Bereich von 65-80%. Es ist zweckmäßig, bei einer Temperatur von ungefähr 10500K zu arbeiten, um die Notwendigkeit sehr teurer Platinkatalysatoren zu vermeiden und den Einsatz der billigeren CuO-oder Fe3O5-Katalysatoren zu gestatten.
Die Konstruktion eines chemischen Reaktors mit schnellen kinetischen Verhältnissen und hohen, damit verbundenen Wärmeeffekten ist sehr schwierig. Eine Konstruktion mit den geringsten Kosten und der größten Einfachheit ist erwünscht.
Katalytische Zersetzer, die durch interne Wärmeaustauscher erhitzt werden, erscheinen zu groß, um mit anderen Wasserstoffherstellungstechnologien in Wettbewerb treten zu können. Die offensichtlichste Wahl ist ein Reaktor mit gepacktem Bett, erscheint aber nicht praktikabel, weil die Wärmeübertragung von den "In-Bett"-Wärmeaustauschern zu dem gepackten Bett der Katalysatoren sehr wenig effizient ist und extrem große Temperaturgradienten zwischen dem Wärmeaustauscherstrümungsmittel und dem gepackten Bett erforderlich
macht. Es sind ferner auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten für das Wärmeübertragungsmedium erforderlich, und große radiale Temperaturgradienten treten innerhalb des Bettes zwischen den internen Wärmeaustascherrohrelementen auf. Die Fluidisierung des Bettes aus Katalysatoren vermindert stark die Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmeübertragungsströmungsmittel und der Katalysatoroberfläche. Es wird jedoch eine beträchtliche Pumpleistung benötigt, um das Bett zu fluidisieren, was höhere Betriebskosten zur Folge hat.
Fusionsreaktoren haben einige besondere Vorteile beim Betreiben von thermochemischen Wasserstoffanlagen. Die thermische Wärme vom Mantel eines Tandem-Spiegelfusionsreaktors kann verwendet werden. Ein besonderes Tandem-Spiegelmantelkonzept ist eine Lithium-Natrium, Flüssigmetall-5O96-Gewichts-Mischung im Cauldron-Mantelmodul. Helium oder Natrium kann als Wärmeübertragungsströmungsmittel verwendet werden, um Wärme aus der Nuklearinsel zu den Prozeßaustauschern hinzuführen, die sich innerhalb des thermochemischen Wasserstoffproduktionszyklus befinden. Entweder kann eine direkt kondensierende Dampfwärmeaustauschschleife verwendet werden, oder aber eine durch ein Wärmerohr betriebene Schleife. Probleme bei dieser Konstruktion umfassen jedoch Sicherheitsprobleme der Isolation der flüssigen Metalle vom Prozeßstrom und die Permeation radioaktiven Tritiums in den Produktstrom.
Die thermochemischen Zyklen, das Interface mit thermischen Reaktoren, fluidisierte Bettzersetzerkonstruktionen und zugehörige Probleme sind in der folgenden Literaturstelle beschrieben: UCRL-84212, "Interfacing the Tandem Mirror Reactor to the Sulfur Iodine Process for Hydrogen Production", T.R.Galloway, Lawrence Livermore National Laboratory, Juni 1980, und UCRL-84285, "The Process Aspects of Hydrogen Production Using the Tandem Mirror Reactor", T.R.Galloway, Lawrence Livermore National Laboratory, September 1980.
Ein Ziel der Erfindung besteht demgemäß darin, einen niedrige Kosten verursachenden und einen hohen Wirkungsgrad besitzenden SOv-Zersetzer für ein thermochemisches Wasserstoff herstellungsverfahren vorzusehen.
Ferner bezweckt die Erfindung,einen katalytischen SO,-Zersetzer vorzusehen, der mit einem Tandem-Spiegelfusionsreaktor bei 12000K oder darunter zusammenarbeiten kann.
Ferner bezweckt die Erfindung, einen SO,-Zersetzer vorzusehen, der erhöhte Sicherheitsbarrieren vorsieht und modulförmig ausgebildet werden kann, um so eine erhöhte Zuverlässigkeit zu liefern.
Die Erfindung bezweckt ferner, einen SO,-Zersetzer vorzusehen, der mit einem Fusionsreaktor zusammenarbeiten kann, der verbesserte Tritiumverarbeitungs- und -isolationsmerkmale aufweist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen SO,-Zersetzer vorzusehen, der bei einer Temperatur arbeitet, bei welcher die billigen CuO- oder Fe20^-Katalysatoren anstelle der teureren Platinkatalysatoren Verwendung finden können.
Die Erfindung sieht ferner einen SO,-Zersetzer vor, der eine Wärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad von der Quelle zum Katalysator gestattet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist das Vorsehen eines SO,-Zersetzers mit einem hohen Umwandlungswirkungsgrad.
Die Erfindung betrifft einen verbesserten SO,-Zersetzer für die thermochemische Wasserstoffherstellung, wobei eine
■ 3K58U
Vorrichtung oder Patrone vorgesehen ist, die eine mit einem Katalysator überzogene Oberfläche aufweist. Die katalytische Patrone umgibt das Wärmerohr, welches durch eine Wärmequelle zur Erhitzung des Katalysators betrieben wird, und das SO,-Gas fließt durch die Patrone zur Kontaktierung des Katalysators zur Erzeugung der SO,-Zersetzungsreaktionen. Es gibt zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar eine QuerStrömungspatrone und eine Axialströmungspatrone. Bei der katalytischen Querströmungspatrone fliessen die Verfahrensgase durch eine Kammer und treffen senkrecht auf einen Katalysator auf, der als Überzug auf einem Rohr aufgebracht ist, welches sich durch die Kammer erstreckt. Bei der katalytischen Axialströmungspatrone fliessen die Verfahrens- oder Prozeßgase parallel zu einem mit Katalysator überzogenen Rohr in einem ringförmigen, das mit Katalysator überzogene Rohr umgebenden Raum. Das mit Katalysator überzogene Rohr der einen wie der anderen Zersetzerkonstruktion umgibt das Wärmerohr und befindet sich entweder in thermischem Kontakt mit dem Wärmerohr oder ist davon durch einen schmalen Spalt getrennt. Das Wärmerohr transportiert die Wärme von der Wärmequelle zu dem katalytischen Patronenzersetzer, um die Katalysatoroberfläche, über die das SO,-Gas fließt, zu erhitzen, um so die SO,-Zersetzung in SOp + Op hervorzurufen. Wenn ein Fusionsreaktor als Wärmequelle verwendet wird, so werden zur Entfernung des radioaktiven Tritiums ein Tritium kenzentrierendes Wärmerohr plus eine im Gegenstromverfahren arbeitende Heliumreinigung in einem schmalen Spalt zwischen dem Wärmerohr und dem mit Katalysabor überzogenen Rohr verwendet.
Die ein Wärmerohr umgebende katalytische Patrone eliminiert zahlreiche Nachteile des Standes der Technik. Es werden keine gefährlichen Natrium- oder Kalium-Wärmeübertragungsstrümungsmittel benötigt. Es existieren ferner keine groi3en Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequelle und
3Ί45844
der Katalysatoroberfläche. Ferner sind keine großen Wärmeübertragungsströmungsmittel-Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Es ist auch kein unter hohem Druck stehendes Heliumgas erforderlich. Die Konstruktion liefert ein außerordentlich sicheres System, welches die Gefahr des Austritts radioaktiven Tritiums eliminiert.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie der Beschreibung von AusfUhrungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des
katalytischen Patronenzersetzers mit Querströmung;
20
Fig. 2 eine perspektivische schematische An
sicht des katalytischen Patronenzersetzers mit Querströmung;
2^ Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch ei
nen katalytischen Patronenzersetzer mit Axialströmung.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte katalytische Patronen» SO^-Zersetzer 10 mit Querströmung weist ein hermetisch abgedichtetes Prozeßmodul oder eine Kammer 12 auf, und zwar mit sich seitlich erstreckenden Seiten 11 und 13» einer Oberseite 15 und einer Bodenseite 17. Ein Metallegierungsrohr 14 erstreckt sich durch Kammer 12 von der seitlichen Seite 11 zur seitlichen Seite 13 und umgibt die Kondensationszone 16 des Wärmerohrs 20. Die Verdampferzone 18 des Wärmerohrs 20 ist gegenüber einer Wärmequelle, wie bei-
spielsweise einem Fusionsreaktor oder einem Solarkollektor freigelegt. Das Wärmerohr transportiert die Wärme von der Wärmequelle durch die Isolationswand 22 zu der katalytischen Patrone 10. Das sich durch die Kammer 12 erstreckende Rohr 14 befindet sich in thermischem Kontakt mit der Kondensatorzone 16 des Wärmerohrs 20 oder ist gegenüber der Kondensatorzone 16 durch einen schmalen Spalt 26 getrennt. Eine Katalysatorlage 24 ist auf das Rohr 14 als Überzug aufgebracht und wird durch die Wärmeübertragung vom Wärmerohr 20 erwärmt und dabei auf eine Temperatur von ungefähr 10700K gehalten. SO^-Gas strömt durch die Einlaßöffnung am einen Ende der Kammer 12 und fließt durch die Kammer und trifft auf das Rohr 14 über die erhitzte Katalysatorlage 24 auf, wodurch die Zersetzungsreaktion von SO^ hervorgerufen wird. Die Zersetzungsprodukte SO2 + O2 werden durch die Auslaßöffnung 21 am entgegengesetzten Ende der Kammer 12 entfernt und in dem thermochemischen Wasserstoffherstellungszyklus verwendet. Die Strömung des S0,-Gases ist eine Quer- oder Kreuzströmung durch die Kammer 12, durch welche sich das Rohr 14 senkrecht zur Gasströmung erstreckt.
Wenn die Wärmequelle ein Fusionsreaktor mit dem damit zusammenhängenden Problem der radioaktiven Tritiumpermeation ist, so ist das Wärmerohr 20 ein Tritium konzentrierendes Wärmerohr mit einem für Tritium parmeablem Fenster 28, wie beispielsweise einem Niobfenster, und zwar angeordnet am Ende der Kondensatorregion 16 am weitesten weg von der Verdampferregion oder Zone 18. Bei Verwendung des Fusionsreaktors als Wärmequelle wird eine Zersetzerkonstruktion mit einem Spalt 26 zwischen dem katalytischen Patronenrohr 14 und dem Wärmerohr 20 bevorzugt.Heliumgas strömt durch den Spalt 26, um jedwedes Tritium herauszuspülen, welches radial aus dem Wärmerohr 20 oder durch das Fenster 28 läuft. Das strömende Heliumreinigungsgas entfernt sämtli-
ches Tritium, welches durch die in der Kammerwand 11 vorgesehene Öffnung 30 gedrungen ist.
Die katalytische Patrone 10 mit Querströmung liefert eine einfache Konstruktion mit den geringsten Kapitalkosten und hoher Leistungsfähigkeit. Die Konstruktion sieht eine Kammer 12 vor, die eine einzige Modulareinheit ist, und zwar hermetisch abgedichtet gegenüber dem Wärmerohr/und dem strömenden Heliumgas, wodurch sich eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit ergibt. Der Katalysator kann zur Erleichterung der Zersetzung die gesamte Kammer 12 bedecken und nicht nur das Rohr 14, und zwar insbesondere dann, wenn Katalysatoren mit geringen Kosten verwendet werden. Die Konstruktion sieht auch beträchtliche Wärmeübertragungsvorteile vor. Die effizienteste Wärmeübertragung wird dann erhalten, wenn das Rohr 14 thermischen Kontakt mit dem Wärmerohr 20 herstellt. Wenn der Spalt 26 mitumfaßt wird, so wird ein zusätzlicher Temperaturabfall zwischen dem Wärmerohr 20 und der Katalysatorlage 24 hervorgerufen. Die Querströmung um das mit Katalysator überzogene Rohr 14 herum ist effektiver gegenüber der Turbulenz, hervorgerufen durch die Nachströmung des Gasflusses um das Rohr herum, was somit die Wärmeübertragung erhöht.
Der in Fig. 3 gezeigte katalytische Patronenzersetzer 50 der Axialströmungsbauart weist eine zylindrische Patrone 52 auf, und zwar mit einer zylindrischen Innenwand 54 und einer konzentrischen Außenwand 64, wobei dazwischen ein Ringraum 66 definiert wird und eine Verbindung an den Endwänden 53 und 55 vorgesehen ict. Die Innenwand 54 umgibt die Kondensa-
zone
tor/ 56 des Wärmerohrs 50. Die Oberfläche der zylindrischen Wand 54 am Ringraum 66 ist mit einer Lage 62 des Katalysators überzogen. Der Verdampferabschnitt 60 des Wärmerohrs 5<3 ist gegenüber der Wärmequelle, wie beispielsweise einem
3H58U
Fusionsreaktor, einem Kernreaktor oder einem Solarkollektor, freigelegt. Das Wärmerohr 58 transportiert Wärme von der Wärmequelle durch die Isolationsv?and 61 zu der katalytischen Patrone 52. Die Zylinderwand 54 befindet sich in thermischem Kontakt mit der Kondensatorzone 56 des Wärmerohrs 58 oder ist von dem Wärmerohr durch einen schmalen Spalt 72 getrennt. Das Wärmerohr hält die katalytischen Lage 62 auf einer Temperatur von ungefähr 10700K. SO^-Prozeßgas strömt in den Ringraum 66 durch den Einlaß 68, angeordnet an einem Ende der Außenwand 64 und fließt axial durch die Patrone über die katalytische Oberfläche 62, wodurch die Zersetzungsreaktionen in SO2 + O2 hervorgerufen werden, wobei diese Gase aus der Patrone 52 durch den Auslaß 70 am entgegengesetzten Ende der Außenwand .64 abgeführt werden. Die Oberfläche der Außenwand 64 des Ringraums kann ebenfalls mit einem Katalysator ebenso wie die Innenwand 54 überzogen sein. Die SO^-Gasströmung erfolgt vorzugsweise vom Ende der Wärmerohrkondensatorzone 56 zu der Verdampferzone 60 hin, so daß das gegenströmende Gas unter den heißesten Bedingungen austritt, wodurch man die höchste Umwandlung erhält.
Wenn die Wärmequelle ein Fusionsreaktor ist, der radioaktives Tritium enthält, so ist das Wärmerohr 58 ein Tritium konzentrierendes Wärmerohr mit einem für Tritium permeablern Fenster 74, wie beispielsweise einem Niob-Fenster, und zwar am Ende der Kondensatorzone 56. Wenn die Wärmequelle radioaktives Tritium enthält, so sieht die Patronenkonstruktion einen schmalen Spalt 72 zwischen der Wand 54 und dem Wärmerohr 58 vor, und man läßt Heliumgas durch das Rohr strömen, um Tritium durch die Öffnung 76 in der Endwand 53 herauszuspülen. Die Wärmerohrtechnologie und das Tritium konzentrierende Wärmerohr sind in der folgenden Literaturstelle beschrieben: UCRL-50510, "Concept for a Gas-Buffered Annular Heat Pipe Fuel Irradiation Capsule",
J.D.Lee und R.W.Werner, Lawrence Livermore National Laboratory, 1968, und UClD-15390, "Ten Generation and Recovery of Tritium in Thermonuclear Reactor Blankets", R.W.Werner, Lawrence Livermore National Laboratory, 1968.
Bei den beiden Patronenkonstruktionen hat die Dichte der katalytischen Oberfläche zum Wärmerohr einen hohen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung zum Katalysator mit einem geringen Temperaturgradienten zur Folge. Die katalytische Oberfläche wird auf einer Temperatur von ungefähr 10700K durch das Wärmerohr gehalten, um die SO,-Zersetzungsreaktionen mit hohem Umwandlungswirkungsgrad hervorzurufen. Der Katalysator ist ein Schwermetalloxid, wie beispielsweise CuO oder FepO·,, oder aber ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin, und zwar als Überzug auf Aluminiumoxid, Zeolit, Siliciumoxid oder anderen Substraten. Die Substrate, die am häufigsten Keramikmaterialien sind, können auf der Oberfläche abgeschieden werden, aber ein thermischer Kontakt hoher Qualität ist nicht erforderlich. Die katalytische Patrone wird vorzugsweise aus einer Metallegierung hergestellt, wie beispielsweise aluminisiertem Incoloy 800H, um dem korrodierenden SOp zu widerstehen. Der Katalysatorüberzug auf der Oberfläche ist ungefähr 250 Mikron dick. Da die Reaktionstiefe 250 Mikron beträgt, ist die Katalysatorlage vollständig aktiv.
Das Wärmerohr ist typischerweise 1 cm im Durchmesser und besitzt eine Kondensationszone von 2 m Länge. Das Wärmerohr kann aus Incoloy 800H mit einer Wandstärke von 1/2 mm bis 1 mm hergestellt sein. Das Wärmerohr würde bei ungefähr 11200K arbeiten, wenn sich die mit Katalysator überzogene Wand in thermischem Kontakt mit dem Wärmerohr befindet. Der ringförmige Spalt für die Heliumgasströmung beträgt 1/2 mm und führt einen Temperaturabfall von unge-
314584A
fähr 70°K ein, was durch Verwendung eines genuteten Durchlasses für das Heliumgas anstelle eines Ringspaltes vermindert werden könnte. Die Heliumgasspülung kann mit niedrigem Druck und niedriger Geschwindigkeit erfolgen, und zwar unterhalb 0,1 m/s und 0,01 atm. Mit dem zusätzlichen Temperaturabfall am Spalt würde das Wärmerohr bei ungefähr 119O0K arbeiten. Der SO,-Prozeßstrom tritt in die katalytische Patrone bei 10500K ein, so daß der Zersetzer nicht die Eigenwärme zur Anhebung des SO, von 8000K auf 10500K liefern muß. Ein Vorerhitzer mit einem ähnlichen Aufbau, wie die katalytische Patrone, aber ohne katalytische Oberflächen, könnte zur Vorerhitzung des SO^ verwendet werden. Eine kombinierte Einheit könnte benutzt werden, bei der die Wärmerohrtemperatur höher läge, um gleichzeitig die Eigenwärme und die endotherme Reaktionswärme zu liefern. In einer thermochemischen Anlage könnte eine Modularanordnung aus katalytischen Patronen und Wärmerohren Verwendung finden.
Abwandlungen liegen im Rahmen der Erfindung. 25
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Eine katalytische Patrone ungibt ein von einer Wärmequelle betriebenes Wärmerohr zur Verwendung als SO^-Zersetzer für die thermochemische Wasserstofferzeugung. Die Patrone hat zwei Ausführungsbeispiele, und zwar eine Querströmungspatrone und eine Axialströmungspatrone. In der Querströmungspatrone strömt SO,-Gas durch eine Kammer und trifft senkrecht auf ein mit Katalysator überzogenes Rohr auf, welches sich durch die Kammer hindurch erstreckt, wobei das mit Katalysator überzogene Rohr das Wärmerohr umgibt. Bei der Patrone der Axialströmungsbauart fließt das SO-^-Gas durch den Ringraum zwischen den konzentrischen Innen- und
3U584A
5 Außenwänden, wobei die zylindrische Innenwand mit einem Katalysator überzogen ist und das Wärmerohr umgibt. Der modular aufgebaute Patronenzersetzer liefert einen hohen thermischen Wirkungsgrad, einen hohen Umwandlungswirkungs grad und eine erhöhte ,Sicherheit. 10
Leerseite

Claims (7)

Ansprüche:
1. Vorrichtung zur thermochemischen Erzeugung von Wasserstoff mit einer katalysatorüberzogenen SO,-Zersetzerpatrone mit einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung für das Hindurchströmen von SOT-Gas und mit einem Wärmerohr, welches durch eine Wärmequelle betrieben wird, um Wärme in die Patrone zur Erhitzung des Katalysators zu übertragen,
dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Patrone das Wärmerohr umgibt, wobei sich das Wärmerohr in die Patrone durch eine Wand derselben hinein erstreckt, und zwar in thermische Nähe zum Katalysator.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Patrone eine Kammer aufweist, in der ein zylindrisches Rohr angeordnet ist, welches sich von einer Wand der Kammer zu einer entgegengesetzten Wand der Kammer erstreckt, und wobei das Rohr mit dem Katalysator überzogen ist, und wobei ferner das Wärmerohr sich in das erwähnte Rohr in thermische Nähe mit diesem hinein erstreckt, wobei schließlich in entgegengesetzten Wänden der Kammer und an entgegengesetzten Seiten des Rohrs eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung vorgesehen sind, ν/ο durch SO^,-Gar; in die Kammer einströmen kann, und zwar in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zum Rohr über den erwähnten Katalysator.
3« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Patrone ein Paar von konzentrischen zylindri.-schen Rohren aufweist, die sich zwischen entgegenge-
- yt-h
setzten Wänden der Patrone erstrecken und einen Ringraum zwischen den Rohren definieren, wobei die Außenwand des Innenrohres mit dem Katalytor überzogen ist, und wobei ferner das Wärmerohr sich in das innere zylindrische Rohr in thermischer Nähe zu diesem hinein erstreckt, und wobei der Einlaß und der Auslaß an den entgegengesetzten Enden der äußeren zylindrischen Wand vorgesehen sind, wodurch SO,-Gas durch den erwähnten Ringraum in Axialrichtung strömen kann, und zwar axial bezüglich der zylindrischen Rohre längs des Katalysators.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Platin ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator CuO ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator FepO, ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr ein Tritium konzentrierendes Wärmerohr ist, und zwar betrieben durch einen Fusionsreaktor.
3. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohr, in welches sich das Wärmerohr hineinerstreckt, von dem Wärmerohr durch einen schmalen Ringspalt getrennt ist, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um Heliumgas durch den schmalen Ringraum strömen zu lassen, um eingedrungenes Tritium herauszuspülen.
DE19813145844 1980-11-18 1981-11-19 Katalytischer so3-zersetzer Withdrawn DE3145844A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/208,218 US4331632A (en) 1980-11-18 1980-11-18 Catalytic cartridge SO3 decomposer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE3145844A1 true DE3145844A1 (de) 1982-06-16

Family

ID=22773721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19813145844 Withdrawn DE3145844A1 (de) 1980-11-18 1981-11-19 Katalytischer so3-zersetzer

Country Status (7)

Country Link
US (1) US4331632A (de)
JP (1) JPS57129808A (de)
CA (1) CA1160021A (de)
DE (1) DE3145844A1 (de)
FR (1) FR2494256B1 (de)
GB (1) GB2087748B (de)
IT (1) IT1144939B (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5833094A (ja) * 1981-07-22 1983-02-26 Gadelius Kk ヒ−トパイプ熱交換器
US4805881A (en) * 1987-05-28 1989-02-21 Gas Research Institute Internal gas generator for heat treating furnace
US5267608A (en) * 1992-07-27 1993-12-07 General Electric Company Heat exchanger and reactor for aircraft and propulsion systems
US7211180B2 (en) * 2003-02-10 2007-05-01 Robert Bosch Corporation Contamination-resistant gas sensor element
US20090101502A1 (en) * 2003-02-10 2009-04-23 Robert Bosch Gmbh Thermal Shock Resistant Gas Sensor Element
US8906214B2 (en) * 2003-02-10 2014-12-09 Robert Bosch Gmbh Contamination-resistant gas sensor element
JP2008069053A (ja) * 2006-09-15 2008-03-27 Japan Atomic Energy Agency 硫酸分解及びｓｏ３分解機能を有するミスト蒸発利用型熱交換器
KR100857240B1 (ko) * 2006-11-29 2008-09-05 한국원자력연구원 원자력 수소 생산용 삼산화황 분해 방법 및 장치
CN101687658B (zh) * 2007-05-14 2013-07-24 因温斯特技术公司 高效反应器和方法
US9297791B2 (en) 2012-12-20 2016-03-29 Robert Bosch Gmbh Gas sensor with thermal shock protection

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2281762A (en) * 1939-11-15 1942-05-05 Du Pont Process of producing sulphur trioxide and oxygen
US2648599A (en) * 1949-03-22 1953-08-11 Petro Chem Process Company Inc Heat control in vertical furnace by flue gas recirculation
US2910350A (en) * 1953-02-23 1959-10-27 Azote & Prod Chim Apparatus for equalizing the temperature inside exothermic reaction chambers
FR1152745A (fr) * 1955-05-10 1958-02-24 Oxy Catalyst Appareil de traitement de gaz
US3271326A (en) * 1963-07-22 1966-09-06 Albert J Forney Flame spraying of catalytically active pulverized metal oxides on supports
US3206334A (en) * 1965-02-15 1965-09-14 Prototech Inc Catalytic and electrochemical cell structures
GB1199683A (en) * 1967-03-08 1970-07-22 Inst Neftechimicheskogo Sintez A process for Dehydrogenation, Dehydrocyclization or Hydrodealkylation of Hydrocarbons
US3607131A (en) * 1969-02-05 1971-09-21 Us Navy Catalytic air purifier
US3656913A (en) * 1970-01-27 1972-04-18 Selas Corp Of America Catalytic reactor
DE2343495A1 (de) * 1973-08-29 1975-03-27 Werner & Pfleiderer Vorrichtung zur reinigung von abgasen durch nachverbrennung
GB1575444A (en) * 1976-02-25 1980-09-24 Westinghouse Electric Corp Producing sulphur dioxide and oxygen from sulphur trioxide
US4089939A (en) * 1977-02-25 1978-05-16 General Atomic Company Process for the production of hydrogen from water
US4244937A (en) * 1979-07-30 1981-01-13 Texaco Inc. Sulfur dioxide oxidation catalyst and process

Also Published As

Publication number Publication date
CA1160021A (en) 1984-01-10
IT1144939B (it) 1986-10-29
JPS57129808A (en) 1982-08-12
US4331632A (en) 1982-05-25
GB2087748B (en) 1984-07-18
FR2494256A1 (fr) 1982-05-21
IT8125148A0 (it) 1981-11-17
GB2087748A (en) 1982-06-03
FR2494256B1 (fr) 1986-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2758131A1 (de) Austauscherreaktor
DE19754185C1 (de) Reaktor für die katalytische Umsetzung von Reaktionsmedien, insbesondere von gasförmigen Reaktionsmedien
DE3145844A1 (de) Katalytischer so3-zersetzer
DE2709621B2 (de) Dampf-Reformierreaktor
US4351806A (en) Catalytic cartridge SO3 decomposer
DE2209119A1 (de) Wärmetauscher
CN109354151B (zh) 一种处理放射性有机废液的超临界水氧化反应系统
EP1046174B1 (de) Vorrichtung zur katalytischen umsetzung von wasserstoff
DE10108380A1 (de) Reaktor zur Durchführung von katalysierten Reaktionen
DE2631884A1 (de) Dampf-kohlenwasserstoff-reformiereinrichtung
WO2000015550A1 (de) Verfahren zur durchführung von gas-flüssig-reaktionen und durchflussreaktor hierfür
DE1131702B (de) Mit fluessigem Metall beheizter Waermeaustauscher, insbesondere Dampferzeuger
JPH06222193A (ja) 原子炉
DE2226697A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur wasserstoff-sauerstoff-kombination
US5773096A (en) Method of catalyst preparation by high-temperature hydrothermal incorporation of noble metals onto surfaces and matrices
EP1031373B1 (de) Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Gasgemischen und Verfahren zur Benutzung des Reaktors
CH631637A5 (en) Catalytic reactor plant
EP1608723B1 (de) Verwendung eines abhitzekessels
DE2263498A1 (de) Verfahren zur kontinuierlichen herstellung sauerstoffhaltiger verbindungen
Galloway et al. Catalytic cartridge SO 3 decomposer
DE2449190C2 (de) Prozeßwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren
DE19951664A1 (de) Vorrichtung zur Beseitigung von Wasserstoff aus Gasgemischen in durchströmten Rohrleitungen
DE2046548A1 (de) Wärmetauscher fur natnumgekuhlte Kernreaktoren
DE3218972A1 (de) System zur thermochemischen wasserstoffherstellung
AT254142B (de) Einrichtung zur Durchführung exothermischer katalytischer Hochdrucksynthesen von Gasen, wie z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee