Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen von
Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 44 26 692 C1 ist eine zweistufige Verdampfereinheit
in Form eines Plattenwäremtauschers bekannt, bei dem sich
Platten mit Verdampferräumen und Wärmeträgerräumen abwechseln.
In die Wärmeträgerräume wird die benötigte Verdampfungswärme
mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, beispielsweise eines heißen
Thermoöls, eingebracht. Weiterhin ist es bekannt, die Wärme
direkt in den Wärmeträgerräumen durch eine katalytische
Umsetzung eines Brennmittels zu erzeugen.
Weiterhin ist aus der DE 197 20 294 C1 ein Reformierungsreaktor
mit einem vorgeschalteten, gattungsgernäßen Verdampfer bekannt.
Der Reaktor umfaßt einen an die Reaktionszone flächig
angrenzenden Verdampfungskörper mit poröser, wärmeleitfähiger
Struktur zur Bereitstellung des zu reformierenden Gasgemisches
durch Vermischung und Verdampfung der ihm zugeführten
Gasgemischkomponenten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen hinsichtlich Masse,
Volumen, Dynamik und thermischer Beanspruchung verbesserten
Verdampfer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Ausbildung eines Verdampfers in Form eines porösen,
überströmten und direkt katalytisch beheizten Verdampfungskörpers
zeigt im Hinblick auf Masse, Volumen und Kosten
erhebliche Vorteile. So kann auf die Ausbildung zusätzlicher
Räume für die Bereitstellung der notwendigen Verdampfungsenergie
vollständig verzichtet werden. Die Ausbildung als
überströmte flächige Schicht ermöglicht die Integration des
Verdampfers in bekannte Plattenreaktoren. Der poröse Körper
bildet eine hohe benetzbare Oberfläche, die einen guten
Wärmeeintrag in die Flüssigkeit gewährleistet. Wegen der
porösen Struktur sind die auftretenden mechanischen Spannungen
beim Verdampfen geringer als beispielsweise bei einem ebenen
massiven Blech.
Die vertikale Anordnung der Oberflächen und das Einbringen der
zu verdampfenden Flüssigkeit im oberen Bereich des Verdampfungskörpers
weist den Vorteil auf, daß die Schwerkraft zur
Verteilung der zu verdampfenden Flüssigkeit innerhalb des
Verdampfungskörpers genutzt werden kann. Die Aufteilung des
Verdampfungskörpers in eine obere Verdampfungsschicht und eine
untere Heizschicht weist den Vorteil auf, daß sich die Poren
des Katalysatormaterials nicht mit Flüssigkeit füllen können,
was zu einer Beeinträchtigung der Funktion führen würde.
Weiter Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist
nachstehend anhand einer Prinzipzeichung näher beschrieben,
wobei
- Fig. 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verdampfers,
- Fig. 2
- ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verdampfers unter Ausnützung der Schwerkraft, und
- Fig. 3
- ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verdampfers mit einem in eine Verdampfungsschicht und
eine Heizschicht aufgeteilten Verdampfungskörper zeigt.
Die insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Verdampfen von
Flüssigkeiten, im folgenden kurz Verdampfer genannt, enthält
einen porösen, wärmeleitfähigen Verdampfungskörper 2. Zumindest
eine Oberfläche 3 des Verdampfungskörpers 2 wird von einem gasförmigen
Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft oder Sauerstoff,
überströmt. Auf der der Oberfläche 3 gegenüberliegenden Oberfläche
weist der Verdampfungskörper 2 eine gasundurchlässige
Schicht 4 auf. Weiterhin enthält der Verdampfungskörper 2 ein
schematisch als Punkte dargestelltes Katalysatormaterial 5. Die
zu verdampfende Flüssigkeit wird der Oberfläche 3 des Verdampfungskörpers
2 zugeführt. Die notwendige Verdampfungsenergie
wird durch eine exotherme Reaktion eines Brennmittels
mit dem in den Verdampfungskörper 2 eindiffundierenden
Oxidationsmittel an dem darin enthaltenen Katalysatormaterial 5
bereitgestellt. Bei dem Brennmittel kann es sich dabei um die
zu verdampfende Flüssigkeit selbst handeln. Alternativ kann
jedoch auch ein zusätzliches Brennmittel zugeführt werden, und
zwar sowohl in flüssiger als auch teilweise oder vollständig in
gasförmiger Form. Da der Verdampfungskörper 2 auf der der
Oberfläche 3 gegenüberliegenden Oberfläche eine
gasundurchlässige Schicht 4 aufweist, strömt das entstehende
Gas zurück in das den Verdampfungskörper 2 überströmende
Oxidationsmittel und wird zusammen mit diesem aus dem
Verdampfer 1 abgeführt.
Vorzugsweise weist der Verdampfungskörper 2 Makroporen mit
einer Größe im Bereich von 0,1 bis 10 µm auf. Er kann vorzugsweise
durch Verpressen von Katalysatormaterial 5 in eine dünne
und großflächige, stark komprimierte Schicht hergestellt
werden. Um dem Katalysatormaterial 5 eine bessere mechanische
Stabilität beziehungsweise eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit
zu verleihen, kann das Katalysatormaterial 5 in eine Trägerstruktur
verpreßt werden. Bei dieser Trägerstruktur handelt es
sich vorzugsweise um eine netzartige Matrix, die durch Vermischen
des Katalysatormaterials 5 mit einem Metallpulver und
anschließendem Verpressen dieses Gemisches hergestellt werden
kann. Die Herstellung eines solchen porösen, Katalysatormaterial
enthaltenden Körpers ist beispielsweise aus der
DE-A-19743673 bekannt.
Der poröse Verdampfungskörper 2 bildet eine hohe benetzbare
Oberfläche, die einen guten Wärmeeintrag in die Flüssigkeit
gewährleistet. Wegen der porösen Struktur sind die auftretenden
mechanischen Spannungen beim Verdampfen geringer als beispielsweise
in einem ebenen massiven Blech.
Die zu verdampfende Flüssigkeit kann an einer beliebigen Stelle
in den Verdampfer 1 eingebracht werden. Alternativ ist es auch
möglich, die Flüssigkeit bereits in den Oxidationsmittelstrom
stromauf des Verdampfers 1 einzubringen. Vorzugsweise wird die
zu verdampfende Flüssigkeit mit Hilfe einer Einspritzdüse auf
die Oberfläche 3 des Verdampfungskörpers 2 gesprüht. In der
Zeichnung ist nur das Prinzip des Verdampfers 1 dargestellt. Es
liegt jedoch im Bereich des fachmännischen Könnens, ein
geeignetes Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für die Medien
vorzusehen. Weiterhin ist es auch möglich, aus mehreren Verdampfungskörpern
2 eine Stapelanordnung zu bilden, wie es
allgemein aus der Reaktortechnik und speziell für gepreßte
Katalysatorscheiben aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 198 32 625.4 der Anmelderin bekannt ist. Weiterhin
ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Verdampfungskörper 2
mit anderen gepreßten Katalysatorschichten, welche zur Durchführung
anderer katalytischer Reaktionen geeignet sind, zu
einem Gesamtsystem in Form eines Plattenreaktors zu verbinden.
Ein solches Gesamtsystem stellt beispielsweise ein Gaserzeugungssystem
für Brennstoffzellenanlagen dar, bei dem aus
einem wasserstoffhaltigen Rohkraftstoff ein wasserstoffreiches
Gas für den Einsatz in Brennstoffzellen erzeugt wird. Insbesondere
bei mobilen Anwendungen werden hohe Anforderungen in
Bezug auf Masse, Volumen, Kosten und Dynamik gestellt. Diese
Anforderungen können durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer
in verbessertem Umfang erfüllt werden.
Die Funktion des beschriebenen Verdampfers 1 kann vorteilhafterweise
durch die Ausnützung der Schwerkraft verbessert
werden. Die zugeführte Flüssigkeit wird nämlich bei der in Fig.
1 dargestellten Anordnung durch die Schwerkraft von der Oberfläche
3 her kommend in den Verdampfungskörper 2 geführt. Das
dort entstehende heiße und damit leichtere Gas strömt dann entgegen
der Schwerkraft in Richtung der Oberfläche 3 und überträgt
hierbei bereits Wärmeenergie auf die einströmende
Flüssigkeit.
Eine noch verbesserte Ausnützung der Schwerkraft ist mit der in
Fig. 2 gezeigten Anordnung möglich. Hierbei erstrecken sich die
Oberfläche 3 und die gasundurchlässige Schicht 4 in einer
Betriebsposition des Verdampfers 1 in vertikaler Richtung. Auch
das gasförmige Oxidationsmittel wird in vertikaler Richtung von
oben nach unten geführt. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird
ebenfalls im oberen Bereich auf die Oberflächenseite 4 aufgebracht.
Dies hat zur Folge, daß die noch nicht verdampften
Flüssigkeitsanteile durch die Schwerkraft innerhalb des Verdampfungskörpers
2 nach unten geführt werden. Der effektive
Laufweg der zu verdampfenden Flüssigkeit innerhalb des Verdampfungskörpers
2 wird dadurch verlängert. Das beim Verdampfen
entstehende Gas tritt wiederum aus der Oberfläche 3 aus, mischt
sich mit dem Oxidationsmittelstrom und wird zusammen mit diesem
aus dem Verdampfer 1 abgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3.
Hierbei ist nicht der gesamte Verdampfungskörper 2 mit Katalysatormaterial
5 versehen, sonder der Verdampfungskörper 2 ist
in zwei Schichten 2a und 2b aufgeteilt. Beide Schichten 2a, 2b
sind porös ausgebildet. Die der Oberfläche 3 benachbarte und
als Verdampfungsschicht ausgebildete Schicht 2a weist jedoch im
Gegensatz zu der der gasundurchlässigen Schicht 4 benachbarten
Schicht 2b kein Katalysatormaterial 5 auf. Die Schicht 2b dient
hierbei als katalytische Heizschicht, in der das Oxidationsmittel
und das Brennmittel zur Erzeugung der benötigten Wärmeenergie
umgesetzt wird. Die Wärme wird dann zum einen durch
Wärmeleitung von der Heizschciht 2b auf die benachbarte
Verdampfungsschicht 2a übertragen. Zum anderen steht auch das
aus der Heizschicht 2b ausströmende umgesetzte Gas in Wärmeaustausch
mit der zugeführten Flüssigkeit beziehungsweise zum
zusätzlichen Brennmittel und trägt somit ebenfalls zur Erwärmung
beziehungsweise Verdampfung bei. Durch die Aufteilung
des Verdampfungskörpers 2 in zwei Schichten 2a, 2b wird verhindert,
daß sich die Poren des Katalysatormaterials 5 mit
Flüssigkeit füllen und somit die Funktion beeinträchtigt wird.
In diesem Fall treten nämlich durch die in Strömungsrichtung
vorgelagerte Verdampfung im wesentlichen nur gasförmige Medien
in die Heizschicht 2b ein.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Verdampfer ist der Einsatz in einem Gaserzeugungssystem für
mobile Brennstofzellenanlagen. In einem solchen Gaserzeugungssystem
wird, wie bereits weiter oben dargestellt, aus einem
wasserstoffhaltigen Rohkraftstoff ein wasserstoffreiches Gas
für den Einsatz in Brennstoffzellen erzeugt. In diesem Fall
wird dem Verdampfer 1 als Oxidationsmittel Sauerstoff, vorzugsweise
in Form von Umgebungsluft, zugeführt. Als wasserstoffhaltiger
Rohkraftstoff wird vorzugsweise Methanol eingesetzt.
Es können jedoch auch beliebige andere Kraftstoffe, insbesondere
Kohlenwasserstoffe verwendet werden. In diesem Falle
kann die zu verdampfende Flüssigkeit gleichzeitig auch als
Brennmittel für den Verdampfer 1 verwendet werden. Das verdampfte
Methanol und die Luft treten aus dem Verdampfer 1 aus
und werden in einer nachfolgenden Reformierungsstufe durch eine
partielle Oxidationsreaktion zu einem wasserstoffreichen Gas
umgesetzt. Weiterhin ist es möglich, anstelle des Methanols
auch ein Wasser/Methanolgemisch zu verwenden. In diesem Falle
kann in der nachfolgenden Reformierungsstufe eine autotherme
Reformierung durchgeführt werden. Selbstverständlich ist es
auch möglich, separate Verdampfer 1 für das Methanol und das
Wasser vorzusehen und die austretenden gasförmigen Medien erst
anschließend zu mischen. In diesem Falle müßte jedoch in den
Verdampfer 1 für das Wasser ein zusätzliches Brennmittel zur
Erzeugung der benötigten Verdampfungswärme zugegeben werden.