KR20210132637A - 매질 혼합물을 분리하기 위한 방법 및 분리 장치, 그리고 수소를 제공하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

매질 혼합물을 분리하기 위한 방법 및 분리 장치, 그리고 수소를 제공하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 매질 혼합물을 분리하기 위한 공정은: 제 1 매질 및 제 2 매질을 포함하는 매질 혼합물 -제 1 매질은 수소 기체이고 제 2 매질은 적어도 부분적으로 증기성 수소 운반체 매질임- 을 분리 장치(4)의 제 1 열 교환기 섹션(5)에 공급하는 단계; 수소 운반체 매질인 열 교환기 매질을 분리 장치(4)의 제 1 열 교환기 섹션(5)에 공급하는 단계; 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로 열을 전달함으로써, 열 교환기 매질을 가열하고, 제 1 매질을 냉각시키며, 제 2 매질을 적어도 부분적으로 응축시키는 단계; 응축된 제 2 매질을 제 1 기상 매질로부터 분리하는 공정 단계를 포함한다.

Description

매질 혼합물을 분리하기 위한 공정 및 분리 장치
본 특허 출원은 독일 특허 출원 DE 10 2019 202 657.5의 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명은 매질 혼합물을 분리하기 위한 방법 및 분리 장치, 그리고 수소를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
예를 들어 수소 운반체 매질의 탈수소화와 같은 화학적 공정에서, 복수의 매질, 특히 서로 다른 매질 및/또는 서로 다른 상태의 물질 내의 매질을 포함하는 매질 혼합물이 형성된다. 매질의 핸들링 및 추가적인 사용은 매질 혼합물 내의 매질의 분리를 필요로 한다.
US 5,180,560 A는 액체 수소화물을 탈수소화하기 위한 디바이스를 개시한다.
본 발명의 목적은 특히 경제적으로 적절한 조건 하에서의 분리가 가능하도록 매질 혼합물의 분리를 보다 효율적으로 수행하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항, 제 7 항, 제 9 항 및 제 14 항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 본질은 매질 혼합물의 분리를 위해 열 전달 또한 발생한다는 것이다. 특히, 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로의 열 전달이 발생한다. 본 발명에 따르면, 그 결과 매질 혼합물 내의 매질의 분리가 개선된 방식으로 가능함이 밝혀졌다. 매질 혼합물은 제 1 매질 및 제 2 매질을 포함한다. 제 1 매질은 수소 기체이다. 제 2 매질은 적어도 부분적으로 증기이다. "증기성"은 특히 제 2 매질이 응축의 결과로서 액체를 제공하기 위해 응축될 수 있는 증발된 액체임을 의미한다. 제 2 매질은 수소 운반체 매질, 특히 액체 유기 수소 운반체 매질이며, 이는 또한 액체 유기 수소 운반체(LOHC)로도 지칭된다. 특히 제 2 매질은 LOHC 증기 및/또는 동반된 LOHC 드롭릿을 포함한다. 특히, LOHC는 가역적으로 수소가 로드되고 다시 수소가 언로드될 수 있다. LOHC의 물리화학적 성질은 기존의 액체 연료와 매우 유사하며, 즉 운송용 펌프 및 탱커와 연료 물류 부문으로부터의 LOHC의 저장을 위한 컨테이너가 사용될 수 있다. 유기 액체의 화학적으로 결합된 형태로 수소를 저장하는 것은 뚜렷한 수소의 손실 없이 표준 조건 하에서 장기간에 걸쳐 비가압된 저장을 가능하게 한다. 알려진 LOHC는 촉매 수소화에서 각각의 포화된 지환족 화합물로 변환되는 적어도 하나의 π-전자 시스템을 갖는 방향족 화합물을 포함한다. LOHC의 예시는 순수 물질, 이성체 혼합물, 또는 이들 물질들의 혼합물과 같은 디벤질톨루엔 및 벤질톨루엔이다. LOHC는 또한 수소화에 의해 질소 또는 산소와 같은 헤테로원자를 함유하는 각각의 포화된, 다환 화합물로 전환되는 적어도 하나의 π-전자 시스템을 갖는 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있다. 특히 LOHC는 N-에틸카르바졸, N-프로필카르바졸, N-이소프로필카르바졸, N-부틸카르바졸 또는 이들 물질들의 혼합물이다. 가능한 LOHC는 또한 수소화에 의해서 각각의 포화된 화합물로 변환되는 광범위한 π-공액 전자 시스템을 가진 올리고머 또는 폴리머이다. 수소의 방출을 위해서, 수소 운반체 매질, 즉 LOHC는 촉매의 존재하에 열을 공급함으로써 탈수소화되며, 이 LOHC는 언로드된 형태로 변환된다. LOHC의 언로드 중에, 수소는 촉매화된 탈수소화 반응을 통해 유기 분자로부터 또는 유기 분자 혼합물로부터 방출된다. 이것은 수소의 방출이 촉매화된 탈수소화 반응에 의해 반응 용기에서 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질의 물리적 변형을 통해서 실현되었음을 의미한다.
열 교환기 매질은 수소 운반체 매질, 특히 액체 유기 수소 운반체 매질 (LOHC)이다.
특히, 제 2 매질 및 열 교환기 매질에 사용되는 수소 운반체 매질은 동일하다. "동일"이란 제 2 매질과 열 교환기 매질에 사용되는 물질 시스템이 동일함을 의미한다. "동일"은 제 2 매질이 로드에 의해, 즉 수소화에 의해 적어도 부분적으로 로드된 상태에서 수소 운반체 매질로 전환될 수 있는 적어도 부분적으로 언로드된 상태의 수소 운반체 매질임을 의미한다. 이러한 적어도 부분적으로 로드된 상태에서, 수소 운반체 매질은 열 교환기 매질이다. "동일"은 또한 특히 수소 운반체 매질의 수소화 정도 라고도 불리는 로드 정도가 제 2 매질 및 열 교환기 매질에 대해 서로 다를 수 있음을 의미한다.
제 2 매질은 특히 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질 (LOHC-)이다. 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질의 로드 정도는 특히 최대 50%, 특히 최대 40%, 특히 최대 30%, 특히 최대 20%, 그리고 특히 최대 10%이다.
열 교환기 매질은 특히 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)이다. 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)의 로드 정도는 적어도 50%, 특히 적어도 60%, 특히 적어도 70%, 특히 적어도 80%, 그리고 특히 적어도 90%이다. 열 운반체 매질은 특히 액체이다.
매질 혼합물 및 열 교환기 매질은 분리 장치의 제 1 열 교환기 섹션으로 공급된다. 열은 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로 전달된다. 그 결과, 열 교환기 매질이 가열되고 제 1 매질이 냉각된다. 제 2 매질은 열의 전달에 의해 냉각될 수 있으며 그 결과 적어도 부분적으로 응축될 수 있다. 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로의 열 전달은 특히 분리 장치에서 발생한다. 특히, 제 2 매질의 적어도 부분적인 응축은 분리 장치에서 일어난다. 특히, 분리 장치에서 제 2 매질의 완전한 응축이 일어난다. 특히 응축물은 냉각될 수 있다. 제 2 매질이 분리된 후, 제 1 매질은 특히 분리 장치로부터 배출된다. 응축된 제 2 매질은 분리 장치에서 제 1 기체상 매질로부터 분리된다. 응축된 제 2 매질 및 제 1 기체상 매질은 서로 따로따로 분리 장치로부터 배출된다. 응축된 수소 운반체 매질로부터 수소 기체를 분리하는 것은 분리 장치에서 확실하게 수행될 수 있다. 분리된 매질은 제 1 매질 배출 개구 및 제 2 매질 배출 개구를 통해 서로 따로따로 분리 장치로부터 배출될 수 있으며 특히 이들 개구에 연결된 라인에 의해 추가 용도로 전달될 수 있다.
매질 혼합물의 분리와 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로의 열 전달의 조합은 매질 혼합물의 개선된, 특히 보다 효율적인 분리를 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다. 필요한 공정 기술, 특히 분리 장치의 구현에 필요한 인프라구조가 단순화, 즉 감소된다. 선박 및 주변 구성요소 및 특히 파이프라인의 수가 감소된다. 이 방법을 수행하기 위해 필요한 에너지가 감소한다. 이는 방법을 수행할 때의 비용 절감을 발생시킨다. 분리 장치에 필요한 설치 공간이 감소된다. 이 방법은 감소된 실패율을 갖는다. 이러한 방법은 결함에 영향을 받지 않는 견고한 방식으로 수행될 수 있다.
청구범위 제 2 항에 따른 방법은 제 2 열 교환기 섹션에서의 열 전달을 위해 제 1 열 교환기 섹션에서 응축된 제 2 매질의 직접 사용을 가능하게 한다. 응축된 제 2 매질은 단순화된 방식으로 제 1 매질로부터 분리되어 분리 장치의 제 2 열 교환기 섹션으로 공급될 수 있다.
청구범위 제 3 항에 따른 방법은 열 교환기 매질의 2단계 가열을 가능하게 한다. 이 방법의 성능은 특히 효율적이다. 제 2 열 교환기 섹션에서 제 2 매질은 특히 대부분 그리고 특히 완전히 액체 상태이다.
청구범위 제 4 항에 따른 방법은 분리 장치의 방법 및 설계의 조밀한 성능을 가능하게 한다. 특히, 열 교환기 매질은 먼저 하나의 열 교환기 섹션에서 가열된 다음 다른 열 교환기 섹션으로 전달될 수 있다.
제 2 매질이 운반체 매질, 특히 수소 운반체 매질, 특히 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질인 방법은, 탈수소화 반응기로부터 매질 혼합물의 분리 방법의 결합을 가능하게 한다.
청구범위 제 5 항에 따른 방법은 분리 장치에서의 분리를 위해 탈수소화 반응기로부터 매질 혼합물을 사용하는 것을 가능하게 한다. 특히, 혼합물 공급 온도는 260℃ 초과, 특히 270℃ 초과, 특히 280℃ 초과, 그리고 특히 300℃ 초과이다. 추가로 또는 대안으로서, 이 방법은 열 교환기 매질에 대한 높은 열 흡수 용량을 가능하게 한다.
청구범위 제 6 항에 따른 방법은 분리 장치로부터 배출되는 제 1 매질의 유리한, 특히 직접적인 사용을 가능하게 한다. 이 방법은 추가로 또는 대안적으로 공정의 측면에서 특히 신뢰할 수 있는 제 2 매질의 직접적인 사용을 가능하게 한다. 특히, 분리 장치로부터의 제 2 매질은 저장 탱크로 직접 공급되어 일시적으로 저장될 수 있다. 제 2 매질 배출 온도는 특히 제 2 매질이 특히 추가 활성 냉각 없이 제품 탱크로 직접 전달되어 거기에 저장될 수 있을만큼 충분히 낮다.
청구범위 제 7 항에 따른 방법은 본 발명에 따른 분리 방법과 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질의 탈수소화의 직접적인 조합을 가능하게 하며, 여기서 수소 기체와 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질의 매질 혼합물이 분리 장치에서 분리된다.
청구범위 제 8 항에 따른 방법은 특히 경제적이다. 분리 장치에서 예열된 열 교환기 매질은 탈수소화를 위해 탈수소화 반응기로 직접 공급될 수 있다. 예열된, 특히 2회 예열된 열 교환기 매질은 제 1 열 교환기 섹션 또는 제 2 열 교환기 섹션으로부터 탈수소화 반응기로 유도될 수 있다. 이러한 방법에 대한 총 에너지 입력은 감소된다.
청구범위 제 9 항에 따른 분리 장치는 본질적으로 여기에서 참조되는 본 발명에 따른 분리 방법의 장점을 가진다. 분리 장치의 제 1 열 교환기 섹션에는 열 교환기 매질이 통과하는 열 교환기 매질 흐름 덕트가 제공된다. 특히, 열 교환기 매질 흐름 덕트는 열 교환기 매질이 통과하는 적어도 하나의 파이프를 갖는다. 특히 열 교환기 매질 흐름 덕트는 특히 격자 형태로 배치되고 열 교환기 매질이 통과하는 복수의 개별적인 파이프를 포함하는 파이프 다발을 갖는다.
분리 장치는 제 1 매질 배출 개구를 갖는다. 제 1 매질 배출 개구는 특히 제 1 열 교환기 섹션 하우징의 상부면 상에 배치된다. 분리된 수소 기체는 특히 중력에 반하여 제 1 매질 배출 개구를 통해 분리 장치로부터 자동으로 배출될 수 있다. 분리된 제 1 매질, 특히 분리된 수소 기체는 제 1 매질 배출 개구를 통해 분리 장치로부터 배출될 수 있다.
특히 분리 장치는 특히 제 1 열 교환기 섹션 하우징에 배치되는 제 2 매질 배출 개구를 갖는다. 제 2 매질 배출 개구는 특히 분리 장치의 하부면 상에 배치된다. 제 2 매질 배출 개구를 통해, 이미 액체 형태로 분리 장치에 공급된 응축된 제 2 매질 및/또는 액체 제 2 매질이 분리 장치로부터 배출될 수 있다. 제 2 매질은 특히 제 2 열 교환기 섹션에서 액체로서 열 운반체 매질의 추가 가열을 위해 작용할 수 있다. 이를 위해, 제 2 매질은 제 2 매질 공급 라인 및 제 2 매질 공급 개구를 통해 탈수소화 반응기로부터 직접 제 2 열 교환기 섹션으로 공급될 수 있다. 제 2 매질은 특히 중력의 결과로서 제 2 매질 배출 개구를 통해 액체로서 분리 장치로부터 배출될 수 있다.
청구범위 제 10 항에 따른 분리 장치에서, 제 1 열 교환기 섹션에서 응축된 제 2 매질은 복잡하지 않은 방식으로 제 1 열 교환기 섹션으로부터 제 2 열 교환기 섹션으로 즉시 직접 전달될 수 있다. 제 1 열 교환기 섹션이 제 2 열 교환기 섹션에 연결되는 것이 필수적이다. 특히, 제 1 열 교환기 섹션은 제 2 열 교환기 섹션에 정수압식으로 연결된다. 이것은 본질적으로 제 1 열 교환기 섹션과 제 2 열 교환기 섹션 사이에 압력 차이가 없음을 의미한다. 최대 압력차 Δp는 0.1 bar 미만, 특히 0.05 bar 미만, 특히 0.01 bar 미만이다.
매질 혼합물 흐름 덕트는 특히 열 교환기 매질 흐름 덕트와 제 1 열 교환기 섹션 하우징 사이의 제 1 중간 공간이다. 제 1 열 교환기 섹션 하우징은 특히 파이프 다발로서 설계된 열 교환기 매질 흐름 덕트와 함께 원통형 형태로 설계되었다.
청구범위 제 11 항에 따른 분리 장치는 제 1 열 교환기 섹션에서 매질 혼합물에 대해 더 높은 체류 시간을 가능하게 한다. 그 결과 방출 속도, 특히 매질 혼합물로부터 제 1 매질의 분리 속도가 증가된다.
특히, 적어도 하나의 제 1 흐름 편향 요소는 매질 혼합물 공급 개구와 제 1 매질 배출 개구 사이의 매질 혼합물 흐름 방향을 따라 매질 혼합물 흐름 덕트에 배치된다. 제 1 흐름 편향 요소는 매질 혼합물 흐름 덕트에서 매질 혼합물의 흐름 편향을 강제한다. 제 1 흐름 편향 요소는 특히 흐름 배플 플레이트로서 설계된다. 특히 복수의 제 1 흐름 편향 요소가 제공된다. 매질 혼합물 흐름 방향은 매질 혼합물 유입 개구 및 제 1 매질 배출 개구에 의해 정의된다. 특히, 매질 혼합물 흐름 방향은 분리 장치의 하우징 종축에 본질적으로 평행하게, 특히 평행하게 배향된다.
적어도 하나의 흐름 편향 요소는 특히 매질 혼합물의 구불구불한 흐름의 형태에서 특히 효과적인 흐름 편향을 가능하게 한다. 특히 복수의 흐름 편향 요소가 제공된다. 흐름 편향 요소는 특히 각각 동일하게 설계되며 매질 혼합물 흐름 덕트의 흐름 단면적의 최대 30%, 특히 최대 25%, 특히 최대 20%, 그리고 특히 최대 15%를 포함하는 관통 흐름 영역을 가진다. 개방 영역이 매질 혼합물 관통 흐름 덕트의 주변 영역에, 즉 제 1 열 교환기 섹션 하우징의 내부 벽에 인접한 영역에 배치되는 경우 유리하다. 개방 영역은 또한 안쪽을 향해, 그리고 특히 매질 혼합물 흐름 덕트의 중앙에 배치될 수 있다. 개방 영역이 매질 혼합물 흐름 덕트에서 매질 혼합물의 흐름 방향을 사전 결정하는 제 1 열 교환기 섹션 하우징의 종축을 따라 서로에 대해 오프셋 배치되는 것이 유리하다. 매질 혼합물 흐름 덕트를 따라 흐르는 매질 혼합물은 흐름 편향으로, 특히 수평으로 배향된 지그재그 또는 구불구불한 흐름으로 특히 강제된다.
청구범위 제 12 항에 따른 분리 장치는 제 2 열 교환기 섹션에서 효율적인 흐름 편향을 가능하게 한다. 특히, 액체인 제 2 매질은 개선된 열 전달을 위해 적어도 하나의 제 2 흐름 편향 요소를 통해 효율적으로 안내된다. 특히, 향상된 열 전달을 위해 추가로 개선된, 특히 구불구불한 흐름 편향을 가능하게 하는 복수의 제 2 흐름 편향 요소가 제공된다.
청구범위 제 13 항에 따른 분리 장치는 바람직한 구성상의 구현을 가능하게 한다.
청구범위 제 14 항에 따른 장치는 분리 장치로의 탈수소화 반응기의 바람직한 연결을 가능하게 한다. 특히, 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질을 탈수소화 반응기로부터 반응 장치로 공급하기 위해 복수의 매질 공급 라인이 제공될 수 있다. 특히, 매질 혼합물을 전달하기 위해 탈수소화 반응기를 제 1 열 교환기 섹션에 연결하는 제 1 매질 공급 라인 및 제 2 매질로서 액체 언로드된 수소 운반체 매질을 공급하기 위해 탈수소화 반응기를 제 2 열 교환기 섹션에 연결하는 제 2 매질 공급 라인이 제공된다.
청구범위 제 15 항에 따른 장치는 분리 장치에 열 교환기 매질을 안정적으로 공급할 수 있다.
제 2 열 교환기 섹션이 제 1 열 교환기 섹션 하우징에 통합되는 제 1 대안에 따르면, 분리 장치는 특히 조밀한 방식으로 설계된다.
제 2 열 교환기 섹션이 제 1 열 교환기 섹션 하우징에 연결된 제 2 열 교환기 섹션 하우징에 통합되는 제 2 대안에 따르면, 분리 단계 및 열 전달 공정의 개별 실행이 가능하다. 결과적으로 개별 단계들의 공정 체제가 단순화된다. 열 교환기 섹션 하우징은 적어도 하나의 제 2 매질 연결 라인과 함께 연결된다. 제 2 매질 연결 라인은 제 1 열 교환기 섹션에서 응축된 제 2 매질을 제 2 열 교환기 섹션으로 직접 공급할 수 있게 한다. 제 2 중간 연결 라인은 특히 드립-다운 채널로서 설계되었다. 특히 복수의 드립-다운 채널을 제공하는 것이 고려 가능하다.
본 발명의 유리한 구성, 추가적인 특성 및 구체적인 특징은 도면을 참조하여 2개의 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해진다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 제 1 예시적인 실시예에 따른 분리 장치를 갖는 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질을 탈수소화하기 위한 플랜트의 개략도,
도 2는 도 1에 따른 분리 장치를 통한 종방향 단면을 도시한 도면,
도 3은 도 2의 절단선 Ⅲ-Ⅲ을 따르는 단면도,
도 4는 결합된 흐름 편향 요소를 도시한 도면,
도 5는 열 교환기 섹션을 설명하기 위한 도 1에 따른 플랜트의 개략도,
도 6은 열 교환기 섹션의 연결이 수정된 제 2 예시적인 실시예에 따른 분리 장치의 도 5에 상응하는 모습을 도시한 도면,
도 7은 추가의 열 교환기 섹션을 갖는 제 3 예시적인 실시예에 따른 분리 장치의 도 5에 상응하는 모습을 도시한 도면,
도 8은 도 7에 따른 분리 장치의 세부사항의 개략도,
도 9는 제 4 예시적인 실시예에 따른 분리 장치의 도 1에 상응하는 모습을 도시한 도면이다.
아래에서 보다 상세히 설명되는 예시적인 실시예들의 개별적인 특징들은 또한 단독으로 취해질 수 있고, 발명을 구성하거나 본 발명의 주제의 일부를 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시되고 그 전체가 참조번호(1)로서 식별되는 플랜트는 수소, 특히 수소 기체를 제공하는 역할을 한다. 플랜트(1)는 매질 혼합물 라인(3)을 통해 분리 장치(4)에 연결된 탈수소화 반응기(2)를 포함한다.
분리 장치(4)는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)을 갖는 제 1 열 교환기 섹션(5)을 갖는다. 매질 혼합물 라인(3)이 연결된 매질 혼합물 공급 개구(7)는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 상에 배치된다. 매질 혼합물 라인(3)은 매질 공급 라인이다.
분리 장치(4)는 도시된 예시적인 실시예에 따라 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)에 통합된 제 2 열 교환기 섹션(8)을 더 포함한다. 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)은 직접 서로에 연결된다. 2개의 열 교환기 섹션(5, 8) 사이의 공간적 분리는 제공되지 않는다. 2개의 열 교환기 섹션(5, 8)은 서로에 유체 정역학적으로 연결된다.
분리 장치(4)는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 하우징 종축(9)이 본질적으로 수평으로 배향되는 방식으로 배치된다. 수평에 대한 경사각으로 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 배치가 원칙적으로 가능하며, 수평에 대한 경사각은 10°미만, 특히 5°미만이며 특히 1° 미만이다. 하우징 종축(9)은 특히 수평 배향된다.
제 2 열 교환기 섹션(8)은 수직 방향(10)에 대해 제 1 열 교환기 섹션(5) 아래에 배치된다. 제 1 열 교환기 섹션(5)은 관통 개구(55)를 통해 수직 방향(10)을 따라서 제 2 열 교환기 섹션(8)에 연결된다. 관통 개구(55)는 특히 하우징 종축(9)에 평행하게 배향된다. 관통 개구(55)는 제 1 열 교환기 섹션(5)과 제 2 열 교환기 섹션(8) 사이의 가상 분리 평면에 대응한다. 관통 개구(55)는 분리 평면의 영역에서 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 단면적에 대응한다. 관통 개구(55)는 특히 분리 평면에서 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 전체 단면적에 걸쳐 연장한다.
열 교환기 섹션(5, 8)의 영역에서, 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)은 하우징 종축(9)에 수직인 평면에서 원형인 단면적을 갖는다. 단면적은 서로 다른 단면 형태를 가질 수도 있다. 하우징 종축(9)에 평행한 방향에서, 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)의 단면적은 일정하다.
도 1의 우측에 도시된 분배 섹션(11) 및 그 반대편의 도 1의 좌측에 도시된 수집 섹션(12)은 열 교환기 섹션(5, 8)의 단부면에 배치된다. 분배 섹션(11) 및 수집 섹션(12)은 열 교환기 섹션(5, 8)의 대향하는 단부면에 각각 배치된다.
제 1 열 교환기 섹션(5) 상에는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 내의 제 1 매질 배출 개구(13)가 제공된다. 제 1 매질 활용 유닛(15)은 제 1 매질 배출 라인(14)을 통해 제 1 매질 배출 개구(13)에 연결된다. 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 매질 활용 유닛(15)은 연료 전지로서 설계되고 특히 수소 기체를 전기로 변환하는 역할을 한다. 제 1 매질 활용 유닛(15)은 연료 전지(15)에서 산화에 필요한 공기를 공급할 수 있도록 (도시되지 않은) 공기 공급 라인을 구비할 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 별도의 산소 공급이 제공될 수 있다. 연료 전지(15)는 특히 전력 그리드, 특히 측정 라인의 형태로 특히 전기 소비자에 전기적으로 연결된다. 연료 전지(15)는 연료 전지(15)에서 발생된 열을 방출하기 위해 (도시되지 않은) 열 교환기에 연결될 수 있다.
제 1 매질 활용 유닛(15)은 예를 들어 수소 기체 버너 또는 수소 기체 내연 기관으로서도 설계될 수 있다.
제 1 열 교환기 매질 공급 라인(17)을 통해 제 1 열 교환기 매질 저장 용기(18)에 연결된 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16)는 분배 섹션(11)의 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)에 배치된다.
제 1 분배기 유닛(19)은 분배 섹션(11)에 배치되고 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16)에 연결된다. 제 1 분배기 유닛(19)은 제 1 열 교환기 섹션(5) 내에 배치된 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)에 연결된다. 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)는 열 교환기 매질이 통과해 흐를 수 있는 복수의 제 1 열 교환기 파이프(21)를 포함한다. 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)는 파이프 다발로 설계된다. 제 1 열 교환기 파이프(21)는 서로 이격되어 배치된다. 제 1 열 교환기 파이프(21)는 각각 하우징 종축(9)에 평행하게 배향된다. 제 1 중간 공간(22)은 제 1 열 교환기 파이프(21) 사이에 형성된다. 제 1 중간 공간(22)은 매질 혼합물 공급 개구(7)에 연결된 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 형성한다. 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)는 매질 혼합물 흐름 덕트(23)로부터 공간적으로 분리되어있다. 매질 혼합물과 열 교환기 매질의 혼합은 배제된다.
제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20), 즉 제 1 열 교환기 파이프(21)에 연결된 제 1 수집 유닛(24)은 수집 섹션(12)에 배치된다. 제 1 수집 유닛(24)은 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 내의 수집 섹션(12) 상의 제 1 열 교환기 매질 배출 개구(25)에 연결된다. 제 1 열 교환기 매질 배출 개구(25)는 열 교환기 매질 중간 라인(26)을 통해 제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27)에 연결된다.
제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27)는 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(26) 아래의 분배 섹션(11) 내에 배치된다. 제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27)를 제 2 열 교환기 매질 흐름 덕트(29)에 연결하는 제 2 분배기 유닛(28)은 제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27)에 연결된다. 제 2 열 교환기 중간 흐름 덕트(29)는 복수의 제 2 열 교환기 파이프(30)를 갖는 파이프 다발로서 설계된다. 제 2 열 교환기 파이프(30)는 동일하게 설계되고, 제 2 열 교환기 섹션(8)에서 서로 이격되어 배치되며, 하우징 종축(9)에 평행하게 배향된다.
제 2 매질 흐름 덕트(32)를 형성하는 제 2 중간 공간(31)은 제 2 열 교환기 파이프(30) 사이에 형성된다.
제 2 매질 흐름 덕트(32)를 제 2 열 교환기 매질 배출 개구(34)에 연결하는 제 2 수집 유닛(33)은 제 1 수집 유닛(24) 아래의 수집 섹션(12) 내에 배치된다. 제 2 열 교환기 매질 배출 개구(34)는 제 2 열 교환기 매질 복귀 라인(35)을 통해 탈수소화 반응기(2)에 연결된다. 분리 장치(4)로부터의 열 교환기 매질이 일시적으로 저장되는 (도시되지 않은) 저장 용기는 제 2 열 교환기 매질 복귀 라인(35)을 따라 배치될 수 있다. 상응하게, 저장 용기는 열 교환기 매질 중간 라인(26)을 따라 배치될 수 있다.
탈수소화 반응기(2)는 제 2 매질 공급 라인(36)을 통해 제 2 매질 공급 개구(37)에 연결된다. 제 2 매질 공급 개구(37)는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 제 2 열 교환기 섹션(8) 상에 배치된다. 제 2 매질 공급 개구(37)는 제 2 매질 흐름 덕트(32)에 연결된다. 제 2 매질 공급 라인(36)은 예시의 목적으로 도 5에 도시되지 않았다.
제 2 열 교환기 섹션(8) 상에서, 제 2 매질 배출 개구(38)는 하우징 종축(9)을 따라 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 내에 배치되고 제 2 매질 공급 개구(37)로부터 이격된다. 제 2 매질 배출 개구(38)는 제 2 매질 흐름 덕트(32)에 연결된다. 제 2 매질 저장 용기(40)에 연결된 제 2 매질 배출 라인(39)은 제 2 매질 배출 개구(38)에 연결된다.
제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 상의 대향하는 단부면에 각각 배치된 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16) 및 제 1 열 교환기 매질 배출 개구(25)는 도 1에 따르면 우측에서 좌측으로 배향된 제 1 열 교환기 매질 흐름 방향(42)을 정의하며 하우징 종축(9)에 평행하게 이어진다.
이에 대응하게, 도 1에 따른 제 2 열 교환기 매질 흐름 방향(43)은 우측에서 좌측으로 향하고 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 상의 대향하는 단부면에 배치된 제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27) 및 제 2 열 교환기 매질 배출 개구(34)에 의해 정의된다. 제 1 열 교환기 매질 흐름 방향(32) 및 제 2 열 교환기 매질 흐름 방향(43)은 서로 평행하게 배향된다.
매질 혼합물 공급 개구(7) 및 제 1 매질 배출 개구(13)는 도 1에 따르면 본질적으로 좌측에서 우측으로 배향되고 특히 하우징 종축(9)에 평행하게 배향되는 매질 혼합물 흐름 방향(44)을 정의한다. 매질 혼합물 흐름 방향(44)은 제 1 열 교환기 매질 흐름 방향(42)에 반대로 배향된다. 제 1 열 교환기 섹션(5)은 역류 모드로 동작된다.
제 2 매질 흐름 방향(45)은 제 2 매질 공급 개구(37) 및 제 2 매질 배출 개구(38)에 의해 정의된다. 제 2 매질 흐름 방향(45)은 하우징 종축(9)에 본질적으로 평행하게 배향되고 도 1에 따르면 좌측에서 우측으로 향한다. 제 2 매질 흐름 방향(45)은 제 2 열 교환기 매질 흐름 방향(43)에 반대 방향을 향한다. 제 2 열 교환기 섹션(8)은 역류 모드로 동작된다.
제 1 열 교환기 섹션(5)은 기체 냉각기 및/또는 응축기로서 설계된다.
제 2 열 교환기 섹션(8)은 액체-액체 회복기로서 설계된다.
분리 장치(4), 특히 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
폐쇄 플레이트(41)는 열 교환기 섹션(5, 8) 상의 각각의 단부면에 배치된다. 폐쇄 플레이트(41)는 분배 섹션(1) 및 수집 섹션(12)으로부터 제 1 열 교환기 섹션(5) 내의 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 폐쇄하는 역할을 한다. 특히, 매질 혼합물 흐름 덕트(23) 및 제 2 매질 흐름 덕트(32)는 폐쇄 플레이트(41)에 의해서 폐쇄된다.
폐쇄 플레이트(41)는 각각 제 1 열 교환기 파이프(21) 및 제 2 열 교환기 파이프(30)가 통과하여 각 분배기 유닛(19, 28) 또는 각 수집 유닛(24, 33)에 연결되는 개구를 갖는다. 제 1 열 교환기 파이프(21) 및 제 2 열 교환기 파이프(30)는 각각 밀봉된 방식으로 폐쇄 플레이트(41)의 개구를 통과한다.
제 1 열 교환기 파이프(21) 및 제 2 열 교환기 파이프(30)는 폐쇄 플레이트(41)의 개구에서 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)에 확실하게 배치되고 유지된다.
도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)의 파이프 다발은 제 1 행 간격(z1) 및 제 1 열 간격(s1)을 갖는 규칙적인 격자에 배치된 31개의 제 1 열 교환기 파이프(21)를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에 따르면: s1 > z1, s1 = 1.2·z1이다. 제 1 열 간격은 수평 배향된다. 제 1 행 간격(z1)은 수직으로, 즉 수직 방향(10)을 따라서 배향된다.
제 1 열 교환기 파이프(21)는 외부 지름(da1) 및 벽 두께(w1)를 갖는다. 다음이 적용된다: da1 ≤ z1. da1 < s1, 특히 da1 < 0.9·s1, 그리고 특히 da1 < 0.8·s1이다. 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 열 교환기 파이프(21)의 제 1 외부 지름은 60mm이다.
제 2 매질 흐름 덕트(32)는 4mm의 제 2 외부 지름(da2)을 갖는 총 68개의 제 2 열 교환기 파이프(30)를 갖는다. 도시된 예시적인 실시예에 대한 제 2 벽 두께(w2)는 0.5mm이다. 제 2 행 간격(z2) 및 제 2 열 간격(s2)이 그에 따라 설정된다. 다음이 적용된다: s2 > z2, 특히 s2 > 1.5·z2, 그리고 특히 s2 > 2·z2이다.
제 1 열 교환기 파이프(21) 또는 제 2 열 교환기 파이프(30)의 수, 배치 및/또는 각 크기는 각 흐름 조건에 따라, 그리고 특히 분리 장치(4) 내의 흐름 상태에 영향을 미칠 목적으로 가변적으로 조정될 수 있다.
복수의 제 1 흐름 편향 요소(46)가 하우징 종축(9)을 따라 제 1 열 교환기 섹션(5)에 제공된다. 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 13개의 제 1 흐름 편향 요소(46)가 배치된다. 제 1 흐름 편향 요소(46)는 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 따라 매질 혼합물의 흐름을 편향시키는 역할을 한다. 제 1 흐름 편향 요소(46)는 제 1 열 교환기 파이프(21)가 밀봉된 방식으로 통과하는 관통 개구(47)를 갖는다. 흐름 편향 요소(46)는 흐름 배플 플레이트로서 설계되고 흐름 편향 요소(46)가 깨끗하게 절단된 간극 영역(48)을 갖는다. 간극 영역(48)은 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 따라서 매질 혼합물에 대한 감소된 흐름 단면을 정의한다.
도 4에 도시된 제 1 흐름 편향 요소(46)에 따른 간극 영역(48)은 흐름 단면에 대해 측면, 특히 좌측면에 배치된다. 제 1 흐름 편향 요소(46)는 제 1 흐름 편향 요소(46)의 각 간극 영역(48)이 측방향으로 교번하는 방식으로 배향되도록 매질 혼합물 흐름 방향(44)을 따라 교번하는 방식으로 배치된다. 그 결과, 매질 혼합물은 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 따라 구불구불한 흐름으로 강제된다. 이것은 제 1 열 교환기 섹션(5)에서 매질 혼합물에 대한 더 높은 체류시간을 초래하고, 이는 추가로 열 전달을 개선한다.
상응하게 제 2 관통 개구(50) 및 제 2 간극 영역(51)을 갖는 복수의 제 2 흐름 편향 요소(49), 도시된 예시적인 실시예에서는 13개의 제 2 흐름 편향 요소(49)가 제 2 열 교환기 섹션(8)에서 제 2 매질 흐름 방향(45)을 따라서 배치된다.
도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 흐름 편향 요소(46) 및 제 2 흐름 편향 요소(49)는 흐름 배플 플레이트로서 하나의 조각으로 설계된다. 흐름 편향 요소(46, 49)의 설계는 특히 효율적이고 재료를 절약하는 방식으로 실행된다.
흐름 배플 플레이트로서 흐름 편향 요소(46, 49)의 한 조각 설계로 인해, 제 1 흐름 요소(46) 및 제 2 흐름 요소(49)의 수는 동일하다. 서로 다른 수의 제 1 흐름 편향 요소(46) 및 제 2 흐름 편향 요소(49)가 제공될 수도 있다. 특히, 2개의 흐름 배플 플레이트 사이에서 제 1 흐름 편향 요소(46) 및/또는 제 2 흐름 편향 요소(49)를 따로따로 배치하는 것이 고려될 수 있다. 복수의 흐름 편향 요소(46, 49)가 2개의 흐름 배플 플레이트 사이에 배치되는 것도 가능하다.
특히 정확히 하나의 제 2 흐름 편향 요소(49)가 각각의 경우 2개의 인접한 흐름 배플 플레이트 사이에 배치되는 것이 고려될 수 있으며, 이는 총 n 개의 제 1 흐름 편향 요소(46) 및 (2n-1)개의 제 2 흐름 편향 요소(49)가 제공됨을 의미한다.
흐름 배플 플레이트는 각각이 매질 혼합물 흐름 방향(44, 45)을 따라 이격되어, 특히 균일하게 이격되어 배치된다.
제 1 간극 영역(48)과 제 2 간극 영역(51)은 특히 배리어 섹션(52)에 의해 수직 방향(10)에서 서로 분리된다. 배리어 섹션(52)은 제 2 열 교환기 섹션(8)으로부터의 제 2 매질이 제 2 매질 흐름 덕트(32)로부터 매질 혼합물 흐름 덕트(23)로 흐름 편향 요소(46)의 영역에서 의도하지 않게 통과하는 것을 방지한다.
도시된 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 열 교환기 섹션(5)은 액체 레벨(66) 위에 배치된다. 기체는 제 1 열 교환기 섹션(5)을 통과하고, 상기 제 1 열 교환기 섹션(5)은 액체 분획, 예를 들어 증기 및/또는 드롭릿을 포함할 수 있다.
제 2 열 교환기 섹션(8)은 레벨(66) 아래에 배치된다. 제 2 열 교환기 섹션(8)은 액체로 채워진다.
아래에는 수소를 공급하기 위한 방법에 대해 보다 상세하게 설명될 것이다.
적어도 부분적으로 수소가 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)의 촉매 탈수소화는 탈수소화 반응기(2)에서 발생한다. 매질 혼합물은 매질 혼합물 라인(3)을 통해 탈수소화 반응기(2)로부터 분리 장치(4)로 공급된다. 매질 혼합물은 제 1 기체 매질로서의 수소 기체(H2) 및 제 2 매질로서의 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질(LOHC-)을 포함한다. 매질 혼합물 내의 제 2 매질의 분율은 바람직하지 않으며 분리 장치(4)에서 분리되도록 의도된다. 제 2 매질은 적어도 부분적으로 증기 형태 및/또는 드롭릿 형태로 매질 혼합물 내에 존재한다.
매질 혼합물은 250℃보다 높은 혼합물 공급 온도에서 분리 장치(4)에 공급된다. 매질 혼합물은 매질 혼합물 흐름 방향(44)을 따라 제 1 열 교환기 섹션(5)을 통해, 특히 매질 혼합물 흐름 덕트(23)를 통해 흐른다. 매질 혼합물의 주요 흐름 방향은 매질 혼합물 흐름 방향(44)을 따르며, 여기서 제 1 흐름 편향 요소(46)는 구불구불한 흐름 방향을 강제한다. 이는 매질 혼합물 흐름 덕트(23)에서 매질 혼합물의 체류 시간을 증가시킨다.
반대 방향인 제 1 열 교환기 매질 흐름 방향(42)으로, 열 교환기 매질은 특히 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20)를 따라, 즉 제 1 열 교환기 파이프(21) 내에서 제 1 열 교환기 섹션(5)을 통해 흐른다. 열 교환기 매질은 열 교환기 매질 저장 용기(18)로부터 나오고 제 1 열 교환기 매질 라인(17)을 통해 제 1 분배기 유닛(19)으로 공급된다. 제 1 열 교환기 섹션은 역류 모드로 동작된다. 뜨거운 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로의 열의 전달이 발생한다.
열 교환기 매질은 특히 적어도 부분적으로 로드된 LOHC(LOHC+)이다.
매질 혼합물로부터 제 1 열 교환기 섹션(5)의 열 교환기 매질로의 열 전달을 통해, 열 교환기 매질은 가열되고, 제 1 매질은 냉각되며, 제 2 증기 매질은 적어도 부분적으로 응축된다. 제 2 매질로의 열 전달이 이미 형성된 제 2 매질의 응축 물을 추가로 냉각시키는 것이 고려될 수 있다. 제 2 매질의 응축물을 형성하는 것은 응축된 제 2 매질을 제 1 매질로부터의 매질 혼합물에서 직접 분리할 수 있다. 특히, 응축된 제 2 매질은 아래로 떨어지고 관통 개구(55)를 통해 제 2 열 교환기 섹션(8)으로 직접 통과할 수 있다. 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)은 서로 공간적으로 직접 연결되고 특히 2개의 열 교환기 섹션(5, 8)의 공간적 분리가 제공되지 않는다는 사실은 응축된 제 2 매질이 직접적으로 그리고 분리 장치(4)의 제 2 열 교환기 섹션(8)으로의 중력의 결과로서 공급될 수 있음을 의미한다.
열 전달의 결과로서 제 2 매질이 응축하고 매질 혼합물에서 떨어지기 때문에, 매질 혼합물의 신뢰 가능하고 효과적인 정제가 이루어진다. 응축된 제 2 매질은 특히 중력의 결과로서 제 1 열 교환기 섹션(5)으로부터 제 2 열 교환기 섹션(8)으로 직접 떨어질 수 있다. 여기서 제 2 열 교환기 섹션(8)이 제 1 열 교환기 섹션(5) 바로 아래에 배치되는 것이 유리하다. 제 1 매질 배출 개구(13)를 통해, 정제된 수소 기체는 분리 장치(4)로부터 배출되고 제 1 매질 활용 유닛(15) 내의 추가 활용으로 전달될 수 있다. 제 1 매질은 40℃ 미만의 제 1 매질 배출 온도에서 분리 장치(4)로부터 배출된다.
뜨거운 매질 혼합물이 먼저 응축기 및/또는 기체 냉각기를 통해 흐르기 때문에, 수소 기체가 특히 효율적으로 냉각되고 제 2 매질, 즉 LOHC 증기가 특히 효과적으로 응축된다. 특히, 예를 들어 외부에서 공급되는 냉각 장치에 의해서, 추가 냉각은 제 2 매질에 대해 불필요하다.
제 1 열 교환기 섹션(5)에서 가열된 열 교환기 매질(LOHC+)은 열 교환기 매질 중간 라인(26)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8)의 제 2 열 교환기 매질 공급 개구(27)로 공급된다. 뜨거운, 적어도 부분적으로 탈수소화된 수소 운반체 매질(LOHC-) 및 이미 예열된 열 운반체 매질(LOHC+)로부터의 열 전달은 제 2 열 교환기 섹션(8)에서 발생한다. 제 2 매질 공급 라인(36) 및 제 2 매질 공급 개구(37)를 통한 탈수소화 반응기(2)로부터 및/또는 제 1 열 교환기 섹션(5)으로부터 직접 제 2 열 교환기 섹션(8)에 공급되는 제 2 매개체(LOHC-)는 제 2 열 교환기 섹션(8)에서 직접 냉각된다. 열은 열 교환기 매질(LOHC+)로 방출된다. 이를 위해, 열 교환기 매질(LOHC+)이 제 2 열 교환기 매질 흐름 덕트(29)의 제 2 열 교환기 파이프(30)를 통해 흐른다. 이에 대한 역류에서, 제 2 매질(LOHC+)은 제 2 매질 흐름 덕트(32)를 통해 흐른다. 열 교환기 매질로서, 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)에서의 2단계 가열 후에 직접 제 2 열 교환기 매질 복귀 라인(35)을 통해서 탈수소화를 위해 탈수소화 반응기(2)로 이용 가능하게 될 수 있는 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)을 사용하는게 가능한 것이 특히 유리하다. 분리 장치(4)에서 방출된 열은 탈수소화 반응기(2)에서 이어지는 탈수소화 공정을 위해 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질을 직접 예열하는 역할을 한다. 이는 열의 효율적인 활용을 통합할 수 있게 하여, 수소를 제공하기 위한 본 발명에 따른 방법의 전반적인 에너지 소비를 추가적으로 감소시킨다. 방출된 수소 기체 스트림으로부터 제 2 매질로서 분리된 적어도 부분적으로 언로드된 LOHC는 제 2 매질 저장 용기(40)에 수집되어 추가 작업, 즉 로드 유닛에서의 재수소화로 전달될 수 있다.
냉각된 제 2 매질은 200℃ 미만의 제 2 매질 배출 온도에서 분리 장치(4)로부터 배출된다.
열 교환기 매질은 30℃ 미만의 제 1 열 교환기 공급 온도에서 분리 장치(4)에 공급된다. 제 1 열 교환기 공급 온도는 특히 실온이다. 탈수소화 반응기(2)에서 탈수소화를 위해 나중에 직접 사용될 수 있는 열 교환기 매질의 예열은 특히 필요하지 않다. 이 방법에 대한 총 에너지 소비가 감소된다.
또한, 분리 장치(4)에서 정제된 제 1 매질, 즉 수소 기체는 정제될 뿐 아니라 특히 냉각되는 것도 고안될 수 있다. 정제 및 냉각된 수소 기체는 예를 들어 (도시되지 않은) 압축기 내의 압축물로 보내질 수 있다.
수소 운반체 매질(LOHC)은 촉매 수소화 및 탈수소화 반응에서 가역적으로 로드 및 언로드될 수 있다. 반복되는 로드 및 언로드는 수소화 및 탈수소화 반응의 효율, 즉 효율 정도를 손상시킬 수 있는 불순물을 나타내는 LOHC를 발생시킬 수 있다. LOHC 물질의 품질을 결정하기 위해, 그에 따라 제 1 매질 배출 라인(14)을 통해 분리 장치(4)로부터 방출된 수소 기체를 분석 및 분류하도록 제공될 수 있다. 이것은 특히 예를 들어 수소 기체 내의 불순물을 측정 및/또는 방출된 수소 기체의 양을 측정함으로써 가능하며, 그 결과 수소 운반체 매질의 품질에 대한 결론이 도출될 수 있다.
특히, 수소 운반체 매질의 배치에는 측정 결과에 따라 특히 주기적으로 그리고 특히 n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15 20인 n 회의 탈수소화 사이클 후에 조정되는 노화 지수가 할당될 수 있다. 또한, 단지 탈수소화 사이클 n에 따라 및/또는 수소 운반체 매질의 노화에 따라 및/또는 이 방법의 수소 운반체 매질의 사용 기간에 따라서 수소 운반체 매질의 노화 지수가 조정되는 것 또한 고려될 수 있다. 이러한 사이클 수 또는 시간에 따른 노화 기준은 수소 기체를 분석하지 않고도 가능하며 특히 복잡하지 않고 비용 효율적인 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명의 제 2 예시적인 실시예가 도 6을 참조하여 아래에 기술된다. 구성에서 동일한 부분에는 제 1 예시적인 실시예에서와 동일한 참조번호가 주어지며, 이에 대한 설명이 참조된다. 구조가 다르지만 기능적으로 유사한 부분에는 "a"가 추가된 동일한 참조번호가 부여된다.
제 1 예시적인 실시예와 비교하여 본질적인 차이점은 제 1 열 교환기 매질 저장 용기(18)로부터의 냉열 교환기 매질이 제 1 열 교환기 매질 공급 라인(17)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8a)에 연결된다는 점이다. 제 2 열 교환기 섹션(8a)은 액체-액체 회수기로서 설계되었다. 제 2 열 교환기 매질 배출 개구(34)는 제 2 열 교환기 매질 복귀 라인(35)을 통해 제 1 열 교환기 섹션(5a)의 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16)에 연결된다.
제 1 열 교환기 섹션(5a)은 응축기 및/또는 기체 냉각기로서 설계된다. 제 1 열 교환기 매질 배출 개구(25)는 열 교환기 매질 중간 라인(26)을 통해 탈수소 반응기(2)에 연결된다.
제 1 예시적인 실시예와 비교하여, 도 5에 따른 예시적인 실시예의 응축기 및/또는 기체 냉각기(5a) 및 액체-액체 회수기(8a)는 열 교환기 매질의 유체 흐름 측면에서 역순으로 연결된다.
도 6에 따른 예시적인 실시예에서, 더 높은 열 회수가 가능하며, 즉 차가운, 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)로부터 액체 형태의 가열된, 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질(LOHC-)로의 열 전달이 개선된다. 액체 LOHC-에 저장된 열은 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)을 가열, 즉 예열하도록 직접 사용될 수 있다. 이것은 액체-액체 회수기(8a)를 조밀하게 설계하는 것을 가능하게 한다. 분리 장치(4a)는 전체적으로 조밀하게 설계된다.
본 발명의 제 3 예시적인 실시예가 도 7 및 도 8을 참조하여 아래에서 기술된다. 구성에서 동일한 부분에는 이전의 예시적인 실시예에서와 동일한 참조번호가 주어지며, 이에 대한 설명이 참조된다. 구조가 다르지만 기능적으로 유사한 부분에는 "b"가 추가된 동일한 참조번호가 부여된다.
이전의 예시적인 실시예와 비교하여 본질적인 차이점은 제 1 열 교환기 매질 라인(17)을 통해 제 1 열 교환기 매질 저장 용기(18)에 연결되는 제 3 열 교환기 섹션(56)이 제공된다는 점이다. 제 3 열 교환기 섹션(56)은 기체 냉각기로서 설계되었다. 기체 냉각기(56)는 차가운, 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질(LOHC+)을 위한 공급 개구(57)를 갖는다. 제 3 열 교환기 섹션(56)은 추가로 기체 냉각기(50)에서 가열된 LOHC+를 배출하기 위한 배출 개구(58)를 더 구비한다.
제 3 열 교환기 섹션(56)은 액체 레벨(66) 위에 배치된다. 제 3 열 교환기 섹션(56)은 본질적으로 제 1 열 교환기 섹션(5b)과 구조적으로 동일한 방식으로 설계된다.
제 3 열 교환기 섹션(56)에서 예열된 LOHC+는 제 2 열 교환기 공급 개구(27)에 있는 제 2 열 교환기 섹션(8b)의 연결 라인(59)을 통해 공급된다. 제 2 열 교환기 섹션(8b)은 제 2 예시적인 실시예에 따라 액체-액체 회수기로서 설계된다. 제 1 열 교환기 섹션(5b)은 제 2 열 교환기 매질 복귀 라인(35)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8b)에 연결된다.
제 1 열 교환기 섹션(5b)은 사전 응축기로서 설계되며, 제 1 열 교환기 매질 배출 개구(25)에서 열 교환기 매질 중간 라인(26)을 통해서 탈수소화 반응기(2)에 연결된다.
매질 배출 개구(13)에 있는 제 1 열 교환기 섹션(5b)은 제 1 매질 배출 라인(14)을 통해 제 3 열 교환기 섹션(56)에 연결된다.
제 1 매질 활용 유닛(15)에 연결된 제 2 매질 배출 라인(60)은 제 3 열 교환기 섹션(56)에 연결된다.
제 3 열 교환기 섹션(56)은 응축 라인(61)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8b)에 연결된다.
도 7에 따른 예시적인 실시예에서, 도 5 및 도 6에 따른 예시적인 실시예의 방법 관련 이점들이 결합된다. 매질 혼합물이 제 1 열 교환기 섹션(5b)에서 이미 사전 응축된다는 사실의 결과로서, 제 2 매질의 많은 부분이 이미 매질 혼합물로부터 분리되었다. 이렇게 정제된 매질 혼합물은 제 1 매질 배출 라인(14)을 통해 제 3 열 교환기 섹션(56)으로 공급된다. 기체 냉각기(56)에서, 저온 LOHC+를 사용하는 매질 혼합물의 개선된 기체 냉각이 실현될 수 있다. 예열된 LOHC+는 액체-액체 회복기(8b)에 공급되고, 여기서 제 2 열 교환기 섹션(8b)에서 추가로 예열된 LOHC+는 매질 혼합물의 사전 냉각 및/또는 사전 응축을 위해 제 1 열 교환기 섹션(5b)에서 사용된다.
분리 장치(4b)의 특정한 구성이 도 8에 개략적으로 도시되었다. 제 1 열 교환기 섹션(5b) 및 제 3 열 교환기 섹션(56)은 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6)의 상부 하우징 영역에서 하우징 종축(9)을 따라 차례로 배치된다. 제 1 열 교환기 섹션(5b) 및 제 3 열 교환기 섹션(56)은 불투과성 분할 벽(63)에 의해서 하우징 종축(9)을 따라 서로로부터 분리된다. 분할 벽(63)은 오직 영역에서만 하우징 종축(9)에 수직인 평면에서 연장한다.
또한, 드롭릿 제거기(62)가 배치되는 통로 개구가 제공된다. 드롭릿 제거기(62)는 20㎛의 메쉬 크기를 갖는 편직 와이어 메쉬로서 설계된다. 드롭릿 제거기(62)는 또한 금속 섬유 부직포로서 설계될 수 있다.
매질 혼합물 라인(3)을 통해 제 1 열 교환기 섹션(5b)에 공급되는 매질 혼합물은 증기 형태 및/또는 기체 혼합물에 동반되는 드롭릿 형태의 LOHC-를 함유할 수 있다. 증기 및/또는 드롭릿을 제거하기 위해, 드롭릿 제거기(62)가 제 1 열 교환기 섹션(5b)과 제 3 열 교환기 섹션(56) 사이에 배치된다. 특히, 드롭릿 제거기(62)를 갖는 통로 개구는 제 1 열 교환기 섹션(5b)을 제 3 열 교환기 섹션(56)과 연결하는 제 1 매질 배출 라인(14)을 구성한다.
응축물 배출 슬로프가 제 3 열 교환기 섹션(56)에 제공되어 응축물 라인(61)으로서의 역할을 한다. 드롭릿 제거기(62)를 통해 제 1 열 교환기 섹션(5b)에서 제 3 열 교환기 섹션(56)으로 통과하는 매질 혼합물은 응축물 라인(61)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8b)으로 이어지는 매우 작은 드롭릿을 여전히 포함할 수 있다. 또한, 제 3 열 교환기 섹션(56)에 형성된 LOHC 응축물은 응축물 라인(61)을 통해 제 2 열 교환기 섹션(8b)으로 통과할 수 있다. 정제된 매질 혼합물이 제 2 매질 배출 라인(60)을 통해 제 3 열 교환기 섹션(56)을 떠날 수 있기 전에, 그리고 제 1 매질 활용 유닛(15)으로 공급될 수 있기 전에, 정제된 매질 혼합물은 도시된 예시적인 실시예에 따른 0.1㎛의 메쉬 크기를 갖는 금속 섬유 부직포를 구비한 에어로졸 분리기(64)를 통과해야 한다.
분리 장치(4b)는 제 1 열 교환기 섹션(5b)에서 매질 혼합물의 사전 응축을 가능하게 한다. 결과적으로 매질 혼합물 내의 증기성 LOHC-의 비율이 감소된다. 드롭릿 제거기(62)는 매질 혼합물로부터 드롭릿을 확실하게 제거한다.
차가운 LOHC+는 제 3 열 교환기 섹션(56) 내의 사전 응축된 수소 기체의 열량의 상당 부분을 차지할 수 있다. 이것은 수소 기체의 특히 효율적인 냉각을 가능하게 한다. 분리 장치(4b)에서 방출된 수소 기체는 공급된 저온 LOHC+의 온도보다 최대 20°K 더 높은 온도를 갖는다.
액체-액체 회수기(8b)에서는, LOHC-로부터 LOHC+로의 개선된 열 회수가 실현된다.
제 2 열 교환기 섹션(8b)은 액체 레벨(66)의 충전 레벨 모니터링을 위한 센서(65)를 갖는다. 센서(65)는 또한 통신 파이프를 통해 제 2 열 교환기 섹션(8b)의 외부, 특히 분리 장치(4b)의 외부에 배치될 수 있다. 충전 레벨은 예를 들어 지속적으로 동작하는 센서 또는 2단계 제어에 의해서 모니터링될 수 있다.
센서(65)는 특히 유선 또는 무선 방식으로 (도시되지 않은) 제어 디바이스에 신호-연결된다. 제 2 열 교환기 섹션(8b)에서 LOHC- 응축물의 임계 충전 레벨에 도달하면, 분리 장치(4b)로부터 예를 들어 제 2 매질 저장 용기(40)로의 응축물의 방출을 위해 제 2 매질 배출 개구(38)가 개방된다. 특히 과흐름에서 2단계 제어에 의한 연속적인 제어를 수행하는 것 또한 가능하다.
특히 3개의 열 교환기 섹션(5b, 8b, 56)이 통합되고 특히 응축물 잔류 물질이 포함된 분리 장치(4b)의 조밀한 설계는 특히 효과적인 상 분리를 달성한다.
LOHC- 응축물의 기체 분율 및 배출된 수소 기체의 드롭릿 분율이 추가로 감소된다.
도시된 분리 장치(4b)에서, 차가운 LOHC+는 40℃ 미만의 온도에서 공급되고, 다중 단계 열 교환 공정의 결과로서 295℃보다 높은 온도에서 제 1 열 교환기 섹션(5b)으로부터 배출된다. 수소 기체 및 LOHC-를 포함하는 매질 혼합물은 200℃보다 높은 온도에서 제 1 열 교환기 섹션(5b)에 공급되고 60℃보다 낮은 온도에서 제 3 열 교환기 섹션(56)의 영역에서 분리 장치(4b)를 떠난다. 분리 장치(4b)에서 응축되고 제 2 열 교환기 섹션(8b)의 영역에 수집된 액화 LOHC-는 200℃보다 높은 온도에서 분리 장치(4b)로부터 배출될 수 있다.
본 발명의 제 4 예시적인 실시예가 도 9를 참조하여 아래에서 기술된다. 구성이 동일한 부분에는 제 1 예시적인 실시예에서와 동일한 참조번호가 주어지며, 이에 대한 설명이 여기서 참조된다. 구조가 다르지만 기능적으로 유사한 부품에는 "c"가 추가된 동일한 참조번호가 부여된다.
제 1 예시적인 실시예와 비교하여 근본적인 차이점은 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6c)에 더하여 분리 장치(4c)가 제 2 열 교환기 섹션 하우징(53)을 갖는다는 것이며, 여기서 제 2 열 교환기 섹션(8)은 일체화된 방식으로 구현된다.
제 1 예시적인 실시예에서와 같이, 제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)은 또한 서로 유체 정역학적으로 연결된다. 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6c) 및 제 2 열 교환기 섹션 하우징(53)이 서로로부터 공간적으로 분리됨에 따라, 적어도 하나의, 특히 복수의 제 2 매질 연결 라인(54)이 하우징 종축(9)을 따라 서로 이격되도록 배치되어 제공된다. 제 2 매질 연결 라인(54)은 각각 관통 개구(55)를 갖는다. 제 2 매질은 관통 개구(55)를 통해 제 1 열 교환기 섹션(5)으로부터 제 2 열 교환기 섹션(8)으로 통과할 수 있다. 제 2 매질 연결 라인(54)은 응축된 제 2 매질을 위한 드립-다운 채널로서의 역할을 하는 수직 배향된 하향 파이프로서 설계된다. 제 1 열 교환기 섹션(5)으로부터 제 2 열 교환기 섹션(8)으로의 제 2 매질의 응축물의 잔여물 없는 배출을 보장하기 위해서 제 2 매질 연결 라인(54)이 깔때기 형태의 개구를 갖는 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6c)으로 개방되는 것이 고안될 수 있다.
제 1 열 교환기 섹션(5) 및 제 2 열 교환기 섹션(8)의 공간적 분리로 인해, 흐름 편향 요소(46, 49)의 공간적 분리 또한 존재하며, 이는 도 9에 상세하게 도시되지 않았다. 제 1 흐름 편향 요소(46) 및 제 2 흐름 편향 요소(49)는 각각 열 교환기 파이프(21, 30)를 위한 관통 개구(47, 50)를 각각 갖는 것이 필수적이다. 또한, 각각의 흐름 편향 요소(46, 49)는 제 1 열 교환기 섹션(5) 또는 제 2 열 교환기 섹션(8)에서 각 유체의 지향된 흐름 편향을 강제하기 위해 각각의 간극 영역(48 또는 51)을 갖는다.

Claims (15)

  1. 매질 혼합물을 분리하기 위한 방법으로서,
    - 제 1 매질 및 제 2 매질을 포함하는 매질 혼합물 -상기 제 1 매질은 수소 기체이고 상기 제 2 매질은 적어도 부분적으로 증기성 수소 운반체 매질임- 을 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)의 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b)에 공급하는 단계,
    - 수소 운반체 매질인 열 교환기 매질을 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)의 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b)에 공급하는 단계,
    - 매질 혼합물로부터 열 교환기 매질로 열을 전달하여, 그 결과로
    -- 상기 열 교환기 매질을 가열하고,
    -- 상기 제 1 매질을 냉각시키며,
    -- 상기 제 2 매질을 적어도 부분적으로 응축시키는 단계,
    - 상기 응축된 제 2 매질을 제 1 기상(gaseous) 매질로부터 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축된 제 2 매질을 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)의 제 2 열 교환기 섹션(8; 8a; 8b)에 공급하는 단계에 의해서 특징지어지는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 열 교환기 섹션(8; 8a; 8b)의 열을 제 2 매질로부터 열 교환기 매질로 전달하고, 그 결과로
    - 특히 추가로 상기 열 교환기 매질을 가열하며,
    - 상기 제 2 매질을 냉각시키는 단계에 의해서 특징지어지는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기 섹션(5)에서 가열된 열 교환기 매질이 제 2 열 교환기 섹션(8)에 공급되거나, 제 2 열 교환기 섹션(8a; 8b)에서 가열된 열 교환기 매질이 제 1 열 교환기 섹션(5a; 5b)에 공급되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매질 혼합물이 250℃보다 높은 혼합물 공급 온도에서 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)에 공급되는 것으로, 및/또는 상기 열 교환기 매질이 30℃보다 낮은 제 1 열 교환기 공급 온도에서 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)에 공급되는 것으로 특징지어지는, 방법
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 매질이 40℃보다 낮은 제 1 매질 배출 온도에서 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)로부터 배출되는 것으로, 및/또는 상기 제 2 매질이 200℃보다 낮은 제 2 매질 배출 온도에서 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)로부터 배출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  7. 수소를 제공하기 위한 방법으로서,
    - 탈수소화 반응기(2)에서 적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질을 탈수소화하는 단계,
    - 제 1 매질로서 수소 기체를 포함하고 제 2 매질로서 적어도 부분적으로 언로드된 수소 운반체 매질을 포함하는 매질 혼합물을 상기 탈수소화 반응기(2)로부터 배출하는 단계,
    - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 매질 혼합물을 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    예열된, 특히 2회 예열된 열 교환기 매질이 탈수소화를 위한 로드된 수소 운반체 매질로서 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)로부터 탈수소화 반응기(2)에 공급되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  9. 수소 기체의 형태인 제 1 매질 및 적어도 부분적으로 증기성 수소 운반체 매질의 형태의 제 2 매질을 포함하는 매질 혼합물을 분리하기 위한 분리 장치로서,
    상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)는 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b)을 구비하고, 이것은
    a. 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6; 6c),
    b. 매질 혼합물을 공급하기 위한 상기 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6; 6c) 내의 매질 혼합물 공급 개구(7),
    c. 상기 매질 혼합물 공급 개구(7)에 연결된 매질 혼합물 흐름 덕트(23),
    d. 수소 운반체 매질의 형태로 열 교환기 매질을 공급하기 위한 상기 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6; 6c) 내의 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16),
    e. 상기 제 1 열 교환기 매질 공급 개구(16)에 연결된 제 1 열 교환기 매질 흐름 덕트(20),
    f. 제 1 분리된 매질을 배출하기 위한 상기 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6; 6c) 내의 제 1 매질 배출 개구(13)를 포함하는, 분리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b)에서 응축된 제 2 매질의 공급을 위해 상기 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b)에 연결된 제 2 열 교환기 섹션(8; 8a; 8b)에 의해서 특징지어지는, 분리 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    특히 매질 흐름 덕트(23) 내의 매질 혼합물의 본질적으로 구불구불한 흐름을 정의하는 적어도 하나의 제 1 흐름 편향 요소(46)가 제 1 열 교환기 섹션(5; 5a; 5b) 내에, 특히 매질 혼합물 흐름 덕트(23) 내에 배치되는 것으로 특징지어지는, 분리 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 제 2 매질 흐름 덕트(32) 내의 제 2 매질의 본질적으로 구불구불한 흐름을 정의하는 적어도 하나의 제 2 흐름 편향 요소(49)가 제 2 열 교환기 섹션(8; 8a; 8b)의 제 2 매질 흐름 덕트(32) 내에 배치되는 것으로 특징지어지는, 분리 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 열 교환기 섹션(8; 8a; 8b)은
    - 상기 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6) 내에 통합되거나 또는
    - 적어도 하나의 제 2 매질 연결 라인(54)에 의해 상기 제 1 열 교환기 섹션 하우징(6c)에 연결된 제 2 열 교환기 섹션 하우징(53) 내에 통합되는 것으로 특징지어지는, 분리 장치.
  14. 수소를 제공하기 위한 장치로서,
    적어도 부분적으로 로드된 수소 운반체 매질을 탈수소화하기 위한 탈수소화 반응기(2)를 포함하며, 제 2 매질을 상기 탈수소화 반응기(2)로부터 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)로 공급하기 위한 적어도 하나의 매질 공급 라인(3, 36) 및 열 교환기 매질을 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)로부터 상기 탈수소화 반응기(2)로 공급하기 위한 열 교환기 매질 복귀 라인(35)에 연결된 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 분리 장치를 포함하는, 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 열 교환기 매질 공급 라인(15)을 통해 상기 분리 장치(4; 4a; 4b; 4c)에 연결되는 제 1 열 교환기 매질 저장 용기(18)에 의해서 특징지어지는, 장치.
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