DE4336542C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Austauschen chemischer Reaktoren in Chemieanlagen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Austauschen chemischer Reaktoren in Chemieanlagen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Austauschen chemischer Reaktoren in Chemieanlagen.
Die Reaktionstemperatur bildet oft eine Hauptbedingung für einen chemischen Reaktionsablauf, wie er für industrielle Zwecke eingesetzt wird.
Normalerweise findet ein chemischer Reaktionsablauf häufiger bei erhöhter als bei normaler Temperatur statt. Wenn der Ab­ lauf in einem chemischen Reaktor gestört ist und dieser in­ nerhalb einer für einen chemischen Reaktionsablauf verwende­ ten Gruppe chemischer Reaktoren ausgetauscht werden muß, dann ist z. B. eine um so längere Abkühlzeit durch Wärmeab­ gabe erforderlich, je höher die Betriebstemperatur ist. Dies führt sowohl zu einem Zeitverlust als auch zum Verlust der zum Zeitpunkt der Abkühlung abgegebenen Wärme, was demgemäß einen sehr uneffektiven Austausch eines Reaktors bedeutet.
Vom Gesichtspunkt der Anlagenbetreibbarkeit her bedeutet dies eine Verringerung der Leistung, entsprechend der Anzahl von Reaktoren, die gleichzeitig abgeschaltet werden. Wenn keine Verringerung der Leistung zulässig ist, muß die Anlage so betrieben werden, daß jeder der restlichen Reaktoren überlastet ist. In jedem Fall sollte die Umgebung des defek­ ten chemischen Reaktors so schnell wie möglich auf die Gesamtleistung aller Reaktoren gebracht werden, d. h., es ist erwünscht, die Vorbereitungen zum Start eines neuen Reaktors für Betrieb parallel mit den anderen Reaktoren so schnell wie möglich abzuschließen.
Beim herkömmlichen Verfahren wird eine Bereitschaftseinrich­ tung ausgehend von normaler Temperatur im Bereitschaftszu­ stand durch eine externe Wärmequelle auf eine hohe Tempera­ tur aufgeheizt, um einen neuen chemischen Reaktor für parallele Installation vorzubereiten. Es kann nicht gerade gesagt werden, daß dieses Verfahren besonders wirkungsvoll sei, und zwar wegen der zum Abkühlen des defekten Anlagen­ teils erforderlichen Zeit und wegen der zum Erhöhen der Temperatur des neuen Anlagenteils erforderlichen externen Wärmequelle.
Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen chemischen Reaktor 10 zum Herstellen gasförmigen Wasserstoffs durch Reformieren von LNG. Der Reaktor ist typisch für eine Ausrüstung zum Her­ stellen gasförmigen Wasserstoffs, wie sie in einer diesbe­ züglichen Anlage verwendet wird.
Der Reaktor 10 ist mit einem Prozeßsystem versehen, das ein Versorgungssystem 1 für Kraftstoff zur Reformierung, ein Kraftstoffversorgungssystem 2 zum Zuführen von die Reformie­ rungsreaktion erforderliche Wärme sowie ein Luftversorgungs­ system 3 für die Verbrennung aufweist. Er verfügt auch über ein Gewinnungssystem mit einem Ausströmsystem 4 für gasför­ migen Wasserstoff und einem Ausströmsystem 5 für Brennstoff­ gas. Diese Systeme sind über das Reaktionsfeld innerhalb des Reaktors 10 miteinander verbunden. Die Umwandlung von Koh­ lenwasserstoff in gasförmigen Wasserstoff (Reformierung), die eine endotherme Reaktion ist, wird mit Hilfe des Refor­ miermediums und des Verbrennungsmediums im Reformierab­ schnitt bzw. im Verbrennungsabschnitt innerhalb des Reaktors ausgeführt.
Aus der DE-AS 30 10 337, DE-PS 30 41 045 C2 und der DE-OS 32 27 097 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von hydrothermal gehärteten Baumaterialien bekannt, bei denen die Dampfsysteme in den verschiedenen Reaktoren miteinander verbunden sind, um gegebenenfalls eine Dampfübertragung von einem abzukühlenden Reaktor auf einen aufzuheizenden Reaktor vornehmen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors in einer Chemieanlage anzugeben, durch die die für den Aus­ tausch des chemischen Reaktors durch einen neuen erforder­ liche Zeit verkürzt werden kann und der Wärmeverlust verrin­ gert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausfüh­ rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung ist auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors in einer Chemie­ anlage gerichtet, dessen Temperatur sich während des Be­ triebs der Chemieanlage von derjenigen während deren Still­ stand unterscheidet, wobei Energie des chemischen Reaktors auf einen neuen chemischen Reaktor übertragen wird und der chemische Reaktor durch den neuen chemischen Reaktor, auf den Energie übertragen wurde, ausgetauscht wird.
Die Erfindung zeigt effektive Funktion vor allem in der all­ gemeine chemische Reaktionen verwendenden Verfahrenstechnik, bei Wasserstoffherstellanlagen und bei Brennstoffzellen, bei denen die Betriebstemperatur hoch ist.
Die Erfindung kann den Fall umfassen, daß hohe Wärme eines chemischen Reaktors, der betrieben wurde, auf den neu zu startenden chemischen Reaktor, der sich auf Normaltemperatur befindet, übertragen wird, wie auch den Fall, daß Wärme vom neu zu startenden, auf normaler Temperatur befindlichen che­ mischen Reaktor auf einen chemischen Reaktor übertragen wird, der zuvor bei niedrigerer Temperatur betrieben wurde. "Energieübertragung" in Zusammenhang mit der Erfindung be­ zeichnet diese beiden Arten von Wärmeübertragung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Energie wie Wärmeenergie des chemischen Reaktors, der betrieben wurde, oder in diesem Reaktor erzeugte elektrische Energie auf den chemischen Reaktor übertragen, für den der Anlagenbetrieb zu starten ist, wenn einige oder alle chemi­ schen Reaktoren in einer Anlage auszutauschen sind, die grundsätzlich einen chemischen Reaktionsprozeß nutzt und die mit einem oder mehreren chemischen Reaktoren versehen ist, deren Temperatur während des Anlagenbetriebs sich von der während des Anlagenstillstands unterscheidet.
Wenn zwei chemische Reaktoren gegeneinander ausgetauscht werden, wird die Wärme des auszutauschenden chemischen Reak­ tors während dessen Betrieb oder direkt nach dem Abschalten desselben oder die zur Verfügung stehende elektrische Lei­ stung ausgewertet. Gleichzeitig wird die Temperatur des che­ mischen Reaktors für Parallelinstallation in der Anlage, der für den Austausch vorbereitet wurde, ebenfalls ausgewertet. Dann wird ein Wärmeaustausch zwischen beiden Reaktoren so lange vorgenommen, bis ihr thermischer Zustand jeweils der­ selbe ist, was dadurch erfolgt, daß dem aufzuheizenden Reak­ tor Wärme zugeführt wird und vom abzukühlenden Reaktor Wärme abgegeben wird; dies gewährleistet wirkungsvolles Austau­ schen der Reaktoren.
Dieser Wärmeaustauschvorgang sollte vorzugsweise ein Wärme­ austauschmedium, einen Strömungskanal für dasselbe und eine Druckquelle zum Umwälzen des Wärmeaustauschmediums verwen­ den. Ferner kann er auch einen Strömungskanal-Umschaltmecha­ nismus wie Ventile sowie ein Medium-Zuleitung/Ableitung- System verwenden, falls erforderlich. Um die Temperatur zu gewährleisten, die für die chemische Reaktion und die Fes­ tigkeit der den Reaktor aufbauenden Teile am besten ist, ist es erforderlich, die Bedingungen so vorzugeben, daß thermi­ sche Spannungen minimiert werden oder eine Zerstörung auf­ grund eines Überdrucks vermieden wird. Zu diesem Zweck sind angemessene Temperatur- und Druckbedingungen häufig als Bedingungen für das Reaktionsfeld bei einem chemischen Reaktionsablauf erforderlich. Um dieser Forderung zu genü­ gen, ist es bevorzugt, eine Einrichtung zum Steuern des Umwälzdrucks für das Wärmeaustauschmedium bereitzustellen oder die Temperatur durch ein Wärmepumpensystem oder einen elektrischen Heizer als externe Wärmequelle während oder nach dem Wärmeaustausch einzustellen.
Wenn chemische Reaktoren so ausgebildet sind, daß sie Wärme erzeugen, kann elektrische Leistung, die von den laufenden chemischen Reaktoren zum Zeitpunkt des Austauschs erzeugt wird, als Energie verwendet werden. Da im allgemeinen Ener­ gie zum Fördern einer chemischen Reaktion zugeführt wird und die chemische Reaktion selbst häufig unter Austausch von Elektronen stattfindet, ändert sich das Potential bewegli­ cher Elektronen parallel zum Ansteigen oder Abnehmen der Reaktortemperatur.
Wenn nur ein chemischer Reaktor vorliegt, wird die Herstell­ leistung für das Reaktionserzeugnis während des Austauschs Null. Selbst in diesem Fall ist die Anwendung der Erfindung für den neu zu startenden chemischen Reaktor im wesentlichen dieselbe.
Wenn die Temperatur eines von zwei sich im thermischen Gleichgewicht befindlichen Reaktoren erhöht werden muß, ist es bevorzugt, dies unter Verwendung einer geeigneten exter­ nen Energieversorgung zu tun, wie mit einem elektrischen Heizer, wenn der Reaktor mit einem solchen Heizer versehen ist, oder unter Verwendung einer Wärmepumpe zum Sammeln von Wärme der Wärmequelle auf niedriger Temperatur und zum Zuführen derselben zur Wärmesenke auf höherer Temperatur oder durch indirektes Beheizen des Reaktors über Sekundär­ wärmeaustausch des Wärmeaustauschmediums durch Entnehmen einer sehr kleinen Menge Fluids hoher Temperatur aus dem in Betrieb befindlichen Hauptprozeßsystem.
Was die für den Wärmeaustausch, jedoch nicht für den Normal­ betrieb erforderliche Ausrüstung betrifft, ist es bevorzugt, eine zentrale Installation der Teile vorzusehen, die zum Warten eines Reaktors erforderlich sind. Daher ist es mög­ lich, ein effektiveres Reaktoraustauschverfahren in einer Chemieanlage dadurch zu realisieren, daß ein getrennter War­ tungsbausatz bereitgestellt wird, der in integraler Weise eine Rohreinrichtung zum Umwälzen eines Wärmeaustauschme­ diums, eine Strömungskanal-Umschalteinrichtung, eine Zwangs­ umwälzeinrichtung, eine Speichereinrichtung für das Wärme­ austauschmedium und eine Steuereinrichtung für diese Ein­ richtungen enthält, und dadurch, daß die Arbeitsabläufe und die Reaktoranordnung für Reaktoraustausch standardisiert werden, um eine Verringerung der erforderlichen Arbeitskraft und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Reaktorinstalla­ tion zu erzielen.
Durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Temperatur des abgeschalteten chemischen Reaktors schneller auf die normale Temperatur gebracht werden, unab­ hängig davon, ob sie hoch oder niedrig ist, während die Temperatur des zu startenden chemischen Reaktors schneller bis nahe an die Betriebstemperatur gebracht werden kann, was zu minimierten thermischen Verlusten führt. Diese Technik verkürzt die zum Erzielen derselben Temperatur erforderliche Zeit, im Vergleich zum Fall mit natürlichem Wärmeaustausch. Dies führt zu verkürzter Wartezeit zur Wartung von Anlagen­ teilen und zu verbesserter Anlagenverfügbarkeit sowie zu verringerter Zeit bei erhöhter Last für restliche in der Anlage betriebene chemische Reaktoren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Austauschen eines chemischen Reaktors;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für einen herkömmlichen chemischen Reaktor zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austau­ schen eines chemischen Reaktors;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines anderen Aus­ führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung noch eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines weiteren, zu­ sätzlichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austauschen eines chemischen Reaktors.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Herstellanlage für gasförmigen Wasserstoff be­ schrieben.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist normalerweise mehr als ein chemischer Reaktor 10 innerhalb einer Wasserstoffgas- Herstellanlage vorhanden, die eine Gruppe chemischer Reakto­ ren 50 bilden. Wenn während des Betriebs der Wasserstoffgas- Herstellanlage ein chemischer Reaktor 10A in der Gruppe che­ mischer Reaktoren 50 defekt geworden ist und ausgetauscht werden muß, wird er abgeschaltet und durch einen in Bereit­ schaft stehenden chemischen Reaktor 10B ersetzt. Die gegen­ einander auszutauschenden Reaktoren 10A und 10B sind auf einem Einbau/Ausbau-Gleitbock 60 angebracht, der später be­ schrieben wird.
Gemäß Fig. 3 stehen die oberen Enden von Rohren 62, 63, 64 und 65, die mit den Rohrwegen für normalen Betrieb innerhalb der chemischen Reaktoren 10A bzw. 10B verbunden sind, über die Außenseite eines Rahmens 61 des Ausbau/Einbau-Gleitbocks 60 über. Der chemische Reaktor 10A, der wegen fehlerhaften Betriebs ausgetauscht werden muß und der bei normaler Tempe­ ratur in Wartestellung befindliche chemische Reaktor 10B werden auf den Ausbau/Einbau-Gleitbock 60 aufgesetzt und mit diesem über Rohre verbunden.
Der Ausbau/Einbau-Gleitbock 60 ist mit einem Behälter 66 versehen, der ein für Wärmeaustausch erforderliches Medium wie ein Inertgas sowie ein Gebläse 67 zum Umwälzen des Wär­ meaustauschmediums aufweist. Die Rohre 62, 63, 64 und 65, des Wärmeaustauschmedium-Vorratsbehälters 66 und das Gebläse 67 sind auf solche Weise miteinander verbunden, daß das Wärmeaustauschmedium aus dem Wärmeaustauschmedium-Vorrats­ behälter 66 dann, wenn es mit Hilfe des Rohrleitungssystems innerhalb des Gleitbocks und eines Ventilmechanismus durch den Rohrweg innerhalb des chemischen Reaktors 10A gelaufen ist, durch das Rohrleitungssystem innerhalb des anderen chemischen Reaktors 10B läuft und an die Atmosphäre ausgege­ ben wird.
Das Wärmeaustauschmedium wird so umgewälzt, wie dies mit Pfeilen in Fig. 3 dargestellt ist. D. h., daß das Rohrlei­ tungssystem mit den Rohren 62, 63, 64 und 65 des Gleitbocks mit Wärmeaustauschmedium aus dem Behälter 66 gefüllt wird. Dann sorgt das Gebläse 67 dafür, daß das Wärmeaustauschme­ dium über die Rohre 63 und 64 in die chemischen Reaktoren 10A und 10B strömt und weiter von den chemischen Reaktoren 10A und 10B über die Rohre 62 und 65 zum Einlaß des Gebläses 67 strömt. So wird die Energie des chemischen Reaktors 10A, wie z. B. dessen Wärmeenergie, an den neu zu startenden Re­ aktor 10B übertragen; beide Reaktoren erreichen als Ergebnis des Wärmeaustauschs ein Temperaturgleichgewicht.
Wenn Luft als Wärmeaustauschmedium verwendet wird, ist der Wärmeaustauschmedium-Vorratsbehälter 66 nicht immer erfor­ derlich. Es ist nämlich möglich, das System so auszubilden, daß Luft direkt angesaugt wird und vom chemischen Reaktor 10A, der ausgetauscht werden muß, in den anderen Reaktor 10B geleitet und dann ausgegeben wird. Der Wärmeaustauschmedium- Vorratsbehälter 66 kann nur dazu verwendet werden, daß Inne­ re des Systems vor dem Umwälzvorgang auszublasen.
Nachdem beide Reaktoren den Temperaturgleichgewichtszustand erreicht haben, wird der neue chemische Reaktor 10B vom Aus­ bau/Einbau-Gleitbock 60 abgenommen und an derjenigen Posi­ tion installiert, von der zuvor der chemische Reaktor 10A entfernt worden war. Damit wird der gegenseitige Austausch der chemischen Reaktoren abgeschlossen.
Dieser Ablauf gewährleistet wirkungsvolle Verwendung der bisher verlorengegangenen Wärme, und zwar durch Wärmeaus­ tausch zwischen einem Reaktor direkt nach dessen Betriebs­ stopp und einem zu startenden chemischen Reaktor, und er er­ laubt eine wesentliche Verringerung der Austauschzeit und der Energie im Vergleich zu herkömmlichen Fällen, bei denen die Temperatur nach dem Zeitpunkt des Betriebsstopps durch natürliche Wärmeabgabe abgesenkt und zum Zeitpunkt des Be­ triebsstarts durch externe Energie erhöht wird. Wenn die chemischen Reaktoren so ausgebildet sind, daß sie vom Druck eines Umwälzfluids (nicht dargestellt) abhängen, sollten sie so ausgebildet sein, daß der Umwälzdruck des für den Wärme­ austausch erforderlichen Mediums durch einen Drucksteuer­ mechanismus eingestellt wird, der im Rohrleitungssystem des Ausbau/Einbau-Gleitbocks 60 vorhanden ist.
In Fig. 4 ist der chemische Reaktor 10A auf der linken Seite derjenige, der betrieben wurde, während der chemische Reak­ tor 10B derjenige ist, der neu für Parallelbetrieb zu star­ ten ist, und der normalerweise auf normaler oder niedriger Temperatur gehalten wird. In der Zeichnung ist nur das Rohrleitungssystem eines Ausbau/Einbau-Gleitbocks schema­ tisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Rohr auf dem Ausbau/Einbau-Gleitbock aufgesetzt und mit dem Rohrleitungssystem desselben verbunden, nachdem Inertgas das Gas ersetzt hat, das zur Reaktion innerhalb des Rohrs ver­ wendet wird, das während des Betriebs im Reaktionsabschnitt der zwei Reaktoren verwendet wird. In diesem Fall erfolgt eine Verbindung mit der Rohrleitung des Bocks während ein (nicht dargestellter) Absperrschieber geschlossen gehalten wird, der am Rohrleitungssystem des chemischen Reaktors vorhanden ist. Während der Absperrschieber 7 an den Enden der Rohre (62, 63, 64 und 65 in Fig. 3) des Ausbau/Einbau- Gleitbocks geschlossen gehalten wird, wird der letztere mit dem vom Wärmeaustauschmedium-Vorratsbehälter 66 herkommenden Inertgas zum Wärmeaustausch gefüllt. Dieser Füllvorgang kann vor oder nach dem Anschließen vorgenommen werden.
Der am Rohr des chemischen Reaktors vorhandene Absperrschie­ ber und ein Absperrschieber 7 am Rohr des Gleitbocks werden geöffnet, um die Drücke der beiden Reaktoren aneinander anzugleichen. Nach dem Druckausgleich wird der andere Ab­ sperrschieber 7 am Rohr des Gleitbocks geöffnet und ge­ schlossen, um ein geschlossenes Umwälzsystem zu bilden, woraufhin das Gebläse 63 in Betrieb gesetzt wird. Dieser Ablauf sorgt dafür, daß das Wärmeaustauschmedium zwischen den beiden chemischen Reaktoren 10A und 10B umläuft, wodurch die Wärmeübertragung durch das Medium gestartet wird. In Fig. 4 kennzeichnen Pfeile die Richtungen, in denen das Wärmeaustauschmedium strömt.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Fall des Aus­ tauschens eines chemischen Reaktors, bei dem verhindert wer­ den muß, daß thermische Spannungen aufgrund einer plötzli­ chen Temperaturänderung auftreten, und wobei der Druck in­ nerhalb des Reaktors wegen Zwängen des Prozesses bei einer Wasserstoffgas-Herstelleinrichtung innerhalb einer Toleranz­ spanne gehalten werden muß. Genauer gesagt, wird beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel die Temperatur des Wärmeaus­ tauschmediums durch ein Thermometer (TE) 41 überwacht, und die Umwälzgeschwindigkeit wird auf Grundlage der Information von diesem Thermometer mit Hilfe des Gebläses 67 einge­ stellt. Ferner stellt es eine wirkungsvolle Vorgehensweise dar, ein Differenzdrucksystem im Umwälzkanal (nicht darge­ stellt) anzuordnen, um den Druck des Wärmeaustauschmediums zu überwachen und um Wärmeaustausch unter Einstellen des Drucks auszuführen. Pfeile zeigen die Richtungen an, in de­ nen das Wärmeaustauschmedium strömt.
In Fig. 5 bezeichnet 42 einen Regler (TC) zum Regeln der Durchflußgeschwindigkeit des Wärmeaustauschmediums, und die Ziffer 11 bezeichnet einen elektrischen Heizer, der bei der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschereinrichtung als Tempera­ turerhöhungs-Hilfseinrichtung für denjenigen chemischen Reaktor dient, der eine Temperaturerhöhung benötigt. Genauer gesagt, wird dieser Heizer zusätzlich zum Erzielen eines Temperaturanstiegs verwendet, wenn genug Platz im mechani­ schen Aufbau vorhanden ist, um einen Temperaturanstieg zusätzlich zum Aufheizen durch das umlaufende Wärmeaus­ tauschmedium zu erzielen, oder wenn für Teile des Reaktors eine große Temperaturänderung zulässig ist.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Austauschen eines chemischen Reaktors, bei dem eine Strom­ erzeugungsreaktion ausgeführt wird wie in einer Brennstoff­ zelle oder beim Zuführen von Brennstoff. Der chemische Reak­ tor auf der Hochtemperaturseite kann immer reagieren; er reagiert sofort, wenn Brennstoffgas zugeführt wird. So kann er als Wärmequelle für Temperaturanstieg verwendet werden, wenn der elektrische Anschluß an die normale Stromleitung abgeschaltet wird und das elektrische System für den Heizer 11 am chemischen Reaktor auf der Niedertemperaturseite ein­ geschaltet wird. Wie in Fig. 6 dargestellt, sind im Fall dieses Systems ein Schalter 34, ein Wechselrichter 31, ein Schalter 32 und ein Heizleistung-Ein/Aus-Schalter 33 für die eine Temperaturerhöhung benötigende Seite am Ausbau/Einbau- Gleitbock angebracht, und die elektrische Energie des chemi­ schen Reaktors 10A, der betrieben wurde, wird dem Heizer 11 am neu zu startenden chemischen Reaktor 10B zugeführt, wo­ durch ein Heizvorgang ausgeführt wird. Dieser Heizer kann auch als Energieübertragungs-Haupteinrichtung oder als Hilfsheizeinrichtung, wie oben erörtert, verwendet werden.
Die durch Fig. 6 veranschaulichte Vorrichtung kann zu einem Verfahren zum Erhöhen der Temperatur über die Betriebstempe­ ratur verwendet werden, um eine Bewegung elektrischer La­ dungsträger im aufzuheizenden Reaktor zu erlauben. Im allge­ meinen muß im Fall einer Brennstoffzelle die Reaktortempera­ tur im Endstadium über diesen Wert erhöht werden. Zu diesem Zweck ist es wirkungsvoll, die Temperatur des umgewälzten Gases anzuheben oder den elektrischen Heizer parallel zu verwenden. Im Fall kombinierter Verwendung des Heizers be­ steht eine Beschränkung hinsichtlich des Strömungskanals, wenn eine genaue Betrachtung erfolgt. Genauer gesagt, wird, wenn jeder der Reaktoren auf der Seite mit hoher bzw. nied­ riger Temperatur den Gleichgewichtszustand erreicht hat, die Rohrverbindung zwischen den zwei Zellen gesperrt, und ge­ trennt zugeführtes Brennstoffgas wird der Batterie zuge­ führt, um Stromerzeugung neu zu starten; die dabei erzeugte elektrische Energie wird zum Betreiben des Heizers verwen­ det. Das bedeutet, daß für die Gasdurchflußsteuerung eine prozeßmäßige Beschränkung besteht.
Ferner kann ein anderes Verfahren für kombinierte Verwendung des Heizers zum Erhöhen der Temperatur des Reaktors auf der Niedertemperaturseite verwendet werden. Genauer gesagt, wird der aus dem Parallelbetrieb zu entnehmende chemische Reaktor elektrisch vom Heizer auf der Niedertemperaturseite abge­ trennt, bevor er aus dem Parallelbetrieb herausgetrennt wird, und dann wird die Temperatur vorab durch den Heizer erhöht. Nach dieser Anfangstemperaturanhebung wird der Reak­ tor durch diesen aufgeheizten Reaktor ersetzt, und die Tem­ peratur wird durch die verbleibende Wärmekapazität nach dem beschriebenen Verfahren auf die Betriebstemperatur erhöht.
In Fig. 6 bezeichnet die Bezugsziffer 36 einen Wechselrich­ ter, über den die vom chemischen Reaktor 10A erzeugte elek­ trische Energie normalerweise entnommen wird, und ein Be­ zugszeichen 35 bezeichnet eine Wechselstromquelle für den Heizer 11.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Wärmeaustausch unter Verwendung eines Wärmepumpensystems vorgenommen wird. Dem Grundprinzip nach besteht eine Wärme­ pumpe aus insgesamt drei Systemen: einem System zum Entneh­ men von Wärme aus der Wärmequelle niedriger Temperatur und einem System, das es erlaubt, die entnommene Wärme der Wärmesenke auf höherer Temperatur zuzuführen, mit zwei ge­ schlossenen Systemen auf verschiedenen Temperaturen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, daß das Wärmeaustauschprinzip eines solchen Wärmepumpensystems dazu verwendet wird, weitere Energie von der Seite zu gewinnen, die betriebsmäßig abgeschaltet werden muß, über das thermi­ sche Gleichgewicht hinaus, wie es durch das umgewälzte Medium hergestellt wird. Die entnommene Wärme wird derjeni­ gen Seite zugeführt, deren Temperatur erhöht werden muß. Wie in Fig. 7 dargestellt, sind das Auslaßende T1 und das Ein­ laßende T2 im Rohrleitungssystem zum Umwälzen des Wärmeaus­ tauschmediums des Ausbau/Einbau-Gleitbocks 60 mit einem Wärmepumpensystem 70 verbunden, und dieses wird dazu verwen­ det, über das thermische Gleichgewicht hinaus Wärme vom zuvor betriebenen chemischen Reaktor auf den neu zu starten­ den zu übertragen.
Das Wärmepumpensystem 70 ist als solches wohlbekannt, wes­ wegen hier keine detaillierte Beschreibung erfolgt. Ferner ist zu beachten, daß z. B. eine wohlbekannte Wärmepumpe, bei der Wärme über chemische Energie gespeichert wird, statt der dargestellten Wärmepumpe vom Kompressionstyp verwendet wer­ den kann.
In Fig. 7 bezeichnen Pfeile Richtungen, in denen das Wärme­ austauschmedium strömt.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Teil eines auf hoher Temperatur befindlichen Fluids dem Rohrleitungs­ system eines betriebenen chemischen Reaktors entnommen wird und dem Wärmetauscher 70 zugeführt wird, während das Wärme­ austauschmedium vom Rohrleitungssystem des Ausbau/Einbau- Gleitbocks 60 dem Wärmetauscher 70 zugeführt wird, wodurch es indirekt durch das auf hoher Temperatur befindliche Fluid aufgeheizt wird. Dies beschleunigt den Temperaturanstieg des neu zu startenden chemischen Reaktors bis auf die Betriebs­ temperatur.
In Fig. 8 bezeichnen auf der linken Seite eingezeichnete Pfeile die Richtungen, in denen das Fluid hoher Temperatur strömt, und rechts eingezeichnete Pfeile kennzeichnen die Richtungen, in denen das Wärmeaustauschmedium strömt. Ferner bezeichnet die Bezugsziffer 69 ein Strömungseinstellventil, das dazu dient, die Fließgeschwindigkeit des durch den Wär­ metauscher 70 strömenden Wärmeaustauschmediums abhängig von dessen Wärmeaustauschvermögen einzustellen.
Wärmeaustausch zwischen zwei chemischen Reaktoren kann er­ folgen, ohne ein Rohrleitungssystem zum Umwälzen des Wärme­ austauschmediums, eine Strömungskanal-Umschalteinrichtung, eine Zwangsumwälzeinrichtung, eine Wärmeaustauschmedium- Vorratseinrichtung und die zugehörigen Steuerungseinrichtun­ gen bereitzustellen. Genauer gesagt, kann, obwohl dies in den Figuren nicht dargestellt ist, Wärmeaustausch zwischen zwei chemischen Reaktoren durch Wärmeübertragung oder durch Strahlung über ein Wärmeaustauschmedium wie Luft dadurch ausgeführt werden, daß zwei Reaktoren, zwischen denen ein Temperaturunterschied besteht, in einem geschlossenen Raum angeordnet werden, der angemessen wärmeisoliert ist.
Die obige Erläuterung behandelt nur einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele, und viele andere Arten von Ausfüh­ rungsbeispielen sind möglich. Z. B. wird der speziell ange­ gebene Ausbau/Einbau-Gleitbock dazu verwendet, einen An­ schluß zwischen dem Rohrleitungssystem des chemischen Reak­ tors, der betrieben wurde, und demjenigen des neu zu star­ tenden chemischen Reaktors herzustellen. Dies zeigt nur die bevorzugteste Form. Wenn der auszutauschende chemische Reak­ tor oder der chemische Reaktionsablauf es erlauben, können die Rohrleitungen der zwei Reaktoren direkt miteinander, d. h. ohne Verwendung des Ausbau/Einbau-Gleitbocks, verbun­ den werden, unter der Bedingung, daß ein Wärmeaustausch­ medium wie Luft durch eine geeignete Einrichtung zwangsumge­ wälzt werden kann.
Ferner ist es einfach erkennbar, daß die Erfindung dazu ver­ wendet werden kann, Reaktoren auszutauschen, wenn ein Reak­ tor mit einer Temperatur unter der normalen Temperatur be­ trieben wurde und der neu zu startende chemische Reaktor auf normaler Temperatur gehalten wurde.
Für den Fall, daß ein chemischer Reaktor zur Wartung auszu­ tauschen ist, verringert die vorstehend beschriebene Technik den Wärmeverlust und die Zeit, die dazu erforderlich ist, einen neu zu startenden chemischen Reaktor bis auf Betriebs­ bedingungen zu bringen, und sie verkürzt die Zeit des Über­ lastungsbetriebs der in der Anlage verbleibenden chemischen Reaktoren, die ohne Unterbrechung weiterbetrieben wurde, was einen deutlichen Beitrag für die Wartbarkeit und die Verfüg­ barkeit der gesamten Anlage bedeutet.

Claims (17)

1. Verfahren zum Ersetzen eines chemischen Reaktors (10A) in einer Brennstoffzellen-Anlage, dessen Temperatur sich beim Betrieb von derjenigen beim Stillstand unterscheidet,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
Verbinden des zu ersetzenden chemischen Reaktors (10A) und des neuen chemischen Reaktors (10B) über eine Wärmeüber­ tragungseinrichtung (60), und
Umwälzen eines Wärmeaustauschmediums vom zu ersetzenden chemischen Reaktor (10A) über die Wärmeübertragungseinrich­ tung (60)zum neuen chemischen Reaktor (10B), um Wärme aus dem zu ersetzenden chemischen Reaktor auf den neuen chemischen Reaktor zu übertragen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeübertragung das Wärmeaustauschmedium in einem ge­ schlossenen System umgewälzt wird, das den zu ersetzenden chemischen Reaktor (10A), den neuen chemischen Reaktor (10B) und die Wärmeübertragungseinrichtung (60) enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmeübertragungseinrichtung ein wärmeisolieren­ der Raum ist, in dem der zu ersetzende chemische Reaktor (10A) und der neue chemische Reaktor (10B) angeordnet sind und in dem das Wärmeaustauschmedium umgewälzt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem neuen chemischen Reaktor (10B) zusätz­ liche Energie von außen zugeführt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Energie von einem weiteren chemischen Reaktor (50), der in der Brennstoffzellen-Anlage betrieben wird, geliefert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Energie ein Teil eines Fluids, das durch den weiteren chemischen Reaktor (50) strömt, dem neuen chemischen Reaktor (10B) zugeführt wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur des umgewälzten Wärmeaus­ tauschmediums ermittelt und die Umwälzgeschwindigkeit auf der Grundlage der ermittelten Temperatur eingestellt wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druck des umgewälzten Wärmeaustauschme­ diums überwacht und eingestellt wird.
9. Vorrichtung (60) zum Übertragen von Wärme von einem zu ersetzenden chemischen Reaktor (10A) auf einen neuen chemischen Reaktor (10B) in einer Brennstoffzellen-Anlage, wobei die chemischen Reaktortemperatur sich beim Betrieb von derjenigen beim Stillstand unterscheidet, mit
Mittel (61-65) zum Verbinden des zu ersetzenden chemischen Reaktors (10A) und des neuen chemischen Reaktors (10B) und
Mittel (62-67) zum Umwälzen eines Wärmeaustauschmedi­ ums vom zu ersetzenden chemischen Reaktor (10A) zum neuen chemischen Reaktor (10B), um Wärme aus dem zu ersetzenden chemischen Reaktor auf den neuen chemischen Reaktor zu über­ tragen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzmittel ein Gebläse (67) aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsmittel Rohrleitungen (62 bis 65) aufweisen, die die Rohrwege des zu ersetzenden chemischen Reaktors (10A) mit den Rohrwegen des neuen chemischen Reaktors (10B) verbinden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzmittel einen Vorratsbehälter (66) für das Wärmeaustauschmedium aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Wärmepumpensystem (70) vorge­ sehen ist, das dem Wärmeaustauschmedium zusätzlich Wärme zu­ führt.
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Heizeinrichtung (11) vorgese­ hen ist, um die Temperatur des Wärmeaustauschmediums zusätz­ lich zu erhöhen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Thermometer (41) zum Ermitteln der Temperatur des umgewälzten Wärmeaustauschmediums vorgesehen ist, wobei die Umwälzgeschwindigkeit durch die Umwälzmittel auf der Grundlage der ermittelten Temperatur eingestellt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Regler (42) zum Einstellen der Durchflußgeschwindigkeit des umgewälzten Wärmeaustauschmedi­ ums vorgesehen ist.
17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Differenzdrucksystem zum Er­ mitteln des Druckes des umgewälzten Wärmeaustauschmediums vorgesehen ist.
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