DE4336542C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Austauschen chemischer Reaktoren in Chemieanlagen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Austauschen chemischer Reaktoren in ChemieanlagenInfo
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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.
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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