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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Deuterium-angereichertem
Wasser in einem Gegenstrom-Trennverfahren.
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Der
größte Teil
der Weltvorräte
an schwerem Wasser wird gegenwärtig
mit dem Girdler-Sulfidverfahren
oder mit Verfahren auf der Basis eines katalytischen Ammoniak-Wasserstoff-Austauschs hergestellt.
Das Girdler-Sulfidverfahren ist ein bithermisches (Zweitemperatur-)
Herstellungsverfahren für
schweres Wasser und nutzt die Unterschiede bei den thermodynamischen
Trennfaktoren zwischen Wasser und Schwefelwasserstoff. Das Verfahren
nutzt eine kaskadierte Reihe von Massenübertragungskolonnen mit zwei
Temperaturen, in denen große
Mengen an Schwefelwasserstoffgas im Gegenstrom zu einer Beschickung
mit natürlichem Wasser
im Kreislauf geführt
werden. Sowohl das Girdler-Sulfidverfahren als auch der katalytische
Ammoniak-Wasserstoff-Austausch erfordert einen hohen Kapitaleinsatz.
Das Ammoniakverfahren weist Größenbeschränkungen
auf und das Girdler-Sulfidverfahren verbraucht große Energiemengen
und nutzt den sehr gefährlichen
Schwefelwasserstoff.
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Die
außergewöhnlichen
Eigenschaften von schwerem Wasser als Neutronenmoderator machen
es in Kernreaktoren und insbesondere in dem CANDU-Kernreaktor geeignet,
der von Atomic Energy of Canada Limited entwickelt worden ist. Die
hohen Kosten von schwerem Wasser, das unter Verwendung des Girdler-Sulfidverfahrens
und von Verfahren auf Ammoniakbasis hergestellt worden ist, können jedoch
die wirtschaftliche Attraktivität
von Reaktoren, die mit schwerem Wasser moderiert werden, wie z.B.
CANDU, beeinträchtigen. Demgemäß wurde
eine Anzahl von anderen Verfahren zur Erzeugung von schwerem Wasser
vorgeschlagen. Darunter sind Verfahren, die einen Deuterium-Isotopenaustausch
zwischen Wasser und Wasserstoff unter Verwendung eines Katalysators
nutzen.
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Ein
solches Verfahren ist als Kombination aus Elektrolyse und katalytischem
Austausch („CECE") bekannt. Das CECE-Verfahren
ist in dem US-Patent 3,974,048 beschrieben worden. Es handelt sich
um ein monothermisches Verfahren mit der Umwandlung von Wasser in
Wasserstoff, die durch eine Elektrolyse erreicht wird. Da der gesamte
Beschickungsstrom elektrolysiert werden muss, können die Elektrolysekosten
zu einem in ungeeigneter Weise teuren Verfahren zur Extraktion von
schwerem Wasser führen
und das Verfahren ist nur als parasitisches Verfahren in der Praxis
geeignet, wenn eine Elektrolyse in einem großen Maßstab aus anderen Gründen durchgeführt wird.
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Ein
zweites parasitisches Verfahren ist das kombinierte industrielle
Verfahren unter Verwendung von reformiertem Wasserstoff und katalytischem
Austausch („CIRCE"). Bei CIRCE wird
ein industrieller monothermischer Dampf-Reformer für die erste
Stufe zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methan und Wasserbeschickungen
und eine Elektrolyse (typischerweise CECE) für höhere Stufen genutzt. Obwohl
es komplexer ist als das CECE-Verfahren, besteht der Hauptvorteil
des CIRCE-Verfahrens in der weit verbreiteten Verfügbarkeit relativ
großer
Anlagen, die Wasserstoff durch Dampfreformierung erzeugen. Das CIRCE-Verfahren
weist den Nachteil auf, dass erhöhte
Deuteriumkonzentrationen im Reformer bedeuten, dass ein Austreten
jedweder deuterierten Spezies (Wasser, Methan, Wasserstoff) aus
dem Reformer besonders kostspielig ist und die Anlage ein hohes
Niveau an Leckdichtigkeit in dem Reformer erfordert. Die Optimierung
des CIRCE-Verfahrens im Hinblick auf die Kosten der untersten Einheit
ist in erster Linie die Herbeiführung
einer Ausgewogenheit zwischen der Minimierung des Katalysatorvolumens
der ersten Stufe und des Deuteriumverlusts durch eine Reformerleckage
(durch Verlagern von Trennvorgängen
in die höheren
Stufen) und der Minimierung der Kapitalkosten für die Elektrolysezelle (durch
Verlagern der Trennvorgänge
in die erste Stufe). Da die Kapitalkosten für die Elektrolysezelle jedoch überwiegen,
ist die Lösung
für die
Kosten der untersten Einheit eine unausgeglichene Kaskade mit einer
Anreicherung in der ersten Stufe, die fünf- bis siebenmal größer ist
als in einer idealen Kaskade, was zu einer Konfiguration mit hohen
Reformerverlusten und einer vergleichsweise geringen Produktion
führt.
Tatsächlich
hängt die
Wirtschaftlichkeit des CIRCE-Verfahrens wesentlich von den Kosten
der Modifizierungen, die erforderlich sind, um den industriellen
Reformer relativ Leckdicht zu machen, und von der Menge des Deuteriumverlusts
durch den Reformer ab. Darüber
hinaus müssen
die höheren
Stufen des CIRCE-Verfahrens eine Flüssigkeitsbeschickung (d.h.
eine Wasserbeschickung) von der ersten Stufe erhalten.
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Ein
alternatives Verfahren für
den Wasser-Wasserstoff-Austausch ist das bithermische Wasserstoff-Wasser-Verfahren
(BHW-Verfahren). Das BHW-Verfahren ist ein nicht-parasitisches Verfahren
unter Verwendung eines katalytischen Austauschs für die flüssige Phase.
In jeder Stufe gibt es einen oberen kalten Turm, bei dem das Deuterium
von dem Wasserstoff auf das flüssige
Wasser übertragen
wird, und einen unteren heißen
Turm, bei dem das Deuterium von dem Wasser auf das Wasserstoffgas übertragen
wird. Die Beschickung für
die höheren
Stufen wird zwischen dem kalten und dem heißen Turm entnommen. Das BHW-Verfahren
ist dem Girdler-Sulfidverfahren ähnlich,
weist jedoch die Vorteile sehr viel besserer Trennfaktoren, eines niedrigeren
Energieverbrauchs und nicht-toxischer und nicht-korrosiver Prozessfluide
auf.
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In
Suppiah und Spagnolo, „Heavy
Water Production Through Catalytic Exchange", International Isotope Society, Canadian
Chapter Meeting, 14. May 1998, Ottawa, XP 002203641 ist eine CIRCE-Anlage
zur Herstellung von schwerem Wasser beschrieben, die Deuterium aus
einer Dampf-reformierten Wasserstoffquelle extrahiert und ein BHW-Verfahren
und ein CECE-Verfahren in deren zweiter bzw. dritter Stufe umfasst.
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In
der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die meisten der
oberen CECE-Stufen oder alle oberen CECE-Stufen des CIRCE-Verfahrens
in vorteilhafter Weise durch katalytische BHW-Flüssigphasen-Austauschstufen
ersetzt werden können.
Der Ersatz der CECE-Stufen
durch BHW-Stufen ermöglicht
die Rückführung des
CIRCE-Verfahrens zu einer natürlicheren
Kaskade, was zu einem kosteneffektiveren Verfahren führt.
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Erfindungsgemäß wird folglich
ein flüssigkeitsverbundenes
hybrides BHW-CIRCE-System zur Herstellung von schwerem Wasser bereitgestellt,
das eine Reihe von kaskadierten Stufen aufweist, wobei die erste Stufe
eine katalytische Austauschkolonne einer ersten Stufe zum Durchleiten
von flüssigem
Wasser in einer Deuteriumaustauschbeziehung mit Wasserstoffgas zur
Erzeugung eines Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms der ersten
Stufe, und einen industriellen Dampf-Reformer zur Abgabe eines Wasserstoffgas-Produktstroms
von flüssigem
Wasser umfasst, wobei ein Teil des Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms
der ersten Stufe von der katalytischen Austauschkolonne der ersten
Stufe als Beschickung für den
Reformer eingesetzt wird und der Reformer-Wasserstoffgas-Produktstrom
als Beschickung für
die katalytische Austauschkolonne der ersten Stufe eingesetzt wird,
wobei eine bithermische Wasserstoff-Wasser-Stufe („BHW"-Stufe) als zweite
Stufe eine kalte und eine heiße
katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe zum Durchleiten
von flüssigem
Wasser in einer Deuteriumaustauschbeziehung mit Wasserstoffgas,
wobei die kalte katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe
bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird, die dahingehend
effektiv ist, dass sie eine Übertragung
von Deuterium von Wasserstoffgas auf flüssiges Wasser verursacht, wobei
die heiße
katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe bei einer höheren Temperatur
betrieben wird, die dahingehend effektiv ist, dass sie eine Übertragung
von Deuterium von flüssigem
Wasser auf Wasserstoffgas verursacht, Mittel zum Zirkulierenlassen
von Wasserstoffgas in einem Strom durch die kalte und die heiße katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe, Mittel zum Anwenden eines Teils
des Deuterium-angereicherten flüssigen
Wasserstroms der ersten Stufe von der katalytischen Austauschkolonne
der ersten Stufe auf die kalte katalytische Austauschkolonne der
zweiten Stufe in einer Gegenstrombeziehung zu dem Wasserstoffgasstrom
zur Erzeugung eines Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms der zweiten
Stufe, Mittel zum Anwenden eines Teils des flüssigen Wassers der zweiten
Stufe auf die heiße
katalytische Aus tauschkolonne der zweiten Stufe in einer Gegenstrombeziehung
zu dem Wasserstoffgasstrom zur Erzeugung eines Deuterium-abgereicherten
flüssigen
Wasserstroms der zweiten Stufe, Mittel zum Anwenden des Deuterium-abgereicherten
flüssigen
Wasserstroms der zweiten Stufe auf den Reformer, Mittel zum Entfernen eines
Teils des Deuterium-angereicherten
flüssigen
Wasserstroms der zweiten Stufe, der durch die kalte katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe erzeugt worden ist, aus der zweiten
Stufe umfasst, weiter umfassend eine kalte katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne
der ersten Stufe, wobei der Teil des Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms
der ersten Stufe von der katalytischen Austauschkolonne der ersten
Stufe zuerst auf die kalte katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne
der ersten Stufe angewandt wird, bevor er auf die kalte katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe angewandt wird, und wobei der Reformer-Wasserstoffgas-Produktstrom
zuerst auf die kalte katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne der
ersten Stufe in einer Gegenstrombeziehung zu dem Deuterium-angereicherten
flüssigen
Wasserstrom der ersten Stufe angewandt wird, bevor er auf die katalytische
Austauschkolonne der ersten Stufe angewandt wird.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein gasverbundenes
hybrides BHW-CIRCE-System zur Herstellung von schwerem Wasser bereitgestellt,
das eine Reihe von kaskadierten Stufen aufweist, wobei die erste
Stufe eine katalytische Austauschkolonne einer ersten Stufe zum
Durchleiten von flüssigem
Wasser in einer Deuteriumaustauschbeziehung mit Wasserstoffgas zur
Erzeugung eines Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms der ersten
Stufe, und einen industriellen Dampf-Reformer zur Abgabe eines Wasserstoffgas-Produktstroms
von flüssigem
Wasser umfasst, wobei der Deuterium-angereicherte flüssige Wasserstrom der ersten
Stufe von der katalytischen Austauschkolonne der ersten Stufe als
Beschickung für
den Reformer eingesetzt wird und ein Teil des Reformer-Wasserstoffgas-Produktstroms
als Beschickung für
die katalytische Austauschkolonne der ersten Stufe eingesetzt wird,
wobei eine bithermische Wasserstoff-Wasser-Stufe („BHW"-Stufe) als zweite
Stufe eine kalte und eine heiße
katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe zum Durchleiten
von flüssigem
Wasser in einer Deuteriumaustauschbeziehung mit Wasserstoffgas,
wobei die kalte katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe
bei einer niedrigeren Temperatur betrieben wird, die dahingehend
effektiv ist, dass sie eine Übertragung
von Deuterium von Wasserstoffgas auf flüssiges Wasser verursacht, wobei
die heiße
katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe bei einer höheren Temperatur
betrieben wird, die dahingehend effektiv ist, dass sie eine Übertragung
von Deuterium von flüssigem
Wasser auf Wasserstoffgas verursacht, Mittel zum Zirkulierenlassen
des flüssigen
Wassers in einem Strom durch die kalte und die heiße katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe, Mittel zum Anwenden eines Teils
des Reformer-Wasserstoffgas-Produktstroms auf die heiße katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe in einer Gegenstrombeziehung
zu dem flüssigen
Wasserstrom zur Erzeugung eines Deuterium-angereicherten Wasserstoffgasstroms
der zweiten Stufe, Mittel zum Anwenden des Deuterium-angereicherten
Wasserstoffgasstroms der zweiten Stufe auf die kalte katalytische
Austauschkolonne der zweiten Stufe in einer Gegenstrombeziehung
zu dem flüssigen
Wasserstrom zur Erzeugung eines Deuterium-abgereicherten Wasserstoffgasstroms
der zweiten Stufe und eines Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms der zweiten
Stufe, Mittel zum Anwenden des Deuterium-abgereicherten Wasserstoffgasstroms
der zweiten Stufe auf die katalytische Austauschkolonne der ersten
Stufe, Mittel zum Entfernen eines Teils des Deuterium-angereicherten flüssigen Wasserstroms
der zweiten Stufe, der durch die kalte katalytische Austauschkolonne
der zweiten Stufe erzeugt worden ist, aus der zweiten Stufe umfasst,
weiter umfassend eine heiße
katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne der ersten Stufe,
wobei der Teil des Reformer-Wasserstoffgas-Produktstroms zuerst
auf die heiße
katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne der ersten Stufe angewandt
wird, bevor er auf die heiße
katalytische Austauschkolonne der zweiten Stufe angewandt wird,
und wobei der Deuterium-angereicherte
flüssige
Wasserstrom der ersten Stufe von der katalytischen Austauschkolonne
der ersten Stufe auf die heiße
katalytische Voranreicherungsaustauschkolonne der ersten Stufe in
einer Gegenstrombeziehung zu dem Reformer-Wasserstoffgas-Produktstrom
angewandt wird, bevor er als Beschickung für den Reformer angewandt wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann eine zusätzliche dritte BHW-Stufe, wie
sie vorstehend beschrieben worden ist, und eine vierte CECE-Stufe
umfassen.
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In
den Zeichnungen, die Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen, ist
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1 ein
vereinfachtes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen dreistufigen,
hybriden flüssigkeitsverbundenen
BHW-CIRCE-Verfahrens;
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2 ein
vereinfachtes schematisches Fließdiagramm, das den Mechanismus
der Isotopentrennung in den BHW-Stufen des erfindungsgemäßen hybriden
BHW-CIRCE-Verfahrens zeigt;
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3 ein
vereinfachtes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen dreistufigen,
hybriden flüssigkeitsverbundenen
BHW-CIRCE-Verfahrens, das ein Voranreicherungsbett der ersten Stufe
umfasst;
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4 ein
vereinfachtes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen dreistufigen,
hybriden gasverbundenen BHW-CIRCE-Verfahrens;
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5 ein
vereinfachtes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen dreistufigen,
hybriden gasverbundenen BHW-CIRCE-Verfahrens, das ein Voranreicherungsbett
der ersten Stufe umfasst;
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6 ein
detailliertes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen vierstufigen,
hybriden flüssigkeitsverbundenen
BHW-CIRCE-Verfahrens, das ein Voranreicherungsbett der ersten Stufe
umfasst; und
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7 ein
detailliertes schematisches Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen vierstufigen,
hybriden gasverbundenen BHW-CIRCE-Verfahrens.
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In
einem herkömmlichen
CIRCE-Verfahren wird eine Anzahl von kaskadierten CIRCE-Stufen verwendet,
um das gewünschte
Reinheitsniveau des Deuteriums in dem Produktstrom zu erreichen.
Ein eigenständiges
CECE-Verfahren (bei dem alle Elektrolysezellen den Kosten des schweren
Wassers zugeschlagen werden) ist aufgrund der hohen Kosten der Elektrolysezellen
teurer als ein bithermisches Verfahren. In der vorliegenden Erfindung
vermindert der Ersatz aller höheren
CECE-Stufen oder der meisten höheren
CECE-Stufen eines herkömmlichen
CIRCE-Verfahrens mit bithermischen Stufen die Kapitalkosten der
höheren
Stufe und verlagert einen größeren Teil
der Trennarbeit auf die höheren
Stufen, wodurch die Deuteriumverluste des Reformers vermindert werden
und die Produktion gesteigert wird.
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In
der 1 ist ein vereinfachtes Schema eines erfindungsgemäßen dreistufigen,
hybriden BHW-CIRCE-Verfahrens veranschaulicht. Die erste Stufe,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ist
ein CIRCE-Verfahren. Die Stufen 2 und 3, die allgemein
mit den Bezugszeichen 2 bzw. 3 bezeichnet sind,
sind jeweils ein BHW-Verfahren.
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Die
CIRCE-Stufe 1 umfasst einen industriellen Reformer 10 und
eine katalytische Austauschkolonne 12 für die flüssige Phase. Das von der Beschickungsquelle 14 eingespeiste
flüssige
Beschickungswasser wird durch die katalytische Austauschkolonne 12 für die flüssige Phase
nach unten in einen industriellen Reformer 10 geleitet.
Ein dampfreformierter Wasserstoffproduktstrom 16 von dem
Reformer 10 wird nach oben durch die Kolonne 12 geleitet
und am Punkt 18 aus dem Verfahren entfernt. Die Kolonne 12 enthält ein gepacktes
Katalysatorbett, in dem das Wasserstoffgas und flüssiges Wasser
in einer Gegenstrom-Austauschbeziehung
hindurch treten. Der Katalysator ist feuchtigkeitsbeständig gemacht, hydrophob
und in der Gegenwart von Wasser aktiv. In der Kolonne 12 wird
das Deuterium von dem nach oben strömenden dampfreformierten Wasserstoffproduktstrom 16 abgestreift
und auf das nach unten strömende
flüssige
Wasser von der Beschickungsquelle 14 übertragen.
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Die
BHW-Stufe 2 umfasst eine kalte katalytische Austauschkolonne 20 für die flüssige Phase
und eine heiße
katalytische Austauschkolonne 22 für die flüssige Phase. In der oberen
kalten Kolonne 20 begünstigen die
Bedingungen die Übertragung
von Deuterium von dem nach oben strömenden Wasserstoffstrom 24 auf den
nach unten strömenden
flüssigen
Wasserstrom 26. In der unteren heißen Kolonne 22 begünstigen
die Bedingungen die Übertragung
von Deuterium von dem Wasser auf das Wasserstoffgas.
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Die 2 ist
ein vereinfachtes Schema, das den Mechanismus zeigt, mit dem das
bithermische Verfahren die Abtrennung von Deuterium bewirkt. Die
in der 2 gezeigten Bedingungen dienen lediglich der Veranschaulichung
und geben nicht notwendigerweise Verfahrensbedingungen wieder, die
in jeder Stufe der vorliegenden Erfindung auftreten. Wenn die obere
kalte Kolonne 80 bei einer Temperatur von etwa 50°C betrieben
wird, beträgt
der Trennfaktor von Deuterium in Wasser und Wasserstoff 3,3,
was eine Übertragung
von Deuterium von dem stromaufwärts
strömenden
Wasserstoffstrom 82 auf den stromabwärts strömenden flüssigen Wasserstrom 84 begünstigt.
Als zweite Stufe wird dadurch die Konzentration von Deuterium in
dem flüssigen
Wasserstrom 84 von etwa 6000 ppm auf etwa 40000 bis 80000
ppm angereichert. Ein Teil des angereicherten flüssigen Wasserstroms wird an
dem Punkt 86 abgezogen und als Beschickung für die nächsthöhere Stufe
(nicht gezeigt) angewandt. Der abgereicherte flüssige Wasserstrom von der nächsthöheren Stufe
wird auf den angereicherten flüssigen
Wasserstrom angewandt, der in die untere heiße Kolonne 88 am Punkt 90 eintritt.
Wenn die untere heiße
Kolonne 88 bei einer Temperatur von etwa 180°C betrieben
wird, beträgt
der Trennfaktor von Deuterium in Wasser und Wasserstoff 2,1, was
eine Übertragung
von Deuterium von dem nach unten strömenden flüssigen Wasserstrom 84 auf
den nach oben strömenden
Wasserstoffstrom 82 begünstigt.
Der Deuterium-angereicherte
Wasserstoffstrom 82 strömt
nach oben in eine obere kalte Kolonne 80, wo die Deuteriumübertragung
auf den flüssigen
Wasserstrom stattfindet, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Der flüssige
Wasserstrom 84, der am Punkt 94 in die obere kalte
Kolonne 80 eintritt, und der flüssige Wasserstrom, der die
untere heiße
Kolonne 88 verlässt,
werden jeweils aus dem flüssigen
Wasserstrom zwischen der kalten und der heißen Kolonne der vorhergehenden
Stufe (nicht gezeigt) entnommen und in diesen zurückgeführt.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf die 1 findet
das vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 beschriebene
bithermische Verfahren in der kalten und der heißen Kolonne 20 und 22 statt.
Die Beschickung von flüssigem
Wasser für
die obere kalte Kolonne 20 der Stufe 2 wird aus
dem nach unten strömenden
Deuterium-angereicherten flüssigen
Wasserstrom entnommen, der die katalytische Austauschkolonne 12 für die flüssige Phase
der Stufe 1 am Punkt 25 verlässt. Diese wird als Beschickung
von flüssigem
Wasser auf die Spitze des oberen kalten Turms 20 der Stufe 2 angewandt.
Nach der Anreicherung in der kalten Kolonne 20 wird ein Teil
des flüssigen
Wasserstroms am Punkt 26 entnommen und als Beschickung
für die
Stufe 3 verwendet. Der verbleibende Teil des flüssigen Wasserstroms,
der die kalte Kolonne 20 verlässt, wird zusammen mit dem
flüssigen
Wasserstrom 28, der die Stufe 3 verlässt, durch
den Entfeuchter 30, die untere heiße Kolonne 22 und den
Befeuchter 32 geleitet. Ein Deuteriumaustausch von dem
flüssigen
Wasserstrom zu dem Wasserstoffstrom findet in der unteren heißen Kolonne 22 in
der gleichen Weise statt, wie es vorstehend beschrieben worden ist,
und der abgereicherte flüssige
Wasserstrom wird zu dem industriellen Dampf-Reformer 10 in der Stufe 1 zurückgeführt. Die
Stufe 3 des BHW-Verfahrens ist der Stufe 2 ähnlich und
umfasst eine obere kalte katalytische Austauschkolonne 40 für die flüssige Phase,
eine untere heiße
katalytische Austauschkolonne 42 für die flüssige Phase, einen Entfeuchter 44 und
einen Befeuchter 46. Das angereicherte fertiggestellte
Produkt wird aus dem flüssigen
Wasserstrom unter der oberen Kolonne 40 am Punkt 50 entnommen.
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Selbst
bei einer 50%igen Deuteriumverdünnung
in dem Reformer von Methan mit einer natürlichen Deuteriumkonzentration
erzeugt der Reformer Wasserstoffgas mit einer Konzentration, die
wesentlich höher ist,
als es dem Gleichgewicht mit dem Wasser entspricht, das in den Reformer
eintritt. Diese Situation kann genutzt werden. Das Deuterium kann
auf die zweite Stufe entweder durch einen H2-Gasstrom
oder einen flüssigen
H2O-Strom übertragen werden. In jedem
Fall sind diese Ströme
verglichen mit den Strömen
in der ersten Stufe relativ klein.
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In
der 3 ist ein vereinfachtes schematisches Fließdiagramm
veranschaulicht, welches das dreistufige BHW-CIRCE-Verfahren von 1 zeigt,
das derart modifiziert ist, dass es eine angereicherte Beschickung
umfasst. In den 1 und 3 sind Komponenten,
die entsprechende Funktionen ausüben,
mit den entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsform
der 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 1 darin, dass die kalte katalytische Austauschkolonne 52 für die flüssige Phase
zwischen dem Reformer 10 und der Kolonne 12 in
der CIRCE-Stufe 1 angeordnet ist. Die Beschickung von flüssigem Wasser
zu der zweiten Stufe wird durch eine Gleichgewichtseinstellung mit
Reformenrwasserstoff in der kalten Kolonne 52 vorangereichert.
Wenn flüssiges
Wasser zur Übertragung
von Deuterium auf die zweite Stufe verwendet wird, wird der übertragene
Strom in der Kolonne 52 durch einen Kontakt mit dem gesamten H2-Strom von dem Reformer weiter angereichert.
Bezogen auf den H2-Strom der ersten Stufe
ermöglicht
es die geringe Größe des übertragenen
Wasserstroms, dass er ein Gleichgewicht mit dem H2 erreicht.
Durch diese Vorrichtung kann die Deuteriumkonzentration des H2O in dem Übertragungsstrom mit geringen
Kosten wesentlich erhöht
werden. Dies führt
zu einer Verminderung von sowohl der Höhe der Türme der zweiten Stufe als auch
von deren Durchmesser, was zu beträchtlichen Gesamteinsparungen
führt.
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Die
Verluste an Deuterium-aufweisenden Substanzen von dem Reformer sind
ein Hauptfaktor bei der Einstellung der Deuteriumanreicherung durch
die erste Stufe. Diese Verluste sind direkt proportional zur Konzentration
des Wassers, das in den Reformer eintritt.
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Es
wird ein Fall betrachtet, bei dem das Wasser, das in den Reformer
eintritt, bezüglich
des Deuteriums auf 5000 ppm angereichert ist. Bei der herkömmlichen
Anordnung, bei der Wasser Deuterium in die zweite Stufe einspeist,
würde der
Deuteriumgehalt des Wassers für
die zweite Stufe etwa 5150 ppm betragen (geringfügig höher als die Konzentration,
die in den Reformer eingespeist wird, da eine geringe Deuteriummenge
von dem Wasser entfernt wird, das nach dem Durchlaufen der zweiten
Stufe zurückgeführt wird).
Der Wasserstrom zu der zweiten Stufe würde etwa 10,5% des Wasserstroms
in der ersten Stufe betragen.
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Als
nächstes
wird ein erfindungsgemäßer Fall
betrachtet. Bei einer typischen Temperatur für eine kalte Austauschkolonne
von 60°C
beträgt
der Trennfaktor für
Wasser und Wasserstoff etwa 3,15. Für die gleiche Wasserkonzentration,
die in den Reformer eintritt, erhöht ein Kontakt zwischen dem
Gas, das den Reformer verlässt,
und dem geringen Wasserstrom, der in die zweite Stufe eingespeist
wird, in der Gegenwart des Austauschkatalysators die Deuteriumkonzentration
des Wassers auf etwa 7000 ppm. Dies führt zu einer entsprechenden
Abnahme in allen Strömen
der zweiten Stufe von mehr als 25%. Die zweite Stufe wird auch verkürzt, da
die Beschickung für
die zweite Stufe um mehr als 25% vorangereichert ist.
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In
der 4 ist ein vereinfachtes schematisches Fließdiagramm
veranschaulicht, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt. In den 1 und 4 sind Komponenten,
die entsprechende Funktionen ausüben,
mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsform
von 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
von 1 darin, dass die erste und die zweite Stufe anstatt
flüssigkeitsverbunden
zu sein, gasverbunden sind. In der CIRCE-Stufe 1 wird der
nach oben strömende
dampfreformierte Wasserstoffproduktstrom als Beschickung auf den
Boden der heißen
katalytischen Austauschko lonne 22 für die flüssige Phase von der zweiten
BHW-Stufe 2 über
den Befeuchter 32 angewandt. Der Wasserstoffstrom, der
aus der Spitze der kalten katalytischen Austauschkolonne 20 für die flüssige Phase
austritt, wird zu dem Boden der katalytischen Austauschkolonne 12 für die flüssige Phase
der CIRCE-Stufe 1 zurückgeführt.
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Aufgrund
der Übertragung
von Deuterium von der CIRCE-Stufe 1 zu der BHW-Stufe 2 durch
die Wasserbeschickung ist die Deuteriumkonzentration in dem Wasserstoffgas,
das die BHW-Stufe 2 verlässt, der Deuteriumkonzentration
des Wasserstoffs ähnlich,
der den Reformer verlässt.
Ein derartiges Ersetzen der Wasserbeschickung von der CIRCE-Stufe 1 zu
der BHW-Stufe 2 durch die Gasbeschickung von der CIRCE-Stufe 1 zu
der BHW-Stufe 2 als Mittel zur Deuteriumübertragung
(und entsprechend von der BHW-Stufe 2 zu der BHW-Stufe 3)
erzeugt ein breit vergleichbares Ergebnis mit entsprechenden Strömen und
Deuteriumkonzentrationen in den BHW-Stufen. Unter vielen Umständen zeigt
jedoch eine wirtschaftliche Analyse, dass ein Verbinden mit BHW-Stufen
unter Verwendung einer Wasserstoffgasbeschickung einen mäßigen Kostenvorteil
bezogen auf ein Verbinden mit einer Wasserbeschickung erzeugt. Andererseits
ist die Verwendung einer Wasserbeschickung zwischen Stufen etwas
vielseitiger, da der Druck der BHW-Stufen unabhängig von dem Druck in dem Reformer
eingestellt werden kann. Wenn der Reformer Synthesegas zur Ammoniakherstellung
(3 Teile Wasserstoff zu 1 Teil Stickstoff) erzeugt, ermöglicht eine
Wasserbeschickung auch einen Ausschluss von Stickstoff aus dem Kreislauf
in den BHW-Stufen. Ein Ausschluss von Stickstoff vermindert das
Volumen der BHW-Stufen direkt proportional zu dem Volumen von Gasen
in dem BHW-Kreislauf.
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In
der 5 ist ein vereinfachtes schematisches Fließdiagramm
veranschaulicht, welches das dreistufige, gasverbundene BHW-CIRCE-Verfahren
von 4 zeigt, das so modifiziert ist, dass es eine
angereicherte Beschickung umfasst. In den 4 und 5 sind
Komponenten, die entsprechende Funktionen ausüben, mit entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet. Die Ausführungsform
der 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 4 darin, dass die heiße katalytische Kolonne 54 für die flüssige Phase
zwischen dem Reformer 10 und der Kolonne 12 in
der CIRCE-Stufe 1 angeordnet ist. Die Wasserstoffgasbeschickung zu
der zweiten Stufe wird durch In-Kontakt-Bringen der flüssigen Reformerbeschickung
in der heißen
Kolonne 54 vorangereichert. Dies ist vorteilhaft, wenn
die Deuteriumkonzentration des Wasserstoffgases bezogen auf die
Deuteriumkonzentration des Wassers, das in den SMR eintritt, ungewöhnlich niedrig
ist. Dies würde
stattfinden, wenn Wasser einen ungewöhnlich niedrigen Anteil des
in dem SMR erzeugten Wasserstoffs bereitstellen würde, wie
z.B. dann, wenn Luft zugesetzt wird, wobei es sich um ein Verfahren
handelt, das allgemein als Sekundärreformierung bekannt ist.
In einer solchen Situation und wenn Deute rium als Wasserstoffgas
auf die BHW-Stufe 2 übertragen
wird, kann der Deuteriumgehalt dieses Wasserstoffs durch einen Kontakt
zwischen diesem geringen Wasserstoffstrom und dem gesamten Wasserstrom,
der in den SMR eintritt, in einem katalytischen Bett erhöht werden.
Zur Maximierung der Übertragung
von Deuterium von dem Wasser auf den Wasserstoff sollte dieser Kontakt
bei der höchstmöglichen
Temperatur durchgeführt
werden, um die Abnahme des Trennfaktors mit zunehmender Temperatur
zu nutzen (z.B. hat α bei
200°C einen
Wert von 2,0).
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In
der 6 ist ein schematisches Fließdiagramm veranschaulicht,
das ein erfindungsgemäßes hybrides
BHW-CIRCE-Verfahren detaillierter zeigt. Das Verfahren von 6 ist
ein flüssigkeitsverbundenes
vierstufiges Verfahren. Die erste Stufe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet
ist, ist ein CIRCE-Verfahren mit einem kalten katalytischen Austauschturm
für die
flüssige
Phase für
eine Voranreicherung. Die zweite und die dritte Stufe, die allgemein
mit den Bezugszeichen 200 bzw. 300 bezeichnet
sind, sind jeweils ein BHW-Verfahren.
Folglich handelt es sich bei den ersten drei Stufen um eine CIRCE-BHW-BHW-Kaskade, die der
Kaskade ähnlich
ist, die in der 3 veranschaulicht ist. Die zusätzliche
vierte Stufe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet
ist, ist ein herkömmliches
CECE-Verfahren. Es wurde gefunden, dass die Verwendung einer CECE-Stufe
als letzte Stufe nach der letzten BHW-Stufe bevorzugt ist, da sie
die komplexen Merkmale vermeidet oder vermindert, die mit dem bithermischen
Verfahren bei sehr hohen Deuteriumkonzentrationen verbunden sind.
Wie es dem Fachmann bekannt ist, zwingen bei hohen Konzentrationen gekrümmte Gleichgewichtskurven
die Flüssigkeitsrückführung dazu,
dass die Arbeitskurven gekrümmt
werden und die Reaktionswärme
in dem BHW-Verfahren die heißen
Austauschkolonnen kühlt
und die kalten Austauschkolonnen erwärmt.
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In
der 6 wird an dem Einspeisungspunkt 102 durch
den Entfeuchter 104 eingespeistes natürliches Beschickungswasser
in die erste katalytische Austauschkolonne 106 für die flüssige Phase
eingeführt.
Die Kolonne 106 enthält
ein gepacktes Katalysatorbett, in dem das Wasserstoffgas und das
flüssige
Wasser in einer Gegenstromaustauschbeziehung hindurch treten. Der
Katalysator ist feuchtigkeitsbeständig gemacht, hydrophob und
in der Gegenwart von Wasser aktiv. In der Kolonne 106 wird
das Deuterium von dem nach oben strömenden dampfreformierten Wasserstoffproduktstrom 110 abgestreift
und auf das nach unten strömende
flüssige
Wasser von der Beschickungsquelle 102 übertragen. In der CIRCE-Stufe 1 wird
Deuterium durch einen katalytischen Austausch in den Einheiten 106 und 108 von
Wasserstoff auf Wasser übertragen.
Die Temperatur und die Feuchtigkeit von Gas, das in diese Austauscheinheiten
eintritt und diese verlässt,
werden im Allgemeinen durch einen direkten Kontakt mit Wasser gesteuert,
das durch einen indirekten Kontakt in Wärmetauschern mit Kühlwasser
(Kühleinheit 120)
bzw. Dampf (Dampfheizvorrichtung 118) zweckmäßig gekühlt oder erwärmt wird.
Ein direktes In-Kontakt-Bringen wird in einem Turm durchgeführt, der
mit einem Material gepackt ist, das für eine Wärmeübertragung geeignet ist. Da
der Wasserstrom zu der BHW-Stufe 2 relativ gering ist, kann
die Leistung dieses Wärmeübertragungsturms
durch Rezirkulieren von Wasser um die Einheit und Abziehen lediglich
eines Teils dieses Wasserstroms als Beschickung für die BHW-Stufe 2 verbessert
werden.
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Die
erste CIRCE-Stufe 100 umfasst auch einen industriellen
Dampf-Reformer 112. Der Reformer 112 kann ein
beliebiger Reformer einer Anzahl von kommerziell verwendeten Dampf-Reformern sein, einschließlich eines
herkömmlichen
Luft-beschickten Reformers, der ein Ammoniaksynthesegas erzeugt,
und einer moderneren Gestaltung, die aus einem Primärreformer
plus einer Hochtemperaturverschiebung mit einer Druckwechselabsorptionseinheit
(PSA-Einheit) zur Reinigung des Wasserstoff-Produktstroms besteht.
Der Reformer des PSA-Typs ist bevorzugt, da er von dem Nachlaufgas
CO-Spuren entfernt, die Pt-Katalysatoren
in den Katalysatoraustauschkolonnen vergiften können. Modifizierungen zur Anpassung
kommerzieller Reformer zur Verwendung in dem BHW-CIRCE-Verfahren
können
eine Stickstoffentfernung aus der Methanbeschickung in den Dampf-Reformer
und eine CO2-Entfernung aus dem Nachlaufgas vor der
Rezyklierung dieses Stroms umfassen, um die Methanbeschickung für den Dampf-Reformer
zu vermindern.
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Flüssiges Wasser,
das in der katalytischen Austauschkolonne 106 für die flüssige Phase
angereichert worden ist, tritt durch den Befeuchter 116 und
den Entfeuchter 114 hindurch und wird als Beschickung für den Dampf-Reformer 112 angewandt.
Deuterium wird von dem nach oben strömenden dampfreformierten Wasserstoff-Produktstrom 110 abgestreift
und auf das nach unten strömende
flüssige
Wasser von der Beschickungsquelle 102 in der ersten und
der zweiten katalytischen Austauschkolonne 106 und 108 für die flüssige Phase übertragen,
das ebenfalls durch den Entfeuchter 114 und den Befeuchter 116 hindurchtritt,
so dass die Temperaturen von Wasser und Wasserstoff für die folgenden
Austauschkolonnen zweckmäßig eingestellt
werden. Die zweite katalytische Austauschkolonne 108 für die flüssige Phase
wirkt als Weiterleitungsvoranreicherungsbett der flüssigen Beschickung
der ersten Stufe mit einer Flüssigkeitsrezyklierung.
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Die
zweite Stufe 200 ist ein BHW-Verfahren und umfasst eine
kalte katalytische Austauschkolonne 202 für die flüssige Phase
und eine heiße
katalytische Austauschkolonne 204 für die flüssige Phase. Wie es in Bezug
auf die 1 beschrieben ist, begünstigen
die Bedingungen in der oberen kalten Kolonne 200 die Übertragung
von Deuterium von dem nach oben strömenden Wasserstoffstrom 206 auf
den nach unten strömenden flüssigen Wasserstrom 208.
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In
der unteren heißen
Kolonne 204 begünstigen
die Bedingungen die Übertragung
von Deuterium von dem nach unten strömenden flüssigen Wasserstrom 208 auf
den nach oben strömenden
Wasserstoffstrom 206.
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Wasserstoffgas
wird im Bereich der zweiten Stufe rezykliert. Kalter Wasserstoff,
der die Kolonne 202 verlässt, wird durch einen direkten
Kontakt mit heißem
Wasser in dem Befeuchter 216 erwärmt und befeuchtet. Der erwärmte und
befeuchtete Wasserstoff tritt dann durch die heiße Austauschkolonne 204 hindurch,
wo er bezüglich
Deuterium als Ergebnis des Abstreifens von Deuterium von dem im
Gegenstrom vorliegenden Wasserstrom mehr und mehr angereichert wird.
Heißer
Wasserstoff, der die Kolonne 204 verlässt, wird in dem Entfeuchter 204 durch
direkten Kontakt mit kaltem Wasser abgekühlt und entfeuchtet. Der abgekühlte Wasserstoff tritt
durch den kalten Austauschturm 202 hindurch und wird durch
den im-Gegenstrom vorliegenden Wasserstrom bezüglich Deuterium fortlaufend
abgestreift. Ein Teil des Wasserstroms, der nunmehr bezüglich Deuterium
signifikant stärker
angereichert ist, wird von dem Hauptwasserstrom abgezweigt und in
die dritte Stufe des Verfahrens 300 eingespeist. Um effektiv
zu sein, erfordert der Entfeuchter 214 einen größeren Strom
von kaltem Wasser als denjenigen, der die kalte Austauschkolonne 202 verlässt. Ein
zusätzlicher
Wasserstrom wird als weiterer Rezyklierwasserstrom bereitgestellt,
der Wärme
in dem Tauscher 222 und dem Kühler abführt. Das Kühlen durch den Entfeuchter 214 wird
durch die Temperatur des Rezyklierstroms gesteuert, der den Kühler 224 verlässt. Entsprechend
erfordert der Befeuchter 216 einen größeren Strom von heißem Wasser
als denjenigen, der die heiße
Austauschkolonne 204 verlässt. Ein zusätzlicher
Wasserstrom wird als weiterer Rezyklierwasserstrom bereitgestellt,
der Wärme
in dem Tauscher 222 und der Dampfheizvorrichtung 220 sammelt.
Um die Mengen an Dampf, die der Dampfheizvorrichtung 220 zugeführt werden,
und des Kühlwassers,
das dem Wasserkühler 224 zugeführt wird,
zu vermindern, wird in dem Wärmetauscher 222 zwischen den
beiden Rezyklierströmen
Wärme getauscht.
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Die
Beschickung von flüssigem
Wasser 208 für
die obere kalte Kolonne 202 von Stufe 2 wird von
dem nach unten strömenden
Deuterium-angereicherten flüssigen
Wasserstrom entnommen, der die katalytische Austauschkolonne 108 für die flüssige Phase
von Stufe 1 verlässt.
Nach der Anreicherung in der kalten Kolonne 202 wird ein
Teil des flüssigen
Wasserstroms an dem Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitungspunkt 210 entnommen
und als Beschickung für
die nächste
BHW-Stufe 300 angewandt. Der verbleibende Teil des flüssigen Wasserstroms,
der die kalte Kolonne 202 verlässt, wird zusammen mit dem
flüssigen
Wasserstrom 312, der die nächste BHW-Stufe 300 verlässt, durch
den Entfeuchter 214, die untere heiße Kolonne 204 und
den Befeuchter 216 geleitet. Ein Deuteriumaustausch von
dem flüssigen
Wasserstrom zu dem Wasserstoffstrom findet in der unteren heißen Kolonne 204 in der
vorstehend beschriebenen Weise statt und der abgereicherte flüssige Wasserstrom 212 wird
als Einspeisung für
den Reformer 112 über
den Befeuchter 114 in die CIRCE-Stufe 100 zurückgeführt.
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Die
dritte Stufe 300 ist ein BHW-Verfahren und arbeitet in
der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebene zweite Stufe,
wobei entsprechende Komponenten entsprechende Funktionen ausüben. Der
Beschickungsstrom von flüssigem
Wasser 308 für
die obere kalte Kolonne 302 wird von dem Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitungspunkt 210 der
zweiten Stufe entnommen und der abgereicherte flüssige Wasserstrom 312 wird
zwischen der oberen kalten Kolonne 202 und der unteren
heißen
Kolonne 204 an dem Punkt 218 zu der BHW-Stufe 100 zurückgeführt.
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Das
BHW-Verfahren ist für
eine Anreicherung von schwerem Wasser auf über etwa 20 Deuterium nicht gut
geeignet, da die Reaktionswärme
(wenn Deuterium von Wasserstoff auf Wasser übertragen wird) die Temperatur
in dem kalten Turm erhöht
und die Temperatur in dem heißen
Turm senkt. Obwohl die Reaktionswärme ziemlich gering ist, würde der
Temperaturanstieg durch die wiederholten Kontakte zwischen dem Wasser
und dem Wasserstoff in den Austauschkolonnen verstärkt werden.
Ferner beginnt das Gleichgewichtsverhältnis von Deuterium in Wasser
zu dem in Wasserstoff mit steigenden Konzentrationen beträchtlich
abzunehmen, wobei ein Grenzwert von 1,0 für reines Deuterium erreicht
wird. Die optimale Funktion einer BHW-Stufe hängt von der Aufrechterhaltung
etwa des gleichen Werts zwischen den Strömungsverhältnissen von Wasserstoff zu Wasser
und des Gleichgewichtswerts für
die Kontakttemperatur ab. Ein Ändern
der Gleichgewichtswerte würde
die Aufrechterhaltung der Verhältnisse
unterbrechen.
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Demgemäß nutzt
die letzte Stufe des Verfahrens ein monothermisches Verfahren, nämlich das CECE-Verfahren
(Kombination aus Elektrolyse und katalytischem Austausch). Durch
CECE wird die Funktion des heißen
Turms des BHW-Verfahrens (zur Erzeugung von Wasserstoff, der durch
einen katalytischen Austausch bezüglich Deuterium angereichert
ist) durch eine elektrolytische Umwandlung von Wasser, das bezüglich Deuterium
angereichert ist, in Wasserstoff bei der gleichen Konzentration
ersetzt. Die vierte Stufe 400 ist ein herkömmliches
CECE-Verfahren und umfasst die katalytischen Austauschkolonnen 402, 404, 406 für die flüssige Phase,
eine Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewichtseinstell-vorrichtung 408,
Elektrolysezellen 410, eine Reinigungseinheit 412,
eine Wasserstoff-Sauerstoff-Rekombinationsvorrichtung 414,
einen Sauerstoffgasstromkühler 416 und
einen Sauerstoffstromdeuteriumdampfwäscher 418. Natürliches
Beschickungswasser von der Quelle 420 tritt nach unten
durch die katalytische Austauschkolonne 402 für die flüssige Phase
hindurch und wird zu sammen mit dem Deuterium-angereicherten flüssigen Beschickungswasser
von dem Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitungspunkt 310 der
BHW-Stufe 300 als Beschickung für die katalytischen Austauschkolonnen 404 und 406 für die flüssige Phase
angewandt und durchläuft
die Gleichgewichtseinstellvorrichtung 408 zu den Elektrolysezellen 410.
Die Kolonnen 402, 404 und 406 enthalten
jeweils ein gepacktes Katalysatorbett in dem das Wasserstoffgas
und flüssiges
Wasser in einer Gegenstromaustauschbeziehung hindurchtreten. Der
Katalysator ist feuchtigkeitsbeständig gemacht, hydrophob und
in der Gegenwart von Wasser aktiv. Das bevorzugte Katalysatormaterial
ist dasjenige, das unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben worden
ist.
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Die
Elektrolysezellen 410 stellen durch Umwandeln der Deuterium-angereicherten
Flüssigkeit,
welche die katalytische Austauschkolonne 408 für die flüssige Phase
verlässt,
in Wasserstoffgas nicht nur einen Bodenrückfluss bereit, sondern reichern
auch den Flüssigkeitsbestand
der Elektrolysezelle an. Der elektrolytische Wasserstoff, der in
den Elektrolysezellen 410 erzeugt wird, ist bezogen auf
den Elektrolyten aufgrund des kinetischen Isotopeneffekts, welcher
der Wasserstofffreisetzungsreaktion inhärent ist, bezüglich Deuterium
abgereichert. Der Elektrolysezellentrennfaktor beträgt typischerweise
5 bis 6. Das in den Elektrolysezellen 410 erzeugte Wasserstoffgas
strömt
durch die Gleichgewichtseinstellvorrichtung 408 nach oben,
was die Deuteriumkonzentration von Wasserdampf in dem Wasserstoffgasstrom
in ein isotopisches Gleichgewicht mit der Einspeisung an flüssigem Wasser
bringt. Das Wasserstoffgas strömt
durch die katalytischen Austauschkolonnen 404, 406 und 408 der
flüssigen
Phase und wird an dem Punkt 422 aus dem Verfahren entfernt.
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Das
flüssige
Kondensat, das durch die Elektrolysezellen 410 erzeugt
wird, wird durch eine Umkehrosmosebeschickungsweiterleitungseinheit 412,
die das Elektrolytmaterial entfernt, gereinigt und am Punkt 427 als
gereinigtes Endprodukt aus schwerem Wasser abgegeben. Der elektrolytische
Sauerstoffstrom von den Elektrolysezellen 410 enthält geringe
Mengen an Wasserstoff, der bezüglich
Deuterium angereichert ist. Die Rekombination dieses Wasserstoffs
zur Bildung von Wasser in der Rekombinationsvorrichtung 414 ermöglicht die
Entfernung des Deuteriums durch den Kühler 416 und den Dampfwäscher 418 und
das Deuterium wird an den Punkten 424 und 426 zu
dem flüssigen
Wasserstrom zurückgeführt.
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In
der 7 ist ein schematisches Fließdiagramm veranschaulicht,
das ein erfindungsgemäßes vierstufiges
gasverbundenes BHW-CIRCE-Verfahren detaillierter zeigt. Die erste
Stufe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet
ist, ist ein CIRCE-Verfahren. Die zweite und die dritte Stufe, die
allgemein mit den Bezugszeichen 200 bzw. 300 bezeichnet
sind, sind jeweils ein BHW-Verfahren. Folglich handelt es sich bei den
ersten drei Stufen um eine CIRCE-BHW-BHW-Kaskade, die der in der 4 veranschaulichten
Kaskade ähnlich
ist. Die zusätzliche
vierte Stufe, die allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet
ist, ist ein herkömmliches
CECE-Verfahren und ist demjenigen der vierten Stufe ähnlich,
die unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben
worden ist. In den 6 und 7 sind Komponenten,
die entsprechende Funktionen ausüben,
mit den entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
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In
dem gasverbundenen Verfahren von 7 wird die
Gasbeschickung für
die zweite BHW-Stufe 200 von
dem dampfreformierten Wasserstoffstrom entnommen, der durch den
industriellen Reformer 112 über den Befeuchter 114,
die Beschickungsweiterleitungsgaseinheit 117 und den Kompressor 118 erzeugt
worden ist, und auf den Boden der heißen katalytischen Austauschkolonne 204 für die flüssige Phase
der zweiten Stufe über
den Befeuchter 216 angewandt. Deuterium-abgereichertes
Wasserstoffgas, das die Spitze des kalten Turms 202 verlässt, wird
am Punkt 120 zu der ersten CIRCE-Stufe 100 zurückgeführt.
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Die
zweite und die dritte BHW-Stufe 200 und 300 sind
entsprechend gasverbunden. Wasserstoff wird von dem Strom 206 durch
eine Beschickungsweiterleitungsgaseinheit 218 entnommen
und über
den Befeuchter 316 auf den Boden des heißen Turms 304 angewandt.
Deuterium abgereichertes Wasserstoffgas, das die Spitze des kalten
Turms 302 verlässt,
wird am Punkt 220 zu der ersten BHW-Stufe 200 zurückgeführt.
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Wasserstoff
wird von dem Strom 306 der dritten BHW-Stufe 300 durch
eine Weiterleitungseinheit 318 entnommen und über die
Gleichgewichtseinstellvorrichtung 428 auf den Boden der
katalytischen Austauschkolonne 402 für die flüssige Phase der vierten CECE-Stufe 400 angewandt.
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In
allen katalytischen Austauschkolonnen für die flüssige Phase mit Ausnahme der
heißen
LPCE-Kolonnen, die in den bithermischen BHW-Stufen und für eine Beschickungsweiterleitungsvoranreicherung
in der gasverbundenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist das bevorzugte
Katalysatormaterial ein Metall der Gruppe VIII mit einer darauf
vorliegenden, flüssiges
Wasser abweisenden organischen Polymer- oder Harzbeschichtung, die
aus der Gruppe bestehend aus Polyfluorkohlenstoffen, hydrophoben
Kohlenwasserstoffpolymeren mit mittlerem bis hohem Molekulargewicht
und Silikonen ausgewählt
ist, und die gegenüber
Wasserdampf und Wasserstoffgas durchlässig ist. Diese Arten von Katalysatoren
sind in den US-Patenten 3,981,976 und 4,126,687 beschrieben. Für einen
Gebrauch in einer heißen
Kolonne kann der Katalysator ein Verbund aus TeflonTM und
polymerisiertem Styrol-Divinylbenzol (SDB) sein. Alternativ kann
ein Katalysator, der von den Hartog et al. im US-Patent 4,471,014
beschrieben ist, oder ein anderer Katalysator verwendet werden,
der bei 150°C
oder darüber
eine zufrieden stellende Aktivität
aufweist.
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Die
Mängel
des herkömmlichen
CIRCE-Verfahrens und die Vorteile des erfindungsgemäßen BHW-CIRCE-Hybridverfahrens
wurden durch eine detaillierte wirtschaftliche Analyse gezeigt,
bei der eine Anzahl herkömmlicher
CIRCE-Verfahren mit drei hybriden BHW-CIRCE-Verfahren verglichen worden ist. Die
Simulation basiert auf der Verwendung eines Primärreformers plus einer Hochtemperaturverschiebung
mit einer Druckwechseladsorptionseinheit. Die Einheit des PSA-Typs
wird typischerweise bei einem Druck von 2170 kPa betrieben. Demgemäß wurden
die bithermischen Stufen des BHW-CIRCE-Verfahrens bei diesem Druck modellartig
dargestellt, und zwar aus Gründen,
die umfassen, dass nur ein geringer Effekt des Drucks auf die Kosten
vorliegt, dass ein Betrieb bei höheren
Drücken
höhere
Temperaturen der heißen
Kolonne begünstigt, welche
die Stabilität
der Katalysatoren nachteilig beeinflussen könnten, und dass Betriebsstufen
mit unterschiedlichen Drücken
einen teuren Kompressor in einem gasverbundenen Verfahren erfordern
würden.
Die Analyse basiert auf einem Simulationscode V8.0HWPsim für eine Wasserstoff-Wasser-Anlage
für schweres Wasser
in einem stationären
Zustand, wobei der Code durch eine kontinuierliche Substitution
bis zur Konvergenz iteriert und Iterationsschemata teilweise ineinander
geschachtelt werden. Alle Auslegungs- und Kostenparameter, die zum
Vergleichen der Verfahrensvarianten verwendet werden, sind in den
Tabellen 1 und 2 zusammengefasst.
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Tabelle
1: Anlagenauslegungsparameter
-
Tabelle
2: Anlagenkostenparameter
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Die
Parameter des Basisfalls umfassen eine Katalysatoraktivität von 536
mol(D)·m–3·s–1 (25°C, 1 atm), Katalysatorkosten
von 75 $·L–1,
einen Zinssatz von 10% und einen zwanzigjährigen Kapitalrückzahlungszeitraum.
Ein feststehendes Kapital von 38,1 M$ betrifft die D2O-Kosten
zur Abdeckung von Reformer-Modifizierungen (in erster Linie eine
Deuterium-Rückgewinnung
von einem D2O-Abschlämmen).
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Die
Tabelle 3 fasst den Vergleich von Verfahrensvarianten auf der Basis
eines Reformers des PSA-Typs zusammen.
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Tabelle
3: Vergleich von CIRCE-Anlagenvarianten
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Der
Fall A ist ein dreistufiges herkömmliches
CIRCE-Verfahren. Der Fall A weist eine Produktion von 49,2 Mg·Jahr–1 und
eine erforderliche Kapitalinvestition von 58,4 M$ auf. Die hohen
Kosten für
die Elektrolysezelle der zweiten und der dritten Stufe (3,87 M$)
haben die Anreicherung der ersten Stufe auf das 57-fache erhöht, wodurch
ein großes
Volumen des Katalysators der ersten Stufe (63,4 m3)
erforderlich ist und eine hohe Reformer-Deuteriumleckage (23% der Produktrate)
erzeugt wird.
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Der
Fall B ist ein dreistufiges herkömmliches
CIRCE-Verfahren mit einem Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitungsvoranreicherungsbett.
Die Verwendung des Voranreicherungsbetts verminderte die Kosten
der Einheit signifikant um 5,5% auf 227 $·kg–1.
Die Anreicherung in der 59,6 m–3-Hauptkatalysatorkolonne
der ersten Stufe liegt beim 49-fachen. Das kleine 2,35 m–3-Beschickungsweiterleitungsvoranreicherungsbett
erhöhte
die Anreicherung der gesamten Stufe auf das 74-fache, wobei es sich
um eine 51%ige Zunahme der Anreicherung für eine 4%ige Zunahme des Katalysatorvolumens
handelt. Das Erhöhen der
Beschickungsweiterleitungskonzentration ermöglicht eine Verminderung der
Anreicherung der katalytischen Hauptkolonne, wodurch die Reformer-Deuteriumkonzentration
um 13% vermindert (vermin dert die Reformerverluste) und die Produktion
auf 50,4 Mg·Jahr–1 erhöht wird.
Die höhere
Beschickungsweiterleitungskonzentration der ersten Stufe vermindert
die Größe der höheren Stufen.
Insbesondere sinken die Kosten für
die Elektrolysezelle um 21% auf 3067 k$.
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Der
Fall C ist eine vierstufige Version von Fall B mit einer zusätzlichen
CECE-Stufe als vierte Stufe. Zwischen einem drei- und einem vierstufigen
herkömmlichen
CIRCE-Verfahren besteht im Wesentlichen kein Unterschied bei den
Kosten der Einheit. Das Verteilen der Trennarbeit über mehrere
Stufen vermindert die Katalysator-Gesamtanforderungen und senkt
die Reformerverluste, wodurch die Produktion um 2% erhöht wird. Unter
der Voraussetzung der gleichen Produktion und der gleichen Extraktion
der zweiten Stufe erfordert eine geringere Beschickungsweiterleitungskonzentration
der ersten Stufe mehr Elektrolysezellen. Die erhöhte Kapitalinvestition in Elektrolysezellen
hebt den Nutzen einer vierstufigen herkömmlichen CECE-Gestaltung mehr als
auf.
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Der
Fall D ist ein erfindungsgemäßes dreistufiges
hybrides BHW-CIRCE-Verfahren, das eine bithermische Stufe (Stufe 2)
und ein Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitungsvoranreicherungsbett
der ersten Stufe aufweist. Der Ersatz der mittleren CECE-Stufe durch
eine bithermische Stufe vermindert die Kosten für die unterste Einheit um 13%
auf 198 $·kg–1 und
erhöht
die Produktion um 13% auf 56,7 Mg·Jahr–1.
Während
die Katalysator-Gesamtkosten verglichen mit dem herkömmlichen
dreistufigen CIRCE-Verfahren von Fall B um 1,5 M$ zugenommen haben,
sind die Kosten für
die Elektrolysezelle um 2,6 M$ gefallen. Die niedrigeren Netto-Kapitalkosten
der höheren
Stufen verschieben die Trennarbeit bezogen auf den Fall B von der
ersten Stufe auf die höheren
Stufen. Die niedrigere Beschickungsweiterleitungskonzentration der
ersten Stufe (verglichen mit dem Fall B eine Verminderung um 60
auf 4040 ppm) vermindert die Reformerverluste und erhöht die Produktion.
Die Einsparungen bei den Gesamtkosten ergeben Investitionskosten
von 53,1 M$ (nicht mit dem Reformer zusammenhängendes Kapital umgelegt auf
eine äquivalente
Herstellungsanlagengröße von 50
Mg·Jahr–1, in
diesem Fall um den Bruchteil 50,0/56,7), wobei es sich um eine Senkung
von 18% handelt.
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Der
Fall E ist eine erfindungsgemäße vierstufige
Version von Fall D, bei der die Stufen zwei und drei bithermische
Stufen sind und die vierte Stufe eine CECE-Stufe ist. In diesem
Fall führt
die vierstufige Gestaltung bezogen auf die dreistufige Gestaltung
zu einer 3%igen Verminderung der Kosten der Einheit und einer 1%igen
Zunahme der Produktion. Das Hinzufügen einer vierten Stufe führt zu geringeren
Katalysatoranforderungen und einer niedrigeren Beschickungsweiterleitungskonzentration
der ersten Stufe, wodurch die Reformerverluste um 6% vermindert
werden. Ein zweiter Nutzen einer vierstufigen, hybriden BHW-CIRCE- Gestaltung ist die
Verminderung der Kosten der Elektrolysezelle. Bei jedweder vierstufigen
Gestaltung weist die letzte CECE-Stufe etwa ein Viertel der Größe der letzten
Stufe in einer dreistufigen Gestaltung auf. Die kleinere letzte Stufe
im Fall E führt
verglichen mit dem Fall D zu Einsparungen bei den Kosten der installierten
Elektrolysezelle von 850 k$.
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Der
Fall F ist eine erfindungsgemäße vierstufige,
gasverbundene hybride HWP-CIRCE-Gestaltung, bei
der die Stufen zwei und drei bithermische Stufen sind und die vierte
Stufe eine CECE-Stufe ist. Diese Gasbeschickungsweiterleitungsgestaltung
erzeugte etwas höhere
(2%) Kosten der Einheit als die flüssigkeitsverbundene Gestaltung
und eine 2%ige Erhöhung
der Kapitalinvestitionen. Die zusätzlichen Kapitalkosten waren
in erster Linie Kosten für
zusätzlichen
Katalysator und Kosten für
die leeren Hüllen
in den Stufen zwei und drei. Dies legt nahe, dass die Gasbeschickungsweiterleitungsgestaltung
aus dem Potenzial des Reformergases zur Erzeugung einer Flüssigkeit
mit hoher Konzentration nicht den vollen Nutzen zieht.
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Wenn
die vorstehenden Ergebnisse zusammengefasst werden, ist ersichtlich,
dass die erfindungsgemäße hybride
BHW-CIRCE-Gestaltung (Fall D) verglichen mit einer äquivalenten
herkömmlichen
CIRCE-Gestaltung die Kosten der Einheit um 13% senkt und die Herstellung
um 13% erhöht.
Die erfindungsgemäße vierstufige,
hybride BHW-CIRCE-Gestaltung (Fall E) führt verglichen mit dem dreistufigen
erfindungsgemäßen Verfahren
zu einer weiteren Verminderung der Kosten der Einheit um 3% und
einer Zunahme der Produktion von 0,6%. Das erfindungsgemäße gasverbundene,
hybride BHW-CIRCE-Verfahren (Fall F) weist 2% höhere Kosten der Einheit auf
als das flüssigkeitsverbundene
Verfahren, stellt jedoch immer noch eine wesentliche Verbesserung
bezüglich
des herkömmlichen
CIRCE-Verfahrens bereit.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die Auslegungs- und Kostenparameter, die
in der vorstehend beschriebenen wirtschaftlichen Analyse verwendet
worden sind, und die Katalysatorleistung variieren können. Während solche
Faktoren das Ausmaß der
Verbesserung beeinflussen können,
kann gezeigt werden, dass das erfindungsgemäße hybride BHW-CIRCE-Verfahren
bei jedwedem vernünftigen
Szenario bezüglich
herkömmlicher
CIRCE-Verfahren eine wesentliche Verbesserung bewirkt.
-
Übersetzung
der in den beigefügten
Figuren verwendeten Begriffe:
Water | Wasser |
Hydrogen | Wasserstoff |
LPCE | Katalytischer
Austausch der flüssigen
Phase |
Methane | Methan |
Reformer | Reformer |
Cold
tower | Kalter
Turm |
Hot
tower | Heißer Turm |
Dehumidifier | Entfeuchter |
Humidifier | Befeuchter |
Product | Produkt |
Cold | Kalt |
Hot | Heiß |
To
next stage | Zur
nächsten
Stufe |
From
next stage | Von
der nächsten
Stufe |
Water
feed | Wasserbeschickung |
Natural
water feed | Beschickung
mit natürlichem
Wasser |
Steam | Dampf |
Steam
heater | Dampfheizvorrichtung |
Stage | Stufe |
Air | Luft |
Carbon
dioxide | Kohlendioxid |
Losses | Verluste |
Condensate | Kondensat |
Water
cooler | Wasserkühler |
Heat
exchanger | Wärmetauscher |
Equil | Gleichgewichtseinstellvorrichtung |
E-cells | Elektrolysezellen |
Low
pressure hydrogen | Wasserstoff
mit niedrigem Druck |
Oxygen | Sauerstoff |
O2 scrub | O2-Wäscher |
O2 cooler | O2-Kühler |
Heavy
water product | Schweres
Wasser als Produkt |
Recom | Rekombinationsvorrichtung |
FFGas | Gasbeschickungsweiterleitungseinheit |
Hydrogen
to upgrader | Wasserstoff
zu Aufbereitungsanlage oder Ammoniaksynthese |
or
ammonia synthesizer | vorrichtung |
Comp | Kompressor |
Chiller | Kühler |
FF
liquid | Flüssigkeitsbeschickungsweiterleitung |
Gas
blower | Gasgebläse |