JP2014519405A - 液体炭化水素化合物または炭化水素化合物が含まれる液体を気化する装置及びその利用 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体炭化水素化合物または少なくとも一つの炭化水素化合物が含まれる液体を気化する装置及びその利用に関する。本発明の目的は、液体炭化水素化合物または炭化水素化合物が含まれる液体を気化する装置を提供することであり、生じた蒸気が、非常に小さい圧力差と適切な濃度で提供可能である。この装置は、加熱装置が備えられ、それにより、それぞれ液体炭化水素化合物又は液体が、沸点以上に加熱可能である。液体炭化水素化合物又は液体は、ボディまたは構造に形成される少なくとも一つの中空スペースを通じて流れ、このボディまたは構造は、それぞれ液体炭化水素化合物または液体に含まれる化合物または化学元素に対して不活性な、セラミック材料で作られる。

Description

本発明は、液体炭化水素化合物または少なくとも一つの炭化水素化合物が含まれる液体を気化する装置及びその利用に関する。

液体の気化には、構成の異なる多数の気化器が使用されている。ここで、被気化液体の加熱は、異なる加熱装置を用いて行われる。ここでは、バーナー、熱交換器、または電気加熱装置が好ましい。

ここで、大きな圧力変動なし（脈動なし）に、沸騰後に生じる蒸気のさらなる利用を可能とすることは、一般に、解決が難しい。通常用いられ、生じた蒸気が導かれる、圧力補正のための、大径の導管は、蒸気の流速及び圧力の低減を生じるだけでなく、蒸気の温度までも下げる、というデメリットを有する。これにより、蒸気は、早すぎる凝結を避けるために、沸騰温度よりも大幅に高く引き上げられた温度で生じる必要がある。

本願発明においては、凝結が、どのように、何のために、何故生じないのかについては厳密に説明しないため、より高い温度で凝結するものに関しては、ここでは省略する。

また、蒸気の圧力補正のためのバルブの利用も、限定的な効果しか有さない。調整可能なバルブは、一方ではコストの増加に関連し、他方では、さらなる損耗を受ける。対応する耐熱性バルブの高いコストは、実質的なデメリットである。

さらなる問題は、被気化炭化水素化合物により、または、被気化液体に含まれる化合物によりもたらされる。それらは、化学的侵食効果を有する可能性があり、気化に必要な温度で、腐食または化学反応を生じる可能性がある。

これらの問題及びデメリットは、特に、エタノールまたはエタノールと水の混合物の気化において、特に、エタノールが高温燃料電池の作動用の燃料として用いられる場合に、影響を及ぼす。この影響は、大部分のアプリケーションで、エタノールが化学的に純粋な形態で用いられない、または用いられ得ないことから、大きくなる。通常、早急な消耗を防ぐ変性剤が含まれる。しかしながら、そのような物質は、気化に際して化学的反応を生じる可能性があり、デメリットをもたらす。沸点が、実際の被気化炭化水素化合物、特にエタノールの沸点から外れることが、さらにデメリットである。

従って、本発明の目的は、液体炭化水素化合物または炭化水素化合物が含まれる液体を気化する装置を提供することであり、生じる蒸気は、非常に小さい圧力差と、適切な濃度で提供可能である。また、気化に際して、特に装置が形成される材料との化学反応が生じ得ないことが必要である。

この目的は、本発明に従う、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。利用は、請求項により与えられる。本発明の有利な実施形態は、従属項で示される特徴を用いて実現可能である。

それぞれ液体炭化水素化合物または液体の沸点以上に加熱が達成可能な加熱装置が、本発明による装置に存在する。液体炭化水素化合物または液体は、ボディまたは構造内部に形成される少なくとも一つの中空スペースを通じて流れ、その際に、沸点以上の温度に加熱される。ボディまたは構造は、それぞれ液体炭化水素化合物、及び／または、液体に含まれる化合物または化学元素に対して不活性な、セラミック材料から形成される。

ここで、不活性とは、物質と、それぞれ液体炭化水素化合物と液体に含まれる成分とで、化学反応が生じないことであると理解されたい。それらは、特に、コバルト及びクロムが含まれない化学物質である。

ボディ内部または構造内部の中空のスペースは、少なくとも一つの経路、開口孔セラミック発泡体における孔、または、構造が形成されるセラミックファイバー間の自由スペースであってもよい。

本発明による他の実施形態では、液体炭化水素化合物または液体は、セラミックボディに形成された経路を通じて流れることができる。しかしながら、流れを、ボディ内部に形成された多数の経路を通じて流し、その際に、気化に至る加熱を達成することもできる。ここで、少なくとも一つの入り口を介して導入される全液体の流れの分割が、ボディ内部で行われてもよい。

ここで、個々の経路は、異なる長さを有し、単独で、またはそれに加えて、異なる開口断面積を有してもよい。これにより、個々の経路の通過に対して、生じた蒸気が以降の利用のために装置を離れ得るまでに、異なる時間が要求され、これにより、時間とともに生じる、放出される生じた蒸気の圧力変動の、さらなる低減が、達成可能である。

一つ以上の経路が、ボディを通じて、蛇行状態でガイドされてもよい。これにより、加熱の面での、構造サイズが低減される。

一つ以上の出口は、開口断面積のサイズの先細り部分があってもよく、これは、生じた蒸気の流れの方向で拡大する開口断面積を有する領域に接合される。従って、生じた蒸気の流速は先細り部分の領域で増加し、これにより、放出が促進可能となり、経路での凝結の発生を回避することができる。従って、生じた蒸気の流速及び圧力及び場合により経時圧力変動は、隣接する拡大部分と、より大きく、生じる蒸気が流れ得る、開放断面とを用いることにより、さらに補正及び平衡が可能である。

先細り部分の領域における開口断面積は、その手前の経路の開口断面積よりも、少なくとも10%小さい。先細り部分の後ろに配置される拡大部分の領域は、蒸気の流れ方向において、円錐状の拡大部分として設定される必要がある。

それ以外は、経路は、液体炭化水素化合物または液体の入口から先細り部分に至るまで、一定の開口断面積で形成されてもよい。

本発明で用いることが可能なセラミック材料で作られるボディは、積層品／フィルム品から、簡単に、柔軟性高く、安価に製造可能である。個々の層／積層／フィルムは、実際の焼結の前に、それぞれ所望の形状にされてもよい。ここで、（例えばレーザーカッティングにより）それらから領域が切除されてもよく、または他の方法で除去されてもよい。続いて、層／積層／フィルムが、互いに重ね合され、必要であれば、周知の技術での圧縮作用化で焼結され、焼結後に、互いに凝集的に結合した層／積層／フィルムから、ボディが形成され、また、液体または気体の漏れがない。続いて、多層デザインにおいて、チャネルが形成される。

このために、既知のLTCCまたはHTCCセラミック材料が用いられてもよい。

また、本発明では、ボディの内部に、少なくとも一つのさらなる経路が形成され、この経路を通じて、加熱媒体を、好ましくはクロスフローまたはカウンターフローで導くことができ、この経路で、少なくとも液体炭化水素化合物の沸点以上への加熱を達成し得ることが可能である。そして、加熱媒体用のこの経路は、ボディを通じて、一つ以上の経路の隣に、好ましくは少なくとも部分的に平行に、導かれ、液体炭化水素化合物または液体の加熱が、熱交換により達成可能である。

ここで、加熱媒体として、プロセスの熱損失、及び、特に加熱排気ガスが用いられてもよい。従って、例えば、高温型燃料電池、または、その電池の点火バーナーの熱損失が用いられてもよく、加熱排気ガスは、気化に用いられることが好ましい。これにより、システム、たとえばSOFCの全体的な効率は、本発明による装置を用いて、（バランスオブプラントエネルギーの節約により）増加し得る。

セラミックの発泡体を有する本発明の一実施形態では、発泡体内部の空隙率及び／または孔サイズは、生じる蒸気の流れる方向で増加する必要がある。これにより、生じる蒸気の流速と、装置からの放出に至る圧力に対して、好ましい効果を適用することができ、これにより、蒸気の放出後の経時圧力変化が、さらに低減される。ここで、空隙率及び／または孔サイズの変化は、連続的に、または、少なくとも二段階で行われる。

セラミック材料からの適切な発泡体の製造は、従来技術に属する。ここでは、有機材料からの浸透性のボディが、セラミックパウダーと結合剤との混合物により、発砲体の表面で、及び、特に内部で、コーティングされる。熱処理により、有機成分は、熱分解の結果として、大部分が除去され、セラミックパウダーが焼結され、対応するセラミック発砲体が得られる。

従って、本発明による装置で用いられる均質な発泡体は、少なくとも15 ppi、好ましくは20 ppiの孔密度と、80%から95%、好ましくは80%から90%の空隙率とを有する必要がある。

流れの方向において変化する発泡構造を有する発泡体により、少なくとも15 ppi、好ましくは20 ppiの孔密度を有し、より大きい孔サイズを有する領域に隣接する領域が、まず通過されてもよい。この領域は、30 ppiの孔密度を有してもよく、発泡体を通じる流通経路長の、少なくとも半分、好ましくは四分の三を形成してもよい。

本発明のさらなる実施形態では、セラミックファイバーを用いて形成された構造が用いられてもよく、その中には、ファイバー間の自由スペースにより中空スペースが形成される。ここで、セラミックファイバーは、スクリム、編布、織布、またはメッシュ構造として形成してもよい。また、ファイバーを、互いに凝集的に接続することもできる。このために、焼結されていないグリーンファイバーが所望の形態とされ、焼結をもたらす加熱処理での焼結ブリッジにより、接触点において、互いに選択的に接続されてもよい。

SiC、Si₃N₄、WC、AIN、TiN及びケイ化モリブデンから選択される、本発明に利用可能なセラミック材料を、ボディまたは構造に用いることができる。

SiC（SSiC及びCSiCが好ましい）、TiN、WCまたはケイ化モリブデン等の導電性セラミック材料を利用する場合、気化をもたらすボディまたは構造で直接的な加熱を達成するために、電気電圧源に直接接続することにより、加熱することもできる。ここで、ボディまたは構造は、電気抵抗加熱源を形成する。また、これらのセラミック材料は、その良好な熱伝導率に因り、非常に適している。ここでは、ボディまたは構造は、加熱エレメントを形成する。

しかしながら、金属ワイヤー等の導電性エレメントを、ボディまたは構造を通じて導き、または、ボディまたは構造を、導電性エレメント内に挿入し、それらを、電気コネクタと共に、加熱エレメントとして用いることも可能である。しかしながら、同様に、少なくとも一つのチューブが、ボディまたは構造に又はその周囲に備えられ、熱交換により液体炭化水素化合物または液体を沸点以上の温度に加熱するために、加熱媒体がチューブを流れてもよい。ボディまたは構造は、加熱のために加熱媒体が流れる導管の中に配置されてもよい。ここで、プロセスからの排気ガスの熱損失が用いられてもよい。

電気抵抗加熱エレメントと熱交換により加熱が行われる加熱エレメントとの組み合わせも、可能である。

液体炭化水素化合物または液体は、垂直方向に配置される導管から、装置に供給可能であり、液体炭化水素化合物または液体の運搬は、装置において、単に重力作用の結果として達成することができる。取り込みは、垂直方向下方で、または、装置の垂直方向下方の領域で行われることが好ましく、従って、取り出しは、垂直方向上方で、または垂直方向上方の領域で行われる。

本発明は、実施例を参照して、以下で、より詳細に説明される。

ボディを通じてガイドされる蛇行状態の経路を備える、一実施例の断面図である。 分岐する経路を備えるボディの断面図である。 多数の経路を備えるボディの断面図である。 開口孔発泡体を備える一実施例の部分的断面図であり、沸点以上に至る加熱の際に、この開口孔を通じて、液体炭化水素化合物または液体が流れる。

図１に、ボディ１の断面図が示され、このボディは、焼成により互いに凝集的に結合された、LTCCセラミック材料の多数の層から得られる。個々の層において、ある部位が除去され、その部位は、ボディ１を通じて導かれる蛇行状態の経路１を形成する。エタノールまたはエタノールと水の混合物が、入口２．１を通って経路１に流入し、蒸気／蒸気混合物として、出口２．２から再び流出する。経路２は、その全長に亘り、1mmの等サイズの断面積を有する。経路の断面積が0.7mmに縮小される先細り部分が、出口２．２でのみ形成される。出口には、円錐状に形成された拡大部が付加され、これにより、流出する蒸気の圧力のさらなる均一化が、時間とともに達成可能である。経路２は、100 mmの全長を有する。

50 ml/hの体積流量のエタノールの供給で、経路２は、0.014m/sの速度で流通される。加熱は、11Wのエネルギーで行われる。信頼性高く完全にエタノールを気化するために、加熱は、100℃以上で、最大150℃まで行われる。流出する蒸気の達成可能な圧力差は、より長い時間に亘って最大3 mbarに達し、以降の利用で考慮すべき蒸気の圧力変動は無視できる。

加熱は、ツインパイプのジャケット加熱（不図示）を介して行われ、それを通じて、少なくとも150℃の温度で加熱ガスが供給される。また、ボディ１及び被気化液体の対応する加熱は、さらなる経路を用いて行うこともでき（同様に不図示）、その経路は、ボディ１を通じて経路２の隣に導かれ、それを通じて、加熱媒体を、被気化液体に対してカウンターフローで、加熱のために導くことができる。また、加熱は、電気抵抗加熱を用いても行うことができる。ここで、電流が流れる導体を備えることができる。例えば、印刷された導体、例えば銀が、この目的に用いることができる。また、電気抵抗加熱は、上述した可能性の一つと組み合わせて備えられてもよい。

図２は、セラミック材料で形成されたボディにおいて、経路１が、被気化液体の入口２．１から始まり、多数の個々の経路に分岐し、出口２．２の方向で再び結合する一例を示す。ここで、被気化液体は、装置内部で、それぞれ異なる長さの経路をカバーし、それに応じたより長いまたはより短い時間、装置内に留まる。これにより、流出する蒸気の経時圧力変動を低減することができ、一定の圧力に略均一化することができる。

この効果は、図３に示す例においても同様に利用可能である。入口２．２から始まり、被気化液体の分岐が、ここでは多数の経路２へ行われ、出口２．２で再び結合される。

図２及び図３による実施例における出口２．２周りの領域は、図１による実施例と同様に、先細り及び拡張されて構成されてもよい。

図４には、開口孔発泡体１．１として構成されるボディ１を備える一実施例が示される。液体炭化水素化合物または液体は、沸点以上までの加熱の際に、SSiCから形成される発泡体の開口孔を通じて流れることができる。液体炭化水素化合物または液体は、垂直方向下方に配置された入口２．１を介して装置に侵入し、発泡体１．１を通じて流れ、続いて垂直方向上方に配置された出口２．２を介して、気体の形態で、後続利用に提供可能である。入口２．１及び出口２．２は、単純なパイプとして構成可能であり、フランジ接合、任意で溶接接合を介して、ハウジング３に結合される。液体炭化水素化合物または液体は、入口２．１の端部で直接発泡体１．１に導入可能である。また、流れの方向における発泡体１．１の前方に、中空スペースを設けることも可能であり、該中空スペースは、流速を低減し、液体炭化水素化合物または液体の均一化および均一な分配が、発泡体の内部で行われる気化の前に達成可能であるように、拡大された断面積を有する。

本実施例における発泡体１．１は、80%から90%の空隙率を有し、孔密度は20 ppiである。

この実施例では、体積内で厳しく制限される一定の空隙率を有する発泡体１．１が選択された。しかしながら、液体炭化水素化合物または液体の流れの方向において、勾配空隙率を有する発泡体１．１を用いる、または、異なる空隙率を有する二つの発泡体１．１を用いることもできる。ここで、空隙率及び／または孔サイズは、液体炭化水素化合物または液体の流れの方向において、増加する必要がある。

中空スペース４が存在するハウジング３が、発泡体１．１に形成される。この実施例において、液体炭化水素化合物または液体の沸点以上に加熱される媒体が、コネクタ５を介して、中空スペースに導入可能であり、コネクタ６を介して再び導出可能である。しかしながら、このために、加熱ガス、特に加熱排気ガスまたは排気が用いられてもよい。ここでは、液体炭化水素化合物または液体の加熱は、熱交換／復熱装置により行われる。

しかしながら、不図示の形態で、電気抵抗加熱も、中空スペース４の中に配置可能であり、これを用いて、液体炭化水素化合物または液体の沸点以上の加熱が、達成されてもよい。

具体的な実験では、50 ml/hの体積流量を有するエタノールが、4 mmの内径を有する入口２．１を介して供給された。発泡体１．１は、14 mmの外径と、液体炭化水素化合物または液体の流れる方向において70 mmの長さとを有する。

これにより、エタノールは、発泡体１．１の周囲に配置された電気抵抗加熱を用いて、少なくとも79℃の温度まで加熱され、このプロセスで生じた蒸気が、出口２．２で、さらなる利用のために導出可能であった。出口２．２を流出するエタノール蒸気の平均最大圧力差は、±4 mbarであった。

１ ボディ
１．１ 発泡体
２ 経路
２．１ 入口
２．２ 出口
３ ハウジング
４ 中空スペース
５ コネクタ
６ コネクタ

Claims (12)

1. 液体炭化水素化合物または炭化水素を含む液体を気化する装置であって、加熱装置が該装置に存在し、該加熱装置により、それぞれ前記液体炭化水素化合物または液体の沸点以上の加熱が達成可能であり、
   前記液体炭化水素化合物または前記液体が、ボディ（１、１．１）または構造に形成される少なくとも一つの中空スペースを通じて流れ、該ボディ（１）または該構造が、それぞれ前記液体炭化水素化合物、及び／または、前記液体に含まれる化合物または化学元素に対して不活性な、セラミック材料から形成されること、
   を特徴とする装置。
2. 前記液体炭化水素化合物または前記液体が流れる中空スペースが、経路（２）の形態で形成されること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ボディ（１）の内部で、前記液体炭化水素化合物または液体が流れる少なくとも二つの経路（２）に分岐が行われること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 単一の経路（２）または複数の経路（２）が、前記ボディ（１）を通じて、蛇行状態でガイドされること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記ボディ（１）を通じてガイドされる多数の経路（２）が、異なる長さ、及び／または、異なる断面積サイズを有すること、
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記単一の経路（２）または多数の経路（２）の出口に、開口断面積の先細りが存在し、該出口が、拡大された開口断面積を有する拡大部分に接続されること、
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 少なくとも一つのさらなる経路が、前記ボディ（１）に形成され、該経路を介して、前記液体炭化水素化合物の前記沸点以上の温度への加熱が達成可能な加熱媒体が、好ましくはクロスフローまたはカウンターフロー状態でガイドされること、
   を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記ボディが、開口孔発泡体（１．１）であり、前記沸点以上に至る加熱の際に、その開口孔を通じて、前記液体炭化水素化合物または前記液体が流れること、
   を特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記発泡体（１．１）内部の空隙率、及び／または、孔サイズが、流れの方向で増加すること、
   を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記液体炭化水素化合物または前記液体が、セラミックファイバーから形成される構造を通じて流れること、
    を特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記ボディ（１）または前記構造の製造に、SiC、Si₃N₄、WC、AIN、TiN及びケイ化モリブデンから選択されるセラミック材料が用いられること、
    を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 燃料電池、特に高温型燃料電池の作動用のエタノールまたはエタノールと水の混合物の気化のための、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置の利用。