JPH02500589A - 液体水素化物の脱水素のための装置 - Google Patents

液体水素化物の脱水素のための装置

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JPH02500589A JP63506972A JP50697288A JPH02500589A JP H02500589 A JPH02500589 A JP H02500589A JP 63506972 A JP63506972 A JP 63506972A JP 50697288 A JP50697288 A JP 50697288A JP H02500589 A JPH02500589 A JP H02500589A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液体水素化物の脱水素のための装置 この発明は、加熱された蒸気水素化物を脱水素するための、熱交換器として設計 された化学反応装置と、水素化物を加熱するための熱交換用流体と、水素を燃焼 させることによって熱交換用流体を加熱するための少なくとも1つの燃焼室と、 熱交換用流体または反応装置から出る脱水素生成物を使用して、反応装置に供給 された水素化物を加熱するための少なくとも1つの熱交換器と、反応装置から出 る脱水素生成物を冷却するだめの少なくとも1つの熱交換器と、さらに反応装置 から出る冷却された脱水素生成物のための少なくとも1つの貯蔵容器とを有する 、液体水素化物を脱水素するための装置を含む。
詳細には、この発明は水素推進車両を駆動するに適切な、液体水素化物を脱水素 するための装置に関するものである。
水素推進燃焼エンジンによって駆動される実用的な車両を開発する際の基本的な 課題は、いかにして水素を車両内に適切に貯蔵するかということである。この点 に関して、液体水素化物内への水素の有機化学的貯蔵の利用が有益であることが 様々な視点から明らかとなった。標準圧力および標準温度下において簡単なタン クに貯蔵可能な液体であるメチルシクロヘキサンが、液体水素化物として特に適 切である。水素はトルエンの水素化によってメチルシクロへ牛サン内に貯蔵され る。
メチルシクロヘキサンは液体水素化物担体として車両にポンプ注入される。車両 は、加熱および適切な触媒の使用によってメチルシクロヘキサン(MCH)が化 学反応装置内においてトルエンおよび水素に分離される脱水素システムを含む。
このようにして回収された水素は一時的に貯蔵され、主に水素推進燃焼エンジン を駆動するために使用されるが、部分的には、脱水素のために必要とされる熱を 反応装置内において発生するためにも使用される。脱水素の間に生成された液体 トルエンもまた貯蔵され、次に車両が満たされるときにポンプに戻される。次に トルエンは、適切な水素化装置内において再び水素と化合されてM CHとなる ことが可能であり、サイクルを閉じる。
適切なテスト機構が開発され、それによって前記のプロセスが実際に明らかに実 現され得ることが示された。しかしながら、これらのテスト機構の場合、必要な 補助機器および測定機器を含めた脱水素システムは、トラックまたはトレーラの 荷積み領域空間を占めるような容積を有した。
これが、このテクノロジが現時点で実際には未だに実現不可能である根本的な理 由の1つである。
したがってこの発明の課題は、初めに述べられたタイプの液体水素化物を脱水素 するための装置を形成することである。これらの水素化物は、コンパクトかつ軽 量であり、さらに安価で製造できるという点において特に優れている。
請求の範囲に述べられているように、この課題は、化学反応装置および熱交換器 がすべてプレート形状であり、プレート形状の熱交換器が並行して積重ねられ、 貯蔵容器が熱交換器の積重ねの各正面端部に設置され、かっこの2つの貯蔵容器 がそれらの間に熱交換器の積重ねを囲い込み、タイ・ロッドとして作用するプレ ートが積重ねの両側に設置され(これらのプレートは貯蔵容器の相対する端部部 分に1熱交換器の積重ねからは少し距離をおいて取り付けられる)、さらに、様 々な熱交換器を共にリンクするバッフルおよび接続チャネルならびに少なくとも 1つの燃焼室がサイド・プレートと、熱交換器の積重ねの相対する側面との間の 空間に設置されることによって、本質的に解決される。
熱交換器およびそれらの積重ね形状の配置のプレート形状設計は、極めて空間節 約的な形状を形成する。反応媒体は10から20バールの圧力下にあるので、装 置は極めて安定していなければならない。この高い安定性は、両端部に配置され 、十分に堅固な材料から形成され得る貯蔵容器の間に、熱交換器パケットを設置 するという極めて簡単な構造的方法および、タイ・ロッドとして機能し、かつ貯 蔵容器にリンクされて、貯蔵容器に作用する力を簡単に吸収するサイド・プレー トによって得られる。したがって、圧力の力は熱交換器パケットを取囲むクラン プ形状貯蔵容器/サイド・プレートの配置によって吸収されるので、およそ20 バールの作動圧がかかるプレート形状の熱交換器を薄い材料から形成することが 可能であり、コストおよび材料経費は節減される。
水素を燃焼させることによって熱交換用流体を加熱するために使用される燃焼室 ならびに、様々な熱交換器を共にリンクするバッフルすなわち接続チャネルが、 サイド・プレートと、それらに相対する熱交換器の積重ねの側面との間の空間に 設置されることによってまた、空間および材料を特に節減する配置が得られる。
さらに、これによってまた、様々な流体の移動が大変短い距離で済み、これはま た装置が高度に能率的であることの一因となる。
この発明の理想的な設計においては、貯蔵容器が部分的に円柱状であり、円柱の 軸はプレート形状の熱交換器に平行に延び、部分的な円柱の直径は熱交換器の積 重ねの幅より大きく、かつ部分的円柱は半径方向に180°より大きく延びる。
したがって、部分的に円柱状の貯蔵容器は、両側面において熱交換の積重ねを越 えて延び、装置のサイド・プレートは、貯蔵容器の部分的に円柱状の壁にほぼ接 線的に配置され、それらにこの点において溶接される。貯蔵容器の部分的に円柱 状の形状はそれらに高い機械的安定性を付与し、同時に比較的薄い壁強度をも付 与する。その後のこの発明の適切な開発においては、化学的反応装置が熱交換器 の積重ねの中央に配置され、より熱くない熱交換器はどその外側方向に接続され るように、熱交換器を配置することが計画されている。数個の熱交換器が使用さ れる場合、特に個々の熱交換器の平均温度は内部から外部へ向けて減少するかも しれない。これは、熱損失を低く保ち、また絶縁問題を低減する。
この発明の特に理想的な特徴によると、装置は、中央に配置された反応装置の両 側に同一の熱交換器段が取付けられるように、対称的に設計される。したがって 、反応装置を例外として、その他の熱交換器段はすべて同じ様態で2度提供され 、プロセスは中央の反応装置と両側の2つの貯蔵容器との間の双方向に同一の様 態で2度繰り返される。
より特定的には、過熱段として働く熱交換器が反応装置の各々の側に設置され得 、次にこれらの両側に気化段として働く熱交換器が、これらの両側には予熱段と して働く熱交換器が、さらにこれらの両側には冷却段または凝縮器として働く熱 交換器が設置される。流体は、水素化物が予熱段、気化段、過熱段および反応装 置を順次に通過するように、水素化物の脱水素の後、脱水素生成物(H2および トルエンおよび無反応性MCH)が過熱段、予熱段および冷却段を通過し、反応 装置および気化段においてH2燃焼エンジンとともに使用されて水素化物を加熱 する熱交換用流体が、反応装置を通過した後、気化段を通過するように、循環す る。
この発明の特に理想的な特徴によると、プレート形状の熱交換器が、共に溶着さ れかつそれらの開に、多数の平行な管状フロー媒体チャネルと、前者に対して垂 直ないくつかのスロット状、波状チャネルとを交互に規定するいくつかのスタン プ・プロファイル・シートから各々なる、基本的に既知のタイプのハイブリッド 熱交換器として設計されると、極めて能率的な装置が得られる。そのようななハ イブリッド熱交換器は、管状交換器の熱および圧力に対する耐性をコンパクトで 材料節減的なプレート状交換器の設計と結合し、構造容積の立方メートルにつき 250m2交換表面までの加熱表面密度が実現可能である。横フロー・チャネル の波形コースは大きな乱流を形成し、したがって優れた熱伝達状態を形成する。
たとえば、適切なハイブリッド熱交換器がIPG ババリア(Bavaria) 、インドゥストリープラヌングスゲゼルシャフト・ミツト・ベシュレンクタ・ハ ツトラング・フェア・テルミシエ・フェアファーレンステヒニク(Indust rieplanungsgesellschaft mbHfur therm ische Verfahrenstechnik)/熱プロセス工学のたため の産業プランニング有限会社/、ミュンヘン、によってIPEX−Hybrid の名で提供されている。
この発明のさらなる有利な特徴は、その他の従属請求項ならびに、図面を使用し てこの発明の理想的な例がより詳細に説明される以下の説明から理解される。
第1図は、特許請求された装置の脱水素プロセスの概略図である。
第2図は、半ば概略的な、特許請求された装置の側面図である。
第3図は、半ば概略的な、特許請求された装置の上面図である。
第4図は、第2図の矢印IVの方向から見た装置の個々の熱交換器段の断面図で あって、装置の半分のみに関して個々の熱交換器段の側面が並列して示された。
第5図は、特許請求された装置のハイブリッド熱交換器の断面である。
まず第1図の基本的な図が参照される。第2図および第3図の図とは異なり、第 1図の基本的な図においては単一の熱交換器段のみが示され、一方第2図から第 4図に示された例においては2つの同一の熱交換器段が提供されていることに留 意されたい。しかしながら、明確にするために2組目の熱交換器段は第1図には 示されなかった。
第1図において、参照番号2は、車両タンク4に貯蔵された液体水素化物、特定 的にはメチルシクロヘキサン(MCH)を脱水素するために使用される脱水素装 置を示す。
水素の有機担体であるMCHは、およそ20バールの圧力下にある脱水素装置2 のタンク4から脱水素装置2内へ供給され、そこで触媒および加熱によって水素 とトルエンとに分離される。このプロセスによって回収された水素は一時的に貯 蔵容器6に貯蔵され、車両、たとえばトラックを駆動する水素エンジン8に動力 を供給するために使用される。水素エンジン8の熱い排気は脱水素装置2に供給 され、反応装置を加熱する。エンジン排気から脱水素装置2に伝達された熱は脱 水素装置の熱要求を満たすに十分ではないので、脱水素装置における熱不足は、 生成された水素の一部を燃焼させることによって補われる。
第1図に示されたサイクルが以下においてより詳細に検討される。
脱水素装置2は、凝縮段10、予熱段12、気化段14、過熱段16および化学 反応装置18からなる。タンク4内のMCHはおよそ20バールの圧力下でポン プ20を介して脱水素装置2へ供給され、まず熱交換器として設計された予熱段 12を通過し、そこでおよそ235℃の温度にまで予め加熱される。次に予め加 熱されたMCHは、同様に熱交換器として設計された気化段14を通過し、この 時点まで液体であったM CHはここでさらに加熱されて気化する。次にMCH 蒸気は、熱交換器として設計された過熱段16を通過し、過熱段16で、反応温 度をわずかに下まわるおよそ390℃まで加熱される。加熱された蒸気は次に反 応装置18内に入り、触媒およびさらに加熱されることによって脱水素され、水 素と蒸気トルエンとが主な脱水素生成物として生成される。
反応装置18から排出された水素−トルエン混合物はここでおよそ420℃の温 度を有し、再び過熱段16に供給され、そこでその熱の一部を、過熱されるべき MCIに伝達する。過熱段16を出た後、水素−トルエン混合物はおよそ250 ℃の温度を有し、次に予熱段12へ供給され、タンク4から来る液体MCHを予 め加熱する。最後に、冷却された水素−トルエン混合物は凝縮段10を通過し、 そこにおいてトルエンはさらに冷却かつ凝縮される。ここに説明された例におい ては、空気が凝縮段10のための冷却媒体として供給される。この空気はファン 22を介して熱交換器10に供給される。明らかに、たとえば冷却水もまた別の 冷却媒体として使用され得るであろう。
およそ30℃まで冷却された脱水素生成物、特定的には主に水素およびトルエン は最後に貯蔵され、または一時的に貯蔵容器6にトルエンは液状、水素は蒸気状 で貯蔵される。さらに、所望されれば、トルエンは水素から分離され得るが、そ の方法については詳細には説明されない。
反応装置18を加熱するためには、熱い排気が水素エンジンからそれに供給され る。既に述べられたように、水素エンジンからの排気の温度は反応装置18の熱 要求を満たすには十分ではないので、水素エンジンからの排気の温度をおよそ6 50℃まで上げるために、さらに水素が反応装置18の適切な燃焼室24.26 および28において燃焼させられる。反応装置全体にわたる熱の均一な分配を補 償するために、反応装置は全体で3つの段階に設計される。
各段階は各々燃焼室24.26または28を有し、およそ420℃まで冷却され た排気がそこにおいて再び650℃まで加熱される。
反応装置18を通過した後、水素エンジンからの排気は気化器14を通過し、そ こで熱をMCHに伝達しながらおよそ330℃まで冷却される。次に排気は大気 中に排出される。
以下においては第2図から第5図が参照される。
第2図および第3図に見られるように、脱水素装置2は1つの統一ブロックから なる。それは中央に配置された反応装置と、その両側に取付けられた、過熱段1 6a、16b1気化段14a、 14b、予熱段12g、 12b、凝縮段10 a、10b、および貯蔵容器6a、6bからなる。
各段10a、10b、12a、12bx 14a、14bs16aおよび16b 1ならびに反応装置18はプレート形状熱交換器として設計され、第2図の矢印 IVの方向において本質的に同じ大きさを有する。個々のプレート形状の熱交換 器は並行に積重ねられて統一ブロックを形成し、第2図および第3A図に明らか なように、貯蔵容器6a16bが熱交換器ブロックの両端部に設置される。各貯 蔵容器は部分的に円柱状であり、その軸は個々の熱交換プレートの長手方向側面 に平行に延びる。部分的に円柱状の貯蔵容器6a、6bの大きさは、第3図に明 らかなように、熱交換器パケットの奥行より大きく、その結果貯蔵容器6a。
6bは側方に熱交換器パケットを越えて突出する。サイド・プレート30.32 が設けられ、それらは熱交換器パケットの側面に平行に延び、貯蔵容器6a、6 bに面するその両端縁は、サイド・プレート30.32が部分的に円柱状の貯蔵 容器6g、6bに対してほぼ接線的に延びるように、しっかりと貯蔵容器に溶着 される。第2図に見られるように、個々の熱交換器に配置されたヘッド・ピース が上部において熱交換器を閉鎖する。下方閉鎖プレート34はその正面端部によ って貯蔵容器6a、6bに、かつその長手方向側面に沿ってサイド・プレート3 0.32に溶着され、熱交換器パケットをその底部において閉鎖する。
以下においてより詳細に説明されるように、個々の熱交換器10aから16bお よび反応装ff118は、補強を加えることなしには熱交換器パケットにかかる 高い作動圧を封じることができない個々の、比較的薄いプレートからなる。
特許請求された配置の場合には、圧力は2つの貯蔵容器6as6bによって端部 において吸収される。これらの貯蔵容器は十分に堅固な材料からなり、いずれの 場合にせよ、それらの円柱状形状に基づく高い固有安定性を呈する。2つの貯蔵 容器6a、6bをリンクするサイド・プレート30.32は2つの貯蔵容器6a 、6bの間のタイ・ロッドとして働き、したがって熱交換パケットは2つのサイ ド・プレートによってブラケットされ、その結果、発生する圧力は脱水素装置に よって簡単に吸収される。
個々の熱交換器を通って流れる流体のためのガイドおよびバッフルチャネルなら びに燃焼室24から28は、サイド・プレート30.32と、熱交換器パケット の相対する側壁との間の空間36および38に配置される。
個々の熱交換器10aから16bおよび18は各々、第5図の断面に示されたよ うにハイブリッド熱交換器からなる。各熱交換器は、共に溶着された数個のプレ ート・エレメント40からなり、それらは、溶着されたプレート・パケットが成 る方向−第5図の断面図においては図面の平面に対して垂直な方向−において管 状フロー媒体チャネルを有し、かつ横方向においては1第5図の場合には水平に 一プレート・パケットの一方から他方へ波状に延びるスロット状フロー媒体チャ ネルを有するようなスタンピングを呈する。管状フロー媒体チャネル42は以下 において管と呼ばれ、スロット状の、波状フロー媒体チャネルはスロットと呼ば れる。
以下においては第4図が参照されるであろう。第2図および第3図に示された配 置の半分のみが第4図には示される。しかしながら残り半分は全く同一のものな ので、この発明を理解するには一方の半分の説明で十分である。
タンク4から(第1図を参照)脱水素装置2へ供給されたMCHは下方から予熱 段ユ2に入り、熱交換器の垂直に延びるスロット内を通過する。予熱段12の熱 交換器は、順次互いの上部に積重ねられ、スロットが共にリンクされた6つの区 画12.1.12.2.12.3.12.4.12.5および12.6からなる 。管は水平に配置され、過熱段16からくる脱水素生成物は、上方区画12.6 に始まって各区画を順次に通って流れ、下方区画12.11:達する。矢印で示 されたように、脱水素生成物は予熱段階12を上部から底部へ主に蛇行して流れ 、その結果2つの構成要素は予熱段12を向流して流れる。個々の区画12゜1 から12.6を通して蛇行した流れを生じさせるために、側方空間36.38に は適切なガイド・プレートが設置され、かつプレート・エレメント上の適切な場 所にはスタンピングが設けられる。
予め加熱されたMCIは予熱段12の上面から出て、次に気化段14の上面に供 給される。この気化段においては、熱交換器のスロットが同様に垂直に延び、管 はそれらに対して横方向に、すなわち水平に延びる。MCHはまず気化段14を 上部から底部へと流れ、次に熱交換器の反対側において底部から上部へと流れる 。プレート・エレメント中央部のスタンピングは、第4図においては熱交換器の 左部分が右部分から分離されることを保証する。
反応装置18からくる加熱された排気は上方から空間38を介して気化段14へ と流れ、熱交換器の管を通過した後、空間36に達し、そこから大気中へ排出さ れる。
ここで気化段14から出た蒸気MCHは上方から過熱段16へ供給され、その下 方端部から出る。過熱段16の設計は予熱段12のそれに対応し、詳細には、過 熱段16もまた6つの区画16.1から16.6からなり、それらは順次互いの 上部に積重ねられ、反応装置18を出た脱水素生成物がそれを介して上部から底 部へと曲折して流れる。
2つの構成要素はまた向流して過熱段16を通過する。
過熱段16の底部において排出される蒸気MCIは次に、熱交換器のスロットが 同様に垂直に延びる反応装置18へ上部から供給され、その結果MCHは反応装 置を波状に上部から底部へと通過する。反応装置18は順次互いの上部に積重ね られた3つの段18.1.18.2、および18゜3から構成され、水素エンジ ンからの排気は各段18.1から18.3を順次通過する。空間36.38内の バッフル・プレートによって、排気は連続する段を交互に反対方向へ通過するよ う向けられる。空間36.38内のバッフル・プレート46.48は室24.2 6.28を規定し、その中に向けて水素供給パイプ50.52.54が各々下方 部分に向けて開いている。さらなる水素がこれらの燃焼室24.26および28 において燃焼させられ、上記のように、水素エンジンからの排気を必要とされる 反応温度まで加熱する。
第4図から明らかなように、概して反応装N18もまた向流して作動される。
予熱段12の下方端部から出る脱水素生成物、特定的には主に水素およびトルエ ンは、熱交換器が垂直な連続スロットおよび水平な管を有する凝縮段10の上面 に供給される。水素−トルエン混合物を冷却するためには新鮮な空気が空間38 を介してファンによって下方から熱交換器10の管へ供給される。この新鮮な空 気は右から左へと熱交換器を通過し、空間36に集められ、上方に向けて大気中 へ排出される。
最後に、冷却された水素−トルエン混合物は凝縮段10の底部に排出されて貯蔵 容器に供給され、水素はさらなる使用のためにそこに一時的に貯蔵される。
国際調査報告 国際調査報告 EP 8800803 5人 239ヱS

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.加熱された蒸気水素化物の脱水素のための、熱交換器としてされた化学反応 装置と、 水素化物を加熱する熱交換用流体と、 水素を燃焼させることによって熱交換用流体を加熱する少なくとも1つの燃焼室 と、 熱交換用流体または反応装置から出る脱水素生成物を使用して、反応装置に供給 された水素化物を加熱する少なくとも1つの熱交換器と、 反応装置から出る脱水素生成物を冷却する少なくとも1つの熱交換器と、 反応装置から出る冷却された脱水素生成物のための少なくとも1つの貯蔵容器と を有する、液体水素化物の脱水素のための装置であって、化学反応装置(18) および各熱交換器(10、12、14、16)がプレート形状であり、プレート 形状の熱交換器(10から18)が、並行して積重ねられ、 貯蔵容器(6a、6b)が熱交換器の積重ねの両端部に設置され、その2つの貯 蔵容器(6a、6b)はそれらの間に熱交換器の積重ねを囲い込み、タイ・ロッ ドとして作用するプレート(30、32)が積重ねの両端部に設置され、各プレ ートは両端部において一方の貯蔵容器(6a、6b)に熱交換器の積重わからは 少し距離をおいて取付けられ、様々な熱交換器(10から18)を共にリンクす る、バッフルまたは接続チャネルならびに少なくとも1つの燃焼室(24、26 、28)が、サイド・プレート(30、32)と、熱交換器の積重ねのそれらに 相対する側面との間の空間(36、38)に設置される、ことを特徴とする、装 置。
  2. 2.貯蔵容器(6a、6b)が部分的に円柱状であり、円柱の軸はプレート形状 の熱交換器(10から18)に平行に延び、部分的円柱の直径は熱交換器の積み 重ねの幅より大きく、かつ部分的円柱は180°を越えて延びることを特徴とす る、請求の範囲第1項に記載の、装置。
  3. 3.熱交換器(10から18)が、化学反応装置(18)が熱交換器の積重ねの 中央に配置され、かつより熱くない熱交換器(10から18)ほど外側方向に向 けてそれに取付けられることを特徴とする、請求の範囲第1項または第2項に記 載の、装置。
  4. 4.数個の熱交換器(10から16)が使用される場合、個々の熱交換器の温度 が内部から外部へと減少することを特徴とする、請求の範囲第3項に記載の、装 置。
  5. 5.同一の熱交換器段(16a、16b;14a、14b;12a、12b;1 0a、10b)が、中央部に位置する反応装置(18)の各側面に取付けられる ように、対称的に設計されることを特徴とする、請求の範囲第3項または第4項 に記載の、装置。
  6. 6.水素化物または脱水素生成物が、予熱段、気化段、過熱段、反応装置、過熱 段および予熱段を順次通過し、熱交換用流体が反応装置および気化段を順次通過 する装置であって、反応装置の各側面上には過熱段(16)として働く熱交換器 (16a、16b)が存在し、その各々に気化段(14)として働く熱交換器( 14a、14b)が取付けられ、その各々に予熱段(12)として働く熱交換器 (12a、12b)が取付けられることを特徴とする、請求の範囲第1項から第 5項のうちの1つに記載の、装置。
  7. 7.脱水素生成物のための冷却段(10)として働く熱交換器(10a、10b )が、予熱段(12)として働く熱交換器(12a、12b)の各側面に取付け られることを特徴とする、請求の範囲第6項に記載の、装置。
  8. 8.数個の熱交換器(12、16、18)が概して向流して理想的に作動される ことを特徴とする、請求の範囲第1項から第7項のうちの1つに記載の、装置。
  9. 9.共に溶着されかつそれらの間に、多数の平行な管状フロー媒体チャネル(4 2)と、前者に対して垂直ないくつかのスロット状、波状のチャネル(44)と を交互に規定するいくつかのスクンプ・プロファイル・シート(40)から各々 なる、基本的に既知のタイプのハイブリッド熱交換器として、プレート形状の熱 交換器(10から18)が設計されることを特徴とする、請求の範囲第1項から 第8項のうちの1つに記載の、装置。
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