Im Rahmen der Reformiergasaufbereitung ist der erste,zentrale Verfahrensschritt nach dem eigentlichen Reforming dieCO-Konvertierung im katalytischen Festbettreaktor:

CO + H2O $ CO2 + H2 DrH = ± 42 kJ/mol

Aufgrund der Gleichgewichtslimitierung erfolgt dieReaktion meist in zwei adiabaten Stufen mit ZwischenkuÈ hlung,zunaÈ chst bei hoher und dann bei niedriger Temperatur. Zudemwird mit einem Mehrfachen der stoÈ chiometrisch notwendigenWassermenge gearbeitet.

Das vorgeschlagene Reaktorkonzept beruht auf einergezielten Gleichgewichtsverschiebung fuÈ r die CO-Konvertierunginnerhalb des Reaktors mittels eines CO2-selektiven Adsorptions-mittels. Als Festbett wird hierzu eine Mischung aus Katalysator-und Adsorbenspartikeln eingesetzt. Auf diese Weise kann das Re-aktionsgleichgewicht auch bei relativ hohen Temperaturen weitauf die Produktseite verschoben werden. Diese sogenannte ¹ad-sorptive ReaktionsfuÈ hrungª ermoÈ glicht die DurchfuÈ hrung der Kon-vertierung in einer einzigen Reaktionsstufe mit deutlich hoÈ herenUmsaÈ tzen als im herkoÈ mmlichen zweistufigen Betrieb. Dement-sprechend sinkt der Aufwand fuÈ r nachfolgende Reinigungs-schritte erheblich, und die Einsparung nachfolgender Reaktorenerscheint moÈ glich. Ein weiterer Vorteil besteht in der MoÈ glichkeiteiner deutlichen Senkung des H2O-Ûberschusses. Nachteile sindeine inhaÈ rent periodische Betriebsweise und evtl. ein verstaÈ rktesAuftreten von Nebenreaktionen.

Der Nutzen einer adsorptiven ReaktionsfuÈ hrung haÈ ngtentscheidend von den Eigenschaften des eingesetzten Adsorpti-onsmittels ab, beispielsweise von der TemperaturabhaÈ ngigkeitund SelektivitaÈ t der Adsorption sowie der Regenerierbarkeit desAdsorbens. Verschiedene CO2-Sorbentien werden unter diesemAspekt miteinander verglichen, s. Abb. Aussichtsreich erscheinendabei Mischoxide auf der Basis von Lithium und Zirkonium.

Die Simulationsergebnisse fuÈ r den vorgeschlageneneinstufigen CO-Konvertierungsreaktor mittels eines eindimensio-nalen, pseudohomogenen Dispersionsmodells fuÈ r den einstufigenadsorptiven Festbettreaktor belegen die technische Realisierbar-keit des Konzeptes und gestatten eine GegenuÈ berstellung zum kon-

ventionellen Verfahren. Anhand erster Versuchsergebnisse wirddie Umsetzung des Vorschlages in die Praxis demonstriert. Ab-schlieûend erfolgt eine vorlaÈufige Bewertung des Reaktorkonzep-tes.

086

Partielle Oxidation von fluÈ ssigenBrennstoffen fuÈ r den Einsatz inBrennstoffzellenanwendungen

L U T Z H A R T M A N N , C H R I S T I A N M E N G E L , H E I N R I C H K Ú H N E

Energie- und Stofftransport, RWTH Aachen, D-52056 Aachen;

K L A U S L U C K A

Oel-WaÈrme-Institut, D-52072 Aachen.

Das Interesse an der Entwicklung wirtschaftlicher Brennstoffzel-lensysteme hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aufdem Gebiet der Energiewirtschaft stellen Brennstoffzellen eine in-teressante Alternative dar. Hohe Nutzungsgrade auch bei Anlagenkleiner Leistung und im Teillastbereich folgen unmittelbar aus demPrinzip der elektrochemischen Umwandlung ohne die BeschraÈ n-kungen des Carnot-Wirkungsgrades thermischer Energieum-wandlung.

Wasserstoff ist kein PrimaÈ renergietraÈ ger, sondern mussaus anderen Energiequellen ¹erzeugtª werden. Derzeit am Wei-testen entwickelt und kommerziell verfuÈ gbar sind Verfahren zurWasserstoffsynthese aus Erdgas. Øhnliche Entwicklungen auf Ba-sis von fluÈ ssigen Brennstoffen wie beispielsweise HeizoÈ l EL sindnoch nicht verfuÈ gbar. Am Institut fuÈ r Energie- und Stofftransport(EST) der RWTH Aachen wird in Zusammenarbeit mit dem Oel-WaÈ rme-Institut (OWI), Aachen, an der Entwicklung eines Fuel-Prozessors zur Erzeugung eines Brennstoffzellen vertraÈ glichenEduktgases auf Basis von fluÈ ssigen Brennstoffen gearbeitet. Hier-bei wird das Verfahren der partiellen Oxidation genutzt.

Der eigentliche Fuel-Prozessor besteht aus zwei ther-misch und stroÈ mungstechnisch getrennten ReaktionsraÈ umen. Inder ersten Stufe wird der fluÈ ssige Brennstoff mit der fuÈ r den Pro-zess notwendigen Verbrennungsluft vermischt und verdampft. DiefuÈ r die Verdampfung notwendige WaÈ rme wird autotherm durchVorreaktionen des Brennstoff/Luft-Gemischs, in Form einer kal-ten Flamme, im Prozess selbst erzeugt. Kalte Flammen sind exo-therme Vorreaktionen von Kohlenwasserstoffen, die auch bei aus-reichendem Sauerstoffangebot nur einen Teilumsatz des Brenn-stoffes bewirken. Hierbei ergeben sich Gemischtemperaturenvon etwa 480 8C. Aufgrund der charakteristischen reaktionskineti-schen Hemmung kommt es auch bei laÈ ngeren Verweilzeiten nichtzu einer SelbstzuÈ ndung des Gemisches.

Das erzeugte homogene Brennstoff/Luft-Gemisch wirdin der zweiten Stufe des Fuel-Prozessors durch partielle Oxidation(POX) bei Temperaturen um 1100 bis 1200 8C umgesetzt. AlsHauptprodukt entstehen hierbei Wasserstoff und Kohlenmon-oxid. Je nach eingesetztem Brennstoffzellentyp kann das imFuel-Prozessor gebildete Kohlenmonoxid in einer nachgeschalte-ten Shift-Stufe gemaÈ û der Wassergasgleichung zu CO2 umgewan-delt werden. Hierbei entsteht zusaÈ tzlicher Wasserstoff. Bei Einsatzeiner Hochtemperaturbrennstoffzelle kann das in der POX er-

Abbildung.CO-Gleichgewichtsmolanteil bei der Konvertierung fuÈ r ver-schiedene Sorbentien; Ausgangsgemisch: 10,9 % CO,16,3 % H2O, 47,6 % H2, 6,3 % CO2, 18,9 % N2.

983B r e n n s t o f f z e l l e nChemie Ingenieur Technik (72) 9 I 2000

zeugte Gasgemisch direkt zur Stromerzeugung herangezogen wer-den. Hierdurch wird die Gasaufbereitung wesentlich vereinfacht.

Untersuchungen haben ergeben, dass mit Reduktiondes LuftverhaÈ ltnisses die gemessene Produktausbeute deutlich ab-nimmt. Ein Vergleich der gemessenen Gaskonzentrationen mit denberechneten Werten (s. Abb.) zeigt, dass die Produktgaszusam-mensetzung, insbesondere bei LuftverhaÈ ltnissen von k > 0,38,sehr nah an den berechneten Gleichgewichtskonzentrationenliegt. Bei geringeren LuftverhaÈ ltnissen ergibt sich eine zuneh-mende Differenz zwischen den berechneten und gemessenen Kon-zentrationen von CO und H2. Dieser Widerspruch zur Theorie wirddurch die mit Abnahme des LuftverhaÈ ltnisses resultierende Redu-zierung der Reaktionstemperatur hervorgerufen. Dadurch erfolgteine Verschlechterung des Kohlenwasserstoffumsatzes. Zur Reali-sierung befriedigender Produktausbeuten sind entsprechend hoheReaktionstemperaturen einzustellen.

087

Energetisch und verfahrenstechnischoptimierte Abscheidung nanoskaligerPartikel aus FluÈ ssigkeiten mitMembranen

D R . - I N G . J . A L T M A N N (Vortragender),

P R O F . D R . - I N G . S . R I P P E R G E R

TU Dresden, Institut fuÈ r Verfahrenstechnik und Umwelttechnik,Lehrstuhl fuÈ r Mechanische Verfahrenstechnik, D-01062 Dresden.

Bei der Querstromfiltration kann man bei vielen technischen Ap-plikationen FiltratstroÈ me im GroÈ ûenbereich von 20 bis 200 l/(m2 h)feststellen. Bei groûen aufzuarbeitenden StoffstroÈ men fuÈ hren

diese geringen FiltratstroÈ me zu einem hohen MembranflaÈ chenbe-darf und damit zu hohen Anlagenkosten, die einen wirtschaftlichenEinsatz dieser Verfahrenstechnik oft nicht ermoÈ glichen. Aus die-sem Grund wurden eine Vielzahl von Methoden zur Steigerungdes Filtratstromes entwickelt.

Wie die Abbildung zeigt, kann einerseits eine Steige-rung des Filtratstromes durch eine geeignete VeraÈnderung der Ei-genschaften der zu filtrierenden Suspension durch Zugabe vonHilfsstoffen erzielt werden oder andererseits der Prozess der Deck-schichtbildung auf der Membran durch Ausnutzung unterschied-licher physikalischer Effekte beeinflusst werden. Hierbei kannman wiederum in Methoden unterteilen, die staÈndig in einem in-stationaÈ ren Filtrationsregime arbeiten, und in Methoden, bei de-nen die Partikelablagerung auf der Membran gehemmt wird.

Da filtratstromsteigernde Maûnahmen meist mit einemanlagentechnischen und energetischen Aufwand verbunden sind,ist eine Optimierung zwischen maximaler Filtratausbeute und demAufwand zur Steigerung des Filtratstromes unumgaÈ nglich. Am Bei-spiel der Querstromfiltration mit uÈ berlagertem elektrischem Feldund der Querstromfiltration mit periodischer RuÈ ckspuÈ lung kannanhand theoretischer und experimenteller Untersuchungen ge-zeigt werden, dass eine guÈ nstige Wahl der Betriebsparameternicht nur zu einer Steigerung des Filtratstromes fuÈ hrt, sondernauch den energetischen Aufwand bei der Filtration minimiert.

Durch den Vergleich der verschiedenen Methoden zurSteigerung des Filtratstromes koÈnnen Einsatzfelder der einzelnenMethoden voneinander abgegrenzt werden und optimale Anwen-dungsstrategien aufgezeigt werden.

Abbildung.Prinzipskizze des Fuel-Prozessors (rechts), gemessene Reakti-onstemperaturen (links oben), berechnete und gemesseneProduktausbeute fuÈ r verschiedene LuftverhaÈ ltnisse beiP = 4,7 kW (links unten).

Abbildung.

984 F i l t r a t i o nChemie Ingenieur Technik (72) 9 I 2000