Anlagenbeschreibung für einen Teststand zurUntersuchung ... · Anlagenbeschreibung für einen Teststand zurUntersuchung der Reaktionskinetik von Reformerkatalysatoren Dampfreformer

Anlagenbeschreibung für einen TeststandzurUntersuchung der Reaktionskinetik

von Reformerkatalysatoren

DampfreformerStandort NC 05 Raum 485 (Bunker)

Bochum 10.11.2009

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

1 Haftungsausschluss-Erklärung .................................................................................. 1

2 Thermodynamik der Dampfreformierung................................................................... 2

2.1 Gleichgewichtsberechungen zur Dampfreformierung .............................................. 4

2.2 Kinetik der Dampfreformierung ................................................................................ 9

3 Beschreibung der Anlage.......................................................................................... 13

3.1 Aufbau.................................................................................................................... 14

3.2 Komponenten......................................................................................................... 17

3.2.1 Reaktor ...................................................................................................................... 27

3.3 Beschreibung der Medienzuführungen .................................................................. 30

3.3.1 Stickstoff .................................................................................................................... 30 3.3.2 Methan, Wasserstoff.................................................................................................. 31 3.3.3 Wasser (flüssig)......................................................................................................... 31 3.3.4 Reformeredukt........................................................................................................... 32 3.3.5 Reformat.................................................................................................................... 32 3.3.6 Kondensat ................................................................................................................. 33

3.4 Steuerung .............................................................................................................. 33

4 Betrieb der Anlage ..................................................................................................... 38

4.1 Inbetriebnahme ...................................................................................................... 38

4.2 Anfahren und Normalbetrieb .................................................................................. 38

4.3 Abfahren und gesichertes Abfahren....................................................................... 39

4.4 Austausch des Katalysators................................................................................... 39

5 Sicherheitshinweise................................................................................................... 42

5.1 Vorwort................................................................................................................... 42

5.2 Grundlegende Sicherheitshinweise........................................................................ 43

5.2.1 Organisatorische Maßnahmen .................................................................................. 43 5.2.2 Bedienung ................................................................................................................. 44 5.2.3 Wartung und Instandsetzung..................................................................................... 44

5.3 Potentielle Gefahren .............................................................................................. 46

5.4 Verwendete Gase und deren Stoffeigenschaften................................................... 46

5.4.1 Wasserstoff................................................................................................................ 46 5.4.2 Kohlenmonoxid.......................................................................................................... 47 5.4.3 Kohlendioxid .............................................................................................................. 48 5.4.4 Methan....................................................................................................................... 48

Inhaltsverzeichnis

II

5.5 Verhinderung potentieller Gefahren ....................................................................... 48

5.6 Störfälle .................................................................................................................. 49

6 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 51

7 Anhang ........................................................................................................................ 52

Abbildungsverzeichnis

III

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Schematische Darstellung des Gasprozesses ........................................ 2

Abbildung 2-2: Kohlenstoffabscheidung im thermodynamischen Gleichgewicht ............. 4

Abbildung 2-3: Druck- und temperaturabhängiger Umsatz der Dampfreformierung........ 6

Abbildung 2-4: Höhenlinien des Umsatzgrades der Dampfreformierung......................... 7

Abbildung 2-5: Trockene Gleichgewichtszusammensetzung der Dampfreformierung

bei p = 1 bar und S/C = 3......................................................................... 8

Abbildung 2-6: Energetischer und physikalischer Verlauf einer endothermen Reaktion

mit und ohne Katalysator ....................................................................... 10

Abbildung 3-1 Fließschema des Teststandes................................................................... 14

Abbildung 3-2 Schematische Zeichnung des Teststandsracks......................................... 16

Abbildung 3-3 Frontansicht des Versuchsstandes............................................................ 17

Abbildung 3-4 Verdampfer................................................................................................ 18

Abbildung 3-5 Gasdosierungseinheit ................................................................................ 20

Abbildung 3-6 Probenentnahmestrecke (Front-, Seiten- und Rückansicht) ...................... 21

Abbildung 3-7 Rückansicht der Anlage............................................................................. 23

Abbildung 3-8 Relais-Block............................................................................................... 25

Abbildung 3-9 Gasanschlüsse .......................................................................................... 26

Abbildung 3-10 Innenansicht des Reaktors ...................................................................... 27

Abbildung 3-11 Ansicht des Reaktoraustritts .................................................................... 29

Abbildung 3-12 Labview – Bedienoberfläche.................................................................... 33

Abbildung 3-13 Mess – Steuer – und Regelungsprinzip................................................... 37

Abbildung 4-1 Ausbau des Reaktorsrohres ...................................................................... 40

Abbildung 7-1 Konstruktionszeichnung des Verdampfers ................................................ 52

Abbildung 7-2 Konstruktionszeichnung des Wasservorlagebehälters .............................. 53

Abbildung 7-3 Konstruktionszeichnung des Luftkühlers ................................................... 54

Abbildung 7-4 Konstruktionszeichnung der Heizschalenhalterung ................................... 55

Abbildung 7-5 Konstruktionszeichnung des Reaktors incl. der Flansche und der

Einbauten .............................................................................................. 56

Tabellenverzeichnis

IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 7-1 Liste der im Fließschema aufgeführten Komponenten................................... 57

1. Haftungsausschluss-Erklärung

1

1 Haftungsausschluss-Erklärung

Ansprüche des Auftraggebers auf Schadensersatz – gleich aus welchem Rechtsgrund –

sind ausgeschlossen. Hiervon ausgenommen sind Schäden aus der Verletzung des

Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wenn ZBT die Pflichtverletzung zu vertreten

hat, und für sonstige Schäden, die auf einer vorsätzlichen oder grob fahrlässigen

Pflichtverletzung von ZBT beruhen.

2. Thermodynamik der Dampfreformierung

2

2 Thermodynamik der Dampfreformierung

Der für den Betrieb von Brennstoffzellen (z.B. PEMFC) notwendige Wasserstoff mit den

spezifischen Anforderungen muss aufgrund der derzeit noch nicht existierenden

Infrastruktur dezentral erzeugt werden. Obwohl als Ziel der Energiewirtschaft eine rein

regenerative Gewinnung zur zeitlich unbeschränkten Nutzung angestrebt wird, steht

diese technologisch bzw. ökonomisch noch nicht flächendeckend zur Verfügung. Für

einen Übergangszeitraum muss daher noch auf fossile Energieträger zurückgegriffen

werden.

Der gesamte Gasprozess besteht aus drei unterschiedlichen Reaktionsstufen, die

gemäß Abbildung 2-1 in Reihe angeordnet sind. In einer ersten Reaktionsstufe wird der

eingesetzte Energieträger umgewandelt und neben dem Primärprodukt Wasserstoff

entsteht Kohlenmonoxid. Dieses Kohlenmonoxid wird in einer nachgeschalteten Shift-

Reaktion mit Wasserdampf nahezu vollständig zu Kohlendioxid und Wasserstoff

umgesetzt. Im letzten Prozessschritt wird das restliche Brennstoffzellengift

Kohlenmonoxid abgereinigt.

Umsetzung desEnergieträgers Shift-Reaktion Gasfeinreinigung

Abbildung 2-1: Schematische Darstellung des Gasprozesses

Zur Umsetzung des Energieträgers stehen die Reaktionspartner Luft und

Brennstoffzellenproduktwasser zur Verfügung. Daraus ergeben sich die möglichen

Prozesse Dampfreformierung (mit Wasser), partielle Oxidation (mit Luft) und

autotherme Reformierung (mit Luft und Wasser). Alternativ könnte auch ohne einen

Reaktionspartner aus dem Energieträger Wasserstoff erzeugt werden. Dieser Prozess


3

wird als Cracken bezeichnet und unterscheidet sich grundlegend von den übrigen. Bei

den folgenden thermodynamischen Untersuchungen zur Wasserstofferzeugung mittels

der Dampfreformierung wird versucht, die Darstellung der Theorie allgemeingültig in

Bezug auf den eingesetzten Kohlenwasserstoff zu halten. Bei der Beschränkung auf

Alkane, die den Hauptbestandteil der zu untersuchenden Energieträger sind, wird zur

Quantifizierung der Ergebnisse häufig Methan als Repräsentant verwendet.

Großtechnisch wird die Dampfreformierung, die nach den unabhängigen

Reaktionsgleichungen

Gl. 2-1 molkJh 205,63HCOOHCH 0224 +=∆+→+

und

Gl. 2-2 molkJh 2,41HCOOHCO 0222 −=∆+→+

abläuft, zur Wasserstofferzeugung durchgeführt. Gl. 2-1 ist die geschwindigkeits-

bestimmende Reaktion, da Gl. 2-2 viel schneller abläuft. Diese Reaktion wird häufig als

WGS-Reaktion (Water Gas Shift) bezeichnet. Die CO2 – Konzentration folgt aus dem

spontanem Gleichgewicht der Gl. 2-2. Für die Berechnung der

Standardreaktionsenthalpien wird die Standardbildungsenthalpie von gasförmigem

Wasser verwendet, da es sich um eine homogene Reaktion handelt und die

Vorwärmung und Verdampfung des Wassers in vorgeschalteten Wärmeübertragern

vorgenommen wird. Sämtliche Standardbildungsenthalpien wurden einer Quelle

entnommen [LIDE97]. Aus der Bruttoreaktion, die sich aus der symbolischen Summation

der vorgenannten Reaktionsgleichungen ergibt,

Gl. 2-3 molkJh 4,1644HCOOH2CH 02224 +=∆+→+

kann ein Wasserbedarf von zwei Wassermolekühlen pro Methanmolekühl abgelesen

werden. In der Literatur wird der Quotient verallgemeinert auf Kohlenstoff-stämmige

Energieträger als S/C-Verhältnis angegeben1. Dieser Parameter, der Druck und die

Temperatur sind die Einflussfaktoren auf das thermodynamische Gleichgewicht. Eine

1 S/C aus dem englischen: Steam to Carbon = Wasserdampf zu Kohlenstoff


4

übersichtliche Darstellung bei der Variation von drei Parametern ist nicht möglich.

Daher wird das S/C-Verhältnis zunächst, wie aus verschiedenen Veröffentlichungen

bekannt, auf den Wert drei festgesetzt.

2.1 Gleichgewichtsberechungen zur Dampfreformierung

Für einen störungsfreien Betrieb eines Dampfreformers muss die Ablagerung von

elementarem Kohlenstoff verhindert werden, da dies zu einer Deaktivierung des

Katalysators führt. Ohne auf eine detaillierte Beschreibung der Mechanismen und der

Kohlenstoffarten einzugehen, werden in Abbildung 2-2 die Kohlenstoffbildungsgrenzen

dargestellt.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temperatur [°C]

S/C

-Ver

hältn

is

BenzinDieselButanPropanMethan

C-Abscheidung

keine C-Abscheidung

Abbildung 2-2: Kohlenstoffabscheidung im thermodynamischen Gleichgewicht

Darin ist zu erkennen, dass sich oberhalb von 600 °C die Kohlenstoffabscheidungs-

grenzen aller eingesetzten Kohlenwasserstoffe gleich verhalten. Sie benötigen ein

minimales S/C-Verhältnis von etwa 1,8, um Kohlenstoffabscheidung in diesem

Temperaturbereich zu verhindern. Unterhalb dieser Temperatur unterscheidet sich

Methan wesentlich von den längerkettigen Kohlenwasserstoffen. Bei Methan ist mit

sinkender Temperatur auch ein niedrigeres S/C-Verhältnis notwendig. Bei den übrigen


5

Energieträgern wird ein höheres S/C-Verhältnis erforderlich. Dies ist darauf

zurückzuführen, dass im Gleichgewicht nahezu ausschließlich Methan als

Kohlenwasserstoff existiert. Für dessen Bildung ist aufgrund des hohen C/H-

Verhältnisses der langkettigen Kohlenwasserstoffe (Methan: 0,25; Diesel: ≈ 0,5) molar

mehr Wasser notwendig.

In Abbildung 2-2 ist des Weiteren zu erkennen, dass das stöchiometrische S/C-

Verhältnis von zwei bei einer Gleichgewichtsbetrachtung für die Verhinderung der

Kohlenstoffabscheidung ausreichend ist. In der verfahrenstechnischen Praxis wird

jedoch Wasser im Überschuss zugeführt, damit das Gleichgewicht der Reaktionen zu

den Produkten verschoben wird [DICK96]. Typisch ist ein S/C-Verhältnis von drei (s. o.),

mit dem die nachfolgenden Rechnungen durchgeführt werden. Neben der berechneten

Grenze zur Kohlenstoffabscheidung kann es auch zu einer kinetisch bedingten C-Bild-

ung kommen, die in Abschnitt 2.2 beschrieben wird.

Im Gesamtsystem hat der Reaktionsschritt der Dampfreformierung die Aufgabe, den

eingesetzten Kohlenwasserstoff umzusetzen. Die Temperatur- und Druckabhängigkeit

der Reaktionen kann daher durch den Umsatzgrad als Quotient des umgesetzten durch

den eingesetzten Kohlenwasserstoff nach

Gl. 2-4 ein,CH

aus,CHein,CH

4

44

n

nnU

−=

definiert und ermittelt werden. Der Umsatzgrad ist zunächst in Abbildung 2-3

dreidimensional und anschließend durch Projektion der Höhenlinien in die Druck-

Temperaturebene in Abbildung 2-4 dargestellt.

Da die Bruttoreaktion endotherm ist und Stoffmenge während der Reaktion produziert

wird, ist nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges (Braun-LeChatelier) ein höherer

Umsatz mit steigender Temperatur und abnehmendem Druck zu erwarten. Dieser Effekt

wurde durch die Simulationsrechnungen quantitativ bestätigt.


6

100 20

0 300 40

0 500 60

0 700 80

0 900

1000

1

5

90%

20%

40%

60%

80%

100%

Umsatz

Temperatur / °C

Druck / bar

Abbildung 2-3: Druck- und temperaturabhängiger Umsatz der Dampfreformierung

Prinzipiell ist zur Vereinfachung des Wärmemanagements und aus Sicht der

Werkstofftechnik eine möglichst geringe Reaktionstemperatur anzustreben. Bei einem

angestrebten Umsatz von beispielsweise 95% ist eine Gleichgewichtstemperatur bei

Umgebungsdruck von 683 °C notwendig. Damit bei einem erhöhten Druck von

beispielsweise 10 bar der gleiche Umsatz erreicht wird, ist eine Gleichgewichts-

temperatur von etwa 865 °C erforderlich (siehe Abbildung 2-4). Großtechnisch wird

häufig ein Druck von 40 bar eingestellt2. Damit auch dort ein entsprechender Umsatz

erreicht wird, muss die Temperatur auf über 1000 °C erhöht werden. Durch diesen

Zusammenhang kann verdeutlicht werden, dass ein Skalieren bestehender Anlagen

aufgrund der geänderten Randbedingungen wie Druck und Temperatur und deren

Einfluss auf das thermodynamische Gleichgewicht nicht ohne weiteres möglich ist.

2 Dieses zum Gleichgewicht konträre Druckniveau wird aus Kostengründen gewählt, da hier eine

Volumenreduktion des Gases vorteilhaft bezüglich der Anlagenabmessungen ist [heterog.Cata].


7

Abbildung 2-4: Höhenlinien des Umsatzgrades der Dampfreformierung

Durch die Gleichgewichtslage und den daraus ermittelten Umsatzgrad ist ein geringer

Betriebsdruck vorteilhaft. Für 1 bar ist in Abbildung 2-5 die Gleichgewichts-

zusammensetzung des trockenen Reformatgases in Abhängigkeit der Temperatur für

ein S/C-Verhältnis von drei dargestellt.

Dort ist zu erkennen, dass bei etwa 750 °C die Wasserstoffkonzentration ein Maximum

durchläuft. Dies ist auf zwei Effekte zurückzuführen: Zum einen nimmt die

Wasserstoffkonzentration durch den Umsatz mit steigender Temperatur zu (siehe

Abbildung 2-3). Zum anderen verlagert sich das Gleichgewicht der Reaktion (Gl. 2-2)

mit steigender Temperatur aufgrund der Exothermie zu den Edukten, wodurch die

Wasserstoffkonzentration reduziert wird. Das Maximum der Wasserstoffkonzentration

könnte darauf hinweisen, den Reformer bei der entsprechenden Temperatur zu

betreiben. Da jedoch das ebenfalls produzierte Kohlenmonoxid in der anschließenden

Wasserdampf-Shift-Reaktion zu einer weiteren Wasserstoffproduktion führt, ist die

vornehmliche Aufgabe der Reformierung im Umsatz des Kohlenwasserstoffes zu

sehen. Die Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen ist erst im Gesamtsystem

möglich. Dabei ist auch eine Berücksichtigung der Werkstoffe notwendig. Zunächst wird


8

neben dem S/C-Verhältnis von drei die Reaktionstemperatur auf 700 °C fixiert, damit

ein 95%-iger Umsatz gewährleistet werden kann.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Temperatur / °C

Kon

zent

ratio

n tro

cken

/ m

ol/m

ol

CH4 H2 CO CO2

Abbildung 2-5: Trockene Gleichgewichtszusammensetzung der Dampfreformierung

bei p = 1 bar und S/C = 3

Für eine kinetische Simulation unter Berücksichtigung des Gleichgewichtes ist es

notwendig, die Methankonzentration im Gleichgewicht in Abhängigkeit der Temperatur

zu kennen (siehe Kapitel 2.2). Des Weiteren ist die Kenntnis der

Gleichgewichtskoeffizienten der Gl. 2-3 als Funktion der Temperatur von Bedeutung.

Dieser Koeffizient kann durch

Gl. 2-5

− ⋅⋅≈

⋅

⋅= Te

xx

xxTK

44002

OHCO

HCO 10767,1)(2

22

innerhalb einer maximalen Abweichung von +2,06% und –7,51% im gleichen Druck und

Temperaturbereich berechnet werden [HUGH01]. Bei der Gleichung ist eine Ähnlichkeit

zur Struktur des Massenwirkungsgesetzes zu erkennen. Der Dividend des Exponenten

zeigt, dass in dieser Näherungsgleichung die temperaturabhängige Gibb´sche

Reaktionsenthalpie konstant angesetzt wird.


9

2.2 Kinetik der Dampfreformierung

Nachdem im vorangegangenen Abschnitt die Gleichgewichtslage der

Dampfreformierung dargestellt wurde, wird nunmehr auf den Weg dorthin eingegangen.

Dazu werden zunächst allgemeingültige Zusammenhänge beschrieben, um später auf

diesen Grundlagen die Kinetik der Dampfreformierung im speziellen erläutern zu

können.

In der verfahrenstechnischen Praxis werden zur Beschleunigung gewünschter

chemischer Reaktionen Katalysatoren eingesetzt. Bei differenzierter Betrachtung kann

dieser Prozess durch zwei unabhängige Kenngrößen quantifiziert werden, wodurch eine

Bewertung unterschiedlicher Katalysatoren möglich ist. HAGEN empfiehlt die Definition

einer Reaktionsgeschwindigkeit r [HAGE96]:

Gl. 2-6 ZeitmasseoderrvolumenKatalysato

StoffesdesStoffmengeumgesetzte⋅−

=Er

Bei verschiedenen Verfahren ist der Umsatz des Eduktes E in ein Produkt P gewünscht.

Daher ist zur Charakterisierung eines Katalysators eine weitere Kenngröße erforderlich.

HAGEN definiert dazu die Selektivität S einer Reaktion aus einem Edukt E zum Produkt

P, die mit den stöchiometrischen Koeffizienten ν versehen sind, sinngemäß [HAGE96]:

Gl. 2-7 ( )( ) EeinEausE

PeinPausP

nnnn

Sν

ν

,,

,,&&

&&

−

−=

Bei der Analyse eines Reaktionsschrittes von Fluiden an einem Festkörperkatalysator

werden 7 Teilschritte untergliedert (vgl. Abbildung 2-6) [WINTE99]:

1. Diffusion der Reaktanden zur äußeren Oberfläche des Katalysators

2. Porendiffusion der Reaktanden durch Knudsen oder molekular Diffusion

3. Adsorption der Reaktanden (in der Regel Chemisorption)

4. Chemische Reaktion

5. Desorption der Produkte

6. Porendiffusion der Produkte zur äußeren Oberfläche

7. Diffusion der Produkte durch die Strömungsgrenzfläche des Katalysators


10

Durch den Katalysator soll die Aktivierungsenergie der Reaktion herabgesetzt werden.

Stattdessen werden zunächst jedoch weitere Teilaktivierungsenergien der Ad- und

Desorption aufgebaut. Die Aktivierungsenergie des gesamten Reaktionsprozesses ist

jedoch nur so groß, wie die höchste Aktivierungsenergie der Teilprozesse. Dieser

Zusammenhang ist in Abbildung 2-6 dargestellt. Darin ist ebenfalls die Verknüpfung

zwischen den modellhaften physikalischen Vorgängen (Stofftransport, Diffusion,

Adsorption,…) und den korrespondierenden energetischen Zuständen zu erkennen.

Reaktionsfortschritt

Ener

giep

oten

tial

Reaktion ohne Katalysator

Reaktion mit Katalysator

∆HR

E A, o

hne

Kat

E A, m

it Ka

t

1 2 3 4 5 6 7

Grenzschicht

Katalysatorkorn

Abbildung 2-6: Energetischer und physikalischer Verlauf einer endothermen

Reaktion mit und ohne Katalysator

Die Aktivierungsenergie des Reaktionsschrittes mit Katalysator liegt energetisch

niedriger als ohne diesen. Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Teilschritte auch eine

Aktivierungsenergie haben. Für die Gesamtreaktion ist der Teilschritt

geschwindigkeitsbestimmend, dessen Aktivierungsenergie am höchsten ist.

Bezüglich der Dampfreformierung muss die Kinetik der zwei unabhängigen Reaktionen

nach Gl. 2-1 und Gl. 2-2 betrachtet werden. Zunächst wird auf die

Reaktionsgeschwindigkeit der Gl. 2-1 eingegangen. Da die Dampfreformierung bereits

in zahlreichen Veröffentlichungen thematisiert wurde, existieren bereits


11

reaktionskinetische Ansätze. Im Prinzip herrscht Einigkeit, dass es sich bei der

Umsetzung um eine Reaktion erster Ordnung bezüglich Methan handelt und daher

durch den allgemeinen Ansatz

Gl. 2-8 4

)(CH

xTkr ⋅=

beschrieben werden kann [ANDE84, TWIG89]3. Für die Reaktionsgeschwindigkeits-

konstante k(T) wiederum wurden unterschiedliche Ansätze, meist in der nach Arrhenius

bekannten Form

Gl. 2-9 TEA

ekTk ⋅−

⋅= R0)(

veröffentlicht. Im Wesentlichen werden Nickel-basierte, metallische nicht Nickel-basierte

und nicht metallische katalytische Substanzen unterschieden [ANDE84]. Aus dieser

Klassifizierung wird die Bedeutung des Nickels in der Dampfreformierung bereits

deutlich.

In reaktionskinetischen Untersuchungen werden in der Regel Elementarreaktionen

betrachtet. Diese haben die Eigenschaft nur in eine Richtung zu reagieren, d. h. die

Rückreaktion wird als eigenständige Elementarreaktion angenommen, die separat zu

analysieren ist. Ein Resultat dieser Betrachtungsweise ist ein vollständiger Umsatz, der

zunächst im Widerspruch zur Gleichgewichtszusammensetzung aus Abschnitt 2.1 steht.

Das thermodynamische Gleichgewicht wird reaktionskinetisch als dynamisches

Gleichgewicht der Hin- und Rückreaktion interpretiert, und es gilt folgender

Zusammenhang zwischen Kinetik und Gleichgewichtsthermodynamik:

Gl. 2-10 rrTK s

r

=)(

Um in den oben zitierten reaktionskinetischen Ansätzen die Rückreaktion bzw. das

Gleichgewicht einzubeziehen, kann die Methankonzentration als die treibende Kraft der

3 In der Gleichung wurde die molare Konzentration des Methans verwendet. In einigen

Veröffentlichungen wird stattdessen auch der Partialdruck bei Beschränkung auf einen gegebenen

Gesamtdruck benutzt, was bei der Modellvorstellung idealer Gase identisch ist.


12

Reaktion durch die Differenz der Methankonzentration zur Methangleichgewichts-

konzentration gemäß Abschnitt 2.1 ersetzt werden [ANDE84].

Gl. 2-11

−⋅= )()(

,44TxxTkr

GGCHCH

Obwohl viele Veröffentlichungen zur Kinetik der Methan-Dampfreformierung existieren,

kann kein reaktionskinetischer Ansatz universell für verschiedene Temperaturen und

Eduktzusammensetzungen verwendet werden. Dies liegt im Wesentlichen an der

großen Anzahl der variablen Parameter, wie Druck, Eduktzusammensetzung und

Katalysatormaterial.

3. Beschreibung der Anlage

13

3 Beschreibung der Anlage Der im Folgenden beschriebene Kinetik-Teststand ist eine Weiterentwicklung der im ZBT konzipierten Versuchsaufbauten. Sie dienen dem Zweck Katalysatoren, speziell Reformer-Katalysatoren zu charakterisieren und hinsichtlich ihres reaktionskinetischen Verhaltens zu bewerten. Wie in Kapitel 2.1 beschrieben, beträgt die Temperatur dieser endothermen Reaktion 600 – 900° C. Realisiert wird diese Wärmeleistung durch eine Dreizonenofen der Firma Carbolite, der um das Edelstahlrohr –dem Reaktor – angeordnet ist und einen vorgelagerten Verdampfer. Dem Betreiber der Anlage ist bekannt, dass das Reformersystem sich im Zustand eines Labor-Prototypensystems befindet, d.h. es existiert kein detaillierter Prüfungsnachweis, z.B. eines technischen Überwachungsvereins. Es handelt sich also um eine Versuchsanlage, die zu experimentellen Untersuchungen an Katalysatoren im Labor des ZBT aufgebaut und betrieben wurde. Am ZBT wurden diese Teststände über mehrere Monate in der Laborumgebung ohne für Umwelt und Personen gefährdende Störungen in verschiedenen Betriebsmodi betrieben. Die Anlage wird drucklos betrieben, sie unterliegt daher auch nicht den Prüf-, Abnahme und Überwachungsbestimmungen der Druckgeräterichtlinie. Einzelnen Komponenten (Verdampfer, Wasservorlage, Kühler, etc.) wurden in der mechanischen Werkstatt der Universität Duisburg von erfahrenen Schweißern hergestellt. Diese wurden vor dem Zusammenbau mit Drücken von bis zu 7 bar abs (Druckluft) abgedrückt und unter Wasser einer Prüfung unterzogen. Es konnten dabei keine sichtbaren Undichtigkeiten der Schweißnähte festgestellt werden. Während des Betriebes im Labor des ZBT sind ebenfalls keine Undichtigkeiten festgestellt worden. Es ist zu beachten, dass in einem derartigen Reformersystem brennbare und giftige Gase entstehen bzw. verarbeitet werden. Treten diese Gase aus dem Reformersystem unkontrolliert aus, können sich prinzipiell zündfähige, detonationsfähige oder auch explosible Gasgemische bilden. Die Anlage ist daher während des Betriebes ständig durch sachkundiges Bedienpersonal der Universität Bochum zu überwachen, um im Falle einer Fehlfunktion, wie z.B. einem unkontrollierten Gasaustritt, direkt eingreifen zu können. Dabei sind die einschlägigen Personenschutzmaßnahmen zu beachten.

3. Beschreibung der Anlage___________________________________________________________________

14

3.1 Aufbau Der Aufbau des Teststandes wurde mit Aluminiumprofilen der Firma Item realisiert. Für die Verrohrung wurden Rohre des Werkstoffes 1.4571 der Maße 6 x 1 bzw. 10 x 1 mm verwendet. Anhand der Abbildung 3-1 wird die Verschaltung der Anlage verdeutlicht. Die Liste der in der Abbildung nummerierten Komponenten Die Edukte werden über Massendurchflussregler (V20 – 23) dosiert. Der Verdampfer (62) ist ein Verdampfersystem der Firma IAS GmbH. Das Verdampfersystem kann auf bis zu 450° C temperiert werden kann. Das Eduktgas, bestehend aus dem jeweiligen Gasmix und flüssigem Wasser durchfließt das Verdampfersystem und der Wasseranteil wird beim durchströmen vollständig verdampft. Das gesamte Gemisch wird auf Temperaturen von bis zu 350° C überhitzt. Sowohl die Temperatur (T103), als auch der Druck (P100) dieses Gemisches werden nach dem Verdampfer gemessen.

Abbildung 3-1 Fließschema des Teststandes

______________________________________________________Beschreibung der Anlage

15

Im nach geschaltetem Reaktor (80) wird das Edukt zunächst beim Durchfließen der Ouarz-Blindschüttung weiter auf Temperaturen bis zu 850° C erhitzt um danach die Katalysator-Schüttung, an dem die Reformierung stattfindet, zu durchströmen. Die Wärmeleistung wird von einem Dreizonenofen der Firma Carbolite bereitgestellt.. Die geregelte Temperatur (T75) wird durch ein axial verschiebbares Thermoelement in der Katalysatorschüttung gemessen. Weitere Thermoelemente befinden sich am Reaktoreingang und am Reaktorausgang. Zusätzlich wird der Druck (P101) am Reaktorausgang gemessen. Aus dem Reaktor austretend, wird das Produkt in zwei Teilströme aufgeteilt. Die Abkühlung auf Raumtemperatur des Probengas- und des Abgasvolumenstromes erfolgt jeweils in einem Luft-Kühler (90/97). Beide arbeiten nach den Prinzipien der natürlichen und der erzwungenen Konvektion, der Probengaskühler zusätzlich nach dem der Wärmeleitung. Die erzwungene Konvektion wird durch einen Axial-Lüfter (91/98) realisiert und die Wärmeleitung durch einen das Wärmetauscherrohr umfassenden Edelstahzylinder (Probengaskühler s. Abbildung 7-3). Die Aufteilung in die Teilströme erfolgt über einen nachgeschalteten Durchflussregler in der Probenentnahmestrecke. Nach einer weiteren Abkühlung auf 5 °C wird das Probengas auf die Analyse gegeben. Das Abgas wird über ein Rückschlagventil in den Abzug abgeblasen. Der Teststand ist, wie in Abbildung 3-2 dargestellt in Einheiten gegliedert. Im oberen linken Teil ist die Eduktdosierung eingebaut. Diese umfasst den Wasservorlagebehälter (24) und vier Massendurchflussregler (V20-23). Rechts befindet sich das Verdampfersystem. In der Mitte der Anlage ist die Reaktionseinheit angeordnet, bestehend aus, Reaktor (80) und Kühler (90/91). Die Gasanalyse (43) bildet die räumliche Trennung zur Probenentnahmestrecke, die auf dem Bodenblech installiert ist. Diese enthält einen Kondesatabscheider (92), einen weiteren Gaskühler (96), eine Kondesatpumpe (93) und ~wächter (94) und einen Massendurchflussregler (30). Auf der Rückseite des Racks sind hinter einem Trennblech die Gas- und Wasseranschlüsse, die Verrohrung, die Verkabelung der Mess- und Steuerungstechnik und die Stromversorgung angeordnet.


16

Abbildung 3-2 Schematische Zeichnung des Teststandsracks


3.2 Komponenten Alle Komponenten, Hersteller, Funktionen und Positionen in der Anlage werden

nacheinander aufgelistete. Ausführliche Informationen entnehmen Sie bitte

gegebenenfalls den im Anhang aufgeführten Zeichnungen bzw. den jeweiligen

Betriebsanleitungen.

Abbildung 3-3 Frontansicht des Versuchstandes

17


18

1. Verdampfersystem der Firma ISA GmbH (63) Dient zur Herstellung des notwendigen Wasserdampfs

.

Abbildung 3-4 Verdampfersystem

1.1 Zuleitung gasförmiges Edukt 1.2 axial verschiebbares Thermoelement Misst die Temperatur in der Katalysatorschüttung 1.3 Thermoelement Misst die Temperatur am Reaktoreintritt 1.4 Druckdose (P100) Misst den Druck am Reaktoreingang

2. Temperaturregler des Verdampfersystems (62) 3. Leitungsdruckminderer


19

Über diesen Druckregler der Firma Veriflo (Typ: IR 4002 S K 3P OL 4 F) wird der

Druck der Wasservorlage eingestellt (3 barabs).

4. Reaktor (80/81)

S. Kapitel 3.2.1

5. Wasservorlagebehälter (24)

In diesem Zylinder (Inhalt: 10 l, s. Abbildung 7-2) wird VE-Wasser bei einem

Druck von 3 barabs für die Eduktdosierung vorgehalten.

6. Durchflussregler für VE-Wasser (22)

Dieser Durchflussregler der Firma Mättig (Typ: Liqui-Flow) ermöglicht eine

Wasserdosierung von:

hkgV 102,0 −=& .

7. Durchflussregler für Methan (23), Wasserstoff (20) und Stickstoff (21)

Es handelt sich bei diesen Durchflussreglern ebenfalls um Geräte der Firma

Mättig (Typ: Bronkhorst). Der Regelbereich beträgt:

• für Methan: min5000100 NmlV −=&

• für Wasserstoff: min1002 NmlV −=&

• für Stickstoff: min100020 NmlV −=&


20

Abbildung 3-5 Gasdosierungseinheit

7.1 T-Filter

Diese Filter der Firma Parker verhindern das Verunreinigen der

Durchflussregler.

7.2 Magnetventile (10, 11, 12, 13)

Die stromlos geschlossenen Magnetventile der Firma Mättig dienen der

Absperrung der Medienströmung.

8. Luftkühler (90/91)

Kühlt den Probengasvolumenstrom mit Hilfe eines Axiallüfters der Firma Papst

auf Umgebungstemperatur (s. Abbildung 7-3).

9. Gasanalyse (43)

Die Analyse der Firma Fisher Rousemount untersucht die Probe hinsichtlich der

Komponenten: H2, CO2, CO und CH4.

10. Schaltschrank

Dieser Schaltschrank enthält die Schalteinheit des Kondensatwächters (94), den

Regler und den Leistungssteller der Heizschalen (72) und den

Drehstromanschluss.

7.1 7.2


21

11. Probenentnahmestrecke

Abbildung 3-6 Probenentnahmestrecke (Front-, Seiten- und Rückansicht)

11.1 3/2-Wege-Magnetventil (95)

Dieses Ventil der Firma ASCO ist mit dem Kondensatwächter (94)

gekoppelt. Wenn der Wächter Kondensat registriert, schaltet das Ventil

den Probenvolumenstrom auf den Abzug.

11.2 Messgaskühler (96)

Kühlt den Probenvolumenstrom auf 5 °C ab und entzieht ihm dadurch

vollständig den verbliebenen Wasseranteil (Hersteller: Emerson Process

Management, Typ: RAE-M).

11.3 Kondensatpumpe (93)

Pumpt das aus dem Messgaskühler abzuführende Wasser in den

Kondensatabscheider.

11.4 Durchflussregler für die Probenentnahme (30)

Wiederum handelt es sich um einen Durchflussregler der Firma Mättig

(Typ: Bronkhorst). Dieser sorgt für einen konstanten Volumenstrom (s.

Kapitel 3.3.5).

11.5 Kondensatwächter (94)

Der Kondensatwächter überwacht das aus dem Messgaskühler

austretende Gas auf seinen Feuchtegehalt. Der Wächter mit der

11.1 11.2 11.4 11.3 11.5 11.6 11.7


Schalteinheit bilden mit dem nachfolgenden Magnetventil einen eigenen

Regelkreis.

11.6 Wasserfalle

Dient als weiterer Schutz des Anlage vor Feuchtigkeit. Sie beruht aus einer Art

Schwamm, der bei Kontakt mit Wasser aufquillt und damit die Leitung

verschließt.

11.7 Feinstfilter

Filtert kleinste Partikel aus dem Probengasvolumen aus.

12. Carbolite-Ofensteuerung

Steuerungseinheit für die Temperatursteuerung des Reaktorofens.

13. Temperatursteuerung Heizband am Reaktoreingang.

14. Trafo für das Heizband am Reaktoreingang.

22


23

Abbildung 3-7 Rückansicht der Anlage

6

2 1

3 4

5

7

8

9

10

11 12

14

15

13


24

1. Zuleitung gasförmiges Edukt

2. Zuleitung VE-Wasser

3. Nadelventil (26)

Über das Nadelventil der Firma Parker wird der Stickstoffvolumenstrom zur

Anlagen-Spülung bei Stromausfall eingestellt.

4. Magnetventil (16) für das gasförmige Edukt

Mit diesem stromlos geschlossenen Ventil (Firma: Mättig) wird der Reaktor für

das gasförmige Edukt freigeschaltet.

5. Sicherheitsmagnetventil (14) zur Stickstoffspülung bei Stromausfall

Bei Stromausfall strömt durch dieses stromlos geöffnete Ventil (Firma: Mättig)

der über das Nadelventil eingestellte Stickstoffvolumenstrom zur Spülung des

Systems.

6. 24 V - Netzteil

Generiert die 24 V – Spannung für die Durchflussregler der Gase, die Lüfter, die

+15 -15 V - Versorgung und die Datenlogger.

7. +15 -15 V - Versorgung

Erzeugt aus der 24 V – die +15 -15 V – Spannung für den Liqui-Flow.

8. Datenlogger

Der Datenlogger der Firma National Instruments (Typ: Field Point) ist die

Schnittstelle zwischen der Anlage und dem Steuerungsrechner. Er besteht aus

fünf unterschiedlichen Blöcken.

8.1 Thermoelement-Block

Übergibt die Messwerte aller Thermoelemente. Ausnahme ist das

Thermoelement T75, welches die Temperatur zwischen Heizschalen und

Keramikrohr misst. Dieser Wert wird als Ist – Wert direkt vom

Heizschalenregler aufgenommen.

8.2 Analog Input


25

Übergibt die Messwerte der Druckmessdosen, der Gasanalyse, aller

Durchflussregler und des Thermoelement T75. Dieser Wert wird als

analoger Output des Heizschalenreglers an diesen Block übergeben.

8.3 Analog Output

Übergibt die Sollwert-Vorgaben an die Durchflussregler und den Regler

der Heizschalen.

Abbildung 3-8 Relais-Block

8.4 Relais-Block

Über diese Station (s. Abbildung 3-8) werden die Magnetventile

geschaltet.

VORSICHT: An diesem Block liegt 240 V - Hochspannung an!!!

8.5 Netzstation

Über diesen Block wird der Datenlogger per Netzwerkkabel mit dem

Steuerungs-PC verbunden.

8.6 Erdungsklemme

Über diese Klemme wird die Relais-Station geerdet.

8.4

8.5

8.6


26

9. Erdungsschiene

Alle Steuerungskomponenten werden über diese Schiene geerdet.

10. Gasanschlüsse

Über diese Anschlüsse wird die Gasversorgung der Anlage realisiert.

Abbildung 3-9 Gasanschlüsse

11. Bypass-Magnetventil (15)

Über dieses stromlos geschlossene Ventil der Firma Mättig wird das gasförmige

Edukt auf die Analyse geschaltet.

12. Feinstfilter

13. Wasserfalle

14. Abgasluftkühler

Das über einen Bypass abgeführte Abgas wird mit diesem Luftkühler inkl.

Axilalüfter der Firma Papst annähernd auf Umgebungstemperatur abgekühlt.

15. Kondensatabscheider (92)

Das in beiden Luftkühlern und dem Gaskühler auskondensierte Wasser wird hier

abgeschieden.


3.2.1 Reaktor Das Kernstück der Anlage ist der beheizte und nach außen isolierte Reaktor. In ihm

findet die Dampfreformierung statt. Der Aufbau wird im Folgenden detailliert

dargestellt.

Abbildung 3-10 Außenansicht des Reaktors

1. Dreizonenofen

2. Thermoelement für das Heizband am Reaktoreingang

3. Axial verschiebbares Thermoelement zur Bestimmung der Temperatur im

der Katalysatorschüttung

27


Der Reaktor ist ein Edelstahlrohr. Für die Messung wird etwa 5,313 g Katalysator in

einer Fraktion < 3,15 mm eingebaut. Die Beheizung des Reaktors erfolgt mit Hilfe

eines Dreizonenofens der Firma Carbolite, der für eine maximale Temperatur von

1000°C ausgelegt ist. Ein axial verschiebbares Thermoelement dient zur

Temperaturmessung in der Katalysatorschüttung.

Die Ofensteuerung erfolgt über ein separates Programm (Eurotherm2416_2.exe) am

Steuerungsrechner.

Abbildung 3-10 Schematische Abbildung des Reaktors

28


Abbildung 3-11 Ansicht des Reaktoraustritts

1. Reaktorausgang

2. Probengasentnahme

3. Abgasleitung

4. Druckdose (P101)

Misst den Druck am Reaktoraustritt

29

1

2

3

4

5

6


5. Thermoelement

Misst die Temperatur am Reaktoraustritt. Die Messung erfolgt direkt an dem

Kreuzstück.

6. Probengaskühler

3.3 Beschreibung der Medienzuführung

Das Edukt der Dampfreformierung setzt sich gemäß Kapitel 2 aus Methan und

Wasser zusammen. Weiterhin werden Stickstoff und Wasserstoff zur Aktivierung des

Katalysators benötigt (siehe Kapitel 4). Stickstoff dient zu dem als Druckpolster für

den Wasservorlagebehälter und als Spülmedium der beim An- und Abfahren und bei

Störfällen wie in Kapitel 4.2 beschreiben. Alle Gase müssen mit einem Leitungsdruck

von 5 bar bereitgestellt werden. Der Systemdruck ist patm zzgl. minimaler

Strömungsverluste.

3.3.1 Stickstoff

Stickstoff dient im Störfall (s. Kapitel 5.6) und in der Aufheiz- und Abkühlphase (s.

Kapitel 4) als Spülgas. Er muss unbedingt seitens des Betreibers bereitgestellt

werden. Des weitern wird das Druckpolster für die Wasservorlage mit Stickstoff

erzeugt.

30


31

Hinter dem Primäranschluss am Teststand kann der Stickstoff dem System über drei

verschiedene Wege zugeführt werden:

• Für die An- und Abfahrvorgänge und die Zudosierung zum Reformeredukt

wird, nach passieren des stromlos geschlossene Magnetventil (11), der

Volumenstrom über den Massendurchflussregler (V21) geregelt.

• Der Druck im Wasservorlagebehälter wird manuell an dem

Leitungsdruckminderer (25) reguliert. Dieser wurde vor der Auslieferung auf

3 barabs eingestellt.

• Die Spülung des Systems bei Störfällen wird durch das stromlos geöffnete

Magnetventil (14) gewährleistet. Über das nachfolgende Nadelventil (26) lässt

sich der Volumenstrom bei atmosphärischem Druck einstellen.

3.3.2 Methan, Wasserstoff

Der Wasserstoff wird ausschließlich zur Reduzierung der eingesetzten Katalysatoren

verwendet.

Die Dosierung erfolgt über die Massendurchflussregler (23 => Methan) und (20 =>

Wasserstoff) nach durchströmen der stromlos geschlossenen Magnetventile (13 =>

Methan) und (12 => Wasserstoff).

3.3.3 Wasser (flüssig)

Die Wasserzufuhr unterscheidet sich grundlegend von der, anderer Medien.

Vor dem Hochfahren der Anlage muss die Wasservorlage mit der dafür bereitgestellten

Flasche mit deonisiertem Wasser befüllt werden. Dafür den Leitungsdruckminderer

(25) schließen und die beiden M6 – Blindstopfen auf dem Deckel der Wasservorlage

vorsichtig (Druckausgleich) öffnen. Die eine Öffnung dient zum Befüllen die zweite zum

Entlüften. Nach der Befüllung die Blindstopfen schließen und den Leitungsdruck-

minderer wieder auf einen Vorlagedruck von 3 barabs einstellen.

Während des Betriebes wird die Dosierung über den Massendurchflussregler (22)

eingestellt. Erst hinter dem Regler sitzt das stromlos geschlossene Magnetventil (10).


32

3.3.4 Reformeredukt Der Gasmix und das Wasser werden dem Verdampfer getrennt zugeführt. Um eine

gleichmäßigere Verdampfung zur gewährleisten, wird das Wasser dem Verdampfer

durch ein 1/8 Zoll Edelstahlrohr zugegeben. Über einen Bypass kann der trockene Gasmix

direkt von der Gasanalyse analysiert werden.

3.3.5 Reformat Nach dem Austritt aus dem Reaktor wird das Produkt abgekühlt und das

auskondensierte Wasser abgeschieden. Dies geschieht in zwei Stufen:

•Der Probengasvolumenstrom wird zunächst im Luftkühler (90) auf

Umgebungstemperatur und im nach geschalteten Gaskühler auf 5 °C gekühlt.

Der folgende Kondensatwächter (94) mit 3/2-Wege-Magnetventil (95)

kontrolliert den Produktstrom auf vorhandene Feuchte. Sollte noch Wasser

vorhanden sein, schaltet das Ventil auf Abzug, um die Gasanalyse vor

Kondensat zu schützen. Bevor dieser Teilstrom auf die Analyse gegeben wird

durchströmt er noch den Feinfilter und die Wasserfalle.

•Der Abgasvolumen wird ebenfalls in einen Luftkühler auf annähernd

Umgebungstemperatur abgekühlt. Im Anschluss daran wird Volumenstrom in

den Abzug abgeführt. Dieser Austritt ist durch ein Rückschlagventil (31)

gegen Zurückströmen abgesichert.

Bestimmt wird der Probenvolumenstrom für die Analyse von dem

Massendurchflussregler (30). Der eingestellte Volumenstrom darf nicht mehr als:

min/5,0max NAnalyse lV =&

betragen. Diese Regelung wird durch den variierenden Produktvolumenstrom, die

Temperaturschwankungen und die unterschiedliche Gaszusammensetzung erschwert.


33

3.3.6 Kondensat

Das auskondensierte Wasser beider Volumenströme wird in den Kondesatabscheider

(92) abgeführt. Dieser wird nicht überwacht und muss regelmäßig entleert werden.

3.4 Steuerung

Die Labview – Oberfläche ermöglicht das Ein- bzw. Freischalten und die Bedienung

sämtlicher schaltbarer Komponenten (s. Abbildung 3-12). Überwacht wird der Prozess

durch Anzeige der Messwerte (Volumenströme, Temperaturen, Drücke und

Produktgaszusammensetzung) in Form von Zahlenwerten, Diagrammen und

Warnmeldungen (Kapitel 5.6.).

Die Dosierung des Eduktes und dessen Zusammensetzung, erfolgt durch Vorgabe des

Methanvolumenstromes und wahlweise durch manuelle Wasserdosierung oder durch

Einstellung des gewünschtem S/C – Verhältnisses. Die optionale Zugabe von Stickstoff

geschieht manuell.

Abbildung 3-12 Labview – Bedienoberfläche

1

2

3

4

5

6

7

10

8

9


34

1. Messwertdiagramme

Vier verschiedene Zeit – Diagramme können angezeigt werden.

1.1 Alle T

Dargestellt werden die Temperaturen Reaktor,-eingang und –ausgang und die

Temperatur in der Katalysatorschüttng.

1.2 4 Gase, 3 Temp

Anzeige der Produktgaszusammensetzung und der Temperaturen

oberhalb, zentral und unterhalb der Katschüttung.

1.3 T oben, Drücke

Anzeige der Temperatur oberhalb der Kat-Schüttung im Reaktor und der

Drücke ober- und unterhalb des Reaktors.

1.4 Grenzwerte

Aufgelistet werden alle Grenzwerte, die eine Warnmeldung bzw. ein

Abfahren im Shutdown-Modus zur Folge haben. Im laufenden Betrieb

können diese verändert werden. Beim Beenden werden allerdings

mögliche Änderungen nicht gespeichert.

1.5 Konfiguration

Etwaige Kommunikationsfehler werden in diesem Register aufgeführt.

Des Weiteren wird in diesem Register die Dosierung des Probengasvolumenstromes

eingestellt.

Wie in Kapitel 3.3.5 dargestellt darf dieser Volumenstrom nicht mehr als

0,5 l/min betragen. Sollte der Systemdruck weniger als 30 mbar betragen

muss die Vorgabe 0,3 l/min oder weniger betragen (s. Kapitel 3.3.5). Wie

bei den anderen Durchflussreglern blinkt auch hier bei Abweichung von

mehr als 20 % die Messwertanzeige und die Anzeige „Abweichung der

MFC“ leuchtet auf.


35

2. Diagrammoberfläche

Die Werte werden in einem Zeitfenster von fünf Minuten durch relative Skalen

dargestellt.

3. Messwertanzeige

Auflistung der aktuellen Zahlenwerte der Produktgaszusammensetzung, der

Reaktortemperaturen und ~Drücke.

4. Betriebsart

Die Betätigung des Stopp – Schalters führt in den Shutdown – Modus (=

gesichertes Abfahren) und stoppt die Ausführung von LabView. Auch die Wahl

des jeweiligen Betriebsmodus und des S/C – Verhältnisses wird in diesem Feld

vorgenommen:

• S/C => Automatische S/C – Einstellung abhängig vom CH4-Volumenstrom

• Shutdown => gesichertes Abfahren, s. Kapitel 4.3

• Manuell => Manuelle Bedienung

• Alle MFC´s aus => Sämtliche Durchflussregler werden geschlossen.

5. Schalten der Magnetventile

Per Mausklick können die Ventile geschaltet werden.

8. Dosierung der Edukte

Die Eduktvolumenströme könne über Zahlenwerte und über Regler vorgegeben

werden. Die aktuellen Messwerte sind den eingestellten gegenüber gestellt. Bei


36

Abweichungen von mehr als 20 % blinkt die Messwertanzeige und die Anzeige

„Abweichung der MFC“ leuchtet auf.

9. Anzeigefenster der Warnmeldungen

In diesem Feld werden gegebenenfalls die Warnmeldungen angezeigt.

10. Datenlogging

Das Speichern der Messdaten kann mit dem Button gestartet und gestoppt

werden. Zudem kann der Erfassungstakt (z.B.: 10 Sekunden) variiert und ein

Kommentar eingefügt werden. Dieser Kommentar wird mit den Daten

gespeichert.

Wird eine der Abschaltkriterien (Grenzwerte) überschritten, erscheint ein Popup –

Fenster, in dem, dem User der jeweilige Grenzwert angezeigt wird. Durch quittieren

dieser Meldung wird LabView beendet. Im Hintergrund läuft parallel der Shutdown –

Modus.

Erst nach einer eingehenden Analyse ist die Anlage bzw. LabView wieder zu starten!!!

Standardgemäß ist aus Sicherheitsgründen beim Starten von LabView eine

Stickstoffspülung von 500 mlN/min eingestellt.

Das Aufheizen ist stets in Intervallen von maximal 200 °C Temperaturerhöhungen bei

zeitgleicher Stickstoffspülung durch zu führen. Dadurch wird ein zu großer

Temperaturgradient über den Reaktor vermieden. Zusätzlich wird bei Überschreiten

eines maximalen Temperaturgradienten über die Kat-Schüttung eine Warnmeldung

angezeigt. Das maximal zulässige ∆T kann manuell eingestellt werden. Ein Wert von

300 K ist vorgegeben. Eine „sanfte“ Aufheizung des Systems kann z.B. durch das

Einstellen einer Temperaturrampe der Heizschalen von 10 – 15 °C/min bis zu einer

Temperatur von 450 °C realisiert werden.

Eine schlagartige Verdampfung des flüssigen Wassers und damit ein hoher

Temperaturabfall im oberen Bereich des Reaktors ist zu vermeiden. Aus diesem

Grunde muss die Temperatur am Eintritt des Reaktors (T103) vor der Wasser – und der

Methanzugabe bzw. vor Beginn der Reformierungsreaktion stets größer als


37

CT aktorein °= 102Remin

sein.

Die Verschaltung der Anlage ist in Abbildung 3-13 dargestellt. Die Soll- und

Messwertübergabe und die Ansteuerung der Komponenten vom Steuerungsrechner

erfolgt über den Field Point – Datenlogger mittels Netzwerkkabel. Lediglich das

Umwälzthermostat kommuniziert direkt über die RS 232 Schnittstelle mit dem PC.

Abbildung 3-13 Mess – Steuer – und Regelungsprinzip


34

4 Betrieb der Anlage

4.1 Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme des Teststandes erfolgt in mehreren Schritten:

1. Anschluss der Zuleitungen der Gasdosierung an das Versorgungsnetz der Uni

Bochum

2. Sicherstellung der Drehstromversorgung der Anlage

3. Verbindung der Versuchsanlage zum Steuerungsrechner per Netzwerkkabel

4. Aufbau der Kommunikation zwischen Anlage und LabView

5. Analyse der Stromleitungen auf Kabelbrüche

6. Untersuchung des Rohrleitungssystems auf Leckagen bzw. die Gasdichtigkeit

der Verbindungen der Teilsysteme untereinander. In trockenen Zustand wird

durch die Kondensatpumpe aufgrund ihrer Arbeitsweise kontinuierlich ein Teil

des Gasvolumens in den Kondensatabscheider abgeleitet.

7. Öffnen des Nadelventils (26) zur Stickstoffspülung bis zur Markierung!

4.2 Anfahren und Normalbetrieb Die Kontrolle bzw. Ausführung der folgenden Punkte ist vor jedem Anfahren der Anlage

notwendig:

1. Befüllung des Reaktors mit Blindschüttung und Katalysator und dessen

Reduzierung (s. Kapitel 4.4).

2. Auffüllung der Wasservorlage mit tridestillierten Wasser (s. Kapitel 3.3.3).

3. Entleerung des Kondensatauffangbehälters

4. Betriebsbereitschaft aller Aggregate bzw. Vorhandensein etwaiger

Störmeldungen überprüfen

Sind alle Voraussetzungen erfüllt, kann das System in Betrieb genommen werden.

Dieser wird ausschließlich über LabView eingestellt und überwacht (s. Kapitel 3.4).

4. Betrieb der Anlage

4.3 Abfahren und gesichertes Abfahren

Abgefahren wird die Anlage in folgender Reihenfolge:

1. Spülung des Systems mit Stickstoff (1000 ml/min)

2. Abschalten des Edukt- Volumenstroms

3. Abschalten des Verdampfersystems, des Dreizonenofens und des

Heizbandes am Reaktoreingang

Diese Prozedur kann sowohl manuell, als auch durch Betätigung des Schalters „Suht

down„ auf der LabView- Oberfläche geschaltet werden. Auch der Stopp- Schalter

auf der Oberfläche führt in diesen Modus. Zudem wird durch Betätigen dieses

Schalters auch LabView gestoppt. (Das Verdampfersystem, der Dreizonenofen und

das Heizband werden nicht über LabView - Programm gesteuert!! )

Beim Auftreten eines Störfalles (s. Kapitel 5.6) wird dieser Ablauf automatisch

ausgeführt. Allein das Ereignis Stromausfall führt nicht dazu. In diesem Fall erfolgt

die Stickstoff- Spülung durch das stromlos geöffnete Magnetventil (14)

Aus diesem Grund darf das Nadelventil (26) nur dann geschlossen werden, wenn die Anlage abgekühlt ist und die Stromzufuhr gestoppt wurde! 4.4 Austausch des Katalysators Bevor das Reaktorrohr ausgebaut werden kann, muss der Reaktor und das

Heizband am Reaktoreingang abgekühlt, die gesamte Anlage ausgeschaltet und das

Nadelventil (26) geschlossen sein.

Der Ausbau muss in folgender Reihenfolge durchgeführt werden:

1. Abwickeln der Isolierung / Heizband an Reaktoreingang

2. Lösen der Steckverbindung des Thermoelements

3. Lösen der Swagelok.- Schraubverbindung der Gaszuleitung in den Reaktor

39


4. Lösen der beiden Swagelokverbindung an Reaktorausgang

(Probengasentnahme und Abgasleitung)

5. Der Reaktor wird kann um aus dem Ofen entnommen werden.

6. Die Befüllung des Reaktors erfolgt wie auf der folgenden Abbildung:

Der Katalysator befindet sich im Chemikalienlager NBCF04/669 im Safe. Das

Sicherheitsdaten zum Katalysator ist zu beachten.

Nach Einbau des Reaktors muss ein Dichtigkeitstest durchgeführt werden, bevor das

Heizband und Isolierung wieder angebracht werden.

40


41

Vor dem Beginn der Katalysatoruntersuchungen, muss dieser ggf. reduziert werden.

Diese Reduktionsprozedur ist Teil der Katalysatorpräparation, dennoch wird die

folgende Abfolge empfohlen:

Der Katalysator (z.B.: G90 B der Firma Süd Chemie) befindet sich bei der

Anlieferung aus Gründen des Gesundheitsschutzes im oxidierten Zustand, d.h. er ist

deaktiviert. Dazu wird ein H2/N2-Gemisch mit einem H2-Stoffanteil von 10 % (900

ml/min N2 und 100 ml/min H2) durch das System geleitet. Die notwendige

Aktivierungstemperatur im Reaktor beträgt dabei 500 °C. Diese hohe Temperatur

verhindert zudem das Auskondensieren des entstehenden Wasserdampfes. Der

hohe Stickstoffanteil stellt die Abfuhr der Reaktionswärme, die bei der Oxidation frei

wird und des Wasserdampfes sicher.

Es läuft folgende exotherme Reduktionsreaktion ab:

Gl. 4-1 molkJhOHNiHNiO 2,10

22 −=∆+↔+

Nach Erreichen der Reduktionstemperatur wird der H2-Stoffmengenanteil im

Produktgas beobachtet. Da der auf dem Katalysator gebundene Sauerstoff laut Gl.

4-1 mit dem eingetragenen Wasserstoff zu Wasser reduziert wird, ist der H2-Anteil im

Produktgas zunächst kleiner als im Edukt-Gemisch. Die volle Aktivität des

Katalysators ist erreicht, sobald der gesamte gebundene Sauerstoff in H2O

umgewandelt wurde und demzufolge Eintrag und Austrag einen identischen H2-

Gehalt besitzen.

Bei bereits verwendeten Katalysator-Schüttungen ist stets der Oxidationszustand vor

jeder Aufheizung nach dem o.g. Prinzip zu überprüfen.

Eine spezielle Prozedur zur Oxidation des Katalysators vor dem Ausbau ist nicht

vonnöten.

5. Sicherheitshinweise

42

5 Sicherheitshinweise

5.1 Vorwort

Diese als Nachschlagewerk dienende Beschreibung der Anlage umfasst den

technischen Aufbau, potentielle Gefahrenquellen und die Bedienung der Anlage.

Die Anlagenbeschreibung enthält ferner wichtige Hinweise, die Anlage sicher und

sachgerecht zu betreiben. Ihre Beachtung hilft, Gefahren zu vermeiden,

Reparaturkosten zu vermindern und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anlage

zu erhöhen.

Diese Anlagenbeschreibung und die der Hersteller müssen für das zuständige Personal

stets verfügbar sein.

Die Inbetriebnahme des Kinetik-Teststandes darf erst nach sorgfältiger Durchsicht

dieser Anleitung erfolgen. Sie ist von allen Personen zu lesen und anzuwenden, die

ständig oder gelegentlich mit Arbeiten an der Anlage beauftragt werden. Hierzu zählen

insbesondere die Tätigkeiten:

• Bedienung

• Austausch des Katalysators,

• Wartung,

• Reinigung,

• Störungsbehebung und Reparaturen aller Art.

Neben dieser Anlagenbeschreibung und an der Einsatzstelle geltenden verbindlichen

Regelungen zur Unfallverhütung sind auch die anerkannten Regeln für sicherheits- und

fachgerechtes Arbeiten zu beachten.


43

5.2 Grundlegende Sicherheitshinweise

Beim Einsatz dieser Versuchsanlage können Gefahren für die Umwelt und das Leben

des Personals oder Dritter bzw. Beschädigungen an der Anlage und anderer Sachwerte

entstehen. Bei allen Tätigkeiten mit und an dieser Anlage wird deshalb die Befolgung

der in diesem Hauptkapitel genannten Sicherheitshinweise dringend empfohlen.

Zur bestimmungsgemäßen Verwendung gehört auch das Beachten dieser

Anlagenbeschreibung und die Betriebsanleitungen aller Hersteller/Unterlieferanten.

Anmerkung:

Die Berücksichtigung der folgenden Sicherheitshinweise entbindet nicht von der

Verpflichtung, die an der Einsatzstelle geltenden verbindlichen Vorschriften des

Gesetzgebers, der Universität Bochum und der Berufsgenossenschaft zur

Unfallverhütung sowie die anerkannten Regeln für sicherheits- und fachgerechtes

Arbeiten zu beachten.

5.2.1 Organisatorische Maßnahmen

• Keine Veränderungen, An- und Umbauten an der Anlage, die die Sicherheit

beeinträchtigen könnten, ohne Genehmigung des Herstellers vornehmen.

Dies gilt auch für die Einstellung von Sicherheitseinrichtungen und -ventilen

sowie Arbeiten an elektrischen Ausrüstungen der Anlage.

• Ersatzteile müssen den vom Hersteller festgelegten technischen

Anforderungen entsprechen. Dies ist bei Originalersatzteilen immer

gewährleistet.

• Durch Verordnungen vorgeschriebene oder in der Anlagenbeschreibung

angegebene Fristen für wiederkehrende Inspektionen und Wartungsarbeiten

einhalten.

• Standort und Bedienung von Feuerlöschern bekannt machen!

• Bei sicherheitsrelevanten Änderungen einer Komponente oder ihres

Betriebsverhaltens die Anlage sofort stillsetzen und die Störung der

zuständigen Stelle/Person melden.


44

5.2.2 Bedienung

• Die Anlage nur in technisch einwandfreiem Zustand sowie bestimmungs- und

sicherheitsgemäß unter Beachtung der Anlagenbeschreibung betreiben. Jede

sicherheitsbedenkliche Arbeitsweise ist zu unterlassen.

• Vor Arbeitsbeginn die Anlage auf äußerlich erkennbare Schäden und Mängel

prüfen. Eingetretene Veränderungen sofort der zuständigen Stelle melden.

Anlage nicht starten und gegen Inbetriebnahme sichern.

• Vor Arbeitsbeginn prüfen, ob der PC im Leitstand einwandfrei arbeitet.

• Die Anlage bei Funktionsstörungen, Ausfall einer Sicherheitseinrichtung oder

sonstigen Änderungen in ihrem Betriebsverhalten sofort stillsetzen und gegen

erneute Inbetriebnahme sichern. Störungen umgehend beseitigen.

5.2.3 Wartung und Instandsetzung

• Vor dem Reinigen der Anlage alle Öffnungen abdecken/zukleben, in die aus

Sicherheits- und/oder Funktionsgründen kein Wasser/Staub/Dampf/

Reinigungsmittel eindringen darf. Besonders gefährdet sind Elektronik-

Komponenten, Messinstrumente und die gesamte Verkabelung. Nach dem

Reinigen sind die Abdeckungen/Verklebungen vollständig zu entfernen.

Ferner sind danach ggf. alle Rohrleitungen auf Undichtigkeiten, gelockerte

Verbindungen, Scheuerstellen und Beschädigungen zu untersuchen.

Festgestellte Mängel sofort beheben!

• Die Anlage, und hier insbesondere Anschlüsse und Verschraubungen, zu

Beginn der Wartung/-Reparatur von Verschmutzungen, Öl und Pflegemitteln

reinigen. Keine aggressiven Reinigungsmittel verwenden! Faserfreie

Putztücher benutzen!

• Bei Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten gelöste Schraubenverbindungen

stets festziehen. Bei Schnellkupplungen auf einwandfreien Sitz achten.

Anschlüsse nicht vertauschen, ggf. vorher kennzeichnen.


45

• Ist die Demontage von Sicherheitseinrichtungen beim Rüsten, Warten und

Reparieren erforderlich, hat unmittelbar nach Abschluss der Wartungs- und

Reparaturarbeiten die Remontage und Überprüfung der Sicherheits-

einrichtungen zu erfolgen.

• Offenes Feuer oder Rauchen ist im Bereich der Anlage strengstens

untersagt.

• Nur Originalsicherungen mit vorgeschriebener Stromstärke verwenden. Bei

Störungen in der elektrischen Energieversorgung die Anlage sofort

abschalten.

• Maschinen- und Anlagenteile, an denen Inspektions-, Wartungs- und

Reparaturarbeiten durchgeführt werden, müssen - falls vorgeschrieben -

spannungsfrei geschaltet werden. Die frei geschalteten Teile zuerst auf

Spannungsfreiheit prüfen, dann erden und kurzschließen sowie benachbarte,

unter Spannung stehende Teile isolieren.

• Die elektrische Ausrüstung der Anlage ist regelmäßig zu inspizieren/prüfen.

Mängel, wie lose Verbindungen bzw. angeschmorte Kabel, müssen sofort

beseitigt werden.

• Sind Arbeiten an spannungsführenden Teilen notwendig, eine zweite Person

hinzuziehen, die im Notfall den Notaus- bzw. den Hauptschalter mit

Spannungsauslösung betätigt. Nur spannungsisoliertes Werkzeug benutzen!

• Beim Umgang mit Ölen, Fetten und anderen chemischen Substanzen, die für

das Produkt geltenden Sicherheitsvorschriften beachten.

• Vorsicht beim Umgang mit heißen Betriebs- und Hilfsstoffen wie Thermoöl

oder Prozessgas (Verbrennungs- bzw. Verbrühungsgefahr)!

• Für sichere und umweltschonende Entsorgung von Betriebs- und Hilfsstoffen

sowie Austauschteilen sorgen.

• Nach einer Reparatur die Wiederinbetriebnahme nur nach

Anlagenbeschreibung vornehmen.


46

5.3 Potentielle Gefahren

Eine Hauptgefahr besteht in der Verwendung brennbarer bzw. erstickender oder

toxischer Gase. Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan können mit Luft explosions-

oder detonationsfähige Gemische bilden. Außerdem sind diese Medien leicht brennbar.

Alle Gase können bei großen Konzentrationen zum Ersticken führen. Im Falle eines

Lecks können schlagartig große Gasmengen frei werden. Unter außergewöhnlichen

Betriebsbedingungen können gefährdende Stoffe (z.B. Ammoniak) gebildet werden. Im

Einzelfall sind deren Bildung und Gefahren in Erfahrung zu bringen.

Weitere Gefahrenquellen sind die maximal mögliche Betriebstemperatur von 1000° C

zwischen den Heizschalen und dem Reaktor, die heißes Gas führenden Rohrleitungen

und die bis zu 110 °C heiß werdenden Gehäuse der Spulen der Magnetventile. In allen

Fällen kann es zu Verbrennungen der Haut führen.

Teile der Anlage werden mit Hochspannungen versorgt, die bei unsachgemäßem

Verhalten, z.B. Berührung zu schweren Verletzungen führen können. Alle elektrischen

Leitungen insbesondere die Heizbänder sind daher regelmäßig auf Kabelbrüche zu

untersuchen.

Die Katalysatoren können aus entzündlichen, gesundheitsschädlichen bzw. giftigen

Komponenten bestehen. Es gelten die entsprechenden Richtlinien für das Verhalten in

chemischen Labors und für den Umgang mit chemischen Stoffen.

5.4 Verwendete Gase und deren Stoffeigenschaften

5.4.1 Wasserstoff

Farbloses, geruchloses, hochentzündliches Gas; sehr viel leichter als Luft. Die Flamme

ist kaum sichtbar, ihre Temperatur in der Luft liegt bei 2300 °C.

Kritische Grenzwerte:

• Explosionsgrenzen in Luft: 4-75,6 Vol-%

• Explosionsgrenzen in Sauerstoff: 4,65-96,6 Vol-%


47

• Zündtemperatur: 560 °C

R: 12 hochentzündlich

S: 7/9 Behälter dicht geschlossen halten und an einem gut belüfteten Ort

aufbewahren

• Wasserstoff bildet mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch!

• Entzündung oder Explosion bei Kontakt mit starken Oxidationsmitteln

möglich!

• Bei hohen Ausströmgeschwindigkeiten Gefahr der Selbstentzündung!

• Nur in geschlossenen und geerdeten Anlagen verwenden!

• Von offenen Flammen, Wärmequellen und Funken fernhalten!

5.4.2 Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid ist ein farb- und geruchloses, die Verbrennung nicht unterhaltenes, aber

selbst nicht brennbares, giftiges Gas, das entsprechend seiner Molekülmasse etwa so

schwer ist wie Luft.


• Explosionsgrenzen: 12,5 - 74 Vol-%


• Schwangerschaft: B


R: 23 giftig beim Einatmen

S: 7 Behälter dicht geschlossen halten

S: 16 von Zündquellen fernhalten, nicht rauchen


48

CO ist ein Atemgift. Im Notfall Gasfilter Typ CO benutzen. Nur in gutgelüfteten Räumen

arbeiten. CO reagiert heftig mit Acethylen, Aminen, Ammoniak und Stickoxiden.

5.4.3 Kohlendioxid

Kohlendioxid ist ein farbloses, nicht brennbares, die Atmung und Verbrennung nicht

unterhaltenes Gas von etwas säuerlichem Geruch und Geschmack.

S: 9 Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren

S: 23 Gas nicht einatmen

CO2 wirkt in hohen Konzentrationen lähmend auf das Atemzentrum.

5.4.4 Methan

Farbloses Gas mit alkoholischem Geruch. Methan ist leicht entzündlich. Das

Dampf/Luft-Gemisch ist explosionsfähig.


• Explosionsgrenzen in Luft: 5 - 15 Vol%



S: 9 Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren

S: 16 von Zündquellen fernhalten, nicht rauchen

S: 33 Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen

Methan ist giftig beim Einatmen. Methan reagiert sehr heftig mit Oxidationsmitteln.

Vorsicht vor elektrischer Aufladung!

5.5 Verhinderung potentieller Gefahren

Im Labor müssen die allgemeinen Sicherheitsvorschriften beachtet werden.


49

Während der experimentellen Arbeiten muss der Druck der Gasflaschen regelmäßig

kontrolliert werden. Bei übermäßigen Druckänderungen müssen die Anlage und die

Anschlüsse der Gasflaschen überprüft werden. Notfalls sind die Gasflaschen zu

schließen und das Experiment zu beenden.

Eine Gaswarnanlage im Raum überprüft ständig den Gehalt an explosiven und an

toxischen Gasen in der Laborluft. Beim Überschreiten eines Grenzwertes ertönt ein

Warnsignal. Die Steuerung / Anzeigeeinheit für die Raumüberwachungsanlage ist in

Raum 488 untergebracht. Dort kann auch das akustische Warnsignal abgeschaltet

werden. Die Raumüberwachung löst ebenfalls einen akustischen und optischen Alarm

auf der Ebene des Lehrstuhls NBCF 04 / Süd aus.

Die Steuerungs- und Kontrolleinheit ist im Vorraum NBCF 05/486 getrennt von der

eigentlichen Apparatur untergebracht.

Elektrische Leitungen, Thermoelemente und Heizschalen sind regelmäßig zu

kontrollieren und bei Beschädigungen auszutauschen.

Das System ist regelmäßig auf seine Dichtigkeit zu überprüfen.

Nach Freisetzen größerer Mengen CO in die Raumluft dürfen Arbeiten zur

Stabilisierung der Situation nur mit Gasmasken ausgeführt werden! Diese stehen am

Eingang zum Raum 485 rechts neben der Tür bereit. Diese Masken sind ebenfalls zur

Personenbergung nach Freisetzung größerer Mengen CO anzulegen.

Die Drücke und Temperaturen innerhalb der Anlage werden kontinuierlich gemessen.

Wie im nachfolgenden Kapitel 5.6 beschrieben führen diese Messwerte bei

Überschreitung von Grenzwerten zu dem, in Kapitel 4.3 beschrieben Betriebsmodus

„Gesichertes Abfahren“.

5.6 Störfälle

Die Anlage besitzt einen Notausschalter (s. Kapitel 3.4), der auf der LabView -

Oberfläche geschaltet werden kann. Des weiteren kann der Drehstromstecker gezogen

werden, sollte es zu einem Ausfall der Software kommen.


50

Sollte ein Ereignis eintreten, dass einen Notaus erfordert, so startet LabView sofort den

Betriebsmodus „Gesichertes Abfahren“. Dann erfolgt, wie in Kapitel 4.3 beschrieben,

eine Durchströmung des Systems mit Stickstoff.

Alle im Folgenden genannten Szenarien führen in diesen Modus:

• Überschreiten der voreingestellten Maximaltemperatur der Heizschalen (T75;

Tmax = 1020 °C) bzw. des Verdampfers (63; Tmax = 220 °C)

• Überschreiten des voreingestellten Maximaldrucks vor oder nach dem

Reaktor, gemessen an den Druckaufnehmern (P100 bzw. P101; pmax = 500

mbar)

• Stromausfall

Im Falle eines Stromausfalls fallen sämtliche Fördervolumenströme aus, das

Umwälzthermostat und die Heizschalen schalten ab. Das stromlos offene Ventil (14)

lässt zum Abkühlen einen Stickstoffvolumenstrom durch die Anlage strömen.

Aus diesem Grund ist unbedingt darauf zu achten, dass eine ausreichende Menge

Stickstoff - Versorgung zur Verfügung steht. Ein Flaschendruck von ca. 10 bar darf

daher während des Normalbetriebs nicht unterschritten werden. Andernfalls ist die

Flasche unverzüglich zu wechseln. Der Flaschenwechsel darf jedoch unter keinen

Umständen während des Anfahrens erfolgen.

Sonstige Störfälle, die keine direkte Bedrohung des Bedienpersonals oder der Anlage

für sich darstellen, werden auf der LabView - Oberfläche als Warnung angezeigt (s.

Kapitel 3.4). Sie führen jedoch nicht automatisch in den Modus „Gesichertes Abfahren“,

da sie mit wenigen Handgriffen in sehr kurzer Zeit zu beseitigen sind. Die

Verantwortung für durch Nichtbeachtung entstandene Schäden an nachgeschalteten

Anlagen liegt beim Bedienpersonal. Es liegt im Ermessen des Bedienpersonals, diese

Störungen zu beseitigen und evtl. die Anlage geregelt abzufahren.

6. Literaturverzeichnis

51

6 Literaturverzeichnis

ANDE84 Andersen, John, R.; Boudart, Michael (Edit.): Catalysis – Science and

Technology, Volume 5, Springer Verlag, Berlin, 1984

DICK96 Dicks, A. L.: Hydrogen generation from natural gas for the fuel cell systems

of tomorrow, Journal of Power Sources, Vol. 61, 113-124, 1996

HAGE96 Hagen, Jens: Technische Katalyse: Eine Einführung, VCH

Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1996

HUGH01 Houghes, Ronald; Hou, Kaihu: The kinetics of methane steam reforming

over a Ni/α-Al2O catalyst, Chemical Engineering Journal, Vol. 82, 311-328,

2001

LIDE97 Lide, David R.: Handbook of Chemistry and Physics, 78th Edition, CRC

Press, Boca Raton, 1997

TWIG89 Twigg, M. V.: Catalyst Handbook, 2. Auflage, Wolfe Publishing Ltd., 1989

WINTE99 Winterbottom, J. M.; King, M. B: Reactor Design for Chemical Engineers,

Stanley Thornes Publishers Ltd., Cheltenham, 1999

7. Anhang

53

Abbildung 7-2 Konstruktionszeichnung des Wasservorlagebehälters

7. Anhang

54

Abbildung 7-3 Konstruktionszeichnung des Luftkühlers

7. Anhang

57

Pos. Bauteil Typ

10 Magnetventil und Filter (H2O, NC) Maettig 11 Magnetventil und Filter (N2, NC) Maettig 12 Magnetventil und Filter (H2, NC) Maettig 13 Magnetventil und Filter (CH4, NC) Maettig 14 Magnetventil und Filter (N2, NO) Maettig 15 Magnetventil und Filter (Gaxmix, NC) Maettig 16 Magnetventil und Filter (Gaxmix, NC) Maettig 20 Durchflussregler (H2 100 ml/min) Bronkhorst 21 Durchflussregler (N2 1000 ml/min) Bronkhorst 22 Durchflussregler (H2O 1 kg/hr) Bronkhorst 23 Durchflussregler (CH4 5000 ml/min) Bronkhorst 24 Wasservorlage Zeichnung 25 Druckminderer Parker 26 Nadelventil Parker 30 Durchflußregler (Produkt) Maettig 31 Rückschlagventil Parker 40 PC/Monitor 42 Daten-Logger Field Point 43 Messgasanalyse Fisher Rousemount 61 thermostatisierte Halterung Zeichnung 62 Verdampfer / Überhitzer Zeichnung 63 Thermobad Lauda 70 Heizschalen Watlow, 2Halbschalen: VS_02A18S 71 Heizschalenhalterung Zeichnung 72 Regler, Leistungssteller Watlow 75 Thermoelement Typ K, Ø 1,5 mm, 300mm 76 Isolation Microtherm, Kerfa 80 Reaktor inkl. Einbauten 81 Flansche inkl. Dichtung Zeichnung

82-86 Thermoelement Typ K, Ø 0,5 mm, 700mm

90 Gaskühler Zeichnung 91 Lüfter Papst 92 Kondensatabscheider 6 bar 93 Kondensatpumpe 94 Feuchtesensor inkl. Schalteinheit (Kondensatwächter) 95 Magnetventil 96 Messgaskühler

Fisher Rosemount Probenentnahmestrecke

97 Abgaskühler

98 Lüfter Papst

100 Druckaufnehmer Envec, 0,5bar 101 Druckaufnehmer Envec, 0,5bar 103 Thermoelement Typ K, Ø 1,5 mm, 150mm 104 Thermoelement Typ K, Ø 1,5 mm, 150mm

Item div Verrohrungen div Verschraubungen Swagelok Nemet div

Conrad Elektronik

Tabelle 7-1 Liste der im Fließschema aufgeführten Komponenten

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Anlagenbeschreibung für einen Teststand zurUntersuchung ... · Anlagenbeschreibung für einen Teststand zurUntersuchung der Reaktionskinetik von Reformerkatalysatoren Dampfreformer