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Wasserstofferzeugung durch partielle katalytische Dehydrierung
ausgewählter Fraktionen von Kerosin K. Pearson, A. Wörner
ProcessNet-Jahrestagung 12.09.2012
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 1
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Wasserstofftechnologie für die Bordstromversorgung in
Flugzeugen
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 2
Neues Konzept für Auxiliary Power Unit
Brennstoffzellensystem statt
Hilfsturbine
Effizienzsteigerung
Wasserstoffbereitstellung
Erzeugung on-board aus Kerosin statt
Wasserstofftanks Tank/
Triebwerk Fraktionierung kat. Dehydrierung BZ-System
QthQkin
Triebwerk
Tank
KerosinR-S, Rn-H
RY-H
R-S, Rx-H
Rz-H
Kühlfalle
H2
Qel
Reaktor
BZ
* IPCC Guidlines on National Greenhouse Gas Inventories 2001
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Partielle katalytische Dehydrierung (PkD) für die
Wasserstofferzeugung aus Kerosin Jet A1
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 3
Konzept Elekt. Wirkungsgrad BZ mit PkD 25%
BZ mit PkD und Fraktionierung 18-23%
Hilfsturbine (APU) 15-18%
Bedingungen Herausforderungen - H2 Reinheit ≥90vol-% Rest
Kohlenwasserstoffe C1 bis C3 - Geringer Aufwand für
Produktgasreinigung - Endotherme Reaktion
- Vereinfacht Wärmemanagement - Reaktionstemperatur: 350ºC bis
500ºC
- Schwefelempfindlicher Katalysator - Jet A1 noch stark
schwefelhaltig bis zu
3000ppm S - Dehydrierungsreaktion stark abhängig von KW-
Gruppe - Kerosin: Vielstoffgemisch
- Crackingreaktionen
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Partielle katalytische Dehydrierung (PkD) höherer
Kohlenwasserstoffe
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 4
- Gewählte Betriebsbedingungen:
- 450ºC, 5 bar,
- Verwendeter Katalysator Pt auf Ɣ-Al2O3 Trägermaterial
Dehydrierung von Stoffgruppenkomponenten im Kerosin Jet A1
Stoffgruppe Reaktion Umsatz Reaktionsenthalpie bei 450ºC
Paraffin C12H26 C12H24 + H2 ≥ 50% 101,2 kJ/mol
Iso-Paraffin C10H22 C6H12 + C2H6 + 2C + 2H2 ≥ 15% 64,72
kJ/mol
Naphthen C10H18 C10H8 + 5H2 100% 93,23 kJ/mol
Aromat C10H14 C7H8 + C2H4 + H2 ≥ 2% 217,43 kJ/mol
-
p, TRSchwefel
Verkokung
RQ
H2
T1=TRIsothermIsobar
Kerosinfraktion
Dehydriertes Kerosin
2H2H mol
kJQ
Integration der PkD in ein Systemmodell mit ASPEN plus
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 5
Experiment
Energetische Bewertung
Simulation
ASPEN plus - Prozessgrößen p,T - Ausbeute φH2 &
Umsatz Xj - Zusammensetzung der
Kerosinfraktion
- Wärmebedarf QH2 - Stoffströme - Wärmeübertragung
- Integration von Einzelreaktionen der PkD
- Kein Gleichgewicht - Umsätze bei T, p fix
- Fraktionierung - Massenströme - Wärmebedarf
- PkD Reaktor Wärmeintegration
- Wärmeübertragung aus Stoffströmen
Kerosin
xj Reaktion
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Experiment und Simulation Experiment und Energetische Bewertung
der Dehydrierung
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 6
Einzelkomponenten =
Stoffgruppenvertreter H2 Ausbeute
Experiment
Stoffgruppenzusammensetzung der Kerosinfraktion
Einzelkomponenten +
Modellgemisch der Fraktion
Simulation
Wärmebedarf pro Mol H2 pro Stoffgruppe [kJ/molH2]
Wärmbedarf QH2 Modellgemisch der Fraktion
bei T,p
Reaktionsenthalpie
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Teststand zur partiellen katalytischen Dehydrierung
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012
www.DLR.de • Folie 7
- Reaktortemp. 350ºC bis 500ºC - Druckbereich: max. 9 bar -
Masse Katalysator: bis 6,5 g - Massenstrom Feed bis max. 100 g/h -
Kondensator Temperatur: -10ºC - Gaskonzentrationen: H2, CH4, C2H6,
C2H4, C3H8
KW
MFC
Abgas
H2
Feedgas
MFC
MFC
T
Spühlgas
P
N2N2/O2
Synthetische Luft
T
T
T
H2 Detektor
GC für CxHx und
H2
T
Reaktor
Kondensator
Analyse Verdampfer Feed
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Rektifikation von Kerosin für die Erzeugung schwefelreduzierter
Fraktionen
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 8
Labor Experiment im Batch Verfahren
ASTM D 2887
Schwefelkurve
- Batch- Rektifikation - „wilder“ Rücklauf
Kühler
Erhitzer
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Untersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
schwefelarmem Kerosin
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 9
- Schwefelarmes Kerosin Jet A1 mit 3ppm S
- Variation von Druck und Temperatur
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Untersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
schwefelarmem Kerosin
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 10
- Betriebsbedingen 5 bar und 450ºC
- Längere Kontaktzeit verbessert die Ausbeute
- Erhöhter Wasserstoffpartialdruck in der Anlage reduziert
Verkokung auf Katalysator
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Untersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
schwefelarmem Kerosin
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 11
- Betriebsbedingungen 5 bar und 450ºC
- Längere Kontaktzeit verbessert die Ausbeute
- Erhöhter Wasserstoffpartialdruck in der Anlage reduziert
Verkokung auf Katalysator
- Reduzierte Temperatur der Überhitzungsstrecke reduziert
Cracking
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Untersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
Fraktionen
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 12
- H2 Ausbeute hängt stark von Zusammensetzung der Fraktion
ab
- Bessere Zeitstabilität erforderlich für eindeutige Aussagen
über Ausbeuten
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Untersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
Fraktionen
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 13
- Gaszusammensetzung abhängig von Zusammensetzung der
Kerosinfraktion
Fraktion 5 mass-%
Fraktion 30 mass-%
KW Zusammensetzung
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Zusammenfassung und Ausblick
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 14
Experiment Prozessmodell - Hohe H2- Reinheit ≥ 90%
- Ausbeute max. 160 nlH2/kgFeed
- Katalysatordesaktivierung: Verkokung überlagert
Schwefeldesaktivierung
- Maßnahmen zur Verbesserung: - Anpassung der Verdampfung -
höheren Wasserstoffpartialdruck - Verwendung anderer
Katalysatoren
oder Vorbehandlungsmethoden
- Abbildung der Dehydrierung: - Abbildung des Kerosins/ der
Fraktionen mit
Einzelkomponenten als Stoffgruppenvertreter
- Integration der Dehydrierung durch Einzelreaktionen und
Umsatzvorgaben
- Integration der Rektifikation - Hoher Energiebedarf im
Gesamtkonzept - Wärmeintegration mit PkD und einem
Brenner
-
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Fragen?
[email protected]
> ProzessNet-Jahrestagung > K. Pearson & A. Wörner
> 12.09.2012 www.DLR.de • Folie 15
Wasserstofferzeugung durch partielle katalytische Dehydrierung
ausgewählter Fraktionen von KerosinWasserstofftechnologie für die
Bordstromversorgung in Flugzeugen�Partielle katalytische
Dehydrierung (PkD) für die Wasserstofferzeugung aus Kerosin Jet
A1�Partielle katalytische Dehydrierung (PkD) höherer
Kohlenwasserstoffe�Integration der PkD in ein Systemmodell mit
ASPEN plus�Experiment und Simulation�Experiment und Energetische
Bewertung der DehydrierungTeststand zur partiellen katalytischen
DehydrierungRektifikation von Kerosin für die Erzeugung
schwefelreduzierter Fraktionen�Untersuchungen zur partiellen
katalytischen Dehydrierung von schwefelarmem KerosinUntersuchungen
zur partiellen katalytischen Dehydrierung von schwefelarmem
KerosinUntersuchungen zur partiellen katalytischen Dehydrierung von
schwefelarmem KerosinUntersuchungen zur partiellen katalytischen
Dehydrierung von Fraktionen�Untersuchungen zur partiellen
katalytischen Dehydrierung von Fraktionen�Zusammenfassung und
AusblickVielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit��Fragen?��[email protected]
