[go: up one dir, main page]

DE60116763T2 - Mikrokanlvorrichtung zum stoff- oder wärmeaustausch - Google Patents

Mikrokanlvorrichtung zum stoff- oder wärmeaustausch Download PDF

Info

Publication number
DE60116763T2
DE60116763T2 DE60116763T DE60116763T DE60116763T2 DE 60116763 T2 DE60116763 T2 DE 60116763T2 DE 60116763 T DE60116763 T DE 60116763T DE 60116763 T DE60116763 T DE 60116763T DE 60116763 T2 DE60116763 T2 DE 60116763T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
stream
exergy
unit operation
heat
microcomponent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60116763T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60116763D1 (de
Inventor
S. Robert Richland WEGENG
E. Ward Kennewick TEGROTENHUIS
A. Greg West Richland WHYATT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Battelle Memorial Institute Inc
Original Assignee
Battelle Memorial Institute Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battelle Memorial Institute Inc filed Critical Battelle Memorial Institute Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE60116763D1 publication Critical patent/DE60116763D1/de
Publication of DE60116763T2 publication Critical patent/DE60116763T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/04—Networks or arrays of similar microstructural devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/0033—Optimalisation processes, i.e. processes with adaptive control systems
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/506—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification at low temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00004—Scale aspects
    • B01J2219/00011—Laboratory-scale plants
    • B01J2219/00013—Miniplants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00018—Construction aspects
    • B01J2219/0002—Plants assembled from modules joined together
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/048—Composition of the impurity the impurity being an organic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0822—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel the fuel containing hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C01B2203/0827—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel at least part of the fuel being a recycle stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0866—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combination of different heating methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0888—Methods of cooling by evaporation of a fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1276—Mixing of different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C01B2203/1294—Evaporation by heat exchange with hot process stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/141—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C01B2203/143—Three or more reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/145—At least two purification steps in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Transition And Organic Metals Composition Catalysts For Addition Polymerization (AREA)
  • Multi-Process Working Machines And Systems (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrokanalvorrichtungen und insbesondere Mikrokanalvorrichtungen, welche zu Einheitsverfahrens- bzw. -prozeßoperationen fähig sind, welche den Transfer bzw. die Übertragung von Masse oder Wärme bedingen bzw. involvieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Systeme, die einen Wärme- oder Massentransfer bzw. -austausch involvieren, sind entscheidend bzw. kritisch unserer industrialisierten Gesellschaft. Beispiele von derartigen Systemen umfassen bzw. enthalten: Pulverbildung bzw. -erzeugung, chemische Be- bzw. Verarbeitungssysteme und Wärme- und Kühlsysteme. Über mehr als 100 Jahren haben Forscher und Ingenieure versucht, die Effizienz zu erhöhen oder die Kosten dieser Systeme zu reduzieren.
  • Battelle, Pacific Northwest National Laboratories und andere haben Mikrotechnologie verwendet, um Mikrosysteme zum Ausführen von Verfahren zu entwickeln, welche zuvor unter Verwendung von bedeutend größerer Einrichtung bzw. Ausrüstung ausgeführt wurden. Diese Systeme, welche Merkmale bzw. Elemente von 1 Millimeter (mm) oder weniger beinhalten, können potentiell ein Wärme- und Massentransferbearbeiten auf Wegen ähnlich den Änderungen ändern, welche eine Miniaturisierung für ein Berechnen bzw. Computerberechnen mit sich gebracht hat. Mikrosysteme können vor teilhafterweise in kleinmaßstabigen Operationen bzw. Vorgängen, wie in Fahrzeugen verwendet werden. Mikrosysteme, welche ökonomisch in Masse hergestellt werden können, können miteinander verbunden werden, um Tätigkeiten bzw. Operationen in großem Maßstab auszuführen.
  • Die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffbrennstoffen zur Verwendung in Brennstoffzellen ist ein Beispiel einer Anwendung, welche für Mikrosysteme vorgeschlagen wurde. Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, welche Brennstoffenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Beispielsweise in einem Fall, der als Dampfreformieren bekannt ist, kann ein Mikrosystem einen Kohlenwasserstoffbrennstoff (oder einen Alkohol, wie Methanol oder Ethanol) in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umwandeln. Der Wasserstoff wird zu einer Brennstoffzelle zugeführt, welche den Wasserstoff und Sauerstoff (aus der Luft) umsetzt, um Wasser und einen elektrischen Strom zu produzieren. Das CO könnte in einer Reaktion, die als die Wassergasverschiebereaktion bekannt ist, mit Wasser umgesetzt bzw. reagiert werden, um zusätzlichen Wasserstoff und Kohlendioxid herzustellen. Somit bieten Brennstoffzellen potentielle Vorteile gegenüber konventionellen Verbrennungskraftmaschinen – Brennstoffzellen können energieeffizienter sein und sie produzieren keine Stickoxide und Ozon, welche die primären gesundheitsschädlichen Komponenten von Smog sind.
  • US 5,811,062 beschreibt eine Mikrokomponenten-Blattarchitektur, in welcher Einheitsoperationen bzw. -tätigkeiten durch Komponenten im Mikromaßstab ausgeführt werden. Ein Blatt kann eine Mehrzahl von Mikrokomponenten umfassen, welche dieselben oder unterschiedlichen Einheitstätigkeiten ausführen können. Alternativ kann das Blatt eine Mehrzahl von Laminaten mit einem oder mehreren Mikrokomponentenabschnitt(en) in jedem Laminat umfassen. In einigen Ausbildungen ist bzw. wird eine erste Lage bzw. Schicht, umfassend gleiche erste Mikrokomponenten, welche wenigstens eine chemische Prozeß- bzw. Verfahrenseinheitsoperation ausführen mit einer zweiten Schicht kombiniert, umfassend zweite Komponenten zum Ausführen von wenigstens einer zusätzlichen Einheitsoperation, wodurch zwei Einheitsoperationen kombiniert werden, um eine Systemtätigkeit bzw. -operation zu erhalten. Das erste und zweite Laminat sind derart befestigt, daß das erste Laminat chemische Reaktanten erhält, chemische Produkte emittiert und Wärme zu dem zweiten Laminat transferiert bzw. überträgt oder Wärme von diesem erhält. Dieses Patent beschreibt keine Mikrosystem-Prozeß- bzw. -Verfahrensnetzwerke von Ortho-Kaskaden-Einheitsoperationen.
  • WO99/00186 offenbart einen aktiven bzw. wirksamen Mikrokanalwärmetauscher mit einer wirksamen bzw. aktiven Wärmequelle, die eine exotherme Reaktionskammer, die eine erste Schale bzw. Ummantelung besitzt, eine Abgas- bzw. Auslaßkammer, die eine zweite Schale aufweist, enthaltend einen Abgasfluß- bzw. -strömungspfad, der mit einem Abgasauslaß verbunden ist, und eine Wärmetauscherkammer in thermischem Kontakt mit der Abgaskammer aufweist, die eine dritte Schale aufweist, welche einen Arbeitsfluidflußpfad definiert, der einen dritten Einlaß und Auslaß aufweist, wodurch Wärme von der exothermen Reaktionskammer zu dem Arbeitsfluid übertragen wird, um seine Temperatur durch die Abgaskammer zu erhöhen.
  • Trotz langer und intensiver Anstrengungen verbleibt ein Erfordernis für energieeffiziente und kosteneffektive Systeme, um Operationen bzw. Tätigkeiten auszuführen, die einen Wärme- und/oder Massentransfertausch involvieren. Es besteht auch ein Erfordernis für kompakte Systeme oder Mikrokomponentensysteme, um Verfahren bzw. Prozesse auszuführen, welche konventionellerweise in einem größeren Maßstab ausgeführt werden. Dieses Patent beschreibt neue Lösungen für effizientere und kosteneffektive Systeme, die Mikrokomponententechnologie verwenden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In dem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Mikrokomponentenvorrichtung zum Ausführen von Einheitsoperationen bzw. -tätigkeiten zur Verfügung, umfassend eine Mikrokomponentenvorrichtung, die einen ersten Einlaß und einen ersten Auslaß, ein erstes Feld bzw. eine erste Anordnung von Mikrokanälen und ein zweites Feld bzw. Array von Mikrokanälen aufweist. Während der Operation tritt ein Strom in den ersten Einlaß der Mikrokomponentenvorrichtung ein und wird entlang des ersten Felds von Mikrokanälen verteilt und eine erste Einheitsoperation wird an dem Strom ausgeführt. Der Strom tritt durch den ersten Auslaß aus und verläßt die Mikrokomponentenvorrichtung. Eine Bearbeitungsvorrichtung ist mit dem ersten Auslaß der Mikrokomponentenvorrichtung verbunden. Die Bearbeitungsvorrichtung ist fähig, den Strom durch eine zweite Einheitstätigkeit bzw. Einheitsoperation zu modifizieren. Ein Auslaß der Bearbeitungsvorrichtung ist mit einem zweiten Einlaß der Mikrokomponentenvorrichtung verbunden und das zweite Feld bzw. die zweite Anordnung von Mikrokanälen wird bzw. ist mit dem zweiten Einlaß verbunden und ein zweiter Auslaß ist mit dem zweiten Feld bzw. Array von Mikrokanälen verbunden. Während einer Operation tritt der Strom wiederum in die Mikrokomponentenvorrichtung ein und wird entlang der zweiten Anordnung von Mikrokanälen verteilt, wo die erste Einheitsoperation an dem Strom durch- bzw. ausgeführt wird, und der Strom tritt durch den zweiten Auslaß aus und verläßt die Mikrokomponentenvorrichtung. Eine Wiederholung der ersten Einheitsoperation, gefolgt durch einen Wiedereintritt des Stroms in die Mikrokomponentenvorrichtung ist ein Beispiel eines Ortho-Kaskadierens. Die Erfindung enthält auch Verfahren, welche die Mikrokomponentenvorrichtung in der beschriebenen Weise verwenden.
  • In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Mikrokomponentenvorrichtung zur Verfügung, umfassend: eine erste Zone, wobei während einer Tätigkeit bzw. eines Bereichs wenigstens eine Einheitsprozeßoperation ausgeführt wird und welche während der Operation bzw. des Betriebs bei bzw. auf einer ersten Temperatur funktioniert; eine zweite Zone, welche während einer Operation auf einer zweiten Temperatur funktioniert; wobei die erste Temperatur unterschiedlich von der zweiten Temperatur ist; und
    einen Mikrokanalwärmetauscher, welcher zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone angeordnet ist. Während einer Operation fließt ein Strom von der zweiten Zone durch den Mikrokanalwärmetauscher zu der ersten Zone und nachfolgend fließt er zurück durch den Mikrokanalwärmetauscher zu der zweiten Zone. Auch wird während einer Operation in dem Mikrokanalwärmetauscher Wärme zwischen dem Strom, der von der zweiten Zone zu der ersten Zone fließt, und dem Strom ausgetauscht, der von der ersten Zone zu der zweiten Zone fließt; und während einer Operation hat der Wärmetauscher eine thermische Leistungsdichte von wenigstens 0,6 W pro Kubikzentimeter und einen exergetischen Wirkungsgrad von wenigstens 80%. Die Erfindung beinhaltet auch Verfahren, welche die Mikrokomponentenvorrichtung in der beschriebenen Weise verwenden. In der bevorzugten Ausbildung hat der Wärmetauscher in der oben beschriebenen Mikrokanalvorrichtung einen exergetischen Wirkungsgrad von wenigstens 80% (vorzugsweise 85 bis 95%), wenn die erste Zone auf einer Temperatur von 600°C liegt und die zweite Zone eine Temperatur von 200°C aufweist – dies bedeutet nicht, daß die Vorrichtung definiert ist, bei diesen Temperaturen zu arbeiten, jedoch stellen diese Temperaturen eine präzise Temperatur zum Testen einer Vorrichtung in Bezug auf den exergetischen Wirkungsgrad zur Verfügung.
  • In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren eines Durch- bzw. Ausführens von Einheitsoperationen in einer Mikrokomponentenvorrichtung zur Verfügung, umfassend: ein Durchführen einer ersten Einheitsoperation an einem ersten Strom in einer ersten Mikrokomponentenzelle, anschließend an die erste Einheitsoperation, ein Durchführen einer zweiten, diskreten Einheitsoperation an dem ersten Strom, um einen modifizierten Strom zu erzeugen, dann in einer zweiten Mikrokomponentenzelle, ein Durchführen der ersten Einheitsoperation an dem modifizierten Strom, um eine einzige Einheitsoperation an dem modifizierten Strom für den gleichen Zweck wie die erste Einheitsoperation an dem ersten Strom zu bewirken. In einer bevorzugten Ausbildung ist der erste Strom ein Wärmetauscherfluid und die erste Einheitsoperation in einer Mikrokomponentenzelle ist ein Wärmetausch, wobei Wärme bzw. Hitze von dem ersten Strom transferiert wird, um Wärme für ein endothermes Verfahren zur Verfügung zu stellen; wo die zweite Einheitsoperation, die den ersten Strom modifiziert, ein Wieder aufheizen des ersten Fluids durch ein Wiederaufheizen von einer Wärmequelle oder durch ein Zuführen von zusätzlichem Brennstoff oder Sauerstoff und ein Ausführen von Verbrennungsreaktionen umfaßt. Beispiele von endothermen Verfahren bzw. Prozessen enthalten ein Trocknen, Sieden, Verdampfen, endotherme chemische Reaktionen und Desorption. In einer anderen bevorzugten Ausbildung wird Wärme für ein exothermes Verfahren, wie eine exotherme chemische Reaktion oder ein Sorptionsverfahren, wie ein Gas in eine Flüssigkeit oder ein Gas auf einen Feststoff transferiert. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung umfaßt die erste Einheitsoperation eine chemische Reaktion, wie ein Dampfreformieren, und das zweite Einheitsverfahren umfaßt einen Massentransfer, wie ein Hinzufügen eines zusätzlichen Kohlenwasserstoffreaktanten zu dem ersten Strom.
  • In einer bevorzugten Ausbildung transformiert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Exergie in einer Mikrokomponentenvorrichtung, in welcher ein Anteil der chemischen Exergie eines ersten Stroms in physikalische Exergie umgewandelt wird und ein Teil dieser physikalischen Exergie in chemische Exergie in einem zweiten Strom transferiert wird. Der erste Strom und der zweite Strom vermischen sich nicht. Der Schritt eines Transferierens bzw. Übertragens von wenigstens einem Anteil der physikalischen Exergie in chemische Exergie in einem zweiten Strom hat einen exergetischen Wirkungsgrad von wenigstens 50%; und der Schritt eines Umwandelns von wenigstens einem Anteil der ersten chemischen Exergie in physikalische Exergie hat eine thermische Leistungsdichte von wenigstens 0,6 Watt pro Kubikzentimeter.
  • Die Erfindung in verschiedenen Aspekten und Ausbildungen kann zahlreiche Vorteile zur Verfügung stellen, enthaltend: reduzierte Exergiezerstörung, höhere Leistungsdichten, Prozeß- bzw. Verfahrensintensivierung, verbesserter exergetischer Wirkungsgrad, reduzierte Kosten von Konstruktion und Tätigkeiten bzw. Operation, neue Möglichkeiten, um Operationen in kleinen Volumina auszuführen, relativ hohe Flußgeschwindigkeiten bzw. Strömungsraten und reduzierte Temperaturen, Reduktion in Größe, und Verbesserungen in Dauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit.
  • Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist unterscheidend in dem abschließenden Teil dieser Beschreibung beansprucht. Jedoch können sowohl die Organisation als auch eines Verfahrens eines Betriebs bzw. einer Operation, gemeinsam mit weiteren Vorteilen und Zielen davon darüber hinaus unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, welche in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wird, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
  • Glossar von Begriffen
  • Eine "Zelle" bezieht sich auf eine gesonderte Komponente oder ein Volumen innerhalb einer integrierten Vorrichtung, in welcher wenigstens eine Einheitsoperation ausgeführt wird. In bevorzugten Ausbildungen hat die Zelle eine Breite von weniger als etwa 20 cm, eine Länge von weniger als etwa 20 cm und eine Höhe von weniger als etwa 3 cm.
  • "Strömungs- bzw. Flußmikrokanal" bezieht sich auf einen Mikrokanal, durch welchen ein Fluid während eines normalen Betriebs bzw. einer normalen Operation einer Vorrichtung fließt bzw. strömt.
  • "Mikrokanal" bezieht sich auf einen Kanal, der wenigstens eine Abmessung besitzt, welche etwa 2 mm oder weniger, vorzugsweise 1 mm oder weniger ist. Die Länge eines Mikrokanals ist als die weiteste Richtung definiert, in der ein Fluid während einer normalen Operation fließen könnte, bevor es auf eine Wand aufschlägt bzw. trifft. Die Breite und Tiefe sind senkrecht zur Länge und zueinander und in den dargestellten bzw. illustrierten Ausbildungen wird eine Breite in der Ebene eines Unterlegestücks oder einer Schicht gemessen.
  • "Mikrokomponente" ist eine Komponente, welche während eines Betriebs ein Teil einer Einheitsverfahrensoperation ist und eine Abmessung aufweist, welche 2 mm oder weniger, vorzugsweise 1 mm oder weniger ist.
  • "Mikrokomponentenzelle" ist eine Zelle in einer Vorrichtung, wobei die Zelle Mikrokomponenten enthält.
  • "Ortho-Kaskadieren" bezieht sich auf ein Verfahren, in welchem eine erste Einheitsoperation an einem ersten Strom in einer ersten Mikrokomponentenzelle ausgeführt wird, nachfolgend auf die erste Einheitsoperation eine zweite gesonderte Einheitsoperation an dem ersten Strom ausgeführt wird, um einen modifizierten Strom auszubilden bzw. herzustellen, dann in einer zweiten Zelle die erste Einheitsoperation neuerlich an dem modifizierten Strom ausgeführt wird, um eine einzige Einheitsoperation auszuführen. Die ersten Einheitsoperationen in der ersten und zweiten Zelle haben denselben Zweck.
  • "Einheitsverfahrensoperation" bezieht sich auf eine Operation, in welcher die chemischen oder physikalischen Eigenschaften eines Fluidstroms modifiziert werden. Einheitsverfahrensoperationen (auch Einheitsoperationen genannt) können Modifikationen in Temperatur, Druck oder Zusammensetzung eines Fluidstroms beinhalten. Typische Einheitsverfahrensoperationen enthalten ein Pumpen, Komprimieren, Expandieren, durch Ventile Leiten, Mischen, Heizen bzw. Erwärmen, Kühlen, Umsetzen bzw. Reagieren und Trennen.
  • "Thermische Leistungsdichte" bezieht sich auf die Wärmeübergangsgeschwindigkeit bzw. -transferrate, dividiert durch das Volumen der Vorrichtung, wo das Volumen der Vorrichtung die Summe eines Stromvolumens, das in dem Wärmeübergang involviert ist, und der Wände zwischen den Strömen ist, berechnet in dem Abschnitt der Vorrichtung, wo eine signifikante Menge bzw. Größe an Wärmeübergang stattfindet (somit werden lange Strecken einer Rohrleitung bzw. Verrohrung usw. ausgeschlossen).
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 illustriert ein Heißgas-Wiedereinspritzschema zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen.
  • 2 illustriert repräsentative Anstiege in einer Gesamtsystemeffizienz eines Brennstoffzellen-Leistungserzeugungssystems, das betrieben wird unter Verwendung von Reformat, das unter Verwendung einer Heißgaswiedereinspritzung hergestellt wurde.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm, das die Integration von Dampfreformationsreaktoren und Wasserstofftrennungsmembranen illustriert.
  • 4 ist ein Flußdiagramm für eine kompakte Dampfreformiereinheit mit einer Brennstoffzelle.
  • 5 ist ein Flußdiagramm für eine kompakte Dampfreformiereinheit mit Festoxidbrennstoffzelle.
  • 6 ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement für einen Mikrokanalwärmetauscher.
  • 7 ist ein Graph von beobachteter gegen vorhergesagte Effektivität des Wärmetauschers.
  • 8 ist ein Graph einer Energie- und Exergieeffizienz als eine Funktion einer Wärmerate für einen Mikrokanalwärmetauscher.
  • 9 ist ein Graph einer Exergiezerstörung als eine Funktion einer Erwärmungsgeschwindigkeit für einen Mikrokanalwärmetauscher.
  • 10 ist eine Farbzeichnung einer kompakten Dampfreformationseinheit.
  • 11a ist eine Draufsicht auf ein Wärmetauscherabstandselement in einem Mikrokanalrekuperator.
  • 11b ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement in einem Mikrokanalrekuperator.
  • 12a ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement eines Mikrokanalwärmetauschers.
  • 12b ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement eines Mikrokanalwärmetauschers.
  • 13a ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement eines Mikrokanalwärmetauschers.
  • 13b ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement eines Mikrokanalwärmetauschers.
  • 14a ist eine Draufsicht auf ein Verdampferabstandselement in einem Mikrokanalwärmetauscher.
  • 14b ist eine Bodenansicht eines Verdampferabstandselements in einem Mikrokanalrekuperator.
  • 14c ist eine Draufsicht auf ein Wärmetauscherabstandselement in einem Mikrokanalrekuperator.
  • 14d ist eine Bodenansicht eines Wärmetauscherabstandselements in einem Mikrokanalrekuperator.
  • 15a ist eine Draufsicht auf ein Reaktionskammerschichtabstandselement in einem Reaktor.
  • 15b ist ein Aufblasen einer Reaktionskammer, welches Abmessungen in Milli-Inch zeigt.
  • 15c ist eine Draufsicht auf ein Abstandhalterabstandselement in der Reaktionskammerschicht.
  • 15d ist eine Draufsicht auf ein Abstandselement in der Wärmetauscherschicht eines Reaktors.
  • 15e ist eine Draufsicht auf eine Endplatte eines Reaktors.
  • 16 ist ein Diagramm eines Exergieausgleichs für eine kompakte Dampfreformiereinheit.
  • 17 ist ein Diagramm eines Enthalpeausgleichs für eine kompakte Dampfreformiereinheit.
  • 18 ist eine Schwarzweißwiedergabe der kompakten Dampfreformiereinheit, die in 10 gezeigt ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung involviert einen Kern von eng verwandten Konzepten, welche möglicherweise am leichtesten verstanden werden, indem die Beschreibungen in drei Aspekte unterteilt werden aus: Ortho-Kaskadenbilden, exergetische Effizienz bzw. Wirkungsgrad und Systemkonstruktion. In zahlreichen Ausbildungen sind dies nahe verwandte Konzepte. Beispielsweise kann ein Ortho-Kaskadenbilden zu einem exergetischen Wirkungsgrad beitragen, und verschiedene bevorzugte Ausbildungen von Systemkonstruktionen können ortho-kaskadiert, exergetisch wirksam oder beides sein. Einige bevorzugte Ausbildungen von jedem dieser Aspekte werden unten diskutiert.
  • Ortho-Kaskadieren
  • Konventionelle Verfahrensflußdiagramm-Entwicklungen involvieren bzw. umfassen ein Identifizieren einer Sequenz von Einheitsoperationen, wie chemische Reaktoren, Trennungen und Wärmetauscher, welche durch Prozeß- bzw. Verfahrensströme miteinander verbunden sind, um einen Verfahrenszug auszubilden. Auf dem einfachsten Niveau werden Rohmaterialien zu dem Prozeß an einem Ende zugeführt, das Material tritt durch ein Netzwerk von Einheitsoperationen durch und Produkte treten am anderen Ende aus. Diese inhärent zweidimensionale Struktur gibt Anlaß zu Ausdrücken "Aufwärtsstrom" bzw. "stromaufwärts" und "Abwärtsstrom" bzw. "stromabwärts" in Bezug auf Verfahren. Überlagert auf diese inhärent zweidimensionale Struktur sind Konzepte eines Rezyklierens und mehrere Stufen. Rezyklierströme fließen entgegengesetzt zu der allgemeinen Richtung eines Materialflusses bzw. -stroms durch das System; sie können von einem stromabwärtigen Verfahren zu einem stromaufwärtigen Verfahren fließen oder zurück zu dem Einlaß des Generierungs- bzw. Bildungsverfahrens. Mehrere Stufen beziehen sich allgemein auf Fälle, wo eine einzige Einheitsoperation in einer Sequenz von Stufen bzw. Schritten ausgeführt wird, wie einer Serie von kontinuierlich gerührten Tankreaktoren (CSTR) oder einem Zug von Mischer-Absetzeinrichtungen in einer Lösungsmittelextraktion.
  • Eine konventionelle Flußbild- bzw. Ablaufentwicklung wird stark durch Ökonomien bzw. Wirtschaftsgroßen Maßstabs angetrieben. Es kann seltene Fälle geben, wo ein Ingenieur wählen würde, eine Einheitsoperation in eine Sequenz von parallelen Behältern oder Zügen zu unterteilen, wie ein Addieren von parallelen Zügen in einer Kapazitätsexpansion. Ein Aufteilen einer Einheitsoperation in eine Sequenz von parallelen Zügen erhöht im wesentlichen die Kosten einer konventionellen Prozeßtechnologie. Dies ist in markantem Gegensatz zur Mikrotechnologie, wo der kleinste Aufbau- bzw. Gebäudeblock ein Mikrokanal ist, welcher in Felder bzw. Anordnungen bzw. Arrays zusammengebaut ist, die Zellen bilden. Praktische Beschränkungen, gewünschte Operationscharakteristika bzw. -merkmale und Strömungs- bzw. Flußverteilungsgegenstände begrenzen typischerweise die Größe einer einzelnen bzw. Einzelzelle. Folglich können mehrere Zellen in einer Vorrichtung mit mehreren Vorrichtungen in parallelen Zügen inkludiert bzw. aufgenommen sein, um den notwendigen Durchsatz zu erzielen.
  • Diese Erfindung erkennt und zieht einen Vorteil aus der inhärenten Modularität der Mikrotechnologie in einer Verfahrensnetzwerkentwicklung. Die Modularität erlaubt es einem Systemdesigner, mental ein einziges Merkmal bzw. Icon, das eine einzelne Einheitsoperation darstellt, auf einem Ablaufplan durch ein Stapel von Bildern bzw. Icons zu ersetzen, die parallele Zellen oder Vorrichtungen repräsentieren bzw. darstellen, was dem Ablaufplan eine dreidimensionale Qualität verleiht. Im Konzept gibt die dritte Dimension einzigartige Möglichkeiten für Ortho-Kaskaden-Netzwerke, welche im wesentlichen Kombinationen einer parallelen seriellen oder Querstrom-Verarbeitung innerhalb von Feldern der eine Mikrokanalarchitektur ausbildenden Blöcke sind. Dieses Konzept kann auf unbegrenzte Kombinationen einer Gleichstrom-, Gegenstrom- und Querstrom-Verarbeitung für Wärmeübergangs-Massentransfer- und/oder chemische Reak tionen hohe Effizienz ausgedehnt werden. Als ein Beispiel kann dieser hohe Grad an Vielseitigkeit, gekoppelt mit der hohen Effizienz und der hohen Effektivität, die in Mikrokanalwärmetauschern erzielt werden, zu hoch zuverlässigen wärmetauschenden Netzwerke Anlaß geben, die irreversible Verluste minimieren.
  • Diese dreidimensionale Qualität von Ablaufplänen basierend auf Mikrotechnologie kann weiter durch ein Integrieren von zwei Einheitsoperationen ausgebeutet werden. Indem zu der Metapher des Stapels von Icons zurückgekehrt wird, die eine Einheitsoperation darstellen, würde dieser Aspekt im wesentlichen die Decks von zwei oder mehreren Einheitsoperationen "mischen". Dieselbe Näherung bzw. derselbe Zugang für ein "Verdrahten" dieses kombinierten Stapels mit Kombinationen von Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Querstromflußströmen gilt wiederum. Beispielsweise könnten zwei aufeinanderfolgende Reaktionen ausgeführt werden, wobei ein Reaktantenstrom durch eine Serie von miteinander verbundenen bzw. ineinander verschachtelten, abwechselnden Reaktorzellen fließt bzw. strömt, während einiges eines zweiten Reaktanten zu einem Reaktor parallel zugesetzt werden könnte, wodurch eine Querstromkonfiguration verursacht wird. Indem die Fähigkeit zum Erzielen von Nicht-Gleichgewichts-Produktmischungen (z.B. Reduktionen in der Ausbildung von sekundären Reaktionsprodukten) mit extrem kurzen Verweilzeiten in Mikrokanälen gegeben ist, wird eine dreidimensionale Verfahrensdesignnäherung neue Möglichkeiten für ein Handhaben einer Selektivität geben, während eine hohe Umwandlung bzw. Konversion erzielt wird. Dieselbe dreidimensionale Integrationsnäherung ist für andere Kombinationen von Reaktoren, Trenneinrichtungen und Wärmetausch möglich.
  • Eine Unterklasse von ortho-kaskadierten bzw. Ortho-Kaskaden-Mikrosystem-Verfahrensnetzwerken ist das Management von thermischer Energie. In dieser Subklasse ist der Hauptvorteil die Verteilung einer Energiezufuhr oder Energieentfernung. Einige mögliche Vorteile enthalten ein Reduzieren von Exergieverlusten durch ein Reduzieren von erforderlichen Temperaturantriebskräften, was eine Benutzung von Niedrigtemperatur-Baumaterialien, indem Temperaturen abgesenkt werden, und eine verbesserte bzw. erhöhte Energieeffizienz ermöglicht, indem eine bessere Wärmeintegration erleichtert wird.
  • Ein Beispiel einer praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung ist in 1 für ein Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen illustriert, um Synthesegas herzustellen, welches überwiegend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid besteht. Dies ist eine hoch endotherme Reaktion, welche üblicherweise bei Temperaturen abläuft bzw. betrieben wird, die im Bereich von weniger als etwa 500°C für Methanol bis zu Temperaturen über 1000°C für Methan liegen. Mikrokanalreaktoren, die Reaktorkanäle aufweisen, die mit Wärmetauscherkanälen verbunden bzw. verschachtelt sind, um Wärme direkt dazu abzugeben, wo die Reaktion auftritt, erzielen eine isothermere Operation. Die Wärme kann unter Verwendung eines Gasstroms geliefert werden, der typischerweise durch Verbrennung auf eine Temperatur über der Reformerbetriebstemperatur vor einem Eintreten in den Reaktor erhitzt wird. Die erforderliche durch den Reaktor geforderte Wärmelast wird durch die Kombination von Heißgas-Massenstromgeschwindigkeit bzw. -flußrate, Verbrennungsbetriebstemperatur und der Wärmetauschereffektivität in dem Reaktor erfüllt. Dies kann zu einem Abtausch zwischen einer höheren Verbrennungstemperatur gegen einen höheren Massenstrom führen. Hohe Temperaturen können erfordern, daß der Combustor bzw. die Brennkammer und der Reaktor aus teuren Hochtemperaturlegierungen konstruiert sind und zu größeren Temperaturgradienten in dem Reaktor zu führen, während ein höherer Massenstrom bzw. -fluß zu Energieineffizienzen und größeren Vorrichtungen und/oder höheren Druckabfällen führt. Ein 3-dimensionales Ablauf- bzw. Flußdiagramm ist konstruiert, um diesen Austausch bzw. Abgleich zwischen hoher Temperatur und hohem Massenstrom auszugleichen. Derselbe heiße bzw. Heißgasstrom wird verwendet, um mehrfache Reaktorzellen zu erwärmen, welche parallel durch ein Einspritzen und Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff vor jeder Zelle betrieben werden, um die Temperatur vor einem Eintreten in die Zelle zu erhöhen. Das Endergebnis ist, daß die maximale Temperatur des Verbrennungsgasstroms abgesenkt wird, ohne daß der Massenstrom erhöht werden muß. Nicht nur erlaubt dies, daß Niedrigtemperaturlegierungen verwendet werden, sondern verbessert auch eine Gesamtsystemeffizienz, wie dies in 2 dargestellt ist. Ein anderer potentieller Vorteil ist ein besserer Wärmeübergang bzw. -transfer, indem die Gasgeschwindigkeit reduziert wird, wodurch kleinere Vorrichtungen mit niedrigerem Druckabfall ermöglicht werden.
  • Eine zweite Sub- bzw. Unterklasse eines Orthokaskaden-Mikrosystem-Verfahrensnetzwerks ist das Management von Massenströmen. Hier wird der Zusatz oder die Entfernung von Masse in dem Netzwerk verteilt. Vorteile eines Verwendens eines Ortho-Kaskadierens von Massenströmen können eine Einstellung von Reaktantenverhältnissen, erhöhten Massentransfer innerhalb einer Einheitsoperation, oder eine Ver meidung von thermodynamischen Klemm- bzw. Pinch-Punkten sein.
  • Ein Beispiel einer praktischen Verwendung dieser Unterklasse ist eine Einstellung des Verhältnisses von Reaktanten, die in einen Reaktor eintreten. Potentielle Nebenreaktionen beim Dampf reformieren von Kohlenwasserstoffen sind eine Koksbildung aus dem Cracken oder aus Kohlenmonoxid. Eine Näherung bzw. ein Zugang zum Steuern bzw. Regeln dieser Nebenreaktionen ist es, Dampf im Überschuß gegenüber dem stöchiometrischen Erfordernis zuzusetzen; Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnisse in der Zufuhr sind typischerweise 3:1 oder höher. Die Modularität von Mikrokanälen erleichtert die Fähigkeit, bei einem höheren effektiven Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis zu arbeiten, indem die Einspritzung des Kohlenwasserstoffreaktanten verteilt wird. Beispielsweise wird ein Beginnen mit einem Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis von 6:1 dieses Verhältnis mit einer Umwandlung auf 11:1 bei 50% Umwandlung von Kohlenwasserstoff zu Kohlenmonoxid ansteigen (unter der Annahme keiner Wasserverschiebung zu CO2 oder Methanbildung). Ein Hinzufügen von 42% mehr Kohlenwasserstoff an diesem Punkt senkt das Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis zurück auf 6:1 ab. Ein Wiederholen dieses Verfahrens zwei weitere Male nach einem Erzielen einer 50% Umwandlung (Zuführen von 38 bzw. 35% mehr Kohlenwasserstoff für die nächsten zwei Wiederholungen, um das Verhältnis zurück auf 6:1 zu reduzieren) und ein Beenden mit 90% Umwandlung des Kohlenwasserstoffs in dem letzten Schritt, ist das Gesamtverhältnis von Dampf, der zu dem zugefügten Kohlenstoffwasserstoff zugefügt ist, 3,34:1. Jedoch ist das niedrigste Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis, das gegenwärtig durch das Verfahren angetroffen wird, 6:1 und die Gesamtkohlen wasserstoffumwandlung ist 96%. Eine zwischenliegende Kohlenwasserstoffinjektion bzw. -einspritzung könnte zwischen den Zellen, die in Serie betrieben werden, oder innerhalb einer einzigen Zelle erreicht werden, die mehrere Durchtritte aufweist. In dem letzteren Fall könnte eine Einspritzung in dem Kopfbereich zwischen Durchtritten auftreten. Zahlreiche wesentliche bzw. Schlüsselattribute der Mikrokanalreaktortechnologie machen dieses Konzept praktikabel. Zuerst erlaubt die Modularität von Mikrokanalreaktoren eine Einspritzung von Reaktanten in die Reaktionsmischung an mehreren Punkten, ohne daß zusätzliche Hardwareeinheiten erforderlich sind. Zweitens implizieren die kurzen Verweilzeiten, die in Mikrokanalreaktoren erzielt werden, daß eine Verteilung eines Reaktantenzusatzes entlang des Flußpfads nicht stark die gesamte Reaktionskinetik belastet bzw. benachteiligt und somit ist der Nachteil eines Erhöhens des gesamten Hardwarevolumens minimiert.
  • Ein Ortho-Kaskadenbilden kann auch zum Vorteil in Mikrosystemverfahrensnetzwerken in dem Management der Integration von mehreren Einheitsoperationen verwendet werden. Zusätzlich zu einem Integrieren eines Wärme- und Massentransfers können andere Beispiele von Einheitsoperationen, welche kaskadenhaft ausgebildet bzw. kaskadiert werden können, Pumpen, ein Komprimieren und Mischen enthalten. Vorteile aus einem Verwenden eines Ortho-Kaskadierens von Einheitsverfahrenstätigkeiten bzw. -Operationen können eine Gleichgewichtsverschiebung, Optimierung von Betriebs- bzw. Arbeitsbedingungen, Einstellung von Arbeitsbedingungen enthalten, um nur einige zu nennen.
  • Das folgende Beispiel illustriert das Konzept eines Integrierens von zwei Einheitsoperationen. Indem neuerlich ein Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen als ein repräsentatives Verfahren verwendet wird, ist der Reformationsreaktor mit einer Trennvorrichtung, wie einer Wasserstofftrennmembran integriert, wie dies in 3 gezeigt ist. Das Gesamtkonzept ist es, eine Umwandlung und Selektivität durch ein Entfernen von einem der Produkte zwischen Reaktorzellen zu verbessern, welche in Serie arbeiten. Das Beispiel in 3 zeigt eine selektive Entfernung von Kohlenwasserstoff unter Verwendung von Membranen, wie den Hochtemperatur-Palladiummembranen zwischen Reaktorzellen, die in Sequenz bzw. aufeinanderfolgend arbeiten. Ein Entfernen des Wasserstoffs bewirkt, daß sich ein Gleichgewicht zu einer höheren Kohlenwasserstoffumwandlung verschiebt, induziert eine höhere Wassergasverschiebung in Richtung zu CO2, und unterdrückt eine Methanbildung. 3 illustriert das hohe Niveau einer Vielseitigkeit in einer modularen Mikrokanalarchitektur. Da der volumetrische Fluß absinkt, wenn Wasserstoff entfernt wird, kann die Anzahl von parallelen Zellen nach jedem Trennschritt reduziert werden. Weiterhin ist eine hohe Umwandlung nicht durch jeden gegebenen Reaktor erforderlich, um eine hohe Gesamtumwandlung zu erzielen. Dies illustriert die Fähigkeit, ein serielles und paralleles Verarbeiten zu kombinieren, um eine Gesamtgröße und Leistung zu optimieren.
  • Idealerweise wird ein Methanoldampfreformieren bei niedrigeren Temperaturen, typischerweise 250°C bis 300°C durchgeführt, während ein Benzinreformieren bei 650°C bis 800°C ausgeführt wird, und Methan bei noch höheren Temperaturen. Indem kompakte hocheffiziente Mikrokanalrekuperatoren in das Konzept inkorporiert werden, das in 3 gezeigt ist, können die Reaktoren und Membranen bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, ohne daß eine schwere Energieeffizienzstrafe auftritt. Alternativ würde ein Einsetzen bzw. Verwenden von Niedrigtemperatur-Polymerwasserstoffmembranen die maximale Membranbetriebstemperatur auf etwa 150°C reduzieren, was nur effizient unter Verwendung von Rekuperatoren ausgeführt werden könnte. Indem Wärmetauscher inkorporiert sind bzw. werden, wird das 3D Ablaufschema angewandt; um drei Einheitsoperationen, Reaktoren, Trennungen bzw. Trenneinrichtungen und Wärmetauscher zu integrieren.
  • Alle die Konzepte, die oben für ein Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen beschrieben sind, könnten in einer großen Vielzahl von Kombinationen und Verfahren inkorporiert werden. 3 illustriert die Option eines Integrierens von Membranseparationen bzw. Membrantrennungen und Verteilens des Zusatzes von Kohlenwasserstoff, um ein Dampf-zu-Kohlenstoff-Verhältnis einzustellen. Somit sind, während drei Probenausbildungen eines Ortho-Kaskadierens für ein Dampfreformieren illustriert sind, zahlreiche andere mikrochemische und thermische Systeme Teil der vorliegenden Erfindung. Verschiedene bevorzugte Ausbildungen umfassen; Größe von Komponenten, Temperaturbereiche, Strömungs- bzw. Flußraten, Drücke, 3-Dimensionalität von Einheitsoperationen, und spezifische Kombinationen von Einheitsoperationen können in den Figuren, Beispielen und beiliegenden Ansprüchen gesehen werden.
  • Exergetische Effizienz bzw. exergetischer Wirkungsgrad
  • In thermodynamischen Ausdrücken kann "Arbeit" erzeugt werden, wenn zwei Systemen (oder ein System und seine Umge bungen), welche nicht im Gleichgewicht miteinander sind, erlaubt wird, in ein vollständiges oder teilweises Gleichgewicht miteinander zu kommen. Der "Exergie"-Gehalt bzw. -Inhalt eines Stroms oder eines Systems ist ein quantitatives Maß der maximalen Menge an Arbeit, welche aus diesem Verfahren extrahiert bzw. entnommen werden könnte, und dementsprechend stellt sie das Ausmaß von Arbeit dar, welches produziert werden könnte, wenn der Prozeß thermodynamisch "reversibel" ist.
  • Die Ausdrücke Exergie, Exergiezerstörung und exergetischer Wirkungsgrad sind leistungsbezogene Parameter, welche beim Beschreiben der Effizienz helfen, mit welcher eine Energietransformation in Komponenten des Systems ausgeführt wird.
  • Exergiezerstörung ist das Ausmaß an potentieller Arbeit bzw. potentieller Energie (Exergie), welche verloren wird, da bzw. wenn Unumkehrbarkeiten bzw. Irreversibilitäten während eines Austauschs oder von Energie auftreten. Exergie kann durch eine Anzahl von Mechanismen zerstört werden, enthaltend chemische Reaktionen (z.B. Verbrennung), durch Wärmeübertragung über einen Temperaturunterschied, durch Mischen, durch Expansion und durch Reibung (z.B. Fluiddruckabfall).
  • Exergetische Effizienz wird als der Anteil oder Prozentsatz der Exergie berechnet, die zu einem System (oder einer Komponente) zugeführt ist bzw. wird, welche in dem Produkt des Systems (oder der Komponente) zurückgewonnen wird. Exergetische Effizienz bzw. exergetischer Wirkungsgrad wird auch in einigen Büchern als der Wirkungsgrad zweiter Ordnung bzw. des zweiten Gesetzes bezeichnet, da er näher mit dem zweiten thermodynamischen Gesetz als mit dem ersten Gesetz verbunden ist.
  • Spezifischer ist die exergetische Effizienz einer Komponente, eines Subsystems und eines Systems das Verhältnis einer Änderung in dem Exergiegehalt des Produktstroms bzw. der Produktströme zu der Änderung in dem Exergiegehalts der exergietreibenden Ströme (d.h. der Ströme, welche Exergie dem Prozeß zuführen). Für terrestrische Anwendungen wird von der umgebenden Umgebung angenommen, auf Standardtemperatur (273 K) und Druck (1 bar) zu sein. Wenn stabile Zustandsbedingungen angetroffen werden, muß die Änderung in der Exergie des Hardwaresystems auch in die Berechnung miteinbezogen werden. Für Zwecke der Erfindung wird eine exergetische Effizienz berechnet, wie dies in den Beispielen illustriert ist.
  • Da Exergie nicht in irgendwelchen realen Systemen konserviert wird, kann der exergetische Wirkungsgrad einer Komponente, eines Subsystems oder eines Systems niemals gleich 100% sein. Es gibt jedoch Fälle, wo der exergetische Wirkungsgrad jedoch kleiner als 0% sein kann, wie wenn die Exergie eines Produktstroms kleiner als die Exergie der Zufuhrströme ist. Dieser Fall ist in Szargut (1984) für eine Ammoniakherstellungsanlage dokumentiert.
  • Es kann einen wesentlichen Vorteil für einen Ingenieur geben, das zweite Gesetz für Effizienzbetrachtungen zu verwenden. Erstens sind Effizienzberechnungen basierend auf dem zweiten Gesetz häufig ein besseres Maß des Werts (oder der Qualität) des Energiepotentials eines Kraft- bzw. Brennstoffs oder einer Enthalpie eines Stroms. Wie von Gaggioli und Petit festgehalten (1997) ist "der wahre Ge genstand des Werts, welchen der Laie Energie nennt, nicht dasselbe Ding wie die Energie der Wissenschaft. Statt dessen wird der Energiegegenstand bzw. die Energieware verfügbare Energie oder potentielle Energie, verwendbare bzw. nutzbare Energie genannt.
  • Das erste Gesetz der Thermodynamik ist im wesentlichen ein Konservierungsgesetz. Ausgedrückt in mathematischer Form führt das erste Gesetz aus, daß in jeglichem Energieumwandlungsverfahren die Energie immer konserviert wird. Im Gegensatz dazu ist das zweite Gesetz der Thermodynamik im wesentlichen ein Ausdruck des Effekts von Unumkehrbarkeiten bzw. Irreversibilitäten irgendeines Transformationsverfahrens bzw. -prozesses, wobei der wahrscheinlich am häufigsten verwendete Parameter die Entropie ist. Das zweite Gesetz wird auch als ein Indikator erkannt, daß jeglicher Energiefluß auch qualitativ in Bezug auf seine Fähigkeit ausgedrückt werden kann, Änderungen zu bewirken (Arbeit auszuführen) und daß diese Qualität durch die Schritte in praktischen Verfahren verschlechtert oder zerstört werden kann. Exergie wurde durch den Thermodynamiker als die Quantifizierung dieser Qualität vorgeschlagen; d.h. der Exergiegehalt von irgendeinem Strom ist ein Maß der Fähigkeit der Energie in diesem Strom, Arbeit auszuführen oder eine Änderung zu bewirken.
  • Exergieanalysen erkennen, daß es potentielle Arbeit gibt, die aus exothermen chemischen Reaktionen verfügbar bzw. erhältlich ist, in gleicher Weise, daß es Exergie ist, die endotherme chemische Reaktionen antreibt, und individuelle Reaktanten und Produkte werden "chemischen Exergie"-Werten zugewiesen. Typischerweise wird ein Ablaufdiagramm bzw. -strom eine chemische Exergiemenge, welche eine Funktion der Chemikalien in dem Strom und seiner Flußgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate ist, und eine physikalische Exergiemenge besitzen, die eine Funktion der Temperatur, des Drucks und der Flußgeschwindigkeit des Stroms ist. Diese Werte sind auch eine Funktion der Temperatur, des Drucks und der Bestandteile der "umliegenden Umgebung" des Systems. Für einen Reaktor enthalten exergetische Effizienzberechnungen die Effizienz, mit welcher Exergie von einer Form in eine andere transformiert wird.
  • Allgemeiner ist bzw. wird die Exergie (E) eines Stroms typischerweise als aus vier Komponenten zusammengesetzt beschrieben (ohne nukleare, magnetische, elektrische und Grenzflächeneffekte), gesondert beschrieben als physikalische Exergie (EPH), kinetische Exergie (EKE), potentielle Exergie (EPE) und chemische Exergie (ECH) E = EPH + EKE + EPE + ECH
  • Die kinetischen und potentiellen Exergiewerte sind äquivalent zu kinetischer und potentieller Energie, und können typischerweise als klein verglichen mit anderen Termen angenommen werden. Jedoch muß diese Annahme sorgfältig in jedem Fall berücksichtigt werden, da es bemerkenswerte Ausnahmen gibt.
  • Der physikalische Exergietherm ist bzw. wird üblicherweise basierend auf Verfahren berechnet, die in Szargut et al. Exergy Analysis of Thermal, Chemical, und Metallurgical Processes, Hemisphere Publ. Co. (1988), Moran (1982), und Bejan et al., Thermal Design Optimization, Wiley-Interscience Publication (1996), beschrieben sind und basiert mathematisch auf dem folgenden Ausdruck für einen Fluidstrom in einem offenen System: EPH = H – Ho – To(S – So)wo H und S die Enthalpie und Entropie des Fluidstroms am Punkt des Interesses darstellen, Ho und So die Enthalpie und Entropie desselben Stroms darstellen, wenn er auf dieselbe Temperatur und den Druck wie die Umgebung gebracht wird (To und Po). Ableitungen dieses Ausdrucks sind in einer Anzahl von Texten zu finden, enthaltend jene, die bereits erwähnt sind. Es ist festzuhalten, daß diese Gleichung ähnlich ist zu, jedoch nicht mit der Gibbs'schen Funktion für freie Energie verwechselt werden sollte.
  • Der Wert für die chemische Exergie eines Stroms wird typischerweise aus einer Tabelle von chemischen Exergien zugewiesen, basierend unter der Berücksichtigung der umliegenden Umgebung. Wesentliche Arbeit wurde geleistet, um chemische Referenz-Exergien für eine Anzahl von Chemikalien in terrestrischen bzw. Erdumgebungen zu definieren, und der Leser wird neuerlich auf die zuvor genannte Literatur für zusätzliche Information verwiesen.
  • Es ist möglicherweise instruktiv, das Verfahren eine Exergieanalyse für einen einfachen Fall zu überprüfen, wo ein heißes Gas für den Zweck eines Erhitzens bzw. Erwärmens eines kühlen Gases verwendet wird. In diesem Beispiel werden wir annehmen, daß ein rekuperativer Wärmetauscher mit zwei Fluidströmen arbeitet, die jeweils aus demselben idealen Gas mit denselben Massenstromgeschwindigkeiten bzw. -raten bestehen, und mit konstanten spezifischen Wärmen und keinen chemischen Reaktionen. In gleicher Weise werden wir in diesem Beispiel annehmen, daß es keine signifikanten Änderungen in der potentiellen Energie oder kinetischen Energie in irgendeinem der Gasströme gibt.
  • In diesem Fall kann die vorherige Gleichung für physikalische Exergie ausgedrückt werden als: EPH/mcpTo = [(T/To) – 1 – ln(T/To)] – [ln(P/Po)k/(k-1)]wo m die Massenstromgeschwindigkeit oder molare Stromgeschwindigkeit bzw. Flußrate des Gases ist, cp die spezifische Wärme des Gases ist, und k das Verhältnis von spezifischen Wärmen für das Gas ist. Der erste Klammerausdruck ist der Beitrag der Temperatur des Gases zu der physikalischen Exergie des Stroms, und der zweite Klammerausdruck ist der Beitrag des Drucks des Gases zu der physikalischen Exergie des Stroms. In jeder Klammer ist der Exergiebeitrag spezifisch für den Zustand der Umgebung, welcher mit Definition der Exergie konsistent ist als die Menge an Arbeit, welche theoretisch aus dem Strom extrahiert werden könnte, wenn er reversibel ins Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht würde.
  • Unter der Annahme, daß die Einlaß- und Auslaßbedingungen des zu erwärmenden Stroms T1, P1 bzw. T2, P2 sind, und unter der Annahme, daß die Einlaß- und Auslaßbedingungen des wärmenden bzw. Heizstroms T3, P3 bzw. T4, P4 sind, dann ist, da es keine Änderungen in der kinetischen Energie, potentiellen Energie oder chemischen Exergie gibt, der Ausdruck für die Exergiemenge, welche durch den heißen Strom abgegeben wird: E3 – E4 = mcpTo{[(T3/T4) – 1 – ln(T3/T4)] – [ln(P3/P4)k/(k-1)]}wo k das Verhältnis von spezifischen Wärmen ist. In gleicher Weise ist der Exergieanstieg des kalten Stroms: E2 – E1 = mcpTo{[(T2/T1) – 1 – ln(T2/T1)] – [ln(P2/P1)k/(k-1)]}
  • Für einen reversiblen Prozeß würde es keinen Druckabfall in irgendeinem Strom geben, und es würde keinen Temperaturunterschied zwischen den Strömen an irgendeinem Punkt geben, an welchem Wärme ausgetauscht wird. D.h., wir hätten T1 = T4 und T2 = T3. Jedoch existieren reversible Verfahren lediglich in Büchern, und tatsächlich kann es keinen Wärmeübergang ohne Temperaturdifferenzen geben. Daher wird für einen realistischen rekuperativen Wärmetauscher einige Exergie zerstört (EDES), und dies kann quantitativ ausgedrückt werden als: EDES = (E3 – E4) – (E2 – E1)
  • In Übereinstimmung mit dem zweiten Gesetz der Thermodynamik wird einige Exergie in dem Beispiel eines rekuperativen Wärmetauschers zerstört, da nämlich eine gewisse Menge an Exergie in jeder Energietransformation zerstört werden muß. In dem Beispiel wird der Verlust an Exergie physikalisch durch Reibung (Druckabfall) und Wärmetransfer bzw. -übergang (gegen einen Temperaturunterschied) bewirkt. Das letztere Merkmal wird weiterhin durch die Beobachtung demonstriert, daß T2 < T3 für reale Wärmetauscher ist.
  • Wenn keine chemischen Reaktionen oder andere Exergieübergänge durch eine Komponente ausgebildet bzw. erzielt werden, ist bzw. wird die exergetische Effizienz bzw. der exergetische Wirkungsgrad einer Vorrichtung typischerweise berechnet, daß er der Anstieg in der physikalischen Exergie innerhalb des Produktstroms, dividiert durch die Abnahme an physikalischer Exergie in dem anderen Strom ist. Für diesen Fall des rekuperativen Wärmetauschers ist der exergetische Wirkungsgrad (oder Wirkungsgrad gemäß dem zweiten Gesetz) daher: ∈second law = (E2 – E1)/(E3 – E4)
  • Dieses Beispiel demonstriert weiterhin ein anderes zuvor erwähntes Merkmal: Alle Verfahren in der realen Welt resultieren in einem gewissen Grad einer Verschlechterung in der verwendbaren Arbeit, welche durch irgendeinen Energiestrom ausgeführt bzw. erzielt werden könnte.
  • Es gibt möglicherweise kein besseres Beispiel als den Fall einer einfachen Dampfanlage, die Elektrizität aus einem fossilen Brennstoff produziert. In diesem Fall wird die chemische Exergie des Brennstoffs in Wärme in dem Ofen bei einer hohen Temperatur umgewandelt, welche möglicherweise 2000°C übersteigt, wobei diese Wärme verwendet wird, um überhitzten Dampf herzustellen, typischerweise bei weniger als 600°C. Wenn wir annehmen, daß sich die Umgebung auf etwa 25°C befindet, dann würden wir unter Anwendung der Effizienz-Ableitung von Carnot für Wärmemaschinen annehmen, daß eine reversible Wärmemaschine verwendbare Arbeit bei einer Effizienz des ersten Gesetzes von ∈first law = [1 – (25 + 273)/(600 + 273)] × 100% = 65,8%extrahieren könnte.
  • Jedoch produzieren konventionelle Dampfanlagen typischerweise Elektrizität bei Effizienzen gemäß dem ersten Gesetz von lediglich 35–40%. Dies unterstützt zwei Beobachtungen: 1) daß die Umwandlung der chemischen Exergie eines fossilen Brennstoffs in physikalische Exergie innerhalb von Verbrennungsgasen und dann zu physikalischer Exergie innerhalb des überhitzten Dampfs bei lediglich 600°C in der Zerstörung von 34,2% der chemischen Exergie jenes Brennstoffs resultiert, und 2) daß es eine signifikante zusätzliche Zerstörung von Exergie in dem Rest der Dampfanlage gibt. Diese Tatsache ist selbstverständlich den Ingenieuren gut bekannt, die auch annehmen, daß die größte Quelle an exergetischer Zerstörung in der Dampfanlage in der Tatsache des irreversiblen Transfers von Wärme von den Verbrennungsgasen zu dem Dampf liegt, welcher typischerweise lediglich auf einige hundert Grad Celsius erhitzt ist.
  • Allgemein ist eine Verbrennung eines Brennstoffs eine Quelle von großen Irreversibilitäten, und ist daher typischerweise durch die Zerstörung einer signifikanten Menge der chemischen Exergie des Brennstoffs begleitet. Jedoch können diese Irreversibilitäten durch ein Vorheizen und Minimieren einer Verwendung von Überschußluft reduziert werden. Auf diese Weise kann ein Wärmetransfer über Temperaturdifferenzen, eine signifikante Quelle an Exergiezerstörung, minimiert werden.
  • Betreffend den Wert der exergetischen Effizienzmatrie führen Bejan et al. aus, daß:
    Die exergetische Effizienz... ist allgemein bedeutungsvoller, objektiver und verwendbarer als irgendeine andere Effizienz, basierend auf dem ersten und zweiten Gesetz der Thermodynamik, enthaltend die thermische Effizienz eines Kraftwerks, die isentropische Effizienz eines Kompressors oder einer Turbine, und die Effektivität eines Wärmetauschers. Die thermische Effizienz... ist irreleitend, da sie sowohl Arbeit als auch Wärmetransfer behandelt, als hätten sie einen gleichen thermodynamischen Wert. Die isentropische Turbineneffizienz, welche den tatsächlichen Prozeß mit einem isentropen Prozeß vergleicht, berücksichtigt nicht, daß das Arbeitsfluid am Auslaß der Turbine eine höhere Temperatur (und folglich eine höhere Exergie, welche in der nächsten Komponente verwendet werden könnte) in dem tatsächlichen Prozeß als in dem isentropen Prozeß besitzt.
  • Die Wärmetauschereffizienz versagt beispielsweise, um die mit den Druckabfällen assoziierte Exergieverschwendung der Wärmetauscherarbeitsfluide zu identifizieren.
  • In Dampfkraftwerken sind die Effizienzen gemäß dem ersten Gesetz und dem zweiten Gesetz häufig etwa gleich, teilweise, da die chemische Exergie eines Brennstoffs etwa gleich der Verbrennungswärme für den Brennstoff ist. Jedoch, für zahlreiche Komponenten und Systeme, sind die Effizienzen gemäß dem ersten Gesetz und dem zweiten Gesetz häufig sehr unterschiedlich, wie dies in Tabelle 1 (aus Kenney, Energy Conservation in the Process Industries, Academic Press 1984) beobachtet werden kann.
  • Tabelle 1: Vergleich von Effizienzen gemäß dem ersten Gesetz und dem zweiten Gesetz (%)
    Figure 00320001
  • Tabelle 1 reflektiert bzw. zeigt auch die Tatsache, daß eine Berechnung einer Effizienz gemäß dem ersten Gesetz 100% ist, wenn es keinen Energieverlust an die Umgebung gibt. Die Berechnung der Effizienz gemäß dem zweiten Gesetz enthält jedoch die Erkenntnis, daß Irreversibilitäten in dem Prozeß die Fähigkeit des Energieflusses reduziert, eine Änderung zu bewirken (Arbeit oder chemische Umwandlungen/Trennungen zu unterstützen).
  • Obwohl Exergie thermodynamisch äquivalent der maximal verfügbaren potentiellen Arbeit ist, die erhalten werden könnte, gibt es einen signifikanten Wert diese Metrik als ein Maß eines Werts und einer Effizienz für die Prozeß- bzw. Verfahrensindustrien zu verwenden. Einerseits sind Verfahrensanlagen häufig extrem energieintensiv, enthaltend signifikante Wärmetauschernetzwerke, und ein System, das ein hochwertiges chemisches Produkt herstellt (egal, ob es ein Brennstoff oder nicht ist), welches häufig wertvoller ist, wenn es mit reduzierten Energieerfordernissen verglichen mit einem alternativen System durchgeführt wird, das den Verbrauch von größeren Energiemengen erfordert. Eine erhöhte Energieeffizienz entspricht in gleicher Weise einer Reduktion der Brennstoffmenge (oder allgemein Rohstoffpetrochemikalien), die in einer Verfahrensanlage bzw. einem Kraftwerk erforderlich sind, mit ähnlichen Reduktionen in atmosphärischen Emissionen, enthaltend Treibhausgase.
  • Die Erfinder haben daher versucht, eine kompakte Mikrokanalvorrichtung zu entwickeln, um exergetisch effiziente rekuperative Wärmetauscher (zum Vorerhitzen von Reaktanten), und exergetisch effiziente Reaktoren und Brennkammern bzw. Combustoren zu inkludieren. Für die Realisierung einer verbesserten Energieeffizienz verwendet die Erfindung rekuperative Mikrokanalwärmetauscher, welche mit bzw. bei hoher exergetischer Effizienz arbeiten, welche eine Berücksichtigung von thermodynamischen Irreversibilitäten beinhalten, die sowohl mit einem Wärmetransfer als auch einem Druckabfall assoziiert sind. Hier ist die chemische Exergie des Flußstroms unbedeutend, da es keinen Transfer von chemischem Exergiegehalt gibt (da es hier keine chemische Umwandlung gibt, die stattfindet). Somit stammt die Zerstörung von Exergie in einem gut isolierten rekuperativen Mikrokanalwärmetauscher in erster Linie von a) einem Wärmetransfer gegen einer Temperaturdifferenz (resultierend in einem Abbau bzw. einer Verringerung der Qualität von Wärme, die in dem Strom verfügbar ist, oder alternativ einer Reduktion in der Menge an Arbeit, welche durchgeführt werden könnte, wenn die Strom-Energie für eine Wärmemaschine zur Verfügung stellt) und b) einen Druckabfall aufgrund von Fluidreibung (die in einer Reduktion in der möglichen Arbeit resultiert, welche durch den Strom ausgeführt werden könnte).
  • Konventionellerweise wurden Wärmetauscher in Mikrosystemen entworfen bzw. ausgebildet, um eine Effizienz gemäß dem ersten Gesetz zu erzielen. In der vorliegenden Erfindung wurde durch Analysieren von Faktoren, die für eine hohe exergetische Effizienz wichtig sind, wie kurze Wärmetransportdistanzen, große Temperaturdifferenzen und niedrige Druckabfälle, ein Mikrosystem entworfen, das einen exergetisch effizienten Wärmetauscher aufweist. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher bei wenigstens 80%, noch bevorzugter wenigstens 85%, exergetisch effizient. In einigen Ausbildungen ist der Wärmetauscher zwischen etwa 80 und etwa 95% exergetisch effizient. In der vorliegenden Erfindung ist bzw. wird die exergetische Effizienz bzw. der Wirkungsgrad durch das Beispiel unten gemessen. Beispiele von einigen Strukturen, Bedingungen und Modifikationen, die in exergetisch effizienen Mikrosystemen angewandt werden können, sind in den folgenden Abschnitten diskutiert.
  • Systemkonstruktion
  • a) Systemüberblicke. Flußdiagramme von zwei Systemen, die ein Dampfreformieren verwenden, sind in 4 und 5 dargestellt bzw. illustriert. In 4 wird Wasser in einem Vorerhitzer 10 vorerhitzt, bevor es in einem Wasserver dampfer 20 verdampft wird. Flüssiger Brennstoff wie Iso-Oktan wird in dem Brennstoffverdampfer 30 verdampft. Der Rekuperator 40 heizt den Brennstoff und den Dampf auf. Die Brennstoff-Dampf-Mischung fließt in den Dampfreformer 50. Da ein Dampfreformieren eine hoch endotherme Reaktion ist, werden heiße Gase von dem Combustor 60 durch den Dampfreformer hindurchgeleitet, um die Reaktanten in dem Reformer 50 aufzuheizen bzw. zu erwärmen. Nach einem Transferieren bzw. Übertragen von Wärme in den Dampfreformer wird verbleibende Wärme bzw. Restwärme in den Verbrennungsbestandteilen eingefangen, indem die Verbrennungsbestandteile durch den Rekuperator 70, wo Luft erhitzt bzw. erwärmt wird, durch den Wasserverdampfer 20 geleitet werden. Produktgas 55 von dem Dampfreformer passiert durch den Rekuperator 40, wo Wärme zu der Brennstoffmischung transferiert wird. Zusätzliche Wärme wird in der Brennstoffverdampfungseinrichtung 30 und der Wasservorerhitzungseinrichtung 10 transferiert. Die vorhergehenden Komponenten umfassen eine komplette Mikrokanal-Synthesegas-Produktionseinheit. Wenn das System mit PEM Brennstoffzellen zur Strom- bzw. Leistungserzeugung verwendet wird, dann wird das Synthesegasprodukt (auch Syngas genannt) eine zusätzliche Verarbeitung vor einem Einbringen in das Innere der PEM Brennstoffzelle 82 erfordern, da CO ein Katalysatorgift für die meisten PEM Brennstoffzellen ist, und da die Gesamtsystemeffizienz erhöht werden kann, wenn das CO in CO2 in einem Wasser-Gas-Verschiebereaktor konvertiert bzw. umgewandelt wird, welcher auch den Energiegehalt des CO in zusätzlichen H2-Gehalt transferiert, welches der Brennstoff für eine PEM Brennstoffzelle ist. Eine Anwendung mit PEM Brennstoffzellen ist in 4 gezeigt bzw. dargestellt.
  • Das Ziel der kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit, die schematisch auf der linken Seite von 4 illustriert ist, ist die Herstellung von wasserstoffreichem Gas aus einem Kohlenstoffwasserstoff-Ausgangsmaterial für Anwendungen, wo es Vorteile durch die Realisierung von kompakter, leichter Hardware für eine Wasserstoffgasproduktion gibt. Beispiele enthalten eine Stromerzeugung für sowohl stationäre als auch mobile Anwendungen bzw. Anlagen, (z.B. Fahrzeuganwendungen), wo das Produktgas nachfolgend, falls notwendig, in Übereinstimmung mit den Brennstofferfordernissen einer Brennstoffzelle und für die Herstellung von Chemikalien bearbeitet wird, wo Wasserstoff oder Synthesegas ein Ausgangsmaterial für das chemische Verfahren ist, das eingesetzt wird. Dieser Ablaufplan bzw. dieses Ablaufdiagramm zeigt ein Dampf reformieren von flüssigen Kohlenwasserstoffen, jedoch könnten andere Ausbildungen gasförmige Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan) verwenden.
  • Eine kompakte Mikrokanal-Dampfreformiereinheit kann enthalten:
    • • Katalytische Mikrokanal-Dampfreformierreaktoren (1 oder mehrere) – welche integrale Mikrokanalwärmetauscher beinhalten, so daß die endotherme Dampfreformierreaktion ihre Wärme aus dem Verbrennungsgasstrom erhält.
    • • Rekuperative Mikrokanal-Wärmetauscher (2 oder mehrere) – welche ein effizientes Vorerhitzen des Stroms an Reformierstrom und des Verbrennungsstroms zur Verfügung stellen, indem sie (jeweils) die Stromreformierprodukte der Verbrennungsprodukte als die Quelle an Wärme voneinander verwenden.
    • • Mikrokanalverdampfer zum Generieren bzw. Erzeugen von Dampf und gasförmigen Kohlenwasserstoffen. In der Systemkonfiguration, die in 4 gezeigt ist, ist die Verdampfungswärme für beide Strömen im wesentlichen durch die latente Wärme des Verbrennungs-(Produkt-)-Stroms zur Verfügung gestellt, jedoch sind andere Systemkonfigurationen möglich, wo einiges der Wärme der Verdampfung von einem Strom oder beiden Strömen teilweise aus der latenten Wärme zur Verfügung gestellt wird, welche in dem Dampfreformier(Produkt-)-Strom vorhanden ist, oder wo die Wärme der Verdampfung von einem oder beiden aus dem Wasser- und dem Kohlenwasserstoffstrom gesondert zur Verfügung gestellt ist bzw. wird.
    • • Mikrokanal- oder andere kompakte Einheiten für ein Bereitstellen von Wärme zu dem Wärme bereitstellenden Strom (z.B. eine kompakte Verbrennungseinheit)
  • Ein hocheffizienter rekuperativer Mikrokanal-Wärmetauscher in diesem System wird als Rekuperator 1 identifiziert, welcher ausgebildet wurde, um mit einem exergetischen Wirkungsgrad zu funktionieren, der 85% übersteigt. Die Exergieanalyse dieser Komponente und der anderen Komponenten des Systems wird in dem folgenden Abschnitt präsentiert.
  • Wenn die Einheit mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) verwendet wird, dann ist keine zusätzliche Bearbeitung des Syngasprodukts erforderlich. In diesem Fall wird ein weiterer Vorteil realisiert, wobei die Wärme von der Hochtemperatur SOFC bei einer ausreichend hohen Temperatur ist, so daß sie als Prozeßwärme für den endothermen Dampfreformierreaktor verwendet werden kann. 5 zeigt eine mögliche Systemkonfiguration der Compact Microchannel Steam Reforming Unit bzw. kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit, wenn sie mit einer Festoxid-Brennstoffzelle verwendet wird. In diesem System wird Brennstoff in einem Verdampfer 210 verdampft, kombiniert mit Dampf von einem Was serverdampfer 220 und in einem Rekuperator 230 erhitzt. Der erhitzte Strom wird im Reformer 240 umgesetzt. Der Reformer 240 ist mit einem Combustor integriert, welcher zusätzliche Wärme zuführt. Das resultierende Reformat wird auf 900°C bis 1100°C vorzugsweise etwa 1000°C in dem Rekuperator 250 erhitzt und zu der Festoxid-Brennstoffzelle 260 geleitet, um elektrische Leistung 270 zu generieren. Abfallwärme von der Festoxid-Brennstoffzelle kann rückgewonnen werden, indem die heißen Abfallgase zurück durch das System geführt werden, wie dies in 5 gezeigt ist.
  • Allgemein könnte die Designkapazität der kompakten Mikrokanal-Synthesegas-Produktionseinheit erhöht werden, indem entweder die Größe und der Durchsatz von jeder Komponente proportional erhöht wird oder indem ein Design für das System verwendet wird, wo mehrere Verfahrenszüge parallel bearbeitet werden, oder durch eine gewisse Kombinationen von beiden. Für den Fall, wo mehrere Verfahrenszüge parallel bearbeitet werden, gibt es zusätzlich weitere Merkmale, welche die energieeffiziente Produktion von Synthesegas unterstützen können, wie durch ein Betreiben von jedem Zug (und jeder Komponente) auf bzw. an einem Punkt, welcher nahe an oder auf den effizientesten Bedingungen liegt, und digitales Hochschrauben (oder Herunterfahren) der Produktionsgeschwindigkeit bzw. -rate durch ein Einschalten (oder Ausschalten) von individuellen Verfahrenszügen.
  • Es ist auch ersichtlich, daß individuelle Komponenten gesondert in dem System eingebracht sein können, ohne die betrachteten Grenzen der Erfindung zu überschreiten, so daß nicht alle Komponenten Teil derselben einstückigen bzw. integralen Hardwareeinheit sein müssen.
  • Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien, für welche diese Einheit gedacht ist, enthalten mittellangkettige Kohlenwas serstoffe (z.B. Iso-Oktan) und kurzkettige Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan, Ethan usw.), plus Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol usw.). Die Herstellung von Syngas aus komplexen Mischungen (z.B. Benzin oder Dieselöl usw.) wird ins Auge gefaßt; jedoch können zusätzliche Einheitsoperationen erforderlich sein, um mit Bestandteilen umzugehen, welche problematisch für ein Reformieren sind. Beispielhafte Bestandteile, die betroffen sind, enthalten schwefelhaltige Verbindungen, aromatische Substanzen und Detergentien.
  • Für den Wärme bereitstellenden Strom kann Energie zur Verfügung gestellt werden durch entweder a) die Verbrennung eines Anteils des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, eines Anteils des Dampfreformergasprodukts, eines brennstoffhaltigen Stroms, welcher von einer stromabwärtigen Ver- bzw. Bearbeitung kommt (z.B. das Anodeneffluent einer Brennstoffzelle) oder einem gewissen anderen Brennstoffstrom, oder b) Verfahrenswärme von einem anderen System (z.B. eine Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzelle), oder c) eine Kombination aus a) und b) miteinander.
  • Zahlreiche andere Ausbildungen sind innerhalb des Rahmens dieser Erfindung ins Auge gefaßt. Beispielsweise könnten hoch effiziente rekuperative Mikrokanal-Wärmetauscher als ein Teil eines CO2-Sammelsystems (welches auf einer Temperaturwechselabsorption basiert) und für ein Vorerhitzen von Reaktanten zu und ein Kühlen von Produkten aus den Reaktoren verwendet werden.
  • b) Abstandselementdesigns und exergetische Effizienzberechnungen. Der folgende Abschnitt beschreibt mit begleitenden Figuren Abstandselementdesigns, welche hergestellt und getestet wurden. Der Abschnitt enthält auch eine gewisse verallgemeinerte Diskussion eines Komponentendesigns, Modifikationen und Betriebsparametern, welche in einer großen Vielzahl von Vorrichtungen und Systemen anwendbar sind. Obwohl Komponenten als Teil einer Dampfreformiervorrichtung beschrieben sind, sollte verstanden werden, daß die folgenden Designs und andere Beschreibungen nicht auf das Dampfreformierverfahren beschränkt sind, sondern allgemein auf Systeme anwendbar sind, die Mikrokanalkomponenten anwenden.
  • Beispiel: Hochexergetischer rekuperativer Wärmetauscher
  • Ein rekuperativer Mikrokanal-Wärmetauscher wurde entworfen, hergestellt und experimentell als hocheffizient demonstriert, mit einem exergetischen Wirkungsgrad (unter Berücksichtigung sowohl von Wärmetransfer gegen eine Temperaturdifferenz als auch einen Druckabfall), von welchem gezeigt wurde, daß er größer als 80% ist. Der Mikrokanal-Wärmetauscher wurde ausgebildet bzw. entworfen, um eine gewünschte Wärmetransfereffektivität von 0,85 zu erzielen. Das Design ist unten beschrieben. Zahlreiche konservative Annahmen wurden in dem anfänglichen Designmodell getätigt, enthaltend:
    • – Berechnen der Nusselt-Zahl für sowohl konstante Temperatur als auch konstante Wärmeflußgrenzbedingungen und Nehmen des Minimums (konstanter Wärmefluß ist die korrektere Grenze für den Rekuperator)
    • – Geben des vollen Gewichts zu Längsleitung in dem Metall an den Außenkanten bzw. -rändern des Tauschers
    • – Verwenden einer abgekürzten Druckabfallberechnung mit einem erstreckten bzw. ausgedehnten Eintrittsabschnitt, um einen Abstandselementdruckabfall zu stop pen, eher als ein kurzer Eintritt, gefolgt durch einen expandierenden Bereich
  • Ein rekuperativer Mikrokanal-Wärmetauscher wurde konstruiert, welcher aus 10 Paaren von Abstandselementen bestand, bestehend aus 20 mil (0,50 mm) Abstandselementen, die teilweise bis zu einer Tiefe von 10 mil (0,25 mm) geätzt sind. Die Gesamtvorrichtung wurde aus 316 rostfreiem Stahl konstruiert. Das Abstandselementdesign für Abstandselemente "A" ist in 6 gezeigt. Das "B" Abstandselement ist das Spiegelbild des "A" Abstandselements mit der Ausnahme, daß es mit dem alternativen oder anderen Satz von Kopflöchern verbunden ist. Die Vorrichtung wurde an der Oberseite und am Boden durch 50 mil (1,25 mm) dicke Deckplatten abgedeckt. Die Abstandselemente bzw. Unterlagen wurden zusammengebaut, wobei die A und B Platten zueinander schauen bzw. gerichtet sind: Obere Platte A, B, A, B ... A, B Bodenplatte. Die obere Platte hat 2 Kopflöcher, welche mit den Kopflöchern 610, 620 in Platte A ausgerichtet sind bzw. fluchten, und die Bodenplatte hat 2 Kopflöcher, welche die Kopflöcher in Platte B verbinden. Die zwei Gase fließen bzw. strömen im Gegenstrom in dem Wärmetauscherabschnitt und in den Köpfen bzw. Kopfeinrichtungen und fließen in dem Stapelrichtungsfluß in derselben Richtung (z.B. das ursprünglich heiße Gas tritt durch die Köpfe bzw. Kopfstücke 610 ein und verläßt durch die Kopfstücke 620, während das anfänglich kalte Gas durch die Kopfstücke 630 eintritt und durch die Kopfstücke 640 austritt). Die Kopfstücklöcher wurden aus beiden Seiten geätzt, wobei alle Flächen auf der Rückseite maskiert sind. Vor einem Verbinden bzw. Bonden wurde eine Nickelbeschichtung über die Stahlplatten aufgebracht und die Einheit wurde durch Diffusion gebondet. Die Toleranz der Ausrichtungszapfenlöcher konnte nicht in dem Ätzverfahren erzielt werden, so daß die Löcher geringfügig unterdimensioniert gemacht wurden und händisch auf die korrekte Größe erweitert wurden. Externe Köpfe bzw. Verteiler bzw. Kopfstücke, welche aus einer Hälfte eines 3/8 Zoll (0,952 cm) (0,0325 Zoll (0,0825 cm) Wand) mit einem 3/8 Zoll (0,952 cm) Rohr-"Tee"- bzw. -"T"-Stück bestehen, werden an die zwei Stapel geschweißt. Die externen Kopfstücke kombinieren die zwei internen Kopfstücklöcher und stellen eine Verbindung an den Teststand zur Verfügung. Ein vollständiges Rohr-T-Knie wurde auf der Abstandselementbreite zentriert.
  • Das Design inkludiert einen 100 mil (0,25 cm) Bondingumfang in allen Bereichen, welche eine Abdichtung erfordern. In den Abstandselement-Eintrittsbereichen, welche ein Bonding in dem Abstandselement direkt oben unterstützen, wurden zwei 20 mil (0,05 cm) breite Rippen in der 250 mil (0,625 cm) Öffnung angeordnet, welche sie in drei 70 mil (0,175 cm) Durchtritte unterteilt. Diese Näherung bzw. dieser Zugang dichtet die Vorrichtung erfolgreich ab.
  • Die internen Abstütz- bzw. Supportrippen in den Wärmetauscherabschnitt wurden bei etwa Viertelzoll-Intervallen voneinander beabstandet. Ein leckdichtes Bonding ist nicht erforderlich in dem Bereich der inneren bzw. internen Rippen, so daß es die Hauptfunktion der Rippen ist, die Ablenkung der Wand aufgrund von Differentialdrücken zu begrenzen. Die vier geneigten bzw. abgeschrägten Rippen sind gedacht, um beim Verteilen eines Flusses zu helfen. In dem Abschnitt bzw. Querschnitt, wo der Fluß entlang gerader Rippen gerichtet ist, sind die Abstützrippen intermittierend bzw. unterbrochen. Dies erlaubt eine Neuverteilung des Flusses, falls dies erforderlich ist. Es wird angenommen, daß, wenn der Fluß nicht gleich ausreichend gleichmäßig ist, eine Wärmetransfereffektivität signifikant lei den könnte. Von der unterbrochenen Supportrippe wird angenommen, daß sie einen kleinen positiven Effekt auf einen Wärmetransfer besitzt und einen kleinen Nachteil in der Flußreibung einbringt.
  • Der Abstandselementstapel aus Scheiben von rostfreiem Stahl zeigt, daß das Material einer Dicke von 0,020 Zoll (0,051 cm) eine Toleranz von ±0,003 Zoll (0,008 cm) aufweist. Eine einzige Probe von einem Abstandselement A und einem Abstandselement B (6 Meßpunkte auf jedem) zeigte, daß das Abstandselementmaterial etwa 20,6 mil (0,051 cm) auf der Abstandselement A Probe und 20,9 mil (0,052 cm) auf der Abstandselement B Probe war, was gut in der 3 mil (0,0075 cm) Toleranz liegt. Die Tiefe des Ätzens auf diesen zwei Abstandselementproben war im Mittel 10,0 mil (0,025 cm) auf Abstandselement A und 9,8 mil (0,0245 cm) auf Abstandselement B. Keine Messungen wurden betreffend eines Standarddicken-Meßgeräts zum Vergleich ausgeführt und die Kalibrierung des Mikrometers ist abgelaufen, so daß diese Daten lediglich als Hinweis betrachtet werden sollten. Die Gesamtdicke des Rekuperators nach dem Testen war 0,4973 Zoll (1,2631 cm), verglichen mit einer Zieldicke von 0,5000 Zoll (1,27 cm) 2·0,050 Zoll + 20·0,020 Zoll).
  • Die Größe der gebondeten Einheit wurde mit 3,020 Zoll (7,511 cm) mal 1,50 Zoll (3,81 cm) mal 0,50 Zoll (1,27 cm) (2,265 Zoll3 oder 37,12 cm3) gemessen. Druckstreifen und Thermoelemente waren an den T's angeordnet, mit welchen jede Wärmetauschereinlässe/auslässe verbunden waren. Eine Kao-Wolle-Isolation wurde an dem Tauscher angewandt bzw. aufgebracht und das Ganze wurde in ein Aluminiumband eingewickelt.
  • Wärmetauschertests wurden durch ein Auswählen des gewünschten Stickstoffflusses und der Ofentemperatur und dann Warten ausgeführt, bis sich die Temperaturen auf dem Tauscher stabilisieren. Alle Daten wurden bei einem stabilen Zustand genommen. Die Zeit, die erforderlich ist, um eine Bedingung eines stabilen Zustands zu erreichen, war zwischen 15 und 45 Minuten, in Abhängigkeit von der Temperatur und der Flußgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate. Es wird angenommen, daß die langsame Dynamik in erster Linie aufgrund des langen Flußpfads und der thermischen Masse bewirkt, die mit dem Strompfad des erhitzten Gases vor einem Eintreten in den Tauscher assoziiert ist. Dies könnte modifiziert werden, um eine schnellere Sammlung von Daten zu erlauben. Es wurde kein Versuch gemacht, um die dynamische Antwort des Rekuperators selbst aus den Daten auszusortieren. Eine Gesamtzahl von 21 Testbedingungen eines stabilen bzw. Dauerzustands wurde aufgezeichnet und mit der vollständigen Isolation auf dem Tauscher evaluiert, mit Erhitzungsgeschwindigkeiten bzw. Erwärmungsraten, die zwischen 86 Watt und 943 Watt variierten. Die höchste thermische Leistungsdichte (Wärmerate pro Einheits-Hardwarevolumen) war daher 25,4 Watt/cm3. Das System wurde mit Stickstoff als dem Arbeitsfluid bei Flußgeschwindigkeiten bzw. Strömungsraten betrieben, die von 30 bis 126 slpm (Standardliter pro Minute) bei Einlaßdrücken für das kalte Fluid variierten, die von 4,76 bis 30,95 psig (33,78 bis 206,5 kPa) reichten. Derselbe Strom wurde sowohl für das kalte Fluid als auch das heiße Fluid verwendet, wobei das kalte Fluid zusätzlich erhitzt wurde, nachdem es den Wärmetauscher verließ, bevor es zu der Einheit zurückgeführt wurde und als das heiße Fluid dient. Einlaßtemperaturen für das kalte Fluid waren allgemein etwa 23–26°C. Auslaßtemperatur für das kalte Fluid waren auf verschiedene Niveaus angehoben, die zwischen 188°C und 473°C lagen. Die Einlaßtemperatur für das heiße Fluid wurde zwischen 220–575°C variiert, wobei die Auslaßtemperatur zwischen 61–145°C variierte.
  • Nach bzw. bei einer ersten Überprüfung der Daten war klar, daß das Modell geringfügig konservativ beim Vorhersagen der Effektivität war (d.h. die tatsächliche Wärmeaustauscheffektivität war höher als die Modellvorhersage). Die erste Einstellung, die an dem Modell gemacht wurde, bevor die Daten reduziert waren, war, das Modell zu zwingen, die konstanten Heißfluß-Grenzbedingungen beim Abschätzen der Nusselt-Zahl statt der Konstanttemperatur-Grenzbedingung zu verwenden. Die Konstantwärme-Flußgrenze ist klar die korrektere Grenze bzw. Randbedingung für den Rekuperator und die minimale Nusselt-Zahl wurde lediglich aus konservativen Gründen in dem Design verwendet.
  • Die Modellvorhersagen der Effektivität (unter Verwendung der Konstantwärmefluß-Grenzbedingung) wurde gegen die beobachtete Effektivität in 7 aufgetragen. Die Fläche für einen Wärmetransfer in dem Modell ist als 2,80 × 10–2 m2 genommen, bestehend aus einem Bereich von 4,755 × 10–2 m Länge und 3,099 × 10–2 m Breite. Die angenommene Fläche negiert die Fläche in den Eintrittsbereichen zu den Kopfstücken.
  • Die exergetische Effizienz in dem Mikrokanal-Wärmetauscher wurde aus den Daten berechnet, indem die Technik für ideale Gase verwendet wurde (Bejan, Tsatsaronis, and Moran, 1996), die sowohl Temperaturdaten als auch Druckdaten in Betracht ziehen bzw. berücksichtigen, wie dies in 8 gezeigt ist. 9 zeigt zusätzlich die Menge an Exergiezerstörung als eine Funktion einer Erhitzungsgeschwindigkeit bzw. -rate.
  • Eine bevorzugte Ausbildung eines Dampfreformersystems ist in 10–15 illustriert. Das System ist die sogenannte "Compact Microchannel Steam Reforming Unit" ("kompakte Mikrokanal-Dampfreformiereinheit") in der folgenden Diskussion. Eine schematische Gesamtansicht der Vorrichtung ist in grau in 10 illustriert (eine Schwarzweißdarstellung ist als 18 aufgenommen). Frische Luft tritt durch den Luftvorerhitzereinlaß 106 ein und wird in dem Luftvorerhitzer (grauer Block) erwärmt. Die Luft wird in vier Ströme aufgeteilt, die sich durch Leitungen 110 zu vier Rekuperatoren 124 bewegen. Jeder dieser Rekuperatoren enthält einen rekuperativen Wärmetauscher 120 und einen Wasserverdampfer 122. Heiße Luft tritt aus dem Rekuperator 120 in ein Kopfstück bzw. einen Verteiler 112 aus und wird mit Brennstoff im Rohr 102 vermischt, welche sich zu dem Combustor 104 bewegt. Die resultierenden Verbrennungsbestandteile bewegen sich durch das Kopfstück 118 zu dem Reaktor 114. Das Gas läuft in Serien durch vier Zellen. In jeder Zelle wird Wärme von den Verbrennungsbestandteilen transferiert, um die endotherme Produktion von Wasserstoff anzutreiben. An dem Reaktor ist der Verbrennungsbestandteilstrom in Serie verbunden, während der Reaktantenstrom parallel verbunden bzw. angeschlossen ist. Nach einem Durchtreten durch die erste Zelle verläßt das Gas den Reaktor 114 durch das Kopfstück 116 und Wasserstoffgas wird durch einen Einlaß (nicht gezeigt) in das Kopfstück 116 eingespritzt. Das Wasserstoffgas zündet spontan, was Wärme hinzufügt, um das Gas auf die Temperatur zurückzuführen, mit welcher das Gas zuerst in den Reaktor eingetreten ist. Das Gas tritt dann wieder in den Reaktor ein, um neuerlich die Ausbildung von Wasserstoff anzutreiben. Nach einem Durchtreten durch die vierte Zelle treten die Verbrennungsgase durch ein Kopfstück aus, wo sie in vier gesonderte Ströme aufgeteilt werden und zum Verdampfen von Wasser verwendet werden. Die Verbrennungsströme werden in dem Kopfstück 108 wieder kombiniert und verwendet, um Luft in dem Luftvorerhitzer zu wärmen, bevor sie ausgetragen werden.
  • In dem anderen Fluidstrom kommt Wasser (welches gegebenenfalls durch einen Vorerhitzer kommen könnte) in jeden der vier Wasserverdampfer 122, wird in Dampf umgewandelt und tritt durch die Kopfstücke 126 zu einem Brennstoffverdampfer 132 aus, wo der Strom mit Brennstoff aus einem Brennstoffeinlaß (nicht gezeigt) vermischt wird und jede der vier Mischungen tritt durch ein Kopfstück in eine Zelle eines Reaktors 114 ein, wo Wasserstoff produziert wird. In einer bevorzugten Ausbildung treten sowohl der Reformatstrom als auch die Verbrennungsbestandteil-(Wärmetauscher-)-Fluidströme aus dem Reaktor bei etwa 750°C aus. Wärme von dem Reformatstrom wird in dem Rekuperator 130 und Verdampfer 132 rückgewonnen und das Reformat verläßt die Vorrichtung (durch graue Rohre).
  • Das Design für den Luftvorerhitzer war ein verschachtelter Mikrokanal-Wärmetauscher, welcher aus 10 Paaren von Abstandselementen bestand, die aus 20 mil (0,50 mm) Abstandselementen bestanden, die teilweise bis zu einer Tiefe von 10 mil (0,25 mm) geätzt waren. Die Gesamtvorrichtung war aus 316 L rostfreiem Stahl konstruiert. Das Abstandselementdesign für Abstandselement "A" ist in 12a gezeigt. Das "B" Abstandselement, das in 12b gezeigt ist, ist dasselbe wie das "A" Abstandselement mit der Ausnahme, daß es mit dem anderen Satz von Kopflöchern verbindet. Die Vorrichtung ist an der Oberseite und am Boden mit 50 mil (1,25 mm) dicken Abdeckplatten abgedeckt. Die Abstandselemente sind zusammengebaut: Obere Platte A, B, A, B ... A, B, Bodenplatte. Die obere Platte hat 20 Kopflöcher, welche mit den Kopflöchern 1010, 1020 in Platte A ausgerichtet sind bzw. fluchten, und die Bodenplatte hat 20 Kopflöcher, welche mit den Kopflöchern in Platte B verbunden sind. Die zwei Gase fließen im Gegenstrom in dem Wärmetauscherabschnitt und in den Kopfstücken (z.B. das anfänglich heiße Gas tritt durch Kopfstücke 1010 ein und verläßt durch Kopfstücke 1020, während das anfängliche kalte Gas durch Kopfstücke 1030 eintritt und durch Kopfstücke 1040 austritt). Die Abstandselementstreifen waren 7,1 Zoll lang und 3,0 Zoll breit. Der Wärmetauscher war, wie oben beschrieben, gebondet bzw. verbunden.
  • Ein ähnliches Design für einen anderen verschachtelten Wärmetauscher ist in 13a und 13b illustriert. In diesem Wärmetauscher gab es 20 Paare von Abstandselementen, bestehend aus 31 mil (0,78 mm) Abstandselementen, die teilweise bis zu einer Tiefe von 10 mil (0,25 mm) geätzt sind, d.h. einer Kanaltiefe von 10 mil. Diese Abstandselemente maßen 2,9 Zoll Breite mal 3,3 Zoll Länge (mit Ausschluß von Ausrichtanschlüssen bzw. -fortsätzen). Dieser Wärmetauscher ist in 10 nicht illustriert, jedoch könnte er beispielsweise an die das Reformat führenden Rohre festgelegt sein, um Wasser zu kondensieren.
  • Das Abstandselementdesign für einen kombinierten rekuperativen Wärmetauscher 130 und einen Brennstoffverdampfer 132 ist in 11a und 11b illustriert. Die Abstandselemente waren 17 mil dick mit einer Ätztiefe von 6 oder 7 mil. Jedes Abstandselement ist 1,5 Zoll breit (mit Ausnahme von Zusammenbauausrichtlöcher 152, welche nach einem Verbinden ausgeschnitten wurden) und 5,34 Zoll lang. Diese Abstandselemente, die in 11a und 11b gezeigt sind, wurden in abwechselnden Schichten gestapelt, die durch Endplatten abgedeckt sind, die Einlaß- und Auslaßfluid kopfstücke aufweisen. Die Flußmikrokanäle wurden strukturell durch die 10 mil dicken Stege unterstützt. In der Wärmetauscherschicht tritt heißes Reformatgas durch Einlässe 162 ein und bewegt sich durch die Schicht bis zum Auslaß 150. Während ein Fluidstrom in einem einzigen Mikrokanal fließt, partizipiert dieses Fluid an drei Einheitsoperationen. In der illustrierten Ausbildung wird im Bereich 158 Wärme zu Reaktanten transferiert, bevor sie in den Reaktor eintreten, im Bereich bzw. in der Region 156 wird Wärme zu einem Brennstoffverdampfer 176 transferiert und im Bereich 154 wird Wärme zu Wasser transferiert. Das erhitzte bzw. erwärmte Wasser tritt durch den Auslaß 170 aus. Verdampfter Brennstoff tritt durch Auslässe 174 aus. Reaktanten treten durch Einlässe 178 ein und treten durch Auslässe 160 aus. Vorzugsweise gibt es wenigstens zwei Schichten mit einem Brennstoffverdampfer und wenigstens eine Wärmetauscherschicht, noch bevorzugter gibt es wenigstens drei Schichten mit einem Brennstoffverdampfer und wenigstens zwei Wärmetauscherschichten. Jede der Schichten hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,1 und 1 mm. Während sich die Beschreibung auf ein Dampfreformierverfahren bezieht, sollte erkannt werden, daß die erfinderischen Konzepte auf eine weite Vielzahl von Reaktionen und Einheitsverfahrensoperationen anwendbar sind.
  • Abstandselemente für eine Kombination von Wasserverdampfer 120/Wärmetauscher 122 sind in 14a–14d gezeigt. In dieser Mikrokanalvorrichtung 124 wurde die geätzte Seite des Abstandselements, das in 14a illustriert ist, benachbart seinem Spiegelbild (der geätzten Seite bzw. Fläche des Abstandselements, das in 14b illustriert ist) angeordnet, um ein Abstandselementpaar A auszubilden. Die Spiegelbild-Abstandselemente, die in 14c und 14d gezeigt sind, wurden in ähnlicher Weise zusammengepaßt, um ein Abstandselement B auszubilden. Abstandselementpaare A und B wurden abwechselnd gestapelt (A-B-A-B-...) mit 10 A Paaren und 11 B Paaren. In dem Luftwärmetauscherabschnitt dieser Vorrichtung tritt kalte bzw. kühle Luft von dem Luftvorerhitzer durch Einlässe 204 ein, bewegt sich durch Mikrokanäle 208, wo die Luft erhitzt wird, und heiße Luft tritt aus den Kanälen 200 aus, wonach die erhitzte Luft zu dem Combustor fließt. Wasser tritt in das Kopfstück 218 durch den Einlaß 214 ein. Das Wasser tritt durch laserbearbeitete Öffnungen 216 und in die Mikrokanäle 210 ein, wo das Wasser in Dampf umgewandelt wird, und tritt durch Dampfauslässe 206 aus. Zahlreiche Merkmale sind es wert, in dieser Konstruktion beachtet zu werden. Stege 220 können für eine strukturelle Unterstützung zur Verfügung gestellt sein; jedoch ist es bevorzugt, daß die Stege Spalten bzw. Zwischenräume aufweisen, um einen Druckausgleich in den Mikrokanälen, insbesondere in Bereichen bzw. Regionen zu unterstützen, wo Mikrokanäle gekrümmt sind. Die Öffnungen helfen, einen gleichmäßigen Fluß durch alle Mikrokanäle zur Verfügung zu stellen und reduzieren das Auftreten, daß Wasser durch die Mikrokanäle spritzt. In einer bevorzugten Ausbildung haben Flußmikrokanäle für einen Wasserverdampfer eine Höhe von etwa 100 bis etwa 2500 Mikrometer; eine Breite von etwa 1,3 bis etwa 13 Millimeter; und eine Länge von etwa 1 bis etwa 30 Zentimeter. Ein Wärmetauscherfluid, wie ein Verbrennungsproduktstrom fließt durch die Abstandselemente, die in 14c und d gezeigt ist. Die heißen Verbrennungsbestandteile treten durch Einlässe 202 ein, treten durch Mikrokanäle 226 und 224 zu dem Verbrennungsauslaß 212 aus. Im Bereich 222 wird Wärme an Luft übertragen, während im Bereich 220 Wärme zu einem Wasserverdampfer übertragen wird, – was somit ein Beispiel illustriert, in welchem ein Wärmetauscherfluid für mehrere ge sonderte Einheitstätigkeiten bzw. -Operationen verwendet werden kann, ohne denselben Flußmikrokanal zu verlassen. Während zwei spezifische Einheitsoperationen illustriert sind, sollte erkannt werden, daß diese Technik effizient für jede gewünschte Kombination von Einheitsoperationen verwendet werden kann. Die oberen und Bodenplatten (nicht gezeigt) waren 0,048 Zoll dicke Stahlplatten, welche Kopflöcher für einen Wassereinlaß, Dampfauslaß, Wärmetauscherfluideinlässe und -auslässe und Lufteinlässe und -auslässe aufweisen.
  • Die Abstandselementkonstruktion für den Reaktor 114 ist in 15a–e gezeigt. Der Reaktor enthielt 75 Reaktionskammerschichten, die mit 76 Wärmetauscherschichten abwechselten. Jede Reaktionskammerschicht bestand aus einem Paar von spiegelbildlichen Reaktionskammer-Abstandselementen 300, die durch ein Abstandhalter-Abstandselement 340 getrennt sind. Das Abstandhalter-Abstandselement hatte 12 mil (0,03 cm) Dicke. Jede Wärmetauscherschicht bestand aus einem Paar von spiegelbildlichen Wärmetauscher-Abstandselementen 350. Abdeckplatten 312 wurden aufgeschweißt, um einen Reaktantenkanal 302 zu erzeugen. Eine Reaktionskammer 314 wurde durch Ätzen von 5 mil (0,0125 cm) in das Abstandselement ausgebildet, während eine Serie von Verstrebungen 322 und 324 zurückbleibt. Die Abstandselemente der Reaktionskammer 300 und des Wärmetauschers 350 waren 20 mil (0,05 cm) dick. Jede der vier identischen Reaktionskammern war etwa 2 Zoll (5,08 cm) mal 2 Zoll (5,08 cm). Die schmäleren 5 mil (0,0125 cm) Streben 322 unterstützen Katalysatorstreifen, während die dickeren Streben 324 mit Drähten 342 ausgerichtet sind, um strukturelle Supporte bzw. Abstützungen zur Verfügung zu stellen. Die Drähte 342 hatten eine Dicke von 12 mil (0,03 cm) und hatten eine Breite von 10 mil (0,025 cm. Die "X" in 15c zeigen Freiräume an. Diese Räume sind durch Streifen von Katalysatorfilzen (2,1 Zoll (5,33 cm) lang × 0,25 Zoll (0,63 cm) breit und 10–12 mil (0,025 cm bis 0,03 cm) dick) eingenommen. Bevorzugte Katalysatormaterialien sind U.S. Patentanmeldungen, Seriennummern 09/492,950 und 09/492,246 (Aktennr. E-1666A-CIP und E-1666B-CIP) beschrieben, die hierin als Referenz aufgenommen sind. Die Wärmetauscher-Abstandselemente enthielten Verbrennungsgaseinlässe 354 und Verbrennungsgasauslässe 352 und vier Sätze von Flußmikrokanälen 356. Die Endblöcke sind üblicherweise dicker als die individuellen Abstandselemente, typischerweise 0,25 bis 0,35 Zoll (0,63 bis 0,89 cm) dick. Ein Endblock ist ein merkmalsloses Metallblatt. Der andere Endblock ist in 15e illustriert.
  • Während eines Betriebs treten Reaktanten von dem Reaktantenkanal 302 in die Reaktionskammer 314 ein. Produkte werden in der Reaktionskammer gebildet und fließen durch die Auslässe 304. Zur selben Zeit treten Verbrennungsgase in die Wärmetauscherschichten durch Einlässe 308, 354, fließen durch Wärmetauschermikrokanäle 356 und treten durch Auslässe 352, 306, 310 aus. Während der Fluß an Reaktanten und Produkte parallel ist, ist der Fluß der Verbrennungsgase in Serie. In einer bevorzugten Ausbildung für ein Dampfreformieren treten Verbrennungsgase in Löcher 362 bei 725°C ein, bewegen sich durch den Wärmetauscher und treten aus Löchern 364 bei 650°C aus. Die Gase werden durch ein äußeres Rohr (nicht gezeigt) gefördert und Wasserstoffgas wird in das Rohr eingespritzt, um die Temperatur des Gases auf 725°C anzuheben, bevor es wieder in den Reaktoreinlaß 366 eintritt. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Verbrennungsgase aus der vierten Zelle des Reaktors am Auslaß 368 bei 650°C austreten und sich zu einem rekuperativen Wärmetauscher 120 weiter bewegen.
  • Der Reaktor stellt zahlreiche wünschenswerte Charakteristika zur Verfügung, enthaltend Kompaktheit, Dauerhaftigkeit und die Fähigkeit, eine thermische Reaktion über einen relativ schmalen Temperaturbereich auszuführen. Der Reaktor stellt ein integrales bzw. einstückiges Design zur Verfügung, der mehrere Reaktionskammern auf einer einzigen Schicht in Kombination mit einem Wärmetausch aufweist. In bevorzugten Ausbildungen haben die Wärmetauscherschichten und die Reaktionskammerschichten jeweils eine Dicke von 0,1 bis 2 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind mehr als 3, bevorzugter mehr als 10 abwechselnde Schichten von Wärmetauschern und Reaktionskammern auf einer einzigen Vorrichtung kombiniert. Es kann gesehen werden, daß in einer bevorzugten Ausbildung Wärmetauscherfluide von einem Wärmetauscher zu einem zweiten Wärmetauscher in derselben integrierten Vorrichtung fließen. Die Reaktionskammern haben vorzugsweise eine Höhe von der Oberseite bis zum Boden der Reaktionskammer von 0,05 bis 1 mm – was für Wärme- und Massentransfer vorteilhaft ist. Die Reaktoren können auch durch ihre Eigenschaften charakterisiert werden, wie den Reaktionsproduktivitäten pro Einheitsvolumen und/oder der thermischen Leistungsdichte. (in W pro cm3), die in diesen Systemen erzielbar ist.
  • Eine Exergieanalyse wurde an der Compact Microchannel Steam Reforming Unit, basierend auf einer ChemCad Simulation des Systems unter der Annahme ausgeführt, daß es gut isoliert ist (d.h. es gibt keine Wärmeverluste von individuellen Komponenten zur Umgebung). Im allgemeinen wurde das Verfahren von Bejan, Tsataronis und Moran (1996) verwendet, wobei ChemCad das Folgende zuführte: Temperaturen, Drücke, Massen- und molare Flußgeschwindigkeiten bzw. Strömungsraten, durch ausbildende Chemikalien, für Reaktanten und Produkte (enthaltend den Heizdampf), Enthalpie und Ent ropie-Differenzen für jedes Fluid auf einer Komponentenweisen Basis, Wärme von Reaktionen (für Verbrennung und Dampfreformieren), spezifische Wärmewerte pro Strom, auf einer Komponentenweisen Basis, Molekulargewichte und Komponentenwärmeraten (Watt). Die physikalischen Charakteristika der Umgebung (oder "Totzustand") wurde mit 25°C, 1 bar angenommen. Chemische Exergien wurden aus Tabelle C.2. von Bejan, Tsataronis und Moran (1996) entnommen.
  • Lediglich für den Reformer wurde die Entropiedifferenz des Reformerstroms unter Verwendung von idealen Gasgesetzen und der Annahme von spezifischen Wärmen berechnet. Das System wurde modelliert, enthaltend einen Luftvorerhitzer. Für Mischer wurden Entropiedifferenzen und Exergiezerstörungswerte durch das Verfahren berechnet, das in Bejan (1996) beschrieben ist.
  • Wie zuvor festgehalten, ist die exergetische Effizienz bzw. der exergetische Wirkungsgrad (∈2nd Law) oder die Effizienz gemäß dem zweiten Gesetz einer Komponente, eines Subsystems oder eines Systems definiert, daß sie das Verhältnis der Änderung in der Exergie des (der) Produktstroms (-ströme) zur Änderung in der Exergie des (der) Exergie zur Verfügung stellenden Stroms (Ströme) ist.
  • Beispiel einer Exergieanalyse in der Mikrokanal-Dampfreformiereinheit
  • Berechnungen wurden für die kompakte Mikrokanal-Dampfreformiereinheit ausgeführt, die entworfen war, um einen wasserstoffreichen Strom für eine 10 kWe Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, mit Eintrags- bzw. Eingabeannahmen, enthaltend, daß die Iso-Oktan und Wasserströme in das System mit 5 bar eingebracht werden und daß der Luftstrom in das System mit 2,5 bar eingebracht wird. Individuelle Fälle enthalten Annahmen von wesentlichen Druckabfällen und negierbaren bzw. vernachlässigbaren Druckabfällen innerhalb individueller Komponenten. Es wurde weiterhin angenommen, daß jede Komponente und jedes Verbindungsrohr im wesentlichen isoliert sind, so daß Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigbar sind.
  • Wie mit dem gegenwärtigen Design wird der Reformierstrom in vier parallele Züge aufgespaltet. Der Verbrennungsstrom, welcher Wärme für die endotherme Dampfreformierreaktion zur Verfügung stellt, hat in gleicher Weise vier parallele Verfahrenszüge, jedoch sind die Mischer/Combustor/Dampfreformierabschnitte ortho-kaskadiert. Für die Exergieberechnungen wurde die umgebende Umgebung in gleicher Weise auf Standardtemperatur und Druck (d.h. 298 K, 1 bar) angenommen.
  • 16 und 17 zeigen die Enthalpieband- und Exergieband-Diagramme für den Fall mit einem vernachlässigbaren Druckabfall. Außer es wurde irgendetwas anderes angeführt, sind die folgende Beschreibung der Ergebnisse für den Fall, wo Druckabfälle negierbar sind.
  • 16 zeigt spezifisch die chemischen und physikalischen Exergien für jeden Punkt jedes Stroms. Die Exergiewerte für den Reformierstrom sind dieselben für jeden Dampfreformer, und sind nur für den Strom angezeigt, welcher durch den Dampfreformer 4 durchtritt.
  • Die Exergiezerstörungsabschätzungen für jede Komponente sind bzw. werden in gleicher Weise identifiziert.
  • Die gesamte, exergetische Effizienz der kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit kann durch eine Überprüfung der chemischen und physikalischen Exergien der Heiz- und Reformierströme aus 16 berechnet werden. Für den Heizstrom:
    Figure 00560001
    ΔEAntrieb = 10301 – 2112 = 8189 Watt
  • Für den Reformerstrom:
    Figure 00560002
    ΔEProdukt = 29555 – 26511 = 3044 Watt
  • Die gesamte, exergetische Effizienz bzw. der gesamte exergetische Wirkungsgrad der Compact Microchannel Steam Reforming Unit (der kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit) ist die Änderung in der Exergie in dem Produktstrom (d.h. dem Dampfreformierstrom) dividiert durch die Änderung in der Exergie in dem Antriebsstrom (d.h. dem Combustions- bzw. Verbrennungsstrom) oder ∈2nd Law = ΔEProdukt/ΔEAntrieb = 3044/8189 = 0,3717 oder 37,2%
  • Für die Berechnung, wo moderate Druckabfälle durch die Einheit angenommen wurden, fiel die gesamte, exergetische Effizienz bis auf 25% aufgrund der zusätzlichen Exergetiezerstörung durch einen Druckabfall (Reibung) ab. Diese Werte stehen im Vergleich mit einer gesamten, exergetischen Effizienz von etwa 30% für das Synthesegasproduktions-Subsystem einer Ammoniakherstellungsanlage, wie sie ursprünglich durch Cremer (H. Cremer, "Thermodynamic Balance and Analysis of a Synthesis Gas and Ammonia Plant," in Thermodynamics: Second Law Analysis, Hrsg. R. A. Gaggioli, American Chemical Society, Washington, D.C., Seite 111, 1980) präsentiert wurde und neuerlich in Szargut (1984) präsentiert wurde.
  • Berücksichtigung einer Exergieanalyse für ortho-kaskadierte Mischer-Combustoren und Dampfreformer
  • Es gibt einen Wunsch, die höchste Temperatur in dem System niedrig genug zu halten, so daß rostfreier Stahl verwendet werden kann. In der illustrierten Ausbildung kann dies durch die Verwendung eines Ortho-Kaskadierens erzielt werden.
  • In dem gegenwärtigen Ablaufschema tritt die höchste Temperatur von irgendeinem Strom mit bzw. bei den Verbindungs produkten auf, welche den Mischer-Combustor 1 bei 725°C verlassen. Der Mischer-Combustor 1 hat auch die höchste Menge an Exergiezerstörung von irgendeiner Einheit in dem System, 1600 Watt. Die Literatur bestätigt, daß eine Combustion bzw. Verbrennung häufig eine große Quelle von Exergiezerstörung ist, und in dem Fall des Mischer-Combustors 1 wird dies teilweise aufgrund der relativ niedrigen Temperatur (400°C) des Luftstroms bewirkt, welcher in die Komponente eintritt.
  • Beim Verlassen des Dampfreformers ist der Verbrennungsstrom lediglich auf 662°C abgefallen, daher erlaubt es der Mischer-Combustor 2, lediglich etwa 1/5 Füllbrennstoff zu erfordern, wie es für den Mischer-Combustor 1 erforderlich war. Mischer-Combustoren 3 und 4 erhalten denselben Vorteil.
  • Der Endeffekt ist jener: Wenn Subsystem berücksichtigt bzw. betrachtet wird, das aus dem Mischer-Combustor 1 und dem Dampfreformer 1 besteht, ist der exergetische Wirkungsgrad dieses Subsystems lediglich 22,3% (wie dies unter Verwendung der Exergiewerte von Fig. (b)) berechnet werden kann. Wenn Mischer-Combustoren 2–4 und Dampfreformer 2–4 über die ortho-kaskadierte Route hinzugefügt werden, expandiert das Subsystem mit einer Verbesserung nach oben in dem exergetischen Wirkungsgrad des Subsystems, der auf 52,8 erhöht wird. So erlaubt es eine Ortho-Kaskaden-Näherung dem System, gleichzeitig die exergetische Effizienz bzw. den exergetischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erhöhen, während es dem System in gleicher Weise ermöglicht wird, daß es aus relativ billigem rostfreiem Stahl gebaut wird.
  • Berücksichtigung bzw. Betrachtung von Exergiezerstörung und exergetischem Wirkungsgrad mit Mikrokanal-Dampfreformern 16 zeigt, daß kollektiv die Dampferreformer 1–4 852 Watt Exergie zerstören. Innerhalb jedes Dampfreformers wird ein Anteil der physikalischen Exergie des Verbrennungsgasstroms anfänglich zu dem Reformerstrom transferiert, was einen Anstieg in seiner physikalischen Exergie bewirkt, dann wird ein Anteil seiner physikalischen Exergie in chemische Exergie als Teil der katalytischen Dampfreformierreaktion transformiert. Allgemein kann die exergetische Effizienz jedes Dampfreformers gesondert berechnet werden, basierend auf der Definition der exergetischen Effizienz unter Verwendung der Information, welche in 16 enthalten ist. Als ein Beispiel ist der exergetische Wirkungsgrad des Dampfreformers 1 wie folgt: ∈2nd Law = (7080 + 845 – 6628 – 777)/(6648 – 5914) = 520/734 = 0,708oder etwa 70,8%. Die anderen Dampfreformer arbeiten in gleicher Weise mit ähnlichen exergetischen Effizienzen. Da die Zerstörung von Exergie, in diesem Fall, einer individuellen Komponente innewohnend ist, würden Verbesserungen des exergetischen Wirkungsgrads dieser Einheiten durch innere bzw. interne Designverbesserungen realisiert werden müssen.
  • Berücksichtigung von Exergiezerstörun in der gesamten kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit
  • Die kumulative Exergiezerstörung des Systems, insgesamt 5147 Watt, kann auch aus 16 betrachtet werden. Als die Hauptbeiträge zur Exergiezerstörung in der Einheit wird angenommen, daß es die Mischer-Combustoren, die Combustions-Rekuperatoren, die Wasserverdampfer und die Dampfreformer sind, wobei ihre gesamte Exergiezerstörung 4722 Watt oder 91,7% der kumulativen bzw. zerstörten Exergie sind. Mischer-Combustor 1 stellt die meiste Exergiezerstörung zur Verfügung, 1600 Watt oder 31,1% der Gesamtexergie, welche zerstört wird.
  • Die Verbrennungs- bzw. Combustionsgasrekuperatoren haben die zweithöchste Menge an Exergiezerstörung. Luft tritt in diese Einheit bei 137°C ein und wird auf 400°C durch die Verbrennungsgase erhitzt, welche von 654°C auf 427°C abfallen, während sie 3974 Watt (physikalische Enthalpie aus 17) an den Luftstrom zur Verfügung stellen. Diese Einheiten arbeiten über einen großen Temperaturbereich (654 – 137 = 517°C) und haben große Endtemperaturdifferenzen (entsprechend 427 – 137 an dem Niedrigtemperaturende des Wärmetauschers und 654 – 400 an dem Hochtemperaturende), was zu einer wesentlichen Menge an Exergiezerstörung beiträgt (901 Watt). Die Effizienz gemäß dem zweiten Gesetz oder der exergetische Wirkungsgrad dieser Einheit wird aus den Exergiewerten, die in 16 zur Verfügung gestellt sind, wie folgt berechnet: ∈2nd Law = (3013 – 1397)/(6169 – 3652) = 0,642 oder 64,2%
  • Durch Vergleich zeigen die Reformat-Rekuperatoren einen hohen Grad an Exergiewirkungsgrad mit nur 120 Watt Exergie, die innerhalb dieser Einheit zerstört wird. Hier treten Dampf und Iso-Oktan in die Einheit bei 174°C ein, empfangen Wärme von dem Reformatstrom in der Menge von 2870 Watt (physikalische Enthalpie), und steigern die Temperatur auf 651°C. Der Reformatstrom kühlt von 700°C auf 252°C in dieser Transaktion ab. Diese Einheiten wirken daher auch über eine große Temperaturdifferenz (700 – 174 = 526°), jedoch haben sie bedeutend kleinere Endtemperaturdifferenzen als bei dem Combustionsgasrekuperator. Die exergetische Effizienz dieser Einheit ist berechnet mit: ∈2nd Law = (3107 – 1527)/(3380 – 1680) = 0,929 oder 92,9%
  • Die Verbrennungsgasrekuperatoren und die Reformatrekuperatoren wurden jeweils als sehr kompakte Wärmetauscher ausgebildet bzw. entworfen und jeder wurde hergestellt, um einstückig bzw. integral mit wenigstens einem anderen Satz von Wärmetauschern zu sein.
  • Warum sind die Verbrennungsgasrekuperatoren bedeutend weniger exergetisch effizient als die Reformatrekuperatoren? Die Antwort liegt in dem Design der gesamten Einheit, welche für diese Ausbildung den Verbrennungsgasstrom aufweist, der die Wärme für ein Verdampfen von Wasser für den Reformierstrom zur Verfügung stellt. Wie dies in 16 gezeigt ist, erfordert ein Verdampfen von Wasser 4371 Watt Wärme (thermische Enthalpie), und um dies auszuführen, müssen die Verbrennungsgase die Verbrennungsgasrekuperatoren bei einer ausreichenden Temperatur ~427°C) verlassen, um dies zur Verfügung zu stellen.
  • Die Wasserverdampfer leiden in gleicher Weise an schlechten exergetischen Wirkungsgraden als eine unvermeidbare Konsequenz der Tatsache, daß Wasser sich in der Temperatur nicht erhöht, wenn es siedet. Das Resultat ist, daß die Wasserverdampfer in gleicher Weise einen großen Endtemperaturunterschied an dem heißen Ende der Einheiten aufweisen (Verbrennungsgase treten mit 427°C ein, während Dampf bei 160°C austritt) und es wird abgeschätzt, daß eine Gesamtmenge von 598 Watt Exergie in dieser Einheit zerstört wurde.
  • In irgendeinem thermochemischen System sind die exergetischen Wirkungsgrade von verschiedenen Einheiten häufig nicht wirklich voneinander unabhängig. Für das vorliegende System muß, da dem Verbrennungsgasrekuperator erlaubt wer den muß, nur teilweise von seiner Exergie für ein Vorheizen des Luftstroms Gebrauch zu machen, der Mischer-Combustor 1 den Rest der Lufterhitzungserfordernis erzielen, und er erfordert daher wesentlich mehr Brennstoff als die anderen Mischer-Combustoren (2–4) in dem ortho-kaskadierten Zug (5538 Watt chemische Enthalpie für Mischer-Combustor 1 im Gegensatz zu 1137 Watt chemischer Enthalpie jeweils für Mischer-Combustoren 2–4). So hat das Erfordernis, Wasser zu verdampfen, auch zu einem großen Grad an Exergie beigetragen, welche in dem Mischer-Combustor 1 zerstört wird.
  • Was aus dieser Abschätzung bzw. Beurteilung ersichtlich ist, ist, daß in der vorliegenden Ausbildung der kompakten Mikrokanal-Dampfreformiereinheit die Sequenz von Wasserverdampfern, Verbrennungsgasrekuperatoren und Mischer-Combustor 1 die größte Menge an Exergiezerstörung beiträgt (3099 Watt oder 60,2% der zerstörten Exergie). Dementsprechend sollten andere bzw. abgewandelte Systemkonfigurationen gesucht werden, welche die gesamte exergetische Effizienz des Systems verbessern könnten.
  • Als eine erste Überlegung zeigt das Exergiebanddiagramm von (b), daß die physikalische Exergie des Verbrennungsgasstroms bei 6169 Watt ist, nachdem er den Dampfreformer 4 verläßt. Im Prinzip bedeutet dies, daß, wenn der Verbrennungsgasstrom reversibel in ein physikalisches Gleichgewicht mit der umliegenden Umgebung gebracht würde, er bis zu 6169 Watt Arbeit (z.B. Wellenarbeit) zur Verfügung stellen könnte. Dies ist ein großer Wert, verglichen mit den 10 kWe Elektrizitätsausgabe, welche von der Brennstoffzelle gewünscht ist. Während kein System echt reversibel ist, sind Expansionseinheiten, wie Turbinen und Schnecken- oder Rollenexpander häufig exergetisch effizient (80% oder mehr).
  • Um diese Option anzunehmen, würde es erforderlich sein, daß zusätzliche chemische Enthalpie in dem System hinzugefügt wird, wahrscheinlich am Mischer-Combustor 1 oder vor dem Mischer-Combustor 1. Aus Fig. (a) wird beobachtet, daß die chemische Enthalpie, welche erforderlich sein würde, daß sie zugesetzt wird, 3974 Watt ist (um die Combustionsgasrekuperatoren zu ersetzen), 4371 Watt (um die Wasserverdampfer zu ersetzen), und 1648 Watt (um die Luftvorerhitzer zu ersetzen), insgesamt 9993 Watt. Unter der Annahme, daß wir fähig sind, dies zu erfüllen, und unter der Annahme einer 80% effizienten Expansionsvorrichtung ist dann das Verhältnis von zusätzlicher Arbeit und zusätzlicher erforderlicher Wärme: 0,80 × 6169/9993 = 0,494 oder 49,4%
  • Tatsächlich würde eine 80% effiziente Expansionsvorrichtung in einem Abflußstrom von Verbrennungsgasen resultieren, die nicht heiß genug sind, um ein gewisses Vorerhitzen der Verbrennungsluft zu bewirken, so daß die Effizienz, mit welcher die neue Arbeit zur Verfügung gestellt würde, etwas höher ist.
  • Indem weiter beachtet wird, daß die physikalische Exergie des Verbrennungsgasstroms von 6169 Watt auf 3652 Watt über die Verbrennungsgasrekuperatoren dann auf 1747 Watt über die Wasserverdampfer abfällt, präsentieren sich andere Optionen selbst. Beispielsweise würde, indem dieselbe Näherung wie in den vorhergehenden Absätzen genommen wird, ein Ersetzen von lediglich den Verbrennungsgasrekuperatoren mit einer 80% effizienten Expansionsvorrichtung 0,80 × (6169 – 3652) Watt oder 2014 Watt (Wellenarbeit) zur Verfügung stellen. Dies ist etwas niedriger als in der vorhergehenden Alternative, wobei jedoch, da die zusätzliche Wärme, um Verbrennungsgasrekuperatoren zu ersetzen, ledig lich 3974 Watt ist, die ansteigende bzw. inkrementelle Energieeffizienz ist: 0,80 × (6169 – 3652)/3974 = 0,507 oder 50,7%.
  • Dieser Wert ist nur geringfügig höher, jedoch vermeidet er das Problem, daß zusätzliche Wärme für den Wasserverdampfer gefunden werden muß.
  • Insgesamt könnte das System in einer Anzahl von Wegen für einen besseren exergetischen Wirkungsgrad überarbeitet werden, wenn eine bessere Wärmequelle für ein Verdampfen von Wasser gefunden werden könnte. Exergetische Betrachtungen stellen hier eine andere Möglichkeit zur Verfügung, welche die Beobachtung berücksichtigt, daß die kompakte Mischungskanal-Dampfreformiereinheit für ein System ausgebildet ist, welches eine Brennstoffzelle plus andere Gasverarbeitungs/Konditionier-Hardware umfaßt.
  • Insbesondere wird beobachtet, daß eine 10 kWe Brennstoffzelle wesentliche Abfallwärme generieren bzw. erzeugen wird. Beispielweise wird eine Protonentauschermembran (PEM) Brennstoffzelle bei etwa 80°C arbeiten, mit etwa 60% Effizienz (erstes Gesetz). Das Ergebnis ist, daß es hier etwa 6000–7000 Watt Wärme gibt, die von der PEM Brennstoffzelle bei etwa 80°C verfügbar sind. Die Temperatur dieser Wärmequelle ist zu niedrig, um eine direkte Verdampfung von Wasser bei 150–160°C zur Verfügung zu stellen, jedoch kann sie über die Verwendung einer Wärmepumpe verbessert werden.
  • Aus einer Perspektive gemäß dem zweiten Gesetz wird ein Verbessern bzw. Veredeln der Wärme von der Brennstoffzelle die Verwendung von Exergie erfordern. Für eine reversible Wärmepumpe, die zwischen 80°C und 160°C arbeitet, kann der Koeffizient der Leistung (COP) berechnet werden mit: COP = (160 + 273)/(160 – 80) = 5,41wobei dies nahelegt, daß die reversible Wärmepumpe 4371/5,41 = 808 Watt Exergie oder Wellenarbeit erfordert, um zu arbeiten. Eine konservative Annahme würde dies beispielsweise 25% höher ansetzen, oder 808 × 1,25 = 1010 Watt.
  • Ein Verwenden von Energie von der Brennstoffzelle, um Wasser zu verdampfen, würde ein neues Design der Verbrennungsgasrekuperatoren und des Mischer-Combustors 1 erlauben, so daß sie mit bemerkenswert besseren exergetischen Wirkungsgrad arbeiten. Indem konservativ angenommen wird, daß die neu entworfenen Verbrennungsgasrekuperatoren nur beispielsweise 200 Watt zerstören (im Gegensatz zu 120 Watt Exergie, die in den Reformatrekuperatoren zerstört werden) und daß der neu entworfene Mischer-Combustor 1 in gleicher Weise beispielsweise 400 Watt zerstört (im Vergleich zu 266, 263 und 238 Watt zerstörter Energie in Mischer-Combustoren 2 bis 4), würde eine Gesamtheit von 600 Watt Exergie zerstört werden. Die resultierenden Exergieeinsparungen sind 1600 + 901 + 598 – 200 – 400 = 2499 Watt.
  • In diesem Fall wurden 2499 – 1010 = 1489 Watt Exergie gewonnen, verglichen mit 10 kWe Ausgabe, welche ansonsten erwünscht waren. Ein besseres Design für die Wärmetauscher und die Verbrennungseinrichtungen bzw. Combustoren würde wahrscheinlich bewirken, daß dies ansteigt. Indem das berücksichtigt wird, könnte entsprechend der Brennstoffverbrauch für eine 10 kWe Ausgabe um wenigstens 1,489/10 = 0,1489 oder etwa 15% gesenkt werden.
  • SCHLUSS
  • Während bevorzugte Ausbildungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es Fachleuten in der Technik ersichtlich sein, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzugehen.

Claims (20)

  1. Mikrokomponentenapparat zum Durchführen von Einheitsoperationen, umfassend: eine Mikrokomponentenvorrichtung mit einem ersten Einlass, einem ersten Ausgang, einer ersten Anordnung von Mikrokanälen und einer zweiten Anordnung von Mikrokanälen, wobei, während des Betriebs, ein Strom in den ersten Einlass der Mikrokomponentenvorrichtung eintritt und unter der ersten Anordnung von Mikrokanälen verteilt wird und eine erste Einheitsoperation an dem Strom durchgeführt wird, wobei der Strom durch den ersten Ausgang austritt und die Mikrokomponentenvorrichtung verläßt, eine Verarbeitungsvorrichtung, welche mit dem ersten Ausgang der Mikrokomponentenvorrichtung verbunden ist, wobei die Verarbeitungsvorrichtung in der Lage ist, den Strom durch eine zweite Einheitsoperation zu modifizieren, wobei ein Ausgang der Verarbeitungsvorrichtung mit einem zweiten Einlass der Mikrokomponentenvorrichtung verbunden ist, und wobei die zweite Anordnung von Mikrokanälen mit dem zweiten Einlass verbunden ist und ein zweiter Ausgang mit der zweiten Anordnung von Mikrokanälen verbunden ist, wobei, während des Betriebs, der Strom wieder in die Mikrokomponentenvorrichtung eintritt und unter der zweiten Anordnung von Mikrokanälen verteilt wird, wobei die erste Einheitsoperation an dem Strom erneut durchgeführt werden kann, und der Strom durch den zweiten Ausgang austritt und die Mikrokomponentenvorrichtung verläßt.
  2. Mikrokomponentenapparat nach Anspruch 1, wobei der Apparat ferner eine erste Zone, einen Mikrokanal-Wärmetauscher und eine zweite Zone umfasst, wobei, während des Betriebs, mindestens eine Einheitsoperation in der ersten Zone bei einer ersten Temperatur durchgeführt wird, wobei, während des Betriebs, die zweite Zone eine zweite Temperatur aufweist, wobei der Mikrokanal-Wärmetauscher zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone angeordnet ist, wobei, während des Betriebs, ein weiterer Strom von der zweiten Zone durch den Mikrokanal-Wärmetauscher zu der ersten Zone fließt und anschließend durch den Mikrokanal-Wärmetauscher zu der zweiten Zone zurückfließt, wobei, während des Betriebs, innerhalb des Mikrokanal-Wärmetauschers Wärme zwischen dem Strom, welcher von der zweiten Zone zu der ersten Zone fließt, und dem Strom, welcher von der ersten Zone zu der zweiten Zone fließt, ausgetauscht wird, und wobei, während des Betriebs, der Wärmetauscher eine Wärmeleistungsdichte von mindestens 0,6 W/cm3 und einen exergetischen Wirkungsgrad von mindestens 80% aufweist.
  3. Mikrokomponentenapparat nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsvorrichtung eine Kammer mit einem Gaseinlass für die Zugabe von gasförmigen Komponenten umfasst.
  4. Mikrokomponentenapparat nach Anspruch 2, wobei die erste Zone einen chemischen Reaktor umfasst.
  5. Mikrokomponentenapparat nach Anspruch 2, wobei sich, während des Betriebs, die Temperatur der ersten Zone und die Temperatur der zweiten Zone um mindestens 350°C unterscheiden.
  6. Verfahren zum Durchführen von Einheitsoperationen in einem Mikrokomponentenapparat, umfassend: das Durchführen einer ersten Einheitsoperation an einem ersten Strom in einer ersten Mikrokomponentenzelle, anschließend an die erste Einheitsoperation, das Durchführen einer zweiten, diskreten Einheitsoperation an dem ersten Strom, um einen modifizierten Strom zu erzeugen, dann in einer zweiten Mikrokomponentenzelle, das Durchführen der ersten Einheitsoperation an dem modifizierten Strom, um eine einzige Einheitsoperation an dem modifizierten Strom für den gleichen Zweck wie die erste Einheitsoperation an dem ersten Strom zu bewirken.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Strom ein Wärmeaustauschfluid umfasst und die erste Einheitsoperation in einer Mikrokomponentenzelle einen Wärmeaustausch umfasst, wobei die Wärme von dem ersten Strom übertragen wird, um Wärme für einen endothermen Prozess bereitzustellen, wobei die zweite Einheitsoperation, welche den ersten Strom modifiziert, das Wiedererwärmen des ersten Fluids durch Wiedererwärmen aus einer Wärmequelle oder durch Zugeben von zusätzlichem Brennstoff oder Sauerstoff und das Durchführen von Verbrennungsreaktionen umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der endotherme Prozess eine endotherme chemische Reaktion ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der endotherme Prozess einen Trocknungs- oder Desorptionsprozess umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der endotherme Prozess Sieden oder Verdampfen umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Strom ein Wärmeaustauschfluid ist und die erste Einheitsoperation in einer Mikrokomponentenzelle Wärmeaustausch umfasst, wobei die Wärme von einem exothermen Prozess auf einen ersten Strom übertragen wird, um Kühlung bereitszustellen, und wobei die zweite Einheitsoperation, welche den ersten Strom modifiziert, das Kühlen des ersten Fluids durch Übertragen von Wärme auf einen Kühlkörper umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der exotherme Prozess eine exotherme chemische Reaktion umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der exotherme Prozess einen Sorptionsprozess, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Umwandeln eines Gases in eine Flüssigkeit oder eines Gases in einen Feststoff, umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der exotherme Prozess einen Phasenumwandlungsprozess umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Strom aus chemischen Reaktanden zusammengesetzt ist und die erste Einheitsoperation in einer Mikrokomponentenzelle eine chemische Umwandlungsreaktion umfasst, wobei die zweite Einheitsoperation, welche den ersten Strom modifiziert, Stoffübertragung umfasst, wobei mindestens ein ursprünglicher Reaktand zu dem ersten Strom zugegeben wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die chemische Reaktion in der ersten Einheitsoperation das Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen umfasst, und die zweite Einheitsoperation das Zugeben von zusätzlichem Kohlenwasserstoff-Reaktand zu dem ersten Strom umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Strom aus chemischen Reaktanden zusammengesetzt ist und die erste Einheitsoperation in einer Mikrokomponentenzelle chemische Umwandlungsreaktionen umfasst, und wobei die zweite Einheitsoperation, welche den ersten Strom modifiziert, eine chemische Abtrennung umfasst, wobei mindestens ein Reaktionsprodukt vorzugsweise von dem ersten Strom entfernt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die chemische Reaktion in der ersten Einheitsoperation das Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen umfasst und die zweite Einheitsoperation das Entfernen von Wasserstoff, vorzugsweise un ter Verwendung eines von einem Gasmembransystem, einem Sorptionsprozess, kryogenischer Destillation und einer semipermeablen Membran in einer elekrochemischen Zelle, umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die chemische Reaktion in der ersten Einheitsoperation das Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen umfasst und die zweite Einheitsoperation eine Kombination eines CO-Konvertierungsreaktors bzw. Wassergasreaktors und Wasserstoffabtrennung umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Strom eine erste chemische Exergie aufweist, wobei mindestens ein Teil der ersten chemischen Exergie in physikalische Exergie in der ersten Einheitsoperation umgewandelt wird, und mindestens ein Teil der physikalischen Exergie auf chemische Exergie in einem zweiten Strom übertragen wird, wobei sich der erste Strom und der zweite Strom nicht vermischen, wobei der Schritt des Übertragens mindestens eines Teils der physikalischen Exergie auf chemische Exergie in einem zweiten Strom einen exergetischen Wirkungsgrad von mindestens 50% aufweist, und wobei der Schritt des Umwandelns mindestens eines Teils der ersten chemischen Exergie in physikalische Exergie eine Wärmeleistungsdichte von mindestens 0,6 W/cm3 aufweist.
DE60116763T 2000-06-06 2001-05-30 Mikrokanlvorrichtung zum stoff- oder wärmeaustausch Expired - Lifetime DE60116763T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US588999 2000-06-06
US09/588,999 US7125540B1 (en) 2000-06-06 2000-06-06 Microsystem process networks
PCT/US2001/017631 WO2001095237A2 (en) 2000-06-06 2001-05-30 Microchannel device for heat or mass transfer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60116763D1 DE60116763D1 (de) 2006-04-06
DE60116763T2 true DE60116763T2 (de) 2006-09-14

Family

ID=24356190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60116763T Expired - Lifetime DE60116763T2 (de) 2000-06-06 2001-05-30 Mikrokanlvorrichtung zum stoff- oder wärmeaustausch

Country Status (11)

Country Link
US (5) US7125540B1 (de)
EP (1) EP1286904B1 (de)
JP (1) JP4794804B2 (de)
KR (3) KR100897073B1 (de)
AT (1) ATE316060T1 (de)
AU (2) AU6526201A (de)
CA (2) CA2738537C (de)
DE (1) DE60116763T2 (de)
MX (1) MXPA02012114A (de)
NO (1) NO335454B1 (de)
WO (1) WO2001095237A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007018705A1 (de) * 2007-04-18 2008-10-23 Viessmann Werke Gmbh & Co Kg Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage

Families Citing this family (81)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6488838B1 (en) * 1999-08-17 2002-12-03 Battelle Memorial Institute Chemical reactor and method for gas phase reactant catalytic reactions
US7125540B1 (en) * 2000-06-06 2006-10-24 Battelle Memorial Institute Microsystem process networks
US20020168307A1 (en) * 2001-03-09 2002-11-14 James Seaba Micro component hydrocarbon steam reformer system and cycle for producing hydrogen gas
WO2002083291A1 (de) * 2001-04-12 2002-10-24 Mir-Chem Gmbh Vorrichtung und verfahren zum katalytischen reformieren von kohlenwasserstoffen oder alkoholen
JP4019044B2 (ja) * 2001-07-10 2007-12-05 財団法人神奈川科学技術アカデミー 多層流マイクロチャンネルの集積化構造体とこれを用いる多層流操作方法
US6783354B2 (en) 2002-05-20 2004-08-31 Catacel Corporation Low NOX combustor for a gas turbine
US6622519B1 (en) 2002-08-15 2003-09-23 Velocys, Inc. Process for cooling a product in a heat exchanger employing microchannels for the flow of refrigerant and product
US6969505B2 (en) 2002-08-15 2005-11-29 Velocys, Inc. Process for conducting an equilibrium limited chemical reaction in a single stage process channel
US7014835B2 (en) 2002-08-15 2006-03-21 Velocys, Inc. Multi-stream microchannel device
JP3914118B2 (ja) * 2002-08-30 2007-05-16 本田技研工業株式会社 水素供給装置
US6652627B1 (en) 2002-10-30 2003-11-25 Velocys, Inc. Process for separating a fluid component from a fluid mixture using microchannel process technology
US6989134B2 (en) 2002-11-27 2006-01-24 Velocys Inc. Microchannel apparatus, methods of making microchannel apparatus, and processes of conducting unit operations
US6851171B2 (en) 2002-11-27 2005-02-08 Battelle Memorial Institute Method of fabricating multi-channel devices and multi-channel devices therefrom
US7294734B2 (en) 2003-05-02 2007-11-13 Velocys, Inc. Process for converting a hydrocarbon to an oxygenate or a nitrile
AU2003902200A0 (en) * 2003-05-06 2003-05-22 Meggitt (Uk) Ltd Heat exchanger core
WO2004104140A1 (en) * 2003-05-16 2004-12-02 Battelle Memorial Institute Rapid start fuel reforming systems and techniques
US7220390B2 (en) 2003-05-16 2007-05-22 Velocys, Inc. Microchannel with internal fin support for catalyst or sorption medium
US8580211B2 (en) 2003-05-16 2013-11-12 Velocys, Inc. Microchannel with internal fin support for catalyst or sorption medium
ATE376451T1 (de) 2003-05-16 2007-11-15 Velocys Inc Verfahren zur erzeugung einer emulsion durch verwendung einer mikrokanalverfahrentechnologie
US7485671B2 (en) 2003-05-16 2009-02-03 Velocys, Inc. Process for forming an emulsion using microchannel process technology
US7422910B2 (en) 2003-10-27 2008-09-09 Velocys Manifold designs, and flow control in multichannel microchannel devices
US7029647B2 (en) 2004-01-27 2006-04-18 Velocys, Inc. Process for producing hydrogen peroxide using microchannel technology
US7084180B2 (en) 2004-01-28 2006-08-01 Velocys, Inc. Fischer-tropsch synthesis using microchannel technology and novel catalyst and microchannel reactor
US9023900B2 (en) 2004-01-28 2015-05-05 Velocys, Inc. Fischer-Tropsch synthesis using microchannel technology and novel catalyst and microchannel reactor
US8747805B2 (en) 2004-02-11 2014-06-10 Velocys, Inc. Process for conducting an equilibrium limited chemical reaction using microchannel technology
US7304198B2 (en) 2004-05-14 2007-12-04 Battelle Memorial Institute Staged alkylation in microchannels
US7305850B2 (en) 2004-07-23 2007-12-11 Velocys, Inc. Distillation process using microchannel technology
EP1781389A2 (de) 2004-07-23 2007-05-09 Velocys, Inc. Destillationsverfahren mit hilfe von mikrokanal-technologie
CA2575165C (en) 2004-08-12 2014-03-18 Velocys Inc. Process for converting ethylene to ethylene oxide using microchannel process technology
CA2579363A1 (en) * 2004-09-09 2006-03-16 Haldor Topsoee A/S Process for production of hydrogen and/or carbon monoxide
CA2582378C (en) 2004-10-01 2013-12-10 Velocys, Inc. Multiphase mixing process using microchannel process technology
CA2583360C (en) * 2004-10-06 2016-01-26 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Microtechnology-based dialyzer
US7955504B1 (en) 2004-10-06 2011-06-07 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Microfluidic devices, particularly filtration devices comprising polymeric membranes, and method for their manufacture and use
EP1817102A1 (de) 2004-11-12 2007-08-15 Velocys, Inc. Verfahren unter verwendung von mikrokanaltechnologie zur durchführung einer alkylierungs- oder acylierungsreaktion
WO2006055609A1 (en) 2004-11-16 2006-05-26 Velocys Inc. Multiphase reaction process using microchannel technology
US7507274B2 (en) 2005-03-02 2009-03-24 Velocys, Inc. Separation process using microchannel technology
EP1890802A2 (de) 2005-05-25 2008-02-27 Velocys, Inc. Träger zur verwendung bei der mikrokanalverarbeitung
ES2925730T3 (es) 2005-07-08 2022-10-19 Velocys Inc Proceso de reacción catalítica usando la tecnología de microcanales
DE102006013503A1 (de) * 2006-03-23 2008-01-24 Esk Ceramics Gmbh & Co. Kg Plattenwärmetauscher, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung
US8116920B2 (en) 2009-10-08 2012-02-14 Saudi Arabian Oil Company System, method, and program product for synthesizing non-thermodynamically constrained heat exchanger networks
US8150560B2 (en) * 2006-06-23 2012-04-03 Saudi Arabian Oil Company Methods for heat exchanger network energy efficiency assessment and lifetime retrofit
US8150559B2 (en) * 2006-06-23 2012-04-03 Saudi Arabian Oil Company Systems and program product for heat exchanger network energy efficiency assessment and lifetime retrofit
US8116918B2 (en) * 2006-06-23 2012-02-14 Saudi Arabian Oil Company Systems, program product, and methods for synthesizing heat exchanger networks that exhibit life-cycle switchability and flexibility under all possible combinations of process variations
EP2400359B1 (de) * 2006-06-23 2014-07-02 Saudi Arabian Oil Company System, Verfahren und Programm-Produkt zur Auslegung und der optimalen Verteilung treibender Kräfte in Energierückgewinnungssystemen
US7729809B2 (en) * 2006-06-23 2010-06-01 Saudi Arabian Oil Company System, method, and program product for targeting and identification of optimal process variables in constrained energy recovery systems
US8311682B2 (en) * 2006-06-23 2012-11-13 Saudi Arabian Oil Company Systems, program product, and methods for synthesizing heat exchanger networks that account for future higher levels of disturbances and uncertainty, and identifying optimal topology for future retrofit
US8364327B2 (en) * 2006-06-23 2013-01-29 Saudi Arabian Oil Company Systems, program product, and methods for targeting optimal process conditions that render an optimal heat exchanger network design under varying conditions
US7820725B2 (en) 2006-09-05 2010-10-26 Velocys, Inc. Integrated microchannel synthesis and separation
US8497308B2 (en) 2006-09-05 2013-07-30 Velocys, Inc. Integrated microchannel synthesis and separation
WO2008150451A2 (en) * 2007-05-30 2008-12-11 Velocys, Inc. Oxidative coupling of methane
KR20090010402A (ko) * 2007-07-23 2009-01-30 삼성전자주식회사 연료전지 시스템의 연료개질기 버너
US8221528B2 (en) * 2008-08-01 2012-07-17 Velocys, Inc. Methods for applying microchannels to separate gases using liquid absorbents, especially ionic liquid (IL) absorbents
US8029604B2 (en) * 2007-08-01 2011-10-04 Velocys, Inc. Methods for applying microchannels to separate methane using liquid absorbents, especially ionic liquid absorbents from a mixture comprising methane and nitrogen
JP2009076365A (ja) * 2007-09-21 2009-04-09 Petroleum Energy Center 燃料電池装置
US8630739B2 (en) * 2008-03-14 2014-01-14 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Exergy based evaluation of an infrastructure
US8065243B2 (en) * 2008-04-18 2011-11-22 Air Liquide Large Industries U.S. Lp Optimizing operations of a hydrogen pipeline system
WO2010014878A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 Georgia Tech Research Corporation Microscale heat or heat and mass transfer system
US20100143755A1 (en) * 2009-06-24 2010-06-10 Fischer Bernhard A Multi-Channel Fuel Reformer with Augmented Heat Transfer
US20110129754A1 (en) * 2009-12-02 2011-06-02 Haltiner Jr Karl J Structure for Forming a Solid Oxide Fuel Cell Stack
US8753515B2 (en) 2009-12-05 2014-06-17 Home Dialysis Plus, Ltd. Dialysis system with ultrafiltration control
US20110189048A1 (en) * 2009-12-05 2011-08-04 Curtis James R Modular dialysis system
US8580161B2 (en) 2010-05-04 2013-11-12 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Fluidic devices comprising photocontrollable units
US8501009B2 (en) 2010-06-07 2013-08-06 State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University Fluid purification system
US8572862B2 (en) * 2010-10-25 2013-11-05 Battelle Memorial Institute Open-loop heat-recovery dryer
FR2969593B1 (fr) * 2010-12-22 2014-08-29 IFP Energies Nouvelles Amelioration d'un procede de production d'hydrogene integre thermiquement par reformage d'une charge hydrocarbonee
US9950305B2 (en) 2011-07-26 2018-04-24 Battelle Memorial Institute Solar thermochemical processing system and method
CN103957960B (zh) 2011-10-07 2016-04-13 霍姆透析普拉斯有限公司 用于透析系统的热交换流体净化
JPWO2013168772A1 (ja) * 2012-05-11 2016-01-07 三菱電機株式会社 積層型全熱交換素子および熱交換換気装置
GB201214122D0 (en) 2012-08-07 2012-09-19 Oxford Catalysts Ltd Treating of catalyst support
WO2014159555A1 (en) 2013-03-12 2014-10-02 Battelle Memorial Institute Reactor incorporating a heat exchanger
EP3137128B1 (de) 2014-04-29 2021-02-24 Outset Medical, Inc. Dialysesysteme und -verfahren
US20160258659A1 (en) * 2015-03-03 2016-09-08 Oregon State University Hybrid power and cooling system
WO2016201218A2 (en) 2015-06-12 2016-12-15 Velocys, Inc. Synthesis gas conversion process
WO2017035484A1 (en) 2015-08-26 2017-03-02 EMULATE, Inc. Perfusion manifold assembly
JP7025408B2 (ja) 2016-08-19 2022-02-24 アウトセット・メディカル・インコーポレイテッド 腹膜透析システム及び方法
FR3076086B1 (fr) * 2017-12-27 2019-11-22 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Ensemble de production d'energie couplant une pile a combustible et un systeme thermodynamique reversible
US11358111B2 (en) 2019-03-20 2022-06-14 Battelle Memorial Institute, Pacific Northwest National Laboratories Reactor assemblies and methods of performing reactions
US12383882B2 (en) 2018-06-21 2025-08-12 Battelle Memorial Institute Reactor assemblies and methods of performing reactions
ES3028957T3 (en) 2018-08-23 2025-06-20 Outset Medical Inc Dialysis system and methods
KR102215513B1 (ko) * 2018-09-05 2021-02-15 두산중공업 주식회사 가용 에너지 효율을 이용한 플랜트 진단방법
EP3962549B1 (de) 2019-04-30 2025-11-05 Outset Medical, Inc. Dialysesystem

Family Cites Families (77)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3961917A (en) 1949-07-13 1976-06-08 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Method of independently operating a group of stages within a diffusion cascade
US3608610A (en) 1969-10-01 1971-09-28 Ionics Apparatus for evaporative separation of liquids through microporous panels
CH561889A5 (de) 1973-04-13 1975-05-15 Schrade Jean
US4392362A (en) 1979-03-23 1983-07-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Micro miniature refrigerators
SE417458B (sv) 1979-07-06 1981-03-16 Alfa Laval Ab Vermevexlare innefattande ett flertal i ett stativ inspenda plattor
GB2076304B (en) 1980-05-26 1984-02-22 Univ Sydney Heat exchange (evaporator) device
US4401155A (en) 1981-02-13 1983-08-30 Union Carbide Corporation Heat exchanger with extruded flow channels
US4386505A (en) 1981-05-01 1983-06-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Refrigerators
US4516632A (en) 1982-08-31 1985-05-14 The United States Of America As Represented By The United States Deparment Of Energy Microchannel crossflow fluid heat exchanger and method for its fabrication
AU568940B2 (en) 1984-07-25 1988-01-14 University Of Sydney, The Plate type heat exchanger
DE3435319A1 (de) 1984-09-26 1986-04-03 Michael 4150 Krefeld Laumen Katalytischer dampferzeuger
JPS61111140A (ja) 1984-11-06 1986-05-29 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 炭化水素合成用触媒
US4593534A (en) * 1985-02-21 1986-06-10 Analytic Power Corporation Electrochemically driven heat pump
US4833170A (en) 1988-02-05 1989-05-23 Gtg, Inc. Process and apparatus for the production of heavier hydrocarbons from gaseous light hydrocarbons
DE3813946A1 (de) 1988-04-26 1989-11-09 Asea Brown Boveri Verfahren zum aufbringen einer aus edelmetallen und/oder edelmetallverbindungen bestehenden katalysatorschicht auf einen traeger aus keramischem material
EP0396650B2 (de) 1988-09-02 1995-04-12 GebràœDer Sulzer Aktiengesellschaft Vorrichtung zur durchführung katalysierter reaktionen
US5134109A (en) * 1989-07-07 1992-07-28 Idemitsu Kosan Company Limited Catalyst for reforming hydrocarbon with steam
DE3926466C2 (de) 1989-08-10 1996-12-19 Christoph Dipl Ing Caesar Mikroreaktor zur Durchführung chemischer Reaktionen von zwei chemischen Stoffen mit starker Wärmetönung
NL8902250A (nl) 1989-09-08 1991-04-02 Veg Gasinstituut Nv Werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie en daarbij te gebruiken reactor.
US5567398A (en) * 1990-04-03 1996-10-22 The Standard Oil Company Endothermic reaction apparatus and method
US5419156A (en) 1990-06-04 1995-05-30 Aerojet-General Corporation Regenerative sorption compressor assembly
US5209906A (en) 1991-05-10 1993-05-11 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Modular isothermal reactor
US5270127A (en) 1991-08-09 1993-12-14 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Plate shift converter
DE4137756C2 (de) 1991-11-16 1993-11-11 Kernforschungsz Karlsruhe Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip
US5846494A (en) 1992-04-30 1998-12-08 Gaiser; Gerd Reactor for catalytically processing gaseous fluids
TW216453B (en) 1992-07-08 1993-11-21 Air Prod & Chem Integrated plate-fin heat exchange reformation
JPH06101932A (ja) * 1992-08-27 1994-04-12 Hitachi Ltd 排熱を利用する吸収ヒートポンプ及びコ−ジェネレ−ションシステム
JPH06111838A (ja) * 1992-09-30 1994-04-22 Toshiba Corp 改質器、改質システム、及び燃料電池システム
US5426442A (en) 1993-03-01 1995-06-20 Aerojet-General Corporation Corrugated feed horn array structure
US5534328A (en) 1993-12-02 1996-07-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Integrated chemical processing apparatus and processes for the preparation thereof
US5512250A (en) 1994-03-02 1996-04-30 Catalytica, Inc. Catalyst structure employing integral heat exchange
JPH0812303A (ja) 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
US5611214A (en) 1994-07-29 1997-03-18 Battelle Memorial Institute Microcomponent sheet architecture
US6129973A (en) 1994-07-29 2000-10-10 Battelle Memorial Institute Microchannel laminated mass exchanger and method of making
US5811062A (en) 1994-07-29 1998-09-22 Battelle Memorial Institute Microcomponent chemical process sheet architecture
US5858314A (en) 1996-04-12 1999-01-12 Ztek Corporation Thermally enhanced compact reformer
JP3915139B2 (ja) * 1996-05-30 2007-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池発電装置
US5936671A (en) * 1996-07-02 1999-08-10 Sharp Laboratories Of America, Inc. Object-based video processing using forward-tracking 2-D mesh layers
US5861137A (en) 1996-10-30 1999-01-19 Edlund; David J. Steam reformer with internal hydrogen purification
DE19653991A1 (de) 1996-12-21 1998-06-25 Degussa Reaktor zur Durchführung endothermer katalytischer Reaktionen
GB2322633A (en) 1997-02-28 1998-09-02 Norske Stats Oljeselskap Fischer-Tropsch reactor
DE19725378A1 (de) 1997-06-16 1998-12-17 Gerhard Friedrich Kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmeaustausch
US5901037A (en) 1997-06-18 1999-05-04 Northrop Grumman Corporation Closed loop liquid cooling for semiconductor RF amplifier modules
US5961932A (en) * 1997-06-20 1999-10-05 Eastman Kodak Company Reaction chamber for an integrated micro-ceramic chemical plant
WO1998058743A1 (en) 1997-06-23 1998-12-30 Innovatek, Inc. Electrostatic precipitator
US6200536B1 (en) 1997-06-26 2001-03-13 Battelle Memorial Institute Active microchannel heat exchanger
US6036927A (en) 1997-07-22 2000-03-14 Eastman Kodak Company Micro-ceramic chemical plant having catalytic reaction chamber
US6907921B2 (en) * 1998-06-18 2005-06-21 3M Innovative Properties Company Microchanneled active fluid heat exchanger
US6127571A (en) 1997-11-11 2000-10-03 Uop Llc Controlled reactant injection with permeable plates
EP1171834B8 (de) * 1998-03-24 2005-03-23 Exergetic Systems, LLC Zufuhr/Verlust-Verfahren zum Bestimmen von Brennstofffluss, chemischer Zusammensetzung, Heizwert und Leistung eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen thermischen Systems
EP1089813B1 (de) 1998-05-22 2001-12-05 Infineon Technologies AG Reaktoranordnung und verfahren zu deren herstellung
DE19825102C2 (de) * 1998-06-05 2001-09-27 Xcellsis Gmbh Verfahren zur Herstellung eines kompakten katalytischen Reaktors
US6616909B1 (en) 1998-07-27 2003-09-09 Battelle Memorial Institute Method and apparatus for obtaining enhanced production rate of thermal chemical reactions
US6455316B1 (en) * 1998-08-13 2002-09-24 Symyx Technologies, Inc. Parallel reactor with internal sensing and method of using same
US6306658B1 (en) * 1998-08-13 2001-10-23 Symyx Technologies Parallel reactor with internal sensing
DE19841993B4 (de) 1998-09-04 2005-02-17 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Mikrostruktur-Reaktor
US6228341B1 (en) 1998-09-08 2001-05-08 Uop Llc Process using plate arrangement for exothermic reactions
US6143943A (en) 1998-09-08 2000-11-07 Uop Llc Process using plate exchanger with high thermal density heat transfer fluid and simultaneous reaction
US6100436A (en) 1998-09-08 2000-08-08 Uop Llc Process and apparatus for controlling reaction temperatures with heating arrangement in series flow
US6190624B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Uop Llc Simplified plate channel reactor arrangement
US6118038A (en) 1998-09-08 2000-09-12 Uop Llc Arrangement and process for indirect heat exchange with high heat capacity fluid and simultaneous reaction
US6159358A (en) 1998-09-08 2000-12-12 Uop Llc Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating
US6274101B1 (en) 1998-09-08 2001-08-14 Uop Llc Apparatus for in-situ reaction heating
US6168765B1 (en) 1998-09-08 2001-01-02 Uop Llc Process and apparatus for interbed injection in plate reactor arrangement
US6180846B1 (en) 1998-09-08 2001-01-30 Uop Llc Process and apparatus using plate arrangement for combustive reactant heating
US6265451B1 (en) 1999-09-21 2001-07-24 Hydrocarbon Technologies, Inc. Skeletal iron catalyst and its preparation for Fischer-Tropsch synthesis processes
US6203587B1 (en) 1999-01-19 2001-03-20 International Fuel Cells Llc Compact fuel gas reformer assemblage
US6140266A (en) 1999-02-18 2000-10-31 International Fuel Cells, Co., Llc Compact and light weight catalyst bed for use in a fuel cell power plant and method for forming the same
US6749814B1 (en) * 1999-03-03 2004-06-15 Symyx Technologies, Inc. Chemical processing microsystems comprising parallel flow microreactors and methods for using same
US6193501B1 (en) 1999-07-06 2001-02-27 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Microcombustor having submillimeter critical dimensions
JP2003507161A (ja) 1999-08-17 2003-02-25 バッテル・メモリアル・インスティチュート フィッシャー・トロプシュ合成の触媒構造及び方法
US6488838B1 (en) 1999-08-17 2002-12-03 Battelle Memorial Institute Chemical reactor and method for gas phase reactant catalytic reactions
WO2001012753A1 (en) 1999-08-17 2001-02-22 Battelle Memorial Institute Catalyst structure and method of fischer-tropsch synthesis
US6451864B1 (en) 1999-08-17 2002-09-17 Battelle Memorial Institute Catalyst structure and method of Fischer-Tropsch synthesis
MX267940B (es) * 1999-08-17 2009-07-03 Battelle Memorial Institute Reactor quimico y metodo para reacciones cataliticas de reactivo en fase gaseosa.
US6537506B1 (en) 2000-02-03 2003-03-25 Cellular Process Chemistry, Inc. Miniaturized reaction apparatus
US7125540B1 (en) * 2000-06-06 2006-10-24 Battelle Memorial Institute Microsystem process networks

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007018705A1 (de) * 2007-04-18 2008-10-23 Viessmann Werke Gmbh & Co Kg Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage

Also Published As

Publication number Publication date
US7651669B2 (en) 2010-01-26
WO2001095237A2 (en) 2001-12-13
US20060045842A1 (en) 2006-03-02
WO2001095237A3 (en) 2002-10-03
US7501101B2 (en) 2009-03-10
AU2001265262B2 (en) 2006-05-04
CA2412299A1 (en) 2001-12-13
NO20025796D0 (no) 2002-12-03
US20060034754A1 (en) 2006-02-16
NO335454B1 (no) 2014-12-15
JP2004509734A (ja) 2004-04-02
KR20080047484A (ko) 2008-05-28
KR100897073B1 (ko) 2009-05-14
MXPA02012114A (es) 2003-04-25
US7270905B2 (en) 2007-09-18
US7125540B1 (en) 2006-10-24
US20060034755A1 (en) 2006-02-16
CA2412299C (en) 2011-10-18
NO20025796L (no) 2003-02-06
JP4794804B2 (ja) 2011-10-19
KR20070108913A (ko) 2007-11-13
EP1286904B1 (de) 2006-01-18
KR20030068038A (ko) 2003-08-19
ATE316060T1 (de) 2006-02-15
AU6526201A (en) 2001-12-17
CA2738537C (en) 2015-01-20
CA2738537A1 (en) 2001-12-13
DE60116763D1 (de) 2006-04-06
US20060115413A1 (en) 2006-06-01
EP1286904A2 (de) 2003-03-05
KR100904122B1 (ko) 2009-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60116763T2 (de) Mikrokanlvorrichtung zum stoff- oder wärmeaustausch
AU2001265262A2 (en) Microchannel device for heat or mass transfer
AU2001265262A1 (en) Microchannel device for heat or mass transfer
Tonkovich et al. Microchannel process technology for compact methane steam reforming
DE102009031774B4 (de) Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
DE60036569T2 (de) Verfahren und apparatur wobei eine plattenvorrichtung zum beheizen und vorheizen verwendet wird
EP1250719A2 (de) Vorrichtung in mikrostrukturtechnik zum hindurchleiten von medien sowie brennstoffzellensystem
DE10110465B4 (de) Reaktor
US20180134551A1 (en) Reactor incorporating a heat exchanger
DE10102726A1 (de) Reaktor
WO2002085777A2 (de) Vorrichtung zum erzeugen und/oder aufbereiten eines brennstoffs für eine brennstoffzelle
Zhang et al. Performance research on the compact heat exchange reformer used for high temperature fuel cell systems
DE10010397C1 (de) Vorrichtung zum Verdampfen flüssiger Medien
Goto et al. Simulation of membrane microreactor for fuel cell with methane feed
DE102020208605B4 (de) Energiewandlungssystem
DE102005055043A1 (de) Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion
Ki et al. Dynamic Modeling of a Compact Heat Exchange Reformer for High Temperature Fuel Cell Systems
Pan et al. Numerical model of methanol synthesis process by CO2 hydrogenation in compact reactor with microchannels
Cummings et al. Effect of Size Constraints on Integration Potential in Logistical Fuels Processing
Stutz Hydrocarbon fuel processing of micro solid oxide fuel cell systems
Stutz Hydrocarbon fuel processing of micro solid oxide fuel cell systems [Dissertation 17455]
DE102006037353A1 (de) Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition