DE102010053290A1 - Method and apparatus for producing hydrogen from glycerin - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei ein Glycerin sowie Salze enthaltender Einsatz (1) zu einem Zwischenprodukt (4) aufbereitet wird, aus dem durch Pyrolyse (P) ein Pyrolysegas (6) gewonnen wird, das nachfolgend in ein Wasserstoffprodukt (7) umgesetzt wird. Das Pyrolysegas (6) wird dabei einem Membranreformer (M) als Einsatz zugeführt, aus dem Wasserstoff (7) in Produktreinheit abgezogen wird.The invention relates to a method and a device for generating hydrogen, in which an insert (1) containing glycerol and salts is processed into an intermediate product (4), from which a pyrolysis gas (6) is obtained by pyrolysis (P), which is subsequently described in a hydrogen product (7) is implemented. The pyrolysis gas (6) is fed to a membrane reformer (M) as an insert, from which hydrogen (7) is withdrawn in product purity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei ein Glycerin sowie Salze enthaltender Einsatz zu einem Zwischenprodukt aufbereitet wird, aus dem durch Pyrolyse ein Pyrolysegas gewonnen und nachfolgend in ein Wasserstoffprodukt umgesetzt wird.The invention relates to a process for the production of hydrogen, wherein a glycerol and salt-containing feed is treated to form an intermediate from which a pyrolysis gas is obtained by pyrolysis and subsequently converted into a hydrogen product.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method according to the invention.

Unter Pyrolyse sei im Folgenden die thermische Zersetzung von organischem Material in optionaler Gegenwart von Wasser jedoch unter Ausschluss eines weitern Vergasungsmittels (z. B. Luft, O2, CO2) zu verstehen, wie sie in der Fachpublikation Pyrolyse von Abfällen ( K. J. Thomé-Kozmiensky, EF-Verlag 1985, S. 4ff ) definiert ist.In the following, pyrolysis is to be understood as meaning the thermal decomposition of organic material in the optional presence of water but excluding a further gasification agent (eg air, O 2 , CO 2 ), as described in the specialist publication Pyrolysis of Waste ( KJ Thomé-Kozmiensky, EF-Verlag 1985, p. 4ff ) is defined.

Im Bestreben, den Kohlendioxideintrag in die Erdatmosphäre zu senken oder zumindest nicht weiter anwachsen zu lassen und als Alternativen zu den schwindenden Erdöl- und Erdgasreserven, werden in Zukunft verstärkt Energieträger aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Eine herausragende Rolle spielt hierbei Biodiesel, der bereits heute in einer Konzentration von bis zu fünf Prozent dem an deutschen Tankstellen verfügbaren Dieselkraftstoff zugesetzt ist.In the effort to reduce the carbon dioxide input into the earth's atmosphere, or at least not to increase it further and as alternatives to dwindling reserves of oil and natural gas, in the future more and more energy sources will be produced from renewable raw materials. Biodiesel plays an outstanding role here and is already added to the diesel fuel available at German filling stations today in a concentration of up to five percent.

Biodiesel ist ein genormter Kraftstoff, der vor allem aus Rapsöl, aber auch aus anderen pflanzlichen Ölen und Fetten gewonnen wird. Pflanzenöle und -fette bestehen aus Triglyceriden, d. h. Fettsäuren, die jeweils zu dritt an Glycerin gebunden sind. Dieser Aufbau hat zur Folge, dass Pflanzenöle und -fette bei normalen Umgebungstemperaturen zähflüssig bis fest sind, also eine viel höhere Viskosität, besitzen als die Kraftstoffe, für die ein marktüblicher Dieselmotor ausgelegt ist. Pflanzenöle und -fette verhalten sich beim Einspritzvorgang anders, und auch die Verbrennung läuft weniger sauber ab. Diese Nachteile lassen sich auch durch motorische Eingriffe – wie beispielsweise der Vorwärmung des Pflanzenöls – nur unvollkommen kompensieren.Biodiesel is a standardized fuel, which is mainly derived from rapeseed oil, but also from other vegetable oils and fats. Vegetable oils and fats are composed of triglycerides, d. H. Fatty acids, each of which is bound to three glycerol. This structure has the consequence that vegetable oils and fats are viscous to solid at normal ambient temperatures, ie have a much higher viscosity than the fuels for which a commercial diesel engine is designed. Vegetable oils and fats behave differently during the injection process, and the combustion also runs less cleanly. These disadvantages can also be compensated only imperfectly by motor interventions - such as the preheating of the vegetable oil.

Biodiesel entsteht aus Pflanzenölen und -fetten durch den Ersatz des Glycerins durch Methanol. Seine Viskosität entspricht der von handelsüblichem Dieselkraftstoff, weshalb er problemlos auch in nicht modifizierten Dieselmotoren verbrannt werden kann.Biodiesel is made from vegetable oils and fats by replacing glycerine with methanol. Its viscosity corresponds to that of commercial diesel fuel, which is why it can be easily burned in unmodified diesel engines.

Das aus den Pflanzenölen und -fetten bei der Biodieselproduktion abgetrennte Glycerin wird nicht in reiner Form gewonnen, sondern fällt als Teil von Stoffgemischen an, die neben Glycerin größere Mengen an Verunreinigungen enthalten. Ein derartiges Stoffgemisch ist beispielsweise sog. Rohglycerin das einen Glyceringehalt von 80–85% aufweist, daneben aber auch noch größere Mengen Wasser und Salze, Reststoffen aus dem Produktionsprozess (z. B. Lösungsmittel und Katalysatorrückstände) sowie andere organische Komponenten enthält, die üblicherweise als MONG (Material Organic Non Glycerol) zusammengefasst werden. Nach dem Stand der Technik wird das Rohglycerin in aufwendigen Verfahrensschritten durch Vakuumdestillation, Desodorierung und Filtration soweit aufgereinigt, dass es den strengen Anforderungen des Europäischen Arzneimittelbuches (European Pharmacopeion) genügt, um mit einer Reinheit von mindestens 99,5% als Pharmaglycerin an die Pharmazeutische Industrie abgegeben werden zu können. Gegenwärtig kann die gesamte bei der Biodieselherstellung anfallende Glycerinmenge auf diese Weise verwertet werden. Mit der absehbaren Ausweitung der Biodieselproduktion wird dies in Zukunft jedoch immer schwieriger, so dass nach anderen Verwertungswegen für das Rohglycerin gesucht werden muss.The separated from the vegetable oils and fats in the biodiesel production glycerol is not recovered in pure form, but falls as part of mixtures containing glycerol in addition to larger amounts of impurities. Such a substance mixture is, for example, so-called crude glycerol which has a glycerol content of 80-85%, but also contains even larger amounts of water and salts, residues from the production process (eg solvents and catalyst residues) and other organic components which are commonly used as MONG (Material Organic Non Glycerol). According to the prior art, the crude glycerol is purified in elaborate process steps by vacuum distillation, deodorization and filtration to the extent that it meets the strict requirements of the European Pharmacopeia (European Pharmacopeion), with a purity of at least 99.5% as a pharmaceutical glycerol to the pharmaceutical industry to be delivered. At present, all of the amount of glycerol accumulated in biodiesel production can be recovered in this way. With the foreseeable expansion of biodiesel production, however, this will become more and more difficult in the future, so that there is a need to search for other ways of using crude glycerine.

Um Rohglycerin wirtschaftlich zu verwerten, werden in mehreren Patentanmeldungen der Anmelderin ( DE 10 2007 022 962 , DE 10 2007 060 166 ) Verfahren und Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art offenbart. Zur Aufbereitung des Rohglycerins wird hier eine der Pyrolyse vorangehende Abtrennung unerwünschter Stoffe aus dem Rohglycerin, beispielsweise durch thermische Trocknung oder Vakuumdestillation, vorgeschlagen. Weiterhin ist der DE 10 2007 045 360 der Anmelderin ein Verfahren zu entnehmen, bei dem eine Pyrolyse so geführt wird, dass bei einem Einsatz von Rohglycerin gebildete Rückstände kontinuierlich abgezogen werden können.In order to economically utilize crude glycerine, several patent applications of the Applicant ( DE 10 2007 022 962 . DE 10 2007 060 166 ) Discloses methods and devices of the generic type. For the preparation of the crude glycerol, a separation of undesired substances from the crude glycerol preceding the pyrolysis, for example by thermal drying or vacuum distillation, is proposed here. Furthermore, the DE 10 2007 045 360 the Applicant to take a process in which a pyrolysis is performed so that residues formed in a use of crude glycerol can be continuously withdrawn.

Um aus dem Rohglycerin ein Wasserstoffprodukt zu erzeugen, schlagen DE 10 2007 022 962 und DE 10 2007 060 166 vor, dass das bei der Pyrolyse erzeugte Pyrolysegas durch Dampfreformierung umgesetzt wird. Die Dampfreformierung ist ein seit vielen Jahren bekannter Prozess, bei dem vor allem kurzkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan oder Naphtha, gemeinsam mit Wasserdampf mit katalytischer Unterstützung in einem Reaktionsraum zu Kohlenstoffoxiden und Wasserstoff umgesetzt werden. Die Temperatur im Reaktionsraum liegt typischer Weise zwischen 800 und 950°C, während der Druck 15 bis 40 bar beträgt. Im Wesentlichen laufen bei der Dampfreformierung eine Reformierungs- und eine Shiftreaktion nach den folgenden Reaktionsgleichungen ab: CnHm + nH2O ⇔ nCO + (m/2 + 2n)H2 (1) CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (2) To produce a hydrogen product from the crude glycerol, beat DE 10 2007 022 962 and DE 10 2007 060 166 suggest that the pyrolysis gas generated in the pyrolysis is reacted by steam reforming. Steam reforming is a process that has been known for many years, in which, in particular, short-chain hydrocarbons, such as, for example, methane or naphtha, are reacted together with water vapor with catalytic support in a reaction space to give carbon oxides and hydrogen. The temperature in the reaction space is typically between 800 and 950 ° C, while the pressure is 15 to 40 bar. Essentially, in steam reforming, a reforming and a shift reaction proceed according to the following reaction equations: C n H m + n H 2 O ⇔ n CO + (m / 2 + 2n) H 2 (1) CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (2)

Für gewöhnlich ist der Reaktionsraum in einem beheizbaren Reaktorrohr angeordnet, dem von außen die für den insgesamt stark endothermen Reformierungsvorgang benötigte Energie zugeführt wird. An einem Ende werden in das Reaktorrohr die Edukte (kohlenstoffhaltiger Einsatz und Wasserdampf) eingeleitet, während an seinem anderen Ende ein Wasserstoff sowie Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas abgezogen wird. Ist die Gewinnung eines Wasserstoffproduktes das eigentliche Ziel des Verfahrens, so schließt sich eine Wassergas-Shift an, in der Kohlenmonoxid mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt wird. Das Wasserstoffprodukt muss anschließend aus dem in der Wassergas-Shift erzeugten Gasgemisch, beispielsweise durch Druckwechseladsorption, abgetrennt werden.Usually, the reaction space is arranged in a heatable reactor tube, which of outside, the energy required for the overall strongly endothermic reforming process is supplied. At one end, the educts (carbonaceous feed and steam) are introduced into the reactor tube, while at the other end of a product gas containing hydrogen and carbon monoxide is withdrawn. If the recovery of a hydrogen product is the actual goal of the process, then a water gas shift follows, in which carbon monoxide is converted with water to hydrogen and carbon dioxide. The hydrogen product must then be separated from the gas mixture generated in the water gas shift, for example by pressure swing adsorption.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es ermöglichen, insbesondere aus bei der Biodieselherstellung anfallenden, Glycerin enthaltenden Nebenprodukten mit geringerem Aufwand Wasserstoff zu erzeugen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.The object of the present invention is to provide a method of the generic type and a device for carrying it out, which make it possible to produce hydrogen, in particular from incurred in the production of biodiesel, glycerol by-products with less effort than is possible in the prior art ,

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pyrolysegas einem Membranreformer als Einsatz zugeführt wird, aus dem Wasserstoff in Produktreinheit abgezogen wird.The stated object is achieved according to the method according to the invention in that the pyrolysis gas is fed to a membrane reformer as an insert, is withdrawn from the hydrogen in product purity.

Unter einem Membranreformer ist ein Apparat zu verstehen, der einen Reaktionsraum umfasst, in dem ein zur Durchführung einer Dampfreformierung geeigneter Katalysator angeordnet ist und der von einer zumindest abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässigen Membran begrenzt wird. Bei der Dampfreformierung gebildeter Wasserstoff kann über die Membran kontinuierlich mit hoher Reinheit aus dem Reaktionsraum abgezogen und ohne einen weiteren Reinigungsschritt als Wasserstoffprodukt weitergeführt werden. Das Abziehen des Wasserstoffs aus dem Reaktionsraum ist mit einer Gleichgewichtsverschiebung der dort ablaufenden Reaktionen (1) und (2) zur Produktseite hin verbunden. Im Vergleich zu einem konventionellen Dampfreformer erhöht sich dadurch die Wasserstoffausbeute bei gleichzeitiger Verringerung der Kohlenmonoxidbildung. Die Patentanmeldungen EP0167101 und WO2010000375 geben als Rohrreaktoren ausgebildeten Membranreformer an, die die selektiv wasserstoffdurchlässige Membran in Form von einem oder auch mehreren Rohren enthalten, deren Achsen parallel zur Reaktorachse angeordnet sind. Vorzugsweise wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein derartiger als Rohrreaktor ausgebildeter Membranreformer eingesetzt.A membrane reformer is to be understood as meaning an apparatus which comprises a reaction space in which a catalyst suitable for carrying out a steam reforming is arranged and which is delimited by a membrane which is selectively hydrogen-permeable at least in sections. Hydrogen formed in the steam reforming can be continuously withdrawn from the reaction space via the membrane with high purity and be continued as a hydrogen product without a further purification step. The removal of the hydrogen from the reaction space is connected to the product side with a shift in equilibrium of the reactions (1) and (2) taking place there. Compared to a conventional steam reformer thereby increases the hydrogen yield while reducing carbon monoxide formation. The patent applications EP0167101 and WO2010000375 enter as membrane reactors designed as membrane reformers containing the selectively hydrogen-permeable membrane in the form of one or more tubes whose axes are arranged parallel to the reactor axis. Preferably, such a membrane reformer designed as a tubular reactor is used to carry out the process according to the invention.

Durch das Abziehen des Wasserstoffs aus dem Reaktionsraum und der daraus resultierenden Verschiebung der Reaktionsgleichgewichte, kann die Dampfreformierung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zwischen 450 und 800°C durchgeführt werden. Um zu verhindern, dass die selektiv wasserstoffdurchlässigen Abschnitte der Trennwand, die vorzugsweise aus Palladium oder einer Palladium-Legierung, wie beispielsweise einer Palladium-Gold-Legierung oder einer Palladium-Silber-Legierung, bestehen, durch Überhitzung geschädigt werden, wird vorgeschlagen, dass die wasserstoffdurchlässige Trennwand bei Temperaturen zwischen 450 und 700°C betrieben wird.By removing the hydrogen from the reaction space and the resulting shift of the reaction equilibrium, the steam reforming can be carried out at comparatively low temperatures between 450 and 800 ° C. In order to prevent the selectively hydrogen-permeable portions of the partition, which are preferably made of palladium or a palladium alloy, such as a palladium-gold alloy or a palladium-silver alloy, are damaged by overheating, it is proposed that the hydrogen-permeable partition at temperatures between 450 and 700 ° C is operated.

Die treibende Kraft beim Abziehen des Wasserstoffs ist die zwischen Reaktionsraum und der Wasserstoffabzugseite (Permeatseite) der selektiv wasserstoffdurchlässigen Membran herrschende Wasserstoffpartialdruckdifferenz. Je höher diese Druckdifferenz, desto größer ist der Wasserstoffstrom über die Membran. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass die Dampfreformierung bei einem Druck zwischen 5 und 50 bar(a), bevorzugt zwischen 10 und 30 bar(a) durchgeführt wird, wobei der Wasserstoffdruck auf der Permeatseite auf einen Wert zwischen 1 und 10 bar(a), bevorzugt jedoch zwischen 1,5 und 5 bar(a) eingestellt wird.The driving force in removing the hydrogen is the hydrogen partial pressure difference prevailing between the reaction space and the hydrogen withdrawal side (permeate side) of the selectively hydrogen-permeable membrane. The higher this pressure difference, the greater the hydrogen flow across the membrane. Preferred embodiments of the method according to the invention provide that the steam reforming is carried out at a pressure between 5 and 50 bar (a), preferably between 10 and 30 bar (a), the hydrogen pressure on the permeate side being between 1 and 10 bar ( a), but preferably between 1.5 and 5 bar (a) is set.

Wie sich durch Versuche gezeigt hat, können aus Glycerin und Salze enthaltenden Einsätzen, wie beispielsweise aus Rohglycerin, insbesondere Salze, die in nachfolgenden Verfahrensschritten schädlich sein können, einfach und kostengünstig durch Dünnschichtverdampfung abgetrennt werden, insbesondere dann, wenn die Dünnschichtverdampfung unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird. Andere Komponenten, insbesondere Wasser und bestimmte MONG-Bestandteile, die die nachfolgenden Verfahrensschritte nicht notwendigerweise beeinträchtigen, können hingegen teilweise in das Verdampfungsprodukt (Brüden) gelangen und damit beispielsweise in eine nachfolgende Pyrolyseeinrichtung überführt werden. Durch die Wahl geeigneter Temperatur- und Druckbedingungen, lässt sich die Verteilung der Komponenten zwischen Brüden und Sumpfprodukt gezielt einstellen. Organische Komponenten, die zusammen mit Glycerin pyrolysiert werden, können somit ebenfalls für die Wasserstoffproduktion nutzbar gemacht werden. Bei der herkömmlichen Aufreinigung zur Herstellung von Pharmaglycerin werden entsprechende Komponenten hingegen unter Energieaufwand abgetrennt und müssen gegebenenfalls unter nicht unbeträchtlichem Kostenaufwand entsorgt werden.As has been shown by experiments, from glycerol and salts containing inserts, such as from crude glycerol, especially salts, which may be harmful in subsequent steps, can be easily and inexpensively separated by thin film evaporation, especially when the thin film evaporation is carried out under vacuum conditions. On the other hand, other components, in particular water and certain MONG constituents, which do not necessarily affect the subsequent process steps, can partly enter the vaporization product (vapors) and thus be converted, for example, into a subsequent pyrolysis device. By choosing suitable temperature and pressure conditions, the distribution of the components between vapors and bottom product can be adjusted specifically. Organic components, which are pyrolyzed together with glycerol, can thus also be utilized for hydrogen production. In the conventional purification for the production of pharmaglycerol, however, corresponding components are separated with energy expenditure and may need to be disposed of at not inconsiderable expense.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung, kann der die Salze enthaltende Verdampfungsrückstand als hochviskose, volumenreduzierte Flüssigkeit aus dem Sumpf des Verdampfers ausgetragen werden. Das übergehende Wasser kann ohne großen zusätzlichen Energieeintrag im sich an die Pyrolyse anschließenden Dampfreformierungsprozess zum Einsatz kommen. Hierbei kann vorteilhafterweise auch eine gezielte Steuerung der Verdampfungsbedingungen erfolgen, so dass der gewünschte Wasseranteil bereits im Aufbereitungsschritt einstellbar ist.In the context of the present application, the evaporation residue containing the salts can be discharged as a highly viscous, volume-reduced liquid from the bottom of the evaporator. The passing water can without much additional energy input in the Pyrolysis subsequent steam reforming process are used. In this case, advantageously, a targeted control of the evaporation conditions can be carried out, so that the desired water content is already adjustable in the treatment step.

Durch den Einsatz der Dünnschichtverdampfung, wird eine Reinigung des Rohglycerins ermöglicht, durch die zuverlässig, kostengünstig und unaufwendig gezielt nur die für ein nachgeschaltetes thermisches Verfahren unerwünschten Komponenten entfernt werden.Through the use of thin-film evaporation, a purification of the crude glycerol is made possible by the reliable, inexpensive and inexpensive targeted only the undesirable for a downstream thermal process components are removed.

Die Dünnschichtverdampfung an sich ist bekannt. Die Verdampfung erfolgt in einem Dünnschichtverdampfer aus einem dünnen Flüssigkeitsfilm heraus. Das zu trennende Stoffgemisch, wird hierzu über ein rotierendes Verteilersystem von oben auf dem Umfang eines zylindrischen Verdampfers verteilt und fließt an dessen Innenfläche nach unten. Ein Wischsystem sorgt für eine gleichmäßige Verteilung auf der Innenfläche und für eine permanente Durchmischung des nach unten fließenden Materials.The thin-film evaporation itself is known. The evaporation takes place in a thin-film evaporator out of a thin liquid film. For this purpose, the substance mixture to be separated is distributed via a rotating distributor system from above on the circumference of a cylindrical evaporator and flows downwards on its inner surface. A wiper system ensures an even distribution on the inner surface and for a permanent mixing of the downflowing material.

Der Verdampfer ist in der Regel doppelwandig ausgeführt. Zur gleichmäßigen Beheizung der Verdampferfläche wird ein Wärmeträgermedium (z. B. Thermalöl oder Dampf) durch den Doppelmantel geführt. Aus dem nach unten ablaufenden Flüssigkeitsfilm verdampfen, abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit und von dem Betriebsdruck im Verdampfer, die leichter flüchtigen Stoffe. Die Brüden werden im Gegenstrom zum Flüssigkeitsfilm nach oben geführt.The evaporator is usually double-walled. For uniform heating of the evaporator surface, a heat transfer medium (eg thermal oil or steam) is passed through the double jacket. Depending on the temperature of the liquid and the operating pressure in the evaporator, the more volatile substances evaporate from the liquid film running downwards. The vapors are conducted upwards in countercurrent to the liquid film.

Der Betriebsdruck in Dünnschichtverdampfern liegt in der Regel bei einem Absolutdruck von 1 mbar bis 1 bar, also im Vakuumbereich bis hin zu Atmosphärendruck. Die Dünnschichtverdampfung ermöglicht einerseits eine deutliche Reduzierung der Verdampfungstemperaturen im Vergleich zu anderen Verdampfungsverfahren. Die Verweilzeit des zugeführten Stoffgemisches auf Verdampfungstemperatur ist andererseits sehr kurz und beträgt häufig deutlich weniger als eine Minute. Aufgrund der niedrigen Verweilzeit können höhere Verdampfungstemperaturen verwendet werden, ohne dass unerwünschte thermische Zersetzungsprozesse zu befürchten sind.The operating pressure in thin-film evaporators is generally at an absolute pressure of 1 mbar to 1 bar, ie in the vacuum range up to atmospheric pressure. On the one hand, the thin-film evaporation makes it possible to significantly reduce the evaporation temperatures in comparison to other evaporation processes. On the other hand, the residence time of the mixture fed to the evaporation temperature is very short and is often considerably less than one minute. Due to the low residence time, higher evaporation temperatures can be used without fear of undesirable thermal decomposition processes.

Es wurde herausgefunden, dass bei der Dünnschichtverdampfung von Rohglycerin im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Temperaturen von ca. 160°C mit besonderem Vorteil eine Temperatur von 170 bis 240°C, vorteilhafterweise eine Temperatur von mehr als 200°C, insbesondere von 200 bis 240°C, vorzugsweise von 200 bis 220°C verwendet werden kann, ohne dass das Glycerin Zersetzungsprozesse aufzeigt. Mit den höheren Verdampfungstemperaturen geht auch ein höherer Verdampfungsdruck einher, der sich einfach und kostengünstig durch vereinfachte Vakuumeinrichtungen erreichen lässt. Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang ein Absolutdruck von 10 bis 80 mbar herausgestellt.It has been found that in the thin film evaporation of crude glycerol, in contrast to the commonly used temperatures of about 160 ° C with particular advantage a temperature of 170 to 240 ° C, advantageously a temperature of more than 200 ° C, in particular from 200 to 240 ° C, preferably from 200 to 220 ° C can be used without the glycerol shows decomposition processes. The higher evaporation temperatures are also accompanied by a higher evaporation pressure, which can be achieved simply and cost-effectively by means of simplified vacuum devices. Particularly advantageous in this context, an absolute pressure of 10 to 80 mbar has been found.

Als besonderer Vorteil der Dünnschichtverdampfung hat sich gezeigt, dass durch den gezielten Einsatz der angegebenen höheren Verdampfungstemperaturen bzw. -drücke ein sog. Wasserflash (also schlagartiges Verdampfen von Wasser bei Druckabfall und Bildung von Aerosolen bzw. Wassertröpfchen) vermieden werden kann. Hierdurch wird die Hauptursache der Bildung salzhaltiger Aerosole, die in das Destillat übergehen können, sicher eliminiert.As a particular advantage of the thin-film evaporation has been shown that by the targeted use of the specified higher evaporation temperatures or pressures a so-called. Wasserflash (ie sudden evaporation of water at pressure drop and formation of aerosols or water droplets) can be avoided. This is the main cause of the formation of saline aerosols that can pass into the distillate, safely eliminated.

Für eine weitere Aufreinigung, insbesondere zur Entfernung von Salzen, kann das Verdampfungsprodukt, also die durch die Dünnschichtverdampfung erzeugten Brüden, durch wenigstens eine Wascheinrichtung, beispielsweise einen Brüdenwäscher, gereinigt werden. Auch bei hohen Salzfrachten kann hierdurch eine sicherere Verfahrensführung ohne die Gefahr von Katalysatorschäden oder Korrosion erzielt werden, da der Salzübertrag minimiert wird.For a further purification, in particular for the removal of salts, the evaporation product, ie the vapors generated by the thin-film evaporation, can be purified by at least one washing device, for example a vapor scrubber. Even at high salt loads, a safer process can be achieved without the risk of catalyst damage or corrosion, since the salt transfer is minimized.

Neben der Dünnschichtverdampfung sind auch noch andere Techniken zur Aufbereitung eines Glycerin sowie Salze enthaltenden Einsatzes geeignet. Beispielsweise kann der Einsatz einer Vakuumdestillation unterzogen werden, wobei Wasser bei vergleichsweise geringen Temperaturen abdestilliert wird. Sinnvollerweise wird eine Vakuumdestillation der Dünnschichtverdampfung vorgeschaltet, um diese zu entlasten. Die Erfindung sieht daher vor, dass der Einsatz durch Dünnschichtverdampfung und/oder Vakuumdestillation und/oder Wäsche und/oder thermische Trocknung oder/und Filterung über Aktivkohle oder Membran und/oder Chromatographie und/oder Ionenaustausch und/oder Ionenausschluss aufbereitet wird.In addition to the thin-film evaporation, other techniques are also suitable for the preparation of a glycerol and salts containing use. For example, the use of a vacuum distillation can be subjected, wherein water is distilled off at relatively low temperatures. It makes sense to place a vacuum distillation upstream of the thin-film evaporation in order to relieve it. The invention therefore provides that the use is processed by thin-film evaporation and / or vacuum distillation and / or scrubbing and / or thermal drying and / or filtering via activated carbon or membrane and / or chromatography and / or ion exchange and / or ion exclusion.

In Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass die Pyrolyse eines entsprechend aufbereiteten Zwischenprodukts unter Erhalt gasförmiger Pyrolyseprodukte bei einer Temperatur von 600 bis 900°C und einem Absolutdruck von 5 bis 40 bar sinnvoll durchgeführt werden kann. Das Pyrolyseprodukt enthält dabei im Wesentlichen Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff und Kohlendioxid. Die genannten Pyrolysebedingungen können durch Anpassung von Temperatur, Druck und Wassergehalt sowie der Art des Wärmeeintrages und damit der Verweilzeiten derart optimiert werden, dass die Bildung fester und flüssiger Produkte weitestgehend vermieden wird.In test series it has been shown that the pyrolysis of a correspondingly prepared intermediate to obtain gaseous pyrolysis products at a temperature of 600 to 900 ° C and an absolute pressure of 5 to 40 bar can be made meaningful. The pyrolysis product contains essentially carbon monoxide, methane, hydrogen and carbon dioxide. The pyrolysis conditions mentioned can be optimized by adjusting the temperature, pressure and water content and the type of heat input and thus the residence times so that the formation of solid and liquid products is largely avoided.

Zweckmäßigerweise wird der Wasser- bzw. Wasserdampfgehalt des aus dem Glycerin enthaltenden Einsatz aufbereiteten Zwischenprodukts durch Hinzufügen oder Entfernen von Wasser bzw. Wasserdampf auf einen Wert eingestellt, der die Durchführung einer nachfolgenden Pyrolyse ohne Rußbildung und bei gleichzeitig minimalem Energieeinsatz ermöglicht. Wie erwähnt, kann der Wasser- bzw. Wasserdampfgehalt auch bereits durch die Einstellung des Wassergehalts des Einsatzes durch Vortrocknung oder durch Wahl der Verdampfungsbedingungen voreingestellt werden. Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das für die Pyrolyse benötigte Wasser in mehr als einem Schritt, vor und/oder während der Pyrolyse an geeigneter Stelle gestuft zuzuführen. Wird die Pyrolyse in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt, so erfolgt die Wasserzuführung sinnvollerweise jeweils vor einem Pyrolyseschritt.Conveniently, the water or water vapor content of the used from the glycerol use-containing intermediate product by adding or removing water or Water vapor adjusted to a value that allows the implementation of a subsequent pyrolysis without soot formation and at the same time minimal energy use. As mentioned, the water or water vapor content can already be preset by adjusting the water content of the insert by predrying or by selecting the evaporation conditions. Another embodiment of the method according to the invention provides that the water required for the pyrolysis in more than one step, before and / or supplied at a suitable point during the pyrolysis step. If the pyrolysis is carried out in several successive steps, the water supply is usefully carried out before each pyrolysis step.

Wird das Zwischenprodukt der Pyrolyse in flüssiger Form zugeführt, so wird Wasser vorzugsweise in Form von Wasserdampf eingebracht, wobei der Wasserdampf in das Zwischenprodukt oder das Zwischenprodukt in den Wasserdampf eingedüst wird. Mit dem Wasserdampf wird bereits ein Teil der für die nachfolgende Pyrolyse benötigten Energie eingebracht, was zu einem verminderten Heizaufwand im Pyrolysereaktor und zu einer Reduzierung des apparativen Aufwandes für den Pyrolysereaktor führt.If the intermediate product is supplied to the pyrolysis in liquid form, water is preferably introduced in the form of water vapor, the steam being injected into the intermediate product or the intermediate product into the water vapor. Part of the energy required for the subsequent pyrolysis is already introduced with the steam, which leads to a reduced heating effort in the pyrolysis reactor and to a reduction in the apparatus required for the pyrolysis reactor.

Der Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter anderem von der im Membranreformer zu erwärmenden Wassermenge beeinflusst. Je größer diese Wassermenge, desto höher der Energiebedarf. Um den Energiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens zu optimieren, weist der dem Membranreformer zugeführte Einsatz daher sinnvollerweise nur einen Mindestwassergehalt auf, dessen Größe durch die nachfolgenden Verfahrensschritte bestimmt wird. Der Mindestwassergehalt ergibt sich aus der Forderung, dass die Rußbildung im Membranreformer vollständig unterdrückt wird und gleichzeitig genügend Wasser für die parallel zur Reformierungsreaktion ablaufenden Shift-Reaktion vorhanden ist. Zweckmäßigerweise wird daher der Wasser- bzw. der Wasserdampfgehalt des dem Membranreformers zugeführten Einsatzes durch Hinzufügen oder Entfernen von Wasser- bzw. Wasserdampf auf den Mindestwassergehalt eingestellt.The energy consumption of the process according to the invention is influenced inter alia by the amount of water to be heated in the membrane reformer. The larger this amount of water, the higher the energy requirement. In order to optimize the energy requirement of the process according to the invention, therefore, the use fed to the membrane reformer expediently has only a minimum water content whose size is determined by the subsequent process steps. The minimum water content results from the requirement that soot formation in the membrane reformer is completely suppressed and, at the same time, sufficient water is present for the shift reaction taking place in parallel to the reforming reaction. The water or steam content of the feed supplied to the membrane reformer is therefore expediently adjusted to the minimum water content by addition or removal of water or steam.

Weiterhin betrifft Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mit einer Aufbereitungseinrichtung, in der ein Glycerin sowie Satze enthaltender Einsatz zu einem Zwischenprodukt aufbereitet werden kann, einer Pyrolyseeinrichtung zur Umsetzung des Zwischenprodukts in ein Pyrolysegas sowie einer Einrichtung, in der aus dem Pyrolysegas ein Wasserstoffprodukt gewonnen werden kann.Furthermore, the invention relates to a device for generating hydrogen with a treatment device in which a glycerol and pesticide-containing insert can be processed to form an intermediate, a pyrolysis for converting the intermediate into a pyrolysis gas and a device in which a hydrogen product are obtained from the pyrolysis gas can.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen Membranreformer umfasst, dem das Pyrolysegas als Edukt zuführbar und aus dem Wasserstoff mit Produktreinheit abziehbar ist.According to the invention, the stated object is achieved in that it comprises a membrane reformer to which the pyrolysis gas can be supplied as starting material and can be stripped off from the hydrogen with product purity.

Vorzugsweise ist der Membranreformer als Rohrreaktor ausgeführt, der eine zumindest abschnittsweise selektiv wasserstoffdurchlässige Membran in Form von einem oder auch mehreren Rohren enthält, deren Achsen parallel zur Reaktorachse angeordnet sind.Preferably, the membrane reformer is designed as a tubular reactor containing an at least partially selectively hydrogen-permeable membrane in the form of one or more tubes whose axes are arranged parallel to the reactor axis.

In der Praxis haben sich Membranen aus Palladium oder einer Palladium-Legierung für den Einsatz in Membranreformern als geeignet erwiesen. Zweckmäßigerweise bestehen daher die selektiv wasserstoffdurchlässigen Abschnitte der Membran aus Palladium oder einer Palladium-Legierung, wie beispielsweise einer Palladium-Gold-Legierung oder einer Palladium-Silber-Legierung.In practice, palladium or palladium alloy membranes have proven suitable for use in membrane reformers. Conveniently, therefore, the selectively hydrogen-permeable portions of the membrane of palladium or a palladium alloy, such as a palladium-gold alloy or a palladium-silver alloy.

Im Reaktionsraum des Membranreformers kann wenigstens ein Katalysatormaterial angeordnet sein, das aus Nickel, Platin, Palladium, Eisen, Rhodium, Ruthenium und/oder Iridium ausgewählt ist. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Katalysatormaterial um ein Material, das auch zur katalytisch unterstützten Dampfreformierung von Naphtha oder Methan geeignet ist.At least one catalyst material selected from nickel, platinum, palladium, iron, rhodium, ruthenium and / or iridium may be arranged in the reaction space of the membrane reformer. Advantageously, the catalyst material is a material which is also suitable for the catalytically assisted steam reforming of naphtha or methane.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Aufbereitungseinrichtung einen Dünnschichtverdampfer aufweist, mit dessen Hilfe der Glycerin und Salze enthaltende Einsatz aufbereitet werden kann. Daneben kann die Aufbereitungseinrichtung jedoch auch eine Vakuumdestillationseinrichtung und/oder eine Wäsche und/oder eine thermische Trocknungseinrichtung und/oder eine Filtereinrichtung mit Aktivkohle oder Membran und/oder eine Chromatographieeinrichtung und/oder einen Ionenaustauscher und/oder Ionenausschlusseinrichtung umfassen.A preferred embodiment of the device according to the invention provides that the treatment device has a thin-film evaporator with the aid of which the use containing glycerol and salts can be processed. In addition, however, the treatment device may also comprise a vacuum distillation device and / or a laundry and / or a thermal drying device and / or a filter device with activated carbon or membrane and / or a chromatography device and / or an ion exchanger and / or ion exclusion device.

Die Erfindung ermöglicht eine Wasserstoffproduktion aus einem Glycerin enthaltenden Einsatz mit einem im Vergleich zum Stand der Technik erheblich geringeren Aufwand. Entscheidend hierfür ist, dass auf einen Wassergas-Shift-Reaktor sowie auf eine diesem nachgeschaltete Reinigungsstufe verzichtet werden kann. Außerdem ist ein Membranreformer bei wesentlich geringeren Temperaturen betreibbar, als ein konventioneller Dampfreformer, und kann daher aus weniger hochwertigen Materialien gefertigt werden. Darüber hinaus reduzieren sich durch das geringere Temperaturniveau der Heizenergiebedarf sowie die Wärmeverluste.The invention enables hydrogen production from a glycerol-containing insert with a considerably lower cost compared to the prior art. The decisive factor here is that it is possible to dispense with a water gas shift reactor and with a downstream purification stage. In addition, a membrane reformer is operable at much lower temperatures than a conventional steam reformer, and therefore can be made of less high grade materials. In addition, reduced by the lower temperature level of the heating energy demand and heat losses.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.In the following, the invention is based on a in the 1 schematically illustrated embodiment.

In der einzigen 1 ist ein gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ablaufendes Verfahren dargestellt. In the only one 1 is a running according to a particularly preferred embodiment of the invention process shown.

Über Leitung 1 wird ein Glycerin, Wasser und Salze enthaltender Einsatz, beispielsweise Rohglycerin aus der Biodieselherstellung, einer Aufbereitungseinrichtung A zugeführt und dort in eine Vakuumdestillationseinrichtung V eingeleitet, in der ein Großteil des enthaltenen Wasser 3 abdestilliert wird. Der verbleibende, im Glyceringehalt angereicherte Stoffstrom 2 wird in den Dünnschichtverdampfer D weitergeführt und hier durch Dünnschichtverdampfung in ein den überwiegenden Teil des Glycerins enthaltendes Zwischenprodukt 4 sowie einen Rückstand 5 zerlegt, bei dem es sich beispielsweise um eine Salzlösung handelt. Der Rückstand 5, der aus dem Sumpf des Dünnschichtverdampfers D kontinuierlich oder intermittierend abgezogen wird, kann zur besseren Deponierbarkeit und/oder Verwertung beispielsweise durch Granulierung oder Wäsche weiterbehandelt werden.Via wire 1 For example, a glycerol, water and salts containing use, for example, crude glycerol from the production of biodiesel, a processing device A and fed there into a vacuum distillation device V, in which a majority of the water contained 3 is distilled off. The remaining, enriched in the glycerin content stream 2 is continued in the thin-film evaporator D and here by thin-film evaporation in an intermediate containing most of the glycerol 4 and a residue 5 decomposed, which is, for example, a saline solution. The residue 5 , which is withdrawn continuously or intermittently from the bottom of the thin film evaporator D, can be further treated, for example, by granulation or washing for better landfillability and / or utilization.

Das Zwischenprodukt 4 wird nun durch Pyrolyse P zu einem Pyrolysegas 6 umgesetzt, das im Wesentlichen Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff und Kohlendioxid enthält, und das nachfolgend dem Membranreformer M als Edukt aufgegeben wird. Als weiteres Edukt kann Wasser bzw. Wasserdampf dem Membranreformer M zugeführt werden. Das Edukt bzw. die Edukte werden im Membranreformer M mit katalytischer Unterstützung reformiert bzw. geshiftet, wobei vor allem Wasserstoff und Kohlendioxid als Produkte entstehen. Über eine im Membranreformer M angeordnete, selektiv wasserstoffdurchlässige Membran kann Wasserstoff mit hoher Reinheit als Permeat gewonnen werden, der als Wasserstoffprodukt 7 weitergeführt wird. Das verbleibende Restgas, das überwiegend aus Kohlendioxid besteht, wird über Leitung 8 abgezogen und beispielsweise verbrannt, um Wärme für die Destillation und/oder die Pyrolyse und/oder die Reformierung zu gewinnen, oder in die Atmosphäre entlassen.The intermediate 4 is now by pyrolysis P to a pyrolysis gas 6 reacted, which contains substantially carbon monoxide, methane, hydrogen and carbon dioxide, and which is subsequently fed to the membrane reformer M as starting material. As a further educt, water or steam can be fed to the membrane reformer M. The educt or the educts are reformed or shifted in the membrane reformer M with catalytic support, hydrogen and carbon dioxide being produced as products in particular. By means of a selectively hydrogen-permeable membrane arranged in the membrane reformer M, hydrogen of high purity can be obtained as permeate, which can be used as hydrogen product 7 is continued. The remaining residual gas, which mainly consists of carbon dioxide, is sent via line 8th withdrawn and burned, for example, to recover heat for distillation and / or pyrolysis and / or reforming, or discharged into the atmosphere.

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Claims (10)

Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, wobei ein Glycerin sowie Salze enthaltender Einsatz zu einem Zwischenprodukt aufbereitet wird, aus dem durch Pyrolyse ein Pyrolysegas gewonnen wird, das nachfolgend in ein Wasserstoffprodukt umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysegas einem Membranreformer als Einsatz zugeführt wird, aus dem Wasserstoff in Produktreinheit abgezogen wird.A process for the production of hydrogen, wherein a glycerol and salt-containing feed is processed to an intermediate product, from which a pyrolysis gas is obtained by pyrolysis, which is subsequently converted into a hydrogen product, characterized in that the pyrolysis gas is fed to a membrane reformer as an insert from the hydrogen is removed in product purity. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Membranreformer angeordnete Trennwand bei einer Temperatur zwischen 450 und 700°C betrieben wird.A method according to claim 1, characterized in that the arranged in the membrane reformer partition is operated at a temperature between 450 and 700 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Membranreformer ablaufende Dampfreformierung bei einem Druck zwischen 5 und 50 bar(a), bevorzugt zwischen 10 und 30 bar(a) betrieben wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the running in the membrane reformer steam reforming at a pressure between 5 and 50 bar (a), preferably between 10 and 30 bar (a) is operated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glycerin sowie Salze enthaltende Einsatz durch Dünnschichtverdampfung und/oder Vakuumdestillation und/oder Wäsche und/oder thermische Trocknung oder/und Filterung über Aktivkohle oder Membran und/oder Chromatographie und/oder Ionenaustausch und/oder Ionenausschluss aufbereitet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the glycerol and salts containing use by thin film evaporation and / or vacuum and / or washing and / or thermal drying and / or filtering on activated carbon or membrane and / or chromatography and / or ion exchange and / or ion exclusion is processed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse bei einer Temperatur zwischen 600 und 900°C und einem Druck zwischen 5 und 40 bar(a) durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pyrolysis is carried out at a temperature between 600 and 900 ° C and a pressure between 5 and 40 bar (a). Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mit einer Aufbereitungseinrichtung, in der ein Glycerin sowie Salze enthaltender Einsatz zu einem Zwischenprodukt aufbereitet werden kann, einer Pyrolyseeinrichtung zur Umsetzung des Zwischenprodukts in ein Pyrolysegas sowie einer Einrichtung, in der aus dem Pyrolysegas ein Wasserstoffprodukt gewonnen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Membranreformer umfasst, dem das Pyrolysegas als Edukt zuführbar und aus dem Wasserstoff mit Produktreinheit abziehbar ist.Device for producing hydrogen with a treatment device in which a glycerol-containing salt and use can be processed to an intermediate, a pyrolysis for converting the intermediate into a pyrolysis gas and a device in which a hydrogen product can be obtained from the pyrolysis, characterized in that it comprises a membrane reformer to which the pyrolysis gas can be supplied as starting material and can be taken off from the hydrogen with product purity. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranreformer als Rohrreaktor ausgeführt ist, der eine selektiv wasserstoffdurchlässige Membran in Form von einem oder mehreren Rohren enthält, deren Achsen parallel zur Reaktorachse angeordnet sind.Apparatus according to claim 6, characterized in that the membrane reformer is designed as a tubular reactor containing a selectively hydrogen-permeable membrane in the form of one or more tubes whose axes are arranged parallel to the reactor axis. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranreformer eine selektiv wasserstoffdurchlässige Membran enthält, die aus Palladium oder einer Palladium-Legierung, wie beispielsweise einer Palladium-Gold-Legierung oder einer Palladium-Silber-Legierung besteht.Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the membrane reformer contains a selectively hydrogen-permeable membrane consisting of palladium or a palladium alloy, such as a palladium-gold alloy or a palladium-silver alloy. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsraum des Membranreformers ein aus Nickel, Platin, Palladium, Eisen, Rhodium, Ruthenium und/oder Iridium ausgewähltes Katalysatormaterial angeordnet ist.Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that a selected from nickel, platinum, palladium, iron, rhodium, ruthenium and / or iridium catalyst material is arranged in the reaction space of the membrane reformer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung einen Dünnschichtverdampfer und/oder eine Vakuumdestillationseinrichtung und/oder eine Wäsche und/oder eine thermische Trocknungseinrichtung und/oder eine Filtereinrichtung mit Aktivkohle oder Membran und/oder eine Chromatographieeinrichtung und/oder einen Ionenaustauscher und/oder Ionenausschlusseinrichtung umfasst.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the processing device comprises a thin film evaporator and / or a vacuum distillation device and / or a laundry and / or a thermal drying device and / or a filter device with activated carbon or membrane and / or a chromatography device and / or an ion exchanger and / or ion exclusion device.
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