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5 Verfahrensanalyse und Bewertung 154 nem geringeren Schwefelgehalt eingesetzt, kann der Betriebsdruck reduziert werden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass für Kerosin mit 1675 ppm Schwefel ein Betriebsdruck von 30 bar ausreicht. Dies deckt sich mit den berechneten Werten zur Reformatlöslichkeit bei einer Vorsättigertemperatur von 127°C, wie Abb. 5-21 zeigt. Für eine Brennstoffzellen-APU mit eine Leistung von 5 kWel ergeben sich daraus die in Tab. 5-8 aufgelisteten Auslegungsparameter für die hydrierende Entschwefelung. Parameter Einheit Auslegungswert Reaktor Schüttungsvolumen cm 3 2383 Durchmesser mm 60 Länge mm 843 Wandstärke Volumenströme mm 5 Kraftstoff Reformat ml / h 1669 500 ppm lN/h 7,76 3000 ppm lN/h 19,29 Spülgas lN/h < 500 Tab. 5-8: Auslegungsparameter für die hydrierende Entschwefelung für eine Brennstoffzellen-APU mit einer Leistung von 5 kWel Bisher wurden keine Versuche zum Einfluss der Reaktorgeometrie durchgeführt, so dass hier weiteres Potential zur Optimierung des Prozesses besteht. Für die Prozessauslegung wird ein Durchmesser der Katalysatorschüttung von 60 mm gewählt. Die Länge des Reaktors ergibt sich aus der festgelegten LHSV von 0,7 h -1 zu 843 mm. Der zuzuführende Reformatstrom ergibt sich für den vorgegeben Kraftstoffstrom aus der in Kap. 3.1.1 berechneten Gaslöslichkeit. 5.3.2 Energetische Betrachtung Der Energiebedarf für die hydrierende Entschwefelung ergibt sich aus der Druckerhöhung des Kraftstoffs auf den Betriebsdruck, der Verdichtung des Reformatstroms auf den Betriebsdruck, der Wärmezufuhr zum Erhitzen des zugeführten Kraftstoffs, dem Ausgleich der Wärmeverluste des Reaktors an die Umgebung, und der Leistung des Spülgebläses.
5.3 Prozess 3: Hydrierende Entschwefelung mit Vorsättiger Wenn man An- und Abfahrvorgänge außer Betracht lässt, kann der Prozess als stationär betrachtet werden. Da der Energiebedarf in diesem Fall konstant ist, kann die Leistung der einzelnen Anteile direkt berechnet werden. Die Leistung der Pumpe zur Kompression des Kraftstoffs PKraftstoff auf den Betriebsdruck pHDS berechnet sich zu P m pp Kraftstoff Kraftstoff HDS Kraftstoff U 1 Pumpe . (5-28) Dabei wird der Kraftstoff als inkompressibel angenommen. Dies ist zulässig, da sich die Dichte bei einer Druckdifferenz von 40 bar nur um 0,5% verändert. Bei der Verdichtung des gasförmigen Reformats auf den Betriebsdruck muss die Druckabhängigkeit der Dichte berücksichtigt werden. Es gilt für die Leistung des Reformatverdichters PReformat: p HDS Reformat pU m Reformat ln (5-29) pn Verdichter P 1 Analog wird die Spülluftgebläseleistung PSpülgas berechnet (Gl. 5-27). Der Druckverlust im Separator wird mit 30 mbar angenommen. P Spülgas p 1 pU mSpü as ln p 2 lg (5-30) U Gebläse Der zugeführte Kraftstoff mit dem darin gelösten Reformat muss vor dem Eintritt in den Reaktor auf die Reaktionstemperatur THDS erhitzt werden. Ein Großteil der dazu aufzubringenden Energie wird aus dem Produktstrom zurückgewonnen, so dass nur die Wirkungsgradverluste des Wärmetauschers und die Wärmeverluste des Reaktors durch externe Energiezufuhr ausgeglichen werden müssen. Wie für die bereits berechneten Wärmetauscher wird wiederum eine Temperaturdifferenz von T= 50 K zwischen der Austrittstemperatur des Produktes und der Eintrittstemperatur des zugeführten Kraftstoffs angenommen. Folglich ergibt sich für den stationären Betrieb die erforderliche Wärmezufuhr Qzu zu: Q T Q Kerosin . (5-31) zu m c p, Kerosin Verlust Dabei wird die Wärmekapazität als linear in Abhängigkeit von Temperatur und Druck angenommen. Da für Kerosin keine Werte für die Wärmekapazität in diesem hohen Druckbereich verfügbar sind, wird auf Daten für Dodekan zurückgegriffen [153]. Die Verlustleistung Q ergibt sich, wie bereits bei der Adsorption, zu: Verlust Q k A T T ) . (5-32) Verlust Reaktor ( Reaktor U Der Wärmedurchgangskoeffizient k und die Oberfläche des Reaktors AReaktor werden dabei analog dem Adsorptionsprozess berechnet. Insgesamt ergibt sich somit die Bedarfsleistung für die hydrierende Entschwefelung mit Vorsättiger aus der Summer der einzelnen Anteile. Bei der Berechnung wurden die folgenden Vereinfachungen getroffen: 155
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bei einer Vorsättigertemperatur von 127°C, wie Abb. 5-21 zeigt.<br />
Für eine Brennstoffzellen-APU mit eine Leistung von 5 kWel ergeben sich daraus die in Tab.<br />
5-8 aufgelisteten Auslegungsparameter für die hydrierende Entschwefelung.<br />
Parameter Einheit Auslegungswert<br />
Reaktor<br />
Schüttungsvolumen cm 3 2383<br />
Durchmesser mm 60<br />
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Reformat<br />
ml / h 1669<br />
500 ppm lN/h 7,76<br />
3000 ppm lN/h 19,29<br />
Spülgas lN/h < 500<br />
Tab. 5-8: Auslegungsparameter für die hydrierende Entschwefelung für eine Brennstoffzellen-APU<br />
mit einer Leistung von 5 kWel<br />
Bisher wurden keine Versuche zum Einfluss der Reaktorgeometrie durchgeführt, so dass<br />
hier weiteres Potential zur Optimierung des Prozesses besteht. Für die Prozessauslegung<br />
wird ein Durchmesser der Katalysatorschüttung von 60 mm gewählt. Die Länge des Reaktors<br />
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ergibt sich für den vorgegeben Kraftstoffstrom aus der in Kap. 3.1.1 berechneten<br />
Gaslöslichkeit.<br />
5.3.2 Energetische Betrachtung<br />
Der Energiebedarf für die hydrierende Entschwefelung ergibt sich aus<br />
der Druckerhöhung des Kraftstoffs auf den Betriebsdruck,<br />
der Verdichtung des Reformatstroms auf den Betriebsdruck,<br />
der Wärmezufuhr zum Erhitzen des zugeführten Kraftstoffs,<br />
dem Ausgleich der Wärmeverluste des Reaktors an die Umgebung,<br />
und der Leistung des Spülgebläses.
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