УСТРОЙСТВО, СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И/ИЛИ КИНЕТИЧЕСКОЙ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE, METHOD AND SYSTEM TO PRODUCE THERMAL AND/OR KINETIC, AND ALSO ELECTRIC ENERGY

Настоящее изобретение относится к устройству для получения энергии из углеводородной смеси с, по меньшей мере, одним дегидрируемым соединением, в частности из горючей смеси на основе углеводородов, предпочтительно из керосина, с резервуаром для содержания углеводородной смеси и соединенным с резервуаром двигателем внутреннего сгорания для сжигания углеводородов в целях получения тепловой и/или кинетической энергии. Кроме того, изобретение относится к соответствующей системе и соответствующему способу.
В самолетах типа "Аэробус" наряду с классическими самолетными турбинами в качестве главных агрегатов, которые при эксплуатации приводят самолет в движение и могут также использоваться для получения электрической энергии, до настоящего времени имеется и другая турбина как вспомогательный агрегат или "вспомогательная силовая установка" (ВСУ), которая, например, при выключенных главных агрегатах может снабжать самолет электрической энергией на земле. При сжигании керосина в этой ВСУ выделяются выхлопные газы, для которых во многих случаях от эксплуатационных служб аэропортов требуются дополнительные сбросы. Эти дополнительные сбросы повышают стоимость эксплуатации самолета и тем самым ухудшают его экономичность.
Одной возможностью извлекать электрическую энергию без выделения при этом нежелательных выхлопных газов является реакция водорода с кислородом с образованием воды, например, в топливном элементе.
Однако заготавливать водород как таковой является относительно затратным. В частности, в самолетах частью из соображений безопасности, а частью по причинам экономии веса неразумно иметь на борту водород даже как газообразный или сжиженный энергоноситель. Поэтому представляется выгодным заготавливать или создавать водород только во время работы непосредственно для использования.
Обычный способ выработки или создания водорода состоит в том, чтобы углеводородную смесь, например топливо на основе углеводородов, такого как керосин или бензин, превращать в процессе автотермического риформинга (ATR) при рабочей температуре от 800°C до 1200°C в водород (выход: 20-30%), моноксид углерода (CO, до 10%), метан (до 1%) и побочные продукты. После очистки газов мольный выход водорода в сухом продукте риформинга составляет от 40% до 55%.
Например, из DE 19924778 A1, DE 10157737 A1, DE 10336759 A1 и DE 10338227 A1 известны способы и устройства, при которых из горючей смеси отводится часть топлива, например, путем перегонки, которая направляется в реактор риформинга, причем в реакторе риформинга топливо известным образом расщепляют, как описано выше.
Однако при этом типе извлечения водорода выделяются также побочные продукты (наряду с прочими метан), так что полного освобождения от выхлопных газов не получается. Кроме того, необходима очень сложная система, что выражается также в весе и объеме системы. Система автотермического риформинга обладает инерционностью, которая при требованиях к динамике может привести к сокращению срока службы системы и/или к сложной структуре системы. Кроме того, недостатком является большая разница температур между автотермическим риформингом (800-1200°C) и этапом избирательного окисления (120-150°C). Таким образом, этот способ получения водорода в целом не подходит, в частности, для применения в авиации.
Известны различные способы, при которых водород, который получают, например, электролизом воды, подходящим образом связывают или хранят и только позднее снова высвобождают для потребления. Например, водород может храниться в виде гидрида металла. Другой способ транспортировки водорода описан S.Hodoshima и др. в "Catalytic decalin dehydrogenation/naphtalene hydrogenation pair as a hydrogen source for fuel-cell vehicle" (International Journal of Hydrogen Energy 28 (2003) 1255-1262). При этом декалин указывается как носитель водорода для транспортного средства, работающего на топливных элементах, где декалин для выделения содержащегося в нем водорода дегидрируют до нафталина. Нафталин хранится в транспортном средстве и позднее снова отбирается для гидрирования. После гидрирования нафталина декалин снова находится в распоряжении, так что получается замкнутый контур (декалин, нафталин).
Получение водорода с помощью подобной обычной среды-носителя имеет тот недостаток, что сам носитель представляет собой дополнительную весовую нагрузку, которая неприемлема, в частности, в самолете, так как от носителя, в частности носителя, освобожденного от водорода, больше нет никакой пользы и, таким образом, его следует рассматривать как "мертвый груз".
Поэтому в основе настоящего изобретения стоит задача предоставить устройство, способ и систему, с помощью которых эффективным образом добываются тепловая, кинетическая и электрическая энергия. В частности, в качестве энергоносителя должен просто и эффективно использоваться водород, чтобы предотвратить или снизить нежелательные выбросы отработанных газов. Выработка водорода должна обеспечиваться, в частности, без большой разницы температур в устройстве и при как можно меньшем "мертвом грузе".
Согласно первому аспекту изобретения для решения вышеуказанной задачи предлагается устройство для извлечения энергии из углеводородной смеси с, по меньшей мере, одним дегидрируемым соединением, в частности, из топлива на основе углеводородов, предпочтительно из керосина, содержащее: резервуар для приготовления углеводородной смеси и соединенный с резервуаром двигатель внутреннего сгорания для сжигания углеводородов в целях получения тепловой и/или кинетической энергии, причем устройство, кроме того, содержит установку разделения для, по меньшей мере, частичного отделения, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения из углеводородной смеси, средство дегидрирования для получения водорода из отделенного дегидрируемого соединения путем дегидрирования, первое средство подачи для прямой или опосредованной подачи дегидрированного соединения к двигателю внутреннего сгорания и топливный элемент для получения электрической энергии при конверсии извлеченного водорода.
Кроме того, согласно второму аспекту изобретения, предлагается система для извлечения энергии с устройством по изобретению и углеводородной смесью, содержащей, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, в частности топливо на основе углеводородов, предпочтительно керосин.
В связи с настоящим изобретением понятие "углеводородная смесь" не ограничивается углеводородной смесью из ископаемых источников или базирующейся на ископаемых источниках, но это понятие относится также к углеводородным смесям, произведенным другими способами, в частности к синтетическому топливу и биотопливу, например, из возобновляемых носителей энергии.
Согласно следующему аспекту изобретения предлагается способ извлечения энергии из углеводородной смеси, содержащей, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, в частности, из топлива на основе углеводородов, предпочтительно из керосина, включающий: заготовку углеводородной смеси и сжигание углеводородов для получения тепловой и/или кинетической энергии, причем способ в качестве дальнейших этапов включает: по меньшей мере, частичное отделение, по меньшей мере, одного заранее заданного дегидрируемого соединения из углеводородной смеси, получение водорода из отделенного дегидрируемого соединения путем дегидрирования, прямая или опосредованная подача дегидрированного соединения к двигателю внутреннего сгорания и конверсия извлеченного водорода для получения электрической энергии.
Изобретение базируется на знаниях, что углеводородная смесь, которая может применяться как традиционный энергоноситель для двигателя внутреннего сгорания, может помимо этого применяться в качестве носителя водорода, если только углеводородная смесь содержит, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, причем водород извлекается из, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения, а само дегидрированное соединение снова используется как энергоноситель для двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, углеводородная смесь служит как носителем водорода (энергоноситель для топливного элемента), так и энергоносителем (для двигателя внутреннего сгорания), благодаря чему становится ненужным предусматривать излишний "мертвый груз" для получения водорода. Подходящий способ отделения дегидрируемого соединения от углеводородной смеси позволяет целенаправленно извлекать водород из дегидрируемого соединения без отрицательного влияния других присутствующих в углеводородной смеси соединений на получение водорода или, с другой стороны, без отрицательного влияния процесса получения на эти соединения.
Понятие "двигатель внутреннего сгорания" в рамках настоящего изложения означает тепловой двигатель, в котором углеводородная смесь окисляется или сжигается для получения тепловой и/или кинетической энергии. Примерами двигателей внутреннего сгорания в связи с изобретением являются двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и паровые турбины. Двигателями внутреннего сгорания, представляющими особый интерес в данной связи, являются применяющиеся в самолетах реактивные двигатели, в частности турбинные воздушно-реактивные двигатели.
Может предусматриваться, чтобы двигателем внутреннего сгорания служил только один отдельный элемент, например отдельная турбина. С другой стороны, несколько турбин вместе также могут представлять двигатель внутреннего сгорания. При этом также возможно, чтобы турбины были разного типа и, например, предъявляли разные требования к подаваемым на них углеводородам.
Отделение, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения делит, по меньшей мере, часть углеводородной смеси, по меньшей мере, на две фракции. Одна фракция включает, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения, а другая или другие фракции - оставшийся остаток. Другую фракцию можно также назвать "остатком углеводородной смеси". Изобретение не ограничено отделением только одного отдельного дегидрируемого соединения от углеводородной смеси, хотя в некоторых случаях это выгодно. При отделении, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения могут также отделяться и другие соединения, даже другие недегидрируемые соединения. В некоторых случаях выгодно отделять вместе большое число дегидрируемых соединений. Кроме того, в экстремальном случае можно отделять, по меньшей мере частично, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение вместе с большей частью углеводородной смеси (включая недегидрируемые соединения) от единственного нежелательного соединения, которое в таком случае представляет "остаток углеводородной смеси".
Хотя предпочтительно как можно более полное отделение дегидрируемого соединения от остатка углеводородной смеси, в настоящем контексте под отделением следует понимать любое разделение, после которого отделенные фракции или части имеют разные составы, или при котором концентрация дегидрируемого соединения в одной фракции повышается, а в другой фракции понижается.
В другом варианте реализации изобретения устройство включает второе средство подачи для прямой или опосредованной подачи к двигателю внутреннего сгорания остатка углеводородной смеси, оставшегося при отделении, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения.
Если часть запасенной углеводородной смеси подается на установку разделения для отделения, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения, а остаток углеводородной смеси, оставшийся после отделения этой части, со своей стороны подается к двигателю внутреннего сгорания, то, тем самым, запасенная углеводородная смесь используется в максимально возможной степени.
В следующем варианте реализации устройства по изобретению установка разделения содержит перегонную установку для разделения перегонкой фракции, содержащей дегидрируемое соединение, и/или сорбционную установку для сорбционного отделения, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения от углеводородной смеси.
Перегонка представляет собой простую и эффективную возможность отделить дегидрируемое соединение из углеводородной смеси. При этом путем подходящего управления процессом перегонки можно целенаправленно устанавливать, какие еще компоненты, помимо дегидрируемого соединения, будут иметься во фракции. В частности, при перегонке можно целенаправленно предотвратить переход определенных компонентов или соединений углеводородной смеси во фракцию или разрешить лишь ограниченный их переход.
Альтернативная или дополняющая возможность отделения состоит в том, чтобы вместе с сорбционной установкой предусмотреть средство, которое предназначено для того, чтобы поглощать и/или адсорбировать, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, чтобы таким путем удалить его из углеводородной смеси, причем абсорбция и/или адсорбция является обратимой, по меньшей мере, частично (для высвобождения, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения). Известным образом можно также проводить это сорбционное отделение в непрерывном режиме. Кроме того, согласно изобретению, можно предусмотреть возможность размещения сорбционной установки внутри резервуара, чтобы отделять, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение от углеводородной смеси, находящейся при работе в резервуаре.
Наряду с предпочтительными способами перегонки и сорбции в рамках изобретения могут, разумеется, применяться также другие способы разделения.
В следующем варианте реализации устройства по изобретению установка разделения устроена так, чтобы дегидрируемое соединение или соединения при отделении, по меньшей мере, частично освобождались от заданной примеси.
При дальнейшей обработке, в частности, при дегидрировании отделенного дегидрируемого соединения или соединений одно или несколько определенных, содержащихся в углеводородной смеси соединений могут быть мешающими или даже вредными и, тем самым, представлять примесь, от которой нужно избавиться. Поэтому благоприятно предусмотреть, чтобы рассматриваемое как примесь соединение совсем не отделялось вместе с дегидрируемым соединением из углеводородной смеси или отделялось бы, по меньшей мере, лишь в достаточно сниженной концентрации.
Эта очистка или, по меньшей мере, частичное избавление от примеси может быть проведено на отдельном этапе процесса другим способом, чем остальное отделение. Так, например, можно посредством подходящей перегонки отделять, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, которое благодаря абсорбции или адсорбции примеси, по меньшей мере, частично освобождается от этой примеси. Последовательность стадий отделения может свободно выбираться специалистом. Правда, в случае комбинации перегонки и сорбции (для очистки) предпочтительно проводить перегонку до очистки как первую стадию.
В одном выгодном варианте осуществления устройства по изобретению первое и/или второе средство подачи для подвода дегидрированного соединения или остатка углеводородной смеси к двигателю внутреннего сгорания оформлено через резервуар.
Необязательно сразу проводить дегидрированное соединение или остаток углеводородной смеси к двигателю внутреннего сгорания. Можно также предусмотреть первое и/или второе средство подачи, чтобы при работе направлять дегидрированное соединение или оставшийся после отделения остаток углеводородной смеси в резервуар, например, чтобы смешивать там с находящейся в резервуаре углеводородной смесью или растворять в ней. Это выгодно, в частности, тогда, когда свойства дегидрированного соединения или остатка углеводородной смеси сами не удовлетворяют требованиям, предъявляемым двигателем внутреннего сгорания к горючему, а свойства углеводородной смеси в отношении этих требований из-за добавления дегидрированного соединения или остатка углеводородной смеси не изменяются или изменяются лишь несущественно.
В одном предпочтительном варианте реализации устройство по изобретению для переработки авиационного керосина (как углеводородной смеси) устроено так, а установка разделения разработана так, чтобы отделять из авиационного керосина (углеводородной смеси) одно или несколько дегидрируемымх соединений, которые выбраны из группы, состоящей из циклогексана, метилциклогексана, цис-декалина, транс-декалина, н-додекана, тетралина, дипентена, диэтилбензола и их смесей.
Было обнаружено, что изобретение можно особенно выгодно применять в самолете с авиационным керосином в качестве углеводородной смеси, причем в таком случае особенно выгодными дегидрируемыми соединениями оказываются, наряду с другими, циклогексан, метилциклогексан, цис-декалин, транс-декалин, н-додекан, тетралин, дипентен, диэтилбензол. Разумеется, указанные соединения частично содержатся также в дизельном топливе и автомобильном бензине, так что изобретение можно также прекрасно применять для автомобилей, у которых двигатели внутреннего сгорания рассчитаны на такое топливо.
В следующем варианте реализации устройства по изобретению средство дегидрирования содержит катализатор для каталитического дегидрирования дегидрируемого соединения.
Преимуществом каталитического дегидрирования, согласно изобретению, перед также возможным термическим дегидрированием является то, что дегидрируемое соединение не нужно сильно нагревать, чтобы достичь выделения водорода.
International Journal of Hydrogen Energy
Applied Catalysis A: General
Applied Catalysis A: General
Applied Catalysis A: General
Примеры подходящих катализаторов, расположений катализаторов и способов каталитического дегидрирования можно позаимствовать, например, из публикаций S. Hodoshima et al.: "Catalytic decalin dehydrogenation/naphthalene hydrogenation pair as a hydrogen source for fuel-cell vehicle" ( 28 (2003) 1255-1262) и "Hydrogen storage by decalin/naphthalene pair and hydrogen supply to fuel cells by use of superheated liquid-film-type catalysis" ( 283 (2005) 235-242), а также из публикаций N. Kariya et al.: "Efficient evolution of hydrogen from liquid cycloalkanes over Pt-containing catalysts supported on active carbons under, wet-dry multiphase conditions'" ( 233 (2002) 91-102) и "Efficient hydrogen production using cyclohexane and decalin by pulse-spray mode reactor with Pt catalysts" ( 247 (2003) 247-259). Каталитическое дегидрирование с дегидрируемым соединением в жидкой фазе имеет преимуществом незначительную потребность в энергии, правда, при этом обычно достигается также низкий выход по водороду. Если дегидрируемое соединение должно доставляться в газовой фазе, чтобы затем каталитически дегидрироваться, это потребует повышенных затрат энергии. Но каталитическая реакция в газовой фазе обнаруживает чаще всего ускоренную кинетику реакции. Было обнаружено, что выгодным является, когда дегидрируемое соединение находится в состоянии перегретой жидкости с насыщенной газовой фазой.
Следующий выгодный вариант осуществления изобретения относится к устройству, согласно изобретению, с установкой управления для регулирования установки разделения и соединенным с установкой управления анализатором для анализа состава запасенной углеводородной смеси во время работы, причем установка управления выполнена так, чтобы на основе определенного анализатором состава при работе регулировать подводимое к установке разделения количество углеводородной смеси и отделение от этой смеси, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения.
Обычно в типичной углеводородной смеси, например в керосине, присутствует не одно дегидрируемое соединение. Чаще всего имеется целый ряд дегидрируемых соединений. Даже если в какой-то углеводородной смеси фактически имеется только одно дегидрируемое соединение, то в другой углеводородной смеси находится другое дегидрируемое соединение. Если устройство выполнено с анализатором, и анализатор соединен с установкой управления, то данные о составе находящейся в работе углеводородной смеси могут передаваться на установку управления, так что это имеет то преимущество, что это устройство может гибко регулироваться для обработки фактически имеющейся углеводородной смеси с имеющимся дегидрируемым соединением или соединениями. Таким образом, устройство в таком исполнении может работать с большим числом разных углеводородных смесей.
В следующем варианте реализации изобретения установка устроена, кроме того, так, чтобы при работе обеспечивать получение заранее заданного количества водорода в единицу времени.
Если, например, в находящейся в работе углеводородной смеси присутствует несколько разных дегидрируемых соединений, то с помощью анализатора можно идентифицировать дегидрируемые соединения и количество углеводородной смеси, подаваемой на отделение, и можно так регулировать отделение или разделение углеводородной смеси, чтобы всегда можно было получить желаемое количество водорода в единицу времени. Таким образом, благодаря конверсии водорода можно удовлетворить, по существу, непрерывную потребность в электроэнергии.
В следующем варианте реализации изобретения установка управления, кроме того, выполнена так, чтобы при работе гарантировать получение водорода в течение заданного периода времени.
Благодаря регулированию предусмотренного для отделения количества углеводородной смеси и регулированию самого отделения с точки зрения отделяемого соединения или соединений можно также обеспечить, чтобы в любой момент в течение желаемого периода времени в распоряжении имелось заданное минимальное количество водорода. Конечно, можно также предусмотреть, чтобы минимальное количество водорода образовывалось не непрерывно, но чтобы гарантировалось, что в каждый желаемый момент времени в пределах заданного периода времени можно было начать получение водорода.
В одном предпочтительном варианте реализации устройства по изобретению установка управления, кроме того, выполнена так, чтобы управлять способом подачи к двигателю внутреннего сгорания дегидрированного соединения и/или остатка углеводородной смеси, оставшегося при отделении, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения.
В принципе, имеется две возможности или способа подавать дегидрированное соединение к двигателю внутреннего сгорания. С одной стороны, можно сразу направлять дегидрированное соединение к двигателю внутреннего сгорания. "Сразу" или "непосредственно" при этом означает, что подача происходит, по существу, без промежуточного хранения. В этой связи подвод по линии от установки разделения к двигателю внутреннего сгорания следует считать прямым. Опосредованная или непрямая подача получается, например, когда дегидрированное соединение накапливается в промежуточном резервуаре. Этот резервуар может быть резервуаром, предусмотренным для углеводородной смеси, чтобы при работе до подвода к двигателю внутреннего сгорания смешивать дегидрированное соединение с находящейся в резервуаре углеводородной смесью. Другой способ непрямой подачи состоит в том, чтобы предусмотреть отдельный, собственный резервуар для промежуточного хранения и подавать дегидрированное соединение к двигателю внутреннего сгорания из этого резервуара.
Сказанное в предыдущем абзаце справедливо соответственно также для подвода к двигателю внутреннего сгорания остатка углеводородной смеси, который остается после подачи некоторого количества углеводородной смеси на установку разделения и отделения дегидрируемого соединения. Можно также предусмотреть, чтобы остаток углеводородной смеси и дегидрированное соединение перед подачей к двигателю внутреннего сгорания смешивались друг с другом отдельно от остальной углеводородной смеси.
В следующем выгодном варианте реализации устройства по изобретению установка управления, кроме того, выполнена так, чтобы во время работы гарантировать, что заранее заданные свойства подводимой к двигателю внутреннего сгорания совокупности углеводородов будут находиться в заданных пределах допуска.
На основе полученных анализатором данных по составу углеводородной смеси можно определить, каким образом отбор дегидрируемого соединения отражается на углеводородной смеси и ее свойствах. Соответственно, при необходимости можно также определить влияние возврата дегидрированного соединения и/или остатка углеводородной смеси, образованного после отделения, в углеводородную смесь. Определение этих свойств может проводиться, например, на основе эмпирических данных или основываться на подходящих модельных расчетах. В частности, в области авиации к керосину как топливу предъявляются особые требования в отношении его свойств. Например, температура плавления керосина не должна превышать определенного значения. В области автомобилей горючее, как бензин или бензин класса "супер", должно удовлетворять определенным требованиям, например, в отношении его октанового числа. Поскольку отбор дегидрируемого соединения или возврат дегидрированного соединения или остатка углеводородной смеси в углеводородную смесь перед сжиганием в двигателе внутреннего сгорания ведет к ухудшению одного или нескольких свойств углеводородной смеси, то, согласно этому варианту реализации изобретения, весь процесс регулируется так, чтобы свойства совокупности подаваемых к двигателю внутреннего сгорания углеводородов (например, смеси, содержащей дегидрированное соединение и остаток углеводородной смеси) не были выше или ниже заданных предельных значений. Например, это можно осуществить тем, что после отделения части первого дегидрируемого соединения отделяется другое дегидрируемое соединение или изменяется количество отделяемого дегидрируемого соединения или соединений. Кроме того, можно предусмотреть остановку процесса по изобретению, если при продолжении желаемый диапазон параметров больше не будет соблюдаться.
В следующем варианте реализации изобретения установка управления содержит вычислительное устройство, которое разработано так, чтобы на основе определенного анализатором состава определять изменение во времени подводимого к установке разделения количества углеводородной смеси, отделения, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения в установке разделения и/или способа подвода к двигателю внутреннего сгорания дегидрированного соединения и/или остатка углеводородной смеси, оставшегося при отделении, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения, чтобы это изменение во времени гарантировало, что в течение заданного периода времени работы заданные свойства подводимой к двигателю внутреннего сгорания совокупности углеводородов будут находиться в заданных пределах допуска.
В этом варианте реализации выгодно, чтобы ход извлечения водорода в течение всего заданного периода времени определялся с использованием определенной анализатором информации о составе углеводородной смеси. В частности, при расчете временного хода можно установить, возможно ли и каким образом удержать желаемые пределы допуска в течение желаемого времени. Если, например, в случае баков самолета с устройством по изобретению становится известным, что с имеющимся горючим способ по изобретению нельзя осуществить желаемым образом в течение всей продолжительности выполнения задания, то можно своевременно принять подходящие меры, чтобы обойти или устранить эту проблему.
В одном выгодном варианте реализации устройства по изобретению оно содержит мешалку для получения смеси из углеводородной смеси, остатка углеводородной смеси, оставшегося при отделении, по меньшей мере, одного дегидрируемого соединения, и дегидрированного соединения в заданных пропорциях и измерительное устройство для определения заданных свойств смеси.
С помощью мешалки можно опробовать процесс смешения дегидрированного соединения, остатка углеводородной смеси и углеводородной смеси в определенных условиях процесса, но осуществлять способ по изобретению именно с этими параметрами не обязательно. Таким образом, можно своевременно от самого устройства с помощью измерительного устройства определить, какие последствия имеет такое смешение на свойства смеси. Так, например, можно получить конкретные данные, с помощью которых можно прогнозировать ход во времени процесса по изобретению.
В следующем варианте реализации устройство по изобретению выполнено с водосборником для приема образующейся в топливном элементе воды.
Воду, образующуюся при конверсии водорода в топливном элементе на борту самолета, можно использовать, например, как техническую воду, благодаря чему получается экономия веса, так как перед стартом нужно брать меньше воды в самолет.
Система согласно изобретению предпочтительно включает устройство по изобретению в предпочтительном варианте реализации, какой описан выше.
Способ по изобретению предпочтительно осуществляется с применением системы согласно изобретению.
Другие предпочтительные варианты реализации изобретения выявятся из следующих примеров и формулы изобретения.
Далее изобретение будет описано подробнее на предпочтительных примерах осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. При этом схематически показано:
фиг.1 - первый пример осуществления устройства по изобретению с углеводородной смесью,
фиг.2 - второй пример осуществления устройства по изобретению,
фиг.3 - блок-схема для наглядного пояснения первого примера осуществления способа по изобретению, и
фиг.4 - блок-схема для наглядного пояснения второго примера осуществления способа по изобретению.
Фиг.1 схематически показывает первый пример осуществления устройства по изобретению с углеводородной смесью. Устройство 5 для получения энергии включает резервуар 10, который здесь содержит жидкую углеводородную смесь 15, соединенный с резервуаром двигатель внутреннего сгорания 20, также соединенную с резервуаром установку 35 разделения, средство 40 дегидрирования, первое средство 45 подачи, которое соединяет средство 40 дегидрирования с резервуаром 10 или двигателем внутреннего сгорания 20, и топливный элемент 50. Кроме того, устройство содержит второе средство 60 подачи, которое соединяет установку 35 разделения и двигатель внутреннего сгорания 20 или резервуар 10. Установка 35 разделения содержит элемент 65 для дробной перегонки. Средство дегидрирования 40 включает катализатор 70. Кроме того, устройство содержит соединенную с установкой 35 разделения и средством дегидрирования 40 установку 75 управления с вычислительным устройством 85, анализатор 80, мешалку 90, измерительное устройство 95 и водосборник 100.
Жидкая углеводородная смесь 15, которая в этом примере является авиационным керосином, помещается в резервуар 10. Часть углеводородной смеси 15 отбирается из резервуара 10 и подается на установку 35 разделения. Другая часть углеводородной смеси 15 отбирается из резервуара и сжигается в двигателе внутреннего сгорания 20, здесь в турбине самолета, чтобы получить из нее тепловую энергию 25 и кинетическую энергию 30, в частности, чтобы запустить самолет, в котором находится устройство 5.
Изобретение не ограничено жидкой углеводородной смесью, хотя она предпочтительна благодаря простоте обращения с ней. Можно также использовать газообразные или твердые углеводородные смеси. Соответственно, это относится, естественно, также и к дегидрируемому соединению, дегидрированному соединению и остатку углеводородной смеси.
В установке 35 разделения, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение отделяется от углеводородной смеси. Типичный авиационный керосин в качестве дегидрируемых соединений содержит, наряду с прочим, циклогексан, метилциклогексан, цис-декалин, транс-декалин, н-додекан, тетралин, дипентен и диэтилбензол. В представленном примере осуществления установка разделения оборудована элементом 65 для дробной перегонки, чтобы выделить из углеводородной смеси цис-декалин и транс-декалин с точкой кипения 194,6°C, соответственно 185,5°C. Перегонка является всего лишь одной из имеющихся возможностей разделения. Другая, альтернативная или дополняющая возможность состоит, в частности, в том, чтобы отделить дегидрируемое соединение от остальной углеводородной смеси путем абсорбции и/или адсорбции в подходящем сорбенте и направить на дальнейшую обработку. Однако в рамках настоящего изобретения могут применяться также другие, кажущиеся специалисту подходящими способы отделения дегидрируемого соединения. Таким образом, при отделении получается разделение подводимой на установку разделения углеводородной смеси на часть, которая содержит, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение, здесь: цис-декалин и транс-декалин, и остаток углеводородной смеси. Хотя чаще всего предпочтительно полностью отделять дегидрируемое соединение или соединения от углеводородной смеси 15, это не является строго обязательным. Таким образом, остаток углеводородной смеси также может содержать дегидрируемые соединения. В данном случае не исключается, что остаток углеводородной смеси также содержит цис- или транс-декалин.
Отделенные дегидрируемые соединения направляют на средство 40 дегидрирования, а остаток углеводородной смеси через второе средство 60 подачи по выбору направляют к резервуару 10 в углеводородную смесь 15 или напрямую к двигателю внутреннего сгорания 20. Не требуется, чтобы в распоряжении имелись обе возможности. В альтернативных вариантах реализации можно также сразу направлять остаток углеводородной смеси исключительно к двигателю внутреннего сгорания 20 для сжигания или только в резервуар 10 для смешения с находящейся там углеводородной смесью 15 и более позднего сжигания. Другая альтернатива или дополнение состоит в том, чтобы предусмотреть отдельный резервуар для остатка углеводородной смеси, чтобы, по меньшей мере, временно держать там остаток углеводородной смеси.
Средство 40 дегидрирования в настоящем примере осуществления содержит катализатор 70 для каталитического дегидрирования дегидрируемых соединений.
Согласно изобретению для дегидрирования предпочтительны следующие катализаторы, по отдельности или в комбинации: (a) металлы, выбранные из группы, состоящей из платины (Pt), палладия (Pd), родия (Rh), осмия (Os), рутения (Ru), рения (Re), вольфрама (W), иридия (Ir), молибдена (Mo) и их сплавов, (b) комбинации, по меньшей мере, двух вышеуказанных металлов (структура из двух или нескольких слоев), причем всегда (i) в форме металла, (ii) на носителе, например на цеолите или на углероде, и/или (iii) как металлоорганический комплекс, как, например, металлокарбонильные комплексы. Альтернативно или дополнительно к каталитическому дегидрированию может применяться, например, термическое дегидрирование или другой подходящий способ. Если, как в настоящем случае, в углеводородной смеси 15 содержится несколько дегидрируемых соединений, то выгодно предусмотреть особые катализаторы для каждого или отдельных дегидрируемых соединений. При дегидрировании соответствующее (каждое) дегидрируемое соединение расщепляется на водород и одно (или несколько) дегидрированных соединений. Водород подается на топливный элемент 50, где он известным образом преобразуется для создания электрической энергии 55. Образующаяся при этом вода собирается в водосборник 100 и может применяться как техническая вода в самолете. Дегидрированное соединение или соединения по первому средству 45 подачи направляются опосредованно (через резервуар 10) или непосредственно к двигателю внутреннего сгорания.
Анализатор 80 определяет состав углеводородной смеси в резервуаре 10, например, с помощью масс-спектрометра, и посылает определенные данные о составе, из которых особый интерес представляют содержания дегидрируемых соединений, на установку 75 управления.
В мешалке 90 готовится смесь из углеводородной смеси 15 (из резервуара 10), дегидрированного соединения или соединений (полученных в средстве дегидрирования 40) и остатка углеводородной смеси (полученного на установке 35 разделения) в желаемых пропорциях. Желаемые свойства этой смеси, например температура плавления в случае авиационного керосина как углеводородной смеси 15 или октановое число в случае автомобильного бензина, определяются измерительным устройством 95. Определенные значения также пересылаются на установку 75 управления, точнее на вычислительное устройство 85 установки 75 управления.
Вычислительное устройство 85 разработано с алгоритмами расчета оптимального временного хода процесса. На основе этого расчета, к параметрам которого относятся количество подводимой к установке 35 разделения углеводородной смеси, тип и диапазон отделения дегидрируемого соединения в установке 35 разделения, способ и момент подачи дегидрированного соединения и остатка углеводородной смеси к двигателю внутреннего сгорания, установка 75 управления осуществляет регулирование проводимого в устройстве процесса. При этом установка 75 управления оказывает воздействие на установку 35 разделения и средство 40 дегидрирования. Кроме того, установка управления управляет первым и вторым средством подачи 45, соответственно 60.
На фиг.2 схематически показан второй пример осуществления устройства по изобретению. Устройство 105 содержит резервуар 110, соединенный с установкой 135 разделения через фильтр 112, насос 113 и теплообменник 114. Кроме того, резервуар 110 через клапан 123 соединен с двигателем внутреннего сгорания 120. Двигатель внутреннего сгорания 120 является керосиновой горелкой, как типичный компонент реактивного двигателя, применяющегося в самолетах. Горелка 120 получает приток воздуха со ступени 121 компрессора через другой теплообменник 122. Кроме того, устройство 105 имеет контур 138 охлаждения. Помимо этого устройство 105 включает примыкающее к установке 135 разделения средство 140 дегидрирования, которое ведет в сепаратор 142, соединенный с резервуаром через первое средство подачи 145 и с топливным элементом 150 через клапан 143. Установка 135 разделения, кроме того, соединена через вторые средства 160а, 160b подачи с резервуаром 110 и содержит первый перегонный элемент 165a, клапан 136, теплообменник 137, второй перегонный элемент 165b, другой теплообменник 139 и установку 141 обессеривания.
Резервуар 110 предназначен для размещения углеводородной смеси (не показана), например керосина. Из резервуара 110 идет линия с клапаном 123 для регулирования подвода углеводородов к горелке 120. Горелка 120 получает необходимый для сжигания углеводородов воздух со ступени 121 компрессора, сжатый при прохождении через теплообменник 122. Предназначение этого теплообменника 122 будет объяснено позднее. При сжигании подводимых к горелке 120 углеводородов образуется тепловая энергия 125 и кинетическая энергия 130. По меньшей мере, часть тепловой энергии 125 подается на теплообменники 114 и 139.
Часть находящейся в резервуаре 110 углеводородной смеси очищается в фильтре 112 и проводится к насосу 113. Насос 113 продвигает часть углеводородной смеси через теплообменник 114, в котором тепловая энергия 125 от отходящих газов горелки 120 передается углеводородной смеси. В первом перегонном элементе 165a более легкая, газообразная при температуре процесса фракция отделяется от более тяжелой жидкой фракции углеводородной смеси. Жидкий остаток углеводородной смеси проводится по вторым средствам подачи 160a на резервуар 110 и там соединяется с оставшейся углеводородной смесью. Газообразная фракция проводится для регулирования давления через клапан 136 и на охлаждение через теплообменник 137. В теплообменнике тепло отдается контуру охлаждения 138. Охлажденная, ранее полностью, а теперь лишь частично, газообразная фракция проводится от теплообменника 137 во второй перегонный элемент 165b, в котором дегидрируемое соединение отделяется от более низкокипящих фракций, которые снова проводятся по вторым средствам 160b подачи через теплообменник 122 в резервуар. Теплообменник 122 служит для того, чтобы охлаждать эти газообразные фракции настолько, чтобы их можно было добавлять в жидкой форме в резервуар 110 к находящейся там углеводородной смеси. Жидкая фракция, содержащая, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение (в данном примере метилциклогексан), проводится теперь от второго перегонного элемента 165b на теплообменник 139 и там снова нагревается отходящими газами горелки 120, так что устанавливаются желаемые режимы температуры и давления. Прежде чем подавать дегидрируемое соединение на средство 140 дегидрирования, проводится обессеривание в установке 141 обессеривания. Сера является ядом для катализатора и присутствует в обычном керосине в концентрациях до 3000 ppm. Однако известные в настоящее время самые стойкие катализаторы подходят для концентраций серы всего несколько ppm. Обычно уменьшение концентрации серы достигается уже перегонкой или вообще отделением дегидрируемого соединения. Однако, согласно фиг.2, чтобы получить дальнейшее снижение и в качестве дополнительной меры предосторожности для использующихся в средстве 140 дегидрирования катализаторах все же предусматривается установка 141 обессеривания. Дополнительно обессеренное дегидрируемое соединение подается на средства 140 дегидрирования, в котором от них частично отделяется водород. В сепараторе 142 отделенный водород отделяют от дегидрированного соединения, т.е. толуола в случае метилциклогексана. Дегидрированное соединение по первому средству 145 подачи проводится в резервуар 110. Клапан 143 служит для регулирования давления подаваемого в топливный элемент 150 водорода. В топливном элементе 150 в результате конверсии водорода создается электрическая энергия 155.
На фиг.3 показана блок-схема для наглядного пояснения первого примера осуществления способа по изобретению. На первом этапе 305 запасается углеводородная смесь, содержащая, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение. Это может происходить, как описано выше, в резервуаре. На следующем этапе 315 из углеводородной смеси отделяется, по меньшей мере, часть дегидрируемого соединения. Один возможный способ отделения состоит, например, в подходящей регулируемой перегонке. В частности, описанные выше устройства включают оборудование, которое может служить для отделения. Однако могут применяться также другие, привычные специалисту способы отделения. За этапом 315 следует этап 325 извлечения водорода из отделенного дегидрируемого соединения путем дегидрирования. Для этого предпочтительно подходят описанные выше средства дегидрирования. Особенно предпочтительно каталитическое дегидрирование. Образованный при дегидрировании водород используется на этапе 355 для получения электрической энергии. Оставшееся при дегидрировании дегидрированное соединение проводится на этап 345, сразу или опосредованно, к двигателю внутреннего сгорания и там может подвергаться конверсии для получения тепловой и/или кинетической энергии, вместе или отдельно. Параллельно указанным этапам можно также сразу направлять часть углеводородной смеси к двигателю внутреннего сгорания и сжигать там для получения тепловой и/или кинетической энергии (этап 335). Таким образом, на идущей выше стадии 365 процесса сжигаются углеводороды, возможно разного состава, для извлечения энергии.
На фиг.4 показана блок-схема для наглядного пояснения второго примера осуществления способа по изобретению. На первом этапе 405 запасаются керосином как углеводородной смесью, содержащей, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение. Из запасенного керосина или его части на этапе 415 отделяется, по меньшей мере, частично, дегидрируемое соединение. Таким образом, после этого имеются, с одной стороны - дегидрируемое соединение (возможно, вместе с другими соединениями), а с другой стороны - остаток углеводородной смеси. На этапе 470 проводится подача остатка углеводородной смеси для сжигания 465. Кроме того, определенное количество запасенного керосина может также подводиться на сжигание (этап 410). Дегидрируемое соединение дегидрируется на этапе 425, предпочтительно с помощью одного или нескольких катализаторов. Таким образом, получается водород, который на этапе 455 подвергается конверсии в топливном элементе для получения электрической энергии. Образующееся при дегидрировании 425 дегидрированное соединение подается на этапе 445 к двигателю внутреннего сгорания для сжигания 465. Параллельно вышеописанным этапам на этапе 485 после запасения 405 керосина анализируется состав керосина. Кроме того, на этапе 475 часть запасенного керосина, часть оставшегося при отделении 415 остатка углеводородной смеси и часть дегидрированного на этапе 425 соединения смешивают в определенной пропорции. Образующуюся при этом смесь исследуют и анализируют в отношении заданных свойств, например температуры замерзания или плавления (этап 480). Результаты измерений с этапа 480 и анализа с этапа 485 направляют на расчет (этап 490), результаты которого используются на этапе 495 как основа для регулирования отделения (этап 415), дегидрирования (этап 425), подвода остатка углеводородной смеси на сжигание (этап 470) и дегидрированного соединения на сжигание (этап 445). Таким образом, можно гарантировать, что свойства всей совокупности подаваемых к двигателю внутреннего сгорания углеводородов лежат в заранее заданных пределах допуска и тем самым удовлетворяют техническим требованиям или стандартам, предъявляемым к горючему для двигателей внутреннего сгорания.
Описанные здесь примеры осуществления служат для наглядного пояснения изобретения. Отдельные признаки или ряд признаков описанных примеров осуществления могут также комбинироваться друг с другом в рамках изобретения способами, отличными от представленных.
Согласно изобретению топливо на основе углеводородов может использоваться как жидкий носитель водорода, из которого можно отобрать одну или несколько фракций, например, путем дробной перегонки, которые содержат, по меньшей мере, одно дегидрируемое соединение. Дегидрируемое соединение дегидрируют, и остаток, например, снова направляют к топливу.
Изобретение позволяет получить водород с помощью компактной и легкой установки при сравнительно низких рабочих температурах (<350°C) при незначительной сложности системы и с хорошей чистотой. При достаточно хорошем отделении можно обойтись без дополнительного обессеривания. Изобретение позволяет достичь большого срока службы при малых затратах на техническое обслуживание.
Углеводородной смесью, подходящей для применения согласно изобретению, является, например, керосин A1 для реактивных двигателей, который типично применяется в гражданской авиации. Он имеет обычно следующие характеристики, соответствующие техническим требованиям:
Кислотность, всего
0,1 мг KOH/г (макс.)
Ароматические соединения
22 об.% (макс.)
Сера, всего
0,3 вес.% (макс.)
Сера, меркаптан
0,003 вес.% (макс.)
Температура воспламенения
38°C (мин)
Плотность
775-840 кг/м<sup>3</sup> (при 15°C)
Точка замерзания
-47°C (макс.)
Электропроводность
50-450 пом<sup>-1</sup>/м
Керосин сорта Jet A1 содержит н-парафины, изопарафины, нафтены и ароматику. Типичный состав следующий:
Углеродное число
Репрезентативные углеводороды
6-8
циклогексан, метилциклогексан, н-октан, 2-метилгептан, 1-метил-1-этилпентан, ксилол
9-10
транс-декалин, цис-декалин, тетралин, нафталин
11-12
н-додекан, 2-метилундекан, 1-этилнафталин, н-гексилбензол
13-16
н-гексадекан, 2-метилпентадекан, н-децилбензол
Рассматривая аэробус A330-200 как эталонный самолет с полетным циклом 8,7±2,6 ч, объемом бака 112±5,3 т и дальностью полета 12225±275 км, расходом энергии 500 кВт, λ-фактором 1,2 и при условии, что 10% использующегося керосина может применяться в качестве источника водорода, для следующих пар "исходные вещества/продукты" получаются следующие результаты:
циклогексан C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>
->
бензол C<sub>6</sub>H<sub>6</sub>
13,4 ч
метилциклогексан C<sub>7</sub>H<sub>14</sub>
->
толуол C<sub>7</sub>H<sub>8</sub>
13,4 ч
цис-декалин C<sub>10</sub>H<sub>18</sub>
->
нафталин C<sub>10</sub>H<sub>8</sub>
22,3 ч
транс-декалин C<sub>10</sub>H<sub>18</sub>
->
нафталин C<sub>10</sub>H<sub>8</sub>
22,3 ч
н-додекан C<sub>12</sub>H<sub>26</sub>
->
C<sub>12</sub>H<sub>18</sub>
17,5 ч
Можно видеть, что согласно изобретению можно выработать достаточно энергии для одного цикла полета.