DE10021260A1 - Verformbarer Füllkörper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verformbaren Füllkörper, der zur Durchführung von Stoff- und Wärmeaustauschprozessen in Festbetten dient und gleichzeitig Reaktionsräume ausgebildet werden. Eingesetzt wird der Füllkörper für stoffwandelnde Reaktionen auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik, die vor allem bei höheren Temperaturen ablaufen und/oder eine Wärmeführung bei exothermen oder endothermen Prozessen erfordern. Besonders vorteilhafte Einsatzfälle der Füllkörper ergeben sich bei der Abgasbehandlung nach Verbrennungsmotoren. Vor allem dient der Füllkörper zur Speicherung von Nutzwärmen, deren Bereitstellung solaren oder terrestrischen Ursprungs ist. DOLLAR A Mit dem verformbaren Füllkörper werden die Nachteile überwunden, die sich bei herkömmlichen Körpern durch eine schlechte Wärmeleitung stoffaustausch- und reaktionsaktiver mineralischer Granalien in Packungen, Füllungen oder Schüttungen ergeben. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der Füllkörper aus einem für fluide Strömungen transparenten und gut wärmeleitenden netzartigen Material besteht. Er enthält in seinem Inneren Granalien von chemisch-katalytisch reagierenden oder adsorbierenden mineralischen Feststoffen. Die Verformbarkeit der Füllkörper gewährleistet eine dichte Packung einzelner Elemente im Reaktionsraum und die Ausbildung einer Mehrzahl von wärmeübertragenden Berührungsflächen in einer Längsausdehnung oder in den Querausdehnungen einer Vorrichtung, die den Reaktionsraum einschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen verformbaren Füllkörper, der in stoff- und wärmeaustauschenden sowie chemisch-katalytisch aktiven Reaktionsräumen einer verfahrenstechnischen Vorrichtung eingesetzt wird. Anwendungsgebiete betreffen die chemische Reaktionstechnik, die Fliter- und Trocknungstechnik und vor allem die Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik, wobei die adsorptive Wärmespeicherung in Verbindung mit einem wässrig-dampfförmigen Arbeitsmittel besonders vorteilhaft erfolgt und solar oder terrestrisch bereitgestellte Wärmeenergie genutzt wird.

Beispielhaft betreffen weitere Gebiete die Abgasbehandlung, so in der Fahrzeugtechnik die Schadgasentsorgung hinter Verbrennungsmotoren und die Abluftbehandlung in der chemischen und verarbeitenden Industrie.

Füllkörper sind Elemente für den Stoff- und Wärmeaustausch, die bevorzugt für die Behandlung von Gasen und Flüssigkeiten nach Prinzipien der thermischen Stofftrennung, wie der Destillation flüssiger Gemische, der Absorption in Flüssigkeiten und der Adsorptionsfilterung an mikroporösen Festkörpern zur selektiven Auftrennung gasförmiger und auch kondensierbarer Stoffkomponenten verwendet werden. Sie sind stets mehr oder weniger gleichmäßig über die Hauptabmessung einer Vorrichtung als Packung oder Schüttung, so über eine Kolonnenhöhe, verteilt.

Die konstruktiven Ausführungen von Füllkörpern sind vielfältig. Beispiele sind in den bekannten Raschig- und Pallringen oder in Berl- sowie Intalox-Sattelkörpern gegeben. Sie bestehen aus Keramik, Plastik, Glas, Metall oder Sonderwerkstoffen, wie Korobon.

Füllkörper in geordneten oder ungeordneten Packungen sowie regellosen Schüttungen werden nach einer großen spezifischen Oberfläche für den Phasenkontakt, nach einem hohen relativen und vom Fluid gut durchströmbaren Lückenvolumen und vor allem entsprechend einer hohen Festigkeit und Beständigkeit ausgelegt. In der Regel werden dünnwandige metallische Füllkörper nur da eingesetzt, wo Vorteile einer hohen Wärmeleitung oder katalytischer Wirkung bei erwünscht guter Benetzbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Strukturstabilität sowie bei vorteilhaft gesteigertem Lückenvolumen die Nachteile höherer Gestehungskosten überwiegen. Ein gefordertes Merkmal bisheriger metallischer Füllkörper ist eine hohe Festigkeit gegenüber Drucklastbeanspruchungen in der Vorrichtung, wobei mindestens Belastungen durch das Eigengewicht aufzufangen sind.

Mineralische mikroporöse Feststoffe, wie Zeolithe dienen bevorzugt zur Stofftrennung von Gasen oder zur reversiblen Speicherung von Prozeß- oder Abwärmen nach Prinzipien der Adsorption. Künstlich erzeugte und ihrem Verwendungszweck angepaßte Zeolithe liegen in der Regel in einer feinkörnigen kristallisierten Form vor, die gewöhnlich eine Kristallgröße von etwa maximal möglichen 500 µm nicht überschreitet. Für eine effektive Verwendung in Stoff- und Wärmeaustauschapparaten lassen jedoch Schüttungen dieser Kristalle aufgrund beschränkter Lückenvolumen nur eingeschränkt größere Strömungsgeschwindigkeiten der gas- oder dampfförmigen Medien zu. Da die austauschaktiven kristallinen Formen dieser Zeolithe lediglich in bestimmten Abmessungen hergestellt werden können, die in Mikrometerbereichen liegt, fehlt es nicht an Bestrebungen, ihre Gestalt für verfahrenstechnisch nutzbare Zwecke zu vergrößern. Das erfolgt bevorzugt durch eine Pelettierung oder Granulierung unter Verwenden eines Bindemittels, das zwecks Erhöhens des frei durchströmbaren Lückenvolumens und damit einer Steigerung der Effektivität ebenfalls austauschaktive und reaktive Eigenschaften aufweisen sollte.

Wirtschaftliche Ziele des Einsatzes von zeolithischen Granalien als mikroporöse Feststoffe bestehen im Erreichen hoher Raum-Zeit-Ausbeuten der mit ihnen betriebenen Vorrichtungen zur Stoff- und Energiewandlung. Diese technische Zielstellung besteht jedoch nicht nur beim Einsatz von zeolithischen Granalien, sondern auch von anderen Adsorbentien oder Katalysatorträgern.

Austauschaktive Granalien in Form umhüllbarer, stapel- oder packbarer Formkörper dienen auch der Abgasbehandlung nach Verbrennungsmotoren. Als Folge von mechanischen Beanspruchungen, so von Rütteleinwirkungen bei Fahrzeugen, besitzen sie in ihrem Inneren oft noch keine ausreichende Abriebfestigkeit und Alterungsbeständigkeit.

Vor allem werden die Granalien zur Ausnutzung und Speicherung natürlicher Wärmen, wie von Solar - oder Erdwärme benutzt. Vorteilhafte Anwendungen bestehen besonders überall da, wo thermische Energie für zeitweilige Nutzungsperioden verfügbar sein muß, die nicht mit Perioden der Wärmeerzeugung oder deren Bereitstellung übereinstimmen. Hier kann jedoch eine nicht ausreichende sogenannte hydrothermale Stabilität gegenüber einem wässrig-dampfförmigen Arbeitsmittel der zeolithischen Granalien zu ihrem vorzeitigen Zerfall führen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, besondere Umhüllungen oder Halterungen für die Granalien einzuführen.

Der Erfindung nahestehend ist eine Schrift DE 196 36 593 auf dem Gebiet der Abwassertechnik, in der ein Filter in Form eines Füllkörpers in einem lockeren Käfig dergestalt eingelagert wird, daß ein zusätzlich frei durchströmbarer Raum entsteht und der Füllkörper insgesamt weniger mit Verunreinigungen zugesetzt werden kann. Der Filterkäfig besitzt als Aufgabe lediglich die Halterung des Füllkörpers, um ausreichend freie Querschnitte zu erzeugen. Dank dessen kommt es nicht mehr zum Abrieb des Füllkörpers. Aufgabe ist noch nicht die Halterung von filtrierend wirkenden Granalien. Auch ist eine Verbesserung der Wärmeführung bei einer Abwasserbehandlung gegenstandslos.

In einer DE 4 03 224 wird eine Vorrichtung zur Gasreinigung vorgeschlagen, in der in einem porösen Filtermaterial regellos Stützkörper eingeführt sind. Ziel ist auch hier die Erhöhung der Standzeit des Filters, jedoch noch nicht ein hoher Raumausnutzungsgrad der Vorrichtung und eine austausch- und reaktionsaktive Benutzung der Stützkörper.

In einem Verfahren zur Beseitigung von Schadstoffen durch Adsorption nach DE 44 37 078 werden in der zugehörigen Vorrichtung einzelne Adsorptionsfüllkörper in Form von dealuminierten Zeolithen als Konen, Zylindern und Tetraedern eingeführt, womit die Druckverluste optimal vermindert werden. Ziel ist jedoch eine selektive Entfernung der Schadstoffe bei niedrigen Temperaturen und ohne Berücksichtigung der Wärmeführung, jedoch bei einer hohen Raumgeschwindigkeit der Strömung. Auch berücksichtigt ein offenporiger Körper zum Filtern und katalytischen Behandeln von Gasen (DE 35 22 287), in dem metallische Überzüge auf Kunststoffkörper aufgebracht werden, noch nicht eine isotrope Wärmeführung im Inneren in einem ausreichenden Maße.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Entwicklung eines Granalien enthaltenden Füllkörpers,

• - der eine strömungsdurchlässige und transparente Struktur besitzt,
• - ebenfalls eine gleichmäßig und isotrop wärmeleitende Struktur innerhalb der geometrischen Abmessungen einer Vorrichtung besitzt, in die die Granalien eingebettet sind,
• - der keine zusätzlichen Bindemittel enthält oder diese in möglichst geringen Anteilen örtlich begrenzt und zeitweilig zwecks Ausbildung einer Packung oder Schüttung verwendet werden
• - und eine hohe Anpaßbarkeit an eine dichteste Packung der Granalien durch eine leichte Verformbarkeit aufweisen soll.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Bestandteile des erfindungsgemäßen Füllkörpers im einzelnen sind:

• - vorgeformte mineralische Granalien in einer Kugel-, Zylinder- oder davon abweichenden Geometrie,
• - ein Hüllkörper aus einem vorgeformten und weiter verformbaren, vorzugsweise metallischen Geflecht, Gewirk, Gestrick oder Vlies,
• - gegebenenfalls feinfasrige und/oder feindisperse Metallbestandteile, die unterhalb der Hauptabmessung der Granalien liegen,
• - gegebenenfalls zusätzlich verformte streifen-, faser- oder folienartige Bestandteile von Metallen oder anderer wärmeleitfähiger Materialien, deren Hauptabmessungen oberhalb derjenigen der Granalien liegen,
• - und ein zeitweiliges Bindemittel benutzt wird, das bevorzugt auf einer Wasserglasbasis oder einer anderen wasserlöslichen organischen vorpolymeren Grundlage eingesetzt wird.

Im Füllkörper befindet sich mindestens eine größere Öffnung oder bevorzugt zwei größere Öffnungen. Diese sind gleichzeitig Öffnungen für die Beschickung des Füllkörpers mit Granalien.

Der Füllkörper kann auf zwei Wegen in Form einer Packung oder Schüttung in einen Reaktionsraum eingebracht werden:

• 1. Es werden vorgefertigte netz- oder käfigartige Hüllkörper schichtweise auf den Boden des Reaktionsraumes eingeführt, entweder in Form einer geordneten dichtesten Packung oder als regellose Schüttung, jedoch weitgehend unter punktförmiger Berührung der Peripherien der einzelnen Körper. Es werden zu der vorgebildeten Struktur Granalien in der Menge hinzugefügt, die etwa der Schichthöhe der Hüllkörper mit den Granalien entspricht. Die Granalien gelangen entweder selbständig über die Öffnungen der Hüllkörper in deren Inneres, oder sie werden dabei zweckmäßig durch weitere mechanische Maßnahmen unterstützt, wie durch Einschütten, Einrütteln oder Einschwemmen. Anschließend werden die Schichten unter mäßig intensiver Krafteinwirkung eingedrückt oder auch schonend eingestampft, so daß eine enge Berührung der wärmeleitenden Hüllschichten der Füllkörper durch Dellung, zumindest an mehreren Berührungspunkten und kleineren Berührungsflächen, zustande kommt. Dabei können die Granalien auch bereits die vorgebildeten Zwickelräume erreichen und diese ausfüllen.
• 2. Es werden vorgefertigte Hüllkörper, die bereits Granalien enthalten, schichtweise in den Reaktionsraum eingesetzt oder eingeschüttet. Zweckmäßig werden diese in einem gesonderten Fertigungsprozeß hergestellt, wobei hilfsweise ein viskoses und zeitweilig in die Granalienschüttung eingebrachtes Bindemittel diesen Vorgang unterstützt. Dieses Bindemittel besteht bevorzugt aus einem Wasserglas, oder aus anderen silikatischen, den mineralischen Granalien verwandten Stoffen. Das Bindemittel ist in seiner Viskosität erhöhbar oder auch mäßig härtbar, etwa durch Zufügen von Säuren oder Basen, die eine Oligomerenbildung und zugleich Vorpolymerisation unterstützen. Der Verbleib von Resten des Bindemittels in der Packung oder Schüttung ist dann nicht von Belang, wenn sich nach thermischer Aktivierung der Schichten ebenfalls austauschaktive oder adsorbierende Bindemittelbereiche einstellen. Es können als Bindemittel auch organische Vorpolymere eingesetzt werden, so Polysaccharide wie Dextrine oder Polyalkohole wie Polyvinylalkohol. Ein kennzeichnendes Merkmal des zeitweiligen Bindemittels ist dessen leichte Entfernbarkeit und Lösbarkeit und Unschädlichkeit, wobei seine Ausschwemmung bevorzugt mittels temperiertem Wasser erfolgt. Der zeitweilige Verschluß der Öffnungen oder die Umhüllung des Hüllkörpers kann auch durch wiederentfernbare Folien aus löslichen Kunststoffen erfolgen.

Es ist auch von Vorteil, den Granalien innerhalb des Hüllkörpers gegebenenfalls feinfasrige und/oder feindisperse wärmeleitende Bestandteile zuzufügen, etwa in Form von Whiskern oder Fasern eines kohlenstoffhaltigen Materials, die unterhalb der Hauptabmessung der Granalien liegen, jedoch trotzdem über wärmeleitende Brücken mit den Hüllkörpern in Verbindung stehen. Derartige Brücken können gegebenenfalls auch aus zusätzlich verformten, streifen-, faser- oder folienartigen Bestandteilen wärmeleitender Materialien bestehen, deren Hauptabmessungen oberhalb derjenigen der Granalien liegen. Sie können flitter- oder lamettaartig sein und in einer derartigen Menge vorhanden sein, daß die freien Durchströmungsräume nicht wesentlich eingeschränkt werden.

Ein besonderer Gedanke besteht darin, daß sich die Hüllkörper weitgehend unter ihrem Eigengewicht und dem Gewicht der Packung oder Schüttung so verformen, daß insgesamt ein Netzwerk von wärmeleitenden Flächen unter Bildung von isotrop angeordneten Wärmebrücken entsteht. Dabei wird die Stabilität der Packung oder Schüttung wesentlich durch die Granalien selbst bestimmt, wobei die sich verformenden Hüllkörper in der Art einer angenähert dichtesten Kugelpackung im Reaktionsraum vorliegen und für die Strukturstabilität weitgehend funktionslos sind, wohl aber ausgezeichnete Wärmeführungseigenschaften besitzen.

Vom Standpunkt einer ausreichend guten isotropen Wärmeleitung in geschütteten mineralischen Granalien ausgehend, wird zweckmäßig die Hauptabmessung des Hüllkörpers als das 10- bis 20-fache der Hauptabmessung einzelner Granalien festgelegt, die sich im Millimeterbereich bewegen.

Die Erfindung wird beispielhaft näher erläutert. In der zugehörigen einzigen Figur zeigt:

Figur: Die regellose Schüttung des Füllkörpers.

Der Füllkörper besteht aus einem netz- oder käfigartigen, angenähert kugelförmigen Hüllkörper 1, der Öffnungen 3 besitzt. Zum leichteren Einbringen der Granalien 2 besitzen die Öffnungen 3 Durchmesser, die etwa 5- bis 10-fachen eines äquivalenten Durchmessers (dem Volumen-/Oberflächenverhältnis) der Granalien 2 entsprechen. Die Öffnungen 3 entsprechen der Grundfläche von Kugelkalotten und besitzen Durchmesser von mindestens einem Sechstel des Kugeldurchmessers.

Die tonnenkörperförmigen Granalien besitzen einen mittleren Durchmesser von 3 mm und eine mittlere Länge von 6 mm. Die Hauptabmessung des Hüllkörpers 1 beträgt 6 cm, das Maß der Öffnungen 3 hierzu 4 cm.

Bezugszeichenaufstellung

1

Hüllkörper

2

Granalie

3

Öffnung

Claims (11)

1. Verformbarer Füllkörper, der für ein Fluid transparent ist und zur Durchführung von Stoff- und Wärmeaustauschprozessen in Festbetten dient, der gleichzeitig Reaktionsräume ausbildet und in einer Vorrichtung geordnet oder ungeordnet gepackt oder regellos geschüttet wird, gekennzeichnet dadurch, daß dieser

• - vorgeformte mineralische Granalien in einer Kugel-, Zylinder- oder davon abweichenden Geometrie enthält,
• - als Hüllkörper für die Granalien ein vorgeformtes und weiter verformbares, netzartiges und wärmeleitendes Geflecht, Gewirk, Gestrick oder Vlies verwendet wird,
• - innerhalb des Hüllkörpers feinfasrige und/oder feindisperse wärmeleitende Bestandteile enthalten sind, die unterhalb der Hauptabmessung der Granalien liegen,
• - und in diesem zusätzlich verformte streifen-, faser- oder folienartige Bestandteile wärmeleitender Materialien eingeschlossen werden, deren Hauptabmessungen oberhalb derjenigen der Granalien liegen.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Füllkörper einen Rotationskörper runder oder polyedrischer Form darstellt, ein- oder mehrseitig mit Öffnungen versehen ist und die Granalien stoffaustausch- und reaktionsaktiv sind.

3. Füllkörper nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Hüllkörper bevorzugt aus einem unelastischen und biegeschlaffen Material besteht, dessen Strukturstabilität geringer als die Stabilität der bloßen Packung oder Schüttung der Granalien ist.

4. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das wärmeleitende Material bevorzugt ein Metall ist oder einen Verbund mit einem Metall darstellt.

5. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Granalien auch außerhalb der Füllkörper und in den Zwickelräumen einander benachbarter Füllkörper befinden.

6. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Maß der Hauptabmessung des Hüllkörpers das Maß der Hauptabmessung der Granalien bevorzugt um den Faktor 10 bis 20 übersteigt sowie das Maß seiner Öffnungen bevorzugt um das 5- bis 10-fache übersteigt.

7. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen der Hüllkörper und die daran angrenzenden Bereiche der Granalien zeitweilig verschlossen sind und eine zeitweilige und wieder aufhebbare Ganzheit der Hüllkörper und der Granalien bedingen.

8. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß eine räumliche Anordnung mehrerer und einander benachbarter Füllkörper einer dichtesten Kugelpackung oder -schüttung nahekommt.

9. Füllkörper nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Hüllkörper insgesamt oder im Bereich seiner Öffnungen durch ein zeitweiliges, wieder entfernbares Bindemittel verschlossen ist.

10. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Bindemittel bevorzugt auf einer Wasserglasbasis oder einer anderen wasserlöslichen organischen vorpolymeren Grundlage vorliegt.

11. Füllkörper nach Anspruch 7 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Verschluß durch eine Folie erfolgt.