DE10056789A1 - Separator zur Erzeugung von Sauerstoff - Google Patents

Abstract

Es wird ein Separator, der insbesondere für die Erzeugung von Sauerstoff geeignet ist, beschrieben. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Separator ermöglicht die Realisierung eines Separators mit einer nahezu beliebig großen Leistung, wobei eine ausreichende Kühlung sämtlicher stark druckbelasteter metallischer Bauteile realisiert werden kann. Ferner wird ein sicherer und gasdichter Übergang von dem als Membranrohr ausgebildeten Bereich eines Rohres zu den metallischen Bauteilen des Rohres gewährleistet. Des Weiteren können schadhafte Rohre vergleichsweise einfach und schnell ausgewechselt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator, der insbesondere für die Erzeugung von Sauerstoff geeignet ist.

Zur Erzeugung von Sauerstoff wird einer gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen- leitenden Keramikmembran auf der einen Seite (Retentatseite) ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch zugeführt. Auf der anderen Seite der Membran (Permeatseite) kann dann reiner Sauerstoff abgeführt werden.

Der Sauerstoffionentransport durch derartige Keramikmembranen erfolgt jedoch nur dann in der gewünschten Richtung, wenn auf der Retentatseite der Sauerstoff- Partialdruck größer ist als auf der Permeatseite. Bei der Erzeugung von reinem Sauerstoff kann dies dadurch erreicht werden, dass das der Keramikmembran zugeführte Sauerstoff-haltige Gasgemisch komprimiert wird und/oder eine Druckverminderung auf der Permeatseite - also des zu gewinnenden reinen Sauerstoffstromes - realisiert wird.

Der optimale Arbeits- bzw. Wirkungsbereich gängiger Keramikmembranen liegt bei Temperaturen zwischen 700 und 1100°C.

Aus der deutschen Patentanmeldung 100 29 882.6 ist ein Separator zur Erzeugung von Sauerstoff bekannt, bei dem eine Vielzahl von in einem Rohrboden eingehängten Membranrohren parallel zu der Längsachse des Separators angeordnet sind. Durch eine geeignete Führung eines Kühlluftstromes wird bei dieser Separatorkonstruktion erreicht, dass sämtliche stark druckbelasteten metallischen Bauteile ausreichend gekühlt werden.

Die Leistung dieser Separatorkonstruktion wird jedoch zum einen durch die Länge der Membranrohre und zum anderen durch den Durchmesser des Behälter begrenzt. Dies hat zur Folge, dass zum Erreichen bestimmter Leistungen mehrere Separatoren miteinander verschaltet werden müssen, woraus ein hoher Platzbedarf und nicht unerhebliche Kosten für die die einzelnen Separatoren verbindenden Rohrleitungen resultieren. Zudem ist es unumgänglich, dass einige Einbauten dieses Separators aus hochtemperaturbeständigen Sonderstählen gefertigt werden müssen. Des Weiteren ist es in der Regel erforderlich, dass der Separatormantel, der einer vergleichsweise starken Druckbelastung ausgesetzt sein kann, entweder auf seiner Innenseite mit einer wärmeisolierenden Schicht zur Senkung des Temperaturniveaus versehen ist oder aber ebenfalls aus einem Sonderstahl besteht. Wird eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen, ist zusätzlich eine sog. Außenhaut-Temperaturüberwachung erforderlich.

Ferner kann es erforderlich sein, dass in den um den Membranrohren befindlichen Bereichen der Gasräume sog. Turbulenzverstärker vorgesehen werden. Prinzipiell ist bei der in der deutschen Patentanmeldung 100 29 882.6 beschriebenen Separatorkonstruktion eine gleichmäßig Gasströmung in den Gasräumen aufgrund der radialen Zu- bzw. Abführungen der Gasströme und des vergleichsweise geringen Verhältnisses von Höhe zu Durchmesser der Gasräume nur schwierig bzw. nur mit einem vergleichsweise hohen technischen Aufwand zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Separator zur Erzeugung von Sauerstoff anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Separator vorgeschlagen

• - mit einem Separatormantel,
• - mit einem in dem Separatormantel konzentrisch angeordneten Schacht, der einen inneren Gasraum definiert,
• - mit zwei die beiden Enden des Separatormantels verschließende Deckel,
• - wobei jeder Deckel wenigstens zwei Öffnungen aufweist,
• - wobei wenigstens jeweils eine Öffnung jedes Deckels dem Schacht und wenigstens jeweils eine Öffnung jedes Deckels dem äußeren durch den Schacht und den Separatormantel definierten Gasraum zugeordnet ist, mit wenigstens einem Bereich des Separatormantels, der als Rohrboden ausgebildet ist,
• - mit wenigstens einer diesen oder diese Bereiche des Separatormantels abdeckenden Kammer, die wenigstens eine Öffnung aufweist,
• - mit wenigstens einem in dem Rohrboden befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Separatormantel angeordneten Rohr,
• - wobei sich das oder die Rohre durch in der Wand des Schachtes angeordnete Öffnungen hindurch in den inneren Gasraum erstrecken,
• - zumindest teilweise als Membranrohre ausgebildet sind,
• - und der als Membranrohr ausgebildete Bereich des oder der Rohre vorzugsweise in dem inneren Gasraum angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Separators sind Gegenstände der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Separator sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand des in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 Eine seitliche Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators Fig. 2 Eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A durch die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform Fig. 3 Eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B durch die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform Fig. 4 Aufbau und Anordnung eines Membranrohres

Derartige Separatoren - wie in der Fig. 1 dargestellt - sind im Regelfall zylindersymmetrisch aufgebaut. Sie können sowohl stehend als auch in jeder anderen Ausrichtung, beispielsweise liegend, angeordnet werden. Im Folgenden wird die in der Fig. 1 dargestellte stehende Anordnung beschrieben.

Der Separator besteht aus einem Separatormantel 1 (im Folgenden nur mehr als "Mantel" bezeichnet) sowie aus zwei Deckeln 2 und 3, die die beiden Enden des Mantels 1 verschließen. Jeder Deckel 2 und 3 weist wenigstens zwei Öffnungen 14 und 16 bzw. 17 und 19 auf. In der Praxis wird der untere Deckel 3 - entgegen der Darstellung der Fig. 1 - lediglich als Boden ausgebildet sein.

Innerhalb des Mantels 1 ist ein konzentrisch angeordneter Schacht 4, der einen inneren Gasraum 5 definiert, vorgesehen. Durch diesen Schacht 4 sowie den Mantel 1 wird ein weiterer äußerer Gasraum 6 definiert. Jeweils wenigstens eine Öffnung jedes Deckels 2 und 3 ist dem inneren Gasraum 5 - es sind dies die Öffnungen 14 und 19 - bzw. dem äußeren Gasraum 6 - es sind dies die Öffnungen 16 und 17 - zugeordnet.

Am Umfang des Mantels 1 sind in mehreren Etagen Kammern 7 und 7' vorgesehen; diese können beispielsweise - wie in der Fig. 1 dargestellt - einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Diese Kammern 7 bzw. 7' sind vorzugsweise mit einem abnehmbaren Deckel 8 bzw. 8' versehen.

Im Bereich dieser Kammern 7 bzw. 7' ist der Mantel 1 als Rohrboden 21 ausgebildet. In diese als Rohrböden 21 ausgebildeten Bereiche des Mantels 1 sind eine Vielzahl von Rohren 9 eingesteckt, wobei diese nun im Wesentlichen senkrecht zu dem Mantel 1 angeordnet sind.

Durch diese Anordnung der Rohre 9 - also im Wesentlichen senkrecht zu dem Mantel 1 bzw. der Längsachse des Separators - hat deren Länge keinen begrenzenden Einfluss mehr auf die maximale Leistung des erfindungsgemäßen Separators. Da im Prinzip eine beliebige Anzahl von Rohren 9 bzw. von Schichten von Rohren 9 übereinander angeordnet werden können, lässt sich mit nur einem einzigen turmförmigen Separator eine große Leistung erzielen.

Zur Aufnahme der Rohre 9 weisen die Rohrböden 21 vorzugsweise Rohrstücke 10 auf, die in sie eingeschweißt sind und in die die Rohre 9 eingesteckt sind. Die so eingesteckten Rohre 9 werden mit den Rohrstücken 10 dicht verschweißt. Sofern defekte Rohre 9 ausgewechselt werden müssen, können diese nach dem Entfernen der Schweißnaht aus dem Rohrboden 21 entnommen werden. Das beschriebene Verschweißen ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da u. U. gänzlich auf eine feste Verbindung verzichtet werden kann oder zu dem Verschweißen alternative Verbindungsmethoden zur Anwendung kommen können.

Die Rohre 9 erstrecken sich über den äußeren Gasraum 6 durch in der Schachtwand 4 vorgesehene Öffnungen 11 in den inneren Gasraum 5 hinein. Hierbei erstrecken sich die Rohre 9 vorzugsweise über die gesamte Breite des inneren Gasraumes 5.

Die Rohre 9 weisen vorzugsweise im Bereich der in der Schachtwand 4 vorgesehenen Öffnungen 11 zum Zwecke der Abdichtung angebrachte Metallbalge 12 auf, wobei diese mit einem ihrer Enden an den Rohren 9, vorzugsweise gasdicht, befestigt sind. Die Befestigung erfolgt hierbei wiederum vorzugsweise mittels Verschweißen, jedoch sind auch hier alternative Verbindungsmethoden denkbar. Die Rohre 9 sind so im Bereich der Öffnungen 11 gleitend fixiert. Das Vorsehen eines Metallbalges 12 ermöglicht eine ausreichende Sicherung gegen größere Leckagen zwischen dem äußeren Gasraum 6 und dem inneren Gasraum 5, da die Metallbalge 12 mit ihren offenen Enden auf der Wand des Schachtes 4 aufliegen. Denkbar ist auch, dass die offenen Enden der Metallbalge 12 mit der Wand des Schachtes 4 mittels eines geeigneten Mechanismus verbunden werden.

Wie in der Fig. 4 dargestellt, sind die Rohre 9 zumindest teilweise als Membranrohr 13 ausgebildet. Hierbei ist der als Membranrohr 13 ausgebildete Bereich der Rohre 9 in dem inneren Gasraum 5 angeordnet. Es ist darüber hinaus denkbar, dass sich der als Membranrohr 13 ausgebildete Bereich der Rohre 9 auch in den äußeren Gasraum 6 hinein erstreckt.

Der als Membranrohr 13 ausgebildete Bereich der Rohre kann entweder in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran oder in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet sein.

Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Rohr 9 wird dar als Membranrohr 13 ausgebildete Bereich der Rohre 9 an seinen beiden Enden mit je einem Metallrohr von etwa gleichem Durchmesser stoffschlüssig und achsgleich verbunden. Die Rohre 9 sind lediglich an einem ihrer Enden in dem Rohrboden 21 bzw. dem Mantel 1 fixiert, während das jeweils andere Ende, zwar gasdicht verschlossen, aber in axialer Richtung frei dehnbar angeordnet ist, um Spannungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen zu vermeiden. Nicht dargestellt in der Fig. 4 ist eine geeignete Halterung des frei dehnbaren Endes des Rohres 9.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Schnittdarstellungen entlang der Linie A-A (Fig. 2) sowie entlang der Linie B-B (Fig. 3) der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.

Deutlich erkennbar sind die vorgenannten Kammern 7 und 7', die am Umfang des Mantels 1 in mehreren Etagen aufgesetzt sind.

Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kammern 7 bzw. 7' zum Einsatz kommen; ausreichend ist vielmehr, wenn zumindest diejenigen Bereiche des Mantels 1, die als Rohrböden 21 ausgebildet sind, von einer Kammer abgedeckt werden, wobei diese Kammer wenigstens eine Öffnung aufweisen muss. Die erforderlichen Öffnungen sind in den Fig. 1 bis 3 mit der Bezugsziffer 18 versehen.

Anhand der Fig. 1 sei der Betrieb des erfindungsgemäßen Separators bzw. des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Ein heißes, Sauerstoff-haltiges Gasgemisch wird dem erfindungsgemäßen Separator über Leitung 22 und die in dem unteren Boden 3 vorgesehene Öffnung 14 dem Schacht 4 zugeführt. Das Sauerstoff-enthaltende Gasgemisch weist bei einem Druck von 15 bar eine Temperatur von 850°C auf. Die Erzeugung eines derartigen Gasgemisches kann bspw. in einer Brennkammer unter Frischluftüberschuss erfolgen. Dieses Gasgemisch umströmt nunmehr den als Membranrohr 13 ausgebildeten, in den Schacht 4 hineinreichenden Bereich der Rohre 9. Dabei gelangt reiner Sauerstoff in das Innere 15 der Rohre 9, in denen der Sauerstoff-Partialdruck mit einem Wert von bspw. 0,2 bar wesentlich niedriger als in dem Schacht 4 ist. Der in das Innere 15 der Rohre 9 gelangte Sauerstoff wird aus den Rohren 9 abgeführt und dabei auf eine Temperatur von ca. 250°C abgekühlt.

Diese Abkühlung wird dadurch erreicht, dass über die Leitung 25 und die Öffnungen 16 Frischluft, die bei einem Druck von 15,5 bar eine Temperatur von 130°C aufweist, in den äußeren Gasraum 6 geführt wird. Die gegen den abzukühlenden heißen Sauerstoffstrom im Inneren 15 der Rohre 9 auf eine Temperatur von ca. 250°C aufgewärmte Luft wird anschließend durch die Öffnungen 17 und über die Leitung 26 aus dem Separator abgezogen und ggf. der bereits erwähnten Brennkammer zum Zwecke der Erzeugung des Sauerstoffhaltigen Gasgemisches zugeführt.

Aus den Kammern 7 und 7' wird der so abgekühlte reine Sauerstoffstrom bei einem Druck von 0,2 bar und einer Temperatur von im Mittel 250°C über die in den Deckeln 8 und 8' angeordneten Öffnungen 18 sowie die Leitung 23 abgezogen. Aus dem Schacht 4 wird über die Öffnung 19 und über Leitung 24 ein an Sauerstoff abgereichertes heißes Gasgemisch abgezogen und ggf. einer weiteren energetischen Nutzung zugeführt.

Der Rohrboden 21, der einem Druckunterschied von 15,3 bar ausgesetzt ist, wird bei der erfindungsgemäßen Separatorkonstruktion auf eine maximale Temperatur von 250°C aufgeheizt.

Bei der erfindungsgemäßen Separatorkonstruktion herrscht zudem auf der Außenseite der Rohre 9 der höhere Druck. Dies ist von Vorteil, da im Allgemeinen die Druckfestigkeit von Keramik höher ist als deren Zugfestigkeit.

Den erfindungsgemäßen Separator weiterbildend wird vorgeschlagen, dass auf der Innenseite des Schachtes 4 und/oder auf der Außenseite des Separatormantels 1 eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist.

Im Gegensatz zu der in der deutschen Patentanmeldung 100 29 882.6 beschriebenen Separatorkonstruktion ist das Vorsehen einer wärmeisolierenden Schicht auf der Innenseite des Mantels 1 auch dann nicht erforderlich, wenn dieser nicht aus einem Sonderstahl gefertigt wird. Wird auf der Innenseite des Schachtes 4 eine wärmeisolierende Schicht angeordnet, so muss dieser nicht aus einem Sonderstahl gefertigt werden. Im Regelfall werden jedoch die Rohre 9 aufgrund der entsprechenden hohen Temperatur aus einem Sonderstahl hergestellt sein müssen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Separators zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zum Kompensieren der unterschiedlichen axialen Wärmedehnung des Schachtes 4 und des Mantels 1 vorgesehen sind.

Diese Mittel können beispielsweise in Form eines Kompensators 20 - wie er in der Fig. 1 dargestellt ist - ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Separator schafft eine Konstruktion, bei der die Länge der Membranrohre keinen begrenzenden Einfluss mehr auf die Leistung des Separators hat. Aufgrund der erzielten hohen Gasgeschwindigkeiten sowohl in dem Gasraum 5 als auch in dem Gasraum 6 und der querangeströmten Rohre werden hohe Wärme- und Stoffübergänge gewährleistet, so dass der Einsatz von Turbulenzverstärkem nicht erforderlich ist. Eine über den gesamten Strömungsquerschnitt gleichmäßige Gasströmung kann in den vorgenannten Gasräumen ohne einen erhöhten technischen Aufwand gewährleistet werden.

Der erfindungsgemäße Separator ermöglicht zudem die Realisierung einer ausreichenden Kühlung sämtlicher stark druckbelasteter metallischer Bauteile. Ferner wird ein sicherer und gasdichter Übergang von dem als Membranrohr ausgebildeten Bereich eines Rohres zu den metallischen Bauteilen des Rohres gewährleistet. Des Weiteren können schadhafte Rohre vergleichsweise einfach und schnell ausgewechselt werden. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Separator so konventionell als möglich aufgebaut, so dass der Anteil der keramischen Bauteile gering gehalten werden kann.

Neben den erwähnten Membrantypen eignet sich der erfindungsgemäße Separator auch für den Einsatz anderer Membranen, die in der vorbeschriebenen Art und Weise in die Separatorkonstruktion integrierbar sind.

Claims (8)

1. Separator
mit einem Separatormantel (1),
mit einem in dem Separatormantel (1) konzentrisch angeordneten Schacht (4), der einen inneren Gasraum (5) definiert,
mit zwei die beiden Enden des Separatormantels (1) verschließende Deckel (2, 3),
wobei jeder Deckel (2, 3) wenigstens zwei Öffnungen (14, 16, 17, 19) aufweist,
wobei wenigstens jeweils eine Öffnung (14, 19) jedes Deckels (2, 3) dem Schacht (4) und wenigstens jeweils eine Öffnung (16, 17) jedes Deckels (2, 3) dem äußeren durch den Schacht (4) und den Separatormantel (1) definierten Gasraum (6) zugeordnet ist,
mit wenigstens einem Bereich des Separatormantels (1), der als Rohrboden (21) ausgebildet ist,
mit wenigstens einer diesen oder diese Bereiche des Separatormantels (1) abdeckenden Kammer (7, 7'), die wenigstens eine Öffnung (18) aufweist,
mit wenigstens einem in dem Rohrboden (21) befestigten, im Wesentlichen senkrecht zu dem Separatormantel (1) angeordneten Rohr (9),
wobei sich das oder die Rohre (9) durch in der Wand des Schachtes (4) angeordnete Öffnungen (11) hindurch in den inneren Gasraum (5) erstrecken,
zumindest teilweise als Membranrohre (13) ausgebildet sind,
und der als Membranrohr (13) ausgebildete Bereich des oder der Rohre (9) vorzugsweise in dem inneren Gasraum (5) angeordnet ist.

2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (13) ausgebildete Bereich der Rohre (9) in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran ausgebildet ist.

3. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (13) ausgebildete Bereich der Rohre (9) in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet ist.

4. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem als Rohrboden (21) ausgebildeten Bereich des Separatormantels (1) Rohrstücke (11) angeordnet sind, an denen die Rohre (9) befestigbar sind.

5. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der in der Wand des Schachtes (4) angeordneten Öffnungen (11) die Rohre (9) an ihnen angebrachte Metallbalge (12) aufweisen, wobei diese mit einem ihrer Enden an den Rohren (9), vorzugsweise gasdicht, befestigt sind.

6. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den oder die Bereiche des Separatormantels (1), die als Rohrboden (21) ausgebildet sind, abdeckenden Kammern (7, 7') einen abnehmbaren Deckel (8, 8') aufweisen.

7. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Kompensieren der axialen Wärmedehnung des Schachtes (4) vorgesehen sind.

8. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator zylindersymmetrisch aufgebaut ist.