DE10134904A1 - Apparat zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnischen diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses - Google Patents

Apparat zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnischen diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses

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Abstract

Apparat zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnisch diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses, umfassend eine in seiner Mitte angeordnete, um eine Drehachse drehfähige Prozeßfluidverteileinrichtung, eine Drehantriebseinrichtung für die Prozeßfluidverteileinrichtung, mindestens zwei Prozeßkammern, die die Prozeßfluidverteileinrichtung radial umgeben, eine Prozeßfluidzuführeinrichtung, die mit einem drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung in Fluidverbindung steht, und eine Prozeßfluidabführeinrichtung, die mit dem anderen drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung in Fluidverbindung steht, wobei die Prozeßfluidverteileinrichtung derart gestaltet ist, daß ein über die Prozeßfluidzuführeinrichtung in die Prozeßfluidverteileinrichtung strömendes Prozeßfluid in eine Prozeßkammer bzw. einige der Prozeßkammern gelenkt wird und gleichzeitig ein in der anderen oder den anderen Prozeßkammer(n) befindliches Prozeßfluid über die Prozeßfluidabführeinrichtung entweichen kann, wobei durch Drehen der Prozeßverteileinrichtung mittels der Drehantriebseinrichtung während einer Drehung jede Prozeßkammer mit dem Prozeßfluid beschickbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnisch diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses.
  • Verfahrenstechnisch diskontinuierliche Prozesse sind z. B. die Speicherung von Wärme in Speichersteinen oder Salzschmelzen (Wärmerückgewinnung), die Extraktion von Wert- oder Schadstoffen aus festem Material (z. B. Koffein aus Kaffee) oder die Adsorption von Gasen oder Flüssigkeiten zur Trennung von Gemischen.
  • Derzeitige Systeme zur Einbindung von verfahrenstechnisch diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten in einen kontinuierlichen Gesamtprozeß benötigen eine Vielzahl von Ventilen, Klappen oder Absperrvorrichtungen, wodurch sie komplex und teuer werden.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Probleme zu beseitigen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Apparat zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnisch diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses, umfassend eine in seiner Mitte angeordnete, um eine Drehachse drehfähige Prozeßfluidverteileinrichtung, eine Drehantriebseinrichtung für die Prozeßfluidverteileinrichtung, mindestens zwei Prozeßkammern, die die Prozeßfluidverteileinrichtung radial umgeben, eine Prozeßfluidzuführeinrichtung, die mit einem drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung in Fluidverbindung steht, und eine Prozeßfluidabführeinrichtung, die mit dem anderen drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung in Fluidverbindung steht, wobei die Prozeßfluidverteileinrichtung derart gestaltet ist, daß ein über die Prozeßfluidzuführeinrichtung in die Prozeßfluidverteileinrichtung strömendes Prozeßfluid in eine Prozeßkammer bzw. einige der Prozeßkammern gelenkt wird und gleichzeitig ein in der anderen oder den anderen Prozeßkammer(n) befindliches Prozeßfluid über die Prozeßfluidabführeinrichtung entweichen und/oder in die andere oder die anderen Prozeßkammer(n) gelangen kann, wobei durch Drehen der Prozeßverteileinrichtung mittels der Drehantriebseinrichtung während einer Drehung jede Prozeßkammer mit dem Prozeßfluid beschickbar ist. Dabei kann das Prozeßfluid eine Flüssigkeit, aber auch ein Gas sein.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung einen um die Drehachse drehfähigen Formkörper aufweist, der mittels der Drehantriebseinrichtung drehbar ist, und ein den Formkörper umgebender Zylinder mit mindestens einer Perforation vorgesehen ist. Die Perforation(en) dient/dienen dabei dazu, ein Prozeßfluid in die Prozeßkammern zu lassen.
  • Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß der Formkörper derart gestaltet ist, daß er allein oder mit einem weiteren Element den Zylinder in zwei Zylinderhälften aufteilt und die Zylinderhälften an entgegensetzten axialen Enden abschließt.
  • Zweckmäßigerweise ist entlang der Achse des Zylinders eine Drehwelle angeordnet, die mit dem Formkörper in Verbindung steht und mittels der Drehantriebseinrichtung drehbar ist.
  • Für bestimmte Verwendungen ist vorteilhafterweise jede Prozeßkammer mit mindestens einer Abströmeinrichtung versehen. Eine solche Verwendung ist z. B. die Trennung von Fluidgasgemischen durch Adsorption.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, daß die Abströmeinrichtung ein Flatterventil im radial äußeren Bereich der jeweiligen Prozeßkammer ist. Das Flatterventil bietet ein Öffnen der jeweiligen Prozeßkammer zur Umgebung bzw. Abdichten dagegen.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann ein die Prozeßkammern umgebender Außenmantel mit mindestens einer Prozeßfluidabführeinrichtung vorgesehen sein. Dies ermöglicht ein Gewinnen des austretenden Prozeßfluids.
  • Günstigerweise ist die Prozeßfluidverteileinrichtung herausnehmbar. Dies erleichtert ein Reinigen derselben.
  • Auch kann vorgesehen sein, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung vertikal anordbar ist.
  • Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung horizontal anordbar ist.
  • Schließlich kann vorgesehen sein, daß der Apparat um eine horizontale Achse schwenkbar ist. Dies erleichtert ein Befüllen und Entleeren.
  • Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch das Vorsehen einer Prozeßfluidverteileinrichtung und deren Anordnung die ansonsten erforderlichen separaten Ventile ersetzt werden, wodurch einfachere und kompaktere Systeme zur Durchführung von verfahrenstechnisch nahezu kontinuierlichen Gesamtprozessen möglich werden. Ein derartiges System weist die folgenden Vorteile auf:
    • - weniger störanfällig
    • - häufigere Lastwechsel
    • - längere Standzeit
    • - weniger Totvolumen
    • - beliebige Anzahl von Prozeßkammern
    • - kontinuierlicherer (gleichmäßiger) Gesamtprozeß
    • - höhere Durchsatzmengen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
  • Fig. 1 einen Prozeßablaufplan;
  • Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;
  • Fig. 3 eine perspektivische Teilvertikalschnittansicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Apparates; und
  • Fig. 4 Details von Fig. 3.
  • Fig. 1 zeigt einen Prozeßablaufplan, wobei zur Durchführung des Prozesses ein Apparat 10 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel dient ein den Apparat 10 umfassendes System zur Stickstoff-/Sauerstofftrennung aus der Luft mittels Adsorption. Durch die Pfeile A bis C werden folgende Prozeßströme gekennzeichnet:
    Pfeil A: Prozeßluft
    Pfeil B: N2-reiche Luft
    Pfeil C: O2-reiche Luft.
  • Über einen Verdichter 12 wird die Prozeßluft von oben in eine Prozeßfluidverteileinrichtung 14 in der Mitte des Apparates 10 geleitet. Von dort wird die Prozeßluft durch Perforationen (von denen nur eine mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist) in einem umgebenden Zylinder 18 in zwei Prozeßkammern 20 und 22 gelenkt. Die Prozeßkammern 20 und 22, aber auch die Prozeßkammern 24 und 26 dienen zur Adsorption und Desorption. Sie sind mit einem mikroporösen Adsorbensmaterial 28 gefüllt, welches von der Prozeßluft durchströmt wird und eine Trennung der Luftkomponenten O2 und N2 vornimmt. Die O2- und N2- Komponenten erfahren dabei aufgrund ihrer unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten und/oder ihrer gezielten Adsorption einen je nach Gaseigenschaft unterschiedlichen Rückhalt in dem Adsorbensmaterial. Die Komponente mit dem geringeren Rückhalt (geringer Diffusionskoeffizient in das mikroporöse Adsorbensmaterial und/oder geringere Adsorption an der Oberfläche des Adsorbensmaterials) durchdringt das Adsorbensmaterial und wird durch außenseitige Flatterventile 30 abgeführt (siehe Pfeil B). Die Komponente mit dem größeren Rückhalt verbleibt zum Großteil in oder auf dem mikroporösen Adsorbensmaterial 28. Parallel zu dem in den beiden Prozeßkammern 20 und 22 stattfindenden Adsorptionsprozeß findet durch die mit der Verteilereinrichtung 14 hergestellte Verbindung mit einer Vakuumpumpe 32 in den beiden anderen Prozeßkammern 24 und 26 ein Desorptionsprozeß statt. Die Vakuumpumpe 32 erzeugt hierzu genügend Energie, um die in das Adsorbensmaterial defundierte Komponente wieder herauszulösen und/oder die Adsorption der Komponente an der Oberfläche des Adsorbensmaterial rückgängig zu machen. Das mit der Vakuumpumpe 32 von dem Adsorbensmaterial 28 freigesetzte Prozeßfluid wird über die Prozeßfluidverteileinrichtung 14 aus dem Apparat 10 abgeleitet (siehe Pfeil C). Da die Prozeßfluidverteileinrichtung 14 mittels eines Motors M drehbar ist, unterliegen die Prozeßkammern 20, 22, 24 und 26 zyklisch dem Prozeß der Adsorption und Desorption.
  • Unterschiedliche Gastrennprozesse, wie die Separation von Luft in O2- und N2-Komponenten, gewinnen durch den erfindungsgemäßen Apparat an ökonomischer Attraktivität. Allgemein gebräuchlich für den O2/N2-Trennprozeß sind unterschiedliche Adsorbensmaterialien, vorzugsweise Zeolithe und Aktivkohlen. Die Adsorbensmaterialien unterscheiden sich dabei hinsichtlich eines Einsatzes bei der O2/N2-Trennung durch unterschiedliche Adsorptionscharakteristiken. Bei Verwendung von Zeolithen als Adsorbensmaterial wird ein sauerstoffreicher Produktstrom während des Adsorptionsprozesses gewonnen, währenddessen ein stickstoffreicher Produktstrom während des Desorptionsprozesses gewonnen wird. Wird Aktivkohle zur O2/N2-Trennung eingesetzt, so werden die Produktströme im jeweils anderen Prozeßschritt gewonnen.
  • Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung 14 einen Formkörper 34 aufweist, der mit einer Drehwelle 36 verbunden ist, die über den Motor M antreibbar ist. Der Formkörper 34 trennt aufgrund einer Wand 37 gemeinsam mit der Drehwellen 36 den Zylinder 18 in zwei Zylinderhälften 18a und 18b auf. Außerdem schließt der Formkörper 34 die Zylinderhälfte 18a im unteren Bereich mittels einer halbkreisförmigen Wand 38 und die Zylinderhälfte 18b im oberen Bereich mittels einer halbkreisförmigen Wand 40 ab.
  • Fig. 4 zeigt Details von Fig. 3. Oberhalb der Wand 40 befindet sich eine Zuleitung, von der - und auch nur in dieser Figur - eine Wand 42 angedeutet ist, über die das Prozeßfluid (siehe Pfeil A) in die Prozeßfluidverteileinrichtung 14 eintreten kann. Die Zuleitung ist im Gegensatz zur Prozeßfluidverteileinrichtung 14, die drehbar ist, stationär.
  • Ein den beschriebenen Apparat 10 umfassendes System kann als integrierte Druckwechsel- Adsorptionseinheit den Bedarf an einem schnellen, kompakten, verschleißarmen, anpaßbaren und einfachen Gastrennungsprozeß füllen.
  • Die Drehzahl der Prozeßfluidverteileinrichtung 14 ist durch den frequenzgeregelten Motor M frei wählbar. Die einzustellende Drehzahl ist eine Funktion der Parameter Prozeßvolumenstrom, Größe der Durchlaßquerschnitte, Länge der durchströmten Adsorbensmaterialien, Adsorbensmaterialkinetik und Prouduktgasqualität und vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 60 l/min.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Bezugszeichenliste 10 Apparat
    12 Verdichter
    14 Prozeßfluidverteileinrichtung
    16 Perforation
    18 Zylinder
    18a, 18b Zylinderhälften
    20, 22, 24, 26 Prozeßkammern
    28 Adsorbensmaterial
    30 Flatterventil
    32 Vakuumpumpe
    34 Formkörper
    36 Drehwelle
    37 Wand
    38 Wand
    40, 42 Wand
    M Motor

Claims (13)

1. Apparat (10) zur Durchführung eines aus mindestens zwei verfahrenstechnisch diskontinuierlichen Prozessen oder Prozeßschritten bestehenden verfahrenstechnisch zumindest nahezu kontinuierlichen Gesamtprozesses, umfassend eine in seiner Mitte angeordnete, um eine Drehachse drehfähige Prozeßfluidverteileinrichtung (14), eine Drehantriebseinrichtung für die Prozeßfluidverteileinrichtung (14), mindestens zwei Prozeßkammern (20, 22, 24, 26), die die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) radial umgeben, eine Prozeßfluidzuführeinrichtung, die mit einem drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung (14) in Fluidverbindung steht, und eine Prozeßfluidabführeinrichtung, die mit dem anderen drehaxialen Ende der Prozeßfluidverteileinrichtung (14) in Fluidverbindung steht, wobei die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) derart gestaltet ist, daß ein über die Prozeßfluidzuführeinrichtung in die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) strömendes Prozeßfluid in eine Prozeßkammer bzw. einige (20, 22) der Prozeßkammern gelenkt wird und gleichzeitig ein in der anderen oder den anderen Prozeßkammer(n) (24, 26) befindliches Prozeßfluid über die Prozeßfluidabführeinrichtung entweichen und/oder in die andere oder die anderen Prozeßkammer(n) gelangen kann, wobei durch Drehen der Prozeßverteileinrichtung (14) mittels der Drehantriebseinrichtung während einer Drehung jede Prozeßkammer (20, 22, 24, 26) mit dem Prozeßfluid beschickbar ist.
2. Apparat (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) einen um die Drehachse drehfähigen Formkörper (34) aufweist, der mittels der Drehantriebseinrichtung drehbar ist, und ein den Formkörper (34) umgebender Zylinder (18) mit mindestens einer Perforation (16) vorgesehen ist.
3. Apparat (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (34) derart gestaltet ist, daß er allein oder mit einem weiteren Element den Zylinder (18) in zwei Zylinderhälften (18a, 18b) aufteilt und die Zylinderhälften (18a, 18b) an entgegensetzten axialen Enden abschließt.
4. Apparat (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Achse des Zylinders (18) eine Drehwelle (36) angeordnet ist, die mit dem Formkörper (34) in Verbindung steht und mittels der Drehantriebseinrichtung drehbar ist.
5. Apparat (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Prozeßkammer (20, 22, 24, 26) mit mindestens einer Abströmeinrichtung versehen.
6. Apparat (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmeinrichtung ein Flatterventil (30) im radial äußeren Bereich der jeweiligen Prozeßkammer (20, 22, 24, 26) ist.
7. Apparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Prozeßkammern (20, 22, 24, 26) umgebender Außenmantel mit mindestens einer Prozeßfluidabführeinrichtung vorgesehen ist.
8. Apparat (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) herausnehmbar ist.
9. Apparat (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) vertikal anordbar ist.
10. Apparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßfluidverteileinrichtung (14) horizontal anordbar ist.
11. Apparat (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Apparat (10) um eine horizontale Achse schwenkbar ist.
12. Verwendung eines Apparates (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Durchführung eines Adsorptionsprozesses.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsprozeß zur Durchführung einer Stickstoff-/Sauerstofftrennung aus der Luft dient.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0627252A1 (de) * 1993-06-03 1994-12-07 Taikisha, Ltd. Rotierende Adsorptions/Desorptions-Vorrichtung zur Behandlung von Gas
US5632804A (en) * 1992-08-18 1997-05-27 Jacques Ribesse Process and apparatus for separating constituents of a gas mixture by adsorption

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