DE102008032307A1 - Sorptionsmittelsystem zur Entfernung von Wasser aus Luft - Google Patents

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Philip J. West Hartford Birbara
Timothy West Stafford Nalette
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Abstract

Ein Sorptionsmittelsystem (8) weist einen porösen Polymerträger (26) und ein Sorptionsmittel (30) inl (30) weist beispielsweise ein tertiäres Amin auf, wie Triethanolamin.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft Sorptionsmittelsysteme, und insbesondere Sorptionsmittelsysteme zur Entfernung von Wasser aus Luft.
  • Konventionelle Sorptionsmittel, wie zeolithische Molekularsiebe, Silicagel oder Ton, sind allgemein bekannt und werden zur Entfernung von Wasser und/oder Kohlendioxid aus Luft verwendet. Diese konventionellen Typen von Sorptionsmitteln haben, obwohl sie wirksam sind, mehrere Nachteile, die eine weit verbreitete Anwendung beschränken. Beispielsweise binden konventionelle Sorptionsmittel das adsorbierte Wasser stark, was eine Regenerierung schwierig oder zu ineffizient macht, um praktikabel zu sein. Beispielsweise beträgt die Bindungsenergie (d. h. die Adsorptionswärme) von Wasser etwa 4190 kJ/kg (1800 btu/lb) für einen Zeolithen und 3026 kJ/kg (1300 btu/lb) für Silicagel. Nach dem Erreichen der vollen Beladefähigkeit bzw. Adsorptionskapazität kann das Sorptionsmittel in einem Regenerierungsschritt bei einer relativ hohen Temperatur, wie 150°C (302°F) bis 190°C (374°F), erhitzt werden, um die Bindungsenergie zu überwinden und einen Teil der Adsorptionskapazität zurückzugewinnen. Wegen der erhöhten Bindungsenergien kann keine vollständige Desorption des adsorbierten Wassers auftreten. Das Sorptionsmittel kann dann aufgrund von adsorbiertem Restwasser in nachfolgenden Adsorptionszyklen weniger wirksam sein. Alternativ kann das Sorptionsmittel ausgemustert und durch neues Sorptionsmittel ersetzt werden. Daher können konventionelle Sorptionsmittel eine beträchtliche Wärmeenergie oder beträchtliche Ausgaben für Ersatz erfordern.
  • Dementsprechend wird ein Sorptionsmittelsystem benötigt, das eine Entfernung von Wasser und relativ niedrige Regenerationstemperaturen bereitstellt. Diese Erfindung geht jene Erfordernisse an, vermeidet aber die Unzulänglichkeiten und Nachteile des Stands der Technik.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein beispielhaftes Sorptionsmittelsystem weist einen porösen Polymerträger und ein Sorptionsmittel in dem porösen Polymerträger auf. Beispielsweise weist das Sorptionsmittel ein tertiäres Amin, wie Triethanolamin, auf.
  • Gemäß einem anderen Aspekt weist das Sorptionsmittelsystem einen porösen Polymerträger und ein Sorptionsmittel in dem porösen Polymerträger auf, wobei das Sorptionsmittel eine Regenerationstemperatur hat, die geringer als 60°C (140°F) ist.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zum Regenerieren des Sorptionsmittelsystems weist den Schritt des Desorbierens im Wesentlichen des gesamten Wassers von dem Sorptionsmittel bei einer Temperatur von weniger als etwa 60°C (140°F) auf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform für Fachleute deutlich werden. Die Zeichnungen, die die genaue Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden.
  • 1 veranschaulicht ein Beispiel eines Sorptionsmittelbetts.
  • 2 veranschaulicht ein beispielhaftes Pellet, das in dem Sorptionsmittelbett verwendet wird.
  • 3 ist ein Bereich des beispielhaften Pellets, wobei ein poröser Polymerträger mit immobilisiertem Sorptionsmittel veranschaulicht wird.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNSFORM
  • 1 veranschaulicht ausgewählte Bereiche eines beispielhaften Sorptionsmittelsystems 8 zum Entfernen von Wasserdampf aus Luft in, beispielsweise, einer bewohnbaren Umgebung. In diesem Beispiel weist das Sorptionsmittelsystem 8 ein Sorptionsmittelbett 10 mit einem Einlass 12 zum Einbringen eines Zufuhrluftstroms und einem Auslass 14 zum Entlassen gereinigter Luft auf. Es ist zwar eine bestimmte Anordnung gezeigt, aber es versteht sich, dass das Sorptionsmittelsystem 8 der offenbarten Beispiele nicht auf die veranschaulichte Gestaltung oder die vorgeschlagenen Verwendungen beschränkt ist.
  • Es wird auf 2 Bezug genommen. Das Sorptionsmittelbett 10 weist eine Mehrzahl von Pellets 24 auf. Jedes der Pellets 24 weist einen porösen Polymerträger 26 mit einer Mehrzahl von verbundenen Poren 28 auf. Die Pellets 24 können irgendeine Größe oder Gestalt haben, die zur Verwendung im Sorptionsmittelbett 10 oder einem anderen Sorptionsmittelsystem geeignet ist.
  • 3 veranschaulicht einen Schnitt durch einen Bereich des Pellets 24 und eine der Poren 28. Die Poren 28 enthalten ein darin immobilisiertes Sorptionsmittel 30. Zur Immobilisierung des Sorptionsmittels 30 in den Poren 28 können beispielsweise bekannte Techniken verwendet werden, wie Nassimprägnierung unter Verwendung eines mit dem flüssigen Sorptionsmittel 30 vermischten Lösungsmittelträgers.
  • Das Sorptionsmittel 30 weist die chemische Struktur eines tertiären Amins zum Adsorbieren von Wasserdampf aus einem vorbei strömenden Luftstrom auf. In einem Beispiel ist das tertiäre Amin Triethanolamin, das funktionelle Stellen zum Adsorbieren von Wasser an drei Alkoholstellen (der Moleküleinheit) enthält. Daher ist Triethanolamin wirkungsvoller zur Entfernung von Wasser als viele vorher verwendeten Sorptionsmittel mit weniger funktionellen Stellen. In mindestens einem Beispiel ist das tertiäre Amin-Sorptionsmittel 30 das einzige Sorptionsmittel, das in den Pellets 24 verwendet wird, um eine nahezu vollständige Entfernung von Wasser anzustreben. Es versteht sich, dass das tertiäre Amin-Sorptionsmittel 30 Verunreinigungen, die die Sorptionsmitteleigenschaften nicht beeinflussen, oder Substanzen, die nicht gemessen werden oder nicht nachweisbar sind, enthalten kann. In anderen Beispielen können die Poren 28 zusätzlich ein anderes Sorptionsmittel oder mehrere andere Sorptionsmittel enthalten.
  • Das Material des porösen Polymerträgers 26 und die Größe und Verteilung der Poren 28 sind auf das Entfernen von Wasserdampf bei relativ niedrigen Wasserdampf-Partialdrücken zugeschnitten. Beispielsweise weist der poröse Polymerträger 26 Polymethylmethacrylat auf, das mit einem gewünschten Gesamtporenvolumen, einem gewünschten mittleren Porenradius und einer gewünschten Gesamtoberflächen-Fläche, die auf das Entfernen des Wasserdampfs aus der Luft zugeschnitten sind, hergestellt werden kann. In einem Beispiel ist das Polymethylmethacrylat ein polymeres Sorptionsmittelharz, wie Diaion® HP2MG, das von Mitsubishi Chemical geliefert wird. Andere Typen von Polymethylmethacrylat-Harzen können ebenfalls verwendet werden. In manchen Beispielen kann das Harz gewaschen werden, um unerwünschte Substanzen in den Poren zu entfernen.
  • In einem weiteren Beispiel hat das Polymethylmethacrylat des porösen Polymerträgers 26 spezifisch zugeschnittene charakteristische Eigenschaften für eine mechanische Unversehrtheit und zur Förderung der Entfernung von Wasser. Beispielsweise weist der poröse Polymerträger 26 ein Gesamtporenvolumen von etwa 0,25 bis 0,40 cm3/cm3, einen mittleren Porenradius von etwa 10 nm bis 25 nm und eine Gesamtoberflächen-Fläche von etwa 400 bis 1000 m2/g auf. Der mittlere bzw. durchschnittliche Porenradius schafft den Vorteil, dem Sorptionsmittel 30 zu erlauben, durch die Poren 28 tief in die Pellets 24 einzudringen, so dass jedes Pellet 24 eine relativ hohe Menge des Sorptionsmittels 30 enthalten kann. Der Begriff „etwa", wie er in dieser Beschreibung bezüglich einer gegebenen Eigenschaft verwendet wird, bezieht sich auf eine mögliche Abweichung bzw. Schwankung, wie beispielsweise eine Messungs-Abweichung oder in der Technik normalerweise akzeptierte Schwankungen oder Toleranzen.
  • Das Sorptionsmittel 30 kann in einer gewählten Menge, abhängig von einer gewünschten Kapazität zum Entfernen von Wasser, in jedes der Pellets 24 als Beladung eingebracht werden. In einem Beispiel liegt das Sorptionsmittel 30 in einer Menge von etwa 0,7 bis 1,0 wt/wt (Gewicht/Gewicht) des Trägers 26 vor. In einigen Beispielen verringert das Sorptionsmittelbett 10, unter den obigen Beladungsbedingungen, einen Wasser-Partialdruck von 10 Torr bei einer Temperatur von 20°C auf weniger als 0,2 Torr, was einer Wasser-Adsorptionskapazität von etwa 15 wt/wt% bis 25 wt/wt% entspricht.
  • Das tertiäre Amin des Sorptionsmittels 30 sorgt für eine niedrigere Wasser-Bindungsenergie als früher verwendete Sorptionsmittel. Die niedrigere Bindungsenergie entspricht einer niedrigeren Temperatur, die zum Desorbieren von Wasser von dem Sorptionsmittel 30 während der Regenerierung benötigt wird. Außerdem kann im Wesentlichen das gesamte Wasser in einem Regenerierungsschritt von dem Sorptionsmittel 30 desorbiert werden. Beispielsweise kann im Wesentlichen das gesamte adsorbierte Wasser unter Verwendung einer Regenerationstemperatur, die geringer ist als 60°C (140°F), von dem Sorptionsmittel 30 entfernt werden. In einem weiteren Beispiel beträgt die Regenerationstemperatur etwa 50°C (122°F).
  • Die obige relativ niedrige Regenerationstemperatur schafft den Vorteil, dass sie ein Entfernen im Wesentlichen des gesamten adsorbierten Wassers von dem Sorptionsmittel 30 während eines Regenerationsschritts erlaubt. Das Desorbieren im Wesentlichen des gesamten Wassers von dem Sorptionsmittel 30 erhöht die Wasser-Adsorptionskapazität in nachfolgenden Adsorptionszyklen und erleichtert eine Wasseradsorption bei niedrigen Wasser-Partialdrücken für die nahezu vollständige Entfernung von Wasser aus der Luft. Die Pellets 24 können bei der Regenerationstemperatur für eine vorbestimmte Zeitspanne erhitzt werden, um nahezu das gesamte absorbierte Wasser zu entfernen. Die Zeit kann variieren, beispielsweise in Abhängigkeit von der Menge des verwendeten Sorptionsmittels 30, der Größe der Poren 28 und der Größe der Pellets 24. In einem Beispiel kann die Zeit experimentell bestimmt werden.
  • Gewünschtenfalls kann, zusätzlich zur Verwendung von Temperatur, während der Regenerierung der Wasserdampf-Partialdruck in einer Atmosphäre der Pellets 24 oder des Sorptionsmittelbetts 8 unter die relative Feuchte der Umgebung abgesenkt werden, um beispielsweise die Desorption zu fördern und die Regenerationszeit zu verringern.
  • Die Verifizierung des Ausmaßes der Wasser-Entfernung kann geschätzt oder experimentell bestimmt werden. Beispielsweise ist im Wesentlichen das gesamte adsorbierte Wasser desorbiert worden, wenn das Sorptionsmittelbett 10 (oder die Pellets 24) einem Luftstrom ohne Wasser ausgesetzt wird (werden), und die Konzentration des Wassers in dem Luftstrom nicht nachweisbar ansteigt. Es kann auch andere Wege zur Bestimmung des Ausmaßes der Wasser-Entfernung geben.
  • In den veranschaulichten Beispielen ist zwar eine Kombination von Merkmalen gezeigt, aber es müssen nicht alle von ihnen kombiniert werden, um die Vorteile verschiedener Ausführungsformen dieser Offenbarung zu verwirklichen. Mit anderen Worten, ein gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung konstruiertes System weist nicht notwendigerweise alle der Merkmale, die in irgendeiner der Figuren gezeigt sind, oder alle der Bereiche, die in den Figuren schematisch gezeigt sind, auf. Darüber hinaus können ausgewählte Merkmale einer beispielhaften Ausführungsform mit ausgewählten Merkmalen anderer beispielhafter Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Die vorausgehende Beschreibung ist von beispielhafter anstatt von beschränkender Art. Abwandlungen und Modifikationen an den offenbarten Beispielen, die nicht notwendigerweise vom Wesen dieser Offenbarung abweichen, können für Fachleute deutlich werden. Der Umfang des gesetzlichen Schutzes, der dieser Offenbarung zusteht, kann nur durch ein Studium der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims (17)

  1. Sorptionsmittelsystem (8), aufweisend: einen porösen Polymerträger (26); und ein Sorptionsmittel (30) in dem porösen Polymerträger, wobei das Sorptionsmittel ein tertiäres Amin aufweist.
  2. Sorptionsmittelsystem (8) wie in Anspruch 1 angegeben, bei dem der poröse Polymerträger (26) Polymethylmethacrylat aufweist.
  3. Sorptionsmittelsystem (8) wie in Anspruch 1 oder 2 angegeben, bei dem der poröse Polymerträger (26) ein Porenvolumen von etwa 0,25 bis 0,40 cm3/cm3 aufweist.
  4. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 angegeben, bei dem der poröse Polymerträger (26) Poren mit einem durchschnittlichen Porenradius von etwa 10 nm bis 25 nm aufweist.
  5. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 angegeben, bei dem der poröse Polymerträger (26) eine Gesamtoberflächen-Fläche einschließlich Poren von etwa 400 bis 1000 m2/g aufweist.
  6. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 angegeben, bei dem das tertiäre Amin Triethanolamin aufweist.
  7. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 angegeben, bei dem das Sorptionsmittel (30) im Wesentlichen aus dem tertiären Amin besteht.
  8. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 angegeben, bei dem das tertiäre Amin in dem porösen Polymerträger (26) in einer Menge von etwa 0,7 bis 1,0 wt/wt des Trägers vorliegt.
  9. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 angegeben, bei dem der poröse Polymerträger (26) eine Mehrzahl von Pellets (24) in einem Sorptionsmittelbett (10) aufweist.
  10. Sorptionsmittelsystem (8), aufweisend: einen porösen Polymerträger (26); und ein Sorptionsmittel (30) in dem porösen Polymerträger (26), wobei das Sorptionsmittel eine Regenerationstemperatur von weniger als 60°C (140°F) hat.
  11. Sorptionsmittelsystem (8) wie in Anspruch 10 angegeben, bei dem die Regenerationstemperatur etwa 50°C (122°F) beträgt.
  12. Sorptionsmittelsystem (8) wie in Anspruch 10 oder 11 angegeben, bei dem das Sorptionsmittel (30) in dem porösen Polymerträger (26) in einer Menge von etwa 0,7 bis 1,0 wt/wt des Trägers vorliegt.
  13. Sorptionsmittelsystem (8) wie in einem der Ansprüche 10 bis 12 angegeben, bei dem das Sorptionsmittel (30) ein tertiäres Amin aufweist.
  14. Sorptionsmittelsystem (8) wie in Anspruch 13 angegeben, bei dem das tertiäre Amin Triethanolamin aufweist.
  15. Verfahren zum Regenerieren eines Sorptionsmittelsystems (8) mit einem porösen Polymerträger (26) und einem Sorptionsmittel (30) in dem porösen Polymerträger mit adsorbiertem Wasser, wobei das Verfahren aufweist: (a) Desorbieren im Wesentlichen des gesamten Wassers von dem Sorptionsmittel (30) bei einer Regenerationstemperatur, die weniger als 60°C (140°F) beträgt.
  16. Verfahren wie in Anspruch 15 angegeben, bei dem die Regenerationstemperatur etwa 50°C (122°F) beträgt.
  17. Verfahren wie in Anspruch 15 oder 16 angegeben, außerdem aufweisend ein Verringern eines Wasserdampf-Partialdrucks auf einen Druck, der geringer ist als die relative Feuchtigkeit der Umgebung, um im Wesentlichen das gesamte Wasser von dem Sorptionsmittel (30) zu desorbieren.
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