DE102013110314A1

DE102013110314A1 - Verfahren zur Ammoniaksättigung von festen Materialien und entsprechende Anordnung

Info

Publication number: DE102013110314A1
Application number: DE102013110314.6A
Authority: DE
Inventors: Alice Pigeon; Régis Panozzo
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: FR2996221B1; DE102013110314B4; US20140093444A1; US9108857B2; FR2996221A1

Abstract

Das Verfahren umfasst die nachfolgenden Schritte: – Anordnen des festen Materials (3) in Kontakt mit einer gekühlten Fläche (23), wobei das feste Material (3) als dünne Schicht mit einer Dicke von unter 100 mm an die gekühlte Fläche (23) gebracht wird; – Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material (3), während das feste Material (3) mit der gekühlten Fläche (23) in Kontakt steht.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Ammoniaksättigung von festen Materialien, wie etwa Metallsalzen.
Insbesondere betrifft die Erfindung nach einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Ammoniaksättigung eines festen Materials, das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann, wobei das Material aus festen Teilchen besteht.
Die WO 2010/118 853 beschreibt ein Verfahren, bei dem das feste Material in ein Bad mit flüssigem Ammoniak gelegt wird, wobei dieses Bad gerührt und unter einem Gasdruck zwischen 4 und 10 bar gehalten wird. Die Absorption von Ammoniak durch das feste Material ist eine exotherme Reaktion. Darüber hinaus ist es bekannt, dass die Erhöhung der Temperatur des Speichermaterials dazu beiträgt, die Ammoniak-Absorptionsreaktion des Speichermaterials zu begrenzen. Um die Temperaturerhöhung zu begrenzen bzw. zu verhindern, wird dem Bad ein Überschuss an flüssigem Ammoniak zugeführt, das unter der Einwirkung von Wärme verdunstet, die durch die Absorptionsreaktion freigesetzt wird. Das gasförmige Ammoniak wird abgeführt und rückgewonnen. Alternativ wird der Überschuss an flüssigem Ammoniak durch ein anderes bekanntes Kühlmittel ersetzt.
Ein solches Verfahren ist wirkungsvoll, erfordert jedoch technisch aufwendige Einrichtungen. Die Produktionskapazität ist begrenzt.
In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung darauf ab, ein Sättigungsverfahren bereitzustellen, bei dem einfachere Einrichtungen Anwendung finden und das eine kontinuierliche Erzeugung ermöglicht und mit dem somit höhere Produktionskapazitäten erreicht werden können.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ammoniaksättigung eines Materials, das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann, wobei das feste Material aus festen Teilchen besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen des festen Materials in Kontakt mit einer gekühlten Fläche, wobei das Material in einer dünnen Schicht mit einer Dicke von unter 100 mm an die gekühlte Fläche gebracht wird; – Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material, während das feste Material mit der gekühlten Fläche in Kontakt steht.
Dadurch, dass eine Schicht festen Materials mit begrenzter Dicke an die gekühlte Fläche gebracht wird, wird eine wirkungsvolle Kühlung des gesamten festen Materials sichergestellt. Die Kälte verbreitet sich problemlos innerhalb der Schicht aufgrund ihrer geringen Dicke. Somit wird das gesamte Material auf einer Temperatur gehalten, die für die Absorption von gasförmigem Ammoniak geeignet ist. Daher ist es nicht erforderlich, das feste Material durch Verdampfen einer Menge flüssigen Ammoniaks abzukühlen.
Dadurch ist es möglich, das Verfahren beträchtlich zu vereinfachen. Das überschüssige Ammoniakgas, das sich aus der Verdunstung ergibt, muss aufgefangen und wieder komprimiert oder abgekühlt werden, um in flüssiges Ammoniak umgewandelt zu werden, und rückgewonnen werden. Dies ist beim Verfahren nach der Erfindung nicht erforderlich.
Darüber hinaus muss das flüssige Ammoniakbad aus der WO 2010/118853 unter erheblichen Druck von Ammoniakgas gehalten werden, was Einrichtungen erfordert, die dazu ausgelegt sind, dem Druck standzuhalten, sowie Mittel zum Steuern des Gasdrucks im Inneren dieser Einrichtungen. Dies ist bei dem Verfahren nach der Erfindung unnötig. Es ist daher denkbar, das Verfahren nach der Erfindung in einfacheren und kostengünstigeren Einrichtungen durchzuführen.
Zudem ist es bei dem Verfahren nach der WO 2010/118853 erforderlich, nach der Sättigung einen spezifischen Schritt auszuführen, während dem der Druck von Ammoniakgas unterbrochen und das restliche Ammoniak vom festen Material getrennt wird. Gemäß der Erfindung besteht keine Notwendigkeit für einen solchen spezifischen Schritt, da die geringe Menge an Ammoniakgas, die nach Sättigung verbleibt, sehr leicht zum Zeitpunkt entweicht, an dem das gesättigte, feste Material aus dem Prozess ausgetragen wird. Dies ermöglicht es, das Verfahren zu beschleunigen, und trägt zu einer erhöhten Produktionskapazität bei.
Das feste Material kann in sämtlichen Arten von Formen vorliegen. Es kann in Form von Pastillen, Blöcken, Kugeln, Pellets, Kies, Granulat, Pulver usw. vorliegen. Diese Elemente können sämtliche Größen und Formen annehmen.
Das Ammoniak-Speichermaterial ist beispielsweise ein Material vom Typ wie in der Patentanmeldung WO 2008/077 652 beschrieben. Das Material ist zum Beispiel ausgewählt aus der unter dem Namen Metallaminkomplexe bekannten Gruppe mit der allgemeinen Formel M_a(NH₃)_nX_z, worin M ein oder mehrere Kationen bedeutet, ausgewählt aus der Gruppe der Alkalimetalle wie Li, La, K oder Cs, der Erdalkalimetalle wie Mg, Ca oder Sr und/oder Übergangsmetalle, wie beispielsweise V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, oder aus Kombinationen dieser Metalle, wie NaAl, KAI, K₂Zn, CsCu oder K₂Fe, wobei X ein oder mehrere Anionen bedeutet, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide, Nitrate, Thiocyanate, Sulfate, Molybdate, Phosphationen, wobei a die Anzahl an Kationen pro Salzmolekül ist, z die Anzahl an Anionen pro Salzmolekül ist und n eine Koordinationszahl zwischen 2 und 12 bedeutet. Beispielsweise ist das Ammoniakspeichermaterial MgCl₂ oder SrCl₂ oder auch CaCl₂ oder ein Gemisch dieser Elemente.
Hierbei sind unter Absorption jegliche Erscheinungen zu verstehen, die unter der Bezeichnung Adsorption, Absorption oder Komplexbildung bekannt sind. Die Ammoniak-Absorptionsreaktionen des Speichermaterials erfolgen bei mäßigen Temperaturen, wobei diese Temperaturen für jedes feste Speichermaterial spezifisch sind. Diese Reaktionen sind reversibel, wobei das Ammoniak bei hoher Temperatur vom festen Material desorbiert wird.
Unter gekühlter Fläche ist hier eine Fläche zu verstehen, die auf einer Temperatur gehalten wird, die für die Ammoniak-Absorptionsreaktion des festen Materials geeignet ist. Die Fläche wird im Allgemeinen durch eine positive Wirkung, typischerweise durch eine Kühlvorrichtung, in einem Temperaturbereich gehalten. Diese Kühlvorrichtung kühlt die Fläche typischerweise durch ein Medium, wie Wasser oder Luft oder jegliches andere geeignete Medium, ab.
Die Fläche wird auf einer Temperatur gehalten, die typischerweise zwischen –33°C und 40°C liegt, beispielsweise zwischen –15°C und 30°C, und vorzugsweise zwischen –10°C und 10°C.
Die aus dem festen Material gebildete Schicht hat eine Dicke von unter 100 mm, vorzugsweise unter 50 mm und besonders bevorzugt unter 10 mm. Die Größe der festen Teilchen wird so gewählt, dass eine gute Verteilung des festen Materials in einer solchen Dicke möglich ist.
Das gasförmige Ammoniak wird so eingespritzt, dass es sich in der gesamten Schicht aus festem Material verteilen kann. Der Ammoniakstrom wird typischerweise durch die gekühlte Fläche hindurch eingespritzt. Alternativ überstreicht der Strom von gasförmigem Ammoniak die Schicht aus festem Material auf einer Seite, die der gekühlten Fläche entgegengesetzt ist, und verbreitet sich von dieser Seite in der Schicht.
Das feste Material wird an der gekühlten Fläche unter Einspritzung von Ammoniakgas während einer Zeit gehalten, die ausreicht, um eine quasi-vollständige Sättigung des festen Materials mit Ammoniak durchzuführen. Typischerweise wird die Sättigung dann als abgeschlossen betrachtet, wenn das feste Material eine Menge an Ammoniak zwischen 90% und 100% der theoretischen Höchstmenge enthält, die dieses absorbieren kann. Die Höchstmenge ist damit eine Funktion der Masse an festen Stoffen und der Anzahl von Ammoniakatomen, die von jedem Molekül des festen Materials absorbiert werden kann. Im Falle von SrCl₂ können acht Ammoniak-Moleküle von jedem Molekül SrCl₂ absorbiert werden.
In der Praxis wird die Sättigung nach wenigen Minuten erreicht, beispielsweise nach 5 min Überstreichen durch den Strom von gasförmigem Ammoniak und in der Regel nach 1 bis 2 min danach.
Das Sättigungsverfahren kann auch ein oder mehrere der nachfolgenden Merkmale, einzeln für sich genommen oder in sämtlichen technisch möglichen Kombinationen, aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung verlagert sich das feste Material entlang der gekühlten Fläche. Mit anderen Worten ist die gekühlte Fläche ortsfest und das feste Material wird bewegt, so dass es sich entlang der gekühlten Fläche verlagert. Das ungesättigte feste Material wird auf ein erstes Ende der gekühlten Fläche aufgebracht. Die Länge der gekühlten Fläche und die Verlagerungsgeschwindigkeit sind so gewählt, dass das feste Material mit Ammoniak gesättigt ist, wenn es das entgegengesetzte Ende der gekühlten Fläche erreicht.
Ein solcher Vorgang ist für ein kontinuierliches Sättigungsverfahren gut geeignet und trägt dazu bei, eine hohe Produktionskapazität erhalten zu können.
Das feste Material wird bezüglich der gekühlten Fläche über jegliche Art von Vorrichtung bewegt: eine Schnecke, bewegliche Räumteile oder jegliche andere Art von Vorrichtung, die ein aus festen Partikeln bestehendes Material verlagern kann. Der Begriff Schnecke schließt in der vorliegenden Erfindung sowohl eine Einschnecken-Vorrichtung, eine Zweischnecken-Vorrichtung mit zwei parallel zueinander verlaufenden Schnecken, oder jegliche Anordnung mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Schnecken ein. Die Schnecke bzw. Schnecken sind in einem Gehäuse aufgenommen, das die gekühlte Fläche begrenzt. Im Falle von Anordnungen mit zwei bzw. mehreren parallel zueinander verlaufenden Schnecken werden diese Schnecken in der gleichen Drehrichtung um ihre jeweiligen Drehachsen angetrieben. Dadurch kann eine gute Durchmischung des festen Materials erhalten werden, das am Umfang der Schnecken umfänglich um die gekühlte Fläche zirkuliert, zusätzlich zur Verlagerung parallel zu der bzw. den Achsen der Schnecke bzw. Schnecken. Die Verweilzeit wird erhöht.
Alternativ wird gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung das feste Material mit der gekühlten Fläche bewegt. Mit anderen Worten ist die gekühlte Fläche beweglich. Sie bewegt sich von einem Punkt, an dem das ungesättigte, feste Material auf die gekühlte Fläche geladen wird, bis zu einem weiteren Punkt, an dem das gesättigte, feste Material von der gekühlten Fläche abgeladen wird. Wie vorangehend sind der Abstand zwischen dem Auf- und dem Abladepunkt und die Geschwindigkeit der Verlagerung des festen Materials so vorgesehen, dass eine vollständige Sättigung des festen Materials mit Ammoniak möglich ist. Wie vorangehend ist eine solche Funktionsweise gut für ein kontinuierliches Verfahren geeignet und trägt dazu bei, die Produktionskapazität zu erhöhen.
Die bewegliche, gekühlte Fläche ist beispielsweise ein Band eines Bandförderers oder entspricht einer Mehrzahl von beweglichen, gekühlten Bechern oder auch jeglicher anderen Art von beweglicher Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bewegt sich das feste Material in einem Gehäuse, in welches Ammoniakgas eingespritzt wird, wobei das feste Material sich kontinuierlich bezüglich des Gehäuses verlagert. Somit ist das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren. Damit ist gemeint, dass das nicht gesättigte, feste Material kontinuierlich an einem Einlass des Gehäuses eingetragen wird und dass das gesättigte, feste Material kontinuierlich an einem Auslass des Gehäuses abgeführt wird. Ein solches Verfahren ermöglicht es, höhere Produktionskapazitäten als mit diskontinuierlichen Aufbereitungsverfahren zu erzielen, bei denen das feste Material in Chargen aufbereitet wird (Verfahren, das unter der Bezeichnung Batchprozess bekannt ist).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren auch einen Schritt des Trocknens des festen Materials durch Erwärmen und einen Schritt des Kühlens des festen Materials umfassen, der in dieser Reihenfolge vor dem Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material erfolgt.
Somit werden in das gleiche Verfahren Prozesse integriert, die im Stand der Technik völlig separat voneinander ablaufen. Dadurch kann das Produktionsverfahren vereinfacht werden.
In diesem Fall bewegt sich das feste Material kontinuierlich von dem Schritt der Erwärmung zum Schritt des Kühlens und dann zum Schritt des Einspritzens eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material. Die Integration dieser verschiedenen Schritte in ein kontinuierliches Verfahren trägt dazu bei, die Produktionskapazität zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Ammoniakgas mit einem absoluten Druck von zwischen 1 und 3 bar eingespritzt.
Mit anderen Worten wird mit begrenztem Druck von gasförmigem Ammoniak gearbeitet. Es ist nicht notwendig, dass die Einrichtungen, in denen das Verfahren durchgeführt wird, bei hohem Gasdruck beständig sind. Die Einrichtungen sind daher einfacher und kostengünstiger. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, bei dem Verfahren nach dem Schritt der Sättigung mit Ammoniak einen Schritt der Druckminderung vorzusehen, um so das feste Material auf einen Druck nahe Atmosphärendruck zurückzubringen. Das feste Material kann direkt aus der Einrichtung entnommen werden, in der die Ammoniaksättigung erfolgt, ohne vorherige Druckminderung. Dies trägt dazu bei, das Verfahren zu beschleunigen und die Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens zu vereinfachen. Zusätzlich kann das Ammoniak leicht bei dem Verfahren zurückgewonnen werden, da der Betriebsdruck im Wesentlichen während des gesamten Prozesses konstant ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Ammoniaksättigung eines festen Materials, das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann, wobei das feste Material aus festen Teilchen besteht, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: – eine gekühlte Fläche; – eine Vorrichtung zum Anordnen des festen Materials in Kontakt mit der gekühlten Fläche, wobei das Material in einer Schicht mit einer Dicke von unter 100 mm an die gekühlte Fläche gebracht wird; – eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material, während das feste Material mit der gekühlten Fläche in Kontakt steht; – vorzugsweise eine Vorrichtung zum Rühren des festen Materials in Kontakt mit der gekühlten Fläche.
Die Anordnung umfasst ferner vorzugsweise eine Vorrichtung zum Sammeln des gesättigten, festen Materials und eine Vorrichtung zum Auffangen und Abführen von restlichem Ammoniakgas nach Beendigung des Sättigungsvorgangs.
Diese Anordnung ist dazu vorgesehen, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
Das feste Material ist von der Art wie oben beschrieben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Anordnung eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des festen Materials, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von festem Material zur Heizvorrichtung und eine Mitnehmervorrichtung auf, welche das feste Material von der Heizvorrichtung zur gekühlten Fläche verlagert.
Wie oben angegeben, können das Trocknen des festen Materials und die Sättigung dieses festen Materials in der gleichen Anordnung erfolgen, was dazu beiträgt, die Produktionskapazität zu erhöhen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung ein Gehäuse, das innen einen rohrförmigen Raum mit einer Mittelachse begrenzt, wobei ein zweiter axialer Abschnitt des rohrförmigen Raums die gekühlten Fläche definiert, wobei das Gehäuse ferner eine axiale Schnecke zum Überführen des festen Materials axial von stromaufwärts nach stromabwärts entlang des zweiten Abschnitts aufweist.
Die Schnecke ist vorzugsweise eine Ein- oder Zweischnecken-Vorrichtung mit parallelen Achsen.
Die Schnecke erstreckt sich entlang der Mittelachse des rohrförmigen Raums. Letzterer hat typischerweise eine im Allgemeinen zylindrische Form.
Die Schnecke weist einen schraubenförmigen Gewindegang um die zentrale Achse auf, wobei Windungen der Schnecke zwischen sich eine spiralförmige Nut begrenzen. Der freie Rand des Gewindes erstreckt sich direkt benachbart zu der Innenfläche des röhrenförmigen Raums, derart dass dann, wenn die Schnecke relativ zu dieser Fläche drehend angetrieben wird, das feste Material axial entlang der Innenfläche mitgenommen wird.
Die Nut hat eine Tiefe, die im Wesentlichen der gewünschten Dicke der Schicht aus festem Material entspricht. Somit ermöglicht die Schnecke, eine Schicht aus festem Material mit einer geeigneten Dicke an der gekühlten Fläche zu halten.
Alternativ könnte das feste Material über Abstreifblätter durch den rohrförmigen Raum getrieben werden, oder durch jede andere geeignete Vorrichtung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der rohrförmige Raum einen ersten axialen Abschnitt mit einer beheizten Fläche, und der zweite Abschnitt weist einen ersten Bereich axial zu dem ersten Abschnitt und einen zweiten Bereich auf, der dem ersten Abschnitt axial gegenüberliegt, wobei die Einspritzvorrichtung Ammoniak in den zweiten axialen Bereich und nicht in den ersten axialen Bereich einspritzt.
Somit entspricht die Heizvorrichtung zum Erhitzen des festen Materials dem ersten axialen Abschnitt des Gehäuses, wobei der zweite axiale Abschnitt die gekühlte Fläche definiert.
Ein solches Gehäuse ist besonders benutzerfreundlich, da es gestattet, in der gleichen Einrichtung sowohl die Heizvorrichtung als auch die Kühleinrichtung zu integrieren. Dadurch ist es sehr kompakt.
Die beheizte Fläche des ersten axialen Abschnitts wird mit jeglichen geeigneten Mitteln erhitzt. Sie wird beispielsweise durch Zirkulation eines Kühlmittels in einem Doppelmantel, beispielsweise Wasser, oder ein Gas oder jegliche andere Art von geeignetem Medium, erhitzt. Alternativ wird sie elektrisch beheizt.
Die axiale Schnecke ermöglicht die Überführung von dem festen Material zunächst axial entlang des ersten Abschnitts und dann entlang des zweiten Abschnitts. So wird beim Verlassen des ersten Abschnitts, in dem die Trocknung erfolgt, das feste Material zunächst einer Kühlung in dem ersten axialen Bereich unterzogen, bevor die Sättigung mit Ammoniak in dem zweiten axialen Bereich beginnt. Dadurch kann die Temperatur des festen Materials auf eine Temperatur gesenkt werden, die für die Sättigungsreaktion geeignet ist.
In allen Fällen wird die Schnecke so betrieben, dass ein Stopfen aus festem Material stromaufwärts des zweiten Abschnitts gebildet wird, um die Ammoniakverluste zu begrenzen.
Dieser Stopfen ist dazu geeignet, um den Durchfluss von in den zweiten Abschnitt eingespritztem Ammoniak nach stromaufwärts zu beschränken, beispielsweise zum ersten axialen Bereich und zum ersten Abschnitt hin, wo die Erwärmung erfolgt. Dieser Stopfen an festem Material entspricht einer Menge an festem Material, das ausreichend komprimiert wird, um den Durchfluss des gasförmigen Ammoniaks zu begrenzen. Eine solche Kompression wird dadurch erhalten, dass die Ganghöhe des Gewindes der Schnecke bereichsweise verkürzt wird. Dieser Stopfen besteht selbst dann, wenn das Gehäuse keinen ersten Heizabschnitt aufweist und nur einen Kühlabschnitt enthält.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sättigungsanordnung ein Gehäuse, das einen inneren Tunnel definiert, in den Ammoniak-Gas eingespritzt wird, und einen Förderer mit einer beweglichen Fläche zum Fördern des festen Materials durch den Tunnel, wodurch die bewegliche Fläche die gekühlte Fläche bildet.
Wie oben angegeben ist, kann die bewegliche Transportfläche ein Band eines Bandförderers sein oder die Becher eines Becherwerks darstellen, usw. Gemäß einem Aspekt der zweiten Ausführungsform umfasst die Anordnung vorzugsweise eine Rührvorrichtung zum Rühren des festen Materials, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Diese Vorrichtung ermöglicht es, die Absorption von Ammoniak durch das feste Material zu vereinfachen.
Die Rührvorrichtung enthält beispielsweise einen Rechen, der mit Zähnen versehen ist, die in das feste Material eintauchen, eine Vibrationsvorrichtung, auf dem Förderband gebildete Ausformungen, usw.
Wie in der ersten Ausführungsform kann die Anordnung eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des festen Materials aufweisen, die in dem Tunnel angeordnet ist oder in Verlagerungsrichtung des festen Materials dem Tunnel vorgelagert ist.
Alternativ kann entweder bei der ersten oder bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Heizvorrichtung zum Erhitzen des festen Materials nicht in dem Gehäuse integriert sein, in dem die Sättigung des festen Materials erfolgt. Das feste Material wird nach dem Erhitzen kontinuierlich in das Gehäuse geführt, wo die Sättigung erfolgt. Alternativ erfolgt das Erhitzen chargenweise in einem diskontinuierlichen Verfahren oder aber kontinuierlich an einer anderen Einrichtung. Das trockene, feste Material wird nach dem Erhitzen in einen Pufferspeicher überführt. Das trockene feste Material wird dann kontinuierlich aus dem Pufferspeicher in das Gehäuse eingetragen, wo die Sättigung erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, die nur beispielhaft und keineswegs einschränkend verstanden wird, und zwar mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Anordnung zur Ammoniaksättigung eines festen Materials gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die eine Heizvorrichtung und eine Kühlvorrichtung aufweist;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Anordnung zur Ammoniaksättigung eines festen Materials gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine schematische Ansicht der Anordnung aus 2.
Die in 1 dargestellte Anordnung 1 ist dazu bestimmt, ein festes Material mit Ammoniak zu sättigen, das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann. Das feste Material 3 liegt in Form von festen Teilchen mit geringer Größe vor, beispielsweise mit einem maximalen Außendurchmesser von unter 1 mm. Die Anordnung 1 umfasst: - einen Extruder 5; – eine Zuführvorrichtung 7 zum Zuführen von nicht mit Ammoniak gesättigtem oder gering mit Ammoniak gesättigtem, festen Material zum Extruder; – eine Vorrichtung 9 zum Sammeln von mit Ammoniak gesättigtem Material, das aus dem Extruder austritt; – eine Vorrichtung 11 zum Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in den Extruder.
Der Extruder 5 umfasst ein Gehäuse 13, das innen einen rohrförmigen, zylindrischen Innenraum 15 begrenzt, und eine rotierende Schnecke 17. Der rohrförmige Raum 15 hat eine zentrale Achse C. Die Schnecke 17 erstreckt sich entlang der zentralen Achse.
Der Innenraum 13 umfasst einen ersten axialen Abschnitt 18, der von einer beheizten Fläche 19 begrenzt wird, und einen zweiten axialen Abschnitt 21, der von einer gekühlten Fläche 23 definiert wird.
Darüber hinaus weist die Anordnung eine Vorrichtung 25 zum Beheizen der Fläche 19 auf. Die Heizeinrichtung 25 umfasst typischerweise einen Doppelmantel 27, der in dem Abschnitt 18 des Gehäuses ausgeführt ist, sowie Mittel 29 zum Zirkulieren eines ersten Wärmeträgermediums in dem Doppelmantel 27. Das in dem Doppelmantel 27 zirkulierende Medium ist mit der Fläche 19 in thermischem Kontakt.
Die Anordnung 1 umfasst ferner eine Kühleinrichtung 31 für die gekühlte Fläche 23. Die Kühlvorrichtung 31 weist einen Doppelmantel 33 auf, der in dem zweiten axialen Abschnitt 21 untergebracht ist, sowie Mittel 35 zum Zirkulieren eines zweiten Wärmeträgermediums in dem Doppelmantel 33. Das in dem Doppelmantel 33 zirkulierende Wärmeträgermedium ist mit der gekühlten Fläche 23 in thermischem Kontakt.
Die Vorrichtung 11 zum Einspritzen des Ammoniakgasstroms umfasst einen Ammoniakgasvorrat 37, eine Vielzahl von Einspritzpunkten 39, die in den Innenraum 15 des Gehäuses münden, eine Dosiereinrichtung 41 und eine Reihe von Rohrleitungen, die einen Auslass des Vorrats 37 mit der Dosiereinrichtung 41 und die Dosiereinrichtung mit den Einspritzpunkten 39 verbinden. Die Dosiereinrichtung 41 stellt beispielsweise eine Reihe von Proportionalventilen dar, wobei jedes Ventil unmittelbar stromaufwärts von einem Einspritzpunkt 39 positioniert ist. Jedes Ventil wird somit einem Einspritzpunkt 39 zugeordnet.
Alternativ ist die Dosiereinrichtung 41 ein einziges Proportionalventil, das für alle Einspritzpunkte 39 vorgesehen ist. Alternativ kann die Dosiereinrichtung 41 eine Dosierpumpe sein. Der Vorrat 37 ist beispielsweise ein Vorratsbehälter. Die Einspritzpunkte 39 sind über die gekühlte Fläche 23 verteilt.
Insbesondere umfasst der zweite axiale Abschnitt 21 einen ersten axialen Bereich 43, der in Richtung des ersten Abschnitts 18 liegt, und einen zweiten axialen Bereich 45 gegenüber dem ersten Abschnitt 18. Der erste axiale Bereich 43 grenzt an den ersten axialen Abschnitt 18 an. Der erste axiale Abschnitt und der erste und der zweite axiale Bereich überdecken zusammen die gesamte axiale Länge des Gehäuses. Die Einspritzpunkte 39 sind nur über den zweiten axialen Bereich 45 verteilt. Sie sind im Wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung um die Achse C und axial entlang des zweiten axialen Bereichs 45 verteilt. Sie enden in Öffnungen, die im Bereich der gekühlten Fläche 23 liegen.
Es mündet kein Einspritzpunkt in den ersten axialen Bereich 43.
Der Innenraum 15 erstreckt sich axial von einem stromaufwärtigen Ende 48 zu einem stromabwärtigen Ende 48'. Das stromaufwärtige und das stromabwärtige Ende 48, 48' sind offen. Der erste Abschnitt 18 mündet über das stromaufwärtige Ende 48 in die Außenumgebung des Gehäuses 13 und der zweite Abschnitt 21 über das stromabwärtige Ende 48'.
Die Schnecke 17 liegt im Innenraum 15 und erstreckt sich axial über dessen gesamte Länge. Die Anordnung weist ferner einen Motor 47 auf, der mit der Schnecke 17 gekoppelt ist und diese Schnecke 17 selektiv in Drehung um die Achse C versetzt.
Die Schnecke 17 ist in dem gezeigten Beispiel eine Einschnecken-Einrichtung mit einem im Wesentlichen zylindrischen Kern 49 und einem Gewinde 51. Das Gewinde kann jegliche Profilarten haben und kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Der Begriff Gewinde entspricht beispielsweise einer Zusammenstellung von Gewinden mit unterschiedlichen Profilen. Die Form der Gewinde kann entlang der Achse C variieren. Der Kern 49 erstreckt sich entlang der Achse C. Seine äußere Umfangsfläche 53 weist radial einen Abstand e (1) relativ zu der gekühlten Fläche 23 auf. Dieser Abstand e bestimmt die Dicke der Schicht aus festem Material, das an die gekühlte Fläche 23 gebracht wird. Die Außenfläche 53 weist im Wesentlichen den gleichen Abstand e gegenüber der beheizten Fläche 19 auf.
Das Gewinde 51 wird von der Fläche 53 getragen. Es ist schraubenförmig um die Achse C gewunden.
Das Gewinde 51 bildet eine Vielzahl von Windungen um die Achse C. Im dargestellten Beispiel bildet es eine erste, eine zweite und eine dritte Gruppe von Windungen 55, 57 59. Die Windungen 55 sind auf dem Teil der Schnecke vorgesehen, der im zweiten axialen Bereich 45 liegt. Die Windungen 59 sind auf dem Teil der Schnecke vorgesehen, der in dem ersten axialen Abschnitt 18 und im ersten axialen Bereich 43 liegt. Die Windungen 57 sind an der Grenze zwischen dem ersten axialen Bereich 43 und dem zweiten axialen Bereich 45 angeordnet. Die Gänge der ersten Gruppe sind durch eine erste Ganghöhe P1 voneinander getrennt. Die Windungen der zweiten Gruppe sind durch eine zweite Ganghöhe P2 voneinander getrennt. Die Windungen der dritten Gruppe sind durch eine dritte Ganghöhe P3 voneinander getrennt. Hier ist unter Ganghöhe der axiale Abstand, der zwei Windungen trennt, zu verstehen. Die Ganghöhe P2 ist viel geringer als die Ganghöhe P1 und P3. So wird im Bereich der zweiten Gruppe von Windungen 57 ein Stopfen aus festem Material geschaffen. In der Tat wird nämlich dadurch, dass die Ganghöhe reduziert ist, das feste Material zwischen den Windungen 57 mehr verdichtet als zwischen den Windungen 55 oder zwischen den Windungen 59. Somit lässt es praktisch kein Ammoniakgas durch, so dass das in den Einspritzpunkten 39 eingespritzte Ammoniakgas praktisch nicht von dem ersten axialen Bereich zum ersten axialen Bereich strömt.
In dem gezeigten Beispiel umfasst die Auffangeinrichtung für das gesättigte, feste Material einen Behälter 61, der an einem Ende des Gehäuses 13 angeordnet ist. Der Vorratsbehälter 61 ist unmittelbar neben dem zweiten axialen Bereich angeordnet. Der Innenraum 15 mündet mit seinem axialen Ende 48' in das Innere des Behälters 61. Der Behälter 61 weist in dem oberen Teil eine Öffnung 63 für das Ableiten von Ammoniakgas auf, das nicht von dem festen Material absorbiert wurde. Diese Öffnung ist über eine Leitung mit dem Ammoniakgasvorrat 37 oder mit jeglichem anderen System zum Auffangen und Aufbereiten von abströmendem Gas verbunden. Das mit Ammoniak gesättigte, feste Material, das aus dem Innenraum 15 über die Schnecke 17 ausgestoßen wird, fällt auf den Boden des Behälters 61.
Die Anordnung kann ein Mittel aufweisen, mit dem das feste Material 3 vom Boden des Behälters 61 kontinuierlich übernommen werden kann, ohne dabei den Behälter 61 zu demontieren. Dieses Mittel ist hier nicht dargestellt.
Die Anordnung kann ein Mittel enthalten, mit dem der mit Ammoniak gesättigte Feststoff kontinuierlich in Form gebracht werden kann, beispielsweise durch eine Düse. Dieses Mittel ist hier nicht dargestellt.
Die Zuführvorrichtung 7 zum Zuführen von nicht gesättigtem, festen Material zum Extruder ist dazu vorgesehen, das feste Material in den Innenraum 15 des Gehäuses einzutragen, und zwar in der Nähe des stromaufwärtigen Endes 48.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Anordnung näher beschrieben.
Im Betrieb wird die Schnecke 17 über den Motor 47 um die Achse C drehend angetrieben. Die Heizvorrichtung 25 hält das erste Wärmeträgermedium in Zirkulation durch den Doppelmantel 27, so dass die Fläche 19 aufgeheizt wird. Parallel dazu hält die Kühlvorrichtung 31 das zweite Wärmeträgermedium in Zirkulation durch den Doppelmantel 33, so dass die Fläche 23 gekühlt wird. Die Vorrichtung zum Einspritzen von Ammoniak spritzt das Ammoniakgas durch die Einspritzpunkte 39 in den zweiten axialen Bereich 45 ein. Das nicht mit Ammoniak gesättigte, feste Material wird in den ersten Abschnitt 18 des Gehäuses an dem stromaufwärtigen Ende 48 des Innenraums eingeführt. Das Gewinde 51 der Schnecke lässt das feste Material axial fortschreiten. Das feste Material wird von der Schnecke gegen die beheizte Fläche 19 gedrückt, wobei die Dicke der Schicht aus festem Material dem radialen Abstand zwischen der Außenfläche 53 und der beheizten Fläche 19 entspricht. Durch die Erwärmung wird das feste Material getrocknet, wobei das gesamte restliche Wasser, das sich in dem festen Material befindet, verdunstet und abgeführt wird. Wenn das feste Material den ersten axialen Abschnitt 43 erreicht, verlässt es die erwärmte Fläche und gelangt in Kontakt mit der gekühlten Fläche 23. Es kühlt schrittweise von einer Temperatur von 100–300°C bis auf eine Temperatur von maximal 40°C ab. Dann erreicht es den zweiten axialen Bereich 45. In diesem zweiten axialen Bereich wird es weiterhin gegen die gekühlte Fläche 23 gedrückt. Dann absorbiert das feste Material das Ammoniakgas, das durch die Einspritzpunkte 39 eingespritzt wurde. Das feste Material neigt dazu, sich aufgrund der durch die Absorptionsreaktion freigesetzten Wärme aufzuheizen, wird jedoch aufgrund des Kontakts mit der gekühlten Fläche 23 abgekühlt. Das feste Material wird durch die Schnecke 17 zu dem stromabwärtigen Ende 48' des Innenraums mitgenommen, der in den Behälter 61 mündet, gegebenenfalls durch eine Düse hindurch. Es fällt in den Behälter 61, während das nicht vom festen Material absorbierte Ammoniakgas durch die Öffnung 63 entweicht.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben.
Es werden nur diejenigen Punkte nachfolgend näher beschrieben, mit denen sich die zweite Ausführungsform von der ersten unterscheidet. Gleiche Teile oder Teile, die in den beiden Ausführungsformen die gleiche Funktion haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem in 2 und 3 gezeigten Beispiel weist die Anordnung keine Heizvorrichtung für das feste Material auf.
Auch enthält die Anordnung 1 keinen Extruder 5. Dieser ist durch einen Bandförderer 65 ersetzt, der dazu vorgesehen ist, das feste Material entlang eines Tunnels 67 zu bewegen, in welchem die Einspritzung von Ammoniakgas erfolgt.
Der Förderer 65 weist ein Band 69 auf, das um zwei Rollen, eine stromaufwärtige Rolle 71 und eine stromabwärtige Rolle 73, gewickelt ist. Das Band 69 weist ein Förderband 75 zum Transportieren des festen Materials auf, das oberhalb der Rollen 71 und 73 liegt, und ein Unterband 77, das sich unterhalb der Rollen befindet. Zumindest eine der Rollen 71, 73 hat einen Motor und treibt das Förderband 75 in einer Längsrichtung an, die mit Pfeil F in 2 veranschaulicht ist. Die Kühlvorrichtung 31 ist zum Kühlen des Bandes 69 vorgesehen.
Die Anordnung umfasst ferner eine U-förmig umgebogene Aluminiumfolie 79 (3). Die Folie 79 bildet somit einen Kanal, der nach oben offen ist und für das Aufnehmen des festen Materials vorgesehen ist. Die Folie 79 liegt auf dem Förderband 75 über einen Boden 81 auf. Sie hat auch zwei Flanken 83, die im Wesentlichen vertikal und longitudinal verlaufen und vom Boden 81 weg aufgerichtet sind. Die Folie 79 definiert innen einen Kanal 85, der längs ausgerichtet ist und in welchen das feste Material 3 eingebracht wird.
Der Tunnel 67 ist oberhalb des Förderbands 75 angeordnet und erstreckt sich in Längsrichtung von einem Einlass 87 zu einem Auslass 89. Der Einlass 87 und der Auslass 89 haben die gleiche U-Form (3). Sie umfassen jeweils einen Hauptbereich 91, der sich in Höhe des Förderbands 75 befindet und senkrecht über zwei vertikale Spalten 93 verlängert ist. Der Hauptbereich 91 lässt das feste Material passieren, das am Boden 81 der Aluminiumfolie aufliegt, und die vertikalen Spalten lassen die beiden Flanken 83 der Aluminiumfolie 79 durchtreten.
Wie in 2 zu sehen ist, enthält die Ammoniakeinspritzvorrichtung 11 mehrere Einspritzpunkte 39, die am Dach des Tunnels 67 angeordnet sind. Wie in 3 zu sehen ist, ist der Tunnel 67 zudem mit einem oder mehreren Rechen 95 ausgestattet, um das feste Material zu vermischen. Jeder Rechen 95 enthält mehrere vertikale, starre Zähne 97, deren freie Enden senkrecht in das feste Material 3 eintauchen. Die Zähne 97 sind starr an der Tunnelstruktur befestigt.
Die Anordnung 1 umfasst weiterhin eine Abfördereinrichtung 99 zum Abfordern des gesättigten, festen Materials. Dieser Förderer wird nicht gekühlt. Er ist in Längsrichtung in der Verlängerung des Förderers 65, hinsichtlich der Bewegungsrichtung des festen Materials, stromabwärts davon, angeordnet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Anordnung näher beschrieben.
Im Betrieb wird das Band 69 um die Rollen 71 und 73 herum so angetrieben, dass das Förderband 75 in Längsrichtung F (von links nach rechts in 2) angetrieben wird. Das Band 101 des Förderers 99 wird in der gleichen Richtung angetrieben. Die U-förmige Aluminiumfolie 79 liegt auf den Bändern 69 und 101 auf und wird längs durch diese Bänder angetrieben. Das Band 69 wird durch die Kühlvorrichtung 25 auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur zwischen –33°C und 40°C, beispielsweise zwischen –15°C und 30°C, vorzugsweise zwischen –10°C und 10°C, gehalten. Die Vorrichtung 7 zum Aufladen des nicht gesättigten, festen Materials legt auf den Boden 81 der Aluminiumfolie eine Schicht aus nicht gesättigtem, festen Material auf. Sie legt das feste Material stromaufwärts des Tunnels 67 in einem Bereich des Förderbands 75 auf, der sich in der Nähe der stromaufwärtigen Rolle 71 befindet. Die Vorrichtung 7 ist dazu vorgesehen, das feste Material am Boden 81 in einer Schicht mit einer Dicke von unter 20 mm im Wesentlichen konstant zu verteilen.
Die Ammoniakeinspritzvorrichtung 11 spritzt das Ammoniak in den Tunnel 67 ein. Das feste Material wird longitudinal von dem Band 69 mitgenommen und tritt über den Einlass 87 in den Tunnel 67 ein. Im Tunnel 67 tritt das Ammoniakgas mit dem festen Material in Kontakt, so dass dieses feste Material das Ammoniakgas absorbiert. Dadurch, dass es in Kontakt mit dem Boden 81 der Aluminiumfolie positioniert wird, der seinerseits auf der gekühlten Fläche des Bandes aufliegt, wird das feste Material nicht übermäßig durch die Wärme erhitzt, die durch die Absorptionsreaktion von Ammoniak freigesetzt wird, und bleibt auf einer mäßigen Temperatur. Das feste Material tritt nach der Absorption von Ammoniak aus dem Tunnel 67 durch den Auslass 89 aus und wird von dem Förderer 99 mitgenommen.
Der im Tunnel 67 angeordnete Kamm 95 ermöglicht es, das feste Material zu durchmischen, und vereinfacht die Absorption von Ammoniak.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/118853 [0003, 0009, 0010]
WO 2008/077652 [0012]

Claims

Verfahren zur Ammoniaksättigung eines festen Materials (3), das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann, wobei das feste Material (3) aus festen Teilchen besteht, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen des festen Materials (3) in Kontakt mit einer gekühlten Fläche (23, 75), wobei das feste Material (3) als dünne Schicht mit einer Dicke von unter 100 mm an die gekühlte Fläche (23, 75) gebracht wird; – Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material (3), während das feste Material (3) mit der gekühlten Fläche (23, 75) in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material (3) sich entlang der gekühlten Fläche (23) verlagert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material (3) sich mit der gekühlten Fläche (23) verlagert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material (3) sich innerhalb eines Gehäuses (13, 67) verlagert, in welches das Ammoniakgas eingespritzt wird, wobei das feste Material (3) sich kontinuierlich gegenüber dem Gehäuse (13, 67) verlagert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniakgas mit einem absoluten Druck zwischen 1 und 3 bar eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Trocknens des festen Materials (3) durch Erwärmen und einen Schritt des Abkühlens des festen Materials (3) umfasst, die in dieser Reihenfolge dem Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material (3) vorausgehen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material (3) sich kontinuierlich vom Schritt des Erwärmens zum Schritt des Abkühlens und dann zum Schritt des Einspritzens des Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material (3) verlagert.
Anordnung zur Ammoniaksättigung eines festen Materials (3), das Ammoniak absorbieren und desorbieren kann, wobei das feste Material (3) aus festen Teilchen besteht, und wobei die Anordnung Folgendes umfasst: – eine gekühlte Fläche (23, 75); – eine Vorrichtung (7, 17) zum Anordnen des festen Materials (3) in Kontakt mit der gekühlten Fläche (23, 75), wobei das Material in einer Schicht mit geringer Dicke von unter 100 mm an die gekühlte Fläche (23, 75) gebracht wird; – eine Vorrichtung (11) zum Einspritzen eines Ammoniakgasstroms in Kontakt mit dem festen Material (3), während das feste Material (3) mit der gekühlten Fläche (23, 75) in Kontakt ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung (19) zum Erwärmen des festen Materials (3), eine Vorrichtung (7) zum Zuführen von festem Material (3) zur Heizvorrichtung (19) und eine Mitnehmervorrichtung (17) aufweist, welche das feste Material (3) von der Heizvorrichtung (19) zur gekühlten Fläche (23) mitnimmt.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (13) aufweist, das innen einen rohrförmigen Raum (15) mit einer zentralen Achse (6) begrenzt, wobei ein zweiter axialer Abschnitt (21) des rohrförmigen Raums (15) die gekühlte Fläche (23) definiert, wobei das Gehäuse (13) ferner eine axiale Schnecke (17) aufweist, welche die Überführung von festem Material (3) axial von stromaufwärts nach stromabwärts entlang des zweiten Abschnitts (21) sicherstellt.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (17) eine Einschnecken-Vorrichtung oder eine Zweischnecken-Vorrichtung mit parallelen Achsen ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Raum (15) einen ersten axialen Abschnitt (18) mit einer beheizten Fläche (19) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (21) einen ersten axialen Bereich (43) zum ersten Abschnitt (18) hin und einen zweiten axialen Bereich (45) gegenüber dem ersten Abschnitt (18) aufweist, wobei die Einspritzvorrichtung (11) das Ammoniak in den zweiten axialen Bereich (45) und nicht in den ersten axialen Bereich (43) einspritzt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (17) dazu vorgesehen ist, einen Stopfen von festem Material stromaufwärts des zweiten Abschnitts (21) zu bilden, um Ammoniakverluste zu begrenzen.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (67) aufweist, das innen einen Tunnel definiert, in welchen das Ammoniakgas eingespritzt wird, sowie einen Förderer (65) mit einer beweglichen Förderfläche zum Fördern von festem Material (3) durch den Tunnel (67) hindurch, wobei die bewegliche Fläche die gekühlte Fläche darstellt.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (95) zum Rühren des festen Materials aufweist, die in dem Gehäuse (67) angeordnet ist.