DE102013223233A1

DE102013223233A1 - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen

Info

Publication number: DE102013223233A1
Application number: DE102013223233.0A
Authority: DE
Inventors: Wohlrab Sebastian; Tim Peppel; Markus Kraus; Ulf Trommler; Ulf Roland
Original assignee: Leibniz Inst fur Katalyse E V An Der Universitat Rostock; Leibniz-Institut fur Katalyse Ev An Der Universitat Rostock; Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Leibniz Inst fur Katalyse E V An Der Universitat Rostock; Leibniz-Institut fur Katalyse Ev An Der Universitat Rostock; Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21
Also published as: DE102013223233A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen durch eine selektive und reversible Beladung eines Adsorbens (vorzugsweise eines Schüttguts) unter Nutzung der dielektrischen Hochfrequenz-Erwärmung (HF-Erwärmung). Die verwendete Vorrichtung weist mindestens eine so genannte „heiße”, d. h. spannungsführende, Elektrode auf, die von einem HF-Generator gespeist wird, mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte kalte Elektroden auf beiden Seiten der heißen Elektrode, wobei für jede kalte Elektrode in die Masseleitung gelegte Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder vorhanden sind, so dass zwei unterschiedliche Feldstärken zwischen heißer und kalter Elektrode erzeugt werden können. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung an beiden Seiten der heißen Elektrode mindestens zwei HF-transparente Gasführungsbehältnisse mit niedrigem dielektrischem Verlust mit jeweils integriertem Adsorbermaterial.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen durch eine selektive und reversible Beladung eines Adsorbens (vorzugsweise eines Schüttguts) unter Nutzung der dielektrischen Hochfrequenz-Erwärmung (HF-Erwärmung). Vorzugsweise betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtung zur gezielten und selektiven Entfernung von gasförmigen Komponenten wie Sauerstoff, Stickstoff und/oder Schwefelverbindungen aus Gasgemischen. Besonders bevorzugt dienen Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Sauerstoff z. B. aus fossilen und regenerativen Brenngasen wie Erdgas, Grubengasen und fermentativ gewonnenem Bioerdgas, aus chemischen Prozessgasen und aus Inertgasen wie Stickstoff, das einen gewissen Anteil von Fremdgasen enthält.
Die verwendete Vorrichtung weist mindestens eine so genannte „heiße”, d. h. spannungsführende, Elektrode auf, die von einem HF-Generator gespeist wird, mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte kalte Elektroden auf beiden Seiten der heißen Elektrode, wobei für jede kalte Elektrode in die Masseleitung gelegte Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder vorhanden sind, so dass zwei unterschiedliche Feldstärken zwischen heißer und kalter Elektrode erzeugt werden können. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung an beiden Seiten der heißen Elektrode mindestens zwei HF-transparente Gasführungsbehältnisse mit niedrigem dielektrischem Verlust mit jeweils integriertem Adsorbermaterial.
Die technische Verwendung von Ergas und Biogas erfordert in vielen Fällen die Entfernung von für Einsatzverfahren schädlichen und störenden Bestandteilen, wie z. B. Sauerstoff, Stickstoff und/oder Schwefelverbindungen. Insbesondere die Einspeisung von Biogas in Form von Bioerdgas in das Erdgasnetz erfordert nicht nur die Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelverbindungen, sondern in zunehmendem Maße auch die Absenkung noch vorhandener Sauerstoffanteile. Nicht aufbereitetes Biogas enthält bis zu 5000 ppm Sauerstoff. Jedoch sind Restsauerstoffgehalte in der Größenordnung < 10 ppm erstrebenswert (EASEE-Parameterempfehlung für grenzüberschreitende Gastransporte). Derzeitige Grenzwerte bei der Einspeisung in das Gasnetz liegen bei 5000 ppm (feucht) bzw. 30000 ppm (trocken). Darüber hinaus bietet eine Sauerstoffentfernung im Zusammenhang mit chemischen Gaswäschen außerordentlich attraktive prozesstechnische Vorteile. Mit bisherigen, nach dem Stand der Technik zur Verfügung stehenden Aufbereitungsverfahren für Bioerdgas können Sauerstoffanteile, soweit überhaupt entfernbar, nicht für so weitgehende Konzentrationsabsenkungen abgereichert werden. Zusätzlich sind unmittelbare prozesstechnische Vorteile zur spürbaren Verbesserung des Oxidationsverhaltens des eingesetzten Waschmittels zur Kohlendioxidentfernung bei chemischen Aufbereitungsverfahren von größtem praktischem Interesse.
Die Anwendung von festen Adsorbenzien zur Adsorption von störenden Komponenten aus Gasen und Gasgemischen und deren nachfolgende Regenerierung durch Desorption der Komponenten mittels dielektrischer Erwärmung ist ein verbreiteter Prozess in der chemischen Verfahrenstechnik.
Die Anwendung dielektrischer Verfahren zur Regeneration von Adsorbenzien unter Nutzung der Mikrowellen-Erwärmung ist z. B. in US 4,322,394 beschrieben, der Nachteil der Mikrowellen-Erwärmung ist in der inhomogenen Erwärmung und der ausgeprägten Bildung von Hot-Spots zu sehen, die zur thermischen Zerstörung der Adsorbenzien, etwa von Zeolithen führen kann. Darüber hinaus ist der Anwendungsbereich der Mikrowellen-Verfahren auf solche Zeolithe beschränkt, die in ausreichendem Maße Mikrowellenenergie absorbieren. Dies trifft beispielsweise auf hydrophobe, dealuminierte Y-Zeolithe nicht zu, die damit mit Mikrowellen praktisch nicht erwärmbar sind.
GB 704,491 beschreibt eine Anordnung zur dielektrischen Regeneration von Adsorbenzien unter Nutzung zweier isolierter, halbschalenförmig angeordneter Elektroden innerhalb eines Behälters bei einer Frequenz von ca. 10 MHz. Ein wesentlicher Nachteil ist dort darin zu sehen, dass die halbschalenförmige Anordnung eine breite Spanne effektiver Elektrodenabstände mit sich bringt, was eine erhebliche Varianz der Feldstärke nach sich zieht. Eine homogene Erwärmung der Schüttung ist dadurch ausgeschlossen.
DE 20 2008 012 371 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung einer zu regenerierenden Schüttung aus hydrophilen bzw. hydrophoben Zeolithen bei einer Gasadsorption, welche zwischen zwei als Elektroden dienenden Hohlkörpern oder zwischen einer Stabelektrode und einer Außenelektrode in einem schüttungsführenden Hohlkörper angeordnet ist. Auch hier besteht das Problem, dass radiale Anordnungen der Elektroden den Nachteil besitzen, dass die Feldstärke innerhalb der Schüttung nicht konstant ist, sondern mit zunehmendem Radius abfällt. Dadurch ist eine homogene Erwärmung sehr erschwert. Der direkte Kontakt des Schüttguts mit den Elektroden erhöht zudem die Gefahr ungewollter Kurzschlüsse besonders bei zu stark leitfähigem (z. B. zu feuchtem) Dielektrikum.
DE 10 2006 062 651 A1 beschreibt die lokale Verstärkung der dielektrischen Energieabsorption und damit eine stärkere Erwärmung während der Regeneration einer Schüttung durch Zufuhr einer polaren Substanz mit hohem dielektrischen Verlustfaktor wie z. B. Wasser. Getragen durch einen Spülgasstrom kann dadurch eine Wärmefront in der Schüttung erzeugt werden. Anzumerken ist, dass ein Spülgasstrom nunmehr auch die polare Hilfssubstanz enthält und der Zusatz von Fremdstoffen in Gassysteme das Risiko der ungewollten Einführung von Störsubstanzen in technische Systeme erhöht.
Die praktisch vollständige Entfernung von unerwünschten Gasen (z. B. Sauerstoff unter eine Konzentration von 10 ppm) ist für eine Reihe technischer Anwendungen erforderlich, bei denen eine hohe Reinheit des Produktgases erforderlich ist. Eine Reihe von Applikationen lässt nur noch geringe Sauerstoffkonzentrationen im unteren ppm-Bereich zu. Speziell bei höheren Sauerstoffkonzentrationen im Gasgemisch fallen in technischen Anwendungen bei chemisorptiven Verfahren hohe Mengen an erschöpften Scavengern (Reaktionsmitteln) bzw. an auszuschleusenden Reaktionsprodukten an, bzw. der Aufwand zur Generierung erforderlicher chemischer Reaktanden (z. B. Wasserstoff zur katalytischen Umsetzung von Sauerstoff) ist wirtschaftlich nicht vertretbar.
Der hier beschriebenen Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven adsorptiven und/oder absorptiven Entfernung von Komponenten wie Sauerstoff, Stickstoff und/oder Schwefelverbindungen aus Gasgemischen bereitzustellen. Besonders bevorzugt soll ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Entfernung von Sauerstoff aus Gasgemischen gefunden werden, wobei Sauerstoff im Gasgemisch lediglich im Konzentrationsbereich unter 2500 ppm, bevorzugt ≤ 10 ppm bis 10% enthalten sein soll. Das heißt, Verfahren und Vorrichtung sollen geeignet sein, eine in Gasströmen enthaltene Sauerstoffkonzentration abzusenken, z. B. in Brenngasen, die als Brennstoffe verwendet werden, wie Erdgas oder Methangase, auf den Bereich von 0 bis 10 ppm oder für Stickstoffgeneratoren auf den Bereich von 10 bis 2500 ppm.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen.
Gemäß vorliegender Erfindung wird neben dem Verfahren eine Vorrichtung bereitgestellt, die ein Verfahren mit kurzen Zykluszeiten erlaubt, wobei mindestens zwei HF-transparente Gasführungsbehältnisse jeweils mit integriertem Adsorbens verwendet werden, die sich an beiden Seiten zumindest einer heißen Elektrode zwischen jeweils einer kalten Elektrode und dieser heißen Elektrode befinden. Unter Initiierung von wechselnden Wärmestromimpulsen sind eine schnelle Adsorption bzw. Absorption der Komponenten sowie eine schnelle Entladung (Reaktivierung, Desorption) aus dem Adsorbens realisierbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine heiße Elektrode, die vorzugsweise über ein elektronisches Anpassnetzwerk mit einem HF-Generator verbunden ist und von diesem gespeist wird. Weiterhin weist sie mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte kalte Elektroden auf beiden Seiten der heißen Elektrode auf sowie für jede kalte Elektrode in die Masseleitung integrierte Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder. Dadurch können mindestens zwei unterschiedliche Feldstärken zwischen heißer und jeweiliger kalter Elektrode erzeugt werden. Das Adsorbermaterial, das in mindestens zwei HF-transparenten Gasführungsbehältnissen mit niedrigem dielektrischen Verlust angeordnet ist und das geeignet ist, mindestens eine Gaskomponente zu adsorbieren und/oder zu absorbieren, befindet sich auf beiden Seiten der heißen Elektrode, wobei die mindestens zwei Gasführungsbehältnisse jeweils zwischen heißer und kalter Elektrode platziert sind.
Darüber hinaus umfasst die Anordnung bevorzugt mindestens jeweils einen Ein- und Ausgang für die mindestens zwei Gasströme zu den Gasführungsbehältnissen. Die Elektroden sind mit HF-Leitungen angeschlossen. Vorzugsweise sind Ein- und Ausgang in Form von Öffnungen einander gegenüberliegend an den Gasführungsbehältnissen angeordnet. An der Eingangsöffnung können wahlweise Mittel zum Zuführen des Gases (das Gasgemisch wird hier verkürzt als Gas bezeichnet) und an der jeweiligen Ausgangsöffnung Mittel zum Abführen des Produktgases angeordnet sein. Die Mittel zum Zuführen und zum Abführen des Gasgemisches sind derart ausgestaltet, dass sie geeignet sind, einen kontinuierlichen Gasstrom zu realisieren. Weitere Mittel, beispielsweise zum Einbringen von Sensoren oder ähnlichem, sind fachgemäß eingerichtet.
Die Elektroden werden mit einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist, wobei zwei der Elektroden als kalte Elektrode und eine Elektrode als heiße Elektrode fungieren. Als kalte Elektrode werden die geerdeten Elektroden bezeichnet. Vorteilhafterweise können die kalten Elektroden einzeln über Schaltelemente (die man auch als 0%/100%-Dämpfungsglieder bezeichnen kann) und/oder mittels fester oder variabler HF-Dämpfungsglieder (in der Regel ein Kondensator) mit Masse verbunden sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können auch weitere Elektroden und Gasführungsbehältnisse in einer Vorrichtung integriert sein. In einem bevorzugten Falle werden mindestens zwei Elektroden mit einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist.
Zwischen kalter und heißer Elektrode befindet sich jeweils ein Gasführungsbehältnis mit dem Adsorbens. Vorzugsweise sind jedoch eine heiße und zwei kalte Elektroden vorgesehen.
Als Elektroden werden vorzugsweise Stab- oder Plattenelektroden eingesetzt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden parallele Plattenelektroden verwendet. Parallele Plattenelektroden gewährleisten für isotrope Adsorbenzien ein Temperaturprofil mit geringen Gradienten und sind somit für eine homogene Erwärmung am besten geeignet.
Bei der bevorzugt verwendeten planaren Elektrodenanordnung ist demzufolge eine heiße Elektrode mittig zwischen zwei kalten Elektroden angeordnet. Die parallel angeordneten Elektroden bilden so eine Elektrodenanordnung, die keinen räumlichen Feldstärkegradienten zwischen kalter und heißer Elektrode aufweist. Vorteilhafterweise wird das Spaltmaß zwischen Elektroden und Gasführungsbehältnissen so gewählt, dass ein Spannungsdurchschlag im Arbeitsbereich vermieden wird. Ein kleinstmögliches Spaltmaß ist besonders für Adsorbenzien mit geringem dielektrischen Verlustfaktor von Vorteil, um eine ausreichende dielektrische Erwärmung auch bei verhältnismäßig geringen HF-Spannungen (typischerweise bis 4 kV) zu erzielen.
Die Elektroden sind mit dem HF-Generator vorzugsweise über ein elektronisches Anpassnetzwerk, die so genannte Matchbox, verbunden. Das elektronische Anpassnetzwerk erlaubt den Abgleich der variablen Impedanz der Adsorberanordnung an den Innenwiderstand des HF-Generators und ermöglicht somit eine reflexionsfreie Übertragung der HF-Energie vom Generator in die Adsorber-Schüttung. Damit besteht die Möglichkeit einer sehr energieeffizienten dielektrischen Erwärmung des Adsorbers, bevorzugt im HF-Bereich mit Frequenzen von 1 bis zu 300 MHz. Die abgegebene HF-Energie kann dann nahezu vollständig in Prozesswärme umgewandelt werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Frequenzen, die für die Anwendung für den industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bereich freigegeben sind, wobei vorzugsweise die ISM-Bänder (13,56 MHz, 27,12 MHz, 40,68 MHz) zum Einsatz kommen.
Die Elektroden sind vorzugsweise so gestaltet, dass metallische oder nicht HF-transparente Anschlüsse und Übergänge der Gasführungen zumindest nicht von der heißen Elektrodenfläche überstrichen werden.
Erfindungswesentlich ist, dass das Adsorbermaterial in den dielektrisch nahezu HF-transparenten Gasführungsbehältnissen gehalten wird und dass der dielektrische Verlust des Adsorbermaterials bzw. eines geträgerten Adsorbens (z. B. einer Schüttung) deutlich höher ist als der des Behältnisses. Wie im gesamten Text werden die Begriffe Adsorbens bzw. Adsorbermaterial für alle Materialien verwendet, die zur Adsorption und/oder Absorption einer zu eliminierenden Gaskomponente geeignet sind.
Als HF-transparent werden Materialien bezeichnet, die im angewandten Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung einen gegenüber dem Adsorbens wesentlich, zumindest fünfmal, geringeren dielektrischen Verlustfaktor aufweisen. Solche Materialien mit geringem dielektrischen Verlust, die für die Gasführungsbehältnisse Verwendung finden, sind z. B. Quarzglas oder Keramikmaterialien mit hohem SiO₂- oder Al₂O₃-Anteil (> 95 Ma.-%, bevorzugt > 99 Ma.-%). Für geringere Temperaturen bis ca. 200°C eignen sich auch HF-transparente Kunststoffe wie PTFE o. ä. als Materialien mit besonders geringem dielektrischen Verlust. Durch Integration des Adsorbens in ein solches Behältnis wird der Gasstrom gekapselt und von der HF-Anordnung elektrisch isoliert. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass Gasverluste vermieden werden und der Austritt potenziell gefährlicher (z. B. toxischer oder brennbarer) Gasbestandteile verhindert wird.
Es wurde gefunden, dass entsprechend ausgeführte Gasführungsbehältnisse einen vernachlässig bar kleinen Einfluss auf die Homogenität der Feldverteilung innerhalb der bevorzugten planaren Elektroden aufweisen, so dass gekapselte Gasführungen mit homogener Erwärmung vereinbar sind. Die dielektrisch transparenten Gasführungsbehältnisse können z. B. zylinder- oder quaderförmig ausgebildet sein. Es sind aber auch beliebige andere Geometrien möglich, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Anordnungen eingeschränkt wird. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Verwendung zylinderförmiger Behältnisse, da diese bessere Druckfestigkeiten aufweisen. Es konnte überraschenderweise nachgewiesen werden, dass auch innerhalb des runden Querschnitts bei Anordnung zwischen parallelen Elektroden praktisch homogene Felder auftreten, was eine verfahrenstechnisch sehr günstige homogene Erwärmung erlaubt.
Insbesondere für quaderförmige Geometrien können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auch kalte und/oder heiße Elektroden in die Wandungen der Gasführung integriert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Vorrichtung liegen die kalten Elektroden als Segmente vor, wobei die einzelnen Elektrodensegmente gleichzeitig oder einzeln auf Masse schaltbar angeordnet sind. Weiterhin kann in der Masseleitung der Elektroden-Segmente ein HF-Dämpfungsglied ggf. zusätzlich zur Masseschaltung angeordnet sein, so dass der Stromfluss über das jeweilige Segment schalt- bzw. regelbar ist.
Durch die Segmente entstehen entsprechend kleinere kalte Elektrodenflächen und es kommt zur Ausbildung lokal höherer Feldstärken und dadurch höherer Erwärmung des sich innerhalb der Segmente befindlichen Adsorbens, was auch zur Erzeugung einer Wärmefront nutzbar ist. Da die kalte Elektrode in mehrere Segmente geteilt ist und einzeln (oder in Gruppen) weitergeschaltet wird, kann ein durch die Schüttung laufender Wärmeimpuls erzeugt werden, so dass für die Desorption aus dem Schüttgut eine wandernde heiße Zone in der Schüttung entsteht und die HF-Leistung auf die aktive Elektrodenfläche konzentriert wird.
Der Einsatz segmentierter Masse-Elektroden hat ferner den Vorteil, dass dies die Möglichkeit liefert, während der Beladung eine gleichmäßigere Erwärmung des Adsorbens zu erzielen, wobei vorzugsweise im Abstrombereich der Schüttung weniger HF-Energie als im Anstrombereich zugeführt wird. Der Einfluss des zusätzlich aufzuheizenden Gasstroms wird somit reduziert oder vollständig kompensiert. Es können eine segmentweise Temperaturregelung und, insbesondere durch bevorzugte Zwischenschaltung von festen oder variablen Dämpfungsgliedern, eine Erdung erfolgen. Dadurch kann ggf. auf mehrere einzeln regelbare HF-Quellen verzichtet werden. Alternativ können auch ein oder mehrere kalte Elektrodensegmente mechanisch über die Schüttung bewegt werden.
Darüber hinaus kann auch die heiße Elektrode segmentiert ausgeführt werden, wobei jedes Segment, vorzugsweise über eine Impedanzanpassung, mit einem HF-Generator verbunden ist. Die Speisung kann auch über ein Netzwerk geschehen, so dass die heißen Segmente auch einzeln gespeist werden können.
Elektroden und Gasführungsbehältnisse sind bevorzugt in ein Behältnis integriert, das entsprechende Öffnungen für die jeweiligen Zu- und Ableitungen aufweist und die Anordnung gegenüber der Umgebung abschirmt, z. B. thermisch vor Wärmleitung oder Wärmestrahlung in die Umgebung unter Einsatz beispielsweise von Isolierwollen, Perlitschüttungen, metallischen und metallisierten Strahlungschirmen (dazu gehören an sich bekannte Raumfahrtisolierungen, aber auch andere wärmedämmende Isoliermaterialien wie Mineralfasern, mineralische und organische Schäume, Perlite, Aerogele, Vakuumplatten etc.) und/oder elektromagnetisch gegen HF-Abstrahlung, wobei Materialien z. B. aus Kupfer, Silber oder anderen leitfähigen Substanzen Verwendung finden.
Das Adsorbermaterial ist in Abhängigkeit von der zu entfernenden Komponente ausgewählt. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise wird aus Gasgemischen eine oder mehrere Komponente entfernt. Beispielsweise können Sauerstoff, Stickstoff und/oder Schwefelverbindungen aus zu reinigenden Gasgemischen entfernt werden. Das einzusetzende Adsorbens richtet sich nach der jeweiligen Gaskomponente, die aus den Gasgemischen entfernt werden soll. Das Adsorbermaterial liegt vorzugsweise in gastechnisch anwendbarer Form vor, wobei die Größen/Korndurchmesser vorzugsweise im Millimeter-Bereich liegen, um eine gute Durchströmbarkeit zu gewährleisten. Besonders geeignet sind Größen im Bereich vorzugsweise von < 50 mm, besonders bevorzugt < 5 mm, z. B. in Pelletform. Ein Adsorbens kann mit Bindemitteln versehen und/oder auf einem Trägermaterial aufgebracht sein. Liegt das Adsorbermaterial in Form feinkörniger Partikel (mit Durchmessern im nm-Bereich) vor, so wird dieses Material vorzugsweise auf größeren Partikeln geträgert, um einen verfahrenstechnisch günstigen Einsatz im durchströmbaren Bett zu ermöglichen. Im Regelfall eignen sich poröse Trägermaterialien. Solche Trägermaterialien weisen bevorzugt einen mindestens 1,5 fach höheren dielektrischen Verlustfaktor als das Adsorbens auf. Geeignete Trägermaterialien sind z. B. Al₂O₃-Keramikwerkstoffe.
Ergänzend können weitere bauliche Merkmale zur Anhebung der gastechnischen und elektrischen Sicherheit wie Überdrucksicherungen und Berührungsschutz, zur Abschirmung schädlicher Umgebungseinflüsse etc. hinzugefügt werden. Ihre Verwendung ist dem Fachmann im Prinzip bekannt. So können z. B. Wärmeüberträger zur Aufwärmung des Feedgases mit dem Produktgas (Wärmetauscher) sowie übliche Wege-Umschaltungen des Feed-, Produkt- und Spülgas- und ggf. Inertisierungsstroms auf dem jeweiligen Zug angeordnet sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine HF-transparente thermische Isolierung (z. B. aus Quarzglaswolle) des Schüttguts zum Innenmantel des Gasführungsbehältnisses vor, die den Wärmetransport von dem Adsorbens auf den Innenmantel der HF-transparenten Gasführung reduziert.
Andere vorteilhafte Ausgestaltungen umfassen folgende Möglichkeiten:

– Eine druckfeste Kapselung der gesamten Anordnung, so dass die Gasführungen nicht die volle Betriebsdruckfestigkeit aufweisen müssen.
– Die Entladung des Adsorbens (Desorption) kann durch Unterdruck unterstützt werden, wobei beispielsweise eine Pumpe zum Einsatz kommt.
– Mittel zum Einsatz zusätzlicher Wärmequellen, z. B. Abwärme des HF-Generators zum Vorwärmen des Feedgasstroms.
– Eine HF-Abschirmung zur Reduktion unerwünschter Abstrahlungen.
– Ein- und Auslass unter Nutzung eines HF-transparenten Steigrohres, so dass die Gasführung lediglich eine Öffnung aufweist.
– Filterelemente zur Rückhaltung von Partikel-Abrieb des Schüttguts im Gasstrom, vorzugsweise unter Verwendung eines vergleichsweise HF-transparenten Filtermaterials wie z. B. Glaswolle.

Die Temperaturmessung in der Adsorberschüttung bzw. dem Adsorberbett erfolgt bevorzugt mit mindestens einem HF-tauglichen Temperatursensor, z. B. einem faseroptischen Sensor, geschirmten Thermoelementen oder Widerstandsthermometern oder mittels anderer Verfahren, die temperaturabhängige Stoffeigenschaften ausnutzen (Dampfdruck, Dehnung etc.). Vorzugsweise nimmt die gemessene Temperatur nach einem vorgewählten Regime Einfluss auf die Regelung der HF-Leistung.
Bevorzugt wird der Durchbruch des zu adsorbierenden bzw. absorbierenden Gases zum Zwecke der Umschaltung der Züge durch die Gasführungsbehältnisse überwacht. Im Falle von Sauerstoff werden dabei zum Beispiel in Abhängigkeit von der erforderlichen Detektionsgrenze elektrochemische, paramagnetische oder spektroskopische Messverfahren eingesetzt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine quasikontinuierliche selektive Beladung und Entladung eines Adsorbens mit Komponenten aus Gasen gegeben, was bei der Verwendung mehrerer Adsorberteile eine kontinuierliche Prozessführung erlaubt. Ein Gasgemisch wird über die eine Komponente aufnehmende Adsorbersubstanz in dem dielektrisch transparenten Gasführungsbehälter geleitet. Das Adsorbens wird dielektrisch (ggf. wird der Gaststrom vorgewärmt) auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Komponente vom Adsorbens aufgenommen und damit vom verbleibenden Produktgasstrom abgetrennt wird. Anschließend wird der von der Komponente befreite Produktgasstrom abgeführt. Das Adsorbens wird danach dielektrisch weiter erwärmt auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Komponente wieder zu desorbieren, was gegebenenfalls mit Unterstützung eines ggf. vorgewärmten Spülgases geschieht. Beide Erwärmungsstufen können sowohl durch ein konventionelles Erwärmungsverfahren unterstützt oder sogar teilweise von diesem ersetzt werden. Die vom Feststoff desorbierte Komponente wird z. B. mit dem Spülgas oder unter Verwendung von Unterdruck bzw. Vakuum abgeführt. Nach so erfolgter Regenerierung wird erneut Gas zur Entfernung unerwünschter Komponenten eingeleitet. Das Spülgas kühlt in der Regel das Adsorbens ab, ggf. wird das Adsorbens vor erneuter Gaszuführung auf das niedrigere Temperaturniveau weiter abgekühlt. Zwischen Ad-/Ab- und Desorption wird vorzugsweise zyklisch umgeschaltet, so dass eine kontinuierliche Behandlung eines Gasstroms erfolgt.
Beide kalten Masse-Elektroden werden wechselseitig schaltbar auf Masse gelegt, so dass sich zwischen der heißen und der auf Masse liegenden kalten Elektrode ein elektrisches Feld aufbaut, das zur HF-Erwärmung des beladenen Adsorbens auch auf Temperaturen von mehr als 350°C dient, z. B. auf Temperaturen bis zu 500°C.
Bevorzugt wird zur Entladung ein Spülgasstrom verwendet, der die zu adsorbierende und/oder absorbierende Gaskomponenten nicht oder nur in geringer Konzentration enthält (z. B. das behandelte Produktgas, Luft oder ein Inertgas wie N₂ oder CO₂). Das mit der Komponente angereicherte Spülgas wird abgeführt, es kann zusätzlich gleichzeitig auch zur Kühlung der Gasführungen dienen.
Die während der Desorption von dem Adsorbens an das Gasführungsbehältnis abgegebene Wärmemenge wird so gewählt, dass die zulässige Temperaturwechseldifferenz des Materials der Gasführung eingehalten wird. Dies erfordert insbesondere einen hohen Wärmeübergangswiderstand von der Schüttung zur Innenwand zur Realisierung einer geringen Wärmeleitung und ggf. eine schnelle Abführung der Wärme des aufgeheizten Schüttguts durch den Spülgasstrom.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Gasführungen kann ein Gasstrom kontinuierlich behandelt werden, indem gleichzeitig Ad-/Ab- und Desorption stattfinden können. Die zur Beladung erforderliche Schüttungserwärmung durch HF-Energie kann bei kleinerer Leistung vorgenommen werden, wenn die Masseelektroden mit überbrückbaren Dämpfungsgliedern versehen sind, was vorzugsweise als kapazitive Anordnung zur Erhöhung des Blindwiderstands erfolgen kann, so dass unterschiedlich starke HF-Felder auf beiden Seiten der heißen Elektrode anliegen und eine gleichzeitige HF-Erwärmung des beladenden und des entladenden Zugs erfolgen kann, die Temperaturdifferenz der Züge aber > 50 K liegt.
Die schnelle Erwärmung des Adsorbens erlaubt kurze Zykluszeiten für Be- und Entladung (Ad-/Ab- bzw. Desorption), wodurch das erforderliche Schüttungsvolumen für die entsprechende Prozessdimensionierung klein gehalten werden kann.
Vorrichtung und Verfahren berücksichtigen, dass die Temperaturwechselgeschwindigkeit bei der Gasführung begrenzt sein sollte, da viele HF-transparente Werkstoffe nur eine begrenzte Temperaturwechselrate erlauben (z. B. keramische Gasführungen mit max. 5 K/min).
Weiterhin gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, relativ kleine Adsorbensmengen einzusetzen. Aus ökonomischer Sicht erlaubt dies eine gewisse Kompensation für die höheren Kosten durch die HF-Technik.
Die Kapselung des Schüttguts gegenüber den die HF-Hochspannung führenden Bauteilen garantiert eine hohe Betriebssicherheit bezüglich des Explosionsschutzes. Zudem kann eine lokale Wärmefront über eine Schüttung geführt werden, ohne zusätzliche Stoffe zur Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors zuführen zu müssen, wodurch eine potentielle Kontaminationsquelle entfällt.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der sehr hohen realisierbaren Entladungsgeschwindigkeit. Zusammen mit der vergleichsweise kleinen eingesetzten Menge an Adsorbenzien sind dadurch kurze Desorptionszyklen möglich. Dies ist besonders dadurch von Bedeutung, da die Absorption bzw. Adsorption verglichen mit Zeolithen in vielen Fällen (z. B. bei der Sauerstoffentfernung) bei signifikant höheren Temperaturen erfolgen.
Durch eine lokale Anwendung höherer Feldstärken können innerhalb eines Schüttbetts räumlich getrennte Temperaturbereiche herbeigeführt werden.
Besonders bevorzugt werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernung von Sauerstoff aus Gasgemischen eingesetzt. Das Adsorbermaterial besteht dann bevorzugt aus anorganischen Sauerstoffdefizitstrukturen, bei denen Sauerstoff nicht bevorzugt durch Oberflächenadsorption wie z. B. bei Zeolithen aufgenommen, sondern durch selektiven Einbau von Sauerstoff in die Gitterstruktur der Adsorbens (Absorption) gebunden wird.
Vorzugsweise wird ein Adsorbens verwendet, das Primärkristallitgrößen von < 1 μm, besonders bevorzugt von ≤ 100 nm aufweist. Absorbenzien zur Sauerstoffentfernung sind z. B. Perowskite bzw. Metalloxide mit der allgemeinen Formel A_wB_xC_yD_zO_7+δ, wobei A Metalle der seltenen Erden, wie Y bedeuten oder Ca; B Erdalkalimetalle, wie Ba oder Sr; und C und D ein oder mehr Sauerstoff 4-fach-coordinierte Kationen darstellen, wobei mindestens C oder D ein Übergangsmetall ist. Vorzugsweise sind C und D ausgewählt aus Co, Fe, Zn und Al. Weiterhin bedeuten w > 0, x > 0, und unabhängig y ≥ 0, z ≥ 0, und w + x + y + z = 6; sowie 0 < δ ≤ 1,5. Bevorzugt ist w = 1, x = 1, 0 ≤ y ≤ 4, und 0 ≤ z ≤ 4 und y + z = 4. Besonderes bevorzugt ist A = Y, B = Ba, C = D = Co; w = x = 1, y = z = 2. Solche Materialien sind z. B. aus EP 1 900 706 A1 bekannt.
Das Adsorbens kann bevorzugt auf einem Trägermaterial aufgebracht sein, das insbesondere günstige Einsatzeigenschaften in Bezug auf Oberfläche und Strömungswiderstand aufweist. Diese Trägerung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Primärkristallitgrößen sehr klein sind, was den direkten Einsatz als Schüttung aus verfahrenstechnischer Sicht als unvorteilhaft erscheinen ließe. Weiterhin kann das Adsorbens auf ein Trägermaterial aufgebracht werden, das einen höheren dielektrischen Verlustfaktor als das Adsorbermaterial selbst aufweist. Diese Strategie ermöglicht durch die Vielzahl der möglichen Trägermaterialien eine maßgeschneiderte Einstellung des dielektrischen Verlustes des Schüttbettmaterials als Ganzes.
Das Verfahren unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass der selektive Einbau, die Absorption von Sauerstoff in dem Adsorbens in einem unteren Temperaturbereich, bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 200 und 250°C erfolgt, während die Sauerstoff-Freisetzung (Desorption) in einem höheren Temperaturbereich erfolgt, z. B. bei 400°C bis 450°C.
Die Anwendung von Primärkristallitgrößen im Nanobereich von < 1 μm, vorzugsweise ≤ 100 nm, im Adsorbens führt zu sehr hohen Entladungsgeschwindigkeiten, so dass Entladungsprozesse auch im Sekundenbereich durchgeführt werden können. Bisher üblich sind mehrstündige Regenerationsprozesse, wie sie bei der Desorption z. B. aus Zeolithen auftreten. Darüber hinaus sind die gewählten Materialien sehr selektiv. Wie bereits ausgeführt, können die Primärkristallite auf einen geeigneten Träger aufgebracht werden, um ihre verfahrenstechnischen Eigenschaften weiter zu verbessern, ohne dass die angesprochenen Vorteile kleiner Kristallite verloren gehen.
Unter Verwendung von YBaCo₄O_7+δ wurde beispielsweise aus einem im Wesentlichen aus Methan bestehenden Rohgasstrom, der einen Anfangs-Sauerstoffgehalt von 7000 ppm aufwies, nach Reinigung ein Produktgastrom erhalten, der lediglich 5 ppm Rest-Sauerstoff aufwies.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Einstellung der jeweiligen Betriebstemperaturen für den Sauerstoff Ein- und Ausbau in das Schüttgut mit geringem technischen Aufwand, insbesondere mit nur einer und/oder wenigen HF-Spannungsquellen (Generatoren). Damit verbunden ist die Verwendung nur einer oder weniger elektronischer Anpassnetzwerke.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin zur Entfernung von Stickstoff und Schwefelverbindungen eingesetzt. Absorbenzien zur Stickstoffentfernung sind vorzugsweise metallorganische Gerüstverbindungen. Absorbenzien zur Entfernung von Schwefelverbindungen sind vorzugsweise modifizierte Aktivkohlen und/oder Oxide der allgemeinen Formel A_yO_z, bevorzugt mit A = Fe, y = 2, z = 3 und A = Cu, y = z = 1.
Ausführungsbeispiele
Kurze Beschreibung der Figuren
1: Sandwichanordnung einer heißen und zweier kalter Elektroden mit dazwischen angebrachten Gasführungsbehältnissen mit integriertem Adsorbens
2: Sandwichanordnung mit Elektodenumschaltung und HF-Dämpfungsglied
3: Geteilte (segmentierte) Elektroden und Temperaturgradientenerzeugung
4: Thermogravimetrische Sauerstoffaufnahme und -abgabe des Schüttgutes (YBaCo₄O_7+δ)
5: Verlauf des Sauerstoffgehalts (Kreise) in Abhängigkeit von der Temperatur unter Verwendung der Sauerstoffdefizitstruktur (YBaCo₄O_7+δ) im Schüttgut bei konstantem Gesamtstrom nach Öffnen der Sauerstoffzufuhr und Einstellung des Sauerstoffgehalts
Bezugszeichenliste

1: HF-Generator
2: Koaxialkabel
3: Impedanzanpassung
4: HF-Kabel
5: thermische und elektromagnetische Abschirmung
6: kalte Elektrode
7: Partikelfilter/Abstandshalter Schüttung
8: HF-transparente Adsorberführung
9: Schüttgut
10: heiße Elektrode
11: kalte Elektrode
12: Masseleitung 1
13: Erdungspunkt
14: Masseleitung 2
15: Gaszufluss
16: Gaszufluss
17: Gasabfluss
18: Gasabfluss
19: Masseschalter
20: Masseschalter
21: 3-Wege-Umschalter
22: HF-Dämpfungsglied
23: segmentierte kalte Elektrode
24: segmentierte kalte Elektrode
25: HF-Dämpfungsglied
26: aktive Ad-/Absorptionszone
27: aktive Desorptionszone
28: Richtungsvektor der Wärmefront

Ein Realisierungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anordnung ist in den 1 und 2 enthalten. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur selektiven Entfernung von Komponenten aus Gasen. Zwei zylinderförmige HF transparente Gasführungsbehältnisse 8 mit einer viereckigen Grundfläche sind jeweils mit einem Adsorbens 9 sowie Filtermaterialien 7 gefüllt. Eine heiße Elektrode 10 ist mittig zwischen den beiden Gasführungsbehältnissen 8 positioniert. Oberhalb der beiden Gasführungsbehältnisse ist jeweils eine kalte Elektrode 6, 11 platziert. Die heiße Elektrode 10 ist über ein elektronisches Anpassnetzwerk 3 mit einem HF-Generator 1 zur Einspeisung von Spannung definierter Frequenz verbunden. Jede kalte Elektrode 6, 11 besitzt in die Masseleitung gelegte Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder 22, so dass zwei unterschiedliche Feldstärken zwischen heißer und der jeweiligen kalten Elektrode erzeugt werden können. Alternativ oder zusätzlich ist auch der Einsatz von HF-Spannungsteilern möglich, um die Feldstärken in den beiden Bereichen gezielt einzustellen. Durch einen Gaszufluss (vzw. eine Öffnung) 16 strömt ein Gasgemisch in eines der beiden Gasführungsbehältnisse 8 und das Adsorbens wird über die heiße Elektrode dielektrisch erwärmt. Durch einen Gasabfluss 17 verlässt das gereinigte Gas das Behältnis 8. Nach Beladung des Adsorbens 9 im ersten Behältnis wird der zweite Gasführungsbehälter 8 mit dem zu reinigenden Gas über einen Gaszufluss 15 beladen. Gleichzeitig wird das Adsorbens im ersten Behältnis unter Anwendung eines Spülgases und weiterer dielektrischer Erwärmung regeneriert.
Ein weiteres Realisierungsbeispiel ist in 3 aufgeführt. Sie zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung geteilter kalter Elektroden 23.
Insbesondere, wenn das Rohgas nicht die erforderliche Temperatur für die Aufrechterhaltung der Ad- bzw. Absorption aufweist, ist eine dielektrische Erwärmung des Adsorbens erforderlich. Der zuströmende Rohgasstrom kühlt das Adsorbens im Anstrombereich zunächst ab, führt jedoch Wärme von dem Adsorbens ab. In den Folgesegmenten im Abstrombereich genügt durch den nunmehr zunehmend aufgewärmten Gasstrom ein geringerer Wärmeeintrag zur Aufrechterhaltung des Prozesses. Die auf die Adsorber-Segmente abstromseitig eingetragene HF-Leistung wird durch die HF-Dämpfungsglieder in den zugehörigen Elektroden reduziert, so dass ein Überschwingen der Temperatur in dem Adsorbens vermieden und die Länge des Schüttbettes effektiv genutzt wird.
Die Anwendung von segmentierten Elektroden in der Desorptionsphase ist ebenfalls dargestellt. Um insbesondere mit relativ kleiner HF-Leistung eine ausreichend hohe Erwärmung des Adsorbens zu erzielen, werden die kalten Einzelelektroden in Abströmrichtung des Spülgases (bzw. vakuum-saugseitig) einzeln nacheinander auf Masse gelegt. Die kleinere Elektrodenfläche erlaubt höhere Feldstärken. Mit Erreichen der Desorptionstemperatur setzt das Adsorbens das darin gebundene Gas wieder frei, das von einem Spülgasstrom bzw. durch Unterdruck abgeführt wird. Mit Fortschaltung auf das nächste zu desorbierende Segment wird zudem Zeit für das Abkühlen des bereits desorbierten Vorsegments gewonnen, so dass die Zykluszeit reduziert werden kann.
In 4 sind die reversible Sauerstoffaufnahme des Schüttguts (YBaCo₄O_7+δ beinhaltendes sauerstoffdefizitäres Material) und die Sauerstoffabgabe aus dem Material, die bei verschiedenen Heizraten mittels thermogravimetrischer Untersuchung ermittelt wurden, dargestellt.
Das Temperaturprogramm lautete: von 50°C auf 1100°C und umgekehrt, bei 20, 10 und 5 K/min Heiz- bzw. Kühlrate.
Die Aufheizung erfolgt in synthetischer Luft, die Abkühlung in reinem Stickstoffstrom. Die Massenzunahme im Endbereich der Abkühlung erfolgte jeweils durch den Gasstromwechsel von Stickstoff zu synthetischer Luft (Sauerstoffaufnahme in das Material), da die Abkühlung bei den benutzten Kühlraten des Temperaturprogramms nicht schnell genug erfolgen konnte (20 K/min: linear bis ca. 300°C; 10 K/min: linear bis ca. 200°C).
Die maximale Sauerstoffaufnahme wurde bis ca. 300°C (ca. 3 Gew.-%) erreicht, die maximale Sauerstoffabgabe ab ca. 400°C.
5 verdeutlicht dieses Verhalten bei isothermer Reaktionsführung (ab circa 90 Minuten) für die Sauerstoffaufnahme im Reaktor bei einer O₂-Anfangskonzentration von 7000 ppm in Stickstoff. Das reversible Sauerstoffaufnahme-Verhalten der Sauerstoffdefizitstruktur des Schüttguts, welches mittels TG bestimmt wurde, konnte auch im kleintechnischen Reaktorstand detektiert und bestätigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4322394 [0005]
GB 704491 [0006]
DE 202008012371 U1 [0007]
DE 102006062651 A1 [0008]
EP 1900706 A1 [0049]

Claims

Vorrichtung zur Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen mittels Ad- bzw. Absorption und Desorption und dielelektrischer Erwärmung umfassend – mindestens eine heiße Elektrode (10), die über ein Element zur Impedanzanpassung (3) mit einem HF-Generator (1) verbunden ist und von diesem gespeist wird, – mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte kalte Elektroden (6, 11) auf beiden Seiten der heißen Elektrode (10), – für jede kalte Elektrode (6, 11) in die Masseleitung gelegte Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder und/oder HF-Spannungsteiler (22, 25), so dass zwei unterschiedliche Feldstärken zwischen heißer und jeweiliger kalter Elektrode erzeugt werden können, – ein in mindestens zwei HF-transparenten Gasführungsbehältnissen (8) angeordnetes Adsorbens, wobei die mindestens zwei Gasführungsbehältnisse (8) jeweils zwischen der heißen und einer kalten Elektrode platziert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden planar und parallel zueinander angeordnet sind und das Adsorbens so im Wirkbereich der Elektrodenanordnung angeordnet ist, dass sich innerhalb des Adsorbens ein homogenes elektrisches Feld ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kalten Elektroden einzeln über Schaltelemente und/oder feste oder variable HF-Dämpfungsglieder und/oder HF-Spannungsteiler mit der Masse verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kalten Elektroden (6, 11) segmentiert sind und die einzelnen Elektrodensegmente (23) gleichzeitig oder einzeln auf Masse schaltbar angeordnet sind und/oder in der Masseleitung der Elektroden-Segmente (23) ein HF-Dämpfungsglied (25) angeordnet ist, so dass der Stromfluss über das jeweilige Segment (23) schalt- bzw. regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Elektrode (10) segmentiert ist und dass jedes Segment, vorzugsweise über eine Impedanzanpassung, mit einem HF-Generator verbunden ist oder über ein Netzwerk angeschlossen ist, so dass die heißen Segmente einzeln gespeist werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrisch transparenten Gasführungsbehältnisse (8) zylinder- oder quaderförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens von der Innenwandung des dielektrisch transparenten Gasführungsbehältnisses durch eine HF-transparente thermische Isolierung oder einen gasdurchströmten Kühlmantel thermisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich Elektroden (6, 10, 11) und Gasführungsbehältnisse (8) in einem Behältnis (5) befinden, das die Anordnung gegenüber der Umgebung thermisch und/oder gegen elektromagnetische HF-Abstrahlung abschirmt und das entsprechende Öffnungen für die jeweiligen Zu- und Ableitungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistung durch einen HF-Generator (1), der bei einer Frequenz zwischen 1 und 300 MHz arbeitet, bereitgestellt wird, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Impedanzanpassung bzw. eines elektronischen Anpassnetzwerkes (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens in Abhängigkeit von der zu entfernenden Komponente ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-transparenten Materialien der Gasführungsbehältnisse Materialien sind, die im angewandten Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung einen gegenüber dem Adsorbens mindestens fünfmal geringeren dielektrischen Verlustfaktor aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfernung von Sauerstoff aus Gasgemischen als Adsorbens nanostrukturierte, anorganische Sauerstoffdefizitstrukturen eingesetzt sind, bei denen Sauerstoff selektiv in die Gitterstruktur des Adsorbens eingebaut wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorbens Verbindungen der allgemeinen Formel A_wB_xC_yD_zO_7+δ eingesetzt sind, wobei A Metalle der seltenen Erden, wie Y bedeuten oder Ca; B Erdalkalimetalle, wie Ba oder Sr; und C und D ausgewählt aus Co, Fe, Zn und Al sind, und wobei w = 1, x = 1, y ≤ y ≤ 4, und 0 ≤ z ≤ 4 und y + z = 4 und 0 < δ ≤ 1,5 sind, bevorzugt ist das Adsorbens eine Verbindung in der A = Y, B = Ba, C = D = Co; w = x = 1, y = z = 2 bedeutet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens auf einem Trägermaterial aufgebracht ist, wobei der dielektrische Verlust des Trägermaterials so gewählt wird, dass die gewünschte dielektrische Erwärmung erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial einen mindestens 1,5 fach höheren dielektrischen Verlustfaktor als das Adsorbens aufweist.
Verfahren zur selektiven Entfernung von Komponenten aus Gasgemischen unter Ad-/Absorption an einem Adsorbens und zu dessen Regenerierung unter Desorption mittels dielelektrischer Erwärmung unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass a1) ein Gasgemisch über das eine Komponente aufnehmende Adsorbens im dielektrisch transparenten Gasführungsbehälter (8) geleitet wird und dass das Adsorbens dielektrisch und/oder konventionell auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der die Komponente von dem Adsorbens aufgenommen und damit vom verbleibenden Produktgasstrom abgetrennt wird, a2) der von der Komponente befreite Produktgasstrom abgeführt wird, b1) anschließend das Adsorbens dielektrisch und/oder konventionell weiter erwärmt wird auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Komponente, gegebenenfalls mit Unterstützung eines vorgewärmten Spülgases, wieder zu desorbieren und b2) die vom Feststoff desorbierte Komponente mit dem Spülgas oder im Vakuum abgeführt wird, c) nach erfolgter Auslagerung erneut zu reinigendes Gas zur Adsorption über das jeweilige Adsorbens geleitet wird, ggf. nach Abkühlung des Adsorbens auf das niedrigere Temperaturniveau, wobei d) zwischen Ad-/Ab- und Desorption zyklisch umgeschaltet wird, so dass eine kontinuierliche Behandlung eines Gasstroms erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ad- bzw. Absorption von Sauerstoff eine Temperatur im Bereich von 200 bis 250°C und zur Desorption eine Temperatur im Bereich von 400 bis 450°C erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Erwärmung durch Variation der HF-Feldstärke über dem Adsorbens erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Erwärmung des Adsorbens auf die unterschiedlichen Temperaturen bei Ad- bzw. Absorption und Desorption durch unterschiedlich starke HF-Feldstärken auf beiden Seiten der heißen Elektrode erzeugt wird und die Feldstärke zwischen heißer und jeweiliger kalter Elektroden einzeln über Schalt- und/oder HF-Dämpfungsglieder und/oder HF-Spannungsteiler eingestellt wird, so dass an den beiden Adsorbern durch unterschiedliche HF-Erwärmung abwechselnd Komponenten-Beladung oder -entladung erfolgt, wobei die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Gasführungen zumindest in der Regel bei > 50 K gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenanordnung mit segmentierten Elektroden verwendet wird, wobei die Segmente über HF-Dämpfungsglieder und/oder HF-Spannungsteiler so angesteuert werden, dass während der Ad- bzw. Adsorption im Abstrombereich liegende Segmente mit weniger HF-Leistung als im Anstrombereich beaufschlagt werden, so dass insgesamt eine homogene Erwärmung des Adsorbens gewährleistet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenanordnung mit segmentierten Elektroden verwendet wird und dass die höheren Temperaturen zur Desorption des Adsorbens durch Ansteuerung von Einzelelektroden oder Elektrodengruppen und damit über eine verkleinerte Elektrodenoberfläche erzeugt werden.