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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Wasser aus einem gasförmigen Arbeitsmedium, sowie einen Wasserabscheider und ein Wasserabscheidersystem für ein solches Arbeitsmedium, insbesondere zur Verwendung in Verdichterstationen für beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff.
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Verdichterstationen für beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff sind grundsätzlich für einen Betrieb mit einem trockenen Arbeitsgas ausgelegt. Wird eine derartige Verdichterstation mit einem wasserhaltigen Arbeitsgas versorgt, so stellt die Aufbereitung dieser wasserhaltigen Gasgemische einen besonders wichtigen Arbeitsschritt dar. Die Abtrennung der Wasseranteile dient einerseits dazu, ein unerwünschtes Auskondensieren in nachfolgenden Apparaten und verbindenden Rohrleitungen zu verhindern. Andererseits ist ein zu hoher Wasseranteil bei einer nachfolgenden Nutzung von Brenngasen in Verbrennungskraftmaschinen problematisch, da es zu Korrosionsschäden kommen kann. Daher werden Trocknungssysteme eingesetzt.
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Trocknungssysteme nach dem Stand der Technik arbeiten beispielsweise mit Schüttungen aus porösem Material wie beispielsweise Kieselgel. Solche hochporösen Materialien absorbieren den Wasseranteil aus dem Arbeitsgas. Die porösen Schüttungen in Trockneranlagen des Standes der Technik benötigen prinzipbedingt ein sehr großes Volumen. Eine Regeneration der Schüttung kann mittels Durchströmen mit trockenem, ungesättigtem Erdgas, Ausheizen oder durch Austauschen der Schüttung vorgenommen werden. Zum Austauschen der Schüttung ist bei Trockneranlagen des Standes der Technik ein Öffnen des Behälters notwendig, um die Schüttung restlos ersetzen zu können. Dabei wird ein großer Anteil des Arbeitsgases ungenutzt abgelassen. Mit porösen Schüttungen ist es nur bedingt möglich, ein Arbeitsmedium von Partikeln zu befreien, wodurch eine abschließende Filtration des Arbeitsmediums notwendig ist. Zudem zerbrechen poröse Schüttungen leicht unter äußerer Belastung, wobei beispielsweise Druckbeaufschlagungen mit besonders hohen Drücken bereits ausreichen. Hierdurch ist der maximale Betriebsdruck begrenzt.
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Die maximale Wasseraufnahme liegt bei Schüttmaterialien des Standes der Technik bei etwa 30 Gew.-% der Eigenmasse der Schüttung. Die Wasseraufnahme ist damit stark begrenzt. Ein weiteres Verfahren verwendet zur Entfeuchtung des Arbeitsgases Triethylenglycol (TEG), wobei der Prozess meist mehrstufig gehalten werden muss, um die gewünschte Reinheit erreichen zu können.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
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Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Abscheiden von Wasser aus einem gasförmigen Arbeitsmedium gelöst, das zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- a. Bereithalten einer hygroskopischen ionischen Flüssigkeit in einer Reaktionskammer;
- b. Zuführen eines wasserhaltigen, gasförmigen Arbeitsmediums in die Reaktionskammer und Durchleiten des Arbeitsmediums durch die ionische Flüssigkeit, wobei Wasser von der ionischen Flüssigkeit gebunden wird;
- c. Abführen des getrockneten Arbeitsmediums.
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Für dieses Verfahren wird eine Reaktionskammer vorgehalten, in der eine (insbesondere stark) hygroskopische, ionische Flüssigkeit (die insbesondere in beliebigem Verhältnis mit Wasser mischbar ist, z. B. >= 90%, d. h., das Stoffgemisch weist 10 Gew.-% ionische Flüssigkeit und 90 Gew.-% Wasser auf) vorgehalten wird. Grundsätzlich kann ein aus einer bevorzugt verwendeten ionischen Flüssigkeit gebildetes Stoffgemisch einen Wasseranteil von > 0 Gew.-% bis < 100 Gew.-% enthalten. Die Reaktionskammer ist derart eingerichtet, dass ein gasförmiges Arbeitsmedium, vorzugsweise Erdgas oder Wasserstoff, eingeleitet werden kann und durch die ionische Flüssigkeit durchgeführt werden kann und wiederum abgeführt werden kann. Ionische Flüssigkeiten sind (insbesondere organische) Salze, deren Gitterenergie derart gering ist, dass diese Salze in einem Temperaturbereich von bevorzugt –25°C bis zum Punkt ihrer thermischen Zersetzung, der vorzugsweise größer oder gleich 250°C ist, flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel Wasser, gelöst ist. Die ionische Flüssigkeit kann insbesondere Methansulfonat oder Ethansulfonat aufweisen (z. B. jeweils Gew.-50%), z. B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate (CAS-Nr.: 145022-45-3), Tris(2-hydroxyethyl)methylammonium methylsulfat (CAS-Nr.: 29463-06-7, auch bezeichnet als Ethanaminium, 2-hydroxy-N,N-bis(2-hydroxyethyl)-N-methyl-, methylsulfat), oder 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfat (CAS-Nr.: 342573-75-5, auch bezeichnet als 1H-Imidazolium, 1-ethyl-3-methyl-, ethylsulfat). Weiterhin kann die ionische Flüssigkeit eine Mischung der oben genannten Bestandteile sein, insbesondere aus CAS-Nr.: 342573-75-5 und CAS-Nr.: 29463-06-7.
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Andere hygroskopische ionische Flüssigkeiten können ebenfalls verwendet werden.
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Ein besonderer Vorteil solcher ionischen Flüssigkeiten ist, dass sie einen kaum messbaren Dampfdruck, vergleichbar mit Stahl, aufweisen und sehr gute Lösungseigenschaften besitzen, also stark hygroskopisch sind. Ionische Flüssigkeiten sind also in der Lage, Wasser zu binden und entsprechend vom feuchten, gasförmigen Arbeitsmedium abzuscheiden. Durch den geringen, kaum messbaren Dampfdruck der ionischen Flüssigkeiten ist das Arbeitsmedium in (zumindest gleichbleibend) hoher Reinheit nach einem Durchschreiten der ionischen Flüssigkeit erhältlich. Insbesondere werden hierbei auch Partikel im Arbeitsmedium abgeschieden und von der ionischen Flüssigkeit zurückgehalten. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die ionische Flüssigkeit als flüssiges Material leicht aus der Reaktionskammer abgeführt werden kann und auf einfache Weise gereinigt bzw. regeneriert werden kann. Darüber hinaus ist ein großer Vorteil dieses Verfahrens, dass die Reinigung des Arbeitsmediums mittels der ionischen Flüssigkeit gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung unter einem atmosphärischen Überdruck ausgeführt werden kann, weil die ionische Flüssigkeit (technisch) inkompressibel ist und im Vergleich zu einer Schüttung mechanisch unanfällig ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also bevorzugt in der Reaktionskammer zumindest während der Wasserabscheidung ein Überdruck relativ zum atmosphärischen Druck in einer Umgebung der Reaktionskammer vorgehalten. Besonders bevorzugt wird das Verfahren einstufig durchgeführt. Dies ist aufgrund des geringen Dampfdrucks der ionischen Flüssigkeit und des sehr hohen Lösungsvermögens der ionischen Flüssigkeit möglich.
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Das Arbeitsmedium ist in der Regel ein Gas bzw. ein zweiphasiges Fluid, insbesondere mit einem deutlich größeren Gasanteil von bevorzugt größer 90 Vol.-%, wobei auch feste (Verunreinigungs-)Partikel enthalten sein können. Ein bevorzugtes Arbeitsmedium ist Erdgas oder Wasserstoff.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist das Verfahren als Durchlaufverfahren ausgeführt, wobei ein Arbeitsmediumeinlass zum Einlassen des wasserhaltigen Arbeitsmediums und ein Reinmediumauslass zum Auslassen des getrockneten Arbeitsmediums vorgesehen sind, wobei bevorzugt das zu trocknende Arbeitsmedium entgegen dem Schwerefeld durch die ionische Flüssigkeit nach oben steigt bzw. geführt wird. Andere Fahrweisen sind jedoch auch denkbar.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird bevorzugt kontinuierlich das gasförmige Arbeitsmedium durch die ionische Flüssigkeit geleitet, so dass diese Reinigung beziehungsweise Trocknung des Arbeitsmediums in einen kontinuierlichen (oder auch quasikontinuierlichen) Prozess einbindbar ist, und das Arbeitsmedium (quasi)kontinuierlich zum Beispiel einer Verdichtung (insbesondere in einer nachgeschalteten Verdichterstation) zuführbar ist.
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Besonders bevorzugt wird das Arbeitsmedium der ionischen Flüssigkeit von unten zugeführt und steigt aufgrund seiner gegenüber der ionischen Flüssigkeit geringeren Dichte in der ionischen Flüssigkeit entgegen dem Schwerefeld (der Erde) darin nach oben auf und wird über den Reinmediumauslass oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der ionischen Flüssigkeit ausgelassen. Als Reinmedium wird hierbei das getrocknete und eventuell von Partikeln befreite Arbeitsmedium bezeichnet. Alternativ zu einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums entlang der Vertikalen kann jedoch auch eine Strömungsführung des Arbeitsmediums entlang der Horizontalen vorgenommen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird zur Aufbereitung der ionischen Flüssigkeit die Reaktionskammer beheizt und das dampfförmig abgeschiedene Wasser über einen Wasserauslasses abgeführt, wobei bevorzugt ein erwünschter Trocknungsgrad erzielt wird, indem die ionische Flüssigkeit über eine vorbestimmte (z. B. empirisch ermittelte) Heizdauer erhitzt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, die beladene ionische Flüssigkeit solange zu erhitzen, bis sich ein gewünschter Trocknungsgrad eingestellt hat. Dieser kann durch eine der folgenden Maßnahmen bestimmt werden:
- – Bestimmen der Masse der ionischen Flüssigkeit;
- – Bestimmen der Masse des abgeschiedenen Wassers;
- – Bestimmen der Anfangsmasse der ionischen Flüssigkeit vor der Aufbereitung und/oder vor dem Abscheiden von Wasser und während der Aufbereitung sowie Vergleichen der Restmasse der ionischen Flüssigkeit mit der Anfangsmasse; oder
- – Bestimmen des elektrischen Leitwerts oder Widerstands der ionischen Flüssigkeit.
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Die Aufbereitung ist auch als getrenntes Verfahren ohne die vorhergehend erläuterten Schritte zum Abscheiden von Wasser aus einem Arbeitsmedium ausführbar.
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Bei der vorgenannten bevorzugten Ausführungsform wird die Reaktionskammer zugleich zur Aufbereitung (auch Regeneration genannt) der ionischen Flüssigkeit genutzt, wobei dann bevorzugt die Durchführung des Arbeitsmediums unterbrochen wird, um keine (großen) Verluste an Arbeitsmedium zu erzeugen. Das hinreichend beladene Reinigungsmedium, also die ionische Flüssigkeit, wird in der Reaktionskammer beheizt und hierdurch das gebundene Wasser von der ionischen Flüssigkeit getrennt und dampfförmig abgeschieden. Bevorzugt ist hierzu ein Wasserauslass vorgesehen, welcher bevorzugt oberhalb der ionischen Flüssigkeit angeordnet ist, so dass bevorzugt im Wesentlichen nur dampfförmiges Wasser (bedingt durch den geringen Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit) abgeführt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die ionische Flüssigkeit zur Aufbereitung ausgetauscht, wobei bevorzugt die ionische Flüssigkeit kontinuierlich ausgetauscht wird, wobei besonders bevorzugt beim Abscheideverfahren aufgefangene Partikel herausgefiltert werden.
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Bei dieser Variante des Verfahrens wird die ionische Flüssigkeit, beziehungsweise bevorzugt ein Teil der ionischen Flüssigkeit, zur Aufbereitung ausgetauscht (d. h. aus der Reaktionskammer abgezogen und regeneriert wieder zugeführt), wobei bevorzugt das Arbeitsmedium zum Abscheiden von Wasser weiterhin kontinuierlich durch die (verbleibende) ionische Flüssigkeit geführt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird stets so viel gereinigte ionische Flüssigkeit zugeführt, wie zu reinigende ionische Flüssigkeit abgeführt wird. Ganz besonders bevorzugt wird die ionische Flüssigkeit kontinuierlich ausgetauscht, so dass insbesondere der Beladungsgrad der ionischen Flüssigkeit im Wesentlichen konstant oder innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden kann. Vorteilhafterweise können hierbei aufgefangene Partikel aus der ionischen Flüssigkeit kontinuierlich herausgefiltert werden, zum Beispiel mittels zumindest eines Filters stromab der Reaktionskammer (z. B. in den Leitungen und/oder in der Aufbereitungsvorrichtung).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das in der Aufbereitung gewonnene destillierte Wasser aufgefangen, wobei bevorzugt zuvor die ionische Flüssigkeit mittels eines oder mehrere Filter von Partikeln befreit wird.
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Bei diesen bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird das gewonnene Wasser zum Beispiel einem weiteren Prozess zur Verfügung gestellt. Ganz besonders bevorzugt wird hierbei die ionische Flüssigkeit mittels eines oder mehrere Filter zuvor von Partikeln befreit, so dass ein hochreines Wasserdestillat gewonnen wird. Bei Ausführungsformen der Erfindung, die lediglich einen Behälter bzw. eine Reaktionskammer für das Abscheiden und Regenerieren verwenden, wird bevorzugt mittels abwechselnd geöffneten Reinmediumauslass und Wasserauslass das Auffangen des Wasser bewerkstelligt. Bei räumlicher Trennung von Abscheiden und Aufbereiten ist ein kontinuierliches Abführen von Wasser möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein Totraum in der Reaktionskammer vor Beginn eines Austauschens der ionischen Flüssigkeit mittels Anhebens des Flüssigkeitsspiegels bis auf ein gewünschtes Maß reduziert, wobei ein Sicherheitsabstand zu den vorhandenen (oberen) Auslässen berücksichtigt werden kann (um diese z. B. nicht zu fluten).
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird der Totraum in der Reaktionskammer, also der Raum, welcher nicht mit einer ionischen Flüssigkeit gefüllt ist, bevorzugt soweit reduziert, wie dies insbesondere die Prozesssicherheit zulässt. Hierdurch wird das Volumen, in dem das Arbeitsmedium nicht behandelt wird, gering gehalten, so dass die Volumeneffizienz dieses Verfahrens sehr hoch ist, insbesondere im Vergleich zu Schüttungen. Darüber hinaus wird vor einem Austausch und/oder während eines Austauschs der ionischen Flüssigkeit der Totraum entweder so gering wie möglich gehalten oder so gering wie möglich reduziert, um zu vermeiden, dass ein (zu) großer Anteil an Arbeitsmedium beim Reinigungsprozess abgelassen wird und somit verloren geht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das abzuführende getrocknete Arbeitsmedium über zumindest einen Koaleszenzfilter geführt, um ein Feinabscheiden von Wasseranteilen auszuführen, bevor es als Reinmedium abgeführt und einem nachfolgenden Prozess zur Verfügung gestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird in der Reaktionskammer zumindest während der Wasserabsorption ein atmosphärischer Überdruck vorgehalten.
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Durch Verwendung eines atmosphärischen Überdrucks ist es zum einen möglich, eine größere Stoffmenge des zu trocknenden Arbeitsmediums in der Reaktionskammer zu verarbeiten. Darüber hinaus wird der Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit weiter verringert und eine Einbindung in ein Überdruckniveau eines vorhergehenden und/oder eines nachfolgenden Prozesses wird erheblich erleichtert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wasserabscheider für ein gasförmiges Arbeitsmedium vorgeschlagen, welcher zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
- – eine flüssigkeitsdichte Reaktionskammer zur Aufnahme einer hygroskopischen ionischen Flüssigkeit, wobei insbesondere die Reaktionskammer mit der hygroskopischen ionischen Flüssigkeit gefüllt ist (die dann einen Bestandteil des Wasserabscheiders bildet), und wobei insbesondere die Reaktionskammer zum Tragen eines Überdrucks relativ zu der die Reaktionskammer umgebenden Atmosphäre ausgelegt ist;
- – einen absperrbaren Arbeitsmediumeinlass zum Einleiten des zu trocknenden, gasförmigen sowie wasserhaltigen Arbeitsmediums in die Reaktionskammer, wobei insbesondere der Arbeitsmediumeinlass unterhalb der Reaktionskammer angeordnet ist; und
- – einen absperrbaren Reinmediumauslass zum Abführen des getrockneten Arbeitsmediums aus der Reaktionskammer, wobei insbesondere der Reinmediumauslass oberhalb der Reaktionskammer angeordnet ist.
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Der Wasserabscheider umfasst also eine flüssigkeitsdichte Reaktionskammer, welche bevorzugt darüber hinaus gasdicht ausgeführt ist. In dieser Reaktionskammer ist bevorzugt die (stark) hygroskopische ionische Flüssigkeit enthalten bzw. in der Reaktionskammer aufnehmbar, wie sie bereits eingangs beschrieben wurde.
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Insbesondere liegen sich der Arbeitsmediumeinlass und der Reinmediumauslass entlang einer Längsachse der Reaktionskammer gegenüber, entlang der die Reaktionskammer sich erstreckt bzw. eine maximale Erstreckung aufweist, so dass die Behandlungsstrecke des Arbeitsmediums möglichst lang ist. Ganz besonders bevorzugt ist der Reinmediumauslass bezogen auf das Schwerefeld (der Erde) oberhalb der Reaktionskammer angeordnet und der Arbeitsmediumeinlass unterhalb der Reaktionskammer angeordnet. D. h., die Längsachse der Reaktionskammer erstreckt sich bevorzugt entlang der Vertikalen. Die Reaktionskammer kann jedoch auch entlang der Horizontalen ausgerichtet werden, so dass die Längsachse horizontal verläuft (und das Arbeitsmedium entsprechend von links nach rechts oder umgekehrt strömt).
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Bei vertikaler Ausrichtung der Reaktionskammer kann das gasförmige Arbeitsmedium, welches in der Regel eine geringere Dichte als die ionische Flüssigkeit aufweist, entgegen dem Schwerefeld in der ionischen Flüssigkeit selbsttätig, also ohne Zufuhr von aktiv aufzubringender Energie, aufsteigen, wobei zumindest ein Großteil des Wasseranteils des Arbeitsmediums von der hygroskopischen ionischen Flüssigkeit gebunden wird. Aufgrund des bereits oben beschriebenen geringen Dampfdrucks der ionischen Flüssigkeit tritt somit beim Reinmediumauslass ein (im Wesentlichen) hochreines, getrocknetes Arbeitsmedium aus der ionischen Flüssigkeit aus, welche nun einem weiteren Prozess zugeführt werden kann.
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Die Reaktionskammer ist bevorzugt drucktragend ausgeführt, so dass das Verfahren auch bei einem deutlichen Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre durchgeführt werden kann.
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Der Wasserabscheider ist bevorzugt für die Durchführung eines Verfahrens gemäß der obigen Beschreibung eingerichtet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wasserabscheiders ist weiterhin zumindest ein Wasserauslass bevorzugt oberhalb der Reaktionskammer vorgesehen bzw. angeordnet, wobei ausdampfendes Wasser über den Wasserauslass beim Aufbereiten der ionischen Flüssigkeit in der Reaktionskammer abführbar ist.
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Weiterhin kann die Reaktionskammer ein Heizelement aufweisen, das zum Auskochen des abgeschiedenen, an die ionische Flüssigkeit gebundenen Wassers dient. Bei dieser Ausführungsform ist also eine Aufbereitung/Regeneration der ionischen Flüssigkeit in der Reaktionskammer selbst möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wasserabscheiders gemäß einer der obigen Ausführungsformen ist weiterhin zumindest ein Austauschauslass, bevorzugt unterhalb der Reaktionskammer, vorgesehen, der zum Zuführen und/oder Abführen von ionischer Flüssigkeit aus der Reaktionskammer eingerichtet und vorgesehen ist.
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Durch den Austauschauslass ist die ionische Flüssigkeit insbesondere aus der Reaktionskammer abführbar, so dass zum Beispiel ein Aufbereiten der ionischen Flüssigkeit außerhalb der Reaktionskammer vorgenommen werden kann. Damit ist ein Zuführen und Abführen besonders einfach ausführbar, zum Beispiel mittels einer Flüssigkeitspumpe.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wasserabscheiders ist zumindest ein Einlass und zumindest ein Auslass vorgesehen, mittels welcher die ionische Flüssigkeit kontinuierlich austauschbar ist. Hierbei kann also die ionische Flüssigkeit über den Auslass abgezogen werden und gleichzeitig – in regenerierter Form – über den Einlass in die Reaktionskammer eingespeist werden.
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Die Beladung der ionischen Flüssigkeit kann somit mit Vorteil geregelt werden und ein kontinuierliches Betreiben des Wasserabscheiders ist möglich. Der Wasserabscheider kann somit mit Vorteil in eine kontinuierliche Prozessstruktur eingebunden werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wasserabscheiders weist der Reinmediumauslass reaktionskammerseitig zumindest einen Koaleszenzfilter auf oder steht mit einem solchen Filter in Strömungsverbindung. Der Koaleszenzfilter ist dabei bevorzugt zum Abscheiden von noch vorhandenen Wasseranteilen aus dem getrockneten Arbeitsmedium ausgelegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wasserabscheidersystem zum Trocknen eines gasförmigen Arbeitsmediums vorgeschlagen, wobei das Wasserabscheidersystem zumindest einen erfindungsgemäßen Wasserabscheider (z. B. gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform) und zumindest eine separate Aufbereitungsvorrichtung aufweist, die zum Aufbereiten (Regenerieren) der ionischen Flüssigkeit ausgebildet ist, so dass diese wieder in die Reaktionskammer eingeleitet werden kann.
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Die Aufbereitungsvorrichtung kann zumindest einen Partikelfilter zum Ausfiltern von partikelförmigen Verunreinigungen aus der ionischen Flüssigkeit aufweisen. Weiterhin weist die Aufbereitungsvorrichtung bevorzugt zumindest ein Heizelement zum Heizen der ionischen Flüssigkeit bzw. zum Verdampfen von an die ionische Flüssigkeit gebundenem Wasser auf. Weiterhin verfügt die Aufbereitungseinheit bevorzugt über zumindest einen Wasserauslass zum Abführen des verdampften Wassers.
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Die Aufbereitungsvorrichtung ist bevorzugt über zumindest einen Strömungspfad mit der Reaktionskammer strömungsverbunden, und zwar bevorzugt über einen Einlass sowie einen Auslass der Reaktionskammer, so dass eine kontinuierliche Aufbereitung der ionischen Flüssigkeit möglich ist. Hierbei wird die ionische Flüssigkeit über den Auslass aus der Reaktionskammer abgezogen, in der Aufbereitungsvorrichtung regeneriert und über den Einlass wieder in die Reaktionskammer zurückgegeben.
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Die Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsmedium in der Reaktionskammer kann insbesondere bei Drücken in der Reaktionskammer im Bereich von 1 bar (oder 0 barü) bis 551 bar (oder 550 barü), insbesondere im Bereich von 20 bar bis 330 bar, insbesondere im Bereich von 16 bar bis 250 bar, sowie insbesondere bei Temperaturen in der Reaktionskammer im Bereich von +60°C bis +250°C, insbesondere +60°C bis +160°C, insbesondere +60°C bis +150°C, durchgeführt werden.
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Wenn es sich bei dem Arbeitsmedium um Erdgas handelt bzw. das Arbeitsmedium Erdgas aufweist, findet die Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsmedium bevorzugt bei einer Temperatur in der Reaktionskammer im Bereich von +60°C bis +150°C sowie einem Druck in der Reaktionskammer im Bereich von 20 bar bis 330 bar statt.
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Wenn es sich bei dem Arbeitsmedium um Wasserstoff handelt bzw. das Arbeitsmedium Wasserstoff aufweist, findet die Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsmedium bevorzugt bei einer Temperatur in der Reaktionskammer im Bereich von +60°C bis +160°C sowie einem Druck in der Reaktionskammer im Bereich von 16 bar bis 250 bar statt.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Es wird dargestellt in
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1: ein Wasserabscheider mit Heizelement; und
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2: ein Wasserabscheidersystem mit separater Aufbereitungsvorrichtung.
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In 1 ist ein Wasserabscheider 1 gezeigt, bei welchem eine Reaktionskammer 3 vorgesehen ist, welche mit einer ionischen Flüssigkeit 4 bis zu einem Flüssigkeitsspiegel 18 gefüllt ist. In die Reaktionskammer 3 ragt ein Heizelement 10 hinein, mit dem die ionische Flüssigkeit 4 erwärmbar ist. An der Unterseite der Reaktionskammer 3 ist ein Arbeitsmediumeinlass 5 vorgesehen, über den zu trocknendes (wasserhaltiges) sowie gasförmiges Arbeitsmedium 2, bevorzugt Erdgas oder Wasserstoff, in die Reaktionskammer 3 einleitbar ist.
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Weiterhin ist ein Reinmediumauslass 6 an der Oberseite der Reaktionskammer 3 vorgesehen, welcher bei diesem Beispiel in einem Deckel 29 (siehe unten) der Reaktionskammer 3 angeordnet ist. Über den Reinmediumauslass 6 ist ein getrocknetes Arbeitsmedium 7 abführbar.
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Die Reaktionskammer 3 erstreckt sich bevorzugt im Betrieb entlang einer vertikalen Längsachse bzw. Zylinderachse, wobei sich der Arbeitsmediumeinlass 5 und der Reinmediumauslass 6 entlang der Längsachse gegenüberliegen. Die Reaktionskammer 3 kann eine zylindrische, entlang der Längsachse erstreckte Kammerwandung 8 aufweisen und kann nach unten hin durch einen mit der Wandung verbundenen Boden verschlossen sein (bis auf etwaige Ein- und Auslässe). Nach oben hin ist die Reaktionskammer 3 bevorzugt durch den Deckel bzw. Zylinderkopf 29 verschlossen, der mit der Wandung 8 über Verschraubungen verschraubbar ist, von welchen hier nur die Verschraubungsbohrungen 23 schematisch gezeigt sind.
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Weiterhin ist oberhalb der Reaktionskammer 3 ein Wasserauslass 6 vorgesehen, über den Wasserdampf bei der Wiederaufbereitung der ionischen Flüssigkeit 4, zum Beispiel mittels Heizen der ionischen Flüssigkeit 4 mittels des Heizelements 10, abführbar ist. Der Reinmediumauslass 6 sowie der Wasserauslass 9 (siehe unten) sind bevorzugt im Deckel 29 ausgebildet.
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Weiterhin ist ein Austauschauslass 11 unterhalb der Reaktionskammer 3 angeordnet, über den die ionische Flüssigkeit 4 der Reaktionskammer 3 zugeführt und aus dieser abgeführt werden kann. In diesem Beispiel ist der Reinmediumauslass 6 mittels der Reinmediumsperrarmatur 21 absperrbar, zum Beispiel, wenn die ionische Flüssigkeit 4 (mittels Heizen) aufbereitet wird. Weiterhin ist auch der Wasserauslass 9 mittels einer Wassersperrarmatur 22 absperrbar, zum Beispiel während der Abscheidephase wenn das wasserhaltige Arbeitsmedium 2 getrocknet wird. Weiterhin ist in diesem bevorzugten Beispiel ein Koaleszenzfilter 14 stromab der Reaktionskammer 3 mit dem Reinmediumauslass 6 strömungsverbunden, welcher zum Feinabscheiden vom Restwasseranteil im getrockneten Arbeitsmedium 7 eingerichtet und vorgesehen ist. Hiernach ist ein Reinmedium 20 einem nachfolgenden Prozess oder einer Speicherung zuführbar. Das Totvolumen der Reaktionskammer 3 ist hierbei sehr gering und insbesondere lediglich auf einen Sicherheitsabstand 19 zwischen dem Flüssigkeitsspiegel 18 und dem Deckel 29 beschränkt. Somit ist das Totvolumen in der Reaktionskammer 3 deutlich geringer als dies zum Beispiel bei Schüttungen der Fall ist. Der hier dargestellte Wasserabscheider 1 ist besonders kompakt und erlaubt eine kontinuierliche Durchführung des Wasserabscheidens vom gasförmigen Arbeitsmedium.
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In 2 ist ein Wasserabscheidersystem 15 mit einem Wasserabscheider 1 und einer separaten Aufbereitungsvorrichtung 16 vorgesehen, wobei der Wasserabscheider 1 ähnlich wie in 1 dargestellt aufgebaut ist und auch hier bevorzugt die Kammerwandung 8 für einen Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre ausgelegt ist. Hierbei ist nun im Unterschied zur 1 ein Einlass 12 und ein Auslass 13 an der Reaktionskammer 3 vorgesehen, welche somit zwei Austauschanschlüsse 11 bilden. Der Einlass 12 erlaubt die Zufuhr von ionischer Flüssigkeit 4, welche aufbereitet aus der Aufbereitungsvorrichtung 16 zuführbar ist. Der Auslass 13 verbindet den Wasserabscheider 1 und die Aufbereitungsvorrichtung 16, so dass die ionische Flüssigkeit 4, hier zum Beispiel mittels einer Pumpe 24, der Aufbereitung in der Aufbereitungsvorrichtung 16 zuführbar ist. Hierbei ist insbesondere ein Partikelfilter 17 stromab der Reaktionskammer 3 oder in dem Auslass 13 vorgesehen, womit vom wasserhaltigen Arbeitsmedium 2 eingetragene Partikel aus der ionischen Flüssigkeit 4 abtrennbar sind. In der Aufbereitungsvorrichtung 16 ist ein Heizelement 10 vorgesehen, über welches die über den Aufbereitungseinlass 25 einleitbare ionische Flüssigkeit 4 erwärmbar ist, so dass Wasser dampfförmig abgegeben wird und als Wasserdampf 28 über einen Wasserauslass 9 der Aufbereitungseinrichtung 16 abführbar ist. Die getrocknete ionische Flüssigkeit wird dann über den Aufbereitungsauslass 26 abgeführt und wiederum über eine Rückführleitung 27 und den Einlass 12 der Reaktionskammer 3 zugeführt. Im Unterschied zur 1 ist hiermit ein kontinuierliches Abscheide- und Regenerationsverfahren ausführbar, so dass sich dieses Wasserabscheidersystem 15 insbesondere für kontinuierliche Prozesse eignet, bei denen im Normalfall eine Unterbrechung der Wasserabscheidung nicht vorgesehen ist.
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Das Verfahren wird dabei möglichst derart durchgeführt, dass ein wasserhaltiges, gasförmiges Arbeitsmedium 2 der Reaktionskammer 3 von unten über den Arbeitsmediumeinlass 5 zugeführt wird und in Folge der geringeren Dichte oder eines vorgehaltenen Drucks in der Reaktionskammer 3 nach oben steigt und dabei seinen Wasseranteil an die ionische Flüssigkeit abgibt. Anschließend steigt das getrocknete, gasförmige Arbeitsmedium aus der ionischen Flüssigkeit 4 auf und wird über den Reinmediumauslass 6 abgeführt. Die ionische Flüssigkeit 4 hingegen wird kontinuierlich oder abwechselnd abgeführt, erwärmt und somit der Wasseranteil dampfförmig abgeschieden und die regenerierte ionische Flüssigkeit der Reaktionskammer 3 wieder, bevorzugt gekühlt, zugeführt.
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Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung wird Wasser aus einem erdgashaltigen Arbeitsmedium 2 unter Verwendung einer der oben beschriebenen ionischen Flüssigkeiten abgeschieden, wobei die Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsmedium bei einer Temperatur in der Reaktionskammer im Bereich von +60°C bis +150°C sowie einem Druck in der Reaktionskammer 3 im Bereich von 20 bar bis 330 bar durchgeführt wird.
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Gemäß einem zweiten Beispiel der Erfindung wird Wasser aus einem wasserstoffhaltigen Arbeitsmedium 2 unter Verwendung einer der oben beschriebenen ionischen Flüssigkeiten abgeschieden, wobei die Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsmedium bei einer Temperatur in der Reaktionskammer 3 im Bereich von +60°C bis +160°C sowie einem Druck in der Reaktionskammer im Bereich von 16 bar bis 250 bar durchgeführt wird.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Wasserabscheider und dem entsprechenden Verfahren ist es möglich, mit einem verringerten Bauvolumen und mit überatmosphärischem Druck ein wasserhaltiges Arbeitsmedium ggf. kontinuierlich zu trocknen. Bezugszeichenliste
| 1 | Wasserabscheider |
| 2 | wasserhaltiges Arbeitsmedium |
| 3 | Reaktionskammer |
| 4 | ionische Flüssigkeit |
| 5 | Arbeitsmediumeinlass |
| 6 | Reinmediumauslass |
| 7 | getrocknetes Arbeitsmedium |
| 8 | Kammerwandung |
| 9 | Wasserauslass |
| 10 | Heizelement |
| 11 | Austauschanschluss |
| 12 | Einlass |
| 13 | Auslass |
| 14 | Koaleszenzfilter |
| 15 | Wasserabscheidersystem |
| 16 | Aufbereitungsvorrichtung |
| 17 | Partikelfilter |
| 18 | Flüssigkeitsspiegel |
| 19 | Sicherheitsabstand |
| 20 | Reinmedium |
| 21 | Reinmediumsperrarmatur |
| 22 | Wassersperrarmatur |
| 23 | Verschraubungsbohrungen |
| 24 | Pumpe |
| 25 | Aufbereitungseinlass |
| 26 | Aufbereitungsauslass |
| 27 | Rückführleitung |
| 28 | Wasserdampf |
| 29 | Deckel (verschraubbarer Zylinderkopf) |
