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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Einrichtung und ein System zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit, insbesondere gekoppelt mit einem Verfahren zur Druckerhöhung eines Gases, bei dem die ionische Flüssigkeit als Schmiermittel oder Kühlmittel einer Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases (auch als Verdichter bezeichnet) dient.
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Derartige Verdichter werden insbesondere nach dem Stand der Technik zur Druckerhöhung bei der Entnahme von Gasen aus Druckgasflaschen eingesetzt.
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Bei solchen Verdichtern werden häufig ionische Flüssigkeiten als Schmiermittel oder Kühlmedien verwendet, da diese vorteilhafte Eigenschaften für die genannten Verwendungen aufweisen, insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit und einen vernachlässig bar geringen Dampfdruck.
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In mittels ionischen Flüssigkeiten geschmierten und/oder gekühlten Verdichtern wird nach dem Stand der Technik die ionische Flüssigkeit im Kreis geführt, d. h. am Anfang des Prozesses aus einem Behälter in den Verdichter eingebracht und am Ende des Prozesses aus dem Verdichter abgeschieden. Optional wird die ionische Flüssigkeit vor der Rückführung in den Verdichter gefiltert und in dem Behälter gespeichert.
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Zu verdichtende Gase (Arbeitsgase) weisen häufig wässrige Verunreinigungen auf. Eine ionische Flüssigkeit, die bei der beschriebenen Verwendung bei der Gasverdichtung in direktem Kontakt mit dem Arbeitsgas steht, nimmt durch ihre stark hygroskopischen Eigenschaften das mit dem Arbeitsgas vermischte Wasser auf. Dadurch kommt es zu einer Vermischung der ionischen Flüssigkeit mit Wasser, was nach dem Stand der Technik einen Austausch der ionischen Flüssigkeit erfordert, wenn entweder die ionische Flüssigkeit mit Wasser gesättigt ist oder die notwendige Schmierfähigkeit der ionischen Flüssigkeit durch einen zu hohen Wasseranteil beeinträchtigt ist.
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Daraus ergibt sich die Aufgabe, die bekannten Verfahren zur Druckerhöhung von Gasen, bei denen ionische Flüssigkeiten eingesetzt werden, im Hinblick auf die genannte Problematik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Einrichtung nach Anspruch 9 sowie ein System nach Anspruch 12 gelöst. Spezielle Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben und spezielle Ausführungsformen der Einrichtung sind in den Unteransprüchen 10 und 11 angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit, wobei ein Gemisch, das die ionische Flüssigkeit und das Wasser aufweist, in einem Behälter zur Verfügung gestellt wird, wobei das Gemisch erhitzt wird, so dass zumindest ein Teil des Wassers des Gemisches in die gasförmige Phase übergeht, und wobei das in der gasförmigen Phase vorliegende Wasser über ein Ventil aus dem Behälter abgezogen wird, und wobei insbesondere anschließend die ionische Flüssigkeit aus dem Behälter abgezogen wird.
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Dabei bezeichnet der Begriff ,ionische Flüssigkeit' im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung eine Substanz, die organische Ionen aufweist, und ohne Vorhandensein von Wasser als Lösungsmittel eine Siedetemperatur von unter 100°C aufweist. Insbesondere liegen ionische Flüssigkeiten bei Raumtemperatur als Flüssigkeit vor, ohne dass Wasser als Lösungsmittel vorhanden sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, die ionische Flüssigkeit reversibel in den Zustand vor der Wasseraufnahme zu versetzen, so dass die ionische Flüssigkeit erneut in einer Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases als Schmierstoff oder Kühlmedium genutzt werden kann.
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Somit lässt sich vorteilhafterweise die Standzeit von Vorrichtungen erhöhen, die mittels ionischer Flüssigkeiten geschmiert oder gekühlt sind. Darüber hinaus kann der komplette Austausch der ionischen Flüssigkeit fast vollständig durch das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt werden. Infolgedessen müssen entsprechende Vorrichtungen seltener geöffnet werden, was eine geringere Fremdpartikelbelastung zur Folge hat und den weiteren Wartungsaufwand unter Einsparung von Wartungskosten vermindert. Zusätzlich wird die Umweltbelastung durch geringeren Bedarf von ionischen Flüssigkeiten verringert.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Gemisch auf eine Temperatur gebracht, welche die Siedetemperatur von Wasser bei dem in dem Behälter herrschenden Druck übersteigt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Gemisch auf eine Temperatur von 60°C bis 160°C, insbesondere 60°C bis 140°C, erhitzt.
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Da sich viele ionischen Flüssigkeiten bei einer Temperatur über 140°C zersetzen, stellt eine Maximaltemperatur von 140°C vorteilhafterweise sicher, dass die ionische Flüssigkeit nach Durchführung des Verfahrens ihre Schmier- und/oder Wärmeübertragungseigenschaften beibehält.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens herrscht in dem Behälter während des Erhitzens ein Druck von 0,1 bar bis 10 bar, insbesondere 0,1 bar bis 0,5 bar über Atmosphärendruck.
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Bei einem Überdruck lässt sich das Wasser vorteilhafterweise bei einer geringeren Temperatur in die gasförmige Phase bringen, wodurch Energiekosten eingespart werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in definierten Abständen zyklisch durchgeführt, insbesondere automatisch.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Messgröße der ionischen Flüssigkeit, insbesondere ein Wasseranteil der ionischen Flüssigkeit, gemessen, wobei das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit der gemessenen Messgröße durchgeführt wird. Insbesondere wird der Wasseranteil der ionischen Flüssigkeit in dem Behälter der Trocknungsvorrichtung gemessen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mittels eines Feuchtigkeitsmessgeräts die Feuchtigkeit der ionischen Flüssigkeit gemessen und die gemessene Feuchtigkeit als Regelgröße an einen Regler übermittelt, der das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die erfindungsgemäße Einrichtung, regelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren während des Betriebs einer Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases laufend durchgeführt. Hierbei wird die als Schmiermittel oder Kühlmedium verwendete ionische Flüssigkeit während des Betriebs der Vorrichtung ständig ausgetauscht.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Ventil als Rückschlagventil ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Gemisch zwischen der ionischen Flüssigkeit und dem Wasser vor der besagten Abscheidung von Wasser mittels eines Gasabscheiders von einem Gas getrennt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden das Gemisch und das Gas stromauf des Gasabscheiders gekühlt, insbesondere mittels einer Kühlstrecke.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Druck des Gemisches nach der Trennung von dem Gas reduziert, insbesondere mittels einer isenthalpen Entspannung, (hierdurch kann mit Vorteil eine Temperaturabsenkung zur Erreichung des Taupunkts bewirkt werden) wobei nach der Reduzierung des Drucks das Gemisch zur besagten Abscheidung des Wassers in den besagten Behälter eingeleitet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Druck des Gases vor der besagten Trennung von dem Gemisch mittels einer Vorrichtung zur Druckerhöhung des Gases erhöht, wobei die Vorrichtung zur Druckerhöhung mittels der ionischen Flüssigkeit geschmiert und/oder gekühlt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die ionische Flüssigkeit nach der besagten Abscheidung des Wassers filtriert.
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Hierdurch werden vorteilhafterweise in der ionischen Flüssigkeit vorhandene Partikel abgetrennt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die ionische Flüssigkeit nach der besagten Abscheidung des Wassers gekühlt.
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Durch diesen Schritt wird eine unnötige Erwärmung des Arbeitsgases in dem Verdichter durch die bei dem Trocknungsschritt erhitzte ionische Flüssigkeit vermieden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die ionische Flüssigkeit nach der besagten Abscheidung des Wassers als Schmierstoff und/oder Wärmeübertragungsmedium in eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases eingeleitet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Druck der ionischen Flüssigkeit nach der besagten Abscheidung des Wassers und vor dem Einleiten in die Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases mittels einer Pumpe erhöht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Einleiten der ionischen Flüssigkeit in die Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases das Zurückströmen der ionischen Flüssigkeit mittels eines Rückschlagventils verhindert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die ionische Flüssigkeit beim Einleiten in die Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases fein zerstäubt, insbesondere mittels einer Düse.
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Mittels des Zerstäubens wird vorteilhafterweise eine bessere Verteilung der ionischen Flüssigkeit in der Vorrichtung zur Druckerhöhung erreicht, wodurch diese ihre Funktion als Schmiermittel und/oder Kühlmedium besser ausüben kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die Einrichtung zumindest die folgenden Komponenten aufweist:
- – eine Trocknungsvorrichtung, die einen Behälter zur Aufnahme eines Gemisches aufweist, das eine ionische Flüssigkeit und Wasser aufweist, wobei die Trocknungsvorrichtung eine Heizvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das in dem Behälter befindliche Gemisch zu erhitzen, so dass Wasser in die gasförmige Phase überführbar ist, und wobei die Trocknungsvorrichtung weiterhin ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, aufweist, über das die gasförmige Phase aus dem Behälter abziehbar ist,
- – einen Gasabscheider, der dazu ausgebildet ist, das Gemisch von einem Gas zu trennen, wobei der Gasabscheider derart mit der Trocknungsvorrichtung in Strömungsverbindung bringbar ist, dass das mittels des Gasabscheiders von dem Gas getrennte Gemisch in die Trocknungsvorrichtung einleitbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Einrichtung weiterhin einen stromab der Trocknungsvorrichtung angeordneten Filter zum Filtrieren der mittels der Trocknungsvorrichtung von dem Wasser getrennten ionischen Flüssigkeit auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung weiterhin einen stromab der Trocknungsvorrichtung angeordneten Wärmeübertrager zum Kühlen der mittels der Trocknungsvorrichtung von dem Wasser getrennten ionischen Flüssigkeit auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung weiterhin eine stromab der Trocknungsvorrichtung angeordnete Pumpe zur Druckerhöhung der ionischen Flüssigkeit auf, so dass die ionische Flüssigkeit insbesondere bei erhöhtem Druck in eine Vorrichtung zur Druckerhöhung einleitbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung weiterhin eine stromauf der Trocknungsvorrichtung und stromab des Gasabscheiders angeordnete Vorrichtung zur isenthalpen Entspannung auf, die dazu ausgebildet ist den Druck des Gemisches zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung weiterhin eine stromauf des Gasabscheiders angeordnete Kühlstrecke auf, die dazu ausgebildet ist das Gas und das Gemisch zu kühlen.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit. Das System weist eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases auf, das eine Saugseite, eine Verdichtungskammer und eine Druckseite aufweist, wobei die Verdichtungskammer mit der Saugseite in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über die Saugseite Gas in die Verdichtungskammer einsaugbar ist, und wobei die Verdichtungskammer mit der Druckseite in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über die Druckseite verdichtetes Gas aus der Verdichtungskammer ausgebbar ist.
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Das System weist weiterhin eine Einrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit nach dem zweiten Aspekt der Erfindung auf, wobei der Gasabscheider mit der Druckseite der Vorrichtung in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass das Gas gemeinsam mit einem Gemisch, das eine ionische Flüssigkeit und Wasser aufweist, aus der Druckseite der Vorrichtung in den Gasabscheider einleitbar ist, und wobei der Behälter der Trocknungsvorrichtung der Einrichtung mit der Saugseite der Vorrichtung in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass die mittels der Einrichtung von dem Wasser getrennte ionische Flüssigkeit in die Saugseite der Vorrichtung einleitbar ist.
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Das erfindungsgemäße System kann eine an sich nach dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases aufweisen. Bei solchen Vorrichtungen werden ionische Flüssigkeiten häufig als Schmierstoffe oder Kühlmedien verwendet. Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine Trocknung und Rückführung dieser ionischen Flüssigkeit in die Vorrichtung zur Druckerhöhung mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das System ein stromab der Trocknungsvorrichtung der Einrichtung und stromauf der Saugseite der Vorrichtung zur Druckerhöhung ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, zur Verhinderung des Zurückströmens der ionischen Flüssigkeit beim Einleiten in die Saugseite auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das System eine Düse auf, die in Strömungsverbindung mit der Saugseite der Vorrichtung zur Druckerhöhung steht, wobei die Düse dazu ausgebildet ist, in die Saugseite einzuleitende ionische Flüssigkeit zu zerstäuben.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 ein System aufweisend eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit und eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases,
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2 eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine schematische Darstellung eines Systems 1 zur Abscheidung von Wasser W aus einer ionischen Flüssigkeit I, welches eine Vorrichtung 20 zur Druckerhöhung eines Gases G aufweist, die mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung 10 zur Abscheidung von Wasser W aus einer ionischen Flüssigkeit I in Strömungsverbindung steht.
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Aus der Vorrichtung 20 wird ein mittels der Vorrichtung 20 verdichtetes Gas G ausgegeben, das mit einem Gemisch M aus einer ionischen Flüssigkeit I und Wasser W vermischt ist. Bei dem Verdichtungsprozess durch die Vorrichtung 20 kann die ionische Flüssigkeit I insbesondere als Schmierstoff oder als Kühlmedium der Vorrichtung 20 verwendet werden.
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Das Gemisch M wird gemeinsam mit dem Gas G nach Verlassen der Vorrichtung 20 in eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 eingeleitet. Dabei durchläuft das Gemisch M in einem optionalen Schritt zunächst gemeinsam mit dem Gas G eine Kühlstrecke 18, mittels der das Gemisch M und das Gas G abgekühlt werden.
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Anschließend wird das Gemisch M gemeinsam mit dem Gas G in einen nach dem Stand der Technik ausgeführten Gasabscheider 15 eingeleitet. In dem Gasabscheider 15 wird das Gemisch M von dem Gas G getrennt.
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Das Gemisch M wird nach der Abscheidung des Gases G in eine Vorrichtung 19 zur isenthalpen Entspannung eingeleitet, mittels der in einem weiteren optionalen Schritt der Druck des Gemisches M reduziert wird.
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Nach der Reduzierung des Drucks wird das Gemisch M in einen Behälter 12 einer Trocknungsvorrichtung 11 eingeleitet. Der Behälter 12 ist von einer Heizvorrichtung 13 zumindest teilweise umschlossen. Mittels der Heizvorrichtung 13 wird das Gemisch M erwärmt bzw. erhitzt, so dass zumindest ein Teil des Wassers W des Gemisches M durch Sieden (bei Überschreitung der Siedetemperatur) bzw. durch Verdampfen in die gasförmige Phase übergeht.
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Die durch das Erhitzen oder Erwärmen entstandene gasförmige Phase wird durch ein Ventil 14, das insbesondere als Rückschlagventil ausgeführt ist, aus dem Behälter 12 ausgegeben. Nach Abschluss des Trocknungsprozesses ist das Wasser W im Wesentlichen aus dem Gemisch M entfernt. Die verbleibende ionische Flüssigkeit I wird aus dem Behälter 12 abgezogen und in einem weiteren optionalen Schritt durch einen Filter 16 geleitet. Mittels des Filters 16 können insbesondere in der ionischen Flüssigkeit I vorhandene Partikel entfernt werden.
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In einem weiteren optionalen Schritt wird die ionische Flüssigkeit I mittels eines Wärmeübertragers 17 gekühlt.
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Anschließend wird die ionische Flüssigkeit I, insbesondere von einer Pumpe zur Druckerhöhung der ionischen Flüssigkeit I angetrieben, zurück zu der Vorrichtung 20 geleitet und insbesondere als Schmiermittel oder Kühlmedium in die Vorrichtung 20 eingeleitet. Dabei weist die Vorrichtung 20 insbesondere ein weiteres Rückschlagventil auf, welches die ionische Flüssigkeit I am Zurückströmen hindert. Vor dem Einleiten in die Vorrichtung 20 wird die ionische Flüssigkeit I in einem weiteren optionalen Schritt fein zerstäubt, insbesondere mittels einer Düse.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 20 zur Druckerhöhung eines Gases G.
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Die Vorrichtung 20 weist eine Saugseite 21, insbesondere einen Saugkanal, auf, der über ein Saugventil 25 mit einer Verdichtungskammer 22 in Strömungsverbindung steht. Die Verdichtungskammer 22 steht weiterhin über ein Druckventil 26 mit einer Druckseite 23, insbesondere einem Druckkanal, in Strömungsverbindung. Das Volumen der Verdichtungskammer 22 ist mittels einer Bewegung bzw. Verformung eines Verdrängers 24, der beispielsweise als Kolben oder Membran ausgeführt sein kann, veränderbar.
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Übersteigt ein erster Druck p1 eines in die Saugseite 21 in die Vorrichtung 20 eingeleiteten Gases G den in der Verdichtungskammer 22 herrschenden Druck, strömt das Gas G über das Saugventil 25 in die Verdichtungskammer 22 ein. Wird anschließend das Volumen der Verdichtungskammer 22 durch Bewegung oder Verformung des Verdrängers 24 verkleinert, erhöht sich der Druck des Gases G in der Verdichtungskammer 22 und das Gas G strömt bei Übersteigen eines an der Druckseite 23 herrschenden zweiten Drucks p2 über das Druckventil 26 in die Druckseite 23 der Vorrichtung 20. Auf diese Weise kann der Druck des Gases G mittels der Vorrichtung 20 erhöht werden.
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In einem in 1 gezeigten System 1, in dem die Vorrichtung 20 wie in 2 gezeigt ausgeführt ist, ist die Druckseite 23 der Vorrichtung 20 mit der Einrichtung 10 zur Abscheidung von Wasser W aus einer ionischen Flüssigkeit I in Strömungsverbindung bringbar, wobei der Gasabscheider 15 der Einrichtung 10 stromab der Druckseite 23 angeordnet ist, so dass das Gas G gemeinsam mit dem Gemisch M aus der Druckseite 23 in den Gasabscheider 15 einleitbar ist, insbesondere über die Kühlstrecke 18. Weiterhin kann das Gemisch M in die Vorrichtung 19 zur isenthalpen Entspannung geleitet werden.
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Die Saugseite
21 der Vorrichtung
20 ist mit der Trocknungsvorrichtung
11 in Strömungsverbindung bringbar, insbesondere über den Filter
16 und den Wärmeübertrager
17, so dass die getrocknete, weitgehend wasserfreie ionische Flüssigkeit I, insbesondere als Schmiermittel oder Kühlmedium in die Saugseite
21 der Vorrichtung
20 eingebracht werden kann. Dabei ist an der Saugseite
21 insbesondere ein Rückschlagventil angeordnet. Weiterhin weist die Saugseite
21 insbesondere eine Düse zum feinen Zerstäuben der ionischen Flüssigkeit I auf, wobei mittels der Düse die ionische Flüssigkeit I in einem fein zerstäubten Zustand in die Saugseite
21 einbringbar ist. Bezugszeichenliste
| System zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit | 1 |
| Einrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einer ionischen Flüssigkeit | 10 |
| Trocknungsvorrichtung | 11 |
| Behälter | 12 |
| Heizvorrichtung | 13 |
| Ventil | 14 |
| Gasabscheider | 15 |
| Filter | 16 |
| Wärmeübertrager | 17 |
| Kühlstrecke | 18 |
| Vorrichtung zur isenthalpen Entspannung | 19 |
| Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Gases | 20 |
| Saugseite | 21 |
| Verdichtungskammer | 22 |
| Druckseite | 23 |
| Verdrängen | 24 |
| Saugventil | 25 |
| Druckventil | 26 |
| Ionische Flüssigkeit | I |
| Wasser | W |
| Gemisch | M |
| Gas | G |
| Erster Druck | p1 |
| Zweiter Druck | p2 |
