DE102021003976A1 - Process and device for separating CO2 from gases - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass die Separation von CO2 aus der Atmosphäre und aus dem Abgas, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht, ermöglicht. Der Verbrennungsmotor (1) kann durch einfaches Umschalten der zweigeteilten Kurbelwelle als zweistufiger Kiefermotor (1) oder als zweistufiger Kiefer Verdichter (20) arbeiten. Der Kiefermotor (1) wird als Antrieb oder zur Stromproduktion verwendet. Mit dem Kiefer Verdichter (20) wird Energie gespeichert, indem flüssige Luft hergestellt wird. CO2 wird aus der zweistufig verdichteten Luft im Kiefermotor (1) und im Kiefer Verdichter (20) in einem CO2 Abscheider (9) separiert und in den Hochdruckteil eines Arbeitskreislaufes mit CO2 zugeführt. Das von einer Hochdruckpumpe (16) in den Arbeitskreislauf geförderte CO2 wird in Wärmetauschern (4), (5) und (10) auf die entsprechende Temperatur gebracht, so dass es sich bei der Entspannung im Düsenrad (14) verflüssigt und zurück in den Behälter (18) fließt. Im Kiefermotor (1) wird in einem weiteren CO2 Abscheider (9) CO2 aus dem Abgas separiert und der angesaugten Luft beigemischt. Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, mit geringem Energieeinsatz Kohlenwasserstoffe umweltfreundlich zur Stromproduktion, zur Energiespeicherung und in Antrieben zu verwenden.A method is proposed that enables the separation of CO2 from the atmosphere and from the exhaust gas resulting from the combustion of hydrocarbons. The internal combustion engine (1) can operate as a two-stage pine engine (1) or as a two-stage pine compressor (20) by simply switching the two-part crankshaft. The jaw motor (1) is used as a drive or to produce electricity. With the Kiefer compressor (20), energy is stored by producing liquid air. CO2 is separated from the two-stage compressed air in the Kiefer motor (1) and in the Kiefer compressor (20) in a CO2 separator (9) and fed into the high-pressure part of a working circuit with CO2. The CO2 fed into the working circuit by a high-pressure pump (16) is brought to the appropriate temperature in heat exchangers (4), (5) and (10), so that it liquefies when it expands in the nozzle wheel (14) and is returned to the container (18) flows. In the Kiefer engine (1), CO2 is separated from the exhaust gas in another CO2 separator (9) and mixed with the intake air. The proposed method allows hydrocarbons to be used in an environmentally friendly manner for electricity production, for energy storage and in drives with little energy input.

Description

Der in der Atmosphäre ansteigende Anteil von CO2 verursacht den z.Zt. stattfindenden Klimawandel. Um diesen aufzuhalten und wieder rückgängig zu machen, darf kein CO2 bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre gelangen und CO2 muss aus der Atmosphäre separiert werden.The increasing proportion of CO2 in the atmosphere causes the currently occurring climate change. In order to stop this and reverse it again, no CO2 must be released into the atmosphere when hydrocarbons are burned, and CO2 must be separated from the atmosphere.

Es soll hier ein Verfahren vorgeschlagen werden, dass die Separation von CO2 aus der Atmosphäre und aus dem Abgas, das bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht, ermöglicht. Das in dieser Patentschrift vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, Kohlenwasserstoffe umweltfreundlich zur Speicherung von Energie, zur Stromproduktion und in Antrieben zu verwenden.A method is to be proposed here that enables the separation of CO2 from the atmosphere and from the exhaust gas that is produced during the combustion of hydrocarbons. The method proposed in this patent specification allows hydrocarbons to be used in an environmentally friendly manner to store energy, to produce electricity and in drives.

BeschreibungDescription

Es wird hier als Antriebsaggregat oder als Verdichter der im Patent DD 228 321 A1 beschriebene Verbrennungsmotor (Kiefermotor) mit zweifacher Verdichtung und zweifacher Entspannung eingesetzt.It is used here as a drive unit or as a compressor in the patent DD 228 321 A1 described internal combustion engine (pine engine) used with double compression and double relaxation.

Gefilterte Luft wird vom großen Zylinder (Z1) (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2) angesaugt und aus diesem verdichtet in einen Wärmetauscher (4) ausgeschoben. In diesem wird die verdichtete Luft erster Stufe abgekühlt und vom kleinen Zylinder (Z2) angesogen, weiter verdichtet und in den Wärmetauscher (5) zur Abkühlung geschoben. Die abgekühlte, zweifach verdichtete Luft hohen Druckes wird in dem Abscheider (8) von Schadstoffen befreit und gelangt in den CO2 Abscheider (9). In diesem wird CO2 aus der Druckluft separiert, z.B. mittels Membran oder Adsorption. Das aus der Luft separierte CO2 hohen Druckes wird nun in den Hochdruckteil des CO2 Arbeitskreislaufes zugeführt (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2). In dem CO2 Arbeitskreislauf wird mittels Hochdruckpumpe flüssiges CO2 aus einem Behälter (18) durch die Wärmetauscher (4) und (5) zu deren Kühlung gedrückt. Anschließend wird das CO2 im Kühler (10) gekühlt, so dass es sich im Düsenrad (14) bei Arbeitsgewinnung entspannt und dabei verflüssigt (s. Patentanmeldung DE 10 2018 001 524 A1 ). Flüssiges CO2 fließt zurück in den Behälter (18). Die Welle (12) des Düsenrades (14) ist über ein Getriebe (11) mit der Welle (13) des Kiefermotors (1) oder des Kiefer Verdichters (20) verbunden.Filtered air is sucked in by the large cylinder (Z1) (see drawing 1, drawing 2) and compressed and pushed out of it into a heat exchanger (4). In this, the compressed air of the first stage is cooled and sucked in by the small cylinder (Z2), compressed further and pushed into the heat exchanger (5) for cooling. The cooled, doubly compressed, high-pressure air is freed from pollutants in the separator (8) and enters the CO2 separator (9). In this, CO2 is separated from the compressed air, eg by means of a membrane or adsorption. The high-pressure CO2 separated from the air is now fed into the high-pressure part of the CO2 working circuit (see drawing 1, drawing 2). In the CO2 working circuit, liquid CO2 is pressed from a container (18) through the heat exchangers (4) and (5) by means of a high-pressure pump in order to cool them. The CO2 is then cooled in the cooler (10) so that it expands in the nozzle wheel (14) to generate work and liquefies (see patent application DE 10 2018 001 524 A1 ). Liquid CO2 flows back into the container (18). The shaft (12) of the nozzle wheel (14) is connected to the shaft (13) of the Kiefer motor (1) or of the Kiefer compressor (20) via a gear (11).

Die vier Zylinder des Kiefermotors (1) können durch Verdrehen eines Teils der zweigeteilten Nockenwelle um einen Winkel so geschaltet werden, dass zwei zweistufige Verdichter als Kiefer Verdichter (20) zur Verfügung stehen (s. Zeichnung 2). Im Zylinder (Z4) wird nun wie im Zylinder (Z1) Luft angesaugt und zur ersten Stufe verdichtet und im Zylinder (Z3) wird wie im Zylinder (Z2) die verdichtete Luft angesaugt und zur zweiten Stufe verdichtet. Der Kiefer Verdichter (20) wird zur Herstellung flüssiger Luft und damit zur Speicherung von Energie genutzt.The four cylinders of the Kiefer engine (1) can be switched by rotating part of the two-part camshaft through an angle so that two two-stage compressors are available as Kiefer compressors (20) (see drawing 2). In the cylinder (Z4), like in the cylinder (Z1), air is sucked in and compressed to the first stage and in the cylinder (Z3), like in the cylinder (Z2), the compressed air is sucked in and compressed to the second stage. The Kiefer compressor (20) is used to produce liquid air and thus to store energy.

Bilden die vier Zylinder einen Kiefermotor (1) (s. Zeichnung 1), so gelangt nach den Zylindern (Z1) und (Z2) die gekühlte und von CO2 befreite Druckluft in den Zylinder (Z3) zur Verbrennung. In oberster Kolbenstellung öffnet das Lufteinlassventil und Kraftstoff gelangt über ein geöffnetes Kraftstoffventil oder durch kurzzeitige Einspritzung in den Zylinder. Ab einer gewissen Kolbenstellung werden die Einlassventile geschlossen. Die Verbrennung und gleichzeitige Entspannung setzten sich fort. Das Brenngas wird mit noch relativ hohem Druck und hoher Temperatur in den Zylinderkopf (15) ausgeschoben und gelangt von dort in den Zylinder (Z4) zur Fortsetzung der Verbrennung und Entspannung zweiter Stufe. Zum Druckausgleich sind die Druckbehälter (2), (3) und (17) installiert.If the four cylinders form a Kiefer engine (1) (see drawing 1), after the cylinders (Z1) and (Z2) the cooled and CO2-free compressed air reaches the cylinder (Z3) for combustion. In the top piston position, the air intake valve opens and fuel enters the cylinder via an open fuel valve or through brief injection. From a certain piston position, the intake valves are closed. Combustion and simultaneous expansion continued. The fuel gas is pushed out into the cylinder head (15) at a relatively high pressure and high temperature and from there it reaches the cylinder (Z4) to continue combustion and expansion in the second stage. The pressure tanks (2), (3) and (17) are installed to equalize the pressure.

Werden Kohlenwasserstoffe verbrannt, dann wird das Abgas über einen Abscheider (8) geleitet. Das kann z.B. ein Kondensator sein. Hier werden die für den nachfolgenden CO2 Abscheider (9) schädlichen Stoffe abgeschieden. Danach gelangt das Abgas in den CO2 Abscheider (9). In diesem kann z.B. eine Membran oder ein Adsorptionsmittel installiert sein. Das von CO2 befreite Abgas strömt in die Atmosphäre und das separierte CO2 wird je nach Reinheitsgrad vor oder nach dem Filter (7) der angesaugten Luft zugemischt.If hydrocarbons are burned, the exhaust gas is passed through a separator (8). This could be a capacitor, for example. The substances that are harmful to the subsequent CO2 separator (9) are separated here. The exhaust gas then enters the CO2 separator (9). A membrane or an adsorbent, for example, can be installed in this. The exhaust gas freed of CO2 flows into the atmosphere and the separated CO2 is mixed with the intake air before or after the filter (7), depending on the degree of purity.

In herkömmlichen, modernen Verbrennungsmotoren ist die Separation von CO2 aus dem Abgas nur mit hohem Aufwand möglich, da das Abgas stark verunreinigt ist. Dagegen ist die Separation von CO2 mit dem Kiefermotor (1) möglich, da man mit dem neuartigen Verbrennungsverfahren ein nahezu sauberes Abgas erhält. Durch die für die Verbrennung zur Verfügung stehende sehr lange Zeit und die hohen Wandtemperaturen des Verbrennungszylinders (Z3) und die intensive Durchmischung des Brenngasgasgemisches wird bei Sauerstoffüberschuss der Kraftstoff garantiert vollständig verbrannt. Kohlenwasserstoffe und Ruß werden sich demzufolge nicht im Abgas befinden. Die wenigen brennbaren Schmierstoffmoleküle, die im Zylinder (Z4) nicht verbrannt sind, werden im Abscheider (8) ausgesondert.In conventional, modern internal combustion engines, the separation of CO2 from the exhaust gas is only possible with great effort, since the exhaust gas is heavily contaminated. On the other hand, it is possible to separate CO2 with the Kiefer engine (1), since the new combustion process produces almost clean exhaust gas. Due to the very long time available for combustion and the high wall temperatures of the combustion cylinder (Z3) and the intensive mixing of the combustible gas mixture, the fuel is guaranteed to be burned completely if there is an excess of oxygen. As a result, hydrocarbons and soot will not be in the exhaust gas. The few combustible lubricant molecules that are not burned in the cylinder (Z4) are separated out in the separator (8).

Eine Zumischung von CO2 in der erforderlichen Menge zur angesaugten Luft ist in herkömmlichen modernen Verbrennungsmotoren schwer zu realisieren, da der Anteil Sauerstoff im angesaugten Luft-CO2 Gemisch sinkt und die Verbrennung noch unvollständiger erfolgt. Im Kiefermotor (1) wird das CO2 nach der zweifachen Verdichtung im CO2 Abscheider (9) abgeschieden so dass von CO2 befreite Druckluft in den Verbrennungszylinder (Z3) gelangt. Um einen Leistungsabfall zu vermeiden, können die Zylinder (Z1) und (Z2) etwas größer dimensioniert werden. Die zusätzliche Kompressionsarbeit in den Zylindern (Z1) und (Z2) infolge des zur Ansaugluft zugemischten CO2 wird durch den CO2 Arbeitskreislauf wettgemacht.An admixture of CO2 in the required amount to the intake air is difficult to achieve in conventional modern internal combustion engines, since the proportion of oxygen in the intake air-CO2 mixture decreases and combustion is even more incomplete. In the Kiefer motor (1), the CO2 is separated after double compression in the CO2 separator (9), so that CO2 released compressed air enters the combustion cylinder (Z3). In order to avoid a drop in performance, the cylinders (Z1) and (Z2) can be dimensioned somewhat larger. The additional compression work in the cylinders (Z1) and (Z2) as a result of the CO2 mixed with the intake air is compensated for by the CO2 working circuit.

Da die Menge an CO2 in dem Behälter (18) zunimmt, muss dieser nach einer gewissen Zeit geleert werden. Das CO2 kann zur Produktion von Methanol eingesetzt oder als Feststoff z.B. in Höhlen gespeichert werden. Die dazu erforderliche Kälte wird von der Anlage mit dem Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft (s. Zeichnung 1, Zeichnung 2) geliefert.As the amount of CO2 in the container (18) increases, it has to be emptied after a certain time. The CO2 can be used to produce methanol or stored as a solid, e.g. in caves. The cooling required for this is supplied by the system with the working circuit with liquid air (see drawing 1, drawing 2).

Die infolge der Zumischung von CO2 in die angesaugte Luft erfolgende Leistungsminderung kann im Kiefermotor (1) durch einen Dampfmaschinenprozess (s. Zeichnung 1) und einen Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft (s. Zeichnung 1 und Zeichnung 2) wettgemacht werden. Beim Dampfmaschinenprozess wird Wasser mittels Hochdruckpumpe (16) in im Motorblock befindliche Hohlräume gepumpt. Hier wird der Dampf erhitzt und anschließend der in den Zylinder (3) einströmenden Hochdruckluft zugemischt. Der Motorblock wird dabei gekühlt. Beim Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft wird flüssige Luft von einer Hochdruckpumpe (16) aus dem Behälter (19) entnommen und in einen Wärmetauscher (6) gedrückt. In diesem wird die Luft von der Umgebungswärme erwärmt und dehnt sich aus. Im Düsenrad (14) entspannt sie und fließt als flüssige Luft zurück in den Behälter (19). Damit sich die Luft nach der Entspannung auch tatsächlich verflüssigt, kann sie vor Eintritt in das Düsenrad (14) auf die entsprechende Temperatur abgekühlt werden. Zur Aufrechterhaltung der Menge flüssiger Luft im Arbeitskreislauf kann durch zeitweiliges Öffnen des Hahnes (21) Druckluft in den Arbeitskreislauf zugegeben werden.The reduction in output resulting from the admixture of CO2 in the intake air can be compensated for in the Kiefer engine (1) by a steam engine process (see drawing 1) and a working cycle with liquid air (see drawing 1 and drawing 2). In the steam engine process, water is pumped into cavities in the engine block using a high-pressure pump (16). Here the steam is heated and then mixed with the high-pressure air flowing into the cylinder (3). The engine block is thereby cooled. In the working cycle with liquid air, liquid air is taken from the container (19) by a high-pressure pump (16) and forced into a heat exchanger (6). Here, the air is heated by the ambient heat and expands. It expands in the nozzle wheel (14) and flows back into the container (19) as liquid air. So that the air actually liquefies after expansion, it can be cooled to the appropriate temperature before it enters the nozzle wheel (14). To maintain the amount of liquid air in the working circuit, compressed air can be added to the working circuit by temporarily opening the tap (21).

BezugszeichenlisteReference List

11
Kiefermotorjaw motor
2, 3,2, 3,
Druckbehälterpressure vessel
4, 5, 6, 74, 5, 6, 7
Wärmetauscherheat exchanger
77
Filterfilter
88th
Abscheiderseparator
99
CO2 AbscheiderCO2 separator
1010
Kühlrohrcooling tube
1111
Getriebetransmission
1212
Welle Düsenrädershaft jet wheels
1313
Welle Kiefermotor / Kiefer VerdichterShaft jaw motor / jaw compressor
1414
Düsenradjet wheel
1515
Zylinderkopfcylinder head
1616
Hochdruckpumpehigh pressure pump
1717
Druckbehälterpressure vessel
1818
Behälter für flüssiges CO2Liquid CO2 container
1919
Behälter für flüssige LuftLiquid air tank
2020
Kiefer Verdichterpine compactor
2121
HahnFaucet
Z1, Z2, Z3, Z4Z1, Z2, Z3, Z4
Zylindercylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DD 228321 A1 [0003]DD 228321 A1 [0003]
  • DE 102018001524 A1 [0004]DE 102018001524 A1 [0004]

Claims (9)

Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 dadurch gekennzeichnet, dass aus der angesaugten und zweifach verdichteten und gekühlten Luft eines Kiefermotors 1 oder eines Kiefer Verdichters 20 CO2 in einem CO2 Abscheider 9 separiert wird und dass dieses unter hohem Druck stehende CO2 einem CO2 Arbeitskreislauf in dessen Hochdruckleitung zugeführt wird.Method and device for separating CO2, characterized in that CO2 is separated from the sucked in and doubly compressed and cooled air of a Kiefer engine 1 or a Kiefer compressor 20 in a CO2 separator 9 and that this CO2, which is under high pressure, enters a CO2 working circuit in its high-pressure line is supplied. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass im CO2 Arbeitskreislauf von einer Hochdruckpumpe 16 flüssiges CO2 aus dem Behälter 18 in die Hochdruckleitung, die durch die Wärmetauscher 10, 4 und 5 zu deren Kühlung führt, gedrückt wird und dass das unter Hochdruck stehende CO2 danach im Wärmetauscher 10 so weit gekühlt wird, dass das zur Arbeitsverrichtung in das Düsenrad 14 strömende CO2 sich bei der Entspannung in diesem verflüssigt und das flüssige CO2 zurück in den Behälter 18 strömt.Method and device for separating CO2 according to point 1, characterized in that in the CO2 working circuit, liquid CO2 is pressed from the container 18 by a high-pressure pump 16 into the high-pressure line, which leads through the heat exchangers 10, 4 and 5 to cool them, and that the The high-pressure CO2 is then cooled in the heat exchanger 10 to such an extent that the CO2 flowing into the nozzle wheel 14 to perform the work liquefies during the expansion therein and the liquid CO2 flows back into the container 18 . Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im zweistufig verdichtenden und zweistufig entspannenden Kiefermotor 1 nach der zweistufigen Verdichtung von Luft und Abscheidung von CO2 die Hochdruckluft im Zylinder Z3 unter Zugabe einer gewissen Menge von Kohlenwasserstoffen verbrennt und dass die Brenngase über den Zylinderkopf 15 in den Zylinder Z4 gelangen, in dem sich die Verbrennung und Entspannung fortsetzt und dass die Brenngase aus dem Zylinder Z4 über einen CO2 Abscheider 9 geleitet werden, aus dem das Abgas in die Atmosphäre gelangt und das separierte CO2 der Ansaugluft des Kiefermotors 1 zugemischt wird.Method and device for separating CO2 according to points 1 and 2, characterized in that in the two-stage compression and two-stage relaxation pine engine 1 after the two-stage compression of air and separation of CO2, the high-pressure air in the cylinder Z3 burns with the addition of a certain amount of hydrocarbons and that the Combustion gases reach the cylinder Z4 via the cylinder head 15, in which the combustion and expansion continues, and that the combustion gases are routed from the cylinder Z4 via a CO2 separator 9, from which the exhaust gas escapes into the atmosphere and the separated CO2 of the intake air of the Kiefermotors 1 is added. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in dem CO2 Abscheider 9 eine Membran installiert ist, die die CO2 Moleküle von allen anderen Molekülen der Luft oder des Abgases trennt.Method and device for separating CO2 according to points 1 to 3, characterized in that a membrane is installed in the CO2 separator 9, which separates the CO2 molecules from all other molecules in the air or the exhaust gas. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Gase vor dem CO2 Abscheider 9 über einen Abscheider 8 laufen, der alle für den CO2 Abscheider 9 schädlichen Stoffe ausscheidet.Method and device for separating CO2 according to points 1 to 4, characterized in that the gases run upstream of the CO2 separator 9 via a separator 8 which separates out all substances which are harmful to the CO2 separator 9 . Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen eines Teils der zweigeteilten Nockenwelle aus einem Kiefermotor 1 ein Kiefer Verdichter 20, der aus zwei zweizylindrischen Verdichtern besteht, wird und umgekehrt.Method and device for separating CO2 according to points 1 to 5, characterized in that by twisting a part of the two-part camshaft from a pine engine 1 a pine compressor 20, which consists of two two-cylinder compressors, and vice versa. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitskreislauf mit flüssiger Luft angeschlossen wird derart, dass von einer Hochdruckpumpe flüssige Luft aus dem Behälter 19 in Druckleitungen 6 gedrückt wird, die von der Umgebungswärme oder von sonstigen Wärmequellen erwärmt werden, so dass sich die entstehende Druckluft ausdehnt und danach in einem Düsenrad 14, das mit der Welle 13 des Kiefermotors 1 oder des Kiefer Verdichters 20 über ein Getriebe gekoppelt ist, entspannt und verflüssigt und die flüssige Luft in den Behälter 19 zurückströmt.Method and device for the separation of CO2 according to points 1 to 3, characterized in that a working circuit with liquid air is connected in such a way that liquid air is pressed from the container 19 into pressure lines 6 by a high-pressure pump, which is heated by the ambient heat or other heat sources so that the resulting compressed air expands and then expands and liquefies in a nozzle wheel 14, which is coupled to the shaft 13 of the Kiefer motor 1 or the Kiefer compressor 20 via a gear, and the liquid air flows back into the container 19. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Leistung des Kiefermotors 1 Wasser von einer Hochdruckpumpe in Hohlräume des Motorblocks, die zur Kühlung des Motorblocks dienen, gedrückt werden und dass der entstehende Hochdruckdampf der zweifach verdichteten Luft im Zylinderkopf 15 zugemischt wird.Method and device for separating CO2 according to points 1 to 3, characterized in that to increase the performance of the Kiefer engine 1, water is pressed by a high-pressure pump into cavities in the engine block, which are used to cool the engine block, and that the resulting high-pressure steam of the twice compressed air is mixed in the cylinder head 15. Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zum Druckausgleich in den Druckleitungen Druckbehälter 2, 3, 17 installiert sind.Method and device for separating CO2 according to points 1 to 3, characterized in that pressure tanks 2, 3, 17 are installed in the pressure lines to equalize the pressure.
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