DE10203119C1

DE10203119C1 - Verfahren zur Abreinigung eines Festkörpersystems sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10203119C1
Application number: DE2002103119
Authority: DE
Inventors: Ulrich Balke; Frank Heunemann; Markus Ising; Christoph Unger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-01-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abreinigung eines Festkörpersystems, das für die Änderung einer Zusammensetzung und/oder eines Energiegehaltes eines durch das Festkörpersystem strömenden Fluids ausgebildet und in zumindest einem Strömungskanal für das Fluid angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird das Festkörpersystem über den Strömungskanal mit einem Reinigungsmedium beaufschlagt, das durch einen chemischen Prozess eine Reinigungswirkung erzielt, wobei nacheinander verschiedene Abschnitte des Festkörpersystemsmit dem Reinigungsmedium beaufschlagt werden, während gleichzeitig das Fluid durch den Strömungskanal strömt und jeweils zumindest einer der Abschnitte ausschließlich vom Fluid durchströmt wird. DOLLAR A Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung bieten eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Abreinigung derartiger Festkörpersysteme.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abreinigung eines Festkörpersystems, das für die Änderung einer Zusammensetzung und/oder eines Energie gehaltes eines durch das Festkörpersystem strömenden Fluids ausgebildet und in zumindest einem Strömungs kanal für das Fluid angeordnet ist, bei dem das Festkörpersystem über den zumindest einen Strömungs kanal mit einem Reinigungsmedium beaufschlagt wird, das durch einen chemischen Prozess eine Reinigungswirkung erzielt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der das Fest körpersystem in einem Strömungskanal für das Fluid angeordnet ist.

Festkörpersysteme für die Änderung einer Zusammen setzung und/oder eines Energiegehaltes eines durch das Festkörpersystem strömenden Fluids sind in unter schiedlichen Ausgestaltungen bekannt. So stellt die Durchströmung eines porösen Festkörpers, einer gezielt hergestellten Festkörperanordnung mit Strömungskanälen oder einer Feststoffschüttung, die derartige Fest körpersysteme darstellen, mit einem ggf. teilweise feststoffhaltigen Fluid eine verfahrenstechnische Grundoperation in vielen technischen Bereichen dar.

Beispielhafte Anwendungsfälle sind die Reinigung des Fluids von Feststoffpartikeln bei der Durchströmung des Festkörpersystems, das bspw. in Form eines Tiefen- oder Oberflächenfilters ausgebildet sein kann, die Reaktion oder Umsetzung von Bestandteilen des Fluids mit dem Festkörpersystem, wenn dieses bspw. in Form eines Rauchgaskatalysators ausgebildet ist, oder ein Energieaustausch zwischen dem Fluid und dem Festkörper system, wie er bspw. in Rekuperatoren zur Luftvor wärmung durchgeführt wird. In all diesen nicht abschließend aufgezählten Fällen können Anlagerungen von Feststoffen aus dem Fluid, von Reaktionsprodukten oder von Bestandteilen des Fluids mit der Zeit eine Verschlechterung der Durchströmbarkeit des Festkörper systems, eine Behinderung des Stoff- und Energie austauschprozesses, eine Deaktivierung oder eine sonstige Funktionsbeeinträchtigung verursachen. Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Funktion des Fest körpersystems für die durchzuführende verfahrens technische Grundoperation ist die Entfernung der Anlagerungen durch Abreinigung des Festkörpersystems oder der Austausch zumindest von Teilen des Festkörper systems erforderlich.

Stand der Technik

Die bisher bekannten Abreinigungstechniken sind je nach den verfahrenstechnischen Randbedingungen sehr unterschiedlich. Alle Verfahren basieren entweder auf chemischen Mechanismen, bspw. durch Einwirkung von Tensiden oder Lösungsmitteln oder durch Abbrennen, oder auf physikalischen Mechanismen, bspw. durch Abblasen, Rütteln, die Beaufschlagung mit Ultra- oder Infraschall oder die Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeaus dehnung von Anlagerungen und Festkörpersystem.

Neben diesen Abreinigungstechniken ist es auch bekannt, Teile des Festkörpersystems kontinuierlich oder diskontinuierlich auszutauschen. Ein derartiges Austauschverfahren ist bspw. der DE 199 61 691 A1 zu entnehmen. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Rauchgas, bei denen das Rauchgas durch ein als Filterbett ausge bildetes Festkörpersystem durchgesaugt wird, das aus einer Schüttung eines Absorptions- und Neutralisations mittel enthaltenden Granulats besteht. Das Granulat wird während des Reinigungsbetriebes quer zur Durch strömungsrichtung bewegt und auf einem endlosen Weg zirkuliert, so dass ein Teil des vom Filterbett kommenden Granulats als Abfall abgezweigt und durch unverbrauchtes Granulat ersetzt werden kann.

Sowohl das kontinuierliche als auch das dis kontinuierliche Ausschleusen des Feststoffes gestaltet sich jedoch in vielen Fällen technisch sehr schwierig und verursacht, auch aufgrund des erforderlichen kostenintensiven und störungsanfälligen Handlings von Feststoffen, entsprechend hohe Kosten. Bei einem diskontinuierlichen Feststoffwechsel müssen zudem unerwünschte Betriebsunterbrechungen in Kauf genommen werden.

Ein sehr häufig eingesetztes Verfahren zur Abreinigung setzt einen physikalischen Abreinigungs- Mechanismus ein. Hierbei werden makroskopische Anlagerungen am Festkörpersystem mit einem auf den Festkörper gerichteten Strahl eines Reinigungsmediums mit einer im Vergleich zur Grundströmung des Fluids höheren Geschwindigkeit zyklisch abgereinigt. Die Reinigung wird dabei durch zwei unterschiedliche physikalische Mechanismen erzielt. Bei dem ersten Mechanismus wird ausgenutzt, dass die Anlagerungen bzw. Verschmutzungen einen Strömungswiderstand im Fest körpersystem bieten. Bei Beaufschlagung des ver schmutzten Festkörpersystems mit der, relativ zum Abreinigungsstrahl langsamen, Grundströmung sind die Haftkräfte der Anlagerungen größer als die durch den Strömungswiderstand hervorgerufene Kraft. Bei der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Reinigungsmediums ver größert sich die durch den Strömungswiderstand der Anlagerung hervorgerufene Kraft. Die Geschwindigkeit des Reinigungsmediums wird in diesem Fall ausreichend groß gewählt, um die Haftkräfte zu überwinden, so dass die Anlagerungen abgeblasen werden. Der zweite Mechanismus bei dieser physikalischen Reinigungstechnik beruht auf einer durch den Abreinigungsstrahl verur sachten Deformierung eines flexiblen Festkörpersystems, bspw. eines Filterschlauches. Da die Flexibilität der Anlagerungen bzw. Verunreinigungen in diesem Fall in der Regel geringer ist als die Flexibilität des Fest körpersystems, platzen die Anlagerungen vom Festkörper system ab und werden mit der Grundströmung des Fluids oder bspw. durch Einwirkung der Schwerkraft aus dem Festkörpersystem ausgetragen.

Diese Abreinigungstechnik lässt sich sowohl offline, d. h. mit Unterbrechung der Grundströmung des Fluids während der Reinigung, als auch online, d. h. zeitgleich mit der Beaufschlagung des Festkörpersystems mit der Grundströmung des Fluids, durchführen.

Die DE 30 44 820 A1 beschreibt ein derartiges Verfahren zum Staubabziehen aus einem Festkörper- Gaskontaktreaktor, bei dem aus einer Reihe von über dem Packungsabschnitt angeordneten festen oder beweglichen Düsen Strahlen aus Reinigungsgas gegen die Vorderfläche des Einlass- oder Auslassendes des Packungsabschnitts gerichtet sind. Hierbei handelt es sich um einen typischen physikalischen Abreinigungsprozess mit gerichteten Gasstrahlen, die eine wesentlich höhere Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit des Fluids der Grundströmung aufweisen müssen. Die Gasstrahlen werden dabei auf die durch Stirnseiten der Stege der Packungs abschnitte gebildeten Einlass- oder Auslassflächen gerichtet, um dort abgelagerten Staub oder Ruß abzu blasen. Die für die Erzeugung der Gasstrahlen erfor derlichen Düsen sind in einer Reihe auf einem Träger oder Rohr befestigt, das sich über die gesamte Breite des Packungsabschnittes erstreckt. Durch eine Bewegung dieses Rohres mit den Düsen parallel zur Einlass- oder Auslassöffnung des Packungsabschnittes lässt sich die gesamte Einlass- oder Auslassfläche des Packungs abschnitts abreinigen.

Dieses bekannte Abreinigungsverfahren ist jedoch bei Verunreinigungen mit einer hohen Adhäsionsneigung ungeeignet, die nach Ablösung vom Festkörpersystem bei erneutem Kontakt sofort wieder anhaften. Weiterhin lässt sich diese Abreinigungstechnik nicht bei Verun reinigungen anwenden, die eine chemische Verbindung mit dem Festkörpersystem eingegangen sind. Auch die Ab reinigung von verformbaren, bspw. zähflüssigen Verun reinigungen, die durch Einwirkung des Abreinigungs strahles lediglich eine Form mit geringerem Strömungs widerstand annehmen, bietet mit diesem Verfahren erhebliche Probleme. Grundsätzlich lässt sich dieses physikalische Abreinigungsverfahren nur zur Entfernung von Verunreinigungen einsetzen, die geringe Haftkräfte zum Festkörpersystem aufweisen. Das Verfahren wird weiterhin bevorzugt nur bei der Oberflächenverun reinigungen eingesetzt, da Verunreinigungen in schmalen Poren mit dieser Technik nur bedingt entfernbar sind. Bei Ausnutzung des zweiten Mechanismus, bei dem ein Abplatzen der Verunreinigung angestrebt wird, ist zudem eine reversible Verformbarkeit des Festkörpersystems erforderlich. Weitere Probleme können sich bei Verwen dung des gleichen Fluids für die Abreinigung wie für die Grundströmung ergeben, da die erforderliche Druck erhöhung des Reinigungsmediums in diesem Fall zum Teil technische Probleme verursacht.

In Anwendungen, bei denen die Verunreinigungen eine chemische Verbindung mit dem Festkörpersystem eingehen, werden daher Reinigungsmedien eingesetzt, die die Reinigungswirkung durch einen chemischen Prozess erzielen. Zur Vermeidung von Betriebsunterbrechungen für die Abreinigung wird beim Einsatz dieser Reini gungsmedien eine redundante Ausführung der das Fest körpersystem enthaltenen technischen Apparatur gewählt, wie dies beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist. Das Festkörpersystem ist bei dieser Ausführung doppelt vorhanden. Durch Armaturen in den Zu- und Ableitungen wird ein abwechselnder Betrieb der beiden Festkörper systeme ermöglicht. Während das eine Festkörpersystem vom Fluid durchströmt wird, wird das zweite Festkörper system zur Abreinigung mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt. Nach der Abreinigung des zweiten Fest körpersystems wird das Fluid auf dieses umgeschaltet und das erste Festkörpersystem mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt. Das Gemisch von Reinigungsmedium und abgelösten Verunreinigungen bzw. das Reaktionsprodukt beider kann entweder auf einem gesonderten Stoffstrom weg abgeführt werden oder, falls eine Vermischung der Abreinigungsprodukte mit dem Fluid der Grundströmung tolerierbar ist, auch über einen gemeinsamen Auslass kanal. Der maximal mögliche Stoffstrom des Abreini gungsmediums wird dann von der zulässigen Menge der Abreinigungsprodukte in der Grundströmung bestimmt.

Eine derartige Technik der Abreinigung mit einem durch einen chemischen Prozess wirkenden Reinigungs medium und redundanter Auslegung des Festkörpersystems ist bspw. der DE 691 31 569 T2 zu entnehmen, die ein Verfahren zur Reinigung von hochtemperaturigen redu zierenden Gasen unter Einsatz von zumindest drei jeweils ein Festkörpersystem enthaltenden Reaktortürmen beschreibt.

Eine redundante Ausführung des Festkörpersystems führt jedoch zu hohen Investitionskosten. Insbesondere bei aggressiven, staubhaltigen oder heißen Fluiden verursachen auch die zusätzlich erforderlichen Armaturen, Behälter und Rohrleitungen erhebliche Kosten und sind unter derartigen Bedingungen entsprechend störanfällig. Da durch die Abreinigung eventuell der Zustand des Festkörpersystems gegenüber den Betriebs bedingungen, bspw. hinsichtlich der Temperatur oder des Oxidationszustandes oder durch Entfernung gewünschter Stoffanlagerungen usw., geändert wird, muss jeweils die für die gesamte Grundströmung des Fluids dimensionierte Menge des im Festkörpersystem enthaltenen wirksamen Festkörpers erneut auf die Betriebsbedingungen gebracht werden. Dies kann, je nach Eigenschaften des Prozesses, durch Aufheizen des Festkörpersystems auf Betriebs temperatur, durch Einstellung von Konzentrationsgleich gewichten an der Festkörperoberfläche oder durch andere Maßnahmen erfolgen. Diese jeweils neu vorzunehmende Einstellung auf die Betriebsbedingungen führt zu Schwankungen in der Produktqualität des nach Durch strömung der Apparatur erhaltenen Fluids. Ein langsames Anfahren der für die Gesamtmenge des Fluids ausgelegten Festkörpermenge mit einem Teilstrom des Fluids nach der Abreinigung vermindert zwar diese Problematik, ist jedoch nicht immer praktizierbar.

Auch die CH 222 347 beschreibt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren werden rein zu haltende, von Schwaden bestrichene Flächen von Wärmetauschern durch einen separaten Flüssigkeitskreislauf von solcher Stärke und Menge bespült, dass die Bildung einer Emulsionsschicht unterbleibt. Der Spülflüssigkeit können dabei Chemikalien zugesetzt werden, um die Reinigungswirkung zu verbessern. Das Verfahren dieser Druckschrift eignet sich jedoch nur für ganz spezielle Anwendungen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abreinigung eines Fest körpersystems der genannten Art anzugeben, das eine einfachere und kostengünstigere Online-Abreinigung einer Vielzahl von Festkörpersystemen ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der Unter ansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Abreinigung eines Festkörpersystems, das für die Änderung einer Zusammensetzung und/oder eines Energiegehaltes, insbesondere durch Reinigung und/oder chemische Umsetzung und/oder Wärmeübertragung, eines durch das Festkörpersystem strömenden Fluids ausgebildet und in zumindest einem Strömungskanal für das Fluid angeordnet ist, wird das Festkörpersystem mit einem Reinigungs medium beaufschlagt, das durch einen chemischen Prozess, insbesondere durch eine chemische Reaktion oder als Lösungsmittel für die Verunreinigungen bzw. Anlagerungen, eine Reinigungswirkung erzielt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zeitlich nacheinander verschiedene Querschnittsabschnitte des Festkörpersystems, die in der Summe den Strömungs querschnitt des Strömungskanals bzw. der Strömungs kanäle einnehmen, mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt werden, während gleichzeitig das Fluid durch den Strömungskanal bzw. die Strömungskanäle strömt, wobei jeweils, d. h. zu jedem Zeitpunkt der Abreinigung, zumindest einer der Abschnitte ausschließlich vom Fluid durchströmt wird. Auf diese Weise wird das Festkörper system durch sukzessive, partielle Abreinigung aller im zumindest einen Strömungskanal befindlichen Quer schnittsabschnitte während des Betriebes der Apparatur bzw. Vorrichtung, d. h. während der Durchströmung mit dem Fluid, online bzw. in situ von den Anlagerungen bzw. Verschmutzungen befreit. Der zugrundeliegende Reinigungsprozess ist die chemische Reaktion des Reinigungsmediums mit den Anlagerungen bzw. die Lösung der Anlagerungen in dem Reinigungsmedium. Dies ermöglicht auch die Entfernung von Verunreinigungen, die mit dem Festkörpersystem eine chemische Bindung eingegangen sind. Der Einsatz eines derartigen Reinigungsmediums ermöglicht auch die Entfernung von kleinsten, atomaren bzw. molekularen, oder verformbaren Anlagerungen, die durch physikalische Methoden nicht entfernt werden können.

Das Reinigungsmedium kann beim vorliegenden Verfahren direkt der Grundströmung des Fluids zugegeben oder auch erst durch Vermischung und/oder Reaktion eines direkt zugegebenen Mediums mit dem Fluid der Grundströmung gebildet werden. Das Reinigungsmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, die auch fein zerstäubt in ein Gas als Fluid der Grundströmung eingebracht werden kann. Das Reinigungsmedium kann auch Staub enthalten, welcher im Strömungskanal mit dem Reinigungsmedium oder dem Fluid der Grundströmung reagiert oder seinen Zustand durch Erwärmung von fest zu flüssig oder gasförmig ändert.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung kombinieren die Vorteile der eingangs beschriebenen bekannten Techniken und vermeiden deren Nachteile. So erfordert das vorliegende Verfahren keinerlei kostenintensive und störanfällige Armaturen mit großen Querschnitten im evtl. heißen, aggressiven, staubhaltigen Fluidstrom der Grundströmung. Das Verfahren erfordert keine redundante Auslegung des Festkörpersystems sowie der erforderlichen Rohr leitungen und Behälter. Eine Überdimensionierung des Festkörpersystems von 100% der zur Erreichung des angestrebten Fluiddurchsatzes erforderlichen Dimension, d. h. Volumen bzw. Menge, des Festkörpersystems ist nicht erforderlich. Diese Überdimensionierung kann vielmehr, je nach Ausführung des Verfahrens, wesentlich geringer ausfallen. Bei Wahl eines kleineren Quer schnittsabschnitts des Festkörpersystems, der gerade mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt wird, gegenüber dem bzw. den Abschnitten, die gerade ausschließlich vom Fluid durchströmt werden, verringert sich die erforder liche Überdimensionierung des Festkörpersystems. Dies ist insbesondere bei der Verwendung teurer Festkörper systeme, wie bspw. bestimmter Katalysatoren, relevant.

Durch die während des Betriebes erfolgende partielle Abreinigung ist der Stoffstromanteil der Grundströmung, der durch den Teil bzw. Abschnitt des Festkörpersystems im Anfahrzustand, d. h. unmittelbar nach Beendigung der Abreinigung dieses Abschnittes, strömt, im Vergleich zu dem in das Festkörpersystems eintretenden und aus diesem austretenden Gesamtstoff strom des Fluids immer deutlich kleiner als 100%. Dies führt zu geringeren Schwankungen der Eigenschaften des austretenden Fluids und damit zu geringeren Schwan kungen der Eingangsbedingungen nachgeschalteter Prozessschritte.

Die Beaufschlagung einzelner Abschnitte des Festkörpersystems mit dem Reinigungsmedium kann auf einfache Weise durch Einbringen dieses Reinigungs mediums an unterschiedlichen Stellen des Querschnitts des Strömungskanals in die Grundströmung erfolgen. Bei Vorliegen einer laminaren Strömung des Fluids wird bei Einbringen des Reinigungsmediums an einer bestimmten Stelle innerhalb des Querschnitts des Strömungskanals automatisch ein Abschnitt des Festkörpersystems mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt, der stromab dieser Einspeisungsstelle liegt. Durch voneinander unabhängige Ansteuerung verschiedener Zuführungen, die zu verschie denen Einspeisungspunkten innerhalb des Querschnittes führen, oder durch eine innerhalb des Querschnittes an verschiedene Positionen bewegbare Zuführung, die beispielsweise kontinuierlich über den Querschnitt bewegt wird, kann somit jeder Abschnitt des Festkörper systems unabhängig von den anderen Abschnitten mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt werden. Die Reihenfolge der Abreinigung der einzelnen Abschnitte kann hierbei selbstverständlich beliebig gewählt werden.

Bei turbulenten Strömungsverhältnissen in der Grundströmung des Fluids werden Strömungsteiler im Strömungskanal eingesetzt, die die Grundströmung in unterschiedliche Teilströme aufteilen. Jeder dieser Teilströme durchströmt hierbei einen anderen Abschnitt des Festkörpersystems. Das Reinigungsmedium wird in diesem Fall jeweils den einzelnen Teilströmen zuge führt, um die voneinander unabhängige Beaufschlagung der einzelnen Abschnitte des Festkörpersystems mit dem Reinigungsmedium zu erreichen. Nach dem Durchlaufen aller Abschnitte bei der Abreinigung kann erneut mit dem ersten Abschnitt begonnen werden, um die Ab reinigung ständig zyklisch durchzuführen. Selbst verständlich kann jedoch auch - auch zwischen der Abreinigung einzelner Abschnitte - eine Pause eingelegt werden.

Die zugehörige Vorrichtung besteht in bekannter Weise aus einem in einem Strömungskanal für das Fluid angeordneten Festkörpersystem. Der Strömungskanal befindet sich dabei vorzugsweise in einem Reaktor behältnis oder wird durch dieses Behältnis gebildet. In dem Strömungskanal sind verteilt mehrere unabhängig voneinander schaltbare Zuführungen mit Einspeisungs öffnungen für das Reinigungsmedium - oder ein in Vermischung mit dem Fluid das Reinigungsmedium bildende Medium - angeordnet, die über den Strömungsquerschnitt verteilt sind. Vorzugsweise sind innerhalb des Strömungskanals stromauf des Festkörpersystems Strömungsteiler angeordnet, die das Fluid bzw. die Grundströmung des Fluids vor Erreichen des Festkörper systems in unterschiedliche Teilströme aufteilen, die zu unterschiedlichen Abschnitten des Festkörpersystems führen. Für jeden dieser Abschnitte ist dann eine Zuführung mit einer Einspeisungsöffnung vorgesehen, über die das Reinigungsmedium direkt in den ent sprechenden Teilstrom einbringbar ist. Die einzelnen Abschnitte des Festkörpersystems, die getrennt vonein ander mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt werden, sind im Folgenden als Module bezeichnet, wobei der Begriff Modul die zugehörige Zuführung für das Reinigungsmedium sowie ggf. auch einen entsprechenden Strömungsteiler im Strömungskanal umfasst. Der Quer schnitt der Grundströmung ist beim vorliegenden Verfahren bzw. der zugehörigen Vorrichtung somit in mehrere parallele Module geteilt. Die Modulaufteilung wird bei Vorliegen einer laminaren Strömung - ohne zusätzliche strömungsteilende Einbauten - alleine durch das modulweise Schalten der Zuführungen für das Reinigungsmedium sowie die Anordnung der Einspeisungs öffnungen dieses Reinigungsmediums erreicht. Bei entsprechenden strömungsteilenden Einbauten, die auch das Festkörpersystem durchziehen können, ist die Aufteilung in die einzelnen Module durch diese Einbauten vorgegeben.

Der Volumenstrom des Reinigungsmediums durch jede der Zuführungen wird im Regelfall so gewählt, dass der Druckverlust bei der Durchströmung des Festkörper systems mit dem Reinigungsmedium im jeweiligen Modul gleich dem Druckverlust des Festkörpersystems bei der Durchströmung mit dem Fluid der Grundströmung ist. Bei einem zu groß gewählten Volumenstrom des Reinigungs mediums fließt ein Teil dieses Mediums quer zur Richtung der Grundströmung bzw. bei Vorliegen von Strömungsteilern gegen die Grundströmungsrichtung bis zum Einlass der Strömungsteiler und wird dann zusammen mit dem Fluid der Grundströmung über die benachbarten, momentan nicht mit Reinigungsmedium beaufschlagten, Module abgeführt.

Grundvoraussetzung für die Anwendbarkeit des vorliegenden Verfahrens ist selbstverständlich die Zulässigkeit der Beimischung geringer Mengen von Reinigungsmedium und Abreinigungsprodukten zum Fluid der Grundströmung bzw. zu den gewünschten Produkten des mit dem Festkörpersystem realisierten Prozessschrittes. Daher ergeben sich auch aus dem Abfließen geringer Mengen von Reinigungsmedium in benachbarte Module unter Umständen keine Nachteile.

Bei Wahl eines zu geringen Volumenstroms des Reinigungsmediums bzw. Mediums wird zusätzlich zum Medium noch ein Teil des Fluids der Grundströmung in das abzureinigende Modul strömen. Dies kann für unter schiedliche Anwendungen erforderlich sein, in denen erst durch Vermischung oder Reaktion von direkt vor dem abzureinigenden Festkörperabschnitt zugegebenen Medium mit einem Teil des Grundströmungsfluids das eigentliche Reinigungsmedium gebildet wird.

Das Reinigungsmedium wird beim vorliegenden Verfahren derart zugegeben, dass sich das Mengen verhältnis von vor dem jeweiligen Modul zugegebenem Medium bzw. Reinigungsmedium und dem Fluid der Grundströmung so einstellt, dass der Druckverlust bei der Durchströmung des Festkörpersystems des abzu reinigenden Moduls gleich dem Druckverlust bei Durchströmung des Festkörpersystems der Module im Normalbetrieb, d. h. mit dem Fluid, ist. Dies ist bspw. nicht der Fall bei der Technik der physikalischen Abreinigung, bei der der Reinigungsstrahl unter hohem Druck zugeführt werden muss.

Das Reinigungsmedium kann allen Abreinigungs modulen von einer zentralen Versorgungsstelle zur Verfügung gestellt werden. Die Massenstromregelung des Reinigungsmediums kann ebenfalls zentral für alle Module durchgeführt werden, so dass dann pro Modul lediglich Absperr- und keine kostenintensiven Regel armaturen in den Zuführungen für das Reinigungsmedium erforderlich sind.

In einer Ausführungsform wird das Verfahren derart betrieben, dass zu jedem Zeitpunkt der Abreinigung jeweils ein oder mehrere Abschnitte des Festkörper systems, die insgesamt deutlich weniger als 50% des Gesamtquerschnittes des Strömungskanals einnehmen, mit dem Reinigungsmedium beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann die Überdimensionierung des Festkörper systems gering gewählt werden.

Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich mit unterschiedlichen Fest körpersystemen einsetzen. So können diese Festkörper systeme bspw. Katalysatoren zur Gasbehandlung auf Trägermaterialien aus Metall oder Keramik, welche eine wabenförmige Struktur aufweisen, eine Festkörper schüttung zur Absorption von in einem gasförmigen Fluid enthaltenen Schadstoffen, Filter in Form von porösen Festkörpern oder auch Wärmetauscher in Form von Rekuperatoren oder Rohrwärmetauschern bilden. Bei einem Rohrbündelwärmetauscher als Festkörpersystem, der im Strömungskanal des Fluids angeordnet ist, sind die Querschnittsabschnitte durch die einzelnen abzu reinigenden Rohre des Rohrbündelwärmetauschers bereits vorgegeben, falls das Fluid der Grundströmung durch das Innere der Rohre strömt bzw. das Innere der Rohre abgereinigt werden soll.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausfüh rungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine redundante Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Abreinigung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein erstes Beispiel für eine Ausge staltung und den Betrieb einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ein zweites Beispiel für eine Ausge staltung und den Betrieb einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt stark schematisiert einen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchströmung eines Festkörper systems mit einem Fluid sowie zur Abreinigung dieses Festkörpersystems. Die Vorrichtung ist redundant mit zwei Reaktoren 1, 2 aufgebaut, in denen sich jeweils ein Festkörpersystem befindet. Die Reaktoren 1, 2 bilden zusammen mit der Zuführung 3, 4 für das Fluid 5 einen Strömungskanal, in dem die Festkörpersysteme angeordnet sind. Beim Betrieb dieser Apparatur wird die Grundströmung des Fluids 5 durch den zweiten Reaktor 2 geleitet, während dem ersten Reaktor 1 ein Reinigungs medium 6 zugeführt wird. Fluid 5 und Reinigungsmedium 6 werden nach dem Durchlaufen der Reaktoren 1, 2 über getrennte Rohrleitungen 7 abgeführt. Diese erste Betriebsweise ist im oberen Teil der Fig. 1 zu erkennen.

Der untere Teil der Fig. 1 zeigt die zweite Betriebsweise, bei der nach der Abreinigung des ersten Reaktors 1 die Grundströmung des Fluids 5 über diesen ersten Reaktor 1 geleitet wird, während der zweite Reaktor 2 mit dem Reinigungsmedium 6 beaufschlagt wird. Die Umschaltung zwischen den einzelnen Medien sowie die Abführung dieser Medien über die geeigneten Rohrlei tungen 7 wird über in der Figur dargestellte Absperr armaturen 8 ermöglicht.

Für den Fall, dass eine Vermischung der Abreini gungsprodukte mit dem Fluid 5 der Grundströmung möglich ist, kann die Verschaltung durch Zusammenführen der aus den beiden Reaktoren 1, 2 austretenden Medien auch vereinfacht werden.

Die dargestellte Anlage erfordert jedoch in jedem Fall eine 100%ige Überdimensionierung des Festkörper systems zur redundanten Auslegung und ist aufgrund der zusätzlich erforderlichen Armaturen störungsanfällig.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung sowie die Durchführung des zugehörigen Verfahrens. In der Figur ist der Strömungs kanal 9 für die Grundströmung des Fluids 5 zu erkennen, in dem das Festkörpersystem 10 angeordnet ist. Inner halb des Strömungskanals 9 sind weiterhin Einbauten 11, insbesondere Leitbleche, zu erkennen, die die Grund strömung in unterschiedliche Teilströme auftrennen. Dies ist anhand der in diesem Beispiel zweidimensio nalen schematischen Darstellung dreier nebeneinander angeordneter Festkörpermodule 10a, 10b, 10c zu erkennen. Der Strömungskanal 9 wird in der Regel durch einen Behälter gebildet, der einen Auslass für das durch das Festkörpersystem hindurchgetretene Fluid 5 eine Zuführung für dieses Fluid 5 bildet. Diese Behält nisse werden häufig in Form von Reaktorbehältnissen ausgebildet.

Die Figur zeigt weiterhin drei Zuführungen 12 für ein Reinigungsmedium, die in den unterschiedlichen Strömungskanälen bzw. Modulen enden.

Beim Betrieb dieser Anlage werden die Festkörper zweier Module 10a, 10c zur Durchführung des gewünschten Prozessschrittes mit dem Fluid 5 der Grundströmung durchströmt, während jeweils ein Modul, Modul 10b, durch Beaufschlagung mit dem Reinigungsmedium 6 abgereinigt wird. Die Figur stellt hierbei eine Moment aufnahme dar. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird die Zuführung des Reinigungsmediums 6 zum Modul 10b gestoppt und bspw. zum Modul 10a gestartet. Hierdurch ändern sich die Verhältnisse, da nunmehr das Modul 10c abgereinigt wird, während das Fluid 5 der Grundströmung durch die Module 10a und 10b strömt. Im letzten Schritt dieses Zyklus wird schließlich das Modul 10a durch entsprechende Zuführung des Reinigungsmediums 6 abgereinigt, während das Fluid 5 durch die Module 10b und 10c strömt. Durch die Zugabe des Reinigungsmediums 6 in die jeweiligen Kanäle bzw. Teilströme vor dem Festkörpersystem 10 des abzureinigenden Moduls wird das Fluid 5 der Grundströmung auf die anderen Module abgedrängt, wie dies in der Fig. 2 durch den Verlauf der Pfeile angedeutet ist. Die in der Figur darge stellten Einbauten 11 müssen nicht vollkommen dicht und druckfest sein, da sie lediglich der Aufteilung der Grundströmung in die einzelnen Teilströme dienen.

Die gesamte Apparatur kann hierbei aus bau gleichen, jeweils mit kompletter Abreinigungs vorrichtung ausgestatteten Modulen zusammengesetzt sein, d. h. Modulen, die jeweils einen Abschnitt des Festkörpersystems, die entsprechenden Teilkanäle sowie die Zuführungen 12 für das Reinigungsmedium 6 auf weisen. Mit einer derartigen Ausgestaltung kann ein modularer Aufbau der Gesamtapparatur realisiert werden, bei dem die Prozessleistung durch die Anzahl der Module bestimmt bzw. gewählt wird. Der Volumenstrom für die Zuführung des Reinigungsmediums 6 wird in Abhängigkeit von dem Volumenstrom der Grundströmung so gewählt, dass entweder das Fluid 5 der Grundströmung aus dem entsprechenden abzureinigenden Modul vollständig verdrängt wird, oder dass sich ein entsprechendes Mischungsverhältnis einstellt, falls dies zur Abreini gung erforderlich ist. Aufwendige Regelarmaturen in den Zuführungen 12 sind hierbei nicht erforderlich.

Das vorliegende Verfahren kann bspw. bei der Reinigung von bei der Vergasung von Holz erzeugtem Schwachgas eingesetzt werden. Derartiges Schwachgas enthält neben den erwünschten Gaskomponenten auch Spuren an Kohlenwasserstoffen (Teere). Diese Kohlen wasserstoffe kondensieren bei Temperaturen unterhalb von ca. 600°C und bilden feste bzw. zähflüssige Ablagerungen, welche die weitere Nutzung des Schwach gases, z. B. in Verbrennungskraftmaschinen stark behindern.

Zum Abbau der Teere, bspw. mittels Reformierungs reaktionen, wird das Holzgas bei Temperaturen von ca. 900°C durch ein Festkörpersystem mit katalytisch aktiver Oberfläche geleitet. An bzw. auf diesem Festkörperkatalysator lagert sich u. a. fester Kohlen stoff ab, welcher bereits in dünnen Schichten die Reformierungsreaktionen behindert. Aus diesem Grund muss der Kohlenstoff zur Erhaltung gleichbleibender Teerumsätze regelmäßig entfernt werden.

Eine Abreinigung des Festkörpersystems ist bspw. mit einem Gemisch aus Sauerstoff (z. B. Luft) und/oder Wasserdampf und/oder CO₂ und/oder anderen Gaskompo nenten möglich, die als Reinigungsmedium beim vor liegenden Verfahren zugeführt werden. Die Abreinigungs produkte sind CO₂, Wasserdampf, CO und, je nach Betriebsbedingungen, H₂ sowie nicht umgesetzte Bestand teile des Reinigungsmediums.

Diese Abreinigungsprodukte sind in anderer Gewichtung die Bestandteile des Holzgases. Eine Beimischung geringer Mengen der Abreinigungsprodukte zum Holzgas ist daher durchaus möglich, ohne dass negative Auswirkungen für die weitere Gasnutzung eintreten.

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens in einer derartigen Anwendung mit einer jeweils partiellen Abreinigung von bspw. 10% der Oberfläche eines um diesen Wert überdimensionierten Festkörper systems bzw. Katalysators simultan zur Reformierung des Holzgases im restlichen Katalysatorabschnitt können die Abreinigungsprodukte zusammen mit dem Holzgas über einen nachgeschalteten Motor abgeführt bzw. genutzt werden.

Die Aktivität des Festkörperkatalysators wird auch durch andere Katalysatorgifte, wie bspw. geringe Mengen an Schwefel bzw. Schwefelverbindungen oder Schwer metallen, die sich im Laufe der Betriebszeit am Katalysator anlagern, reduziert (Deaktivierung). Hier ermöglicht die Umsetzung der Katalysatorgifte mit dem Reinigungsmedium eine schnelle Regenerierung des Katalysators. Die bei Zugabe des Reinigungsmediums gebildeten Stoffe haben eine wesentlich geringere Neigung zum Verbleib am Festkörpersystem - so werden bspw. Schwefelverbindungen zu Schwefeloxiden umgesetzt -, desorbieren und werden mit dem Fluid abgeführt. Die Abreinigung mittels des Reinigungsmediums erfolgt wesentlich schneller als die Deaktivierung durch Anlagerung der Katalysatorgifte.

Die für dieses Ausführungsbeispiel eingesetzte Vorrichtung wird wiederum zur Vereinfachung lediglich an einem zweidimensionalen Schema, hier von drei in einem Reformerbehälter nebeneinander angeordneten Modulen 10a, 10b, 10c, erläutert, wie dies in der Fig. 3 zu erkennen ist. Die Vorrichtung hat hierbei prinzipiell den gleichen Aufbau wie die Vorrichtung der Fig. 2, wobei als Festkörpersystem 10 jedoch Katalysatormodule 10a, 10b, 10c eingesetzt werden. Weiterhin ist in dieser Vorrichtung eine getrennte Zuführung 13 für eine Gasstrahlspülung vorgesehen (vorzugsweise mit N₂), über die zusätzlich zu dem chemischen Abreinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine physikalische Abreinigung mittels eines Gasstrahls unter hohen Druck durchgeführt werden kann.

Falls bspw. am Ausgang der Vorrichtung maximal 10% des Gesamtgasstromes nicht umgesetztes Reinigungsmedium und Produkte der Abreinigung sein können, sind in diesem Beispiel zehn parallele Module erforderlich, von denen in der Figur jedoch zur Veranschaulichung lediglich drei gezeigt sind. Diese Dimensionierung entspricht der vereinfachenden Annahme, dass sich bei gleichen Volumenströmen von Holzgas strömung und Strömung des Reinigungsmediums über dem Festkörpersystem 10 in etwa gleiche Druckverluste ergeben. Während bezogen auf die Fig. 3 die Module 10a und 10c in dieser Momentaufnahme zur Reformierung des Holzgases 5 eingesetzt werden, wird das dritte Modul 10b abgereinigt. Die Module können auch hier durch Leitbleche 11, die länger als das eigentliche Fest körpersystem 10 sind, getrennt sein. Durch Zugabe von Luft und Wasserdampf bzw. des oben beschriebenen Gasgemisches zur Abreinigung, wird mit einem Teil des Holzgases 5 Reinigungsgas 6 direkt vor dem abzu reinigenden Festkörpersystem eines Moduls erzeugt. Der restliche Teil des Holzgases 5 wird auf die anderen Module abgedrängt, da sich ansonsten eine höhere Druckdifferenz über das abzureinigende Modul ergeben würde. Dies ist anhand des Pfeilverlaufs in der Fig. 3 zu erkennen.

Der im Vergleich zum gesamten Festkörpersystem 10 relativ kleine Querschnitt eines Abschnittes bzw. Moduls ermöglicht bereits nach kurzer Strömungslänge eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung der Komponenten des Reinigungsgases 6 über den gesamten Modulquerschnitt. Durch Variation des Verhältnisses der zum Holzgas 5 zugegebenen Gaskomponenten (Luft, Wasserdampf, CO₂. etc.) zueinander sowie durch Variation der Gesamtmenge des zur Holzgasströmung zugegebenen Volumenstroms wird die Zusammensetzung und die Temperatur des durch Vermischung dieser Gas komponenten mit der Holzgasströmung erhaltenen Reinigungsmediums 6 am Katalysatoraustritt festgelegt.

Die Zuführung der verglichen mit dem Holzgas kalten und staubfreien Gase zur Abreinigung kann bei ca. 30 m/s Strömungsgeschwindigkeit durch kleine Rohrquerschnitte der Zuführungen 12 erfolgen. Mit Hilfe einer Regelarmatur pro zugegebener Gaskomponente erfolgt die Dosierung für alle Module. Die örtliche Verteilung auf das jeweils abzureinigende Modul erfolgt lediglich durch eine Absperrarmatur pro Modul. Alle Armaturen befinden sich außerhalb der heißen, staub haltigen Holzgasströmung.

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung benötigen somit keine bewegten Teile wie bspw. Armaturen im Holzgasstrom und sind daher wartungsarm. Es sind auch weder zusätzliche heißgehende Leitungen vorhanden noch ergibt sich eine thermo mechanische Belastung durch wechselndes Aufheizen und, Abkühlen. Die Häufigkeit der Abreinigung kann bei Verkürzung der Zeitdauer der Abreinigung einzelner Abschnitte beliebig vergrößert werden, so dass bereits geringe Anlagerungen, die den Aufwand einer Abreini gung, wie sie sich bei Abreinigung mittels einer redundanten Apparatur gemäß dem Stand der Technik ergibt, nicht rechtfertigen würden. Auch derartige geringe Anlagerungen können jedoch mit dem vorliegenden Verfahren ohne zusätzlichen Aufwand abgebrannt werden. Das Verfahren ist leicht zu automatisieren. Durch die Möglichkeit des modularen Aufbaus bietet sich ein sehr geringes Risiko bei einer Anlagenvergrößerung.

Bezugszeichenliste

1

erster Reaktor

2

zweiter Reaktor

3

Zuführung für Fluid

4

Zuführung für Fluid

5

Grundströmung des Fluids

6

Reinigungsmedium

7

Rohrleitungen

8

Absperrarmaturen

9

Strömungskanal

10

Festkörpersystem

10

a-

10

c Festkörpermodule

11

Einbauten bzw. Strömungsleitbleche

12

Zuführungen für Reinigungsmedium

13

Zuführungen für Gasstrahlspülung

14

Abreinigungsprodukte

Claims

1. Verfahren zur Abreinigung eines Festkörpersystems, das für die Änderung einer Zusammensetzung und/oder eines Energiegehaltes eines durch das Festkörpersystem (10) strömenden Fluids (5) ausgebildet und in zumindest einem Strömungskanal (9) für das Fluid (5) angeordnet ist, bei dem das Festkörpersystem (10) über den zumindest einen Strömungskanal (9) mit einem Reinigungsmedium (6) beaufschlagt wird, das durch einen chemischen Prozess eine Reinigungswirkung erzielt, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander verschiedene Querschnitts abschnitte (10a, 10b, 10c) des Festkörpersystems (10) mit dem Reinigungsmedium (6) beaufschlagt werden, während gleichzeitig das Fluid (5) durch den Strömungskanal (9) strömt, wobei jeweils zumindest einer der Abschnitte (10a, 10b, 10c) ausschließlich vom Fluid (5) durchströmt wird und wobei das Reinigungsmedium (6) oder ein durch Vermischung mit dem Fluid (5) das Reinigungsmedium (6) bildendes Medium mit einem Volumenstrom in den Strömungskanal (9) eingebracht wird, der gewähr leistet, dass ein Druckabfall des Reinigungs mediums (6) über den jeweils beaufschlagten Abschnitten (10a, 10b, 10c) des Festkörpersystems (10) einem Druckabfall des Fluids (5) über dem zumindest einem Abschnitt (10a, 10b, 10c) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils zumindest eine Abschnitt (10a, 10b, 10c), der ausschließlich vom Fluid (5) durchströmt wird, einen Querschnittsanteil von mehr als 50% des Festkörpersystems (10) einnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils zumindest eine Abschnitt (10a, 10b, 10c), der ausschließlich vom Fluid (5) durchströmt wird, einen Querschnittsanteil von ca. 75 bis 95% des Festkörpersystems (10) einnimmt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Festkörpersystem (10), das für die Änderung einer Zusammensetzung und/oder eines Energiegehaltes eines durch das Festkörpersystem (10) strömenden Fluids (5) ausgebildet und in einem Strömungskanal (9) für das Fluid (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unabhängig voneinander schaltbare Zuführungen (12) mit Austrittsöffnungen für ein Reinigungsmedium (6) so in den Strömungskanal (9) ragen, dass die Austrittsöffnungen über einen Strömungsquerschnitt des Strömungskanals (9) verteilt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Strömungskanals (9) Strömungs teiler (11) angeordnet sind, die das Fluid (5) vor Erreichen des Festkörpersystems (10) in unter schiedliche Teilströme aufteilen, die zu unter schiedlichen Abschnitten bzw. Modulen (10a, 10b, 10c) des Festkörpersystems (10) führen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpersystem (10) durch einen porösen Festkörper oder eine Festkörperschüttung oder einen Festkörper mit integrierten Durchgangs kanälen gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpersystem (10) einen Filter oder einen Katalysator oder einen Rekuperator oder einen Wärmetauscher bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Zuführungen (13) für eine mechanische und/oder physikalische Abreinigung des Festkörper systems (10) im Strömungskanal (9) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungen (12) für ein Reinigungsmedium (6) mit einer zentralen Versorgungseinheit mit einer Massenstromregelung für das Reinigungsmedium (6) verbunden sind, wobei die Zuführungen (12) schaltbare Absperrarmaturen aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Versorgungseinheit aus mehreren Unterversorgungseinheiten besteht, die Komponenten des Reinigungsmediums (6) enthalten, wobei je Unterversorgungseinheit eine Regelstrecke mit Durchflussmesser, Regler und Regelarmatur vorhanden ist, über die die Zufuhr der Komponenten des Reinigungsmediums (6) erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) durch ein Reaktor gehäuse gebildet oder von einem Reaktorgehäuse umgeben ist.