Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch
zwischen zwei strömenden, gasförmigen Fluiden.
Es ist bekannt, sogenannte Stoffaustauscher (mass exchanger), die nach dem Prinzip der
Trennwanddiffusion (auch geläufig unter Membrandiffusion, Mikropordiffusion, Gas
diffusion usw.) arbeiten, für die Trennung von Wasserstoff, Helium, Wasserdampf oder
anderen leichten Gasen von anderen Gaskomponenten aus einem Gasgemisch einzu
setzen. Die wesentliche Komponente eines derartigen Stoffaustauschers ist eine
permeable Trennwand bzw. Membrane, die in Form von Platten, Rohren (die Rohrwand
des Rohres fungiert als Trennwand) oder anderen Formen aus Kunststoff, Metall, Keramik
usw. ausgeführt ist, die die beiden Fluide trennt und durch die das zu trennende Gas
diffundiert.
Charakteristisch für eine permeable Membrane, unabhängig davon, aus welchem Werk
stoff sie besteht, ist eine winzige Porenstruktur, durch welche nur kleine Gasmoleküle
aufgrund des Partialdruckunterschiedes diffundieren können.
Während die eine Seite (der eine Strömungskanal) des Stoffaustauschers mit dem
Gasgemisch durchströmt ist, kann die andere Seite (der andere Stömungskanal) mit
einem Spülgas gespült werden, welches das durch die permeable Membrane diffundierte
leichte Gas abführt und den Partialdruck des Gases absenkt. Da die Spülgasmenge im
Vergleich zu der Gasgemischmenge sehr klein ist, kann der Wärmeinhalt des
Gasgemisches durch das Spülgas nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
In der Verfahrens- bzw. Prozeßtechnik kommt oft die technische Anforderung vor, ein
Gasgemisch (z. B. Spaltgas, Reformgas etc.) in leichte (z. B. Wasserstoff) und schwere
Komponenten zu zerlegen und das Gasgemisch gleichzeitig zu kühlen oder zu erwärmen.
Dieser Anforderung kommt man nach, indem man einen Apparat vorsieht, der die
Gastrennung bzw. den Stoffaustausch bewerkstelligt, sowie einen weiteren Apparat
(Wärmetauscher) vorsieht, der den Wärmeaustausch bewerkstelligt.
Durch Druckschrift DE 196 54 977 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden
und Schwarzrauch in Abgasen von Dieselmotoren sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens bekannt geworden, bei dem das Abgas eines Dieselmotors
in den Abgasraum eines Membranmoduls geleitet wird. Darin wird im Abgasstrom
enthaltener Wasserdampf durch eine poröse Membran in einen Gasraum abgetrennt. Zur
Abkühlung des abgetrennten Wasserdampfes weist das Membranmodul zusätzlich einen
von einem Kühlmittel durchströmten Kühlmittelraum auf, der auf einer Seite von einer
Wärmetauschplatte begrenzt wird und die an den Gasraum angrenzt.
Druckschrift DE 44 13 362 C1 offenbart eine Membran-Trennvorrichtung mit
Kühlvorrichtung, wobei die Trennvorrichtung wasser-selektive und lösemittel-selektive
Membranbereiche bzw. -stapel aufweist. Im Bereich der wasser-selektiven Membranstapel
ist für die Abkühlung des zu kondensierenden Wassers eine separate Kühlvorrichtung
vorgesehen.
Durch Druckschrift DE 41 43 331 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Transportieren von Gasen und/oder von durch Dissoziation an Oberflächen
entstandenen Gasmolekül-Bruchstücken durch Oberflächendiffusion bekannt geworden,
bei dem ein Festkörper eingesetzt ist, der von extrem schmalen bzw. engen Durchlässen
durchzogen ist. Bei einem Zweigasgemisch wird der Festkörper auf eine Temperatur
oberhalb der Desorptionstemperatur eines der Gase und unterhalb der
Desorptionstemperatur des anderen Gases erwärmt, wobei lediglich die Gasteilchen des
adsorbierten Gases auf den Durchlaßwandungen durch Oberflächendiffusion
transportiert wird.
Es hat sich bei diesen bekannten Anordnungen als nachteilig gezeigt, daß neben dem
aufwendigen und hohe Anschaffungskosten verursachenden Stoffaustauscher ein weiterer
aufwendiger Apparat bzw. eine zusätzlich vorzusehende Einrichtung für den
Wärmeaustausch eingesetzt wird, der bzw. die ebenfalls hohe Anschaffungs- und
Betriebs- bzw. Wartungskosten verursacht. An beiden Apparaten bzw. an einer
zusätzlichen Einrichtung können Wartungsarbeiten, wie Ausbesserungen an der
Ausmauerung, Entschlammung sowie weitere Reinigung, Austausch von Membranen
sowie von Rohren, anfallen. Die beiden Apparate bzw. eine zusätzliche Einrichtung
benötigen entsprechend ihrer Ausmaße viel Raum sowie Verbindungsleitungen, wobei der
beanspruchte Raum die Gesamtanlage in nachteiliger Weise vergrößert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei strömenden, gasförmigen Fluiden zu schaffen,
die bzw. das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruches 1 und bezüglich des Verfahrens gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei
strömenden, gasförmigen Fluiden sieht mindestens einen Strömungskanal und jeweils
mindestens einen in diesen Strömungskanal mündenden Ein- und Austritt für das erste
Fluid, mindestens einen weiteren Strömungskanal und jeweils mindestens einen in diesen
Strömungskanal mündenden Ein- und Austritt für das zweite Fluid und eine die beiden
Fluide trennende und den Strömungskanälen für die zwei Fluide gemeinsame Trennwand
vor, die mindestens einen Teil der die Strömungskanäle begrenzenden Wandung bildet,
wobei zumindest ein Abschnitt der Trennwand gaspermeabel ausgebildet ist und wobei
zumindest ein Abschnitt der Trennwand geeignet ausgebildet ist für einen indirekten
Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können gegenüber den bekannten
Anordnungen gemäß dem Stand der Technik wesentliche Kosteneinsparungen sowohl in
der Anschaffung als auch im Betrieb bzw. bei der Wartung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erzielt werden. Ferner wird der Raumbedarf durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung sowie die Anzahl der Anschlußstutzen und Verbindungsleitungen wesentlich
reduziert.
In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung besteht die gaspermeable Trennwand aus
Keramik, Kunststoff oder Metall. Keramikmembranen haben den Vorteil, daß sie
hochhitzebeständig, chemisch neutral und dadurch korrosionsbeständig sind und eine
hohe Oberflächenhärte gegen Erosion aufweisen, wohingegen Kunststoffmembranen
elastisch und gegen bestimmte Säuren chemisch neutral sind (gut einsetzbar für schwache
Säuren). Der Vorteil metallischer Membranen liegt in ihrer Elastizität, der hohen Festigkeit
und Zähigkeit und der Schweißbarkeit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zweckmäßigerweise in Form eines Röhren- bzw.
Rohrbündel-Wärmeaustauschers bzw. nach deren Aufbauprinzip ausgebildet sein. Damit
kann eine sehr effiziente, raumsparende und kostengünstige Vorrichtung zum Wärme-
und Stoffaustausch zwischen zwei Fluiden geschaffen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung in Form eines
Doppelrohr-Wärmetauschers bzw. nach dessen Aufbauprinzip ausgebildet. Dieser kann
eine weitere sehr effiziente, raumsparende und kostengünstige Vorrichtung zum Wärme-
und Stoffaustausch zwischen zwei Fluiden darstellen. Die Erhöhung der Effizienz wird
durch eine kontrollierte und verbesserte Strömungsverteilung innerhalb der Vorrichtung
sowie einer gleichmäßigen thermischen Belastung der Rohre erzielt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Wärme-
und Stoffaustausch zwischen zwei strömenden, gasförmigen Fluiden findet durch die
Trennwand ein Stoffaustausch mindestens einer Gaskomponente zwischen den beiden
Fluiden statt und gleichzeitig findet zumindest durch einen Abschnitt der Trennwand ein
indirekter Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden statt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Vorrichtungen betrieben werden, die
gegenüber den bekannten Vorrichtungen raumsparender und kostengünstiger sein
können. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt innerhalb eines Prozesses einen
geringeren Druckverlust, da von dem Prozeßmedium nur eine Vorrichtung mit wesentlich
weniger Anschlußstutzen zu durchströmen ist. Dies wirkt sich wiederum vorteilhaft für das
Gesamtverfahren sowie für entsprechende Antriebsaggregate, wie Pumpen und dgl. aus.
Ferner kann durch das erfindungsgemäße Verfahren durch eine chemische Reaktion des
diffundierenden Gases mit dem zweiten Gas eine Verbrennung erzielt werden, die
verfahrenstechnisch genutzt werden kann.
Von den zwei einzusetzenden Fluiden kann das eine ein Prozeßgas, das mindestens zwei
Gaskomponenten aufweist und aus dem eine oder mehrere Gaskomponente(n) durch
Trennwanddiffusion extrahiert wird, sein und das andere ein Heiz- oder Kühlmedium bzw.
-gas sein. Durch das Heiz- oder Kühlmedium kann das Prozeßgas erwärmt oder
abgekühlt werden, während es durch die Trennwand diffundiertes Gas (eine oder
mehrere Gaskomponenten) abführt.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht das durch die
Trennwand diffundierte Gas mit dem Heiz- oder Kühlmedium eine chemische Reaktion
ein. Dabei kann es zu einer weiteren Erwärmung des Heizmediums kommen und somit zu
einem verbesserten Wirkungsgrad der Prozeßgaserwärmung. Ferner kann durch die
chemische Reaktion der Partialdruck des zu diffundierenden Gases vorteilhaft abgesenkt
werden und somit der Wirkungsgrad der Gasdiffusion erhöht werden.
Es kann ferner vorteilhaft sein, daß auf beiden Seiten der Trennwand chemische
Reaktionen stattfinden, wobei auf der einen Seite der Trennwand der Partialdruck der
diffundierenden Gaskomponente angehoben und auf der anderen Seite der Trennwand
der Partialdruck der diffundierenden Gaskomponente abgesenkt wird. Dabei können die
eine oder beide Reaktionen exotherm oder eine oder beide Reaktionen endotherm sein,
wodurch die Wärmeübertragung verstärkt oder abgeschwächt wird. Eine exotherme
Reaktion tritt beispielsweise bei einer Entalkylierung auf. Dabei wird z. B. aus Toluol unter
Zugabe von Wasserstoff Benzol und Methan. Eine endotherme Reaktion tritt
beispielsweise bei einer Reformierung auf. Dabei wird z. B. aus Cyclohexan Benzol und
Wasserstoff.
Die Erfindung soll anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen
zwei strömenden, gasförmigen Fluiden, schematisch dargestellt,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Schnitt 2-2
in Fig. 1,
Fig. 3 eine alternative Ausführung zu Fig. 1, die in Form eines Röhren- bzw.
Rohrbündel-Wärmeaustauschers ausgebildet ist, schematisch dargestellt,
Fig. 4 wie Fig. 3, jedoch in Form eines Doppelrohr-Wärmeaustauschers ausgebildet.
Fig. 5 Einzelheit "Z" aus Fig. 4, perspektivisch gesehen
Fig. 1 zeigt, schematisch dargestellt, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärme-
und Stoffaustausch zwischen zwei strömenden, gasförmigen Fluiden.
Das eine Fluid, das ein mindestens zwei Gaskomponenten enthaltendes Prozeßgas sein
kann, strömt am Eintritt 4 in einen Strömungskanal 2 ein und am Austritt 5 aus. Durch
eine Trennwand 8 vom Strömungskanal 2 getrennt liegt der weitere Strömungskanal 3,
durch den das zweite Fluid strömt und dabei über Ein- und Austritt 6, 7 in den
Strömungskanal 3 ein- sowie austritt. Die Eintritte 4, 6 liegen zweckmäßigerweise am
stromaufwärtigen Ende und die Austritte 5, 7 am stromabwärtigen Ende der
Strömungskanäle 2, 3. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Strömungsrichtung
(siehe Pfeile) der zwei Fluide kann das zweite Fluid zum ersten Fluid auch im Gegenstrom
bzw. bei entsprechender Anordnung der Strömungskanäle auch im Querstrom fließen.
Der Strömungskanal 2, 3 kann wie in Fig. 1 dargestellt, gerade ausgebildet sein, d. h.
das Fluid durchströmt den Kanal ohne Ab- bzw. Umlenkung. Der Strömungskanal 2, 3
kann jedoch jede weitere, an sich bekannte Form aufweisen, wie z. B. gebogen,
gewunden, mäanderförmig usw.
Neben der Trennwand 8 sind die Strömungskanäle 2, 3 allseitig von Wänden 10
umgeben. Der Querschnitt der Strömungskanäle 2, 3 kann, wie in Fig. 2, rechteckig sein,
er kann jedoch auch dreieckig oder halbrund sein oder eine andere Form aufweisen. Die
zwischen den Strömungskanälen 2, 3 angeordnete Trennwand 8 kann, wie in Fig. 1 und 2
dargestellt, als plane Platte ausgebildet sein. Eine gewellte oder andersartige Form ist
jedoch möglich. Als Trennwand 8 können anstelle von Platten auch Rohre (wie in Fig. 3
und 4 dargestellt) oder weitere geometrische Ausbildungen benutzt werden.
Um den Stoffaustausch zwischen den beiden Fluiden zu erzielen, ist die Trennwand 8 zu
mindest abschnittsweise als gaspermeable Membrane ausgebildet, so daß eine oder
mehrere Gaskomponente(n) des einen Fluides durch Trennwand- bzw. Membran
diffusion auf die Seite des zweiten Fluides gelangt bzw. gelangen und dort von diesem
weggeführt wird bzw. werden. Wenn der Prozeß es erfordert, kann die Trennwand 8 zur
Gänze gaspermeabel ausgebildet sein.
Die Diffusionswirkung des zu diffundierenden Gases (z. B. Wasserstoff, Helium usw.) kann
erhöht werden durch entsprechenden Einsatz eines Kühl- oder Heizgases auf der Seite,
die das diffundierte Gas abführt. Dabei bleibt der Partialdruck des zu diffundierenden
Gases möglichst klein, so daß eine hohe Effizienz der Diffusionsleistung erreicht wird.
Durch den Einsatz eines Kühl- oder Heizgases als zweites Fluid, das das diffundierte Gas
abführt, kann das erste Fluid, beispielsweise ein Prozeßgas, gezielt und ggf. geregelt
gekühlt oder erwärmt werden.
Die zumindest abschnittsweise gaspermeable Trennwand bzw. Trennmembran 8 kann
aus Keramik, Metall oder Kunststoff gefertigt sein. Die gaspermeable Membrane besitzt,
unabhängig davon, aus welchem Werkstoff sie hergestellt ist, eine winzige Porenstruktur,
die nur kleine Gasmoleküle aufgrund des Partialdruckunterschiedes diffundieren läßt.
Die Wärmeübertragung zum Kühlen bzw. Aufheizen des einen Fluides, z. B. eines Pro
zeßgases, geschieht auf beiden Seiten der Trenn- bzw. Membranwand 8 hauptsächlich
durch Konvektion und in der Trennwand 8 durch Wärmeleitung. Die Wärmeleitung der
keramischen und metallischen Membranen ist relativ hoch, die der Kunststoffmembranen
ist zwar schlechter, jedoch nicht vernachlässigbar.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das diffundierte Gas auf der Heizgasseite gleichzeitig einer
chemischen Reaktion zugeführt wird, z. B. diffundierter Wasserstoff kann mit im Heizgas
zugeführten Sauerstoff oder Luft verbrennen, wodurch einerseits der Partialdruck des
Wasserstoffes reduziert und die Diffusionsleistung erhöht und andererseits Wärme erzeugt
wird, die die Wärmeübertragung bzw. Erwärmung des Prozeßgases zusätzlich unterstützt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärme- und
Stoffaustausch zwischen zwei Fluiden, die nach dem Prinzip eines bekannten Röhren- bzw.
Rohrbündel-Wärmeaustauschers ausgebildet ist. Der Strömungskanal bzw. die
Strömungskanäle 2 für das eine Fluid sind in diesem Fall Rohre 9. Das erste Fluid tritt
beispielsweise durch einen Stutzen 4 ein und gelangt durch eine Verteilkammer 13 in die
jeweiligen Strömungskanäle 2, bevor es durch die Sammelkammer 14 die Vorrichtung 1
am Austritt 5 verläßt. Die Verteil- und Sammelkammer 13, 14 sind dabei ein Teil des
Strömungskanales 2. Das zweite Fluid strömt am Eintritt 6 in den Strömungskanal 3 ein
und verläßt diesen am Austritt 7. Der Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den zwei
Fluiden erfolgt beim Röhren-Wärme- und Stoffaustauscher 11 durch die Rohrwände der
Rohre 9, die als Trennwand 8 zwischen den beiden Fluiden fungieren, wobei
beispielsweise das Prozeßgas, aus dem eine oder mehrere Gaskomponente(n) durch
Gasdiffusion extrahiert werden soll(en), durch den Strömungskanal 2 oder
Strömungskanal 3 geleitet werden kann. Die Trennwand 8, d. h. die Rohrwände der
Rohre 9, kann entweder abschnittsweise oder gänzlich gaspermeabel ausgebildet sein.
Sie ist ferner für den Wärmeaustausch geeignet, d. h. wärmeleitend ausgebildet. Die
Strömungskanäle 2, 3 besitzen neben der Außenwandung (Mantel) 10 und die sie
trennende Trennwand 8 ferner eine die Verteilkammer 13 sowie Sammelkammer 14 von
dem Strömungskanal 3 trennende Wand 8', die auch als Rohrboden bezeichnet wird.
Auch die Trennwand 8' kann gaspermeabel und für den indirekten Wärmeaustausch
geeignet ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Fig. 4 und 5 auf, in
der ein nach dem Prinzip eines Doppelrohr-Wärmetauschers 12 operierende Vorrichtung
schematisch dargestellt ist. Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 aufgezeigten Röhren-Wärme-
und Stoffaustauscher 11 wird beim Doppelrohr-Wärme- und Stoffaustauscher 12 der
zweite Strömungskanal 3 nicht durch einen Mantelraum gebildet, sondern durch
Ringspalte zwischen den Rohren 9 und diese umhüllende Rohre 15, deren
Innendurchmesser größer sind als die Außendurchmesser der Rohre 9 und die
konzentrisch zueinander liegen. Auch hier ist die Trennwand 8, also die Rohrwände der
Rohre 9, entweder abschnittsweise oder gänzlich gaspermeabel und für den
Wärmeaustausch geeignet ausgebildet. Die Ein- und Austritte der beiden Fluide können
entsprechend den bekannten Ausführungen von Doppelrohr-Wärmetauschern
ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei strömenden,
gasförmigen Fluiden
2
Strömungskanal für erstes Fluid
3
Strömungskanal für zweites Fluid
4
Eintritt für erstes Fluid
5
Austritt für erstes Fluid
6
Eintritt für zweites Fluid
7
Austritt für zweites Fluid
8
Trennwand
8
' Trennwand bzw. Rohrboden
9
Rohr
10
Wand
11
Röhren- bzw. Rohrbündel-Wärme- und Stoffaustauscher
12
Doppelrohr-Wärme- und Stoffaustauscher
13
Verteilkammer
14
Sammelkammer
15
Rohr