DE19948532A1

DE19948532A1 - Verfahren und Behälter zum Aufbewahren von Gasen

Info

Publication number: DE19948532A1
Application number: DE19948532A
Authority: DE
Inventors: Paul Grohmann; Sabrija Lampa
Original assignee: Messer Austria GmbH
Current assignee: Messer Austria GmbH
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-04-12
Also published as: WO2001027521A1

Abstract

Es ist üblich, Gase in komprimierter Form in Druckbehältern aufzubewahren. Um hiervon ausgehend ein platzsparendes Aufbewahren von Gasen zu ermöglichen, und einen dafür geeigneten Behälter bereitzustellen, wird hinsichtlich des Aufbewahrungs-Verfahrens erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Gas unter Druck in einen Behälter gefüllt wird, der mindestens ein Adsorbens enthält. Der erfindungsgemäße Behälter zeichnet sich dadurch aus, daß er mindestens ein unter Druck befindliches Gas und mindestens einen Adsorber enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Behälter zum Aufbewahren von Gasen.

Es ist üblich, Gase wie Wasserstoff, Helium, Argon, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenwasserstoffe in komprimierter Form unter Druck in Behältern wie transportierbaren Druckgasflaschen oder fest installierten Druckgastanks aufzubewahren. Aus diesen Behältern können die Gase bei Bedarf über entsprechende Ventile und Druckgasleitungen entnommen und für industrielle Zwecke eingesetzt werden.

Die Füllkapazität der Druckgasbehälter ist im wesentlichen durch zwei Faktoren begrenzt: (a) die Größe des Behälters und (b) den Fülldruck. Im allgemeinen gilt der Grundsatz. Je höher der Fülldruck, desto komprimierter das Gas, desto größer die Füllkapazität. Beiden Faktoren sind jedoch in der Praxis Grenzen gesetzt. Eine Vergrößerung der Druckgasbehälter ist mit kostspieligen Investitionen verbunden und nimmt zusätzlichen Platz in Anspruch. Auch der Fülldruck läßt sich nicht beliebig erhöhen. Zum einen sind dem Gasdruck - je nach Gas - natürliche Grenzen gesetzt. Zum anderen sind bestehende Gasdruckbehälter nur auf Drücke bis etwa 200 bar ausgelegt. Behälter, die höheren Drücken standhalten (Hochdruckbehälter) erfordern entsprechend dickere Wandungen und Spezialventile und sind daher wesentlich teurer als die gängigen Druckgasflaschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu scharen, daß ein platzsparendes Aufbewahren von Gasen ermöglicht. Das Verfahren soll bei gleicher Größe und Fülldruck des Aufbewahrungsbehälters eine höhere Füllkapazität erlauben, als bestehende Verfahren. Das Verfahren soll ferner kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand realisierbar sein. Darüber hinaus sollen für das Verfahren bestehende, handelsübliche Aufbewahrungsbehälter eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Aufbewahren von Gasen gelöst, in dem ein Gas unter Druck in einen Behälter gefüllt wird, der mindestens ein Adsorbens enthält.

Überraschend wurde festgestellt, daß sich die Füllkapazität von bestehenden Druckgasbehältern durch Zugabe von Adsorbentien um mehr als 240% erhöhen läßt. Überraschend war ferner, daß die Zugabe von Adsorbentien einen stabilisierenden Effekt auf das Expansionsverhalten der Gase hat.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können sämtliche Behälter eingesetzt werden, die zur Aufbewahrung von Gasen unter Druck geeignet sind. Insbesondere werden Druckgaszylinder bzw. -tanks aus Stahl, Eisen oder Speziallegierungen bzw. Kunststoffen eingesetzt. Die Behälter sollten so ausgebildet sein, daß sie dem Fülldruck des jeweiligen Gases standhalten können.

Als Gase kommen sämtliche Gase in Betracht, die sich unter Druck aufbewahren lassen. Dies sind insbesondere Wasserstoff, Helium, Argon, Stickstoff, Sauerstoff sowie Kohlenwasserstoffe wie Alkane oder Olefine. Es können auch Mischungen aus verschiedenen Gasen eingesetzt werden. Auf die Reinheit der Gase kommt es nicht an. Als Adsorbentien können alle Stoffe eingesetzt werden, die aufgrund ihrer Oberfläche befähigt sind, Gase oder Flüssigkeiten an ihrer Grenzfläche selektiv anzureichern (zu adsorbieren). Insbesondere kommen poröse Stoffe oder Stoffe mit narbigen Oberflächen in Betracht, wie Aktivkohlen, Aluminiumoxide, Kieselgele, Ruße und Aluminosilikate wie Zeolithe und Molekularsiebe. Die Adsorbentien weisen vorzugsweise eine möglichst große spezifische Oberfläche (innere Oberfläche) auf. Diese beträgt vorzugsweise mindestens 300 m²/g. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Adsorbens eine spezifische Oberfläche von 300 bis 1800 m²/g, insbesondere von 600 bis 1500 m²/g auf.

Die Wahl des Adsorbens hängt entscheidend von dem aufzubewahrenden Gas ab. Für inerte Gase wie Stickstoff, Argon, Wasserstoffund Kohlenwasserstoffe (z. B. Olefine) eignen sich praktisch alle Arten von Adsorbentien. Bei chemisch reaktiven Gasen hingegen muß ein Adsorbens gewählt werden, daß gegenüber dem Gas inert ist. Im Fall von Sauerstoff darf zum Beispiel nicht Aktivkohle als Adsorbens gewählt werden, da diese mit Sauerstoff reagiert. Für Sauerstoff eignen sich jedoch insbesondere Aluminosilikate wie Zeolithe oder Molekularsiebe.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Aktivkohlen weisen vorzugsweise eine spezifische Oberfläche von 500 bis 1500 m²/g, insbesondere von 700 bis 1300 m²/g auf. Der Einsatz von Aktivkohle eignet sich besonders gut bei gasförmigen Kohlenwasserstoffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Aluminiumsilikate als Adsorbentien eingesetzt. Diese zeichnen sich durch hohe chemische Inertheit und aus. Zu den erfindungsgemäß einsetzbaren Aluminiumsilikaten zählen insbesondere Zeolithe, Feldspäte, Feldspatvertreter, Phyllosilikate, Inosilikate, Andalusit, Sillimanit, Cyanit und Mullit. Besonders geeignet sind natürliche oder synthetische Zeolithe mit Porenweiten von 1 bis 15 Angström, insbesondere von 7 bis 12 Angström. Geeignete synthetische Zeolithe sind etwa solche vom Typ A, Typ X, Typ Y und Typ L sowie Zeolith ZSM-5 und synthetischer Mordenit. Aufgrund ihrer Inertheit können Zeolithe in Verbindung mit einer Vielzahl von Gasen eingesetzt werden, insbesondere für Argon, Sauerstoff, Stickstoffund Edelgase.

Das Adsorbens wird vorzugsweise durch die Gaseinlaßöffnung in den Aufbewahrungsbehälter eingefüllt. Die Menge des einzufüllenden Adsorbens hängt von der Art des Adsorbens und aufzubewahrenden Gases, von der Größe des Behälters und von der beabsichtigten Füllkapazität ab. Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, etwa 500 bis 1000 kg, vorzugsweise etwa 700 bis 900 kg, Adsorbens pro m³ Behälterinnenvolumen einzusetzen.

Die Befüllung des mit Adsorbens versehenen Behälters mit Gas erfolgt unter Druck in einer üblichen Druckgasabfüllanlage. Bereits während des Füllvorgangs kommt es zu einer Adsorption des Gases durch das Adsorbens. Um einen Druckabfall im Behälter nach der Befüllung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, den Füllvorgang solange fortzusetzen, bis sich der Innendruck im Behälter auf einen stabilen Wert (Fülldruck) eingestellt hat, d. h. die Adsorption abgeschlossen ist.

Der Fülldruck hängt wesentlich von dem aufzubewahrenden Gas ab und beträgt vorzugsweise 0,1 bis 150 bar. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt Fülldruck im Behälter 0,1 bis 60 bar, insbesondere 1 bis 35 bar. Bei diesen Fülldrücken führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer besonders starken Erhöhung der Füllkapazität.

Um ein Verrutschen und Zerreiben des Adsorbens im Inneren des Behälters und einer damit einhergehenden Verringerung der Adsorptionsfähigkeit zu verhindern wird das Adsorbens vorzugsweise mit geeigneten Maßnahmen in dem Behälter befestigt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Adsorbens von einem am Behälter befestigten Sieb oder einer gasdurchlässigen Membran umgrenzt ist.

Nach der Befüllung wird der Behälter gasdicht verschlossen. Die Entnahme des Gases aus dem Behälter erfolgt in bekannter Weise und mit üblichen Vorrichtungen, beispielsweise über ein Entnahmeventil und Druckleitungen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Behälter zum Aufbewahren von Gasen, der mindestens ein unter Druck befindliches Gas und mindestens ein Adsorbens enthält.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Beispiel (a) Allgemeiner Versuchsaufbau

Ein handelsüblicher Druckgaszylinder (Füllvolumen 40 dm³; max. Fülldruck 150 bar) wurde mit 30 kg Adsorbens (Molekularsieb vom Typ UOP-PSA O2 HP; Korngröße 1,7-2,4 mm; Porengröße 10 Angström, Dichte 680 kg/m³) befüllt. Das Adsorbens wurde am Boden des Druckgaszylinders befestigt, so daß die einzelnen Körner vor Verrutschen gegeneinander geschützt waren. Anschließend wurde der Druckgaszylinder bei einer Temperatur von 20 bis 22°C in einer Gasabfüllanlage bei verschiedenen Drücken (0 bis 150 bar) mit folgenden Gasen befüllt:

- Argon (Reinheit 99,95%; Taupunkt -65°C)
- Stickstoff (Chlorgehalt 10 ppm; Taupunkt -65°C)
- Sauerstoff (Reinheit 99,5%; Taupunkt -65°C)

Während des Füllvorgangs wurden Temperatur, Fülldruck und Füllmenge im Druckgaszylinder gemessen.

Nach dem Füllvorgang wurde der Druckgaszylinder verschlossen und mit einem Entnahmeventil versehen.

(b) Füllmengen

In Tabelle 1 sind die bei verschiedenen Drücken in dem mit Adsorbens befüllten Druckgaszylinder erreichten Füllmengen für die Gase Argon, Stickstoffund Sauerstoff angegeben. Zum Vergleich sind in Tabelle 1 ferner die nach dem Standard-Füllverfahren (ohne Adsorbens) im gleichen Druckgasbehälter unter gleichen Bedingungen erreichten Füllmengen angegeben.

Tabelle 1

Erreichte Füllmengen

In Fig. 1 sind die in Tabelle 1 enthaltenen Füllmengen graphisch als Funktion des Fülldrucks dargestellt.

Aus Tabelle 1 und Fig. 1 geht hervor, daß die eingesetzten Gase eine gute Adsorptionsaffinität gegenüber dem Molekularsieb aufweisen. Aus den Werten geht ferner hervor, daß sich ein Druckgaszylinder, der ein Adsorbens (Molekularsieb) enthält, bei gleichen übrigen Bedingungen mit einer größeren Gasmenge befüllen läßt, als ein herkömmlicher Druckgaszylinder, der kein Adsorbens enthält.

(c) Dynamik des Füllvorgangs

In Tabelle 2 ist die absolute Gasmenge in dem mit Adsorbens (Molekularsieb) befüllten Druckgaszylinder in Abhängigkeit vom Fülldruck dargestellt.

Tabelle 2

Abhängigkeit der absoluten Gasmenge vom Fülldruck

In Fig. 2 sind die in Tabelle 2 enthaltenen Werte als Funktion des Fülldrucks graphisch dargestellt.

Aus Tabelle 2 und Fig. 2 geht hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei verhältnismäßig niedrigen Fülldrücken (< 40 bar) zu einer erheblichen Verbesserung der Effizienz (größere Gasmenge bei niedrigerem Druck) führt.

(d) Füllkapazitäten mit/ohne Adsorbens

In Tabelle 3 sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei verschiedenen Drücken erreichten Füllkapazitäten, ausgedrückt in % der bei gleichen Bedingungen nach dem herkömmlichen Füllverfahren (ohne Adsorbens) erreichten Füllmenge, angegeben.

Tabelle 3

Füllkapazität

In Fig. 3 sind die in Tabelle 3 enthaltenen Füllkapazitäten als Funktion des Fülldrucks graphisch dargestellt.

Aus Tabelle 3 und Fig. 3 geht hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei Drücken < 80 bar zu einer erheblichen Vergrößerung der Füllkapazität gegenüber dem herkömmlichen Füllverfahren (ohne Adsorbens) führt. So wird beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Druck von 28 bar eine Vergrößerung der Füllkapazität um 200% im Vergleich zu dem herkömmlichen Füllverfahren (ohne Adsorbens) erreicht.

(d) Spezifische Füllkapazität

In Tabelle 4 und Fig. 4 sind spezifische Füllkapazitäten, bezogen auf 1 kg des eingesetzten Adsorbens, angegeben. Sämtliche Gase wurden nach dem unter (a) beschriebenen Verfahren (d. h. unter Zusatz von Molekularsieb als Adsorbens) abgefüllt.

Tabelle 4

Spezifische Füllkapazität

(f) Desorptionsverhalten

Zur Prüfung des Desorptionsverhaltens wurde das Entnahmeventil des mit Gas befüllten Druckgaszylinders geöffnet und dabei der Druckabfall im Gaszylinder und die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases überwacht.

Die nach dem unter (a) beschriebenen Verfahren abgefüllten Gase wiesen ein hervorragendes Desorptionsverhalten auf. Im Vergleich zu den nach dem herkömmlichen Verfahren (d. h. ohne Adsorbens) abgefüllten Gase zeichneten sie sich durch eine besonders stabile und gleichmäßige Gasexpansion aus.

Die Beispiele zeigen, daß sich die Füllkapazität eines Druckgaszylinders durch Zugabe von Adsorbentien erheblich vergrößern läßt. Ferner hat die Zugabe von Adsorbentien einen stabilisierenden Einfluß auf die Expansion des Gases.

Claims

1. Verfahren zum Aufbewahren von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas unter Druck in einen Behälter gefüllt wird, der mindestens ein Adsorbens enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck 0,1 bis 150 bar, insbesondere 1 bis 40 bar, beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens derart in dem Behälter angeordnet ist, daß es vor Verrutschen geschützt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens am Boden des Behälters angeordnet und durch eine in dem Behälter befestigtes gasdurchlässiges Sieb oder Membran abgedeckt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens ein Adsorbens auf Aluminosilikat-Basis wie Zeolithen oder Molekularsieben ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens ein Adsorbens auf auf Basis von Aktivkohle ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase Wasserstoff, Helium, Argon, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlenwasserstoffe wie Alkane oder Olefine sind.

8. Behälter zum Aufbewahren von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein unter Druck befindliches Gas und mindestens ein Adsorbens enthält.

9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unter einem Druck von 0,1 bis 150 bar, insbesondere von 1 bis 40 bar, steht.

10. Behälter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens derart in dem Behälter angeordnet ist, daß es vor Verrutschen geschützt ist.

11. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens am Boden des Behälters angeordnet und durch eine in dem Behälter befestigtes gasdurchlässiges Sieb oder Membran abgedeckt wird.

12. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens ein Adsorbens auf Aluminosilikat-Basis wie Zeolithen oder Molekularsieben ist.

13. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens ein Adsorbens auf Basis von. Aktivkohle ist.

14. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase Wasserstoff, Helium, Argon, Stickstoff, Sauerstoff, oder Kohlenwasserstoffe wie Alkane oder Olefine sind.