DE202008012371U1

DE202008012371U1 - Vorrichtung zur Behandlung von Gasen, insbesondere zur Trocknung von Erdgas oder Biogas

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Publication number: DE202008012371U1
Application number: DE202008012371U
Authority: DE
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2018-09-12
Also published as: CZ20413U1; FR2935616A3; HU3715U; AT11393U1; RU94874U1; HU0900172V0; UA48850U; ES1071151U; ITUD20090018U1; FR2935616B3; DK200900139U3; SK5588Y1; ES1071151Y; PL65610Y1; PL118471U1; SK962009U1

Abstract

Vorrichtung zur Abtrennung von Komponenten eines Gasgemisches mittels Adsorption an einem Feststoffbett und Möglichkeit zur thermischen Regeneration des Feststoffbettes umfassend:
– einen Hohlkörper (1), der einen Raum zur Adsorption bildet,
– ein in dem Hohlkörper (1) angeordnetes Feststoffbett (4), das geeignet ist, mindestens eine Gaskomponente zumindest teilweise zu adsorbieren,
– eine erste Öffnung (2), die geeignet ist, das Gasgemisch in den Hohlkörper (1) einzuführen,
– eine zweite Öffnung (3), die geeignet ist, das Gasgemisch aus dem Hohlkörper (1) abzuführen und
– mindestens eine Elektrode (5, 6), die mit einem Hochfrequenz (HF)-Generator (8) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Elektrode (5, 6) ein Teil des gasdichten Hohlkörpers (1) ausbildet und/oder mit diesem elektrisch leitend verbunden ist und/oder zumindest ein Teil der mindestens einen Elektrode (5, 6) innerhalb des Feststoffbetts (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Gasgemischen mit dem Ziel der Entfernung von ausgewählten Bestandteilen, enthaltend ein Feststoffbett mit einer Adsorberkomponente, das in der Lage ist, diese Komponenten zumindest temporär anzureichern, welches sich zumindest teilweise im Einflussbereich mindestens einer Elektrode zum Einbringen von Hochfrequenz(HF)-Energie befindet, die wiederum, vorzugsweise über ein elektronisches Anpassnetzwerk, mit einer HF-Spannungsquelle verbunden ist, um das Festbett dielektrisch zu erwärmen.
Insbesondere kann die Vorrichtung zur Trocknung von Gasen, vorzugsweise Erdgas und Biogas, eingesetzt werden, indem in einer ersten Phase Wasser adsorptiv aus dem Gasstrom entfernt und in einer weiteren Phase das Wasser durch Thermodesorption aus dem Festbett entfernt wird, wobei das Festbett direkt dielektrisch mittels HF-Energie erwärmt wird.
Die Stofftrennung mittels Adsorption und nachfolgender thermischer Regeneration des Adsorbermaterials ist ein weit verbreiteter Prozess in der chemischen Verfahrenstechnik. Insbesondere stellt sich diese Aufgabe bei der Behandlung von Erdgas und Biogas, um diese gemäß der technischen Spezifikation in bestehende Gasversorgungsnetze einspeisen zu können.
Die Gastrocknung ist beispielsweise zwingend erforderlich, um bei der Druckerhöhung Kondensationserscheinungen zu verhindern. Darüber hinaus kann es durch das Zusammenwirken von Wasser und anderen Gaskomponenten (z. B. H₂S im Fall von Biogas) zu unerwünschter Korrosion kommen.
Die technische Verwendung von Erdgas und Biogas erfordert darüber hinaus in vielen Fällen die Entfernung von Schwefelverbindungen, Kohlendioxid oder Sauerstoff sowie anderer Komponenten.
Für die Gastrocknung stehen nach dem Stand der Technik grundsätzlich vor allem drei Verfahrensprinzipien zur Verfügung: Kondensationsverfahren, adsorptive und absorptive Gastrocknungsverfahren wie beispielsweise Glykolwäsche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung steht im Zusammenhang mit Adsorptionsverfahren zur Gastrennung. Das Grundprinzip besteht hierbei darin, dass die entsprechenden Gasbestandteile am Adsorber gebunden werden. Dies geschieht in der Regel bei relativ niedriger Temperatur, meist Umgebungstemperatur. Im Ergebnis verlässt ein Gasstrom das Feststoffbett, in dem die entsprechende Komponente abgereichert ist. Um eine quasi-kontinuierliche Prozessführung zu gewährleisten, muss die Adsorberkomponente wieder regeneriert werden. Die hierfür etabliertesten Verfahren beruhen auf der Desorption durch Druckabsenkung oder Temperaturerhöhung. Nach der Regenerierung und Ausschleusung der desorbierten Stoffe steht das Festbett wieder für die adsorptive Reinigung bzw. Gastrennung zur Verfügung.
Eine weitere Möglichkeit der Entfernung bestimmter Gaskomponenten aus einem Gemisch besteht darin, diese Stoffe reaktiv umzuwandeln. Hierfür werden in der Regel katalytische Reaktionen eingesetzt. Ein Beispiel ist die Entfernung von Sauerstoffspuren aus Erd- oder Biogas unter Verwendung eines Edelmetallkatalysators, der die Oxidation katalysiert. Dieser Prozess findet meist bei erhöhter Temperatur statt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll dazu dienen, in einem Feststoffbett, das zur Behandlung von Gasgemischen dient, effizient Energie einzubringen, um Desorptions- und Reaktionsprozesse zu initiieren.
Temperaturwechselverfahren sind technisch etabliert, jedoch ist die Erwärmung von Feststoffbetten im Vergleich zur Erwärmung fluider Medien komplizierter, da die Wärmeleitung innerhalb des Bettes in der Regel geringer ist. So ist der Wärmetransport zwischen den Partikeln eingeschränkt, da er vorzugsweise über die Berührungsflächen erfolgt. Wird die Wärme über Wände oder Heizelemente eingebracht, so wirkt der Wärmeübergang über die Grenzflächen in die Schüttung begrenzend.
Alternativ werden Feststoffbetten über den Trägergasstrom erwärmt. Hier ist allerdings die geringe Wärmekapazität des Gases für die erzielbaren Aufheizraten limitierend. Die Konzentration der freigesetzten Schadstoffe ist an den zur Erwärmung notwendigen Trägergasstrom gekoppelt. Dies führt zu einer in vielen Fällen unerwünschten Verdünnung. Beispielsweise kann die nachfolgende katalytische Oxidation von organischen Schadstoffen, die aus dem Adsorber durch Erwärmung erfolgt, auf Grund der Verdünnung nicht mehr autotherm, das heißt energieeffizient, erfolgen.
Eine thermische Regeneration mit Wasserdampf, die oft im Fall von mit organischen Stoffen beladener Aktivkohle zum Einsatz kommt, ist für die vorliegenden Anwendungen zur Gasbehandlung nicht geeignet.
Die direkte dielektrische Erwärmung fester Medien wird seit einigen Jahren als innovative und erfolgversprechende Alternative zu konventionellen Verfahren diskutiert. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Energieeintrag nicht an ein fluides Hilfsmedium (z. B. einen Trägergasstrom) gekoppelt ist, sondern direkt „stoffstromfrei" erfolgt. Bisher konnte sich allerdings nur in einigen Teilbereichen die Mikrowellen(MW)-Erwärmung durchsetzen. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass die Homogenität der erreichten Temperaturprofile nur für kleine Volumina (im cm³-Bereich) akzeptabel ist und dass für viele Medien die Eindringtiefen der MW-Strahlung zu gering für eine technische Anwendung sind. Darüber hinaus ändern wasserhaltige Matrices mit sich ändernder Feuchte ihre dielektrischen Eigenschaften signifikant. Außerdem ist im Mikrowellenbereich die Möglichkeit der Energieeinkopplung an sich meist an das Vorhandensein von Wasser gekoppelt. Dies führt dazu, dass trockene Materialien oder Materialien mit geringer Feuchte oft mit Mikrowellen nicht erwärmt werden können. Darüber hinaus ist es in der Regel nicht möglich, die elektromagnetischen Weilen während des Prozesses mit sich ändernder Feuchte des Adsorbers stets effizient einzukoppeln. Das Resultat ist in der Regel eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen nach Austrocknung des Materials, so dass die emittierte Energie nicht mehr zur Erwärmung des Festbettes führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, Feststoffbetten unterschiedlicher Materialien mit variabler Feuchte und Polarität energieeffizient und bei Bedarf homogen zu erwärmen, um unterschiedliche thermisch initiierte Prozesse wie Desorption im Allgemeinen, Regeneration von zur Gastrocknung verwendeten Festbetten im Besonderen sowie katalytische Umsetzungen von adsorbierten Substanzen zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abtrennung von Komponenten eines Gasgemisches mittels Adsorption an ein Feststoffbett bereitgestellt, die einen gasdichten Hohlkörper, der einen Reaktionsraum zur Adsorption bildet, ein in dem gasdichten Hohlkörper angeordnetes Feststoffbett, das geeignet ist, mindestens eine Gaskomponente zumindest teilweise zu adsorbieren, eine erste Öffnung, die geeignet ist, das Gasgemisch in den gasdichten Hohlkörper einzuführen, eine zweite Öffnung, die geeignet ist, das Gasgemisch aus dem gasdichten Hohlkörper abzuführen und mindestens eine Elektrode, die mit einem Hochfrequenz(HF)-Generator verbunden ist, umfasst, wobei die mindestens eine Elektrode ein Teil des gasdichten Hohlkörpers ist und/oder zumindest ein Teil der mindestens einen Elektrode innerhalb des Feststoffbetts angeordnet ist. Der Begriff „gasdicht" wird hier und im Folgenden so verstanden, dass der parasitäre, den Behälter ungewollt verlassende Gasstrom sehr klein im Vergleich zu dem durch die dafür vorgesehenen Öffnungen tretenden Gasstrom ist. Insbesondere umfasst der den Behälter ungewollt verlassene Gasstrom weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 3%, noch bevorzugter weniger als 0,3% des durch die dafür vorgesehenen Öffnungen tretenden Gasstromes.
Erfindungsgemäß besteht die Anordnung also aus einem Reaktorraum, der zumindest einen Eingang und zumindest einen Ausgang für den Gasstrom aufweist und worin ein Feststoffbett, welches mindestens eine Gaskomponente zumindest teilweise adsorbieren kann, angeordnet ist. Das Feststoffbett befindet sich zumindest teilweise im Einflussbereich der mindestens einen Elektrode, die wiederum mit einem HF-Generator verbunden ist. Zwischen der mindestens einen Elektrode und dem HF-Generator ist vorzugsweise ein elektronisches Anpassnetzwerk angeordnet, das den Abgleich der variablen Impedanz des Feststoffbettes an den Innenwiderstand des HF-Generators ermöglicht.
Vorzugsweise sind die erste Öffnung und die zweite Öffnung einander gegenüberliegend an dem gasdichten Hohlkörper angeordnet. An der ersten Öffnung können wahlweise Mittel zum Zuführen des Gasgemisches und an der zweiten Öffnung Mittel zum Abführen des Gasgemisches angeordnet sein. Die Mittel zum Zuführen und zum Abführen des Gasgemisches sind derart ausgestaltet, dass sie geeignet sind, einen kontinuierlichen Gasstrom zu realisieren.
Die erste und zweite Öffnung an dem gasdichten Hohlkörper dienen im Wesentlichen der Zu- und Abfuhr des Gasstroms. Daher ist der Querschnitt der Öffnungen vergleichsweise klein gegenüber der Gesamtoberfläche des Hohlkörpers. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der ersten oder zweiten Öffnung kleiner als je 20%, vorzugsweise kleiner als je 10%, noch bevorzugter kleiner als je 5% der Oberfläche des gasdichten Hohlkörpers. Erfindungsgemäß kann der Hohlkörper weitere Öffnungen, beispielsweise zum Einbringen von Sensoren oder ähnlichem aufweisen.
Der gasdichte Hohlkörper ist erfindungsgemäß zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 70%, noch bevorzugter zu 90% mit dem Feststoffbett ausgefüllt. Bei dem Feststoffbett handelt es sich vorzugsweise um ein Schüttbett aus festen Partikeln. In anderen bevorzugten Varianten werden jedoch auch Feststoffe als keramische Formkörper, besonders bevorzugt als Wabenkörper, eingesetzt. Grundsätzlich sind in diesem Zusammenhang alle Anordnungen geeignet, die einen ausreichenden Kontakt des Gasstromes mit dem Festkörper realisieren. Im Weiteren wird jedoch für alle Optionen der einheitliche Begriff Feststoffbett verwendet.
In einer bevorzugten Anordnung ist die mindestens eine Elektrode derart in dem gasdichten Hohlkörper angeordnet, dass sie zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 70%, noch bevorzugter zu mindestens 90% in dem Feststoffbett oder entlang des Feststoffbetts angeordnet ist. Somit durchspannt die mindestens eine Elektrode das Feststoffbett erfindungsgemäß entlang seiner größten räumli chen Ausdehnung zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 70%, noch bevorzugter zu mindestens 90%.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung ist die mindestens eine Elektrode senkrecht zur Achse des Reaktorkörpers angeordnet. In diesem Fall nimmt die mindestens eine Elektrode erfindungsgemäß mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, noch bevorzugter mindestens 90% des Feststoffbett-Querschnittes ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem gasdichten Hohlkörper in seiner äußeren Form um einen Zylinder. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Quader. Bevorzugte Ausführungsformen sind weiterhin dadurch charakterisiert, dass der Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung sich über den Reaktor nicht wesentlich (vorzugsweise weniger als 30%, noch bevorzugter weniger als 10%) ändert. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich nicht an eine bestimmte Form des gasdichten Hohlkörpers und somit des Feststoffbettes gebunden, es sind auch beliebige andere Geometrien möglich, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Anordnungen eingeschränkt würde.
Grundfläche und Deckfläche des zylinderförmigen gasdichten Hohlkörpers sind in einer bevorzugten Ausgestaltung als isolierende Bauteile ausgearbeitet, wobei die isolierenden Bauteile auch perforiert ausgelegt und damit gasdurchlässig sein können. Isolierend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die HF-Leitfähigkeit der Materialien vernachlässigbar ist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Öffnung oder die zweite Öffnung auf der (isolierenden) Grundfläche bzw. der (isolierenden) Deckfläche des zylinderförmigen gasdichten Hohlkörpers angeordnet bzw. diese Öffnungen werden durch perforierte Materialien in ihrer Gesamtheit realisiert.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Variante ist die mindestens eine Elektrode mit dem Hohlkörper, insbesondere mit der Schirmung bzw. dem Außenmantel des Reaktors, elektrisch leitend verbunden. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Variante ist der Hohlkörper oder ein Teil des Hohlkörpers selbst die erfindungsgemäße Elektrode. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung stellt die mindestens eine Elektrode eine Grundfläche des zylinderförmigen oder quader förmigen Hohlkörpers dar. Vorzugsweise kann diese Elektrode gasdurchlässig oder perforiert ausgestaltet sein.
Vorzugsweise werden die Elektroden paarweise eingesetzt. Erfindungsgemäß werden die Elektroden dann mit einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist, wobei eine der Elektroden als kalte Elektrode und eine Elektrode als heiße Elektrode bezeichnet wird. Als kalte Elektrode wird dabei die geerdete Elektrode definiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die kalte Elektrode mit dem Außenmantel des Hohlkörpers elektrisch leitend verbunden bzw. der Außenmantel stellt selbst die kalte Elektrode dar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehr als zwei Elektroden vorgesehen, die mit einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist werden. Vorzugsweise sind eine heiße und mehrere kalten Elektroden vorgesehen.
Kalte und heiße Elektroden sind vorzugsweise mit dem elektronischen Anpassnetzwerk verbunden und zwischen beiden Elektroden befindet sich das Feststoffbett oder zumindest ein Teil des Feststoffbettes.
Als Elektroden werden vorzugsweise Stab- oder Plattenelektroden eingesetzt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden parallele Plattenelektroden verwendet. Parallele Plattenelektroden gewährleisten für homogene Feststoffbetten ein Temperaturprofil mit geringen Gradienten und sind somit für eine homogene Erwärmung am besten geeignet.
Erfindungsgemäß können die Elektroden auch koaxial angeordnet werden. Eine Koaxialanordnung ist am besten geeignet, um die elektromagnetische Abstrahlung in die Umgebung zu verringern. In diesem Fall befindet sich das Feststoffbett zwischen einer äußeren zylindrischen Mantelelektrode, die vorzugsweise als kalte Elektrode geschaltet ist, und einer stab- oder rohrförmigen Innenelektrode, die vorzugsweise als heiße. Elektrode fungiert. Die Anordnung stellt somit einen Zylinderkondensator dar. Obwohl die radial nach außen abnehmende elektrische Feldstärke zu einer inhomogenen Erwärmung führt, kann durch Wärmetransportprozesse im Festbett eine ausreichende Temperaturkonstanz über das Festbett gewährleistet werden.
Die Wahl der Elektrodengeometrie, von denen noch weitere Varianten möglich sind, wird durch die Anforderungen des jeweiligen Prozesses bestimmt (notwendige Temperaturhomogenität, mechanische Anforderungen an die Anordnung, zu erzielende Aufheizraten usw.). Vorzugsweise werden die beiden Elektroden durch isolierende, gegebenenfalls perforierte Bauteile separiert.
Die Elektroden sind erfindungsgemäß mit dem HF-Generator, der vorzugsweise hochfrequente Spannungen mit einer Frequenz zwischen 1 und 50 MHz zur Verfügung stellt, über ein elektronisches Anpassnetzwerk, die so genannte Matchbox, verbunden. Das elektronische Anpassnetzwerk erlaubt den Abgleich der variablen Impedanz des Feststoffbettes an den Innenwiderstand des HF-Generators und ermöglicht somit eine reflexionsfreie Übertragung der HF-Energie vom Generator in das Feststoffbett. Damit besteht im Gegensatz zu konventionellen Mikrowellenanlagen die Möglichkeit einer sehr energieeffizienten Erwärmung des Feststoffbettes und die abgegebene HF-Energie kann nahezu vollständig in Prozesswärme umgewandelt werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Frequenzen, die für die Anwendung für den industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bereich freigegeben sind, wie beispielsweise ISM-Frequenzen von 13,56 oder 27 MHz.
Vorzugsweise enthält die Anordnung ferner mindestens einen faseroptischen Temperatursensor, der mit einem Auswertegerät verbunden ist. Vorzugsweise befinden sich des Weiteren im Anstrombereich und/oder im Abstrombereich des Gasgemisches Sensoren zur Charakterisierung der Gaszusammensetzung. In einer bevorzugten Variante der Anordnungen sind die einzelnen Sensoren und Auswertegeräte mit einem Personalcomputer mit Prozessleitsystem verbunden. In einer bevorzugten Variante der Vorrichtung ist vor dem Ende des Feststoffbettes ein Feuchtesensor positioniert, der den Beladungszustand des Adsorbers detektiert und einen bevorstehenden Durchbruch der Wasserbeladungsfront anzeigt.
Optional befindet sich im Zustrom zum Reaktor oder im Eingangsbereich des Reaktors ein Mittel zur Zugabe und/oder Dosierung eines Übertragungsmediums. Das Mittel zum Einbringen eines Übertragungsmediums kann zum Initiieren eines thermo-chromatographischen Pulses eingesetzt werden. Vorzugsweise wird als Übertragungsmedium Wasser verwendet. Der thermo-chromatographische Puls ist nicht nur für die Thermodesorption von adsorbierten organischen Gaskomponenten oder zur Initiierung einer katalysierten Reaktion geeignet. Der thermochromatographische Puls kann auch für Trocknungsprozesse eingesetzt werden, wenn das Feststoffbett nicht bis zum Erreichen der Beladungskapazität beladen worden ist. In diesem Fall können die Wasserinjektion und der entstehende Puls zu einem zusätzlichen Austrag von Wasser aus dem Festbett führen.
Als Feststoffbettmaterialien werden vorzugsweise adsorptive Substanzen, wie Aktivkohle, Zeolithe unterschiedlicher Struktur oder poröse Metalloxide sowie Mischungen davon verwendet. Sie weisen vorzugsweise eine hohe Porosität mit großen spezifischen Oberflächen (typischerweise mehr als 100 m²/g, bevorzugter mehr als 200 m²/g) auf. In vielen Fällen wird diesen Materialien vor dem Verpressen ein Bindemittel beigemischt, um eine bessere mechanische Stabilität zu erreichen. Im Folgenden werden diese Mischmaterialien jedoch vereinfachend so bezeichnet wie die sorptionsaktive Komponente.
In einer bevorzugten Variante zur Gastrocknung handelt es sich um hydrophile Zeolithe, besonders bevorzugt sind dabei die Zeolithe 3A, 4A, NaY und 13X. In einer anderen bevorzugten Variante zur Entfernung von hydrophoben Stoffen wie beispielsweise unpolaren organischen Verbindungen aus dem Gasstrom werden hydrophobe Materialien verwendet. Besonders bevorzugt ist hier der Einsatz eines Feststoffbettmaterials, das einen dealuminierten Y-Zeolithen mit hohem Si/Al-Verhältnis enthält.
Im Fall einer beabsichtigten reaktiven Umsetzung der zuvor adsorbierten Gaskomponente ist der Einsatz einer zusätzlichen Katalysatorkomponente im Feststoffbett vorteilhaft. Als Katalysatoren werden beispielsweise Edelmetalle, vorzugsweise Platin, oder Perowskit oder andere oxidische Materialien eingesetzt. Die Katalysatoren sind vorzugsweise auf porösen Trägermaterialien aufgebracht. Diese porösen Materialien weisen typischerweise Porositäten zwischen 0,2 und 0,7 auf.
Der Feststoff, der als Adsorber und/oder als Katalysator verwendet wird, ist insbesondere ein Granulat oder anderes Schüttgut, wobei die Korndurchmesser vor zugsweise im Millimeter-Bereich liegen. Erfindungsgemäß besonders geeignet, sind Korngrößen im Bereich von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von 1 bis 5 mm, noch bevorzugter von 1 bis 3 mm.
Vorzugsweise wird aus dem Gasgemisch eine anorganische oder organische gasförmige Komponente entfernt. Beispielsweise können Kohlendioxid, Sauerstoff oder Schwefelverbindungen aus zu reinigenden Gasgemischen entfernt werden.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trocknen von Gasgemischen eingesetzt. Die besonders bevorzugt entfernte Substanz ist daher Wasser.
Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht über den Stand der Technik hinausgehend eine Reihe von Anwendungsoptionen, von denen exemplarisch im Folgenden einige beschrieben werden, um die Funktion der Vorrichtung und die Rolle der Einzelkomponenten näher zu beschreiben.
Es versteht sich, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Vorrichtungen, Zusammensetzungen und Bedingungen beschränkt ist, wie sie hierin beschrieben sind, da diese variieren können. Es versteht sich des Weiteren, dass die vorliegend verwendete Terminologie ausschließlich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen dient und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken soll. Wie vorliegend in der Spezifikation einschließlich der anhängigen Ansprüche verwendet, schließen Wortformen im Singular, wie z. B. "ein", "eine", "einer", "der", „die" oder "das" die Entsprechung im Plural ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Beispielsweise enthält der Bezug auf "ein Mittel zum Dosieren eines Übertragungsmediums" ein einzelnes Mittel oder mehrere Mittel, die wiederum identisch oder verschieden sein können.
Die Vorrichtung ermöglicht unterschiedliche Modi des Energieeintrages und insbesondere der Aufheizung des Festbettes und der Realisierung unterschiedlicher Temperaturprofile. Insbesondere ist es möglich, das Festbett im Vergleich zu Alternativen nach dem Stand der Technik homogen und trägergasungebunden zu erwärmen, wobei auch technisch relevante Volumina im Liter- und Kubikmetermaßstab behandelt werden können. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Fest stoffbetts in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 0,001 bis 100 Kubikmeter, vorzugsweise 0,01 bis 10 Kubikmeter.
Darüber hinaus ist es als Option aber auch möglich, wie bereits beschrieben, durch die Injektion eines Übertragungsmediums einen das Festbett durchwandernden gekoppelten Stoffstrom-Temperatur-Puls, einen so genannten thermochromatographischen Puls, zu initiieren. Hierfür wird in den Gasstrom ein Übertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, injiziert und zumindest teilweise am Festbettmaterial adsorbiert. Dies führt zu einer verstärkten Absorption von HF-Energie im entsprechenden Bereich des Festbettes, was wiederum zu einer verstärkten Aufheizung führt. Dadurch kommt es zur Desorption des Übertragungsmediums und zum Weitertransport mit dem Gasstrom. Werden kältere Festbettbereiche erreicht, so erfolgt erneut eine Adsorption und eine lokale Überhitzung. Dieser Prozess setzt sich kontinuierlich fort, bis der thermo-chromatographische Puls das Festbett durchlaufen hat und den Ausgang des Reaktors erreicht. Die selektive Temperaturerhöhung ermöglicht es, die gewünschten thermisch initiierten Prozesse wie beispielsweise Regeneration des Festbettes bei der Gastrocknung oder der adsorptiven Gastrennung und katalytische Umsetzung von adsorbierten Gaskomponenten sehr energieeffizient zu erreichen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Gasen, insbesondere zur Trocknung von Erdgas oder Biogas.
2 Bevorzugte Elektrodengeometrien zur Realisierung der dielektrischen Erwärmung eines Feststoffbettes.
3a Gastrocknung über einem Feststoffbett des Zeoliths 13X bei Raumtemperatur.
3b Thermische Regeneration des Festbettes (Zeolith 13X) mittels Hochfrequenz-Erwärmung.
4a Gastrocknung über einem Schüttbett des Zeoliths NaY bei Raumtemperatur.
4b Thermische Regeneration des Festbettes (Zeolith NaY) mittels Hochfrequenz-Erwärmung.
Ein Realisierungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anordnung ist in 1 enthalten. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Trocknung von Gasen mit den folgenden Komponenten. Ein quaderförmiger Hohlkörper 1 ist mit einem Feststoffbett 4 gefüllt. Durch eine erste Öffnung 2 strömt ein Gasgemisch in das Feststoffbett 4. Durch eine zweite Öffnung 3 verlässt das getrocknete Gas den Hohlkörper 1. Eine heiße Elektrode 6 ist in der Mitte des Feststoffbetts 4 entlang der Längsachse des Hohlkörpers 1 positioniert. Eine kalte Elektrode 5 stellt teilweise den Außenmantel des quaderförmigen Hohlkörpers 1 dar. Als Grundfläche und Deckfläche des Quaders sind perforierte Bauteile 14 angeordnet, welche die Elektroden 5 und 6 gegeneinander isolieren. Die Elektroden 5 und 6 sind über ein elektronisches Anpassnetzwerk 7 mit einem HF-Generator 8 zur Einspeisung von HF-Spannung verbunden. Über einen faseroptischen Temperatursensor 9, der mit einem Auswertegerät 10 verbunden ist, wird die Temperatur im Feststoffbett 4 kontrolliert. Vor der zweiten Öffnung 3, kurz bevor das Gas das Feststoffbett 4 wieder verlässt, ist ein Feuchte-Sensor 15 positioniert. Sensoren zur Charakterisierung der Gaszusammensetzung 12 sind sowohl im Zustrom als auch im Abstrombereich des Gases vorgesehen. Die einzelnen Sensoren und Auswertegeräte sind mit einem Personalcomputer 13 mit Prozessleitsystem verbunden. Ein Mittel zur Dosierung eines Übertragungsmediums 11 zur Initiierung eines thermochromatographischen Pulses ist am Beginn des Feststoffbetts 4 angeordnet.
2 zeigt bevorzugte Elektrodengeometrien zur Realisierung der dielektrischen Erwärmung des Feststoffbettes 4. Parallele Plattenelektroden können parallel zur Strömungsrichtung angeordnet werden. Dabei ist die heiße Elektrode 6 im Feststoffbett angeordnet. Der Außenmantel des Hohlkörpers 1 stellt teilweise die kalte Elektrode 5 dar (2a). Eine alternative Variante zeigt 2b. Die parallelen Plattenelektroden sind vertikal zur Strömungsrichtung angeordnet, das Feststoffbett 4 ist zwischen den Elektroden positioniert. Der Gasstrom erreicht und verlässt das Feststoffbett 4 indem er durch die Elektroden 5 und 6 strömt. Dazu sind die Elektroden 5 und 6 gasdurchlässig bzw. perforiert ausgestaltet. Parallele Platten elektroden gewährleisten für homogene Feststoffbetten ein Temperaturprofil mit geringen Gradienten und sind somit für eine homogene Erwärmung am besten geeignet.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Elektroden koaxial angeordnet (2c). Die stab- oder rohrförmige heiße Elektrode 6 wird dabei von der kalten Mantelelektrode 5 umschlossen. Das Feststoffbett 4 befindet sich zwischen der Mantelelektrode 5 und der Innenelektrode 6. Eine Koaxialanordnung dieses Aufbaus ist am besten geeignet, um die elektromagnetische Abstrahlung in die Umgebung zu verringern.
Anwendungsbeispiel 1
Im Anwendungsbeispiel 1 wird die Vorrichtung dafür genutzt, einen Gasstrom über einen gewissen Zeitraum zu trocknen und anschließend das Adsorberbett, welches aus einem Zeolithen vom Typ 13X besteht, thermisch durch homogene Aufheizung mittels HF-Energie zu regenerieren. 3 zeigt die Ergebnisse.
Im Laborversuch wurden 0,8 g des Zeoliths 13X mit einer Körnung zwischen 1 und 3 mm eingesetzt. Der Zeolith wurde über den Gasstrom bis zu einer durchschnittlichen Feuchte von 6,4 Ma.-% beladen, wodurch ein getrockneter Gasstrom das Bett verließ (3a). Im vorliegenden Fall wurde das Bett teilweise überströmt, um die Desorption besser beobachten zu können. Diese Vorgehensweise weicht von der ab, die in der Praxis zur Gastrocknung zu bevorzugen ist. Hier sollte eine Durchströmung des Festbettes mit möglichst gutem Kontakt zwischen zu trocknendem Gasstrom und Adsorberpartikeln angestrebt werden. Der leichte Temperaturanstieg bei der Trocknung ist auf die Adsorptionswärme des Wassers am Zeolith zurückzuführen. Die Größe ṁ repräsentiert den Massenfluss des Wassers, T_Probe gibt die Probentemperatur an einer Messstelle in der Mitte des Feststoffbettes an. Die Differenz zwischen Eingangswert ṁ_vor und ṁ_nach entspricht somit der Trocknungseffizienz. Während der Regenerationsphase (thermische Trocknung des Festbettes) wird die Probe mittels Radiowellen (Systemgesamtleistung ca. 100 W, hohe Verluste wegen der Kleinheit der Apparatur) erwärmt. Der Temperaturanstieg war über die Probe gleichmäßig und es wurde relativ schnell ein Pla teauwert von ca. 150°C erreicht (3b). Bei dieser Temperatur erfolgten ein effizienter Wasseraustrag aus dem Festbett und eine regenerative Trocknung des Adsorbers 13X, der anschließend wieder zur Gastrocknung eingesetzt werden kann. Bei diesem Versuch betrug die Restfeuchte des Zeoliths ca. 1,6 Ma.-%.
Anwendungsbeispiel 2
Im Anwendungsbeispiel 2 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls eingesetzt, um einen Gasstrom zu entfeuchten und den Adsorber nach dem Durchbruch des Wassers auf Grund des Erreichens der Beladungskapazität des Adsorbers thermisch zu regenerieren. Die Regeneration wird in diesem Beispiel durch die Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses realisiert. 4 zeigt die Ergebnisse.
In diesem Fall wurde ein NaY-Zeolith (5,7 g, Körnung 1 bis 2 mm) bei Raumtemperatur beladen. Die Endbeladung betrug ca. 26 Ma.-%. 4a zeigt deutlich die effiziente Trocknung, bis nach Erreichen der Beladungskapazität bei ca. 800 min der Durchbruch des Wassers zu verzeichnen ist und die Eingangsfeuchte auch am Ausgang des Reaktors erreicht wird. Der leichte Anstieg der Temperaturen an mehreren Messstellen im Feststoffbett um 5 bis 10 K ist wiederum auf die freiwerdende Adsorptionsenthalpie zurückzuführen. Die Indices der Temperatur kennzeichnen die Position der Sensoren im Festbett in Durchströmungsrichtung. Der sukzessive Anstieg der Temperaturen durch die Adsorptionswärme kennzeichnet das Fortschreiten der Wasserfront im Zeolithbett.
Die Regeneration des Adsorbers erfolgt mit Radiowellen, wobei am Beginn des Festbettes ein thermo-chromatographischer Puls entsteht, der als Temperaturfront die Schüttung durchläuft. Die selektive Temperaturerhöhung im Puls (ca. 100 K an den beiden ersten, in 4b dargestellten Messstellen) ermöglicht eine besonders energieeffiziente Trocknung des Festbettes. Die mittlere Restfeuchte des Zeoliths nach der Trocknung betrug 1,5 Ma.-%, was eine erneute Gastrocknung ermöglicht. Bei Bedarf können auch niedrigere Restfeuchten des Adsorbers erreicht werden.

1: Hohlkörper
2: erste Öffnung
3: zweite Öffnung
4: Feststoffbett
5: kalte Elektrode
6: heiße Elektrode
7: elektronisches Anpassnetzwerk
8: Hochfrequenz-Generator
9: faseroptischer Temperatursensor
10: Auswertegerät
11: Mittel zur Dosierung eines Übertragungsmediums
12: Sensor zur Charakterisierung der Gaszusammensetzung
13: Personalcomputer
14: perforierte Bauteile
15: Feuchtesensor
ṁ: Massenfluss des Wassers
T_Probe: Probentemperatur

Claims

Vorrichtung zur Abtrennung von Komponenten eines Gasgemisches mittels Adsorption an einem Feststoffbett und Möglichkeit zur thermischen Regeneration des Feststoffbettes umfassend: – einen Hohlkörper (1), der einen Raum zur Adsorption bildet, – ein in dem Hohlkörper (1) angeordnetes Feststoffbett (4), das geeignet ist, mindestens eine Gaskomponente zumindest teilweise zu adsorbieren, – eine erste Öffnung (2), die geeignet ist, das Gasgemisch in den Hohlkörper (1) einzuführen, – eine zweite Öffnung (3), die geeignet ist, das Gasgemisch aus dem Hohlkörper (1) abzuführen und – mindestens eine Elektrode (5, 6), die mit einem Hochfrequenz (HF)-Generator (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) ein Teil des gasdichten Hohlkörpers (1) ausbildet und/oder mit diesem elektrisch leitend verbunden ist und/oder zumindest ein Teil der mindestens einen Elektrode (5, 6) innerhalb des Feststoffbetts (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffbett (4) den gasdichten Hohlkörper (1) zumindest zu 50%, vorzugsweise zu 70%, noch bevorzugter zu 90% ausfüllt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (2) und die zweite Öffnung (3) einander gegenüberliegend an dem gasdichten Hohlkörper (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Öffnung (2) mindestens ein Mittel zum Zuführen des Gasgemisches angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Öffnung (3) mindestens ein Mittel zum Abführen des Gasgemisches angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen und die Mittel zum Abführen des Gasgemisches ausgebildet sind, einen kontinuierlichen Gasstrom zu realisieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) das Feststoffbett (4) entlang seiner größten räumlichen Ausdehnung zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 70%, noch bevorzugter zu mindestens 90% durchspannt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Hohlkörper (1) als Zylinder oder als Quader ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) die Grundfläche des zylinderförmigen oder des quaderförmigen Hohlkörpers (1) ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) gasdurchlässig und/oder perforiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) mit einem Mittel zur Einspeisung einer hochfrequenten Spannung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) eine Plattenelektrode ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5, 6) eine Stabelektrode ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Elektroden (5, 6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zwei Elektroden eine kalte geerdete Elektrode (5) und eine der zwei Elektroden eine heiße Elektrode (6) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6) parallel angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5, 6) koaxial angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehr als zwei Elektroden (5, 6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine heiße Elektrode (6) und mehrere kalte Elektroden (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Elektrode (5), mit dem Hohlkörper (1) elektrisch leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Elektrode (5) zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 70%, noch bevorzugter zu mindestens 90% der gasdichte Hohlkörper (1) selbst ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Feststoffbett (4) ein faseroptischer Temperatursensor (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Temperatursensor (9) mit einem Auswertegerät (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Öffnung (2) und/oder der zweiten Öffnung (3) im Gasstrom ein Sensor (12) zur Charakterisierung der Gasgemisches angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Generator (8) eine Spannung mit eine Frequenz zwischen 1 und 50 MHz, vorzugsweise 13,56 oder 27 MHz bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur zweiten Öffnung (3) im Feststoffbett (4) ein Feuchtesensor (15) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur ersten Öffnung (2) ein Mittel zur Zugabe eines Übertragungsmediums (11) zur Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmedium (11) Wasser ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffbett (4) ein adsorbierendes Material ist, vorzugsweise Aktivkohle, Zeolith unterschiedlicher Struktur, poröse Metalloxide oder Mischungen davon.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorbierende Material hydrophil ist, vorzugsweise ein hydrophiler Zeolith, insbesondere Zeolith 3A, Zeolith 4A, Zeolith NaY oder Zeolith 13X.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorbierende Material hydrophob ist, vorzugsweise ein dealuminierter Y-Zeolith mit hohem Si/Al-Verhältnis.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorbierende Material eine hohe Porosität mit spezifischen Oberflächen größer als 100 m²/g, vorzugsweise größer als 200 m²/g aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorbierende Material Schüttgut mit einer Korngröße von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von 1 bis 5 mm, noch bevorzugter von 1 bis 3 mm ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Gasstrom adsorbierte Komponente ein anorganisches oder organisches Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, flüchtige organische Verbindungen oder Schwefelverbindungen und/oder Wasser ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffbett (4) einen Katalysator enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Edelmetall, vorzugsweise Platin oder Palladium, oder ein Perowskit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf porösen Trägermaterialien mit einer Porosität zwischen 0,2 und 0,7 aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Feststoffbetts (4) 0,001 bis 100 Kubikmeter, vorzugsweise 0,01 bis 10 Kubikmeter, noch bevorzugter 0,1 bis 10 Kubikmeter beträgt.