DE202008012371U1 - Apparatus for treating gases, in particular for drying natural gas or biogas - Google Patents
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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.Device for separating components of a gas mixture by means of adsorption on a solid bed and possibility for thermal regeneration of the solid bed comprising:
A hollow body (1) forming a space for adsorption,
A solid bed (4) arranged in the hollow body (1), which is suitable for at least partially adsorbing at least one gas component,
A first opening (2) which is suitable for introducing the gas mixture into the hollow body (1),
- A second opening (3) which is adapted to remove the gas mixture from the hollow body (1) and
At least one electrode (5, 6) connected to a radio frequency (RF) generator (8),
characterized in that
the at least one electrode (5, 6) forms part of the gas-tight hollow body (1) and / or is electrically conductively connected thereto and / or at least part of the at least one electrode (5, 6) is arranged inside the solid bed (4) ,
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.The The invention relates to a device for the treatment of gas mixtures with the aim of removing selected ingredients containing Solid bed with an adsorbent component that is capable of to at least temporarily enrich these components, which themselves at least partially within the influence of at least one electrode for introducing high frequency (RF) energy, which in turn, preferably via a electronic matching network, connected to an RF voltage source is to heat the fixed bed dielectrically.
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.Especially For example, the device can be used to dry gases, preferably natural gas and biogas, are used by water in a first phase adsorptively removed from the gas stream and in a further phase the water is removed from the fixed bed by thermal desorption, wherein the fixed bed is directly dielectrically heated by means of RF energy.
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.The Separation by adsorption and subsequent thermal regeneration Adsorber material is a widely used chemical process Process technology. In particular, this task arises in the Treatment of natural gas and biogas to these according to the technical specification be able to feed into existing gas supply networks.
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.For example, gas drying is absolutely necessary in order to prevent condensation when the pressure increases. In addition, the interaction of water and other gas components (eg H 2 S in the case of biogas) can lead to undesired corrosion.
Die technische Verwendung von Erdgas und Biogas erfordert darüber hinaus in vielen Fällen die Entfernung von Schwefelverbindungen, Kohlendioxid oder Sauerstoff sowie anderer Komponenten.The technical use of natural gas and biogas requires beyond in many cases the removal of sulfur compounds, carbon dioxide or oxygen as well as other components.
Für die Gastrocknung stehen nach dem Stand der Technik grundsätzlich vor allem drei Verfahrensprinzipien zur Verfügung: Kondensationsverfahren, adsorptive und absorptive Gastrocknungsverfahren wie beispielsweise Glykolwäsche.For the gas drying According to the state of the art, there are basically three principles of operation to disposal: Condensation, adsorptive and absorptive gas drying processes such as glycol wash.
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.The inventive device is related to adsorption processes for gas separation. The basic principle here is that the corresponding Gas components are bound to the adsorber. This happens in the Usually at relatively low temperature, usually ambient temperature. In the result leaves a gas stream the solid bed in which depletes the corresponding component is. To ensure a quasi-continuous process management, the adsorber component must be regenerated again. The most established for this Methods are based on desorption by lowering the pressure or increasing the temperature. To the regeneration and discharge of the desorbed substances is the fixed bed again for the adsorptive cleaning or gas separation available.
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.A another possibility the removal of certain gas components from a mixture in converting these substances reactively. For this purpose are usually catalytic Reactions used. An example is the removal of oxygen traces from natural or biogas using a noble metal catalyst, which catalyzes the oxidation. This process usually takes place at elevated temperature instead of.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll dazu dienen, in einem Feststoffbett, das zur Behandlung von Gasgemischen dient, effizient Energie einzubringen, um Desorptions- und Reaktionsprozesse zu initiieren.The inventive device intended to serve in a solid bed for the treatment of Gas mixtures serve to efficiently introduce energy to desorption and initiate reaction processes.
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.Thermal shock method are technically established, however, the warming of solid beds in the Comparison to warming Fluid media more complicated because the heat conduction within the bed in usually less. So is the heat transfer between the particles limited, because he prefers over the contact surfaces takes place. Will heat over walls or Inserted heating elements, so the heat transfer acts on the interfaces in the bed limiting.
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.alternative become solid beds over the carrier gas stream heated. Here, however, is the low heat capacity of the gas for the achievable heating rates limiting. The concentration of released pollutants is to the for heating necessary carrier gas flow coupled. this leads to to one in many cases undesirable Dilution. For example the subsequent catalytic oxidation of organic pollutants, from the adsorber by heating done due to the dilution no more autothermal, that is energy efficient, done.
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.A Thermal regeneration with water vapor, often in the case of with organic substances laden activated carbon is used, is for the present applications for gas treatment are not suitable.
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.The direct dielectric heating of solid media has been discussed for some years as an innovative and promising alternative to conventional methods. The main advantage of this method is that the energy input is not coupled to a fluid auxiliary medium (eg a carrier gas stream), but is carried out directly "without material flow." Up to now, however, only in some subregions microwave (MW) heating prevailed, due to the fact that the homogeneity of the temperature profiles are acceptable only for small volumes (in the cm 3 range) and that for many media the penetration depths of the MW radiation are too low for a technical application.Additionally, hydrous matrices with changing humidity change their dielectric properties significantly In the microwave range, the possibility of energy coupling in itself is usually coupled to the presence of water, which means that dry materials or low-humidity materials can often not be heated with microwaves, and it is generally not possible to reduce the electromagnetic activity during the process of changing Feu always adsorb the adsorber efficiently. The result is usually a reflection of the electromagnetic waves after drying of the material, so that the emitted energy no longer leads to heating of the fixed bed.
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.The The object of the present invention is the described disadvantages to overcome the state of the art and to provide a device that allows solid beds different materials with variable humidity and polarity energy efficient and, if necessary, to heat homogeneously, to different thermally initiated processes such as desorption in general, regeneration of fixed beds used for gas drying in particular, as well as catalytic reactions of adsorbed substances to enable.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen.The The object of the invention is according to the independent claim solved. The dependent claims include preferred embodiments.
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.According to the invention is a Device for separating components of a gas mixture by means Adsorption to a solid bed provided a gas-tight Hollow body which forms a reaction space for adsorption, a arranged in the gas-tight hollow body Solid bed, which is suitable, at least one gas component at least partially adsorb a first opening that is suitable for Introduce gas mixture into the gas-tight hollow body, a second opening, which is suitable to remove the gas mixture from the gas-tight hollow body and at least one electrode connected to a radio frequency (RF) generator is, wherein the at least one electrode is a part of the gas-tight hollow body is and / or at least part of the at least one electrode within the solid bed is arranged. The term "gas-tight" is understood here and below as meaning that the parasitic, the container unintentionally leaving gas flow very small compared to the through the openings provided for this purpose passing gas stream. In particular, it includes the container unintentionally abandoned Gas flow less than 10%, preferably less than 3%, more preferably less than 0.3% of the passing through the openings provided Gas stream.
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.According to the invention the arrangement thus of a reactor space, the at least one input and at least one exit for having the gas stream and wherein a solid bed, which at least a gas component can at least partially adsorb, arranged is. The solid bed is at least partially within the sphere of influence the at least one electrode, in turn, with an RF generator connected is. Between the at least one electrode and the RF generator is preferably arranged an electronic matching network, which the Matching of the variable impedance of the solid bed to the internal resistance of the HF generator allows.
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.Preferably are the first opening and the second opening opposite each other on the gas-tight hollow body arranged. At the first opening can optionally means for feeding the gas mixture and at the second opening means for discharging the Be arranged gas mixture. The means for feeding and discharging the Gas mixtures are designed such that they are suitable for realize continuous gas flow.
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.The first and second opening on the gas-tight hollow body essentially serve the supply and removal of the gas stream. thats why the cross section of the openings comparatively small compared the total surface of the hollow body. Preferably, the cross-sectional area of the first or second opening is smaller than 20% each, preferably less than 10% each, more preferably less than ever 5% of the surface the gas-tight hollow body. According to the invention of hollow body further openings, for example, to introduce sensors or the like.
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.Of the gas-tight hollow body is at least according to the invention to 50%, preferably to 70%, more preferably to 90% with the solid bed filled. at the solid bed is preferably a packed bed solid particles. However, in other preferred variants also solids as ceramic shaped bodies, particularly preferred as Honeycombs, used. in principle In this context, all arrangements are suitable, the one realize sufficient contact of the gas stream with the solid. In the following, however, for all options used the uniform term solid bed.
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 In a preferred arrangement, the at least one electrode is such in the gas-tight hollow body arranged that they are at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 90% in the solid bed or along the solid bed is arranged. Thus, the at least spans an electrode according to the invention the solid bed along its largest spatial chen Expansion to at least 50%, preferably to at least 70%, still more preferably at least 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 Another preferred arrangement is the at least one electrode perpendicular to the axis of the reactor body arranged. In this case, the at least one electrode according to the invention takes at least 50%, preferably at least 70%, more preferably at least 90% of the solid bed cross section.
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.In a preferred embodiment it is in the gas-tight hollow body in its outer shape around a cylinder. In a further preferred embodiment it is a cuboid. Preferred embodiments are still Characterized in that the cross section perpendicular to the flow direction about the Reactor not essential (preferably less than 30%, more preferably less than 10%) changes. The Invention, however, is fundamental not to a specific form of the gas-tight hollow body and thus bound to the solid bed, there are also any other Geometries possible, without the functionality the arrangements would be restricted.
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.Base area and cover surface of the cylindrical one gastight hollow body are in a preferred embodiment as insulating components worked out, the insulating components designed also perforated and thus gas-permeable could be. Insulating in this context means that the RF conductivity of materials negligible is. In a further preferred embodiment, the first opening or the second opening the (insulating) base area or the (insulating) top surface of the cylindrical one gastight hollow body arranged or these openings are realized by perforated materials in their entirety.
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.In a preferred variant of the invention is the at least one electrode with the hollow body, in particular with the Shielding or the outer jacket of the reactor, electrically connected. In a preferred variant according to the invention is the hollow body or a part of the hollow body even the electrode according to the invention. In In another preferred embodiment, the at least one Electrode a footprint of the cylindrical one or cuboid shaped hollow body Preferably, this electrode can be designed gas-permeable or perforated be.
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.Preferably The electrodes are used in pairs. According to the invention the electrodes are then fed with a high-frequency AC voltage, wherein one of the electrodes is a cold electrode and an electrode as hot Electrode is called. As a cold electrode while the grounded Electrode defined. In a particularly preferred embodiment the cold electrode is electrically connected to the outer shell of the hollow body conductively connected or the outer sheath represents itself the cold electrode.
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.In Another embodiment of the invention is more than two electrodes provided, which is fed with a high-frequency AC voltage become. Preferably, one hot and several cold electrodes intended.
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.Cold and hot Electrodes are preferably with the electronic matching network connected and between the two electrodes is the solid bed or at least part of the solid bed.
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.When Electrodes are preferably used rod or plate electrodes. In a particularly preferred embodiment of the invention used parallel plate electrodes. Parallel plate electrodes guarantee for homogeneous Solid beds have a low gradient temperature profile and are thus for a homogeneous heating on best suited.
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.According to the invention can Electrodes are also arranged coaxially. A coaxial arrangement is best suited to the electromagnetic radiation in to reduce the environment. In this case, the solid bed is located between an outer cylindrical Sheath electrode, which is preferably connected as a cold electrode is, and a rod or tubular Inner electrode, preferably as hot. Electrode acts. The Arrangement thus represents a cylinder capacitor. Although the radially outward decreasing electric field strength to an inhomogeneous warming leads, can through heat transport processes in a fixed bed a sufficient temperature stability over the fixed bed guaranteed become.
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.The choice of the electrode geometry, of which further variants are possible, is determined by the requirements of the respective process (necessary temperature homogeneity, mechanical requirements on the arrangement, heating rates to be achieved, etc.). Preferably, the two electrodes by insulating, optionally separated perforated components.
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.The Electrodes are according to the invention with the RF generator, which is preferably high-frequency voltages with a Frequency between 1 and 50 MHz provides over electronic matching network, the so-called matchbox. The electronic matching network allows the adjustment of the variable Impedance of the solid bed to the internal resistance of the HF generator and allows thus a reflection-free transmission the RF energy from the generator into the solid bed. That exists unlike conventional microwave ovens the possibility a very energy-efficient heating of the solid bed and The emitted RF energy can be almost completely converted into process heat become. Particularly preferred is the use of frequencies that for the Application for the industrial, scientific and medical fields are released, such as ISM frequencies of 13.56 or 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.Preferably contains the arrangement further comprises at least one fiber optic temperature sensor, the with an evaluation unit connected is. Preferably, further are in the Anstrombereich and / or in the discharge area of the gas mixture sensors for characterization the gas composition. In a preferred variant of the arrangements are the individual sensors and evaluation devices with a personal computer connected to process control system. In a preferred variant of the device a humidity sensor is positioned before the end of the solid bed, which detects the loading state of the adsorber and an impending Breakthrough of the water loading front indicates.
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.optional is in the influx to the reactor or in the entrance area of Reactor, a means for adding and / or dosing a transmission medium. The means for introducing a transmission medium can be used to initiate a thermo-chromatographic pulse become. Preferably, as a transmission medium Water used. The thermo-chromatographic pulse is not only for the Thermodesorption of adsorbed organic gas components or suitable for initiating a catalyzed reaction. The thermochromatographic Pulse can also be for Drying processes are used when the solid bed is not has been loaded until reaching the loading capacity. In this Case can the water injection and the resulting pulse to an additional Discharge of water from the fixed bed lead.
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.As solid bed materials, adsorptive substances such as activated carbon, zeolites of different structure or porous metal oxides and mixtures thereof are preferably used. They preferably have a high porosity with large specific surface areas (typically more than 100 m 2 / g, more preferably more than 200 m 2 / g). In many cases, a binder is added to these materials before pressing in order to achieve better mechanical stability. In the following, however, these mixed materials are referred to simply as the sorption-active component.
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.In A preferred variant for gas drying is hydrophilic Zeolites, particularly preferred are the zeolites 3A, 4A, NaY and 13X. In another preferred variant for the removal of hydrophobic Substances such as nonpolar organic compounds The gas stream uses hydrophobic materials. Especially preferred here is the use of a solid bed material, the a dealuminated Y zeolite with high Si / Al ratio contains.
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.in the Case of an intended reactive conversion of the previously adsorbed Gas component is the use of an additional catalyst component in the solid bed advantageous. As catalysts, for example Precious metals, preferably platinum, or perovskite or other oxidic Materials used. The catalysts are preferably on porous support materials applied. This porous Materials typically have porosities between 0.2 and 0.7.
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.Of the Solid used as an adsorber and / or as a catalyst, is in particular a granulate or other bulk material, wherein the grain diameter preferably before lying in the millimeter range. Particularly according to the invention suitable, particle sizes are in the range from 0.1 to 10 mm, preferably from 1 to 5 mm, more preferably from 1 to 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.Preferably becomes from the gas mixture an inorganic or organic gaseous component away. For example, you can Carbon dioxide, oxygen or sulfur compounds to be purified Gas mixtures are removed.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trocknen von Gasgemischen eingesetzt. Die besonders bevorzugt entfernte Substanz ist daher Wasser.Especially the device according to the invention is preferred used for drying gas mixtures. The most preferred removed substance is therefore water.
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.The described device allows about the State of the art, a number of application options, some of which are described below by way of example in the following To describe the function of the device and the role of the individual components in more detail.
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.It is understood that this invention is not is limited to the specific devices, compositions and conditions as described herein since these may vary. It is further understood that the terminology used herein is for the sole purpose of describing particular embodiments and is not intended to limit the scope of the invention. As used herein in the specification including the appended claims, word forms in the singular, such as words, include For example, "a", "an", "an", "the", "the" or "the" may be equivalents in the plural, unless the context clearly dictates otherwise a transmission medium "means one or more means, which in turn may be identical or different.
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.The Device allows different modes of energy input and in particular the heating the fixed bed and the realization of different temperature profiles. In particular, it is possible the fixed bed compared to alternatives of the prior art homogeneous and carrier gas unbound to warm, whereby also technically relevant volumes treated in the liter and cubic meter scale can be. Preferably the volume of the solid material bed in a device according to the invention 0.001 to 100 cubic meters, preferably 0.01 to 10 cubic meters.
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.Furthermore it is also possible as an option as already described, by the injection of a transmission medium a fixed mass bed migratory coupled mass flow temperature pulse, to initiate a so-called thermochromatographic pulse. Therefor is a transfer medium in the gas stream, preferably water, injected and at least partially adsorbed on the fixed bed material. this leads to to a reinforced Absorption of HF energy in the corresponding area of the fixed bed, which in turn intensified Heating leads. This leads to the desorption of the transmission medium and the Further transport with the gas stream. If colder fixed bed areas are reached, so again adsorption and local overheating occurs. This process continues continuously until the thermo-chromatographic Pulse has passed through the fixed bed and reached the output of the reactor. The selective increase in temperature makes it possible the desired thermally initiated processes such as regeneration of the Fixed bed in gas drying or adsorptive gas separation and catalytic conversion of adsorbed gas components very energy efficient to achieve.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Ein
Realisierungsbeispiel für
die erfindungsgemäße Anordnung
ist in
In
einer weiteren Ausgestaltung werden die Elektroden koaxial angeordnet
(
Anwendungsbeispiel 1Application example 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.
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 (
Anwendungsbeispiel 2Application Example 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.
In
diesem Fall wurde ein NaY-Zeolith (5,7 g, Körnung 1 bis 2 mm) bei Raumtemperatur
beladen. Die Endbeladung betrug ca. 26 Ma.-%.
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
- 11
- Hohlkörperhollow body
- 22
- erste Öffnungfirst opening
- 33
- zweite Öffnungsecond opening
- 44
- FeststoffbettSolid bed
- 55
- kalte Elektrodecold electrode
- 66
- heiße Elektrodehot electrode
- 77
- elektronisches Anpassnetzwerkelectronic matching
- 88th
- Hochfrequenz-GeneratorHigh-frequency generator
- 99
- faseroptischer Temperatursensorfiber optic temperature sensor
- 1010
- Auswertegerätevaluation
- 1111
- Mittel zur Dosierung eines Übertragungsmediumsmedium for dosing a transmission medium
- 1212
- Sensor zur Charakterisierung der Gaszusammensetzungsensor for the characterization of the gas composition
- 1313
- Personalcomputerpersonal computer
- 1414
- perforierte Bauteileperforated components
- 1515
- Feuchtesensorhumidity sensor
- ṁm '
- Massenfluss des Wassersmass flow of the water
- TProbe T sample
- Probentemperatursample temperature
Claims (38)
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