DE202016000949U1

DE202016000949U1 - Vorrichtung zum Behandeln eines mit Schadstoffen belasteten Gases

Info

Publication number: DE202016000949U1
Application number: DE202016000949.5U
Authority: DE
Original assignee: Silica Verfahrenstechnik GmbH
Current assignee: Silica Verfahrenstechnik GmbH
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2026-02-16

Abstract

Vorrichtung zum Behandeln eines mit Schadstoffen belasteten Gases mit mindestens einem in einem Adsorptionsapparat (19, 70) eingesetzten, mindestens eine elektrisch leitfähige Lage einer Aktivkohlefasermatte (7) enthaltenden Adsorptionsmodul (1, 1(a...n), 45) zum Adsorbieren der Schadstoffe, mit einem elektrischen Stromkreis (17) zum Aufheizen der Aktivkohlefasermatte (7) für das Desorbieren der adsorbierten Schadstoffe und mit einem mittig in das Adsorptionsmodul (1, 1(a...n), 45) geführten, Austrittsöffnungen (35, 58) aufweisenden Verteilrohr (34, 57) für ein Spülgas zum Inertisieren und Spülen der Aktivkohlefasermatte (7), dadurch gekenzeichnet, dass das Adsorptionsmodul (1, 1(a bis n), 45) mindestens eine gasdurchlässige Sandwichplatte (2) oder mindestens ein Aktivkohlefasermodul (45(a...n)) umfasst, die gaszuströmseitig aus einer mit Gaseintrittsöffnungen (4) versehenen inneren Lage (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material und gasabströmseitig einer mit Gasaustrittsöffnungen (6) versehenen äußeren Lage (5) aus einem elektrisch leitfähigen Material sowie einer von der inneren und äußeren Lage (3, 5) im komprimierten Zustand gehaltenen Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) gebildet sind, wobei die äußere Lage (5) gegenüber der inneren Lage (3) einen größeren freien Durchströmungsquerschnitt (Q2) für das Gas aufweist, und dass die innere und äußere Lage (3, 5) voneinander elektrisch isoliert und an eine Spannungsquelle (16) angeschlossen sind, wobei die innere und äußere Lage (3, 5) mit der Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) den Stromkreis (17) bilden, in dem die Aktivkohlefasern quer zur Aktivkohlefaserrichtung (AR) vom Strom durchflossen und als Widerstand geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln eines mit Schadstoffen belasteten Gases mit mindestens einem in einem Adsorptionsapparat eingesetzten, mindestens eine elektrisch leitfähige Lage einer Aktivkohlefasermatte enthaltenden Adsorptionsmodul zum Adsorbieren der Schadstoffe, mit einem elektrischen Stromkreis zum Aufheizen der Aktivkohlefasermatte für das Desorbieren der adsorbierten Schadstoffe und mit einem mittig in das Adsorptionsmodul geführten, Austrittsöffnungen aufweisenden Verteilrohr für ein Spülgas zum Inertisieren und Spülen der Aktivkohlefasermatte.
Stand der Technik
Schadstoffe in Gasen an Aktivkohle zu adsorbieren und diese für einen neuen Adsorptionsvorgang zu regenerieren, gehören seit langem zum Stand der Technik. Zum Einsatz kommen hauptsächlich Aktivkohlen in Form von Schüttungen aus Granulaten in Festbetten oder auch Aktivkohlefasern, die als Vliese, Gewebe oder Gestricke vorliegen.
Aus der DE 100 32 385 A1 ist ein Verfahren zur Regenerierung von mit organischen Substanzen beladenen, elektrisch leitenden Adsorbentien bekannt, die durch Durchleitung von elektrischem Strom aufgeheizt werden. Das Adsorbens wird abwechselnd zeitlich nacheinander durch Durchleitung von elektrischem Strom aufgeheizt, wobei kein Spülgas durch das Adsorbens geführt wird und anschließend bei abgestelltem, elektrischen Strom ein Spülgas durch das Adsorbens geleitet wird, wodurch gleichzeitig die adsorbierten organischen Substanzen ausgetrieben werden und das Adsorbens gekühlt wird.
Zum Stand der Technik gehört auch ein Verfahren zur Adsorption und Rückgewinnung mit einer Adsorptionseinheit, die mindestens ein Aktiv-Carbonfaserelement umfasst, wobei das Aktiv-Carbonfaserelement durch Stromfluss erwärmt wird ( EP 1 284 805 B1 ). Das Aktiv-Carbonfaserelement ist so ausgebildet, dass es einen ausreichenden elektrischen Widerstand für die Erwärmung bildet. Eine Gasströmung wird in das erwärmte Aktiv-Carbonfaserelement geleitet, um wahlweise mindestens einen Bestandteil der Gasströmung zu adsorbieren. Durch die Steuerung oder Regelung der Temperatur des Aktiv-Carbonfaserelementes mittels elektrischem Stromfluss auf eine Temperatur für die Desorption wird ein adsorbierter Bestandteil in Gegenwart einer Inertgasströmung desorbiert. Das Adsorptionssystem für das Verfahren umfasst ein hohles Gehäuse, in dem mindestens ein längliches ringförmiges Aktiv-Carbonfaserelement angeordnet ist, welches ein ausreichendes Verhältnis von der Länge zum Querschnitt aufweist, um einen elektrischen Widerstand zum Erwärmen zu erreichen und eine elektrische Verbindung zum Aktiv-Carbonfaserelement und Gasanschlüsse für den Eintritt und Austritt des Gases zu und aus dem hohlen Gehäuse, wobei die Gasanschlüsse so angeordnet sind, dass das Gas in das hohle Aktiv-Carbonfaserelement gelenkt wird, dort eindringt und durch das Volumen fließt.
Weiterhin ist aus der EP 0 532 814 B1 eine Vorrichtung zur Behandlung eines Fluids mit mindestens einem darin enthaltenen Bestandteil bekannt. Diese bekannte Vorrichtung hat eine Struktur aus einem adsorbierenden Material zum Durchfluss des Fluids, um den adsorbierbaren Bestandteil durch das adsorbierende Material zu adsorbieren, wobei die Struktur in einem Reaktionsbehälter angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur periodischen Regeneration des adsorbierenden Materials mittels des Joule-Thomson-Effektes, wobei die Mittel zur Wechselwirkung mit der Struktur im Verlauf einer Desorptionsphase dienen, die darin besteht, dass ein elektrischer Strom in mindestens einer der Schichten der Struktur hindurchfließt. Die Struktur besteht aus übereinander zick-zack-förmig geschichteten Lagen vernetzter elektrisch leitender Aktivkohle, die durch das Ausziehen von elektrisch leitenden Fasern erhalten wird. Die Lagen haben einen Abstand voneinander, um Turbulenzen beim Durchströmen des zu behandelnden Fluides zu erzeugen. Der elektrische Strom durchfließt die Fasern in Faserrichtung (Längserstreckung), in dem die Potentialdifferenz an den Enden der Lagen aus Aktivkohle oder an den Enden jeder Lage angelegt wird. Das zu behandelnde Gas wird durch ein perforiertes Rohr in die um das Rohr gewickelte Lage zugeführt.
Des Weiteren ist aus der DE 41 04 513 C2 ein Adsorber aus adsorbierenden Material bekannt, das elektrisch leitfähig ist und mittels elektrischem Strom auf eine Temperatur erwärmt werden kann, bei der das adsorbierende Material ausgetrieben wird. Als adsorbierendes, elektrisch leitfähiges Material wird gepresste oder faserförmige Aktivkohle verwendet, die in Form von Rohren, Hohlfasern oder Matten vorliegt, die von dem schadstoffbeladenen Fluid durchströmbar sind. Die Rohre, Hohlfasern oder Matten werden zwischen zwei Elektroden an ihren Stirnseiten eingespannt und vom Strom in ihrer Längsrichtung durchflossen.
Aus der US 4 737 164 A ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von flüchtigen Verunreinigungen aus Gasen bekannt, bei dem das Gas durch ein um sich selbst aufgewickeltes Aktivkohlefasergewebe durchströmt, welches zur Erhöhung seiner Adsorptionsfähigkeit und zur Desorption durch einen Gleichstrom erwärmt wird. Das aufgewickelte Aktivkohlefasergewebe wird an seiner Stirnseite mit einer Elektrode verbunden, die an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Alle diese bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass die Aktivkohlefasern entlang ihrer Längserstreckung (Faserachsen) mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, wodurch eine ungleichmäßige Erwärmung der Aktivkohlefasern über ihre axiale Länge im Adsorbermodul hervorgerufen wird, so dass die Desorption der Schadstoffe von den Aktivkohlefasern beeinträchtigt wird und sogar unvollständig bleiben kann. Adsorbermodule mit Matten, Hohlfasern oder Rohren aus Aktivkohlefasern mit elektrischer Regeneration haben sich deshalb bisher nicht durchsetzen können. Darüber hinaus verursachen diese Adsorbermodule mit Hohlfasern, Rohren oder gewickelten Matten aus Aktivkohlefasern eine unterschiedliche Druckverteilung des Gases über ihre axiale Länge, was zu einem ungleichmäßigen Strömungsprofil führt und eine ungleichmäßige Beladung mit Gebieten lokaler Sättigung bewirkt, so dass daraus ein schlechtes Verhältnis zwischen vorhandener und tatsächlich durchströmter Adsorberoberfläche folgt. Außerdem entstehen beim Durchströmen der Matten, Hohlfasern und Rohre aus Aktivkohlefasern mit dem schadstoffbeladenen Gas elektrostatische Aufladungen, die die Gefahr mit sich bringen, dass unkontrollierte Stromschläge, Entladungen zu Bränden führen können und die Sicherheit der Adsorptionsanlage gefährden. Des Weiteren besitzen die Hohlfasern, Rohre und gewickelten Matten aus Aktivkohlefasern keine ausreichende mechanische Stabilität, sind montageunfreundlich bei der Wartung und dem Austausch. Die bekannten Adsorbermodule neigen deshalb zur Störanfälligkeit, haben einen nicht befriedigenden Wirkungsgrad und sind dadurch letztendlich unwirtschaftlich.
Aufgabenstellung
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Behandeln eines mit Schadstoffen belasteten Gases bereitzustellen, mit der die Aktivkohlefasern oder Aktivkohlefasermatten gleichmäßig über ihre axiale Länge im Modul auf Desorptionstemperatur erhitzt werden können, eine gleichmäßige Druckverteilung bei ihrer radialen Durchströmung mit dem Gas erreicht wird, die mechanische Stabilität der Aktivkohlefasermatten bei gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades, der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, die Aktivkohlefaserlage bzw. -matte quer zur ihrer Längserstreckung mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um eine gleichmäßige Erwärmung über die axiale Länge des Moduls zu erreichen, und die Richtung des elektrischen Stromflusses mit der Richtung der Gasströmung von innen nach außen in Übereinstimmung zu bringen, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Druckverteilung bei der Durchströmung zu gewährleisten ist, um die Aktivkohlefasermatte oder -wicklung gleichmäßig zu beladen und zu desorbieren.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Adsorptionsapparat mindestens eine gasdurchlässige Sandwichplatte oder mindestens ein Aktivkohlefasermodul umfasst, die gaszuströmseitig aus einer mit Gaseintrittsöffnungen versehenen inneren Lage aus einem elektrisch leitfähigen Material und gasabströmseitig aus einer mit Gasaustrittsöffnungen versehenen äußeren Lage aus einem elektrisch leitfähigen Material sowie einer von der inneren und äußeren Lage im komprimierten Zustand gehaltenen Aktivkohlefasermatte oder Aktivkohlefaserwicklung gebildet sind, wobei die äußere Lage gegenüber der inneren Lage einen größeren freien Durchströmungsquerschnitt für das Gas aufweist, und dass die innere und äußere Lage voneinander elektrisch isoliert und an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei die innere und äußere Lage mit der Aktivkohlefasermatte oder -wicklung den Stromkreis bilden, in dem die Aktivkohlefasern quer zur Aktivkohlefaserrichtung vom Strom durchflossen und als Widerstand geschaltet sind.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsmäßen Vorrichtung enthält das Aktivkohlefasermodul:

a) als innere Lage einen inneren aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehenden zylindrischen Hohlkörper, der für den freien Gasdurchtritt quer zu seiner Längsachse mit gleichmäßig über seinen Mantel verteilten Öffnungen versehen ist, die einem Durchströmungsquerschnitt von 5 bis 80% der Fläche des Mantels aufweisen,
b) als Aktivkohlefasermatte mindestens eine um den inneren Hohlkörper angeordnete Aktivkohlefaserwicklung,
c) als äußere Lage einen die Aktivkohlefaserwicklung außen umschließenden, aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehenden zylindrischen Hohlkörper, der für den freien Gasdurchtritt quer zur Längsachse mit gleichmäßig über seinem Mantel verteilten Öffnungen versehen ist, die einem Durchströmungsquerschnitt von 50 bis 95% der Fläche seines Mantels entsprechen, wobei die Aktivkohlefaserwicklung zwischen dem inneren und äußeren Hohlkörper in einem radial zusammengedrückten dichten, elektrisch leitfähigen Zustand gehalten ist, und
d) eine elektrische Isolierung des inneren und äußeren Hohlkörpers, wobei der innere Hohlkörper und der äußere Hohlkörper an die Spannungsquelle angeschlossen sind und mit der Aktivkohlefaserwicklung den Stromkreis bilden, in dem die Aktivkohlefaserwicklung quer zur Aktivkohlefaserrichtung vom Strom durchflossen und als Widerstand geschaltet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die innere und äußere Lage oder der innere und äußere Hohlkörper aus einem dünnen metallischen schlitz-, sieb-, oder lochblech- oder gitterartigen Material bestehen, das in Abhängigkeit der an den Aktivkohlefasern adsorbierten Schadstoffen aus der Gruppe der unlegierten Stähle, Edelstähle, Nickelbasislegierungen (Hastelloy), Titan oder Titanlegierungen ausgewählt ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die innere und äußere Lage oder der innere und äußere Hohlkörper des Moduls elektrisch nicht leitend an einem Halter oder Aufnahmeboden im Adsorptionsapparat befestigt sind. Dies stellt sicher, dass die innere und äußere Lage oder der innere und äußere Hohlkörper voneinander elektrisch isoliert sind.
Von besonderer Bedeutung ist, dass die innere Lage oder der innere Hohlkörper einen Anschluss für den Pluspol oder Minuspol und die äußere Lage oder der äußere Hohlkörper einen Anschluss für den Minuspol oder Pluspol der Spannungsquelle aufweist, wobei die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, deren Potentialdifferenz zwischen dem Minuspol und dem Pluspol in Abhängigkeit der Dicke der Aktivkohlefasermatte oder Aktivkohlefaserwicklung und der Desorptionstemperatur der adsorbierten Schadstoffe an den Aktivkohlefasern zwischen 10 V und 400 V gewählt ist. Die innere und äußere Lage oder der innere und äußere Hohlkörper kann aber auch Anschlüsse für eine Wechselstromquelle aufweisen, deren Spannung und Frequenz in Abhängigkeit der Dicke der Aktivkohlefasermatte oder Aktivkohlefaserwicklung und der Desorptionstemperatur der adsorbierten Schadstoffe gewählt ist. Durch die Art der Aktivkohlefasermatten oder -wicklungen können die erfindungsgemäßen Module an unterschiedliche Schadstoffe, wie unpolare Stoffe wie z. B. Aromaten, Ester, Paraffin-Kohlenwasserstoffe, Halogen-Kohlenwasserstoffe usw., leicht angepasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat der äußere Hohlkörper zur radialen Kompression der Aktivkohlefaserwicklung einen Innendurchmesser, der gegenüber dem Außendurchmesser der gewickelten Lage der Aktivkohlefasermatte um das 0,01- bis 0,4-fache geringer ist. Dies ermöglicht, die Aktivkohlefaserwicklung in einem dichten elektrisch leitfähigen Zustand zu halten, ohne dass wesentliche Hohlräume zwischen den Wickellagen auftreten.
Von Vorteil ist weiterhin, dass die Anschlüsse mit der Gleichstrom- bzw. Wechselstromquelle über freitragende, durch einen Boden des Adsorptionsmoduls bzw. durch ein Bodenblech des inneren Hohlkörpers des Aktivkohlefasermoduls sowie dem Behältermantel des Adsorptionsapparate gas- und druckdicht und elektrisch isoliert geführte Verbindungsleitungen verbunden sind, die beim Durchströmen des schadstoffbeladen Gases während der Adsorption der Schadstoffe an den Aktivkohlefasern mit der Erdung des Adsorptionsapparats zum Ableiten einer elektrostatischen Aufladung über Schalter zugeschaltet und die bei der Desorption der adsorbierten Schadstoffe durch die Schalter von der Erdung elektrisch getrennt sind. Dies ist zweckmäßig, um das erfindungsgemäße Modul gegen elektrostatische Aufladungen, Überschläge bis hin zu Bränden zu sichern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der äußere Hohlkörper des Aktivkohlefasermoduls von einem Induktor zum Erzeugen eines hochfrequenten Magnetfeldes zum Erwärmen der Aktivkohlefaserwicklung umschlossen sein, der an die Wechselstromquelle angeschlossen ist.
Von besonderer Bedeutung für die Adsorptionskapazität ist, dass die Aktivkohlefasermatte oder Aktivkohlefaserwicklung aus einem Aktivkohlefaser-Gewebe mit einem Faserdurchmesser von 6 bis 50 μm, einer Faserlänge von 3 bis 200 mm und aus 3 bis 300 Lagen gebildet ist. Dadurch, dass die Gasströmung während der Adsorption und Desorption von innen nach außen oder umgekehrt übereinstimmt, wird die Adsorptionsoberfläche während der Adsorption und Desorption besser ausgenutzt, die Desorption durch die gleichmäßigere Erwärmung vollständiger und effizienter. Es hat sich gezeigt, dass die große Anzahl von Mikroporen der Aktivkohlefasern zu einer deutlichen Erhöhung der Stoffübergangsgeschwindigkeit führen, so dass nur wenige Lagen des Aktivkohlefasergewebes notwendig sind, um eine große Adsorptionskapazität bei geringen Partialdrücken des zu behandelnden Gases zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aktivkohlefasermodul eine axiale Länge aufweist, die einer Konfektionsbreite der handelsüblichen Aktivkohlefaser-Gewebe entspricht, wodurch es möglich ist, dass Aktivkohlefaser-Gewebe ohne bedeutenden Verschnitt auszunutzen. Es können, ohne die Erfindung zu verlassen, mehrere, konfektionsbreite Wicklungen aneinandergefügt werden, die an ihren Stoßkanten durch ein Streifenband eine unkontrollierte, ungleichmäßige Gasströmung verhindert, welche zusammen eine axiale Länge aufweisen, die dem Produkt aus Konfektionsbreite und der Anzahl der aneinandergefügten konfektionsbreiten Wicklungen entspricht. So lassen sich Aktivkohlefasermodule mit unterschiedlichen axialen Längen entsprechend des jeweilig vorliegenden Anwendungsfalles bereitstellen. Bei kleinen Konfektionsbreiten des Aktivkohlefasergewebes (kleiner 200 mm) können die Aktivkohlefasermodule mit unterschiedlichen axialen Längen wie eine Filterkerze mit mindestens zwei, vorzugsweise drei bis acht Lagen, über Kreuz um den inneren Hohlkörper gewickelter Lagen aus Aktivkohlefasern versehen werden.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die zwischen den Hohlkörpern gehaltene Aktivkohlefasermatte ausgetauscht werden kann, so dass das Aktivkohlefasermodul, wenn erforderlich, mit einer neuen Aktivkohlefaserwicklung bestückbar ist. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, das Aktivkohlefasermodul auf eine andere Aktivkohlefaserwicklung sowohl hinsichtlich des Faserdurchmessers, als auch ihrer spezifischen Adsorptionsoberfläche umzustellen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Verteilrohr für das Spülgas auf der Längsachse des Adsorptionsmoduls bzw. Aktivkohlefasermoduls angeordnet, so dass das Spülgas durch die Austrittsöffnungen im Verteilrohr gleichmäßig über die axiale Länge des Aktivkohlefasermoduls verteilt auf den inneren Hohlkörper gelenkt werden kann, um die Aktivkohlefaserwicklung gleichmäßig mit Spülgas zu beaufschlagen und die desorbierten Schadstoffe aus dem Modul auszutragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Adsorptionsmodul als geometrische Fläche aus jeweils zwei, gegenüber dem Boden nach außen geneigten Sandwichplatten, die fußseitig am Boden und kopfseitig an einer Halterung des Adsorptionsapparats gasdicht und elektrisch nicht leitend befestigt sind und miteinander einen trapezförmig geschlossen ausgebildeten Behandlungsabschnitt einschließen, in welchem das Verteilrohr für das Spülgas entlang der Längsachse des Adsorptionsmoduls bis nahe des Bodens des Adsorptionsmoduls geführt ist. Es gehört aber auch bei sehr großen Gasdurchsätzen zu der Erfindung, mehrere Adsorptionsmodule horizontal in Reihe im Gasstrom aber parallel in einem als räumliches Parallelogramm geschlossen ausgebildeten Adsorptionsapparat anzuordnen, wobei der Gaseintrittsstutzen oberhalb der Adsorptionsmodule an einer Stirnseite des Adsorptionsapparats, der Gasaustrittsstutzen unterhalb der Adsorptionsmodule an der anderen Stirnseite des Adsorptionsapparats und der Austrittsstutzen für das Desorbat im tiefsten Punkt am Behältermantel des Adsorptionsapparats angeordnet sind.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Aktivkohlefasermodule in Dreiecks- oder Vierecksteilung an einem senkrecht zur Apparateachse ausgerichteten, im Adsorptionsapparat gasdicht und elektrisch nicht leitend befestigten Aufnahmeboden gehalten, wobei die inneren und äußeren Hohlkörper der Aktivkohlefasermodule voneinander elektrisch isoliert sind und jeder innere Hohlkörper jeweils einen Behandlungsabschnitt einschließt, in welchem jeweils das Verteilrohr entlang der Längsachse bis nahe dem Bodenblech des Aktivkohlefasermoduls geführt ist. Der gesamte Adsorptionsapparat kann mit den entsprechenden Modulen horizontal oder vertikal ausgeführt sein. Ohne die Erfindung zu verlasen, ist es weiterhin bei sehr großen Gasdurchsätzen und von der Länge begrenzten Aktivkohlefasermodulen möglich, die Module zueinander spiegelbildlich im Adsorptionsapparat zu installieren, wobei der Rohgaseintritt axial an beiden Stirnseiten des Adsorptionsapparats erfolgt und der Gasaustritt des gereinigten Gases in der Mitte des Adsorptionsapparats, vorzugsweise mit zwei sich gegenüberliegenden Gasaustrittsstutzen durchgeführt wird und der Austrittsstutzen für das Desorbat am Behältermantel des Adsorptionsapparats angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht des Adsorptionsmoduls in der Ausführung einer Sandwichplatte von der Gaseintrittsseite,
2 eine perspektivische Ansicht des Adsorptionsmoduls in der Ausführung einer Sandwichplatte von der Gasaustrittsseite,
3 eine schematische Darstellung der Anordnung von aus Sandwichplatten zusammengesetzten Adsorptionsmodulen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Adsorptionsapparat,
4a und 4b Einzelheiten A und B der Befestigung und Isolation der Sandwichplatten im Adsorptionsapparat,
5 eine perspektivische Ansicht des Aktivkohlefasermoduls,
6 einen Schnitt entlang der Linie A-A der 5,
7 eine schematische Ansicht des Aktivkohlefasermoduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Schnittdarstellung mit Isolierung und elektrischem Anschluss an eine Spannungsquelle,
8a und 8b Einzelheiten C und D der Befestigung und Isolation der Hohlkörper des Aktivkohlefasermoduls im Adsorptionsapparat,
9 eine schematische Darstellung der Anordnung von Aktivkohlefasermodulen an einem Aufnahmeboden in einem Adsorptionsapparat mit elektrischen Anschlüssen und Potentialausgleich gegen elektrostatische Aufladung einschließlich der Schaltung bei der Ad- und Desorption,
10a bis 10c Varianten von Aktivkohlefasermodulen mit unterschiedlichen axialen Längen und
11 eine schematische Ansicht eines Adsorptionsapparats mit Aktivkohlefasermodulen für große Gasdurchsätze.
Beispiel 1
Die 1 und 2 zeigen in perspektivischer Ansicht ein Adsorptionsmodul 1 in Form einer Sandwichplatte 2. Die Sandwichplatte 2 setzt sich aus einer dünnen inneren Lage 3 aus einem elektrisch leitfähigem Material mit Gaseintrittsöffnungen 4, einer dünnen äußeren Lage 5 aus einem elektrisch leitfähigem Material mit Gasaustrittsöffnungen 6 (siehe 2) und einer Aktivkohlefasermatte 7 zusammen, die zwischen der inneren Lage 3 und der äußeren Lage 5 angeordnet ist und von diesen in einem komprimierten elektrisch leitfähigen Zustand gehalten ist. Die innere Lage 3 und die äußere Lage 5 bestehen aus jeweils einem Lochblech 8 und 9 (siehe 2). Die Längs- und Stirnseiten der Sandwichplatte 2 sind durch Abdeckbleche DB gasdicht verschlossen. Das innere Lochblech 8 weist einen freien Durchströmungsquerschnitt Q1 für das unbehandelte Gas in die Aktivkohlefasermatte 7 auf, der sich aus der Summe aller im Lochblech 8 befindlichen Gaseintrittsöffnungen 4 ergibt. Ebenso besitzt das äußere Lochblech 9 einen freien Durchströmungsquerschnitt Q2, der sich aus der Summe aller im Lochblech 9 angeordneten Gasaustrittsöffnungen 6 ergibt. Der freie Durchströmungsquerschnitt Q1 und Q2 wird erreicht, indem in die Flächen der Lochbleche 8 und 9 Schlitze oder Löcher 10 eingebracht sind, wobei der freie Durchströmungsquerschnitt Q1 der inneren Fläche bei 5 bis 80% der Fläche des Lochblechs 8 und der freie Durchströmungsquerschnitt Q2 der äußeren Fläche des Lochblechs 9 bei 50 bis 95% liegt, d. h. der freie Durchströmungsquerschnitt nimmt von innen nach außen zu. Das innere und äußere Lochblech 8 bzw. 9 hat eine Materialdicke, die von der Belastung und der mechanischen Stabilität der Module abhängig ist und besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, das aus der Gruppe der unlegierten Stähle, Edelstähle, Nickelbasislegierungen (Hastelloy), Titan oder Titanlegierungen in Abhängigkeit der an den Aktivkohlefasern zu adsorbierenden Schadstoffen ausgewählt ist. Die Aktivkohlefasermatte 7 besteht aus mehreren, beispielsweise 3 bis 300, bevorzugt 150 Lagen eines aktivierten Aktivkohlefasergewebes, -vlieses, -gestrickes oder -filzes, das beispielsweise in einer Dicke von 100 mm, einen Faserdurchmesser von 6 bis 50 μm, mit einer spezifische Adsorptionsoberfläche von > 600 bis 3000 m²/g und einer Konfektionsbreite KB von 20 bis 150 cm vorliegen kann. Das innere und äußere Lochblech 8 bzw. 9, zwischen denen die Aktivkohlefasermatte 7 liegt, wird voneinander in einem Abstand AB durch elektrisch nicht leitende Abstandshalter 11 gehalten, die entlang der Längsseiten LS der Lochbleche 8 und 9 angeordnet und jeweils an den Lochblechen befestigt sind. Der Abstand AB ist so bemessen, dass er etwa um das 0,01- bis 0,4-fache gegenüber der Dicke d der Aktivkohlefasermatte 7 geringer ist, so dass die Aktivkohlefaserlagen der Aktivkohlefasermatte 7 beim Konfektionieren (Zusammenbau) der Sandwichplatte 2 soweit zusammengedrückt werden, dass sich die Aktivkohlefasern untereinander in Längs- und Querrichtung der Sandwichplatte 2 berühren und den elektrischen Strom auch in Querrichtung des Faserverlaufs leiten können. Das innere Lochblech 8 besitzt an seiner oberen Querseite QS einen Anschluss 12 und das äußere Lochblech 9 an seiner der Querseite QS des inneren Lochbleches 8 gelegenen unteren Querseite QS1 einen Anschluss 13, wobei die Anschlüsse 12 und 13 bzw. die Anschlüsse 14 und 15 die Anschlüsse für die Stromquelle 16 sind, so dass das innere Lochblech 8, die Aktivkohlefasermatte 7 und das äußere Lochblech 9 in Querrichtung einen Stromkreis 17 bilden, der durch einen Schalter 18 ein- oder ausgeschaltet werden kann. Der Stromkreis 17 ist für Gleich- und Wechselspannungen von 10 V bis 400 V ausgelegt. Die Strömungsrichtung S_U des zu behandelnden Gases G_U, die Strömungsrichtung S_B des Desorptionsgases G_B sind in den 1 und 2 mit Pfeilen markiert und stimmen in ihrer Richtung überein.
Es wird jetzt auf die 3 Bezug genommen, die mehrere Adsorptionsmodule 1 _(a...n) zeigt, die in einem Adsorptionsapparat 19 horizontal in Reihe hintereinander angeordnet sind und vom Gasstrom parallel durchströmt werden. Die Adsorptionsmodule 1 _(a...n) bestehen aus je zwei, gegenüber einem Boden 20 nach außen geneigten Sandwichplatten 2, die miteinander je einen trapezförmigen geschlossenen Behandlungsabschnitt 21 mit der axialen Länge L begrenzen. Die äußeren Lochbleche 9 der beiden Sandwichplatten 2 sind untereinander fußseitig durch den Boden 20 gasdicht verschlossen. Die äußeren Lochbleche 9 der in der Reihe aneinandergrenzenden Adsorptionsmodule, beispielsweise die Adsorptionsmodule 1a und 1b, sind kopfseitig durch ein Verbindungsblech 22 miteinander verbunden, das sich elektrisch isoliert auf eine im Adsorptionsapparat 19 befestigte Halterung 23 abstützt. Der Boden 20 und das Verbindungsblech 22 bestehen aus dünnem Material, das dem Material des eingesetzten Lochbleches 9 entspricht. Zweckmäßigerweise sind die beiden äußeren Lochbleche 9 eines jeden Adsorptionsmoduls 1 _(a...n) bodenseitig mit dem Boden 20 und das kopfseitige Verbindungblech 22 mit den äußeren Lochblechen 9 zweier in der Reihe aneinander grenzender Adsorptionsmodule, verschweißt. Natürlich ist auch möglich, ohne die Erfindung zu verlassen, dass die äußere Lage 5, also das Lochblech 9, in Form eines Trapezprofiles bereitgestellt wird, dessen Seitenwände mit den Löchern 10 versehen sind. Der Adsorptionsapparat 19 ist als räumliches Parallelogramm 24 ausgebildet, bei dem der Gaseintrittsstutzen 25 für das mit Schadstoffen beladene Gas G_U an einer Stirnseite 26 des Adsorptionsapparats 19 horizontal oberhalb der in Reihe angeordneten Adsorptionsmodule 1a bis 1d liegt. Der Gasaustrittsstutzen 27 befindet sich unterhalb der Adsorptionsmodule 1 _(a...n) oberhalb des tiefsten Punktes P an der anderen Stirnseite 28 des Adsorptionsapparats 19. Am tiefsten Punkt P ist am Behältermantel 29 des Adsorptionsapparats 19 ein Austrittsstutzen 30 für das anfallende flüssige oder gasförmige Desorbat angeordnet. Der in den Adsorptionsapparat 19 eintretende Gasstrom wird an der oberen inneren Behälterwand 31 des räumlichen Parallelogramms 24 so umgelenkt, dass das unbehandelte Gas G_U in die Behandlungsabschnitte 21 durch die Eintrittsbereiche 32 der Adsorptionsmodule 1 _(a...n) annähernd vertikal gelenkt wird. Das Gas G_U gelangt dann über die Löcher 10 bzw. Schlitze des inneren Lochbleches 8 gleichmäßig verteilt in die Aktivkohlefasermatte 7 zur Adsorption der Schadstoffe, durchströmt die Aktivkohlefasermatte 7 quer von innen nach außen und verlässt die Adsorptionsmodule 1 _(a...n) über die Löcher 10 im jeweils äußeren Lochblech 9 (siehe 1 und 2). In jeden Behandlungsabschnitt 21 der in Reihe liegenden Adsorptionsmodule 1 _(a...n) ist ein an eine gemeinsame Zuführleitung 33 angeschlossenes Verteilrohr 34 für ein Spülgas, vorzugsweise Stickstoff, geführt, das entlang der Längsachse LA der Adsorptionsmodule 1 _(a...n) bis nahe an den Boden 20 verläuft. Das Verteilrohr 34 ist an seinem Ende geschlossen und besitzt gleichmäßig über seine äußere Mantelfläche verteilte Austrittsöffnungen 35 für das Spülgas. Dies stellt sicher, dass das Spülgas gleichmäßig auf die Aktivkohlefasermatte 7 verteilt und das Ausspülen der desorbierten Schadstoffe über die Aktivkohlematte 7 vergleichmäßigt wird. Der Stromanschluss entspricht demjenigen in 1 und 2 beschriebenen Anschluss.
Die 4a und 4b zeigen Einzelheiten der elektrischen Isolation der inneren und äußeren Lochbleche 8 und 9 voneinander und von den Aktivkohlefasermodulen sowie deren Befestigung im Adsorptionsapparat 19. Das der Stirnseite 26 des Adsorptionsapparats 19 zugewandte äußere Lochblech 9 hat kopfseitig einen nach außen gebogenen Schenkel 36, der zwischen einer oberen elektrisch nicht leitenden Verbindungsplatte 37 und einer unteren Isolationsplatte 38, beispielsweise Teflon- oder Polyethylen-Platte, durch eine Verschraubung 39 gehalten ist, wobei sich die untere Isolationslage 38 auf der im Adsorptionsapparat 19 befestigten Halterung 23 abstützt. Auf dem Boden 20 eines jeden Adsorptionsmodules 1 _(a...n) ist eine untere Isolationsplatte 40 angeordnet, auf der das innere Lochblech 8 mit der Aktivkohlefasermatte 7 stirnseitig aufliegt, so dass das innere Lochblech 8 und äußere Lochblech 9 voneinander elektrisch isoliert sind. Die Isolationsplatte 40 besteht vorzugsweise aus Teflon oder Polyethylen. Das kopfseitige Verbindungsblech 22 der aneinandergrenzenden äußeren Lochbleche 9 ist gegenüber dem inneren Lochblech 8 durch eine obere Isolationsplatte 41 und gegenüber der Halterung 23 durch eine untere Isolationsplatte 42 elektrisch isoliert (siehe 3). Ein an den Anschluss 12 des inneren Lochbleches 8 und an den Anschluss 13 des äußeren Lochbleches 9 angelegter elektrischer Strom des Stromkreises 17 der Spannungsquelle 16 kann somit die Aktivkohlefasermatte 7 nur in Querrichtung, d. h. von innen nach außen oder umgekehrt durchfließen. Die von der Spannungsquelle 16 gelieferte Potentialdifferenz zwischen den Polen 15 und 14 wird in Abhängigkeit der Dicke d der Aktivkohlefasermatte 7, der erforderlichen Desorptionstemperatur der Schadstoffe und der Konzentration der Schadstoffe im unbehandelten Gas gewählt. Sie kann zwischen 10 V und 400 V liegen. Die Anschlüsse 12 und 13 sind mit der Spannungsquelle 16 über einen Schalter 43 durch elektrisch nicht isolierte Verbindungsleitungen 44 verbunden, die durch den Boden 20 des jeweiligen Adsorptionsmodules 1 _(a...n) und dem Behältermantel 29 des Adsorptionsapparats 19 gasdicht geführt sind.
Im vorliegenden Beispiel wird das unbehandelte Gas G_U, beispielweise Hexan enthaltene Abluft, dem Adsorptionsapparat 19 über den Gaseintrittsstutzen 25 in horizontaler Strömungsrichtung oberhalb der in Reihe angeordneten Adsorptionsmodule 1 _(a...n) zugeführt und in die jeweiligen Behandlungsabschnitte 21 der Adsorptionsmodule 1 _(a...n) gelenkt. Das unbehandelte Gas G_U strömt durch die Löcher 10 des inneren Lochbleches 8 in die die Schadstoffe adsorbierende Aktivkohlefasermatte 7 und verlässt diese durch die Löcher 10 des äußeren Lochbleches 9 als gereinigter Gasstrom G_B. Die Adsorption erfolgt im vorliegenden Beispiel somit von innen nach außen quer durch die Aktivkohlefasermatte 7. Die Gesamtfläche der Aktivkohlefasermatte 7 wird in Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration in der Abluft gewählt und beträgt beispielsweise bei einer Luftmenge von 1000 m³/h, einem Betriebsdruck von 35 mbar, einer Temperatur von +254°C und einer Schadstoffkonzentration von 100 mg/m³ etwa 9 m². Nach Beladung der Aktivkohlefasermatte 7 wird die Zufuhr des unbehandelten Gases G_U durch ein nicht weiter dargestelltes Ventil unterbrochen und von der Adsorption auf Regeneration umgeschaltet. Dazu wird mit Spülgas, im vorliegenden Beispiel Stickstoff mit einem maximalen Sauerstoffgehalt < 5% über das Verteilrohr 34 mittig in jeden Behandlungsabschnitt 21 geleitet und in die Aktivkohlefasermatte 7 gleichmäßig verteilt sowie der Adsorptionsapparat damit inertisiert. Anschließend wird die Aktivkohlefasermatte 7 auf die Desorptionstemperatur erwärmt. Die Erwärmung erfolgt elektrisch, d. h. der aus innerem Lochblech 8, Aktivkohlefasermatte 7 und äußerem Lochblech 9 bestehende Stromkreis 17 wird eingeschaltet, so dass der Strom vom inneren Lochblech 8 quer durch die Aktivkohlefasermatte 7 in das äußere Lochblech 9 fließt. Die Höhe der elektrischen Leistung wird in Abhängigkeit der erforderlichen Desorptionstemperatur der Schadstoffe und der Konzentration der Schadstoffe im Gas gewählt. Sie liegt bei den hier vorliegenden Bedingungen des Beispiels bei ca. 5 kW.
Beispiel 2
Die 5 bis 11 zeigen eine besonders bevorzugte Ausführung des Adsorptionsmoduls 45 in Form des erfindungsgemäßen Aktivkohlefasermoduls 45 _(a...n) in perspektivischer und schematischer Ansicht. Das Aktivkohlefasermodul 45 _(a...n) setzt sich aus einem inneren zylindrischen Hohlkörper 46, einem äußeren zylindrischen Hohlkörper 47 und einer zwischen dem inneren Hohlkörper 46 und äußeren Hohlkörper 47 angeordneten Aktivkohlefaserwicklung 48 zusammen. Die radiale Gasströmung durch die Aktivkohlefaserwicklung von innen nach außen ist in 6 dargestellt. Der innere Hohlkörper 46 und äußere Hohlkörper 47 bestehen aus elektrisch leitfähigem Material, das je nach Art und Konzentration des Schadstoffes im unbehandelten Gas aus der Gruppe von unlegiertem Stahl, Edelstahl, Nickelbasislegierungen (Hastelloy) oder Titan bzw. Titanlegierungen ausgewählt wird. Die Abmessungen des inneren Hohlkörpers 46 können beispielsweise bei einer Wanddicke zwischen 1 bis 2,5 mm, der Durchmesser bei 80 bis 600 mm und seine Länge bei 1400 bis 3000 mm liegen. Fußseitig ist der innere Hohlkörper 46 druck- und gasdicht mit einen Bodenblech 49 verschlossen, das mit dem Mantel 50 des Hohlkörpers 46 an seiner bodenseitigen Stirnseite 51 verschweißt ist und somit einen Behandlungsabschnitt 52 im Hohlkörper 46 bildet. Das Bodenblech 49 besteht aus einem Material, das dem Material des inneren Hohlkörpers 46 entspricht. Kopfseitig hat der äußere Hohlkörper 47 einen nach außen gerichteten Ringflansch 53, der mit dem Mantel 54 des äußeren Hohlkörpers 47 an seiner Stirnseite 55 durch eine Schweißverbindung befestigt ist. Der Ringflansch 53 besteht aus einem Material, das dem Material des äußeren Hohlkörpers 47 entspricht. Über den Ringflansch 53 erfolgt die Befestigung des Aktivkohlefasermodules 45 _(a...n) an einem im Adsorptionsapparat 19 festgelegten Aufnahmeboden 56 durch eine elektrisch nicht leitende Verschraubung. In den Mantel 50 des inneren Hohlkörpers 46 sind Gaseintrittsöffnungen 4 in Form von Löchern oder Schlitzen 10 eingebracht, die gleichmäßig über die Mantelfläche verteilt sind. Der freie Durchströmungsquerschnitt Q1 dieser Löcher 10 des inneren Hohlkörpers 46 quer zu seiner Längsachse LA liegt zwischen 5 und 80% der Mantelfläche. Um den Mantel 50 des inneren Hohlkörpers 46 ist eine Aktivkohlefaserwicklung 48 angeordnet, die in Abhängigkeit der Art und Konzentration des Schadstoffes im Gas aus mehreren Wickellagen, beispielsweise 3 bis 300 Lagen, bevorzugt 150 Lagen, eines aktivierten Aktivkohlefasergewebes, -vlieses, -gestrickes oder -filzes mit einem Faserdurchmesser von etwa 6 bis 50 μm und einer Konfektionsbreite KB von 20 bis 150 cm bestehen kann. Der äußere Hohlkörper 47 besteht ebenso wie der innere Hohlkörper 46 aus einem elektrisch leitenden Material, das dem des Hohlkörpers 47 entspricht. In den Mantel 54 des äußeren Hohlkörpers 47 sind Gasaustrittsöffnungen 6 in Form von Löchern, Schlitzen oder Gittern 10 eingebracht, die über die Mantelfläche des äußeren Hohlkörpers 47 gleichmäßig verteilt sind. Der freie Durchströmungsquerschnitt Q2 dieser Löcher 10 des äußeren Hohlkörpers 47 quer zu seiner Längsachse LA beträgt zwischen 50 bis 95% der Mantelfläche (siehe auch 1 und 2). Das bedeutet, dass der freie Durchströmungsquerschnitt Q1 radial von innen nach außen auf den Durchströmungsquerschnitt Q2 zunimmt.
Das Aktivkohlefasermodul 45 _(a...n) kann zweckmäßig in folgenden Arbeitsschritten hergestellt werden:

a) Rundbiegen und Fügen des dünnen metallischen schlitz-, sieb-, lochblech- oder gitterartigen Materials zu einem inneren und einem äußeren zylinderförmigen Hohlkörper 46 und 47 mit aufeinander abgestimmten unterschiedlichen Durchmessern als äußere und innere Lage des Aktivkohlefasermoduls,
b) Umwickeln des inneren Hohlkörpers 46 mit mindestens einer Wickellage 48 aus einer Aktivkohlefasermatte und deren Befestigung, wobei die Konfektionsbreite KB der Aktivkohlefasermatte die axiale Länge L des Aktivkohlefasermoduls bestimmt,
c) radiales Komprimieren der Aktivkohlefaserwicklung 48 durch ein axiales Aufschieben des äußeren Hohlkörpers 47 auf die Aktivkohlefaserwicklung 48, wobei der äußere Hohlkörper 47 einen Innendurchmesser ID aufweist, der gegenüber dem Außendurchmesser AD der Aktivkohlefaserwicklung 48 um etwa das 0,01- bis 0,4-fache geringer ist, so dass die Aktivkohlefaserwicklung 48 radial zusammengedrückt und in einem dichten elektrisch leitfähigen Zustand auch in Querrichtung der Fasern gehalten ist. Der innere Hohlkörper 46 besitzt an seiner kopfseitigen Stirnseite 55 einen Anschluss 12 und der äußere Hohlkörper 47 an seiner bodenseitigen Stirnseite 51 einen Anschluss 13, wobei der Anschluss 12 mit dem Anschluss 15 und der Anschluss 13 mit dem Anschluss 14 sowie die Anschlüsse 14 und 15 mit der Spannungsquelle 16 verbunden sind, so dass der innere Hohlkörper 46, die Aktivkohlefaserwicklung 48 und der äußere Hohlkörper 47 einen Stromkreis 17 bilden, der durch einen Schalter 18 ein- oder ausgeschaltet werden kann. Der Stromkreis 17 ist für Gleichspannungen von 10 V bis 400 V ausgelegt. Es gehört aber auch zu der Erfindung, wenn anstelle eines Gleichstroms niederfrequenter Wechselstrom oder eine andere adäquate Stromkonfiguration verwendet wird. Außerdem kann der äußere Hohlkörper 47 des Aktivkohlefasermoduls 45 _(a...n) von einem nicht weiter dargestellten an die Wechselstromquelle angeschlossenen Induktor umschlossen sein, der die Aktivkohlefaserwicklung 48 auf Desorptionstemperatur erwärmt.

In den Behandlungsabschnitt 52 eines jeden Aktivkohlefasermoduls taucht ein Verteilrohr 57 für ein inertes Spülgas, beispielsweise Stickstoff, ein, das entlang der Längsachse LA des Aktivkohlefasermoduls bis nahe dem Bodenblech 49 geführt ist. Das Verteilrohr 57 ist an seinem dem Bodenblech 49 zugewandten Ende geschlossen und hat über seine äußere Mantelfläche gleichmäßig verteilte Austrittsöffnungen 58 für das Spülgas. Dies stellt sicher, dass das Spülgas gleichmäßig über die Löcher/Schlitze 10 des inneren Hohlkörpers 46 in die Aktivkohlefaserwicklung 48 hinein verteilt wird und die desorbierten Schadstoffe bei der Regeneration aus der Aktivkohlefaserwicklung 48 ausgespült werden.
Die 8a und 8b stellen Einzelheiten der elektrische Isolation des inneren und äußeren Hohlkörpers 46 und 47 voneinander, sowie ihre Befestigung am Aufnahmeboden 56 im Adsorptionsapparat 70 dar. In der 8a ist die Befestigung des äußeren Hohlkörpers 47 am Aufnahmeboden 56 gezeigt, in dem mindestens eine Einbauöffnung 59 vorgesehen ist, in der das Aktivkohlefasermodul 45 _(a...n) so festgelegt ist, dass die Längsachse LA des Aktivkohlefasermoduls 45 _(a...n) rechtwinklig zur Strömungsrichtung S_B des behandelten Gases G_B verläuft und der Ringflansch 53 des äußeren Hohlkörpers 47 an der der Strömungsrichtung S_U zugewandten Seite 60 des Aufnahmeboden 56 angeordnet ist. Der elektrisch leitende Ringflansch 53 liegt zwischen einer unteren elektrisch nicht leitenden Ringplatte 61 aus Telefon oder Polyethylen und einer oberen elektrisch nicht leitenden Ringplatte 62 aus Teflon oder Polyethylen. Die obere Ringplatte 62, der Ringflansch 53 und die untere Ringplatte 61 sind durch eine Verschraubung 63 nahe der Einbauöffnung 59 am Aufnahmeboden 56 befestigt. Die untere Ringplatte 61 ist so ausgebildet, dass sie den elektrisch leitenden Ringflansch 53 des inneren Hohlkörpers 46 vollständig unterfüttert, die Aktivkohlefaserwicklung 48 und die obere Stirnseite 55 des elektrisch leitenden Mantels 54 des äußeren Hohlkörpers 47 überdeckt und somit voneinander elektrisch isoliert. Die 8b zeigt die elektrische Isolierung des elektrisch leitenden Mantels 50 des inneren Hohlkörpers 46 und des elektrisch leitenden Mantels 54 des äußeren Hohlkörpers 47. Die elektrische Isolierung besteht aus einer Bodenringplatte 64 aus Teflon oder Polyethylen, deren Ringfläche die bodenseitige Stirnseite 51 des inneren Mantels 50, des äußeren Mantels 54 sowie die Aktivkohlefaserwicklung 48 überdeckt und durch eine Verschraubung 65 am Bodenblech 49 befestigt ist.
Es wird nochmals auf die 6 und 7 Bezug genommen. Der Anschluss 12 des inneren Hohlkörpers 46 und der Anschluss 13 des äußeren Hohlkörpers 47 sind mit der Spannungsquelle 16 durch Verbindungsleitungen 66 und 67 verbunden, von denen die Verbindungsleitung 66 an den Pol 14 und die Verbindungsleitung 67 an den Pol 15 der Spannungsquelle 16 angeschlossen ist. Die Verbindungsleitung 66 ist durch das Bodenblech 49 gasdicht und elektrisch nicht leitend geführt und im Behandlungsabschnitt 52 des inneren Hohlkörpers 46 freitragend angeordnet. Mit dem Schalter 18 kann die Spannungsquelle 16 ein- oder ausgeschaltet werden.
Die 9 zeigt beispielsweise zwei im Aufnahmeboden 56 in Dreieck- oder Viereckteilung angeordnete Aktivkohlefasermodule 45a und 45b, die stellvertretend auch für eine größere Anzahl von in einem im Aufnahmeboden 56 angeordneten Aktivkohlefasermodulen stehen. Die Aktivkohlefasermodule 45a und 45b sind axial zur Strömungsrichtung S_U des eintretenden unbehandelten Gases G_U ausgerichtet. Das Gas gelangt in Strömungsrichtung in die von den inneren Hohlkörpern 46 definierten Behandlungsabschnitte 52 und wird durch die Löcher/Schlitze 10 des inneren Hohlkörpers 46 gleichmäßig über die axiale Länge L des jeweiligen Aktivkohlefasermoduls in die Aktivkohlefaserwicklung 48 geleitet. Die Schadstoffe des Gases werden beim Durchströmen der Aktivkohlefaserwicklung 48 radial an den Aktivkohlefasern adsorbiert. Das behandelte Gas verlässt die Aktivkohlefaserwicklung 48 durch die Löcher/Schlitz 10 des äußeren Hohlkörpers 47. Die Strömungsrichtung S_U des unbehandelten Gases G_U und die die Strömungsrichtung S_B des Desorptionsgases G_B sind in der 9 mit Pfeilen markiert. Beim Durchströmen des schadstoffbeladenen Gases durch den Behandlungsabschnitt 52 können elektrostatische Aufladungen entstehen, die einen Potentialausgleich erforderlich machen. Der Potentialausgleich wird erreicht, in dem die Verbindungsleitungen 66 und 67 über den Schalter 68 mit der Erdung des Adsorptionsapparat 70 verbunden sind, wobei die Aktivkohlefasermodule 45a und 45b während der Desorption von der Erdung getrennt sind, da sie nur von inertem Spülgas, beispielsweise Stickstoff, durchströmt werden. Nach Beendigung der Desorption und dem Ausspülen der Schadstoffe wird noch unter Spülgasatmosphäre, also noch vor Beginn der Adsorption die Erdung zum Ableiten einer elektrostatischen Aufladung zugeschaltet.
Die 10a bis 10c zeigen Varianten der Anordnung der Aktivkohlefaserwicklung 48 bei Aktivkohlefasermodulen 45 _(a...n) mit unterschiedlichen axialen Längen L. Die axiale Länge L des Aktivkohlefasermoduls 45a ist zweckmäßig auf die Konfektionsbreite KB der verfügbaren Aktivkohlefasergewebe, -vliese, -gestricke oder -filze abgestimmt (siehe 10a). Sind beispielsweise axiale Längen L der Aktivkohlefasermodule 45 _(a...n) erforderlich, die deutlich über der Konfektionsbreite KB liegen, können mehrere gewickelte, aneinander geschobene Konfektionsbreiten als eine Gesamtwicklung aneinander gefügt werden, welche zusammen eine axiale Länge L aufweisen, die dem Produkt aus Konfektionsbreite KB und der Anzahl der aneinandergefügten Wicklungen entspricht. Durch ein an den Stoßkanten angeordnetes Streifenband 69 wird ein unkontrollierter und ungleichmäßiger Gasdurchsatz verhindert. Sofern die axiale Länge des Aktivkohlefasermoduls kleiner oder größer ist als die Konfektionsbreite KB werden, wie bei Filterkerzen, mindestens zwei, vorzugsweise mehr als drei über Kreuz gelegte Lagen aus Aktivkohlefasern um den inneren Hohlkörper 46 gewickelt (siehe 10c).
Die 11 zeigt einen Adsorptionsapparat 70 für große Gasdurchsätze mit relativ kurzen Aktivkohlefasermodulen 45 _(a...n), in dem beispielsweise zwei Aufnahmeböden 56 befestigt sind. Jeder Aufnahmeboden 56 trägt zehn in Dreieck- oder Viereckverteilung angeordnete Aktivkohlefasermodule, von denen beispielsweise die Module 45 _(a...j) gezeigt sind, deren Aktivkohlefaserwicklung 48 rechtwinklig zur Strömungsrichtung des unbehandelten Gases G_U liegen, das durch je einen zentrisch im Behälterboden 71 du 72 auf der Längsachse LB des Adsorptionsapparats 70 angeordnete Gaseintrittsstutzen 73 bzw. 74 in Richtung der Aktivkohlefasermodule 45 _(a...j) strömt. Die Gasaustrittsstutzen 75/76 sind in der Mitte des Mantels 77 des Adsorptionsapparats 70 gegenüber angeordnet. Bei dieser Anordnung kann es von Vorteil sein, das Spülgas, hier Stickstoff, in einer größeren Menge im Kreislauf zu fahren und nur geringe Mengen an frischem Spülgas zu- bzw. abzuführen (11). Der Austrittsstutzen 78 für das gasförmige oder flüssige Desorbat befindet sich unterhalb der Aktivkohlefasermodule 45 _(a...n). Das Spülgas, vorzugsweise Stickstoff, wird jedem in den Behandlungsabschnitt 52 eintauchenden Verteilrohr 57 über eine gemeinsame, den Mantel 77 des Adsorptionsapparats 70 gas- und druckdicht durchdringende Zuführleitung 79 zugeführt. Der elektrische Stromkreis 17 zwischen dem inneren Hohlkörper 46, der Aktivkohlefaserwicklung 48 und dem äußeren Hohlkörper 47 entspricht der Beschreibung gemäß 5.
Bezugszeichenliste

1_(a...n): Adsorptionsmodul
2: Sandwichplatte
3: gaseintrittsseitige (innere) Lage von 2
4: Gaseintrittsöffnung in 3
5: gasaustrittsseitige (äußere) Lage von 2
6: Gasaustrittsöffnungen in 5
7: Aktivkohlefasermatte
8: Inneres Lochblech
9: Äußeres Lochblech
10: Löcher/Schlitze in 8, 9
11: Abstandshalter
12: Anschluss von 8 bzw. 46
13: Anschluss von 9 bzw. 47
14: Anschluss, Pol
15: Anschluss, Pol
16: Spannungsquelle
17: Stromkreis
18: Schalter
19: Adsorptionsapparat
20: Boden
21: Trapezförmiger Behandlungsabschnitt
22: Verbindungsblech
23: Halterung
24: Räumliches Parallelogramm
25: Gaseintrittsstutzen von 24
26, 28: Stirnseite von 19/24
27: Gasaustrittsstutzen von 24
29: Behältermantel von 19
30: Austrittsstutzen für Desorbat
31: Innere obere Behälterwand
32: Eintrittsbereich für unbehandeltes Gas
33: Zuführleitung für Spülgas
34: Verteilrohr für Spülgas
35: Austrittsöffnungen an 34
36: Nach außen gebogener Schenkel von 9
37: Obere Verbindungsplatte
38: Untere Isolationsplatte
39: Verschraubung
40, 42: Untere Isolationsplatte
41: Obere Isolationsplatte
43: Schalter
44: Verbindungsleitungen
45: Adsorptionsmodul
45_(a...n): Aktivkohlefasermodul
46: Innerer Hohlkörper
47: Äußerer Hohlkörper
48: Aktivkohlefaserwicklung
49: Bodenblech
50: Mantel von 46
51: Bodenseitige Stirnseite von 46
52: Behandlungsabschnitt in 46
53: Ringflansch
54: Mantel von 47
55: Obere Stirnseite von 47
56: Aufnahmeboden in 70
57: Verteilrohr in 45
58: Austrittsöffnung in 57
59: Einbauöffnung in 56
60: Strömungszugewandte Seite von 56
61: Untere Ringplatte
62: Obere Ringplatte
63: Verschraubung
64: Bodenringplatte
65: Verschraubung
66, 67: Verbindungsleitungen
68: Schalter Potentialausgleich
69: Streifenband
70: Adsorptionsapparat
71, 72: Behälterboden von 70
73, 74: Gaseintrittsstutzen an 70
75, 76: Gasaustrittsstutzen an 70
77: Behältermantel von 70
78: Austrittsstutzen für Desorbat
79: Zuführleitung für Spülgas
AB: Abstand von 8 und 9
AD: Außendurchmesser der Aktivkohlefaserwicklung 48
AR: Aktivkohlefaserrichtung
d: Dicke der Aktivkohlefasermatte 7 bzw. -wicklung
DB: Deckblech
G_B: Behandeltes Gas, Desorptionsgas
G_U: Unbehandeltes Gas
ID: Innendurchmesser von 47
KB: Konfektionsbreite
L: Axiale Länge von 1 _(a...n)
LA: Längsachse von 1 _(a...n), 46
LB: Längsachse von 70
LS: Längsseite von 8, 9
P: Tiefster Punkt von 24
Q1: Freier Durchströmungsquerschnitt an 8, 46
Q2: Freier Durchströmungsquerschnitt an 9, 47
QS: Obere Querseite von 8
QS1: Untere Querseite von 9
S_B: Strömungsrichtung des behandelten Gases
S_U: Strömungsrichtung des unbehandelten Gases

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10032385 A1 [0003]
EP 1284805 B1 [0004]
EP 0532814 B1 [0005]
DE 4104513 C2 [0006]
US 4737164 A [0007]

Claims

Vorrichtung zum Behandeln eines mit Schadstoffen belasteten Gases mit mindestens einem in einem Adsorptionsapparat (19, 70) eingesetzten, mindestens eine elektrisch leitfähige Lage einer Aktivkohlefasermatte (7) enthaltenden Adsorptionsmodul (1, 1 _(a...n), 45) zum Adsorbieren der Schadstoffe, mit einem elektrischen Stromkreis (17) zum Aufheizen der Aktivkohlefasermatte (7) für das Desorbieren der adsorbierten Schadstoffe und mit einem mittig in das Adsorptionsmodul (1, 1 _(a...n), 45) geführten, Austrittsöffnungen (35, 58) aufweisenden Verteilrohr (34, 57) für ein Spülgas zum Inertisieren und Spülen der Aktivkohlefasermatte (7), dadurch gekenzeichnet, dass das Adsorptionsmodul (1, 1 _{(a bis n)}, 45) mindestens eine gasdurchlässige Sandwichplatte (2) oder mindestens ein Aktivkohlefasermodul (45 _(a...n)) umfasst, die gaszuströmseitig aus einer mit Gaseintrittsöffnungen (4) versehenen inneren Lage (3) aus einem elektrisch leitfähigen Material und gasabströmseitig einer mit Gasaustrittsöffnungen (6) versehenen äußeren Lage (5) aus einem elektrisch leitfähigen Material sowie einer von der inneren und äußeren Lage (3, 5) im komprimierten Zustand gehaltenen Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) gebildet sind, wobei die äußere Lage (5) gegenüber der inneren Lage (3) einen größeren freien Durchströmungsquerschnitt (Q2) für das Gas aufweist, und dass die innere und äußere Lage (3, 5) voneinander elektrisch isoliert und an eine Spannungsquelle (16) angeschlossen sind, wobei die innere und äußere Lage (3, 5) mit der Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) den Stromkreis (17) bilden, in dem die Aktivkohlefasern quer zur Aktivkohlefaserrichtung (AR) vom Strom durchflossen und als Widerstand geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivkohlefasermodul (45 _(a...n)) enthält: a) als innere Lage (3) einen inneren aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehenden zylindrischen Hohlkörper (46), der für den freien Gasdurchtritt quer zu seiner Längsachse (LA) mit gleichmäßig über seinen Mantel (50) verteilte Öffnungen (4) versehen ist, die einem Durchströmungsquerschnitt (Q1) von 5 bis 80% der Fläche des Mantels (50) entsprechen, b) als Aktivkohlefasermatte (7) mindestens eine um den inneren Hohlkörper (46) angeordnete Aktivkohlefaserwicklung (48), c) als äußere Lage (5) einen die Aktivkohlefaserwicklung (48) umschließenden äußeren, aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehenden zylindrischen Hohlkörper (47), der für den freien Gasdurchtritt quer zur Längsachse (LA) mit gleichmäßig über seinem Mantel (54) verteilte Öffnungen (6) versehen ist, die einem Durchströmungsquerschnitt (Q2) von 50 bis 95% der Fläche des Mantels (54) entsprechen, wobei die Aktivkohlefaserwicklung (48) zwischen innerem und äußerem Hohlkörper (46, 47) in einem radial zusammengedrückten dichten elektrisch leitfähigen Zustand gehalten sind, und d) eine elektrische Isolierung des inneren und äußeren Hohlkörpers (46, 47), wobei der innere Hohlkörper (46) und der äußeren Hohlkörper (47) an die Spannungsquelle (16) angeschlossen sind und mit der Aktivkohlefaserwicklung (48) den Stromkreis (17) bilden, in dem die Aktivkohlefaserwicklung (48) quer zur Aktivkohlefaserrichtung (AR) als Widerstand geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äußere Lage (3, 5) oder der innere und äußere Hohlkörper (46, 47) aus einem metallischen schlitz-, sieb-, lochblech- oder gitterartigen Material besteht, das in Abhängigkeit der an den Aktivkohlefasern adsorbierten Schadstoffe aus der Gruppe der unlegierten Stähle, Edelstähle, Nickelbasislegierungen (Hastelloy) und Titan bzw. Titanlegierungen ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äußere Lage (3, 5) oder der innere und äußere Hohlkörper (46, 47) elektrisch nicht leitend an einem Halter (23) oder Aufnahmeboden (56) im Adsorptionsapparat (19, 70) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Lage (3) oder der innere Hohlkörper (46) einen Anschluss (12) für einen Pol (15) und die äußere Lage (5) oder der äußere Hohlkörper (47) einen Anschluss (13) für den anderen Pol (14) der Spannungsquelle (16) aufweist, wobei die Spannungsquelle (16) eine Gleichspannungsquelle ist, deren Potentialdifferenz zwischen dem Pol (14) und dem Pol (15) in Abhängigkeit der Dicke (d) der Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) und der Desorptionstemperatur der adsorbierten Schadstoffe an den Aktivkohlefasern zwischen 10 V und 400 V gewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äußere Lage (3, 5) oder der innere und äußere Hohlkörper (46, 47) an eine Wechselstromquelle (16) angeschlossen ist, deren Spannung und Frequenz in Abhängigkeit der Dicke (d) der Aktivkohlefasermatte (7) oder der Aktivkohlefaserwicklung (48) an die Desorptionstemperatur der adsorbierten Schadstoffe an den Aktivkohlefasern angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur radialen Kompression der Aktivkohlefaserwicklung (48) der äußere Hohlkörper (47) einen Innendurchmesser (ID) aufweist, der gegenüber dem Außendurchmesser (AD) der Aktivkohlefaserwicklung (48) um das 0,01- bis 0,4-fache geringer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (12, 13) mit der Gleich- oder Wechselstromquelle (16) über freitragende, durch einen Boden (20) des Adsorptionsmoduls 1 _(a...n) bzw. durch ein Bodenblech (49) des inneren Hohlkörpers (46) des Aktivkohlefasermoduls (45 _(a...n)) sowie dem Behältermantel (29, 77) des Adsorptionsapparates (19, 70) gas- und druckdicht und elektrisch isoliert geführte Verbindungsleitungen (44, 66, 67) verbunden sind, die beim Durchströmen des schadstoffbeladenen Gases während der Adsorption der Schadstoffe an den Aktivkohlefasern mit der Erdung des Adsorptionsapparats (19, 70) zum Ableiten einer elektrostatischen Aufladung über Schalter (68) zugeschaltet und die bei der Desorption der adsorbierten Schadstoffe durch die Schalter (68) von der Erdung elektrisch getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Hohlkörper (47) des Aktivkohlefasermoduls (45 _(a...n)) von einem Induktor zum Erzeugen eines hochfrequenten Magnetfeldes zum Erwärmen der Aktivkohlefaserwicklung (48) umschlossen ist, der an die Wechselspannungsquelle (16) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlefasermatte (7) oder Aktivkohlefaserwicklung (48) aus einem Aktivkohlefaser-Gewebe mit einem Faserdurchmesser von 6 bis 50 μm, einer Faserlänge von 3 bis 200 mm und aus 3 bis 300 Lagen gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivkohlefaser-Gewebe eine Konfektionsbreite (KB) hat, die der axialen Länge (L) des inneren bzw. äußeren Hohlkörpers (46, 47) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gewickelte, aneinandergeschobene Konfektionsbreiten (KB) als eine Gesamtwicklung aneinandergefügt sind, welche zusammen eine axiale Länge aufweisen, die dem Produkt aus Konfektionsbreite (KB) und der Anzahl der aneinandergefügten Wicklungen entspricht, und dass mit einem Streifenband (69) an deren Stoßkanten ein unkontrollierbarer und ungleichmäßiger Gasdurchsatz verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hohlkörpern (46, 47) mit einer gegenüber der Konfektionsbreite (KB) kleineren axialen Länge (L), die Aktivkohlefaserwicklung (48) aus mindestens zwei, vorzugsweise drei über Kreuz um den inneren Hohlkörper (46) gewickelter Lagen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Hohlkörpern (46, 47) gehaltene Aktivkohlefaserwicklung (48) austauschbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilrohr (34, 57) für das Spülgas auf der Längsachse (LA) des Adsorptionsmoduls (1 _(a...n)) oder Aktivkohlefasermoduls (45 _(a...n)) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmodul (1 _(a...n)) als geometrische Fläche aus jeweils zwei, gegenüber dem Boden (20) nach außen geneigten Sandwichplatten (2) besteht, die fußseitig am Boden (20) und kopfseitig an einer Halterung (23) des Adsorptionsapparates (19) druck- und gasdicht und elektrisch nicht leitend befestigt sind und einen räumlich trapezartig ausgebildete Behandlungsabschnitt (21) einschließen, in welchen das Verteilrohr (34) für das Spülgas entlang der Längsachse (LA) des Adsorptionsmoduls (1 _(a...n)) bis nahe an den Boden (20) des Adsorptionsmoduls (1 _(a...n)) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Adsorptionsmodule (1 _(a...n)) horizontal in Reihe hintereinander im Adsorptionsapparat (19) angeordnet sind, der im Querschnitt die Form eines Parallelogramms (24) aufweist, wobei der Gaseintrittsstutzen (25) oberhalb der Adsorptionsmodule (1 _(a...n)) an einer Stirnseite (26) des Adsorptionsapparates (19), der Gasaustrittsstutzen (27) unterhalb der Adsorptionsmodule (1 _(a...n)) an der anderen Stirnseite (28) des Adsorptionsapparates (19) und der Austrittsstutzen (30) für das Desorbat im tiefsten Punkt (P) am Behältermantel (29) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktivkohlefasermodule (45 _(a...n)) in Dreieck- oder Viereckteilung an einem senkrecht zur Längsachse (LB) ausgerichteten, im Adsorptionsapparat (70) befestigten Aufnahmeboden (56) gas- und druckdicht und elektrisch nicht leitend gehalten sind, wobei die inneren und äußeren Hohlkörper (46, 47) der Aktivkohlefasermodule (45 _(a...n)) voneinander elektrisch isoliert sind und jeweils einen Behandlungsabschnitt (52) einschließen, in welchem jeweils das Verteilrohr (57) entlang der Längsachse (LA) des Aktivkohlefasermoduls (45 _(a...n)) bis nahe an das Bodenblech (49) des inneren Hohlkörpers (46) des Aktivkohlefasermoduls (45 _(a...n)) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseintrittsstutzen (73, 74) in den Adsorptionsapparat (70) horizontal in Richtung des Eintrittsbereichs (32) der Aktivkohlefasermodule (45 _(a...n)) und der Gasaustrittsstutzen (75, 76) aus dem Adsorptionsapparat (70) gegenüber zum Gaseintrittsstutzen (73, 74) ausgerichtet ist, wobei der Austrittsstutzen (78) für das Desorbat am unteren Behältermantel des Adsorptionsapparates (70) angeordnet ist.