DE2455932A1

DE2455932A1 - Vorrichtung zur entfernung von kohlendioxyd aus gasen wie luft

Info

Publication number: DE2455932A1
Application number: DE19742455932
Authority: DE
Inventors: Dany Catoire; Jacques Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1973-11-26
Filing date: 1974-11-26
Publication date: 1975-07-03
Also published as: BE822044A; GB1493250A; NL7415434A; FR2252120A1; FR2252120B1; JPS5084468A; CA1026531A; US4063899A; JPS5810124B2; IT1026516B

Description

Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxyd aus Gasen

wie Luft

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Extraktion von in einem Gas oder einem Gasgemisch enthaltenem Kohlendioxyd, GOp.

Die zur Zeit zur Kohlendioxydentfernung aus Gasen verwendeten Vorrichtungen arbeiten nach verschiedenen Verfahren. Insbesondere durchsetzt das'zu dekarbonisiefende Gas ( gaz a decarbonater ) eine Filterpatrone, welche mit Natronkalk ( chaux sodee ) gefüllt ist, welcher das Kohlendioxyd absorbiert, wobei in einer ersten Stufe neutrales Natriumcarbonat gebildet wird nach der Reaktion:

CO,

2 Na OH-

Na₂CO

H₂O

und dann in einer zweiten Stufe ein Teil des Kohlendioxyds aus dem Natriumhydroxyd auf das Kalziumhydroxyd entsprechend der nachstehenden Caustifizierungsreaktion wandert:

Ca (OH)

Ca CO-, + 2 Na OH

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In Praxis wird nach dieser letztgenannten Reaktion nur ein gewisser Anteil an Natriumhydroxyd regeneriert. So haben die bekannten dieses Verfahren der Dekarbonisierung ausnützenden Vcrrichiur^n einen Wirkungsgrad, der klar unter dem theoretischen Wirkungsgrad des vexwendeteten Natronkalks liegt. Hieraus resultiert die Notwendigkeit, entweder diese Vorrichtungen größer zu dimensionieren, damit sie einen größeren Anteil an Natronkalk als den der theoretisch zur Dekarbonisierung einer gewissen Grasmenge bestimmt ist, aufnehmen; oder häufig den in diesen Vorrichtungen enthaltenen Natronkalk ersetzen.

Diese Nachteile stellen sich auf jeden Fall in einem höheren Preis des Dekarbonisiervorgangs der Gase dar.

Erfindungsgemäß soll nunmehr vor allem eine verbesserte Gasdekarbonisiervorrichtung vorgeschlagen werden, welche nach dem oben angegebenen Prinzip arbeitet, d. h,, unter Verwendung von Natronkalk, wobei diese Vorrichtung Leistungen zu zeitigen in der Lage ist, die klar über denen der vorbekannten Vorrichtungen liegen.

So können bei sonst gleichen Leistungen die Vorrichtungen nach der Erfindung Abmessungen aufweisen, die sehr, stark unter denen der bekannten Vorrichtungen liegen oder einen weniger häufigen Ersatz des Natronkalks erfordern, was sich durch eine Verminderung der Wartungskosten darstellt.

Darüber hinaus ermöglicht für ein und die gleiche Menge Natronkalk die Vorrichtung nach der Erfindung eine bessere Reinigung der Gase und damit einen Wirkungsgrad, der über dem der bekannten Vorrichtungen liegt. . -:■ ■ ·

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen

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nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Pig. 1 eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxyd nach dem Stand der Technik zeigt;

Pig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Pig. 2A und 2B geben zwei Arten von Kapillarüber-

tragungselementen, perspektivisch gesehen, wieder;

Pig. 3 zeigt schematisch die Wanderung des Wassers in den Natronkalk aus diesen Transfert- oder Überführungseiementen;

Pig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung; und

Pig. 5 zeigt eine Variante zu der in Pig. 2 dargestellten Ausführungsform.

In den Figuren wurden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente benutzt.

Pig. 1 zeigt schematisch und im Vertikalschnitt eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxyd aus Gasen ( Dekarbonisiervorrichtung = französisch* decarbonatation ) nach dem Stand der T_echnik.

Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 mit einer Öffnung für das Einführen der Kohlendioxyd enthaltenden Gase sowie

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_ 4 eine Öffnung 3 zur Gewinnung der gereinigten Gase auf.

Im Innern des Gehäuses 1 zwischen den Öffnungen 2 und befindet sich eine Filterpatrone 4, welche den Natronkalk in Form von Granulaten enthält. Somit durchsetzt das über die Öffnung 2 eintretende Gas notwendigerweise die Filterpatrone 4 bevor es durch die Öffnung 3 abgezogen wird.

Beim Durchgang des Gases durch die Filterpatrone wird das Kohlendioxyd GO₂ entsprechend den vorher angegebenen Reaktionen absorbiert. Man verwendet im allgemeinen handelsüblichen Natronkalk ( chaux sodee ), welcher eine gewisse Menge Wasser, die etwa 16 Gewichtsprozent des Gewichte des Natronkalks ausmacht, enthält.

Der Gasdurchgang durch die Filterpatrone trocknet den Natronkalk um so schneller, je größer die behandelte Gasmenge ist.

Überraschend wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß die Verminderung des Wassergehaltes des behandelten Natronkalks sich als eine sehr starke Verminderung des Kohlendioxyd-Absorpitonsvermögens darstellt.

Hieraus folgt, daß die bisher verwendeten Vorrichtungen ein ganz erheblich begrenztes Leistungsvermögen zeitigen und die oben genannten Nachteile aufweisen.

Diese Nachteile werden eliminiert, indem man eine Vorrichtung nach der Erfindung verwendet, welche Einrichtungaiumfaßt, die so ausgebildet sind, daß sie wenigstens partiell jede

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OWQINAL !HSPECTED

Verminderung der im Natronkalk enthaltenen Wassermenge kompensieren.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Mg. 2 im Yertikalschnitt dargestellt (schematisch).

Nach dieser Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung nach der Erfindung einen Wasserspeicher la, der unter dem Gehäuse 1 der Vorrichtung angeordnet ist.

Dieser Speicher la kann unterschiedlich zum Gehäuse 1 sein oder wie in Fig. 2 dargestellt, gebildet sein, indem der untere Teil des Körpers oder des Gehäuses 1 unter das Niveau verlängert wird, auf dem sich die Einlaßöffnung befindet. Die überführung des Wassers aus dem Speicher la in die filterpatrone 4 wird über ein oder mehrere Elemente 5 sichergestellt, die jeweils mit einem Ende in das Wasser des Speichers la tauchen, wobei das andere Ende über die hierzu vorgesehenen Öffnungen in die Filterpatrone bis zu einer Höhe h oberhalb des Bodens der Filterpatrone eindringt.

Der in die Filterpatrone 4 eindringende Teil der Überführungselemente 5 steht in Kontakt mit den in der Filterpatrone enthaltenen Natronkalkgranulaten.

Diese Elemente 5 sind so ausgelegt, daß sie für die Überführung des Wassers durch Kapillarwirkung sorgen. Hierzu werden sie vorzugsweise aus einem Faseragglomerat gebildet, wie beispielsweise Filz etc. Diese Elemente können eine längliche Form mit einer im wesentlichen zylindrischen Außenfläche ( Fig. 2 A ) aufweisen oder eine äußere plane Fläche haben oder auch in röhrenförmiger

B 0 9 8 2 77 0 5 4 2 original iWSPECiED

- 6 Gestalt etc. ausgebildet sein.

Die Wahl der Form, der Abmessungen und der Eigenschaften der Elemente 5 sowie ihre Anordnung werden wie weiter unten dargestellt werden wird, vom Techniker getroffen.

Die Arbeitsweise der Torrichtung ist einfach;

Durch Kapillarwirkung absorbieren die Elemente 5 das im Speicher la enthaltene Wasser. Dann beobachtet man, da der Natronkalk in Kontakt mit den Elementen 5 steht, ein Wandern des Wassers in den benachbart den Elementen angeordneten Natronkalk.

Das das Kohlendioxyd enthaltende Gas wird in die Vorrichtung über die Öffnung 2 eingeführt und zirkuliert vertikal, wie die Pfeile ( Pig. 2) andeuten unter Durchströmen der Filterpatrone 4. In Kontakt mit dem Natronkalk wird das Kohlendioxyd absorbiert. In Höhe der Öffnung 3 sammelt man das gereinigte Gas, dessen Kohlendioxydgehalt geringer als ein vorbestimmtes Verhältnis ist.

Wie bereits angegeben, neigt das Gas dazu, den Natronkalk zu trocknen; der Wassergehalt im Natronkalk wird jedoch oberhalb eines durch die Elemente 5 festgelegten Wertes gehalten.

Während seines Durchgangs durch die untere Zone der direkt durch das Vorhandensein der Elemente 5 befeuchteten filterpatrone 4 reißt das Gas eine gewisse Wassermenge in seiner Bewegung mit, welche den oberen Teil der Filterpatrone 4 befeuchtet.

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Auf diese Weise ist der Wassergehalt des Natronkalks im wesentlichen an allen Stellen der Filterpatrone 4 gleich..

Das Bestimmen der DimensionsCharakteristiken der Vorrichtung erfolgt durch den Techniker als jß^inktion des vorgesehenen Verwendungsfalls.

Im allgemeinen ist die zu "behandelnde Gasmenge Q sowie deren Gehalt t_e an CO₂ bekannt. !Festgelegt wird die Druckdifferenz ΔP zwischen den Eintritts- und Austrittsöffnungen sowie der maximal zulässige Kohlendioxydanteil

t des an der Austrittsöffnung 3 aufgefangenen Gases, s

Man verwendet den Natronkalk in Form von Granulaten "bekannter Abmessung.

üblicherweise verwendet man Natronkalk dessen Granulate . Abmessungen zwischen 3 und 5 mm aufweisen und der leicht im Handel zu einem.geringen Preis zu beschaffen ist und dessen Kohlendioxydabsorptionsvermögen K vom Hersteller angegeben ist.

1 Gramm Natronkalk absorbiert etwa wenigstens 250 mg Kohlendioxyd CO₂.

Bei Kenntnis der Gasmenge Q und der minimalen Arbeitsdaus? T der Dekarbonisiervorrichtung bestimmt man die Menge M an zu benutzendem Natronkalk;*

Q-. T. Ct - t )

M = ^{e s}

hieraus resultiert ein Volumen für die Patrone von

V= ^M

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wo M das Gewicht an Natronkalk und d die volumetrische Dichte des verwendeten Natronkalks ist.

Da die Druckdifferenz ^Δ P zwischen den Eintritts- und Austrittsöffnungen 2 bzw. 3 festgelegt ist, "bestimmt man experimentell den Querschnitt S sowie die Länge L der Patrone, welche zu dem Druckverlust Δ Ρ führt.

Es "bleibt dann dem Techniker überlassen, die Abmessungen sowie die Positionierung der Elemente 5,wie weiter unten angegeben, zu bestimmen.

Experimentell bestimmt man die Verminderung der im Natronkalk enthaltenen Wassermenge und sorgt für den Durchgang des Gases und bezeichnet mit

asser die von der Menge Q des Gases mitgerissene Wassermenge (pro Zeiteinheit ).

Man stellt fest, daß der beste Wirkungsgrad der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten wird, wenn der Wassergehalt des Natronkalks zwischen 10 und 30 %_t vorzugsweise benachbart 16 $, liegt.

Unter diesen Bedingungen versteht man leicht, daß die Elemente 5 das Einführen einer Wassermenge in die ■Filterpatrone erlauben sollen, die höchstens gleich der Wassermenge ist, welche vom Durchgang des Gases eliminiert wird, da wie vorher angegeben, der Wassergehalt des im Handel vertriebenen Natronkalks im allgemeinen benachbart 16 <$> liegt.

Gewählt wird ein fasriges Material, das in der Lage ist, sich mit Wasser zu imprägnieren und man bestimmt experimentell

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den Wert S der gesamten Außenfläche der Elemente 5 in Kontakt mit dem Natronkalk, wodurch die Überführung des Wassers in den Natronkalk bei einer Wassermenge gleich ^QWasser ermöglicht wird.

Experimentell wird die Entfernung d( Figur 3) bestimmt, welche die Zone charakterisiert, in der die Wanderung des Wassers in den Natronkalk derart ist, daß der Wassergehalt ein wirksames Arbeiten der Yorrichtung nach der Erfindung erlaubt.

Die Anordnung der Elemente, deren Form festgelegt wurde, wird dann so vorgenommen, daß die Außenflächen der Elemente 5 voneinander höchstens um den Wert 2d entfernt sind."

In Praxis werden alle diese experimentellen Festlegungen nur ein einziges Mal vorgenommen und die erhaltenen Werte werden extra poliert, bis man eine Kohlendioxydentfernungs- bzw. Dekarbonisiervorrichtung mit unterschiedlichem Leistungsvermögen oder unterschiedlichen Abmessungen hergestellt hat. Es ist jedoch auch möglich, Platten herzurichten, welche die notwendigen Werte geben.

Beispielsweise stellt man eine Dekarbonisier- bzw. Kohlendioxydextraktionsvorrichtung her, deren Filterpatrone einen quadratischen Querschnitt von 140 mm Seitenlänge und eine Höhe von 200 mm aufweist.

Die Elemente 5 waren aus 5 Platten fasrigen Materials von 1 mm Dicke, welche parallel zueinander angeordnet waren, hergestellt undvaren unter Abstand von 2d = 28 mm zueinander angeordnet. Der in die Patrone 4 eindringende Teil jeder

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Platte hatte als Abmessungen:

100 mm Höhe und 73 mm Breite,
was eine Gesamtkontaktfläche ermöglichte von:

100 χ 73 x 2 χ 5 = 73 000 mm².

Ohne Wasserzusatz und mit einem Gasdurchsatz von 7 m /Std. konnte man 56 nr Luft von 20⁰O dekarbonisieren; der COg-Gehalt am Austritt der Yorrichtung lag dann bei 100 p.p.m.*

Mit Wasserzusatz ermöglichte die gleiche Vorrichtung eine Dekarbonisierung von 525 m Luft bei weniger als 60 p.p.m. oder noch 260 m Luft von 10 p.p.m.

Die oben gegebenen Werte zeigen zweifellos die Wichtigkeit und die Überlegenheit der Vorrichtung nach der Erfindung
bezogen auf bekannte Vorrichtungen.

Wie klar aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht,
ermöglicht die Ausführungsform nach Pig. 2 einen optimalen Wirkungsgrad der Dekarbonisiervorrichtung durch eine
selbsttätige Kompensation der Wasserverluste, hervorgerufen durch den G-asdurchgang in der Filterpatrone, derart, daß der Wassergehalt des Natrcikalks im wesentlichen konstant und zwischen 10 und 30 #, vorzugsweise benachbart
16 #, bleibt.

Im übrigen ermöglicht die vertikale Zirkulation des Gases in der Vorrichtung eine homogene Dekarbonisierung des
Gases.

Pig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, nach

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der das zu dekarbonisierende Gas horizontal zirkuliert.

In diesem Pail bestehen die Wasser in die Filterpatrone bringenden Elemente aus röhrenförmigen porösen Elementen 5a, von denen ein Ende beispielsweise geschlossen ist und das andere Ende mit einer WasserzufUhrungsleitung 6 in Verbindung steht. Die röhrenförmigen Elemente können auch aus nicht-porösem Material bestehen; ihre zylindrische Oberfläche ist dann von zahlreichen kleinen Öffnungen durchbohrt.

Selbstverständlich können nach der zweiten Ausführungsform die röhrenförmigen Elemente 5a durch fasrige Elemente 5 nach Fig. 2 ersetzt sein.

Obwohl es vorteilhaft erscheint, kontinuierlich Wasser in den Natronkalk zuzuführen, so ist es auch möglich, diese Wasserzufuhr periodisch vorzunehmen, beispielsweise nach einer gewissen Arbeitsdauer der Vorrichtung.

Andere Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres möglich. So kann beispielsweise ein Teil des Wassers in die Filterpatrone durch das zu dekarbonisierende Gas eingeführt werden, wobei irgendein bekanntes Mittel zur Erhöhung des Feuchtigkeitgrades dieses Gases angewendet wird.

Für den Fall, daß die Vorrichtung bei einer Temperatur unterschiedlich zu der der Umgebung arbeiten soll, beispielsweise, wenn die Umgebungstemperatur unter O⁰O liegt, kann die Vorrichtung Einrichtungen aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie die Vorrichtung bei einer bestimmten Temperatur halten. Diese schematisch bei

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7 in Pig. 5 dargestellten Einrichtungen, können aus heizenden Elementen gebildet sein, wenn die Temperatur höher als die Umgebungstemperatur liegen soll oder aus Kühlelementen im entgegengesetzten Pail.

Es ist jedoch auch möglich, die Temperatur des Gases zu modifizieren, um die Arbeitstemperatur der Vorrichtung festzulegen.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Maßnahme nach der Erfindung sind zahlreich. Insbesondere ist die Vorrichtung verwendbar, um luft zu dekarbonisieren, d. h., ihr das Kohlendioxyd zu entziehen, welche beim Betrieb von Brennstoffzellen verwendet wird; eine Verwendung zur Dekarbonisierung von Luft eines begrenzten bewohnten Raumes etc. ist aber ebenfalls möglich.

Ansprüche - 13 -

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Claims

Äff.: 1448 - 1.3 - ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Dekarbonisierung eines Kohlendioxyd enthaltenden Gases oder Gasgemisches,mit einem Gehäuse mit einer Einlaßöffnung für das zu dekarbonisierende Gas oder Gasgemisch und einer Öffnung zur Gewinnung des dekarbonisierten Gases oder Gasgemisches und einer Natronkalk enthaltenden Filterpatrone, wobei diese Filterpatrone zwischen Einlaß- und Auslaßöffnungen angeordnet ist, derart, daß sie entweder vom Gas insgesamt oder Gasgemisch durchströmt wird, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die so ausgelegt sind, daß sie wenigstens teilweise jede Verminderung des Wassergehaltes des Natronkalks( chaux sodee ) kompensieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kompensationseinrichtungen so ausgelegt sind, daß sie den Wassergehalt des in der Filterpatrone enthaltenen Natronkalks auf 10 bis 30 fo halten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kompensationseirichtungen so auslegt sind, daß sie den Wassergehalt des in der Filterpatrone enthaltenen Natronkalks auf etwa 16 <fi halten.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kompensationseinrichtungen gebildet werden durch ein Wasser enthaltendes Reservoir und wenigstens ein Element, das so ausgelegt ist, daß es in die Filterpatrone das in 'diesem Reservoir enthaltene Wasser überführt .

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß dieses Element aus einem fasrigen Material gebildet ist und daß ein Ende dieses Elementes in das in diesem Reservoir enthaltene Wasser taucht, wobei das andere Ende in die Filterpatrone eindringt, in der dieses Element mit dem Natronkalk eine bestimmte Kontaktfläche aufweist, wobei dieses Element für den Wassertransport durch Kapillarität sorgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwert der Kontaktfläche derart bestimmt wird, daß die in den Natronkalk durch dieses Element überführte Wassermenge im wesentlichen und selbsttätig jede Verminderung des Wassergehalts im Natronkalk kompensiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit mehreren für die Überführung oder den Transport des Wassers tod*i Natronkalk sorgenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktflächen des Natronkalks mit den beiden benachbarten Elementen trennende Entfernung derart ist, daß auf halbem Abstand dieser Flächen der Natronkalk einen Wassergehalt von wenigstens 10 $» aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserreservoir auf einer Höhe tiefer als der der Filterpatrone angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserreservoir aus einer Verlängerung des Gehäuses unter der Filterpatrone gebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung für das zu dekarbonisierende Gas oder Gasgemisch auf einem Niveau tiefer als dem der Öffnung für das dekarbonisierte Gas

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- 15 oder Gasgemisch vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 his 3» dadurch gekennzeichnet, daß diese Kompensationsvorrichtungen wenigstens ein in die Filterpatrone eindringendes hohles Element, dessen Außenfläche in Kontakt mit dem Natronkalk steht und eine mit diesem hohlen Element verbundene Quelle für Wasser aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand dieses hohlen Elementes wasserdurchlässig ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einstellen der Temperatur dieser Vorrichtung bezogen auf die äußere Umgebung.

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