DE2746673A1 - Vorrichtung zur adsorptiven reinigung von gasen - Google Patents

Vorrichtung zur adsorptiven reinigung von gasen

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Description

AKTIENGESELLSCHAFT Vorrichtung zur adsorptiven Reinigung von Gasen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur adsorptiven Reinigung von Gasen, bestehend aus einem Außen- und einem im Abstand dazu angeordneten Innenbehälter, der das auf einem Tragrost ruhende Adsorptionsmittel enthält, wobei der Außenbehälter an seinem oberen Ende mit einem bis in den Innenbehälter reichenden und mit diesem gasdicht verbundenen ersten Aus-/Einlaßstutzen für das gereinigte Gas bzw. das Regeneriergas und an einer anderen Stelle mit einem zweiten Aus-/Einlaßstutzen für das Regeneriergas bzw. das zu reinigende Gas versehen ist.
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Aus der US-PS 2,083,732 sind Vorrichtungen zur adsorptiven Reinigung von Gasen bekannt, die im wesentlichen aus druckfesten Außenbehältern und dünnwandigeren Innenbehältern bestehen, in denen sich das feste Adsorptionsmittel befindet. Die bekannten Adsorber sind mit Zu- und Ableitungen für Gase und mit einer Heizeinrichtung versehen, die es gestattet, das Adsorptionsmittel zum Zwecke der Regenerierung aufzuheizen. Zwischen den dünnwandigen Innenbehältern und den druckfesten Außenbehältern befinden sich Schichten aus Isoliermaterial.
Die bekannten Anordnungen sind zwar wärmetechnisch insofern relativ günstig, als im wesentlichen nur das Adsorptionsmittel und der dünnwandige Innenbehälter bei dem bei höherer Temperatur ablaufenden Regeneriervorgang erhitzt werden müssen, nicht aber der gesamte Adsorber, der eine erhebliche Wärmekapazität besitzt. Sie haben jedoch, da im Falle senkrecht stehender Adsorber die Innenbehälter oben und unten starr mit den Außenbehältern verbunden sind, den Nachteil, daß durch die durch die Regenerierwärme verursachte Ausdehnung der Innenbehälter Spannungen in den in der Regel angeschweißten Verbindungen zwischen Innen- und Außenbehälter auftreten, die häufig nach mehreren Wärmeschwingungen zu einem Bruch führen.
Außerdem sind die Innenbehälter der bekannten Vorrichtung zur adsorptiven Reinigung von Gasen überhaupt nicht oder nur unvollkommen gegen Druckschwankungen abgesichert. Bei der
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einen bekannten Anordnung, bei der Zu- und Ableitungen gasdicht durch den Außenbehälter bis zum Innenbehälter geführt sind und der Innenbehälter ansonsten allseitig geschlossen ist, steht der Innenbehälter während des Adsorptionsvorganges unter dem vollen Verfahrensdruck, der von der um den Innenbehälter angeordneten Isolierung aufgefangen werden muß. Handelt es sich dabei um eine locker gewickelte oder locker geschüttete Isolierung, dann sind Deformationen des dünnwandigen Innenbehälters unvermeidlich. Bei einer anderen aus der US-PS 2,083,732 bekannten Anordnung ist dieses Problem bereits erkannt worden. Um ihm abzuhelfen ist ein Gasein- und -auslaßstutzen zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter mit einer kleinen Öffnung versehen, die zu einem Ausgleich zwischen dem Druck innerhalb des Innenbehälters und dem in der Isolierung führt, so daß etwa auftretender überdruck allmählich abgebaut werden kann. Da dies aber insbesondere bei den neuzeitlichen Druckwechselverfahren, bei denen die Drücke schnell auf- und abgebaut werden müssen, völlig unzureichend ist, vermag die bekannte Konstruktion heutigen Anforderungen nicht mehr ?v. genügen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Adsorber mit einem Innenbehälter zu schaffen, der auch hohen thermischen Belastungen über lange Zeiträume standzuhalten vermag und der außerdem auch bei unter Druck betriebenen Adsorptionsverfahren keiner Druckbelastung ausgesetzt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenbehälter bodenlos und der erste Aus-/Einlaßstutzen und/oder der obere Bereich des Innenbehälters beweglich ausgebildet sind.
Der Innenbehälter des erfindungsgemäßen Adsorbers ist mithin so ausgestaltet, daß er Wärmebewegungen in der Senkrechten mühelos auffangen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß bei hohen und schmalen Innenbehältern der Aus-/Einlaßstutzen, der durch den Außenbehälter bis in den Innenbehälter führt, mit einem Kompensator, beispielsweise mit zwei ineinander gleitenden Rohrstücken oder mit einem Faltenbalg, ausgestattet ist, während es bei relativ breiten, aber nicht sehr hohen Innenbehältern, nämlich bei sogenannten liegenden Adsorbern, zweckmäßig ist, außer dem ersten Aus-/Einlaßstutzen auch noch die obere Wandung des Innenbehälters oder möglicherweise auch lediglich die obere Wandung des Innenbehälters elastisch auszubilden.
Da insbesondere das für Faltenbälge verwendbare Material wärmeempfindlich ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, innerhalb des Faltenbalges ein Schutzrohr anzuordnen, durch das das heiße Regeneriergas einströmt.
Erfindungsgemäß ist der Innenbehälter als bodenloser Behälter ausgebildet und ähnelt in seiner Gestalt im wesentlichen einer Glocke. Mit einer derartigen Konstruktion sind im Vergleich zu den bekannten Anordnungen einige wesentliche Vorteile und
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konstruktive Vereinfachungen verknüpft. Wider Erwarten ist es nämlich nicht notwendig, den Innenbehälter, abgesehen von einer Zufuhr- und einer Abführleitung für das Gas, wie bekannt allseitig geschlossen auszuführen, um ihn seine Aufgabe erfüllen zu lassen, wie sich aus den folgenden Erläuterungen ergibt.
Die Funktionen des Innenbehälters sind zweierlei:. Art.
Einmal soll er, insbesondere in Verbindung mit einer zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter angebrachten Isolierung, verhindern, daß die bei der Regenerierung des Adsorptionsmittels durch das heiße Regeneriergas eingetragene Wärme vom Adsorptionsmittel an den Außenbehälter abgegeben wird. Diese Aufgabe erfüllt der erfindungsgemäße bodenlose Innenbehälter ohne weiteres, wenn seine Unterkante etwa bis zu dem Bereich heruntergezogen wird, wo die Adsorptionsmittelschüttung ruht. Hierbei ist es jedoch wesentlich, daß das aufgeheizte Regeneriergas, welches in aller Regel im Gegenstrom zu dem zu reinigenden Gas geführt wird, von oben in den Adsorber eintritt und unten vom Adsorber abströmt. Anderenfalls bestünde nämlich doch die wenn auch geringe Gefahr, daß heißes Regeneriergas zwischen den Innen- und Außenbehälter geraten könnte, was Wärmeverluste zur Folge hätte.
Andererseits soll er aber auch so konstruiert sein, daß er keinen Druckkräften ausgesetzt ist.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion verhindert wirksam, daß sich nach der erfolgten Regenerierung, die gewöhnlich bei niedrigerem Druck vorgenommen wird, mit der Druckbeaufschlagung des Adsorbers im Innenbehälter ein Druck aufbaut, für den er nicht ausgelegt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verteilt sich der mit dem zu reinigenden Gas eingebrachte Druck gleichmäßig auf den Innenraum des Innenbehälters und den Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter, so daß der Innenbehälter keiner Druckbeanspruchung unterworfen wird.
Das Adsorptionsmittel ruht innerhalb des Innenbehälters üblicherweise auf einem durchlochten Rost, dessen Öffnungen kleiner sind als die Korngröße der Adsorptionsmittelschüttung, damit das Adsorptionsmittel nicht durch den Rost hindurchrieselt. Gleichzeitig aber gewährleistet dieser Rost eine gleichmäßige Verteilung des in der Regel von unten nach oben strömenden zu reinigenden Gases auf die gesamte Adsorptionsmittelschüttung.
Erfindungsgemäß ist der glockenförmige Innenbehälter einfach lose auf den Rost für das Adsorptionsmittel aufgesetzt. Bei dieser Konstruktion ergibt sich ein Optimum an Beweglichkeit bei Wärmedehnungen, da der Innenbehälter sich auch nach der Seite ausdehnen kann, was insbesondere bei Verfahren wichtig ist, bei denen die Regeneriertemperatur bedeutend über der Adsorptionstemperatur liegt.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Innenbehälter aus einem Spezialmaterial (Invarstahl oder einem ähnlichen Material) auszuführen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Auf diese Weise können die bei den Temperaturschwankungen zwischen der Adsorption und der Regenerierung auftretenden Wärmedehnungen auf ein Mindestmaß herabcjcdrückt werden. Dementsprechend geringere Anforderungen sind dann auch an die Elastizität des beim ersten Aus-/Einlaßstutzen angebrachten !Compensators zu stellen, was dessen Herstellung verbilligt.
Aus Gründen der Wärmebilanz ist es erfindungsgemäß anzustreben, den Innenbehälter so dünn wie möglich zu gestalten, damit seine Wärmekapazität möglichst klein bleibt. Unter diesen Umständen kann es jedoch insbesondere bei in der Horizontalen ausgedehnten Innenbehältern notwendig sein, diese mit Sicken zu versehen und Versteifungsringe einzulegen. In jeder. Fall erzielt man auf diese Weise Konstruktionen, deren Wärmekapazität bedeutend geringer ist als die eines stärkerwandig ausgeführten Innenbehälters, der keiner Versteifungsringe bedarf.
Das erfindungsgemäße Prinzip der bodenlosen Innenbehälter, die in ihrem oberen Bereich gasdicht, aber beweglich mit dem Außenbehälter in Verbindung stehen, läßt sich auf alle Arten von Adsorbern anwenden. So ist es nicht nur für die bereits erwähnten hochgestellten Adsorber und die sogenannten liegenden Adsorber geeignet, sondern auch für solche Adsorberkonstruktionen,
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wo innerhalb eines druckfesten Außenbehälters mehrere voneinander getrennte Innenbehälter angeordnet sind. Letztere bedingen zwar einen etwas größeren Außenbehälter, sind jedoch fertigungstechnisch vorteilhafter als ein einziger großer Innenbehälter und damit bedeutend kostengünstiger.
Die erfindungsgemäßen Innenbehälter können auf ihrer Außenseite mit einer Wärmeisolierung versehen sein. So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, auf dem oder den Innenbehältern eine gewickelte Isolierung in Form von etwa 25mm dicken Isoliermatten, beispielsweise aus Schlacken- oder Steinwolle, aufzubringen.
Soll eine erfindungsgemäße Adsorberanlage lediglich mit nicht allzugroßen Temperaturdifferenzen zwischen Regenerierung und Adsorption gefahren werden, dann kann eventuell eine zusätzliche Isolierung des Innenbehälters vollständig entfallen, da dann das zwischen Innen- und Außenbehälter befindliche Gas einen ausreichenden Wärmeschutzschild darstellt. Insbesondere wird sich letztere Konstruktion dann empfehlen, wenn die Regenerierzeiten relativ kurz sind, was insbesondere immer dann der Fall ist, wenn das Adsorptionsmittel nur teilweise, d.h. vorwiegend auf der Abströmseite des gereinigten Gases, regeneriert werden muß.
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Gemäß einer anderen Ausbildung des Erfindungsgedankens ist es zweckmäßig, im Strömungssinne vor und nach der Adsorptionsmittelschüttung Verteilersiebe anzuordnen, die aus Lochplatten oder Drahtgewebe bestehen können, um eine gute Verteilung der Gase über den gesamten Querschnitt des Adsorptionsmittels zu erreichen.
Unterstützt werden kann diese Maßnahme durch die erfindungsgemäße Anordnung von Gasablenkblechen in die Gaswege zwischen dem jeweiligen Eintritt und der Adsorptionsmittelschüttung.
Die Größe, die Wandstärke, die Menge und die Schütthöhe des eingesetzten Adsorptionsmittels und andere konstruktive Einzelheiten der erfindungsgemäßen Adsorberkonstruktion hängen von vielen Parametern ab, so z.B. von den Temperaturen bei der Ad- und Desorption, vom Gasdruck, vom Gasdurchsatz, von der Menge der aufzunehmenden Verunreinigungen, von der gewünschten Gasreinheit und von der Dauer der einzelnen Ad- und Desorptionszyklen.
Aus diesen Gründen ist es auch nicht möglich, Zahlen für Konstruktionseinzelheiten anzugeben, die universelle Gültigkeit besitzen. Lediglich beispielsweise sei darauf verwiesen, äaß bei gängigen Konstruktionen der stehenden Bauart die Außendurchmesser der Adsorber 1 bis 4 m, die Wändstärken der Außen-Dehälter 6 bis 12 mm und die der Innenbehälter 2 bis 3 mm betragen.
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Bei gängigen liegenden Adsorbern betragen die Längen 2 bis 12m, die Außendurchmesser 3 bis 5 m, die Wandstärken der Außenbehälter etwa 12 mm und die der Innenbehälter etwa 2 mm.
Die Erfindung sei weiterhin anhand einiger schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
Dabei zeigen
Figur 1 einen aufrecht stehenden Adsorber mit einem einzigen Innenbehälter,
Figur 2 einen liegenden Adsorber mit einem Innenbehälter und
Figur 3 einen liegenden Adsorber mit mehreren Innenbehältern.
In den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein aufrecht stehender Adsorber dargestellt, der einen druckfesten Außenbehälter 1 und einen dünnwandigen Innenbehälter 2 hat. Der Innenbehälter 2 steht lose auf einem Tragrost 3, der über die Abstützungen 4 am Außenbehälter befestigt ist. Auf dem Tragrost 3 befindet sich innerhalb des Innenbehälters 2 eine Schüttung von Adsorptionsmittel 5. In dem dargestellten Beispiel ist der Innenbehälter 2 mit einer außen aufgebrachten Isoliermatte 6 versehen. Der Adsorber besitzt außerdem einen mit Hilfe eines Faltenbalges beweglich gestalteten
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ersten Aus-/Einlaßstutzen 7. Der bewegliche Aus-/Einlaßstutzen 7 ist Teil eines größeren Gaszu- und -abfuhrsystems 8, das außerdem mit einem Schutzrohr 9 für heißes Regeneriergas und einem Stutzen für gereinigtes Gas versehen ist. An seinem unteren Ende ist der Außenbehälter 1 mit einem starren zweiten Gasaus- und -einlaßstutzen 11 versehen. Am oberen Ende dieses Stutzens ist ein Wärmeschutzschild 12 angebracht. Zur besseren Verteilung der Gasströme sind in dem Adsorber Gasablenkbleche 13 und 14 und Gasverteilersiebe 15 und 16 vorgesehen. Zum Nachfüllen bzw. Erneuern von Adsorptionsmittel und für eventuelle Reparaturen ist der Adsorber außerdem mit einem Mannloch 17 versehen.
Zum Betrieb des Adsorbers wird das zu reinigend·= Gas unter Druck durch den zweiten Aus-/Einlaßstutzen 11 zugeführtund mit Hilfe des Gasablenkbleches 14 und des Gasverteilersiebes 16 gleichmäßig über die Fläche des Tragrostes 3 verteilt, strömt anschließend durch die Schüttung 5, wobei adsorbierbare Verunreinigungen festgehalten werden, tritt dann gereinigt oben aus der Schüttung 5 aus und verläßt den Adsorber durch den ersten Aus-/Einlaßstutzen 7 und den Stutzen 10. Ist das Adsorptionsmittel beladen, dann wird der Strom des zu reinigenden Gases abgeschaltet, der Druck im Adsorber über den Stutzen 10 auf den Regenerierdruck erniedrigt und dann bei dem niedrigeren Druck heißes Regeneriergas durch das Schutzrohr 9 zugeführt. Das heiße Regeneriergas wird äurch das Gasablenkblech 13 und das Gasverteilersieb 15 gleich-
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mäßig auf die Oberfläche der Schüttung 5 verteilt. Während es die Schüttung 5 durchdringt, erhöht sich deren Temperatur, wodurch der Rückdruck der adsorbierten Komponenten steigt und diese mit dem Regeneriergas aus dem Adsorptionsmittel ausgetragen werden. Das Regeneriergas mit den aufgenommenen Verunreinigungen verläßt den Adsorber durch den zweiten Aus-/Einlaßstut?:nn 11 . Nach beendeter Regenerierung wird die Zufuhr des Regeneriergases abgestellt und der Adsorber erkalten gelassen. Danach steht er wieder für einen neuen Adsorptionstakt zur Verfügung.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Erfindung, nämlich ein liegender Adsorber, dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Adsorbers ist der erste Aus-/Einlaßstutzen nicht beweglich ausgebildet, sondern durch einen starren Gasaus- und -einlaßstutzen 8 ersetzt. Die beim Durchleiten des Regeneriergases auftretenden Wärmebewegungen des Innenbehälters werden hier von der dünnwandig gestalteten Oberfläche des Innenbehälters 2 aufgefangen. Alternativ bzw. zusätzlich kann jedoch der Stutzen 8 auch mit einem Kompensator versehen sein.
Der Betrieb eines solchen liegenden Adsorbers ist im Prinzip der gleiche wie der des in Figur 1 dargestellten stehenden Adsorbers. Im Unterschied zum stehenden Adsorber ist jedoch der liegende mit zwei Mannlöchern 17 ausgestattet. Außerdem sind die Gasverteilungssiebe 15 und 16 verdoppelt und die Gasablenk-
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bleche 13 und 14 gewölbt ausgeführt. Schließlich sind zur besseren Gasverteilung im oberen und im unteren Totraum Schrägablenkbleche 18 und 19 vorgesehen.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier sind innerhalb eines druckfesten Außenbehälters 1 mehrere dünnwandige Innenbehälter 2 angeordnet. Jedem dünnwandigen Innenbehälter 2 sind erste und zweite Aus-/Einlaßstutzen 7 und 11 zugeordnet. Zur Vereinfachung der Zeichnung wurde die für die meisten Verfahren notwendige Wärmeisolierung der Innenbehälter 2 ebenso weggelassen wir die Darstellung mehrerer Mannlöcher.
Der Betrieb des Adsorbers der Figur 3 erfolgt iir. Prinzip genauso wie im Zusammenhang mit der Figur 1 geschildert.
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Claims (1)

  1. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    (H 995) H 77/066
    Se/bd 17.Oktober 1977
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur adsorptiven Reinigung von Gasen, bestehend aus einem Außen- und einem im Abstand dazu angeordneten Innenbehälter, der das auf einem Tragrost ruhende Adsorptionsmittel enthält, wobei der Außenbehälter an seinem oberen Ende mit einem bis in den Innenbehälter reichenden und mit diesem gasdicht verbundenen ersten Aus-/Einlaßstutzen für das gereinigte Gas bzw. das Regeneriergas und an einer anderen Stelle mit einem zweiten Aus-/Einlaßstutzen für das Regeneriergas bzw. das zu reinigende Gas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter bodenlos und der erste Aus-/Einlaßstutzen und/oder der obere Bereich des Innenbehälters beweglich ausgebildet sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innenbehälter lose auf dem Tragrost abstützt.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aus-/Einlaßstutzen mit einem Kompensator versehen ist.
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    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aus-/Einlaßstutzen mit einem Faltenbalg versehen ist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des ersten Aus-/Einlaßstutzens ein Schutzrohr angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter mit Versteifungsringe enthaltenden Sicken versehen ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitenabmessungen des Außen- und des Innenbehälters größer als ihre Höhen sind.
    *9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Außenbehälters größer ist als seine Höhe und daß der Innenbehälter aus mehreren voneinander getrennten Einheiten besteht, die jede mit einem ersten Aus-/Einlaßstutzen versehen ist►
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    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter eine Isolierung angeordnet ist.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen dem ersten bzw. zweiten Aus-/
    Einlaßstutzen und dem Adsorptionsmittel Gasverteilersiebe angeordnet sind.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Außenbehälters Gasablenkbleche angeordnet sind.
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