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Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung
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Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung, die im Querstromprinzip
arbeitet. Die Vorrichtung dient zur Reinigung von Abgasen; insbesondere sollen Schwefeloxide
aus dem Abgas beseitigt werden.
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Es ist bekannt, große Gasvolumina mit einem festen Adsorbens zu behandeln,
wobei ein Fließbett-Querstrom-Verfahren angewandt wird. Eine entsprechende Vorrichtung
ist vorteilhaft in Bezug auf den beanspruchten Raum, Steuerbarkeit der Durchflußrate
des Adsorbens und der Oberflächenkonzentration (Beladung), wobei die Vorrichtungen
so konstruiert sind, daß der Gasstrom mit den Partikeln des Adsorbens in einem Fließbett
im Querstromverfahren in Kontakt gebracht wird. US-PS 3 716 969 beschreibt eine
Adsorptionsvorrichtung mit kontinuierlich bewegender Schicht, die in einem Abgas-Entschwefelungssystem
verwendet wird. Diese bekannte Vorrichtung besteht aus einem Adsorptionsgefäß als
Hauptteil, welches mit Aktivkohle gefüllt ist. Außerdem ist ein Richtkörper in dem
Gefäß vorgesehen. Das Gehäuse des Adsorptionsqefäßes besitzt eine Seitenwand,
die
mit einer Anzahl von Lüftungsjalousien (überdeckten Lüftungsschlitzen) versehen
ist, die sich auf der Gas-Einführungsseite des Gefäßes befinden. Die andere Seitenwand
besitzt Bohrungen als Gasautritt des Gefäßes.
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Der Abstand zwischen den Seitenwänden vergrößert sich zum unteren
Teil des Gefäßes hin; eine trichterartige Vorrichtung schließt sich unterhalb der
Seitenwände an.
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Ein längliches Auslaßrohr ist am Boden der trichterartigen Vorrichtung
angebracht, um die Aktivkohle abzuführen. Ferner ist in der trichterartigen Vorrichtung
ein Richtkörper vorgesehen, der eine Richtplatte besitzt, die sich in vertikaler
Richtung erstreckt. Mit dieser bekannten Vorrichtung können zwei Erscheinungen beseitigt
werden, die sich im Fließbett einer Fließbett-Adsorptionsvorrichtung des Gehäusetyps
ergeben: das sog.
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"center-dropping" ("Mittelstrudel") und das "suspensionphenomenon"
("Brückenbildung"). Durch Verhinderung dieser Erscheinungen kann gewährleistet werden,
daß die Partikel des Adsorbens gleichmäßig nach unten fließen. Das "centerdropping"
kann dabei als eine Erscheinung definiert werden, bei dem die mittlere Lage der
Schichten der Adsorbens-Partikel, die sich unmittelbar über dem Auslaß befinden,
vorzeitig nach unten fallen. Das "suspension-phenomenon" (Brückenbildung) wird als
eine Erscheinung definiert, bei der
die Partikel, die sich innerhalb
des Adsorptionsgefäßes befinden, in einer Art Verkrustung, die sich durch seitliche
Kompressivkräfte ergibt, hängenbleiben. Beide Erscheinungen sind im Detail im US-Patent
3 716 969 beschrieben.
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Die bekannte Vorrichtung hat jedoch Nachteile in Bezug auf eine gleichmäßige
Gasverteilung. Der Grund dafür ist, daß bei Erhöhung des Durchsatzes der Vorrichtung
es unerläßlich ist, die Schichthöhe des Adsorbens zu erhöhen.
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Daraus resultiert, daß eine beträchtliche Differenz zwischen dem Schichtdruck
zwischen den Partikeln im oberen Teil und denen im unteren Teil besteht, da das
mit Adsorbens gefüllte Bett im Prinzip eine divergente Struktur hat, wobei die Abgasmenge,
die durch den oberen Teil hindurchströmt, wesentlich erhöht ist. Außerdem bringt
die Zunahme der Adsorbensschichthöhe Schwierigkeiten dahingehend, daß die Partikel,
die sich am Boden der Schicht befinden, durch ihren eigenen Druck zermahlen und
zerrieben werden. Weiterhin muß beachtet werden, daß der gleichmäßige Abwärtsstrom
der Partikel gestört ist, was teilweise dadurch hervorgerufen wird, daß die Breite
des Bettes vergrößert wird, wenn eine größere Ausführung gewählt wird. Dem entsprechend
ist es evident, daß die bekannte
Vorrichtung in ihrer Kapazität
begrenzt ist.
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Ein weiteres Problem bei der Anwendung von Querstrom-Fließbett-Adsorptionsvorrichtungen
liegt darin, daß sie im Adsorbens-Nutzungsgrad einer Vorrichtung, die mit Gegenstrom-Fließbett-Prinzip
arbeitet, unterlegen ist.
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Figur 1 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der S02-Adsorption auf
Aktivkohle in Abhängigkeit von der Einwirkungszeit. Die Meßanordnung besteht im
wesentlichen aus einem Korb, der mit Aktivkohle gefüllt ist und der in ein SO 2-enthaltendes
Gas eingehängt ist.
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Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, kann die Adsorption von SOL
über einen Zeitablauf in mehrere Zonen eingeteilt werden: Zone I, in der die adsorbierte
Menge linear steil ansteigt; Zone II, in der sich die Zunahme der adsorbierten Menge
verlangsamt; Zone III, in der die adsorbierte Menge schließlich den Sättigungsgrad
erreicht, wobei sie schwach linear ansteigt.
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Um die Nitzung eines Adsorbens, insbesondere Aktivkohle, zu optimieren,
sollte der Einsatz der Aktivkohle vor und hinter der Grenzlinie zwischen Zone II
und Zone III erfolgen.
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Diese Nutzung ist besser als eine Nutzung in Zone I. Die Beziehung
zwischen Verweilzeit von Aktivkohle und der
SO#-Konzentration, wie
im Diagramm gemäß Figur 2 dargestellt, kann aus der wirklichkeitsnahen Behandlung
eines SOx-enthaltenden Gases mit Hilfe üblicher Querstrom-Fließbett-Adsorptionsvorrichtungen
ermittelt werden, bei denen Aktivkohle als Adsorbens verwendet wird. Dieses Diagramm
zeigt, daß eine Tendenz besteht, daß die SOx-Konzentration des Gases am Auslaß abnimmt,
wenn die Verweilzeit der Aktivkohle verkürzt wird. Sie wird erhöht, wenn die Verweilzeit
verlängert wird. Daraus kann der Schluß gezogen werden, daß bei der bekannten Querstrom-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung
die Aktivkohle in der Zone verwendet werden muß, wo die Adsorptionsrate nicht sich
verkleinert, d.h., in der Zone I gemäß Figur 1. Dies ist erforderlich, um den Entschwefelungsgrad
auf einem hohen Niveau zu halten, da die verlängerte Verweilzeit der Aktivkohle
die Adsorptionsrate von SO auf der Aktivkohle verkleinert. Hierdurch wird die SO
-Konzentration des Gases am Ausgang vergrößert.
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x Diese Verfahrensweise ist jedoch deshalb nicht wünschenswert, da
die Ausnutzung der Aktivkohle nicht effektiv ist.
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Um die Entschwefelungsrate auf einem hohen Grade zu halten, ohne die
effektive Ausnutzung der Aktivkohle zu vermindern, besteht die Notwendigkeit, ein
Querstrom-Fließbett vorzusehen, die das Nachlassen der Adsorptionsrate kompensiert
für den Fall, daß die Verweilzeit der Aktivkohle verlängert
wird.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Querstrom-Fließbett zu entwerden, bei dem die
Raumgeschwindigkeit des Gases in der unteren Region des Querstrom-Fließbettes kleiner
sein kann als in der oberen Region.
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Bei der bekannten Adsorptionsvorrichtung gemäß US-PS 3 716 969, hat
das Fließbett eine divergente Struktur. Die Raumgeschwindigkeit des Gases, das durch
das Fließbett in einem Querstrom strömt, verkleinert sich mit Annäherung an den
Boden des Fließbettes. Daraus kann gefolgert werden, daß das bekannte Querstrom-Fließbett
das Nachlassen der Adsorptionsrate kompensiert. Jedoch ist nachteilig, daß das Fließbett
ungeeignet ist, eine große Gasmenge zu verarbeiten, da die Schichthöhe (H in Figur
2) nicht vergrößert werden kann, ohne den Massendruck des Adsorbens zu erhöhen.
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Aus der JA-OS 46 790/1978 geht ferner ein Fließbett hervor, das es
erlaubt, die Durchflußrate des Gases sowohl in der oberen als auch in der unteren
Region des Fließbettes mit Hilfe einer Prallplatte zu steuern. Hierdurch wird die
Raumgeschwindigkeit des Gases vermindert, das durch die untere Region strömt. Jedoch
besteht auch bei diesem Fließbett das Problem, daß bei Erhöhung der Schichtdicke
der Druck innerhalb des Adsorbens sich zu stark erhöht.
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Es stellt sich demnach die Aufgabe, die eingangs beschriebenen Nachteile
bekannter Vorrichtungen zu vermeiden. Insbesondere soll erreicht werden, daß die
Durchsatzmenge erhöht wird. Die Aufgabe wird in einfacher Weise dadurch gelöst,
daß eine Vielzahl von Kammern, die mit Adsorbens gefüllt sind, und die konstruiert
sind gemäß US-PS 3 716 969, in Serie untereinander verbunden sind Weiterhin können
die Kammern mit Trennwänden geteilt-werden, die parallel zu der Fließrichtung des
Gases stehen.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Mehrstufen-Fließbett-Adsorptions-Vorrichtung,
deren einzelne Stufe (unit) aus einer mit Adsorbenspartikeln gefüllten Kammer besteht,
die an ihrer Vorder- und Rückseite Schlitzjalousien-Wände besitzt, deren Abstand
sich von oben nach unten vergrößert. Ferner besitzt die Kammer konvergierende Bodenteile
an der Unterkante der genannten Wände sowie weitere, verbindende Seitenwände. Innerhalb
der Kammer ist ein Richtkörper eingebaut, der im Querschnitt die Form eines aufrecht
stehenden Pfeils hat und sich zwischen den Seitenwänden erstreckt und mit seinen
seitlich ragenden Teilen auf den Bodenteilen aufliegt. Mehrere derartige Stufen
bzw. Kammern sind übereinander angeordnet; sie sind über Verbindungskanäle direkt
untereinander verbunden.
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Die ganze Anordnung mehrerer übereinander gestellter Kammern ist in
ein Großgefäß eingebaut, in dem das zu reinigende Gas strömt, wobei an der obersten
Kammer ein Adsorbens-Einlaß und an der untersten ein Adsorbens-Auslaß vorgesehen
sind. In jeder Kammer und in der gesamten Anordnung fließen die Adsorbenspartikel
von oben nach unten und bilden ein Fließbett, das mit dem durch das Gefäß strömenden
Gas im Querstrom kontaktiert wird.
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Vorzugsweise werden zwei Stufen bzw. Kammern übereinander angebracht,
wobei der Abstand der Schlitzjalousien-Wände bei der unteren Stufe gegenüber dem
der oberen Stufe vergrößert ist. Diese Anordnung ermöglicht die bessere Ausnutzung
des Adsorbens, z.B. Aktivkohle, wobei der Adsorptionsgrad auf einem Niveau gehalten
werden kann. Außerdem besteht keine Gefahr, daß der Massendruck der Adsorbenspartikel
erhöht wird, auch wenn eine größere Anordnung verwendet wird, wie sie bei größeren
Durchsatzmengen erforderlich ist.
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Ausführungsbeipiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Abhängigkeit der S02-Adsorption
von der Kontaktzeit; Fig. 2 ein Diagramm der Beziehung von Verweilzeit der Aktivkohle
und SO -Konzentration des Gases am Ausgang des x Fließbettes; Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht der Adsorp£ionskammer gemäß Erfindung; Fig. 3a eine perspektivische Ansicht
der Kammer gemäß Fig. 3, die durch Trennwände unterteilt ist; Fig. 4 eine Seiten-Schnittansicht
einer Ausführungsform einer Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung gemäß Erfindung;
Fig. 5 eine Seiten-Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung
gemäß Erfindung.
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In Fig. 3 ist perspektivisch eine Adsorptionskammer dargestellt, die
mit einem Adsorbens (Adsorbieren des Medium) zu befüllen ist. Die Kammer besitzt
eine Schlitzjalousien-Vorder- und eine Rückwand 1 bzw. la, deren gegenseitiger Abstand
sich von oben nach unten vergrößert. Weiterhin schließen sich nach unten zwei Bodenteile
2 und 2a an die Vorder- und Rückwand 1 und la YI i an. Der Abstand der Bodenteile
verjüngt sich nach unten, d.h. die Bodenteile konvergieren.
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Außerdem sind eine rechte und eine linke Seitenwand 3 bzw. 3' vorhanden.
Im Fuß der Kammer ist ein Richtkörper 4 eingebaut, der sich horizontal zwischen
den Seitenwänden 3 und 3' erstreckt und an diesen befestigt ist
Der
Richtkörper 4 hat im Querschnitt die Form eines aufrecht stehenden Pfeiles ( t ).
Er besteht aus einem Richtkörper-Dach 5, das eine kopfstehende V-Form hat, und aus
einer Richtplatte 5', die sich als senkrecht stehende Platte aus dem Dach 5, an
dem sie in der Winkelspitze befestigt ist, erstreckt. Das Richtkörper-Dach 5 liegt
mit seinen Seitenteilen auf den Bodenteilen auf. Die unteren Kanten der Seitenwände
3, 3' sind flanschartig nach außen gebogen und spannen zwischen sich einen Schlitz
20 auf.
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Das Adsorbens fließt innerhalb der Adsorptionskammer nach unten in
Richtung des Schlitzes 20 und bildet dabei ein Fließbett.
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Gleichzeitig tritt Gas in die Adsorptionskammer durch die Jalousieschlitze
in der Rückwand 1 ein, durchströmt und kontaktiert das Adsorbens im Fließbett und
verläßt die Kammer durch Schlitze 21 in der Vorderwand la. In der Mehrstufen-Adsorptionsvorrichtung
mit Querstrom-Fließbett gemäß Erfindung ist eine Vielzahl derartiger Adsorptionskammern
übereinandergestellt. Allgemein wird dabei angestrebt, daß die Höhe jeder Einheit,
d.h. jeder einzelner Kammer, zwischen 2 und 6 m, vorzeugsweise 4 - 5 m liegt. Dabei
muß ein Ausgleich zwischen Gasdruck und Menge an Adsorbens gefunden und beachtet
werden.
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In Fig. 3 ist unterhalb des Schlitzes 20 ein Abförderer (roll feeder)
als Beispiel für eine Austragvorrichtung für das Adsorbens dargestellt. Die Austragvorrichtung
ist nur in der untersten Einheit (Kammer) vorgesehen, nicht jedoch in den
anderen
Einheiten. Außerdem kann gemäß Erfindung der obere Teil der Adsorptionskammer durch
Trennwände 10, die parallel zur Gasströmungsrichtung liegen, in eine Reihe von Abteilungen
unterteilt werden (vergl. Fig. 3a).
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Die vorliegende Mehrstufen-Adsorptiontivorrichtung ist so konstruiert,
daß eine Vielzahl der beschriebenen Einheiten (Kammern) in Serie durch Verbindungsvorrichtungen
miteinander verbunden sind. Eine solche, aus mehreren Stufen bestehende Anordnung
ist in ein Großgefäß 8 mit Gas zirkulation eingebaut.
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Eine Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Die obere und die
untere Einheit 23 bzw. 22 sind miteinander durch Verbindungsvorrichtungen, hier
Wandungen 7, 7a einschließlich (nicht dargestellter) Seitenwände verbunden, so daß
sich ein den Schlitz 20 umschließender Kanal ergibt. Durch diesen kann das Adsorbens
gleichmäßig von der oberen in die untere Kammer überführt werden. Beide Stufen sind
in das Großgefäß 8 eingebaut. Der Kopf der oberen Stufe ist nach oben offen und
dient als Einlaß für das Adsorbens. Der Boden der unteren Stufe ist mit einem Abförderer
6 versehen.
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Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei ist
der Abstand der Schlitzjalousien-Seitenwände 1, la bei der unteren Stufe 22 größer
als bei der oberen Stufe 23 (Schlitzjalousien-Seitenwände 1', la'). Auch diese beiden
Stufen sind hintereinander in Serie geschaltet bzw. vom Adsorbens durchflossen.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der Abstand der Vorder-und
Rückwände
1, 1' bzw. 1', la' im unteren Teil der Kammer jeweils vergrößert, d.h.,wird bei
gleichem Vertikalabstand vom Fuß jeder Kammer gemessen, so ist der Abstand zwischen
den Wänden 1, la verglichen zu dem der Wände 1', la' jeweils in der unteren Kammer
größer. Entsprechend ist auch die Querschnittsfläche der Kammern - jeweils im gleichen
Abstand vom Fuß der Kammer gemessen - von oben nach unten von Kammer zu Kammer ansteigend.
Diese Beziehung ist entsprechend auch dann anzuwenden, wenn drei oder mehr Stufen
übereinandergestellt sind, d.h. die Seitenwandabstände zweier übereinanderstehender
Kammern sind bei der unteren jeweils größer als bei der darüber befindlichen. Als
angemessen hat sich erwiesen, wenn die Seitenwandabstände der unteren Kammer 1,1
- 1,5 mal, vorzugsweise 1,2 - 1,3 mal> sogroß sind wie die entsprechenden Abstände
der Seitenwände der darüberliegenden Kammer.
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Dargestellt sind in den Fig. 4 und 5 in zwei Stufen übereinandergestellte
Kammern. In Abweichung davon ist auch möglich, drei oder mehr Stufen übereinanderzustellen,
je nachdem zu verarbeitenden Gasvolumen, der Güte des Absorbens und anderer Einflußgrößen,
wie sie aus der Verfahrenstechnik bekannt sind.
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Es besteht auch keine Notwendigkeit, daß die äußere Gestaltung der
Einheiten untereinander kongruent ist; allerdings sollte eine gewisse Ähnlichkeit
- vergl. Fig. 5 - angestrebt werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung
ergibt sich, daß die Mehrstufen-Fließbett-Adsorptionsvorrichtung einen größeren
Gasdurchfluß bei reduziertem Aufwand und Raumbedarf gewährleistet.
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Da jede Einheit anders dimensioniert ist, R chtkörper ausweist und
die Einheiten untereinander über eine geschlossene Verbindung verbunden sind, kann
das Adsorbens gleichmäßig innerhalb der Einheiten und von Einheit zu Einheit nach
unten fließen.
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Außerdem entstehen keine Schwierigkeiten dadurch, daß der Druck im
Adsorbens übermäßig ansteigt, da es nicht erforderlich ist, die Höhe einer bestimmten
Einheit zu steigern, auch wenn größere Gasvolumina verarbeitet werden müssen. Auch
kann dadurch, daß jede Einheit eine andere Dimension hat, die Raumgeschwindigkeit
der Gase durch den unteren Teil der Einheit verringert werden. Außerdem kann durch
die sukzessive Erhöhung der Wandabstände bzw. Durchflußquerschnitte von Einheit
zu Einheit das Gas veranlaßt werden, schneller durch die obere als durch die untere
Stufe zu fließen. Entsprechend kann umgekehrt die Gas-Raumgeschwindigkeit durch
die untere Region der Vorrichtung als Ganzes gesenkt werden. Dadurch wird vermieden,
daß das Adsorbens ungleichmäßig beansprucht wird, wodurch der Ausnutzungsgrad des
Adsorbens stark erhöht werden kann.
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L e e r s e i t e