DE3232134C2

DE3232134C2 -

Info

Publication number: DE3232134C2
Application number: DE19823232134
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. 4600 Dortmund De Winter
Original assignee: Rekuperator KG Dr-Ing Schack & Co 4000 Duesseldorf De
Current assignee: Rekuperator KG Dr-Ing Schack & Co 4000 Duesseldorf De
Priority date: 1982-08-28
Filing date: 1982-08-28
Publication date: 1988-01-14
Also published as: JPH0310366B2; JPS5987018A; DE3232134A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Sorptions filters mit mindstens zwei Sorptionsmaterialschichten, wobei das Sorptionsfilter sorptionsfähige Beimengen eines Gasstromes abscheidet und nach Beladung bis maximal zu der den Beimengungen entsprechenden Gleichgewichtsbeladung mit einem erhitzten gasför igen Desorptionsmedium regeneriert wird und wobei der zu reini gende Gasstrom alle Sorptionsmaterialschichten in Art einer Parallelschaltung und das gasförmige Desorptionsmittel alle be ladenen Sorptionsmaterialschichten in Art einer Hintereinander schaltung durchströmt und das gasförmige Desorptionsmittel ein im wesentlichen gegenüber dem Sorptionsmaterial und den abgeschiedenen Beimengungen inertes Gas ist.

Zum Abscheiden dampf- oder gasförmiger Verunreinigungen aus einem Gasstrom, beispielsweise Abluft, wird oft Aktivkohle eingesetzt; um die abgeschiedenen Stoffe zurückzugewinnen und die Aktivkohle wieder aufnahmebereit zu machen, wird eine Regeneration mittels aufgeheizten Gases durchgeführt. Derartige Heißgasdesorptionen sind aus DE-PS 16 19 850 oder DE-OS 22 31 640 bekannt. Wie darüber hinaus aus der DE-OS 29 52 127 oder aus der DE-OS 29 36 873 bekannt, wird zur Regeneration das gasförmige Desorptionsmittel aufgeheizt, durch die Sorptionsmaterialschicht getrieben, das mit Desorbat beladene Desorptionsmedium nach dem Durchströmen durch die Sorptionsmaterial schicht gekühlt, wobei das Desorbat mindestens teilweise konden siert und der verflüssigte Desorbatanteil zurückgeleitet wird. Um Verluste des gasförmigen Desorptionsmittels und rückgewinnbarem De sorbat zu vermeiden, wird das Desorptionsmittel mit den nicht kon densierten Desorbatresten häufig wieder zur Aufheizstelle zurückge führt, dort aufgeheizt und im Kreislauf erneut durch die Sorptions materialschicht gedrückt. Da der Partialdruck des Desorbats nur bis zum Gleichgewicht mit der Dampfsättigungskonzentration entsprechend der erreichten Kühltemperatur abgesenkt werden kann, kann die De sorption wegen des Rest-Partialdruckes des Desorbats nicht voll ständig sein, das Sorptionsmaterial behält eine Restbeladung. Be sonders hohe Restbeladungen verbleiben, wenn relativ dünne Schich ten von Aktivkohle (0,5 m und weniger) eingesetzt sind. Dickere Schichten jedoch führen zu höheren Druckverlusten und damit zu ei nem überhöhten Energieverbrauch.

Um den Partialdruck des Desorbats im Desorptionsmittel während der Desorption zu senken, wird nach US-PS 35 34 529 an Stelle der Kon densation im Desorptionsmittel-Kreislauf ein Sekundär-Adsorptions filter vorgesehen. Dadurch wird zumindest in der Anfangsphase der Desorption erreicht, daß der Partialdruck des Desorbats im Desorp tionsmittel praktisch verschwindet. Um den niedrigen Partialdruck über den gesamten Verlauf der Desorption aufrechterhalten zu können, bedarf es jedoch einer Auslegung des Sekundär-Adsorbers, die etwa der des Adsorptionsfilters selbst entspricht: Das Sekundär-Adsorp tionsfilter muß die gesamte im Adsorptionsfilter gespeicherte Mas se an Desorbat aufnehmen können ohne zum Durchbruch zu kommen, zu mal die Temperatur des Desorptionsmittels zum Desorptionsende hin an steigt und - um die hohe Beladung des Sekundär-Adsorbers zu erhal ten - ein erhöhter Kühlungsaufwand betrieben werden muß. Trotz der durch den während der Desorption hohen Partialdruck bedingten hohen Beladbarkeit des Sorptionsmaterials des Sekundär-Adsorbers kann da her dieser Sekundär-Adsorber nicht wesentlich kleiner ausgelegt werden als das Sorptionsfilter selbst.

Um große Volumenströme von mit geringen Verunreinigungs-Konzentra tionen beladenen Gasen reinigen zu können, schlägt die DE-OS 26 26 893 unter Anwendung von Inertgas-Desorption vor, das im Adsorber eingesetzte Sorptionsmaterial in einer Anzahl einzelnen Sorptions materialschichten anzuordnen, die während der Adsorptionsphase in Art einer Parallelschaltung vom Trägergasstrom durchströmt werden. Um bei im wesentlichen gleichen Anströmverhältnissen die Desorption wirtschaftlich durchführen zu können, wird darüber hinaus vorge schlagen, während der Desorption mit einem heißen inerten Gas dieses durch die Sorptionsmaterialschichten in Art einer Hintereinander schaltung strömen zu lassen. Das abströmende, desorbathaltige Gas wird dann in einem Sekundär-Adsorber von seiner Beladung befreit, wobei es - um die Adsorption im Sekundär-Adsorber überhaupt zu ermöglichen - vor Eintritt in diesen abgekühlt wird. Eine Rück führung des aus dem Sekundär-Adsorber austretenden nunmehr von Ver unreinigungen (nahezu) freien Gases mittels eines Kreislaufventi lators ist vorgesehen. Durch diesen Vorschlag wird eine Reinigung auch großer Volumenströme, die mit geringen Konzentrationen an Ver unreinigungen beladen sind, möglich, weil die Desorptionsführung eine verschwindend geringe Restbeladung des in den Schichten vor handenen Sorptionsmaterials zur Folge hat und so dünne Sorptions materialschichten zur Gasreinigung möglich sind. Die Desorption selbst erfolgt bei gleichen Anströmgeschwindigkeiten mit 1/n-tel des Volumenstroms des zu reinigenden Gases, wobei n die Anzahl der Sorptionsmaterialschichten ist. Die Rückgewinnung des Desorbats aus dem Sekundär-Adsorber erfolgt dabei in üblicher Technik. Während der Desorptionsphase sind ständig alle Desorptionsmaterialschichten vom gasförmigen Desorptionsmittel durchflossen, das Kreislaufgebläse muß demnach ständig mit voller Leistung gefahren werden, darüber hinaus ist der dem gesamten Adsorptions-Behälter entsprechende Wärmeverlust durch ein nachheizen zu decken.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, daß die Desorption bei gleicher Wirksamkeit wirtschaftlicher durchgeführt werden kann, wo bei die Restbeladung auch dann gering gehalten werden soll, wenn durch Desorbat-Kondensation Restkonzentrationen nicht zu vermeiden sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei der Desorption zunächst alle Sorptionsmaterialschichten vom erhitzten, gasförmigen Desorptionsmittel durchströmt sind und mit im Zeitver lauf fortschreitender Desorption zunächst die erste, dann auch die folgende und schließlich auch die weiteren vom Desorptionsmittel strom umgangen werden, bis die letzte Sorptionsmaterialschicht er reicht ist. Durch dieses Vorgehen wird erreicht, daß während der Desorptionsphase immer nur so viele Sorptionsmaterialschichten im Desorptionsmittel-Kreislauf sind, wie noch nicht desorbiert. Dies bedeutet, daß sich die vom Kreislaufgebläse zu erzeugende Druck differenz mit fortschreitender Desorption ständig verringert und somit auch die vom Antriebsmotor des Kreislaufgebläses aufgenommene Leistung. Zwar lehrt auch die AT-PS 2 24 090 ein Ausschalten der Sorptionsmaterialschichten mit fortschreitender Desorption, wobei jedoch stets eine neue, noch nicht desorbierte Sorptionsmaterial schicht für die aus dem Desorptionsmittelstrom genommene zugeschal tet wird. Auf diese Art und Weise wird eine quasi-kontinuierliche Desorption erreicht, die zusammen mit den Adsorptionsphase befind lichen Schichten der Anordnung ein quasi-kontinuierliches Verfahren zur Gasreinigung erlaubt, wobei sich stets die gleiche Anzahl von Schichten in Desorption befinden.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das Ausschalten einer der Sorptionsmaterialschichten aus dem Desorptions mittelstrom durch den Temperaturanstieg des Desorptionsmittels hin ter dieser Sorptionsmaterialschicht, der mittels eines Thermofühlers gemessen wird, ausgelöst wird. Alternativ dazu wird vorgeschlagen, daß das Ausschalten einer der Sorptionsmaterialschichten aus dem Desorptionsmittelstrom durch den Abfall der Konzentration des aus getriebenen Desorbats, der mittels eines Konzentrations-Meßgerätes gemessen wird, ausgelöst wird. Die mit dem im Kreislauf geführten gasförmigen Desorptionsmittel betriebene Desorption bewirkt eine Wärmeübertragung auf das Sorptionsmaterial, wobei die übertragene Wärme zunächst als Desorptionsarbeit verbraucht wird. Ein Tempera turanstieg des Sorptionsmaterials erfolgt im wesentlichen erst nach dem Austreiben. Bei dem Durchgang durch das noch nicht desorbierte Sorptionsmaterial wird das gasförmige Desorptionsmittel durch Wärme entzug zunächst gekühlt und tritt solange die Desorption der Sorp tionsmaterialschicht noch nicht beendet ist, kühl aus dieser aus. Ein Temperaturanstieg erfolgt dann, wenn die Sorptionsmaterialschicht durchgehend desorbiert ist. Dies kann der der Sorptionsmaterial schicht nachgeschaltete Temperaturfühler erkennen und das Ausschal ten der ihm vorgeschalteten Sorptionsmaterialschicht aus dem Kreis lauf bewirken. Alternativ dazu kann auch durch den Abfall der De sorbatkonzentration auf der Abströmseite der jeweiligen Sorptions materialschicht veranlaßt werden, wobei die Desorbatkonzentration beispielsweise mittels eines IR-Spektrometers bestimmt wird. Na türlich sind für den Umschaltvorgang auch empirische Zeitprogramme anwendbar.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb eines Sorp tionsfilters, bei dem das gasförmige Desorptionsmittel während der Desorptionsphase in einem Kreislauf geführt ist, ist dadurch ge geben, daß das gasförmige Desorptionsmittel zunächst ohne Kühlung vom Kreislaufgebläse zurückgefördert wird, bis der Durchbruch der letzten Sorptionsmaterialschicht eintritt und Desorbat in den kon densierbarer Konzentration anfällt. Durch diesen Vorschlag wird ver hindert, daß die energieaufwendige Kühlung des Kondensators in der Anfangsphase der Desorption in der Desorbat in kondensierbarer Kon zentration noch nicht anfällt, in Betrieb genommen werden muß. Da rüber hinaus wird das gasförmige Desorptionsmittel während dieser Anfangsphase nicht abgekühlt, so daß auch der für die Nachheizung notwendige Energieeinsatz verringert ist. Erst wenn die Beladung der letzten Schicht im Zusammenhang mit der ansteigenden Temperatur Desorbat in solcher Konzentration austreten läßt, daß die der Kon densatortemperatur entsprechende Sättigungskonzentration überschrit ten wird, wird er Kondensator zugeschaltet und das Desorbat aus kondensiert. Durch diesen Vorschlag wird nicht nur der für die Kühlung notwendige Energieaufwand eingespart, es wird darüber hinaus auch das Wiederzuführen der durch die Kühlung abgeführten Wärme energie in dieser Anfangsphase überflüssig.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß das Desorptionsmittel nach er folgter Desorption der Sorptionsmaterialschichten und Kondensation des Desorbats weiter als Kühlmittel umgewälzt wird, bis die Tempe ratur der Sorptionsmaterialschichten hinreichend niedrig ist und eine noch verbleibende Restbeladung der letzten Sorptionsmaterial schicht wenigstens teilweise auf die anderen Schichten verteilt ist. Durch diesen Vorschlag wird sichergestellt, daß eine mög licherweise noch verbliebene Restbeladung der letzten Sorptions materialschicht die von der Desorption noch durchgeheizt ist, vom Kreislauf des als Kühlmittel geführten Desorptionsmittels aufge nommen und an die vorher angeordneten, bereits abgekühlten Sorptions materialschichten übertragen wird. Dabei ist es zweckmäßig analog zur Desorption vorzugehen und - etwa nach einem Zeitprogramm oder nach fortschreitender Kühlung, entsprechend den zwischen den Schich ten gemessenen Temperaturen - von der zuerst angeströmten Sorptions materialschicht ausgehend, die aufeinanderfolgenden Schichten sukzessive aus dem Kühlmittelstrom herauszunehmen und zu umgehen.

Der Ablauf des Verfahrens ist folgender: Nachdem das über die Rohgasleitung 2 in die Gaseinströmräume einströmende Rohgas De sorptionsmaterialschichten 1.1, 1.2 und 1.3 durchsetzt hat und dort die in ihm enthaltenden dampf- oder gasförmigen Verunreinigungen an das Sorptionsmaterial abgegeben hat, verläßt das sich in den Gassammelräumen sammelnde Reingas über die Anschlußleitungen 3.1 und 3.2 und die Reingasabgangsleitung 3 das Sorptionsfilter. Dabei sind sowohl die rohgasseitigen Schieber 4.1 und 4.2 als auch die reingasseitigen Schieber 5.1 und 5.2 geöffnet, während die Ventile des Desorptionskreislaufes geschlossen sind. Nach einer gewissen Zeit ist das Sorptionsmaterial mit den abzuscheidenden Verunreini gungen beladen; die Reinluftkonzentration überschreitet einen vor gegebenen Wert. In diesem Zeitpunkt wird das Sorptionsfilter 1 von "Reinigen eines Gases" auf "Regenerierung" umgeschaltet. Die Reinigung des Gases übernimmt nun zum Beispiel ein anderes, nicht dargestelltes Sorptionsfilter.

Zur Regenerierung wird die Luft im Adsorber und in dem Desorptions kreislauf gegen ein inertes Gas, vorzugsweise gegen Stickstoff ausgetauscht. Zur Einleitung der Regeneration wird das beladene Sorptionsmaterial der Sorptionsmaterialschichten 1.1, 1.2 und 1.3 zunächst desorbiert. Dazu wird das Kreislaufgebläse 6 in Betrieb genommen, daß das gasförmige Desorptionsmittel über den Wärme tauscher 7 und die Zuführungsleitung 8 dem Sorptionsfilter 1 zuleitet, wobei zunächst lediglich das Ventil 11.1 der Zuführungs leitung 8.1 geöffnet ist. Das gasförmige Desorptionsmittel durch setzt die Sorptionsmaterialschichten 1.3, 1.2 und 1.1 und strömt bei geöffnetem Ventil 11.4 über die Leitung 9, den Gaskühler 10 und die Saugleitung 6.2 zum Kreislaufgebläse zurück. Die Heizung des Wärmetauschers 7 und die Kühlung des Gaskühlers 10 werden eben falls in Betrieb genommen. Das erhitzt in die Sorptionsmaterial schicht 1.3 eintretende Desorptionsmittel erhitzt diese und treibt das Desorbat aus. Sowohl durch die Erhitzung als auch durch die auf zubringende Desorptionsarbeit kühlt sich das Desorptionsmittel ab und verläßt die erste Schicht zunächst mit relativ niedriger Temperatur, die jedoch mit einer hohen Desorbat-Konzentration, die höher ist als die der gas- bzw. dampfförmigen Verunreinigungen im zu reinigenden Luftstrom. Infolge dieser hohen Konzentration ist es möglich der folgenden noch kalten Schicht 1.2 eine wesentlich höhere Gleichgewichtsbeladung an Sorbat aufzuzwingen. Das Desorp tionsmittel hat beim Austritt aus dieser Schicht eine Desorbat konzentration, die in der Größenordnung der Konzentration liegt, wie sie im zu reinigenden Gasstrom herrscht. Sie liegt somit weit unter der Dampfsättigungskonzentration; im Gaskühler 10 erfolgt in dieser Phase keine Kondensation.

Wenn nach einer gewissen Zeit - aus einer Zwei-Schicht-Modellanlage kann auf Zeiten von 30-60 Minuten geschlossen werden - die Konzen tration des Desorbats ansteigt, ist das bezüglich der Desorption erste Bett 1.3 durchgeheizt. Es wird nun das Ventil 11.1 geschlos sen und das Ventil 11.2 geöffnet, so daß das erhitzte gasförmige Desorptionsmittel nunmehr in den Zwischenraum zwischen der zuerst desorbierten Sorptionsmaterialschicht und der folgenden einströmt. Die Desorption dieser Schicht läuft dabei ähnlich ab wie die De sorption der vorhergehenden. Zunächst wird - wegen der sehr hohen Konzentration des Desorbats - die folgende noch kalte Sorptionsma terialschicht 1.1 bis zur entsprechenden Gleichgewichtskonzentration beladen. Erst mit fortschreitender Durchheizung erfolgt die Über führung des Desorbats auf die - im Flußschema - letzte Sorptions materialschicht. Diese letzte Sorptionsmaterialschicht ist zu die sem Zeitpunkt noch kalt, sie kann noch bis zu der, der Desorbat konzentration im Desorptionsmittel entsprechenden Gleichgewichts konzentration beladen werden. Im allgemeinen wird dabei der Durch bruch rasch erreicht und es beginnt die Kondensation des Desorbats im Gaskühler. Das verflüssigte Desorbat verläßt den Gaskühler über den Ablaß 10.1.

Die Desorption der unteren Sorptionsmaterialschicht 1.1 erfolgt jetzt nicht mehr so weitgehend wie die Desorption der vorgelager ten Schichten, da die Konzentration des Desorbats im rückgeführten Desorptionsmittel viel höher liegt und der Dampfsättigungskonzen tration entsprechend der erreichten Temperatur im Gaskühler 10 ent spricht. Nach Beendigung der Desorption - das Versiegen des Konden sats ist dafür ein Anzeichen - wird die Beheizung des Wärmetauschers 7 abgeschaltet und so dem gasförmigen Desorptionsmittel keine weitere Wärme zugeführt. Das weiter im Kreislauf geführte nunmehr kalte Gas wird dabei über das geöffnete Ventil 11.1 bei geschlossenen Ventilen 11.2 und 11.3 durch alle Sorptionsmaterialschichten ge leitet, wobei die Sorptionsmaterialschichten gekühlt werden. Das in der zuletzt desorbierten Sorptionsmaterialschicht noch ge speicherte Desorbat wird während der Abkühlung umlagert, so daß am Schluß der Kühlung die Restbeladung ungefähr gleichmäßig auf die Sorptionsmaterialschichten verteilt vorliegt. Damit ist die Regene ration des Sorptionsfilters 1 beendet; es kann nach Schließen der Ventile 11.1, 11.2, 11.3 und 11.4 sowie nach Öffnen der rohgassei tigen Schieber 4.1 und 4.2 sowie der reingasseitigen Schieber 5.1 und 5.2 wieder in den Betriebszustand "Reinigung des Gasstromes" umgeschaltet werden.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Sorptionsfilters mit mindestens zwei Sorptionsmaterialschichten, wobei das Sorptionsfilter sorptions fähige Beimengungen eines Gasstromes abscheidet und nach Beladung bis maximal zu der den Beimengungen entsprechende Gleichgewichts beladung mit einem erhitzten, gasförmigen Desorptionsmedium re generiert wird und wobei der zu reinigende Gasstrom alle Sorptions materialschichten in Art einer Parallelschaltung und das gasförmige Desorptionsmittel alle beladenen Sorptionsmaterialschichten in Art einer Hintereinanderschaltung durchströmt und das gasförmige De sorptionsmittel ein im wesentlichen gegenüber dem Sorptionsmittel und den abgeschiedenen Beimengungen inertes Gas ist, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Desorption zunächst alle Sorptionsma terialschichten (1.3, 1.2, 1.1) vom erhitzten gasförmigen De sorptionsmittel durchströmt sind und mit im Zeitverlauf fort schreitender Desorption zunächst die erste, dann auch die folgende und schließlich auch die weitere vom Desorptionsmediumstrom um gangen werden, bis die letzte Sorptionsmaterialschicht erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausschal ten einer der Sorptionsmaterialschichten (1.3; 1.2; 1.1) aus dem Desorptionsmittelstrom durch den Temperaturanstieg des Desorptions mittels hinter dieser Sorptionsmaterialschicht (1.3; 1.2; 1.1), der mittels eines Thermofühlers gemessen wird, ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus schalten einer der Sorptionsmaterialschichten (1.3; 1.2; 1.1) aus dem Desorptionsmittelstrom durch den Abfall der Konzentration des ausgetriebenen Desorbats hinter dieser Sorptionsmaterial schicht (1.3; 1.2; 1.1), der mittels eines Konzentrations-Meß geräts gemessen wird, ausgelöst wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Sorptionsfilters, bei dem das gas förmige Desorptionsmittel während der Desorptionsphase in einem Kreislauf geführt ist, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Desorptionsmittel zu nächst ohne Kühlung vom Kreislaufgebläse zurückgefördert wird, bis der Durchbruch der letzten Sorptionsmaterialschicht eintritt, und Desorbat in kondensierbarer Konzentration anfällt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gas förmige Desorptionsmedium nach abgeschlossener Desorption aller Desorptionsmaterialschichten (1.3, 1.2, 1.1) und Kondensation des Desorbats weiter als Kühlmedium umgewälzt wird und dabei alle Sorptionsmaterialschichten (1.3, 1.2, 1.1) durchströmt, bis deren Temperatur hinreichend niedrig ist und die Restbeladung der letzten Sorptionsmaterialschicht (1.1) wenigstens teilweise auf die anderen Schichten verteilt ist.