DE3540634A1 - Verfahren zur abtrennung von bestandteilen einer fluidmischung durch sorption - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Erreichung einer optimalen Auftrennung einer Fluidmischung durch Sorption. Insbesondere betrifft dabei die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von Fluid­ mischungen exakter Zusammensetzungen, bei dem der gemessene Bestandteil durch Sorption an bewegten Grenz- oder Trenn­ flächen zugemischt wird.

In den letzten Jahren hat man zyklisch arbeitenden Trenn­ verfahren eine erhebliche Aufmerksamkeit geschenkt. Derartige Verfahren, wie beispielsweise die Druckswing-Adsorption, das parametrische Pumpen und die zyklische Zonenadsorption dienen dazu, kontinuierliche oder halbkontinuierliche Einsatzprodukt-Fluidströme durch periodische Veränderung einer thermodynamischen Variablen, die die Stofftrennung von Fluidbestandteilen mit einem Sorptionsmittel beein­ flußt, aufzutrennen. Der Zyklus ist dabei auf eine alternierende Sorption und Desorption von Bestandteilen ausgelegt, so daß die Fluidbestandteile abgetrennt werden und das Sorptionsmittel in seinen Ausgangszustand zurück­ kehrt, wenn ein Zyklus vollständig durchlaufen ist. Die Ströme des Einsatzprodukts und des Produkts können dadurch kontinuierlich gemacht werden, daß man mehrere Sorptions­ einheiten in paralleler Anordnug miteinander kombiniert, wobei jedoch in jeder Einheit notwendigerweise diskonti­ nuierliche Strömungsbedingungen auftreten, so daß das Sorptionsvermögen des Sorptionsmittels geändert werden kann, indem man thermodynamische Variable, wie beispiels­ weise die Temperatur, den pH oder beispielsweise den Druck, verändert, wodurch der andere Produktstrom erzeugt wird. Der diskontinuierliche Charakter der Strömung durch das Sorptionsmittel oder an diesem vorbei führt zu einer verminderten Wirksamkeit der Trennungen, da Fluidelemente miteinander vermischt werden, die dem Sorptionsmittel unter unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt wurden.

Alle praktischen Trenntechniken, die mit diskontinuierlicher Strömung arbeiten, führen zu einer Vermischung im Produkt­ reservoir. Da die Einsatzprodukt-Mischung durch den Behälter während des Sorptionszyklus des periodischen Verfahrens strömt, belädt sich das Sorbens mit dem sorbierten Fluidbe­ standteil, und das Sorptionsvermögen nimmt ab. Daher verarmt ein Fluid, das in einem früheren Stadium des Zyklus in den Behälter gelangt, stärker an sorbierbaren Bestandteilen als ein Fluid, das in einem späteren Stadium des Zyklus dorthin gelangt. Das führt dazu, daß die Zusammensetzung des Fluids, das die Sorbenszone verläßt, sich kontinuierlich verändert. Ein derartiges System kann nicht so wirksam ge­ steuert werden wie ein kontinuierliches, zeitunabhängiges Einzustandsverfahren, da man bei einem zyklischen Betrieb einen Kompromiß zwischen einer Optimierung für das frühe Stadium des Sorptionszyklus und das spätere Stadium ein­ hen muß. Die ideale Situation, in der die Produktströme unvermischt sind, würde eine unvertretbar große Anzahl getrennter Behälter sowie ein kompliziertes System zur Durchflußsteuerung erfordern.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine kontinuierliche Strömungstrennung oder -mischung zu schaffen, das die Nachteile vermeidet, die einem Mischen von Vorräten inherent anhaften. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kontinuier­ liches Verfahren zur Strömungstrennung oder -mischung zu schaffen, bei dem die einzige Abdichtung zwischen der Sorptions- und Desorptions-Zone das Sorptionsmittel selbst ist.

Diese Aufgaben werden bei einem Verfahren zur Abtrennung von Bestandteilen einer Fluidmischung durch Sorption durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein kontinuierliches Verfahren zur Abtrennung von Bestandteilen bzw. zur Auf­ trennung der Bestandteile einer Fluidmischung, bei dem als Grundvoraussetzung zuerst eine Sorptionszone sowie eine Desorptionszone ausgebildet wird. Die zwei Zonen sind durch eine Abgrenzung aus einem Sorbensmaterial voneinander getrennt, das sich kontinuierlich zwischen den Zonen hin- und herbewegt. Eine Fluidmischung wird in die Sorptions­ zone eingeleitet, wo die Bedingungen so gewählt sind, daß die Sorption eines der Bestandteile der Mischung durch das Sorbensmaterial begünstigt ist. Abschließend werden solche Bedingungen in der Desorptionszone erzeugt, daß der sorbierte Bestandteil desorbiert wird, wenn das Sorbensmaterial, das diesen sorbierten Bestandteil enthält, sich in die De­ sorptionszone bewegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung wird zwischen den beiden Zonen eine Anzahl rotierender Walzen angeordnet, die wenigstens auf ihren Oberflächen das Sorbensmaterial auf­ weisen und die reihenweise miteinander in Eingriff sind, so daß das Sorbensmaterial die Grenze zwischen den beiden Zonen bildet. Die Anzahl der Walzen ist zwangsläufig gerad­ zahlig und beträgt 4 oder mehr. Die Walzen müssen dabei keineswegs ähnlich sein oder sogar symmetrisch sein, solange sie eine Abgrenzung bilden, die von rotierenden Elementen gebildet wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet der desorbierte Bestandteil einen Teil einer zweiten Fluidmischung, die in der Desorptionszone anwesend ist. In einer derartigen Situationszone kann die Desorptionszone eine Reaktionszone sein, in der die Reaktionsgeschwindig­ keit durch die Menge des desorbierten Bestandteiles ge­ steuert wird, der in die Desorptionszone gelangt.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Desorptionsvorrichtung, die vier harte Walzen enthält, die mit dem Sorbens­ material überzogen sind und die eine Sorptionszone und vier Desorptionszonen bilden,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, die sechs weiche Walzen enthält, die entweder aus einem Sorbensmaterial hergestellt sind oder mit einem derartigen Material überzogen sind,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die mit dem Sorbens überzogenen Walzen anstelle eines kreisförmigen Querschnitts eher einen zahn­ radähnlichen Querschnitt aufweisen, und

Fig. 4 eine seitliche Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 1, wobei ein Teil der äußeren Abdeckung entfernt ist, um die Ausrichtung der Walzen zu zeigen.

Wie bereits erläutert wurde, wird durch das erfindungsge­ mäße Verfahren ein kontinuierliches Verfahren zur Abtrennung von Bestandteilen aus einer Fluidmischung geschaffen. Für die Erfindung sind getrennte Kammern erforderlich, die durch eine rotierende Sorbens-Barriere miteinander in Verbindung stehen, die kontinuierlich die Sorbens-Oberfläche verändert, die jeder Kammer ausgesetzt ist. Die Rotationsgeschwindig­ keit wird dabei so variiert, daß die Abtrennung in Ver­ bindung mit dem Durchsatz des Fluidstroms und den Sorptions/ Desorptions-Bedingungen optimiert ist.

Wie bereits erwähnt wurde, läßt man eine Fluidmischung in die Sorptionszone einströmen, wo die Bedingungen so gewählt sind, daß die Sorption eines der Bestandteile der Mischung durch das Sorbensmaterial begünstigt ist. Anschließend wer­ den in der Desorptionszone solche Bedingungen erzeugt, daß die Desorption des sorbierten Bestandteils begünstigt wird, wenn das Sorbensmaterial mit dem sorbierten Bestandteil sich in die Desorptionszone bewegt. Zur Beeinflussung der Sorption und Desorption des Bestandteiles der ursprünglichen Fluidmischung können thermodynamische Variable, wie beispiels­ weise die Temperatur und der Druck, verwendet werden. Andere Variable, wie beispielsweise der pH, die Konzentration anderer chemischer Bestandteile oder die elektrische Spannung, können ebenfalls dazu herangezogen werden, den Sorptions/Desorptions-Prozeß zu beeinflussen. Beispiele für Fluidtrennungen, die nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren durchgeführt werden können, sind die Trennung bzw. Anreicherung von wäßriger Essigsäure, wäßriger Glucose und Fructose, von Enzymmischungen in wäßriger Lösung, Di­ peptiden in wäßriger Lösung und von beliebigen Gasmischungen, bei denen ein Bestandteil oder eine Gruppe von Bestand­ teilen selektiv sorbierbar sind. Wasserstoff und Wasser können einfach aus unpolaren Gasen, wie beispielsweise aus den Abgasen einer Energieanlage, entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu verwendet werden, Fluidbestandteile miteinander zu vermischen. Diese Misch-Ausführungsform ist nützlich, wenn man präzis zusammen­ gesetzte Fluidmischungen herstellen möchte, wobei der zu dosierende Bestandteil in die Desorptions- oder Produkt­ kammer durch das Sorbensmaterial überführt wird. Die Produktkammer kann dabei in Wirklichkeit eine Reaktions­ kammer sein, in der die Zufuhr des vom Sorbens zugeführten Reaktanten geschwindigkeitsbestimmend ist. Ein Beispiel dafür ist die teilweise Oxidation von Kohlenwasserstoffen, bei der Sauerstoff aus einer Luftkammer mit Hilfe eines Sorbensmaterials in eine Reaktionskammer transportiert wird. In diesem Falle können beide Kammern unter einem hohen Druck gehalten werden, weil der absorbierte Sauerstoff statt durch Partialdruckverminderung wie im Falle anderer Fluidtrennungen eher durch Reaktion desorbiert wird. Der Druck in den beiden Kammern sollte dabei etwa gleich sein, um einen Gasdurchtritt (Leckströme) oder einen Pumpeffekt durch die sich bewegenden Elemente zu vermeiden.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendbare Sorbensmaterialien lassen sich generell vier Typen zuordnen:

• 1. Feststoffe, die Gase in ihrem Massenvolumen absorbieren können. Beispiele sind FeTi, LaNi₅ und die anderen so­ genannten Metallhydride, die Wasserstoff absorbieren können. Es können auch Feststoffe mit einer hohen spezifischen Oberfläche wie Fullererde, Bauxit, Alu­ miniumoxid, Gasadsorptionskohlenstoff, Silicagel und Zeolithe (Aluminosilicate) verwendet werden. In einigen der zuletzt genannten Beispiele ist eine beträchtliche Temperaturerhöhung erforderlich, um das Adsorptionsver­ mögen zu regenerieren. Das kann gewisse Modifikationen der Auslegung der Vorrichtung erfordern, damit die Desorptionskammer in der Lage ist, der Wärme zu wider­ stehen.
• 2. Poröse unlösliche Feststoffe, die Absorptionsmittel- Flüssigkeiten enthalten, wie beispielsweise Carboxy­ methylzellulose (CMC)/Wasser oder verseiftes Stärke-g- Polyacrylnitril (HSPAN)/Wasser, können auch verwendet werden. In jedem der Fälle ist das Wasser fest an den Feststoff gebunden, weist jedoch noch das gleiche Absorptionsvermögen auf wie reines Wasser. Andere polare Lösungsmittel oder wäßrige Lösungen können ebenfalls mit diesen Feststoffen (CMC oder HSPAN) verwendet werden, wobei es jedoch wahrscheinlich ist, daß eine Modifikation des Feststoff-Bestandteiles den bevorzugten Weg darstellt, ein spezielles Gasabsorptions-Anwendungsproblem zu optimieren. Im allgemeinen sollte die Polarität des Fest­ stoffs zu der der ausgewählten Absorbensflüssigkeit passen, um den Flüssigkeitsgehalt in der Sorbenskombi­ nation maximal zu gestalten. Folglich würden verschiedene durch Kohlenwasserstoffe quellbare Polyolefine einen ge­ eigneten mechanischen Träger für Alkane oder andere nichtpolare Flüssigkeiten darstellen.
• 3. Es können auch Gele verwendet werden, die aus derartigen Lösungsmitteln und löslichen Feststoffen, wie beispiels­ weise Polymeren aus löslichen Monomeren gebildet sind. Im Unterschied zu den unter 2. genannten Sorbenzien bildet der Feststoff in diesem Falle keinerlei Gerüst aus, weshalb das Gel als Überzug auf einen existierenden Feststoff aufgebracht werden oder möglicherweise auch in eine geeignete Form gegossen werden kann. Beispiele dafür sind Protein/Wasser, Zelluloseacetat/Wasser, ABS-Polymere/Ketone und Polystyrol/aromatische Lösungs­ mittel.
• 4. Ferner können Feststoffe verwendet werden, die durch eine Kombination von Fluiden gebildet wurden, die unter den Bedingungen in der Sorptionskammer verfestigen, ins­ besondere wenn eines der Fluide der sorbierte Bestand­ teil ist. Dieser Fall ist unter dem Gesichtspunkt der Schaffung eines Verfahrens, bei dem die Sorptionsphase die Kammer gegeneinander abdichtet, der komplizierteste Fall. Es ist jedoch der einzige Fall, bei dem eine Elastizität des Sorbens nicht erforderlich ist, um einen gut abgedichteten Sitz zwischen den sich bewegenden Elementen zu gewährleisten. Beispiele sind die Hydrat­ bildung oder die reversible Polymerisation eines Fluid­ monomers, das aus einer Mischung mit nicht polymerisier­ baren Bestandteilen entfernt wird. Es ist möglich, daß dann, wenn einer der kombinierten Bestandteile mehr oder weniger permanent mit dem sich bewegenden Element verbunden ist, beispielsweise Wasser im Falle einer Hydratbildung, dieser in oder an einem festen Träger­ material vorliegt, wie in den obigen Fällen 2. und 3.

Es ist für die vorliegende Erfindung sehr wichtig, daß das Sorbensmaterial die Abdichtung bildet, die die Sorptions­ zone von der Desorptionszone trennt. Um das zu bewirken, kann das Sorbensmaterial verformbar sein, so daß es eine annehmbare Dichtung liefert. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Trennung der beiden Zonen durch eine Anzahl rotierender Walzen gebildet, die wenigstens an ihren Oberflächen das Sorbensmaterial aufweisen und die in Reihen miteinander in Eingriff stehen, so daß das Sorbensmaterial die Grenze zwischen den beiden Zonen bildet. Die Anordnung der Walzen kann dabei kreisförmig oder auch geradlinig oder anders sein, solange dadurch wenigstens zwei unterschiedliche Zonen gebildet werden. Wenn das Sorbensmaterial nicht deformierbar ist, dann ist es wichtig, daß die Walzen, die sich unter dem Sorbens befinden oder dieses in irgendeiner anderen Weise tragen, deformierbar sind. Es ist möglich, anstelle von Walzen einen getriebe­ ähnlichen Aufbau in einer ähnlichen Anordnung zu verwenden.

Fig. 1 und 4 zeigen eine spezielle Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens, die ein Gehäuse 10 umfaßt, das vier nicht biegsame rotierende Walzen 12 aufweist, die in dem Gehäuse ange­ ordnet sind. Die Walzen 12 sind in reihenförmiger Anordnung miteinander in Eingriff und bilden einen polygonalen Zylinder. Die Walzen 12 und das Gehäuse 10 bilden auf diese Weise eine Sorptionszone B im Zentrum der Walzen 12 sowie vier getrennte Desorptionszonen A zwischen den Walzen 12 und der Innenwand des Gehäuses 10. Die Drehrichtung der Walzen ist dabei durch die Pfeile gezeigt. Die Walzen sind mit einem Sorbensmaterial überzogen, das die Abdichtung zwischen der Sorptions- und Desorptions-Zone sicherstellt. Um die Abdichtung zwischen den Zonen zu schützen, werden verformbare Dichtwalzen 24 am Walzenspalt eines jeden Walzenpaares 12 sowie an jedem Walzenspalt zwischen den Walzen 12 und der Innenwand des Gehäuses 10 vorgesehen.

Das Einsatzfluid tritt durch den Sorptionszoneneinlaß 16 in die Vorrichtung ein, wo es mit dem Sorbensmaterial in Kontakt kommt. Wenigstens einer der Bestandteile des Einsatzfluids wird von dem Sorbensmaterial in der Sorptions­ zone B sorbiert und anschließend in der Desorptionszone A desorbiert, nachdem die Walze 12, die das Sorbensmaterial enthält, sich in die Desorptionszone A gedreht hat. Der abgetrennte Bestandteil verläßt die Desorptionszone A durch die Desorptionszonen-Öffnungen 26, die mit der Desorptions- Sammelleitung 20 verbunden sind, und fließt dann durch den Desorptionszonen-Auslaß 22 ab. Das Fluid, aus dem dieser Bestandteil durch Sorption abgetrennt wurde, strömt aus dem Sorptionszonen-Auslaß 18 ab.

Fig. 12 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der sechs flexible rotierende Walzen 12 innerhalb eines Gehäuses 10 angeordnet sind. Die Walzen 12 sind entweder aus einem flexiblen Sorptionsmaterial hergestellt oder damit überzogen. Wiederum sorgt das Sorbensmaterial für die Abdichtung zwischen der Sorptionszone B und der Desorptionszone A. Das Einsatzfluid, beispielsweise ein Gas, strömt durch den Sorptionszonen-Einlaß ein, und die desorbierten Bestandteile verlassen die Vorrichtung durch den Desorptionszonen-Auslaß 22.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung, wobei in diesem Falle die Walzen 12 nicht rund sind. Sie weisen statt dessen eher einen getriebeartigen Aufbau auf, der für einen konstanten Kontakt zwischen den Walzen 12 sorgt, während diese rotieren. Die Walzen können flexibel oder unflexibel sein und können entweder aus einem Sorbensmaterial hergestellt sein oder damit überzogen sein.

Claims (4)

1. Kontinuierliches Verfahren zur Abtrennung von Bestand­ teilen einer Fluidmischung durch Sorption, gekennzeichnet durch

• a. Ausbilden einer Sorptionszone und einer Desorptionszone, die durch eine Abgrenzung aus einem Sorbensmaterial von­ einander getrennt sind, das sich kontinuierlich in jede der Zonen hinein- und wieder herausbewegt,
• b. Einleiten einer Fluidmischung in die Sorptionszone, in der solche Bedingungen herrschen, daß die Sorption eines der Bestandteile der Fluidmischung durch das Sorbens­ material gefördert wird und
• c. Gewährleisten von solchen Bedingungen in der Desorptions­ zone, daß der sorbierte Bestandteil desorbiert wird, wenn sich das Sorbensmaterial, das den sorbierten Bestandteil enthält, in der Desorptionszone aufhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zonen eine Vielzahl rotierender Walzen angeord­ net ist, die wenigstens an ihren Oberflächen das Sorbens­ material aufweisen und reihenweise miteinander in Eingriff stehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der desorbierte Bestandteil einen Teil einer zweiten Fluidmischung bildet, die in der Desorptionszone anwesend ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Desorptionszone eine Reaktionszone ist und die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Menge des desorbierten Bestandteiles bestimmt wird, der in die Desorptionszone gelangt.