DE4201033A1

DE4201033A1 - Vorrichtung und verfahren zur abscheidung von aerosolen

Info

Publication number: DE4201033A1
Application number: DE4201033A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Fichtner; Dieter Dipl Ing Pauli; Dieter Dipl Ing Boehme; Manfred Dipl Ing Jaenig
Original assignee: INGENIEURBETRIEB ANLAGENBAU LE
Current assignee: INGENIEURBETRIEB ANLAGENBAU LE
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1993-07-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen Abscheidung von bei der Wasserelektrolyse im Wasserstoff- bzw. Sauerstoffstrom mitgeführten KOH-Aerosolen.

Zur Abtrennung von im Gasstrom mitgeführten KOH-Tröpfchen bei der Wasserelektrolyse ist es bereits bekannt, in einem diskontinuierlichen Prozeß den gasförmigen Wasserstoff bzw. Sauerstoff in Form einer Blasensäule durch eine Waschflüssigkeit und/oder durch einen Demister zu leiten. Es sind gemäß Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße, 4. Auflage 1975, Band 10, S. 660 auch bereits mit Flüssigkeiten berieselte Demister bekannt. Nachteilig beim bekannten diskontinuierlichen Verfahren ist die relativ große Menge anfallender Waschflüssigkeit und die mit der Sättigung derselben durch die ausgeschiedenen KOH-Tröpfchen absinkende Qualität des gereinigten Gases. Ein kontinuierliches Abscheiden von KOH-Tröpfchen unterbleibt bisher infolge des hohen Bedarfs an Waschflüssigkeit und deren Entsorgung. Dazu kommt, daß die bei der Wasserelektrolyse im Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgasstrom mitgeführten KOH-Tröpfchen, die aus Deionat und Kalilauge bestehen, ein Tropfenspektrum besitzen, dessen Abscheidung mit den bekannten Apparaten und Verfahren nur unvollständig erreicht werden kann. Ein beispielsweise für die Züchtung hochreiner Kristalle erforderlicher, von Aerosolen nahezu freier Sauerstoff bzw. Wasserstoff, kann damit nicht gewonnen werden. Darüber hinaus wirken die im Gasstrom mitgeführten Aerosole schädigend auf die zur Gesamtanlage gehörenden Aggregate, z. B. die Verdichter, ein.

Zielstellung ist es, bei der Herstellung hochreinen Sauerstoffes bzw. Wasserstoffe, Gasunreinheiten in Form von in den Gasströmen mitgeführten KOH-Tröpfchen, die zu Produktschäden in Folgeprozessen führen und die sich schädigend auf Anlagenteile auswirken können, weitestgehend zu reduzieren, sowie die Kosten für Waschflüssigkeiten und deren Entsorgung zu vermeiden.

Die Aufgabenstellung richtet sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Reinigung aerosolbeladener Gasströme, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, unter Anwendung bekannter Reinigungsverfahren und Verwendung von Demistern, mit dem ein höherer Abscheideeffekt bezüglich der in den Gasströmen mitgeführten KOH- Tröpfchen erzielt wird und Einsparungen an Waschflüssigkeit und deren Entsorgung eintreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe wie folgt gelöst. Der zu reinigende gasförmige Sauerstoff bzw. Wasserstoff wird einem Apparat zugeführt, der teilweise mit einer Waschflüssigkeit zweckmäßig dem der Elektrolyse zuzuführendem Deionat, gefüllt ist.

Die Füllstandshöhe der Waschflüssigkeit wird durch ein aus dem Apparat herausführendes Ablaufrohr bestimmt, welches außerhalb des eigentlichen Blasensäulenraumes, dem Ablaufbereich, in Höhe des oberen Drittels eines den Blasensäulenraum bildenden Rohres die Apparatewandung durchdringt. Das den Blasensäulenraum bildende Rohr ist in die Waschflüssigkeit eintauchend angeordnet und endet dort in der Höhe des Apparatebodens. Der nach oben aus der Waschflüssigkeit herausragende Teil desselben ist zur Apparatewandung hin sich trichterförmig erweiternd ausgebildet. Dieses Rohr kann auch insgesamt trichterförmig ausgebildet sein, seine untere Öffnung ist dabei geringfügig größer als das den Gasstrom von unten in den Apparat führende Zuleitungsrohr, welches unterhalb des Spiegels der Waschflüssigkeit endet und mit einer Siebplatte verschlossen ist. Der Abstand zwischen der Siebplatte und dem Spiegel der ruhenden Flüssigkeit beträgt etwa das 1-2fache des Durchmessers des den Blasensäulenraum bildenden Rohres. Die Öffnungen der Siebplatte mit einem Durchmesser von 4 bis 6 mm, vorzugsweise 5 mm, sind in bekannter Weise gleichmäßig über deren Fläche verteilt angeordnet und so bemessen, daß ihre freie Durchtrittsfläche zur freien Fläche des Blasensäulenraumes in einem Verhältnis von 1 : 40 bis 1 : 60, vorzugsweise 1 : 45 bis 1 : 55, steht. Über den Flüssigkeitsspiegel, zweckmäßig im Bereich der Berührung des den Blasensäulenraum bildenden oben erweiterten Rohres mit der Apparatewandung, ist ein an sich bekannter Demister angeordnet, dessen Höhe und Porösität dem Stand der Technik entsprechend 0,1 bis 0,15 m bzw. 95 bis 98% beträgt, seine Fläche steht zur Fläche des Blasensäulenraumes in einem Verhältnis von 2 : 1 bis 4 : 1. Über diesem Demister ist ein Verteilerboden zwecks gleichmäßiger Verteilung der Waschflüssigkeit auf diesem angeordnet. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen, die gleichmäßig auf dem Verteilerboden angeordnet sind, beträgt 15 bis 30 mm, der freie Querschnitt dieser Durchtrittsöffnung für die Waschflüssigkeit steht zum freien Querschnitt der Durchtrittsöffnungen in der Siebplatte in einem Verhältnis von 0,2 : 1 bis 1 : 1.

Der Zulauf der Waschflüssigkeit erfolgt über einen über dem Verteilerboden angeordneten Rohrstutzen. Es kann vorteilhaft sein, über dem Siebboden, beispielsweise am Ausgang des Apparates, einen weiteren Demister anzuordnen.

Verfahrensgemäß wird das mit KOH-Tröpfchen belastete Gas mit einer auf den freien Querschnitt der Blasensäulen bezogenen Geschwindigkeit (Gasleerrohrgeschwindigkeit) von 0,15 bis 0,3 m/s dem Blasensäulenraum zugeführt. Gleichzeitig erfolgt die Zuführung von Waschflüssigkeit zum Verteilerboden, deren Menge so bemessen ist, daß der sich einstellende freie Lückenquerschnitt im Demister zum Blasensäulenquerschnitt für Sauerstoff in einem Verhältnis von 0,1 bis 0,2 zu 1, vorzugsweise 0,15 : 1 und für Wasserstoff von 0,025 bis 0,05 : 1, vorzugsweise 0,03 : 1, steht.

In der sich ausbildenden Blasensäule wird ein relativ großer Anteil der tröpfchenförmig im Gasstrom mitgeführten Kalilauge ausgewaschen und infolge der sich im Blasensäulenraum ausbildenden Strömungsverhältnisse, unterstützt durch die von oben dem Demister durchdringende Waschflüssigkeit, Deionat zum Behälterboden gespült. Von dort gelangt dieses in den Ablaufbereich zwischen dem den Blasensäulenraum bildendem Rohr und der Apparatewandung, aus dem diese über den aus dem Behälter herausführenden Ablaufstutzen abgeleitet und der Elektrolyse bzw. der Elektrolytherstellung zugeführt wird. Der den Blasensäulenraum verlassende, von KOH-Tröpfchen weitestgehend befreite Gasstrom durchdringt danach den Demister im Gegenstrom zu der diesen passierenden Waschflüssigkeit, durchströmt die Öffnungen im Verteilerboden und verläßt den Apparat über den Ausgangsstutzen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß die in dem Gasstrom mitgeführten KOH-Tröpfchen in einem kontinuierlichen Prozeß weitestgehend abgeschieden werden und die Waschflüssigkeit, das Deionat, der Elektrolyse zugeführt werden kann, ohne daß eine Entsorgung erforderlich ist.

Ausführungsbeispiele

Mit den nachfolgenden Ausführungsbeispielen soll die Erfindung erläutert werden, die beigefügte Zeichnung zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Ausführungsbeispiel 1

Eine vorrichtung zum Abscheiden der in einem Wasserstoffstrom von 120 m³/h nach der Wasserelektrolyse mitgeführten KOH-Tröpfchen besteht aus einem Apparat mit von unten durch den Boden desselben führenden Zuleitungsrohr 6, welches mit einer Siebplatte 6.1 bedeckt ist. Das Zuleitungsrohr 6 ragt etwa 50 mm in den Apparat hinein. Dieses Zuleitungsrohr 6 umgebend ist ein weiteres, den Blasensäulenraum 4 bildendes Rohr 5 im Apparat so angeordnet, daß es in einem geringen Abstand vom Apparateboden, unterhalb der Siebplatte 6.1 beginnt und etwa 400 mm oberhalb derselben mit der Apparatewandung 1 verbunden ist. Im Bereich des sich zwischen dem Rohr 5 und der Apparatewandung 1 bildenden ringförmigen Ablaufbereiches 4.1 ist ein die Apparatewandung 1 durchdringendes Ablaufrohr 3 so angeordnet, daß sich bei Füllung dieses Bereiches mit Waschflüssigkeit 2 ein Flüssigkeitsspiegel in Höhe von 200 mm über der Siebplatte 6.1 einstellt. Der Durchmesser der Bohrung der Siebplatte 6.1 beträgt 5 mm, der freie Strömungsquerschnitt derselben beträgt 2,1 · 10^-3 m², der Durchmesser des Rohres 5 beträgt 0,35 m.

In einem Abstand von 170 mm ist oberhalb des ruhenden Flüssigkeitsspiegels ein Aerosol-Grobabscheider 7 angeordnet, dessen Querschnitt zweimal so groß wie der des Rohres 5 ist und der eine Höhe von 150 mm und eine Porosität von 98% aufweist. Über diesem Aerosol-Grobabscheider 7 ist ein Verteilerboden 8 angeordnet, mittels dem die dem Apparat 1 über einen Rohrstutzen 9 zufließende Waschflüssigkeit gleichmäßig über den Aerosol-Grobabscheider 7 verteilt wird. Die Durchbrüche 8.1 in diesem Verteilerboden 8 haben einen Durchmesser von 20 mm, die gesamten Durchtrittsöffnungen 8.1 einen Querschnitt von 1,9 · 10^-2 m². Das Wasserstoffgas wird mit einer Gasleerrohrgeschwindigkeit von 0,30 m/s über den Rohrstutzen 6 dem mit Deionat gefüllten Apparateunterteil zugeführt. Gleichzeitig erfolgt die Zufuhr von 3,8 · 10^-2 m³/s Waschflüssigkeit über die Rohrstutzen 9 zum Verteilerboden 8. Das Wasserstoffgas durchströmt zunächst, eine Blasensäule bildend, die Waschflüssigkeit und im Gegenstrom zur Waschflüssigkeit den Aerosol-Grobabscheider 7 und wird nach Durchströmen der Durchbrüche 8.1 im Verteilerboden durch den Apparatedurchgang 10 aus dem Apparat herausgeführt.

Ausführungsbeispiel 2

Als zweites Beispiel wird der dem Beispiel 1 analoge Sauerstoffaerosolabscheider beschrieben. Funktion und Wirkungsweise entsprechen dem Wasserstoffaerosolabscheider. Aufgrund der Stöchiometrie der elektrolytischen Zersetzung von Wasser durchströmen den Sauerstoffaerosolabscheider 60 m³/h Sauerstoff. Das Zuleitungsrohr 6 ragt genau wie im Beispiel 1 50 mm in den Apparat 1 hinein. Jedoch hat das den Blasensäulenraum 4 bildende Rohr 5 einen Durchmesser von 0,25 m. Der gesamte freie Querschnitt des Verteilerbodens dieses Apparates beträgt 9,8 · 10^-2 m³ und die Waschflüssigkeitsmenge 1,9 · 10^-2 m³/s. Die gesamte Anordnung der Bauteile und alle noch nicht genannten Abmessungen entsprechen dem Beispiel 1.

Claims

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Aerosolen aus Gasen, insbesondere bei der Wasserelektrolyse in den Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgasströmen mitgeführten KOH-Tröpfchen, unter Verwendung von Blasensäulen und Demistern, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit einer Waschflüssigkeit teilgefülltem Apparat von unten ein mit einer Siebplatte (6.1) bedecktes Zuleitungsrohr (6) eingeführt ist, welches unterhalb der durch einen außerhalb des Blasenraumes (4) angeordneten Ablauf (3) bestimmten Höhe des Flüssigkeitsspiegels der Waschflüssigkeit endet und welches von einem den eigentlichen Blasensäulenraum (4) bildenden Rohr (5) umgeben ist, das den Apparateboden wenigstens teilweise nicht berührt und den Blasensäulenraum (4) von dem Ablaufbereich (4.1) der Waschflüssigkeit abtrennt, wobei über dem Blasensäulenraum (4) ein Demister (7) und über diesem ein Verteilerboden (8) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Querschnitte der Siebplatte (6.1) zum Querschnitt des Blasensäulenraumes (4) in einem Verhältnis von 1 : 40 bis 1 : 60 vorzugsweise 1 : 45 bis 1 : 55 stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Siebplatte (6.1) und dem ruhenden Flüssigkeitsspiegel das 1,0 bis 2,0-fache des Durchmessers des den Blasensäulenraum bildenden Rohres (5) beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Demisters (7) das Zwei- bis Vierfache der Fläche des den Blasensäulenraum (4) bildenden Rohres (5) beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Durchtrittsöffnungen in dem Verteilerboden (8) in einem Verhältnis von 0,2 : 1 für Sauerstoff bis 1 : 1 für Wasserstoff zum Querschnitt des den Blasensäulenraum (4) bildenden Rohres (5) stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Blasensäulenraum (4) bildende Rohr (5) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels trichterartig ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Blasensäulenraum (4) bildende Rohr (5) insgesamt trichterartig ausgebildet ist, wobei der untere Durchmesser größer als der Durchmesser des in den Apparat ragenden Zuführungsrohres (6) ist.

8. Verfahren zur Abscheidung von Aerosolen aus Gasen, insbesondere bei der Wasserelektrolyse im Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgasstrom mitgeführten KOH-Tröpfchen unter Anwendung einer unter Anspruch 1 bis 7 genannten Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das mit KOH-Tröpfchen belastete Gas mit einer, auf den Querschnitt des Blasensäulenraumes (4) bezogenen Geschwindigkeit von 0,15 bis 0,3 m/s in diesen geleitet, wobei gleichzeitig Waschflüssigkeit dem Verteilerboden (8) in einer Menge zugeführt wird die so bemessen ist, daß der sich im Demister einstellende freie Lückenquerschnitt in einem Verhältnis zum Querschnitt des Blasensäulenraumes (4) bei Sauerstoff von 0,1 : 1 bis 0,2 : 1 und bei Wasserstoff von 0,025 : 1 bis 0,15 : 1 steht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Demister sich einstellende Querschnittsverhältnis für Sauerstoff 0,15 : 1 und für Wasserstoff 0,03 : 1 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Waschflüssigkeit Deionat eingesetzt wird, welches nach Anreicherung mit KOH als Elektrolysespeisewasser bzw. zur Kalilaugebereitung rückgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Waschflüssigkeit bei der Zuführung niedriger ist als die Temperatur im Waschprozeß.