DE4330167A1 - Verfahren und Sorbens zur Durchführung von Sorptionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Sorption, vorzugsweise einer Adsorption, eines Sorpti­ ves, vorzugsweise einer in Luft enthaltenen Feuchtigkeit, mittels eines Sorbens und einer späteren Desorption des Sorbens.

Desweiteren betrifft die Erfindung ein Sorbens zur Durchfüh­ rung von Sorptionen, vorzugsweise von Adsorptionen, und Desorptionen von Sorptiven, vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Es gibt die verschiedensten Fälle, beispielsweise verfah­ renstechnische Anwendungen, bei denen eine Sorption, insbeson­ dere eine Adsorption, durchgeführt werden muß, um ein Sorptiv "auszufiltern", und in denen anschließend das Sorbens für weitere Anwendungen durch eine Desorption regeneriert werden muß.

Ein einfacher Anwendungsfall wäre die Aufgabe, Feuchtig­ keit, insbesondere Wassergehalt, aus einer mit Feuchtigkeit gesättigten Luft heraus zu adsorbieren und anschließend die in dem Sorbens aufgenommene Feuchtigkeit im Rahmen einer Desorp­ tion wieder aus dem Sorbens zu entfernen, indem das Sorbens beispielsweise durch Hindurchleitung von heißer, trockener Luft wieder ausgeheizt wird.

Die Qualität des Sorptionsverhaltens bzw. des Desorptions­ verhaltens eines bestimmten Sorbens kann mittels eines funkti­ onellen Zusammenhanges erfaßt und erkannt werden, indem bei der Adsorption und bei der Desorption der zeitliche Verlauf dieses Vorganges unter Verwendung des jeweiligen Sorbens erfaßt wird, indem beispielsweise die Lufttemperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit, allgemein der Sorptivgehalt des Mediums, beim Austritt aus dem Sorbens über der Zeit aufgetragen wird. Je nach Sorptionsverhalten des jeweiligen Sorbens zeigt dieser Funktionsverlauf entweder eine relativ steile Front oder eine relativ flache Front. Ein flacher Frontverlauf bei der Adsorp­ tion bedeutet beispielsweise, daß das Sorbens, welches zu Anfang der Adsorption noch unbelastet ist, das Sorptiv willig aufnimmt, dann jedoch in seiner Adsorptionsfähigkeit konti­ nuierlich abnimmt, bis es letztlich so belastet ist, daß gar keine Adsorption mehr stattfindet, also ein sogenannter "Durchbruch" des Sorptives durch das Sorbens ohne Adsorptions­ wechselwirkung gegeben ist. Ein solches Sorbens würde man als Sorbens mit relativ schlechtem Sorptionsverhalten auffassen.

Ein Sorbens mit gutem Sorptionsverhalten weist eine steile Front auf, was bedeutet, daß das Sorbens über lange Zeit relativ konstant seine Adsorptionsfähigkeit behält, bis es ganz plötzlich bis zum Höchstmaß belastet ist und der obenge­ nannte "Durchbruch" erfolgt.

Ein steiler Frontverlauf bedeutet somit eine relativ gute Ausnutzung des jeweiligen Potentials, nämlich je nachdem, des Adsorptionspotentials oder des Desorptionspotentials, des Sorbens. Dies ist aber zumeist nachteilig mit relativ hohen irreversiblen Energieverlusten verbunden, insbesondere dann, wenn ein Desorptionspotential eines Sorbens bei der Desorption gut ausgenutzt wird und dazu beispielsweise zuvor aufgeheizte Luft verwendet wird, die sich wegen der am Anfang auf einem relativ hohen und beständigen Niveau befindlichen Desorption naturgemäß in dieser Zeit schlagartig relativ stark abkühlen muß und das Sorbens bei der Desorption erst nach dem sogenann­ ten "Durchbruch" unverändert heiß verlassen kann, wenn somit ohnehin keine Desorption in nennenswertem Umfange mehr statt­ findet.

Gerade die Energiebilanz bzw. die Exergiebilanz ist aber bei einem Adsorptions/Desorptions-Vorgang sehr wichtig. Zum Beispiel werden derartige Prozesse auch im weitesten Sinne im Rahmen der Energiegewinnung oder der Energiespeicherung benötigt, und es wäre unbefriedigend, wenn durch diese Prozes­ se selbst wiederum ein großer Teil der Energie relativ nutzlos verloren ginge. Aber auch allgemein ist, beispielswei­ se unter dem Aspekt des Umweltschutzes, ein hoher Energiever­ lust für derartige Prozesse immer unbefriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung einer Sorption bzw. Desorption bzw.

ein entsprechend zu verwendendes Sorbens anzugeben, welches thermodynamisch und verfahrenstechnisch insofern günstig wäre, als sowohl bei der Sorption als auch bei der Desorption das zugeführte Potential, z. B. das Temperaturpotential bei der Desorption und das Feuchtepotential bei der Adsorption, möglichst vollständig umgesetzt wird und dabei andererseits möglichst geringe exergetische Verluste verursacht werden.

In Verfahrenshinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß das Sorptiv zur Sorption wenigstens zwei Sorbentien mit unterschiedlichem Sorptionsverhalten als nacheinander folgen­ den Sorptionsstufen zugeführt wird.

Erfindungsgemäß ist nämlich mit Vorteil erkannt worden, daß durch die kombinierte Verwendung von unterschiedlichen Sor­ bens-Materialien mit unterschiedlichen Sorptionsverhalten das Gesamtverhalten des Sorbens im Hinblick auf eine befriedigende Lösung der gestellten Aufgabe in überraschend günstiger Weise sowohl für die Sorption als auch für die Desorption vorteil­ haft eingestellt werden kann.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht insbesondere vor, daß das Sorptiv zur Sorption zunächst einem Sorbens mit schlechtem Sorptionsverhalten und gutem Desorp­ tionsverhalten für eine erste Sorptionsstufe zugeführt wird, und danach ein Sorbens mit schlechtem Desorptions- bzw. Rege­ nerierungsverhalten und gutem Sorptionsverhalten für eine zweite Sorptionsstufe zugeführt wird und daß später die Sorbentien beider Sorptionsstufen vor der Durchführung einer nächsten Sorption desorbiert werden. Dabei erfolgt die Desorp­ tion vorzugsweise in umgekehrter Flußrichtung als die Sorp­ tion.

Dieser weiterentwickelten Lösung der gestellten Aufgabe liegt die erfindungsgemäß erkannte, wichtige Tatsache zugrun­ de, daß grundsätzlich ein Sorbens mit gutem Sorptionsverhalten ein schlechtes Desorptionsverhalten aufweist und ein Sorbens mit gutem Desorptionsverhalten ein schlechtes Sorptionsverhal­ ten aufweist. Eine Kombination von einem Sorbens mit gutem Sorptionsverhalten und einem Sorbens mit gutem Desorptionsver­ halten führt daher zu einem Gesamtverhalten, welches in beiderlei Hinsicht günstig ist, das heißt, in beiderlei Hinsicht eine gute Ausnutzung des Potentials ermöglicht, ohne daß hohe Energie- bzw. Exergieverluste auftreten. Besonders günstig ist das Verhalten des Gesamtsorbens, wenn, wie erfin­ dungsgemäß vorzugsweise vorgeschlagen, bei der Durchführung der Sorption oder der Durchführung der Desorption immer zuerst das Sorptiv in das Sorbens eintritt, welches bezüglich der jeweiligen Anwendung das schlechtere Verhalten zeigt. Da aber, wie oben geschildert, das Sorbens mit der guten Sorptionsei­ genschaft gerade die schlechte Desorptionseigenschaft hat und umgekehrt, wird der größte erfindungsgemäße Vorteil dann erreicht, wenn, wie vorgeschlagen, die Flußrichtung beim Wechsel von der Sorption auf die Desorption umgekehrt wird. Theoretisch könnte natürlich in kinematischer Umkehrung auch die Anordnung der Sorbensabfolge umgekehrt werden.

Ein erfindungsgemäßes Sorbens, welches selbständig die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß löst und insbesondere zur Durchführung des vorgeschilderten Verfahrens geeignet ist und für das auch selbständiger Schutz beansprucht wird, zeichnet sich dadurch aus, daß es wenigstens zwei Sorbens-Materialien mit unterschiedlichen Sorptions- bzw. Desorptionsverhalten umfaßt, nämlich wenigstens ein Material mit relativ besserem Sorptionsverhalten und relativ schlechterem Desorptionsverhal­ ten und wenigstens ein Material mit relativ besserem Desorp­ tionsverhalten und relativ schlechterem Sorptionsverhalten. Vorzugsweise zeichnet sich das Sorbens dadurch aus, daß das Material mit dem relativ besseren Sorptionsverhalten einen relativ steileren Frontverlauf der Darstellung des Sorptions­ verhaltens im Rahmen einer mathematischen bzw. physikalischen Funktion, bei der der Sorptivgehalt des durch das Sorbens geleiteten, das Sorptiv beinhaltenden Mediums am Austritt aus dem Sorbens gegenüber der Sorptionszeit aufgetragen wird, ausweist, und umgekehrt einen flachen Frontverlauf bei der entsprechenden Darstellung des Desorptionsverhaltens aufweist, und daß das Material mit dem relativ schlechteren Sorptions­ verhalten im wesentlichen ein umgekehrtes Sorptions/Desorp­ tionsverhalten als das bessere Sorbens zeigt.

Die Sorbens-Materialien sind bezüglich der Nutzrichtung vorzugsweise hintereinander in Reihe geschaltet.

Die sich aus diesen erfinderischen Maßnahmen ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits im vorhergehenden zu den entsprechenden Maßnahmen beim erfindungsgemäßen Verfahren geschildert und in entsprechender Weise auch dem erfindungsge­ mäßen Sorbens mit seinen bevorzugten Ausführungsformen zu eigen.

Vorzugsweise ist das Sorbens-Material mit dem relativ schlechteren Sorptionsverhalten dem anderen Material in Sorptionsrichtung vorgeordnet.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zur besonders kompakten und nutzbringenden Ausbildung des Gesamt­ sorbens die Materialien als Schichten einander unmittelbar aneinander grenzend nachfolgen.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sorbens sieht vor, daß die Sorbens-Materialien amorphe, kristalline Silikate oder silikathaltige Materialien sind. Vorzugsweise kommen damit als Sorbens-Materialien zum Beispiel Zeolith, Silicagel oder eine Mischung davon, beispielsweise Sizeo, in Frage.

Ein besonders günstiges, ausgewähltes, bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sorbens sieht vor, daß die beiden unterschiedlichen Sorbens-Materialien Zeolith mit gutem Sorptionsverhalten einerseits und Sizeo mit schlechtem Sorptionsverhalten, aber gutem Desorptionsverhalten, anderer­ seits, sind und in einem Massenverhältnis von etwa 7 : 3 vorlie­ gen.

Ausführungsbeispiele bzw. Versuche und funktionelle Zusammenhänge, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf von absoluter Luftfeuchte und Temperatur bei der Adsorption mit Sizeo 15 als Sorbens mit schlechtem Adsorptionsverhalten, wobei die jewei­ ligen Funktionswerte mit durchgezogener Linie beim Eintritt in und mit gepunkteter Linie beim Austritt aus dem Sorbens dargestellt sind,

Fig. 2 in entsprechender Darstellung wie in Fig. 1 den zeit­ lichen Verlauf von absoluter Luftfeuchte und Tempera­ tur bei der Desorption mit Sizeo 15 als Sorbens mit gutem Desorptionsverhalten,

Fig. 3 die Differenz Δ h′′ zwischen integraler Gesamtenthal­ pie vor und nach dem Adsorptionsprozeß pro Kilogramm Adsorbens mit durchgezogener Linie und die Differenz Δ h′ zwischen integraler Bindungsenthalpie vor und nach dem Adsorptionsprozeß pro Kilogramm Adsorbens mit gepunkteter Linie als Funktion des Massenverhältnisses ξ m zwischen den beiden Sorbens-Materialien Zeolith 13x und Sizeo 15,

Fig. 4 den exergetischen Wirkungsgrad η Ex, der als das Verhältnis aus dem bei der Adsorption gewonnenen Exer­ giestrom und dem bei der Desorption investierten Exergiestrom definiert ist mit durchgezogener Linie und die pro Kilogramm Adsorbens nach Abschluß der Desorption im Material gespeicherte Exergie Δ ep in gepunkteter Linie als Funktion des Massenverhältnisses ξ m entsprechend Fig. 3,

Fig. 5 und 6 in entsprechender Darstellung der Fig. 1 und 2 den zeitlichen Verlauf von absoluter Luftfeuchte und Temperatur bei der Adsorption und bei der Desorption bei einem Sorbens aus zwei Materialien mit ξ m=0,7 mit unterschiedlichen Sorptionsverhalten, und zwar mit durchgezogener Linie beim Eintritt, mit gepunkteter Linie an der Materialgrenze und mit gestrichelter Linie beim Austritt,

Fig. 7 in schematischer Darstellung ein solches Sorbens aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Sorptionsverhal­ ten in aneinandergrenzender Schichtung und unter Andeutung der jeweiligen Flußrichtungen bei der Ad­ sorption und der Desorption und

Fig. 8 die Beladungsprofile eines Systems gemäß Fig. 7 nach Adsorption und Desorption bei einem Massenverhältnis von ξ m=0,7.

Die Fig. 1 und 2 lassen am Beispiel des Materials Sizeo 15 als Sorbens mit schlechtem Adsorptionsverhalten und gutem Desorptionsverhalten funktionale Zusammenhänge zwischen der Feuchte einerseits und der Temperatur andererseits jeweils mit der ablaufenden Zeit bei Austritt aus dem Sorbens erkennen, die bei der Adsorption einen flachen Frontverlauf zeigen und bei der Desorption einen steilen Frontverlauf, die das ent­ sprechende Material als schlechtes Sorbens und gutes Desorbens erkennen lassen. Außerdem ist erkennbar, daß grundsätzlich ein schlechtes Sorbens ein gutes Desorbens ist und umgekehrt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Versuchsergebnisse eines Gesamt­ sorbens, bestehend aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Sorptionseigenschaften bei unterschiedlichen Massenverhältnis­ sen ξ m im Hinblick auf die Differenz zwischen integraler Bindungsenthalpie vor und nach dem Adsorptionsprozeß, die Differenz zwischen integraler Gesamtenthalpie vor und nach dem Adsorptionsprozeß pro Kilo Adsorbens, den exergetischen Wirkungsgrad und die pro Kilo Adsorbens nach Abschluß der Desorption im Material gespeicherte Exergie. Aus diesen Figuren läßt sich erkennen, daß eine Abhängigkeit der vorge­ nannten Größen vom Massenverhältnis ξ m besteht, wobei ein Optimum dieser Größen in Form eines Funktionsextremums bei einem Massenverhältnis ξ m zwischen 0,63 und 0,7 erkennbar ist.

Beispielhaft für ein Massenverhältnis von 0,7 zwischen Zeolith 13x und Sizeo 15 zeigen die Fig. 5 und 6 für ein solches Gesamtsystem die entsprechenden Verläufe, wie die Fig. 1 und 2, die diese für Sizeo 15 allein zeigen, und zwar im Falle der Fig. 5 und 6 beim Eintritt, beim Austritt und an der Materialgrenze dieses Gesamtsystems. Die Zeitverläufe bei der Adsorption machen deutlich, wie an der Materialgrenze, das heißt hinter Sizeo 15, die Temperatur vom Durchbruch an kontinuierlich abfällt und die Feuchte entsprechend ansteigt. Dagegen bleibt die Temperatur am Desorberaustritt über eine lange Periode auf einem nahezu konstanten Wert, bevor sie dann relativ rasch nach Durchbruch abfällt. Entsprechend umgekehrt sind die Zeitmuster der Desorption, wobei der Temperaturan­ stieg in der Materialgrenze, das heißt hinter Zeolith 13x, nicht so schnell erfolgt, wie der entsprechende Temperaturab­ fall bei der Adsorption hinter Sizeo 15.

In der Fig. 7 ist schematisch die Anordnung eines solchen Gesamtsystems angedeutet, wobei das Material 1 das Zeolith 13x ist und das Material 2 das Sizeo 15. Aus dieser Fig. 7 ist auch erkennbar, daß die Flußrichtungen bei der Adsorption und bei der Desorption umgekehrt sind.

Die Beladungsprofile nach Abschluß der jeweiligen Prozesse, das heißt der Adsorption bzw. Desorption, zeigt die Fig. 8. Dabei ist das Endprofil des Desorptionsprozesses zugleich das Anfangsprofil des Adsorptionsprozesses und umgekehrt. An der Materialgrenze erfolgt ein Sprung in den Beladungen, da die beiden Materialien unterschiedliche Gleichgewichtsbeladungen zu den an dieser Stelle auftretenden Werten der Lufttemperatur und des Wasserdampfpartialdruckes haben.

Die Analyse dieses Gesamtsystem zeigt den prinzipiellen Vorteil eines solchen Systems, zumindest hinsichtlich der Energie- und Exergiedichten. Eine detaillierte Untersuchung und Optimierung der Betriebsbedingungen und insbesondere der Materialkombination derartiger zusammengesetzter Systeme erfordert die genaue Kenntnis der Gleichgewichtsdaten einer Vielzahl von Adsorbentien. Auf der Basis solcher Daten könnten denkbare Einsatzgebiete evaluiert und Kriterien zur optimalen Systemauslegung für diese jeweiligen Einsatzgebiete entwickelt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Durchführung einer Sorption, vorzugsweise einer Adsorption, eines Sorptives, vorzugsweise einer in Luft enthaltenen Feuchtigkeit, mittels eines Sorbens und einer späteren Desorption des Sorbens, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptiv zur Sorption wenigstens zwei Sorbentien mit unterschiedlichem Sorptionsverhalten als nacheinanderfolgenden Sorptionsstufen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorptiv zur Sorption zunächst einem Sorbens mit schlechtem Sorptionsverhalten und gutem Desorptionsverhalten für eine erste Sorptionsstufe zugeführt wird, und danach einem Sorbens mit schlechtem Desorptions- bzw. Regenerierungsverhalten und gutem Sorptionsverhalten für eine zweite Sorptionsstufe zugeführt wird, und daß später die Sorbentien beider Sorp­ tionsstufen vor der Durchführung einer nächsten Sorption desorbiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Desorption in umgekehrter Flußrichtung als die Sorption durchgeführt wird.

4. Sorbens zur Durchführung von Sorptionen, vorzugsweise von Adsorptionen, und Desorptionen von Sorptiven, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens zwei Sorbens-Materialien mit unterschiedli­ chen Sorptions- bzw. Desorptionsverhalten umfaßt, nämlich wenigstens ein Material mit relativ besserem Sorptionsverhal­ ten und relativ schlechterem Desorptionsverhalten und wenig­ stens ein Material mit relativ besserem Desorptionsverhalten und relativ schlechterem Sorptionsverhalten.

5. Sorbens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem relativ besseren Sorptionsverhalten einen relativ steileren Frontverlauf bei der Darstellung des Sorp­ tionsverhaltens im Rahmen einer mathematischen bzw. physikali­ schen Funktion, bei der der Sorptivgehalt des durch das Sorbens geleiteten, das Sorptiv beinhaltenden Mediums am Austritt aus dem Sorbens gegenüber der Sorptionszeit aufgetra­ gen wird, aufweist, und umgekehrt einen flachen Frontverlauf bei der entsprechenden Darstellung des Desorptionsverhaltens aufweist, und daß das Material mit dem relativ schlechteren Sorptionsverhalten im wesentlichen ein umgekehrtes Sorp­ tions/Desorptionsverhalten als das bessere Sorbens zeigt.

6. Sorbens nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorbens-Materialien bezüglich der Nutzrichtung hinter­ einander in Reihe geschaltet sind.

7. Sorbens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien als Schichten einander unmittelbar aneinander­ grenzend nachfolgen.

8. Sorbens nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sorbens-Material mit dem relativ schlechteren Sorp­ tionsverhalten dem anderen Material in Sorptionsrichtung vorgeordnet ist.

9. Sorbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorbens-Materialien amorphe, kristalline Silikate oder silikathaltige Materialien sind.

10. Sorbens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sorbens-Material Zeolith, Silicagel oder eine Mischung davon, z. B. Sizeo, ist.

11. Sorbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden unterschiedlichen Sorbens-Materialien Zeolith mit gutem Sorptionsverhalten einerseits und Sizeo mit schlechtem Sorptionsverhalten, aber gutem Desorptionsverhalten, anderer­ seits sind und in einem Massenverhältnis von etwa 7 : 3 vorlie­ gen.