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Die vorliegende Erfindung betrifft
Adsorptionsreaktoren mit radialer Strömung und insbesondere Adsorptionsreaktoren
mit radialer Strömung
mit einer Vielzahl von durchlässigen
konzentrischen Blenden, die Adsorptionsmittelpartikel in einer zylindrischen
Hülle enthalten.
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Adsorptionsreaktoren mit radialer
Strömung werden
bei cryogenen Luftzerlegungsanlagen als Anfangsreinigungssysteme
verwendet, um verunreinigende Stoffe aus dem Einspeisungsluftstrom
zu entfernen, bevor der Einspeisungsluftstrom in eine cryogene Zerlegungseinheit
eintritt.
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F. G. Kerry erörterte solche Reinigungssysteme
in einem Artikel mit dem Titel "Front-Ends
for Air Separation Plants – The
Cold Facts, "Chemical
Engineering Progress, August 1991. Die Verwendung von Adsorptionsreaktoren
in Luftzerlegungsanlagen wird in einer Abhandlung mit dem Titel "Adsorption Purification
For Air separation Units" von
M. Grenier, J. Y. Lehman, P. Petit und D. V. Eyre, Cryogenic Process and
Equipment, Buch Nr. G00283, American Society of Mechanical Engineers
(1984), erörtert.
Eine weitere Diskussion der Luftzerlegung und der Verwendung von
Adsorbern mit radialer Strömung
erfolgt in einem Artikel von Dr. Ulrich von Lemmingen mit dem Titel "Designs of Adsorptive
Dryers in Air separation Plants",
Linde AG, Reports on Science and Technology (1994).
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Eine große Herausforderung bei der
Konstruktion von Adsorptionsreaktoren mit radialer Strömung zur
Verwendung bei Temperaturwechsel-Adsorptionszyklen ("TSA"-Zyklen) ist, preisgünstige,
zuverlässige
Einschlussblenden zu konstruieren, welche die unterschiedliche Wärmeausdehnung
und -schrumpfung, die durch die zyklischen Temperaturwechsel verursacht
wird, aushalten können,
ohne die Adsorptionsmittelpartikel zu zerdrücken oder abzuschleifen. Die
Herausforderung wird schwieriger, wenn die Temperaturschwankungen
größer werden und
wenn zwei oder mehr Adsorptionsmittelschichten verwendet werden.
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Es gibt bei Adsorptionsreaktoren
mit radialer Strömung
zur Verwendung bei TSA-Zyklen
vier vorherrschende Konstruktionen. Jede dieser Konstruktionen verwendet
Einschlussblenden, die entweder in der Axialrichtung oder in der
Radialrichtung flexibel sind, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung und
-schrumpfung aufzunehmen, die durch die großen Temperaturschankungen eines
TSA-Zyklus verursacht wird.
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US-A-4,541,851 offenbart
einen Reaktor, der zwei konzentrische Schichten aus Adsorptionsmittel und
drei durchlässige
Einschlussblenden hat. Die innere Blende und die äußere Blende
sind in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr.
Die Zwischenblende ist in der Axialrichtung starr und in der Radialrichtung
flexibel. Alle drei Blenden sind an ihrem oberen Ende starr mit
der Reaktorhülle
verbunden. Die unteren Enden der inneren Blende und der äußeren Blende
sind starr mit dem unteren Ende der Zwischenblende verbunden. Die
Baueinheit der drei Blenden ist in dem Reaktor am oberen Ende aufgehängt, so
dass das Gewicht der Blenden und des Adsorptionsmaterials von der
Zwischenblende getragen wird.
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Während
sich die Wärmeimpulse
durch die Adsorptionsmittelschicht bewegen, werden die Blenden abwechselnd
erwärmt
und abgekühlt.
Die Zwischenblende dehnt sich in der Axialrichtung aus und zieht
sich zusammen, wobei sie das Adsorptionsmittel in der Axialrichtung
abwechselnd quetscht und freigibt. Die Axialbewegung der inneren
Blende und der äußeren Blende
folgt jener der Zwischenblende, da die innere Blende und die äußere Blende
in der Axialrichtung flexibel sind. Die innere Blende und die äußere Blende
dehnen sich in der Radialrichtung aus und ziehen sich zusammen,
wobei sie die Adsorptionsmittelschicht in der Radialrichtung abwechselnd quetschen
und freigeben. Die Zwischenblende bewegt sich radial mit der Schicht,
da sie in der Radialrichtung flexibel ist, wobei sie im Ergebnis
sehr wenig zusätzliche
radiale Presskraft auf die Adsorptionsmittelschicht überträgt.
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Diese Anordnung bewirkt, dass die
innere Blende und die äußere Blende
relativ große
thermische Spannungen und damit verbundene thermische Beanspruchungen
erfahren, wobei sie eine relativ große Axialbewegung der Blenden
bewirkt, die zum Abrieb zwischen dem Adsorptionsmittel und den Blenden
führen
kann, relativ große
axiale Presskräfte auf
das Adsorptionsmittel erzeugt und die Adsorptionsmittelschicht im
Wesentlichen auf zwei Schichten des Adsorptionsmittels beschränkt.
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Eine zweite in
US-A-4,541,851 offenbarte Ausführungsform
ist ein Reaktor, der drei konzentrische Adsorptionsmittelschichten
und vier durchlässige
Blenden aufweist. Die innere Blende und die äußere Blende sind sowohl in
der Axialrichtung als auch in der Radialrichtung starr. Die zwei
Zwischenblenden sind in der Radialrichtung flexibel und in der Axialrichtung
starr. Alle vier Blenden sind an ihren unteren Enden starr mit der
Hülle verbunden.
An ihren oberen Enden können
sich alle vier Blenden in der Axialrichtung frei bewegen. Die drei äußeren Blenden
können
axial in Führungen
gleiten, während
die innerste Blende in einer Kuppel endet, die sich in der Axialrichtung
frei bewegen kann. Diese Anordnung kann zwei oder mehr Schichten
des Adsorptionsmittels aufnehmen.
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Während
sich die Wärmeimpulse
durch die Adsorptionsmittelschicht bewegen, werden die Blenden abwechselnd
erwärmt
und abgekühlt.
Die Konstruktion gestattet jeder der Blenden, sich in der Axialrichtung
frei und unabhängig
voneinander auszudehnen. Die radialen Presskräfte, die durch die unterschiedliche
Ausdehnung in der Radialrichtung erzeugt werden, werden wegen der
Umfangsflexibilität der
zwei Zwischenblenden auf alle drei Schichten des Adsorptionsmittels übertragen.
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Diese Anordnung gestattet eine relative Scherungsbewegung
zwischen den Blenden und dem Adsorptionsmittel, wenn sich die Blenden
in der Axialrichtung ausdehnen und zusammenziehen. Diese Scherungsbewegung
führt zu
einem Abrieb der Blenden und zum Zerreiben der Adsorptionsmittelpartikel.
Die am Kopfteil der drei äußeren Blenden
verwendeten Führungen
benötigen
weiterhin "flexible Dichtringe", um das Prozessfluid
daran zu hindern, durch die Führungen
hindurch zu gehen. Solche flexiblen Dichtringe können relativ teuer und unzuverlässig sein.
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US-A-5,827,485 (AU-A-57
158/90 ,
EP-A-0 402 783 ) offenbart einen
Reaktor, der eine einzige Adsorptionsmittelschicht und zwei durchlässige Blenden
aufweist, die beide in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung
starr sind. Beide Blenden sind an ihrem oberen Ende und an ihrem
unteren Ende starr mit der Hülle
des Reaktors verbunden.
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Während
sich die Wärmeimpulse
durch die Adsorptionsmittelschicht bewegen, ermöglicht die axiale Flexibilität der zwei
Blenden, dass ihre axiale Wärmeausdehnung
und -schrumpfung durch die Hülle
des Reaktors beschränkt
wird. Dadurch ist die einzige Axialbewegung, die auftritt, die Axialbewegung aufgrund
der Wärmeausdehnung
und -schrumpfung der Hülle.
Da die Hülle
sehr geringe Temperaturänderungen
erfährt,
ist diese Bewegung sehr klein. Die radial unterschiedliche Wärmeausdehnung
der Blenden verursacht radiale Presskräfte auf die Adsorptionsmittelschicht.
Der wesentliche Nachteil dieser Konstruktion ist, dass sie auf eine
einzige Adsorptionsmittelschicht beschränkt ist.
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DE-A-3 939 517 offenbart
einen Reaktor, der eine einzige Adsorptionsmittelschicht und zwei durchlässige Blenden
aufweist, wobei beide in der Axialrichtung und in der Radialrichtung
starr sind. Die Außenseite
der inneren Blende ist mit einer Schicht aus durchlässigem komprimierbarem
Material bedeckt. Die Blenden sind an ihren unteren Enden starr miteinander
verbunden. An ihren oberen Enden ist die äußere Blende starr mit der Reaktorhülle verbunden
und die innere Blende ist mit einem Dehnungsausgleicher (d. h. mit
einem Faltenbalg) mit der Reaktorhülle verbunden oder sie ist
mit einer Führung versehen,
die ein axiales Gleiten gestattet. Die Blendenbaueinheit ist am
oberen Ende des Reaktors aufgehängt,
wobei das Gewicht des Adsorptionsmittels und der Blendenbaueinheit
von der starren äußeren Blende
getragen wird.
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Während
sich die Wärmeimpulse
durch die Adsorptionsmittelschicht bewegen, werden die Blenden abwechselnd
erwärmt
und abgekühlt.
Der Dehnungsausgleicher oder die Führung am Kopfteil der inneren
Blende nimmt die unterschiedliche axiale Wärmeausdehnung und -schrumpfung
zwischen den zwei Blenden auf. Das durchlässige komprimierbare Material,
das die innere Blende bedeckt, nimmt die unterschiedliche radiale
Wärmeausdehnung
und -schrumpfung zwischen den Blenden auf, um große radiale
Presskräfte
auf die Adsorptionsmittelschicht zu vermeiden.
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Es gibt mehrere Nachteile bei dieser
Konstruktion. Erstens lässt
sie eine relative Scherungsbewegung zwischen den Blenden und der
Adsorptionsmittelschicht zu, wenn sich die Blenden in der Axialrichtung
ausdehnen und zusammenziehen. Diese Scherungsbewegung führt zu einem
Zerreiben des Adsorptionsmaterials und zum Abrieb der Blenden. Das
durchlässige
komprimierbare Material, das die innere Blende bedeckt, kann das
abriebempfindlichste Material sein. Zweitens erfordert sie einen
Dehnungsausgleicher oder eine Führung
am Kopfteil der inneren Blende, die jeweils relativ teuer und unzuverlässig sein
können.
Drittens könnte
es schwierig sein, ein geeignetes durchlässiges, komprimierbares Material
zu finden, insbesondere eins, das den relativ hohen Temperaturen
eines TSA-Zyklus standhalten kann. Viertens ermöglicht die Konstruktion nicht
mehr als eine Adsorptionsmittelschicht.
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DE-A-19 600 549 offenbart
einen Reaktor, der im Wesentlichen auf eine zylinder symmetrische Art
um eine im Wesentlichen vertikale Achse konstruiert ist. Der Reaktor
ist durch einen Mantel zur Außenseite
abgegrenzt. In dem Reaktor sind zwei ringförmige Adsorptionsmittelschichten
konzentrisch angeordnet. Die Schichten sind durch drei zylindrische mantelförmige Körbe, einen äußeren Korb,
einen inneren Korb und einen Zwischenkorb, abgegrenzt. Die Körbe bestehen
größtenteils
oder vollständig
aus einem Grundwerkstoff, der den zylindrischen mantelartigen Teil
des jeweiligen Korbs bildet. Der Grundwerkstoff ist aus einem gelochten
Blech hergestellt und ist sowohl in der Axialrichtung als auch in
der Radialrichtung dehnbar. Der innere Korb und der äußere Korb
haben neben dem Grundwerkstoff Stützringe, die axialsymmetrisch
angeordnet sind und die Körbe in
der Radialrichtung starr machen, wobei sie jedoch eine axiale Ausdehnung
zulassen.
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Es ist erwünscht, einen Adsorptionsreaktor mit
radialer Strömung
zur Verwendung bei TSA-Zyklen zu haben, der zwei oder mehr Adsorptionsmittelschichten
verwendet, und der, wenn er mit Konstruktionen des Standes der Technik
verglichen wird, größere Temperaturänderungen
aufnehmen, die mechanische Zuverlässigkeit der Einschlussblenden
verbessern und das Zerreiben des Adsorptionsmaterials verringern
kann.
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Es ist ferner erwünscht, einen Adsorptionsreaktor
mit radialer Strömung
zu haben, bei dem der von den Einschlussblenden erfahrene thermische Spannungsbereich
bedeutend kleiner als der von Einschlussblenden in Konstruktionen
des Standes der Technik erfahrene Spannungsbereich ist.
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Es ist ferner noch erwünscht, einen
Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung zu haben, bei dem es zwischen
den Einschlussblenden und dem Adsorptionsmittel weniger Abrieb sowie
kleinere axiale Presskräfte
auf das Adsorptionsmittel gibt, was dazu führt, dass das Adsorptionsmittel
weniger zerrieben wird.
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Es ist ferner noch erwünscht, einen
Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung zu haben, der den Temperaturwechseln
eines TSA-Zyklus besser als die Reaktoren des Standes der Technik
standhalten kann.
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Es ist ferner noch erwünscht, einen
Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung zu haben, bei dem es eine
relativ kleine Scherungsbewegung zwischen dem Adsorptionsmittel
und den Einschlussblenden gibt.
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Es ist außerdem ferner erwünscht, eine
verbesserte cryogene TSA-Luftzerlegungs-Adsorptionsanlage zu haben,
die einen verbesserten Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung besitzt,
der viele der Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik überwindet,
um bessere und vorteilhaftere Ergebnisse zu liefern.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung ("Reaktor"), mit einer zylindrischen Hülle, die
eine Längsachse hat,
und mit einer Vielzahl zylindrischer Blenden (Einschlussblenden),
die konzentrisch innerhalb der Hülle
angeordnet sind. Jede Blende weist einen unterschiedlichen Durchmesser
und eine Längsachse
auf, die parallel zur Längsachse
der Hülle
liegt. Die Vielzahl der Blenden ist konzentrisch innerhalb der Hülle angeordnet
und besteht aus einer äußeren Blende, einer
inneren Blende und mindestens einer Zwischenblende. Die Zwischenblende
oder mindestens eine der Zwischenblenden ist sowohl in axialer als auch
in radialer Richtung flexibel. Der Reaktor hat eine flexible Zwischenblende
(oder mehrere flexible Zwischenblenden), die zu elastischen Deformationen in
der betrachteten Richtung, die viel größer sind, als sie durch die
dem Blendenmaterial selbst inhärente Elastizität aufgenommen
werden könnten,
im Stande sind, wobei die Kraft, die notwendig ist, um die Blenden
in der betrachteten Richtung zu deformieren sehr viel geringer ist
als die Kraft, die benötigt
würde,
um das Blendenmaterial selbst zu deformieren, und wobei die äußere und
die innere Blende in der Radialrichtung starr sind, wobei die mögliche elastische
Deformation der Blenden in der Radialrichtung aus der Elastizität herrührt, die
dem Blendenmaterial inhärent ist.
Selbstverständlich
ist es nicht notwendig, dass die Zylinder genau zylindrisch sind
oder dass die Längsachsen
genau parallel sind, obwohl bevorzugt wird, dass sie innerhalb der
Herstellungstoleranzen genau zylindrisch bzw. genau parallel sind.
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Der Ausdruck "flexibel", wie er hier verwendet wird, soll bedeuten,
dass die Blende zu elastischen Deformationen in der betrachteten
Richtung in der Lage ist, die viel größer sind, als sie durch die
inhärente
Elastizität
des Blendenmaterials selbst aufgenommen werden könnten. Außerdem ist die Kraft, die benötigt wird,
um die Blende in der betrachteten Richtung zu deformieren, viel
geringer als die Kraft, die benötigt
würde,
um das Blendenmaterial selbst zu deformieren. Der Ausdruck "starr", wie er hier verwendet
wird, soll bedeuten, dass die mögliche
elastische Deformation einer Blende in der betrachteten Richtung
in erster Linie durch die im Blendenmaterial, normalerweise Metall,
selbst inhärente
Elastizität verursacht
wird.
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Die bidirektionale Flexibilität wenigstens
einer Blende kann auf unterschiedliche Weise erzielt werden. Ein
Weg ist, eine Vielzahl von Öffnungen
in der wenigstens einen Blende auszubilden.
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In einer Ausführungsform sind die Öffnungen in
einem Muster angeordnet, wodurch horizontal und vertikal ausgerichtete
Strebenelemente in mindestens einer Blende ausgebildet werden. Es
können verschiedenartige
Muster verwendet werden, einschließlich der Folgenden, wobei
sich jedoch nicht auf diese beschränkt wird: ein Muster, bei dem
die Strebenelemente gerade sind; ein Muster, bei dem die Strebenelemente
verjüngt
sind; und ein Muster, bei dem die Strebenelemente gekrümmt und
verjüngt sind.
Eine weitere Möglichkeit
ist, dass die Strebenelemente in einem Fischgrätenmuster angeordnet sind.
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In der am stärksten bevorzugten Ausführungsform
hat der Reaktor eine Vielzahl von Adsorptionsmittelpartikeln, die
in den Ringräumen
zwischen benachbarten Einschlussblenden angeordnet sind. Außerdem kann
ein feinmaschiges Material enthalten sein, das so beschaffen ist,
dass es die Partikel des Adsorptionsmittels daran hindert, durch
die Öffnungen
hindurch gehen.
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In einer Hauptkonfiguration der Erfindung umfasst
der Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung: eine zylindrische Hülle, die
eine Längsachse, einen
ersten Durchmesser, ein erstes Ende und ein zweites Ende gegenüber dem
ersten Ende hat; eine Bodenplatte, die innerhalb der Hülle dem
zweiten Ende der Hülle
benachbart und starr mit der Hülle verbunden
angeordnet ist; eine zylindrische äußere Blende, die innerhalb
der Hülle
angeordnet ist; eine zylindrische innere Blende, die in der äußeren Blende angeordnet
ist; und wenigstens eine zylindrische Zwischenblende, die zwischen
der inneren Blende und der äußeren Blende
angeordnet ist. Die äußere Blende
hat eine Längsachse,
die parallel zur Längsachse
der Hülle
liegt, einen zweiten Durchmesser, der kleiner als der erste Durchmesser
der Hülle
ist, ein oberes Ende und ein unteres Ende gegenüber dem oberen Ende. Die äußere Blende
ist in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr.
Das obere Ende der äußeren Blende
ist starr mit dem ersten Ende der Hülle verbunden und das untere
Ende der äußeren Blende
ist starr mit der Bodenplatte verbunden. Die innere Blende hat eine
Längsachse,
die parallel zur Längsachse
der Hülle
liegt; einen dritten Durchmesser, der kleiner als der zweite Durchmesser
der äußeren Blende
ist; ein oberes Ende und ein unteres Ende gegenüber dem oberen Ende. Die innere
Blende ist in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung
starr. Das obere Ende der inneren Blende ist starr mit dem ersten
Ende der Hülle
verbunden und das untere Ende der Blende ist starr mit der Bodenplatte
verbunden. Die Zwischenblende (Zwischenblenden) hat (bzw. haben)
eine Längsachse,
die parallel zur Längsachse
der Hülle
liegt und einen Durchmesser, der größer als der dritte Durchmesser
der inneren Blende ist, sowie ein oberes Ende und ein unteres Ende.
Die Zwischenblende (Zwischenblenden) ist (bzw. sind) sowohl in der
Axial- als auch der Radialrichtung flexibel. Das obere Ende (die
oberen Enden) der Zwischenblende (Zwischenblenden) ist (bzw. sind)
starr mit dem ersten Ende der Hülle
verbunden, und das untere Ende (die unteren Enden) der Zwischenblende
(Zwischenblenden) ist (bzw. sind) starr mit der Bodenplatte verbunden.
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Die Erfindung umfasst mehrere Abwandlungen
der Hauptkonfiguration. Bei einer ersten Abwandlung ist die Bodenplatte
beweglich und hat eine Unterseite, die dem zweiten Ende der Hülle zugewandt
ist; wobei eine Halterung innerhalb der Hülle benachbart dem zweiten
Ende der Hülle
angeordnet ist und starr mit der Hülle verbunden ist, um halternderweise
die Axialbewegung der Bodenplatte zum zweiten Ende der Hülle hin
zu begrenzen, aber eine Axialbewegung zum ersten Ende der Hülle hin
zu gestatten.
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Eine weitere Ausführungsform der ersten Abwandlung
ist der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich,
mit der Ausnahme, dass es bei der beweglichen Bodenplatte und bei
der Halterung bestimmte Unterschiede gibt. In dieser alternativen Ausführungsform
ist die Halterung starr mit der Hülle verbunden, wobei sie jedoch
halternderweise die Axialbewegung der Bodenplatte zu jedem Ende
der Hülle
hin begrenzt.
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In einer zweiten Abwandlung ist die äußere Blende
in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung starr; wobei die
innere Blende in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung
starr ist; wobei die Zwischenblende (Zwischenblenden) in sowohl der
Axial- als auch der Radialrichtung flexibel ist bzw. sind; wobei
das obere Ende jeder Blende starr mit dem ersten Ende der Hülle verbunden
ist und das untere Ende jeder Blende starr mit einer Bodenplatte verbunden
ist, die zur freien axialen Bewegung innerhalb der Hülle benachbart
dem zweiten Ende der Hülle
angeordnet ist.
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In einer dritten Abwandlung ist die äußere Blende
in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr; wobei
die innere Blende in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung
starr ist; wobei die Zwischenblende (Zwischenblenden) . in sowohl
der Axial- als auch der Radialrichtung flexibel ist (bzw. sind);
wobei das obere Ende jeder Blende starr mit dem ersten Ende der
Hülle verbunden
ist und das untere Ende jeder Blende starr mit der Bodenplatte verbunden
ist, die zur freien axialen Bewegung innerhalb der Hülle benachbart
dem zweiten Ende der Hülle
angeordnet ist.
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In einer vierten Abwandlung ist die äußere Blende
in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr; wobei
die innere Blende in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung
starr ist; wobei wenigstens eine Zwischenblende in der Radialrichtung
flexibel und in der Axialrichtung starr ist und wobei wenigstens
eine Zwischenblende in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung
flexibel ist; wobei das obere Ende jeder Blende starr mit dem ersten
Ende der Hülle
verbunden ist und wobei das untere Ende jeder Blende starr einer
Bodenplatte verbunden ist, die zur freien axialen Bewegung innerhalb
der Hülle
benachbart dem zweiten Ende der Hülle angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist eine cryogene Luftzerlegungsanlage, die einen Adsorptionsreaktor
mit radialer Strömung
der vorliegenden Erfindung aufweist, wie etwa irgendeinen der oben
erörterten
Reaktoren einschließlich
der angegebenen Konfigurationen und Abwandlungen besitzt, wobei
sich jedoch nicht hierauf beschränkt wird.
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Der Adsorptionsreaktor mit radialer
Strömung
der Erfindung kann durch ein Verfahren zusammengebaut werden, welches
das Einbauen einer zylindrischen Hülle mit einer Längsachse
und das Einbauen einer Vielzahl von zylindrischen Blenden umfasst,
wobei jede Blende einen unterschiedlichen Durchmesser und eine Längsachse
aufweist, die parallel zur Längsachse
der Hülle
liegt, und wobei wenigstens eine der Blenden in sowohl axialer als
auch radialer Richtung flexibel ist; und wobei die Blenden konzentrisch
innerhalb der Hülle
eingebaut werden. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Adsorptionsmittelpartikeln
in einem Ringraum zwischen wenigstens zwei benachbarten Blenden
vorgesehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
werden jetzt lediglich beispielhaft und anhand der beigefügten Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
Längsschnittansicht
des Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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1A eine
Schnittansicht eines Abschnitts des Adsorptionsreaktors mit radialer
Strömung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist;
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1B eine
Schnittansicht eines Abschnitts des Adsorptionsreaktors mit radialer
Strömung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein Muster von Öffnungen
hat, die horizontal und vertikal ausgerichtete Strebenelemente, die
gerade sind, ausbilden;
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3 eine
Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein anderes Muster
von Öffnungen hat,
die Strebenelemente, die verjüngt
sind, ausbilden;
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4 eine
Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein anderes Muster
von Öffnungen hat,
die Strebenelemente, die in einem Fischgrätenmuster angeordnet sind,
ausbilden; und
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5 eine
Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein anderes Muster
von Öffnungen hat,
die Strebenelemente, die gekrümmt
und verjüngt sind,
ausbilden.
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In der Zeichnung ist die Hauptkonfiguration des
Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung ("Reaktors") 20 in 1 gezeigt. Der Reaktor umfasst eine zylindrische
Hülle 22 mit
drei oder mehr durchlässigen
konzentrischen Zylindern (d. h. Einschlussblenden), die sich innerhalb
der Hülle
befinden. Die Ringräume
zwischen den Einschlussblenden ("Blenden") sind mit Adsorptionsmittel 46 gefüllt. Die
in 1 gezeigte besondere
Ausführungsform
hat vier konzentrische Blenden 24, 26, 28, 30 und
nimmt drei Adsorptionsmittelschichten in drei Ringräumen 32, 34, 36,
auf. Die Blenden sind als die innere Blende 30, die Zwischenblenden 26, 28 und
die äußere Blende 24 bezeichnet.
Alle vier der zylindrischen, konzentrisch angeordneten Blenden und
die Hülle
haben in der in 1 gezeigten
Ausfüh rungsform
dieselbe Symmetrieachse oder Längsachse 40.
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Neben der zylindrischen Hülle 22 hat
der Reaktor 20 ein erstes oder oberes Ende 52,
das von einem halbkugelförmigen
Kopf eingeschlossen ist, und ein zweites oder unteres Ende 54,
das ebenfalls von einem halbkugelförmigen Kopf eingeschlossen
ist. Das erste Ende 52 hat eine Einlassleitung oder eine Anschlussöffnung 42 und
das zweite Ende 54 hat eine Auslassleitung oder eine Anschlussöffnung 44. Der
Kopf des ersten Endes 52 umfasst außerdem Füllstutzen 50, 56, 58 zum
Einleiten und Entfernen des Adsorptionsmittels 46 aus dem
Inneren des Reaktors.
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Jede Adsorptionsmittelschicht 46 in
den Ringräumen 32, 34, 36 kann
anders als eine benachbarte Schicht sein. Benachbarte Schichten
können beispielsweise
dasselbe Material enthalten, wobei sich jedoch die Größen und/oder
die Formen der Partikel des Materials in benachbarten Schichten
unterscheiden können.
Neben solchen Abwandlungen können
unterschiedliche Arten von Materialien wie etwa Tonerde, ein Molekularsieb
und Zeolithe in den verschiedenen Schichten verwendet werden. Der Fachmann
auf dem Gebiet wird erkennen, dass für unterschiedliche Anwendungen
andere Arten von Materialien verwendet werden können.
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Um die großen Temperaturschwankungen aufzunehmen,
die bei einem typischen Temperaturwechsel-Adsorptionszyklus ("TSA"-Zyklus) auftreten, wird
die folgende Konfiguration verwendet:
- 1. die
innere Blende 30 und äußere Blende 24 sind
in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr;
- 2. die Zwischenblenden 26, 28 sind in SOWOHL der
Axial- als auch der Radialrichtung flexibel;
- 3. alle Blenden 24, 26, 28, 30 sind
an den oberen Enden der Blenden starr mit dem Kopfteil der Hülle 22 verbunden;
und
- 4. alle Blenden sind durch eine Bodenplatte 38, die
durch die Elemente 48, 48' starr mit der Hülle verbunden
ist, an den unteren Enden der Blenden starr miteinander und mit
der Hülle
verbunden.
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Der Fachmann auf dem Gebiet wird
erkennen, dass die Elemente 48, 48' die Form von anderen als den in 1 gezeigten Strukturen annehmen können. Die
Elemente müssen
jedoch die Gasströmung
(Prozessfluid) durch oder um die Elemente berücksichtigen. Beispielsweise
könnten
die durchlässigen
Elemente aus Metallplatten hergestellt sein, die Bohrungen oder
andere Öffnungen
in den Platten aufweisen.
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Wie in 1 gezeigt
ist, ist ein Abschnitt von jeder der Blenden 24, 26, 28, 30 nahe
dem oberen Ende der Blende nicht durchlässig (d. h. undurchlässig). Diese
undurchlässigen
Abschnitte der Blenden sind starr mit dem Kopfteil der Hülle 22 verbunden und
abgedichtet.
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Während
eines typischen TSA-Zyklus ändert sich
die Temperatur des Gases, das durch einen Adsorptionsreaktor mit
radialer Strömung
("Reaktor") strömt, wiederholt
und abrupt um mehrere hundert Grad (F, C). Diese plötzlichen Änderungen
der Temperatur erzeugen Wärmeimpulse
in den Adsorptionsmittelschichten, die große Temperaturgefälle oder -unterschiede
zwischen den verschiedenen Blenden und dem Adsorptionsmittel verursachen.
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Mit Bezug auf 1, in der die Pfeile die Strömung eines
Gases (Prozessfluids) zeigen, ist ein typisches Szenario beispielsweise
folgendes:
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Das Gas, das durch den Reaktor 20 strömt, tritt
durch die obere Anschlussöffnung 42 ein,
strömt durch
die Adsorptionsmittelschichten 46 radial nach außen und
verlässt
den Reaktor an der unteren Anschlussöffnung 44.
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Anfangs haben die Blenden 24, 26, 28, 30 und
das Adsorptionsmittel eine relativ einheitliche Temperatur, die
gleich der Temperatur des Gases ist, das durch den Reaktor strömt.
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Plötzlich nimmt die Temperatur
des Gases um mehrere hundert Grad (F, C) zu.
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Kurz danach werden die innere Blende 30 und
ein kleiner Abschnitt des Adsorptionsmittels 46, welcher
der inneren Blende benachbart ist, verglichen mit den anderen Blenden 24, 26, 28 und
dem verbleibenden Abschnitt des Adsorptionsmittels warm. Während die
Zeit vergeht, bewegt sich ein Hochtemperaturimpuls radial nach außen durch
die Adsorptionsmittelschichten 46 und erwärmt der
Reihe nach den Rest der ersten Adsorptionsmittelschicht, gefolgt
von der ersten Zwischenblende 28, der zweiten Adsorptionsmittelschicht,
der zweiten Zwischenblende 26, der dritten Adsorptionsmittelschicht
und zuletzt der äußeren Blende 24.
Zu diesem Zeitpunkt werden alle Blenden 24, 26, 28, 30 und
das Adsorptionsmittel 46 auf einer relativ einheitlichen
warmen Temperatur sein, und die Temperatur des Gases wird plötzlich um
mehrere hundert Grad (F, C) vermindert. Wenn dies geschieht, bewegt
sich ein Niedrigtemperaturimpuls radial nach außen durch die Schichten des
Adsorptionsmittels und kühlt
die Blenden und die Adsorptionsmittelschichten der Reihe nach auf
dieselbe Art wie der Hochtemperaturimpuls ab. Dieser Erwärmungs-
und Abkühlungszyklus kann
während
der Nutzungsdauer eines Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung in
einem TSA-Zyklus bis zu 50 000mal auftreten.
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Die Hülle 22 erfährt ebenfalls
Temperaturwechsel. Jedoch sind die Temperaturänderungen innerhalb der Hülle im Gegensatz
zu den Temperaturänderungen
in den Blenden 24, 26, 28, 30 aufgrund
der relativ großen
thermisch wirksamen Masse der Hülle,
der geringen Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen dem Gas
und der Hülle,
und der Steuerungen des Zyklus, welche die Zeitdauer, in der die
Hülle dem
warmen Gas ausgesetzt ist, begrenzen, normalerweise sehr klein.
Berechnungen deuten darauf hin, dass die Hülle Temperaturänderungen
erfährt,
die weniger als 10% der Temperaturänderung betragen, die die Blenden
und das Adsorptionsmittel erfahren.
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Die Axialbewegung der Bodenplatte 38 ist auf
die Axialbewegung der Hülle 22 und
der Elemente 48, 48' beschränkt. Eine
radial unterschiedliche Wärmeausdehnung
der Bodenplatte 38, der Elemente 48, 48' und des zweiten
Endes 54 der Hülle 22 wird durch
die Flexibilität
in den Elementen 48, 48' aufgenommen.
-
Es ist offensichtlich, dass große Temperaturunterschiede
zwischen den verschiedenen Komponenten des Reaktors existieren,
während
sich die Temperaturimpulse durch die Adsorptionsmittelschichten
bewegen. Wenn der Reaktor nicht richtig konstruiert ist, könnte die
unterschiedliche Wärmeausdehnung
und -schrumpfung der verschiedenen Komponenten die Blenden zerstören und/oder
das Adsorptionsmaterial zerdrücken.
Die vorliegende Erfindung verwendet flexible Blenden, um eine unterschiedliche
Wärmeausdehnung
und -schrumpfung aufzunehmen.
-
Während
die Blenden abwechselnd erwärmt und
abgekühlt
werden, gibt es in der Axialrichtung keine Relativbewegung der Blenden,
wobei die axiale Ausdehnung und -Schrumpfung der Blenden auf die
axiale Ausdehnung und -Schrumpfung der Hülle beschränkt ist. Da die Hülle einen
sehr kleinen Temperaturwechsel erfährt, ist die Axialbewegung
der Blenden sehr klein. Zwei Vorteile der Verringerung der Axialbewegung
der Blenden sind eine Verringerung der Menge an Abrieb, der zwischen
den Blenden und dem Adsorptionsmaterial auftritt, und eine Verringerung
der axialen Presskraft, die auf die Adsorptionsmittelschichten durch
die Blenden ausgeübt wird.
Die axiale Flexibilität
der Blenden ermöglicht, dass
ihre Axialbewegungen durch die Hülle
beschränkt
werden. Ohne die axiale Flexibilität würden die Blenden eine Art Verschiebegelenk
benötigen, das
ihre axiale Ausdehnung und Schrumpfung aufnimmt, oder, wenn die
Axialbewegung beschränkt wäre, würden die
Blenden sehr hohe thermisch verursachte mechanische Beanspruchungen
erfahren. Die unterschiedliche axiale Wärmeausdehnung und -schrumpfung
des Adsorptionsmaterials wird durch die inhärente Volumendehnbarkeit des
Adsorptionsmaterials aufgenommen.
-
In der Radialrichtung ist es so,
dass, während
die Blenden abwechselnd erwärmt
und abgekühlt
werden, sich die innere Blende und die äußere Blende in der Radialrichtung
ausdehnen und zusammenziehen, weil sie in der Radialrichtung starr
sind, wobei sie die Adsorptionsmittelschichten in der Radialrichtung
abwechselnd quetschen und freigeben. Die größte Presskraft tritt auf, wenn
die innere Blende warm ist, die äußere Blende
kalt ist und das Adsorptionsmittel warm ist. Die kleinste Presskraft
(d. h. die Schicht ist freigegeben) tritt auf, wenn die innere Blende
kalt ist, die äußere Blende
warm ist und das Adsorptionsmittel kalt ist. Die Volumendehnbarkeit des
Adsorptionsmaterials nimmt die durch die Blenden ausgeübten radialen
Presskräfte
und die unterschiedliche Wärmeausdehnung
und -schrumpfung des Adsorptionsmittels selbst auf. Die Zwischenblenden,
die in der Radialrichtung flexibel sind, bewegen sich in der Radialrichtung
mit den Adsorptionsmittelschichten, wobei als Folge davon diese
Blenden eine sehr kleine zusätzliche
radiale Presskraft auf das Adsorptionsmittel übertragen. Wenn die Zwischenblenden
in der Radialrichtung starr wären,
würden
die Blenden bedeutende zusätzliche
radiale Presskräfte auf
das Adsorptionsmittel übertragen
und könnten das
Adsorptionsmittel potentiell zerdrücken.
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Wie gezeigt ist, haben die innere
Blende 30 und die äußere Blende 24 in
der in
-
1 gezeigten
Hauptkonfiguration eine unidirektionale Flexibilität (d. h.
eine Flexibilität
in der Axialrichtung). Verschiedene Konstruktionen für Einschlussblenden
mit unidirektionaler Flexibilität
sind im Stand der Technik beschrieben. Diese Konstruktionen umfassen:
- – einen
Zylinder mit einem versetzt angeordneten Schlitzmuster (2 und 3 von US-A-4,541,851 und 3 und 4 von US-A-5,827,485 ),
- – gelochte
Wellbleche (5 von US-A-4,541,851 ),
- – eine
Zylinderstruktur einer wabenartigen Konstruktion (6 von US-A-4,451,851 ),
- – gefalzte/dehnbare
Spalte (7 von US-A-4,451,851 ),
- – ein
Drahtnetz (6 und 7 von US-A-5,827,485 ),
- – einen
starren Zylinder, der mit einer Schicht aus durchlässigem komprimierbarem
Material bedeckt ist, um wirksam eine radiale Flexibilität zu erzielen
( DE-A-3 939 517 ).
-
Mit Ausnahme der letzten Konstruktion
würde jede
dieser Konstruktionen die von der inneren Blende und der äußeren Blende
in der vorliegenden Erfindung benötigte axiale Flexibilität erzielen.
Aufgrund der einfachen Herstellung ist die bevorzugte Konstruktion
der Zylinder mit einem versetzt angeordneten Schlitzmuster. Mit
dieser Konstruktion können
die innere Blende und die äußere Blende
aus Metallblechen oder -platten hergestellt werden, die eine Reihe
von versetzt angeordneten in sie geschnittenen Schlitzen aufweisen.
Die Schlitzbleche können
zu Zylindern geformt sein, wobei die Schlitze so ausgerichtet sind,
dass die lange Ausdehnung der Schlitze um den Umfang des Zylinders
verläuft. Wenn
die Adsorptionsmittelpartikel klein genug sind, um durch die Schlitze
zu fallen, kann der geschlitzte Zylinder mit einer Feinmasche wie
etwa mit einem Metallgewebe oder mit einem Streckgitter bedeckt werden,
um die Partikel daran zu hindern, durch die Schlitze zu fallen.
-
Die Zwischenblenden 26, 28 sind
in zwei Richtungen (d. h. bidirektional), sowohl axial als auch radial,
flexibel. Zwei Verfahren können
verwendet werden, um dies zu erreichen. Das erste Verfahren kombiniert
zwei der Blenden des Standes der Technik, welche die (oben bei der
inneren Blende und der äußeren Blende
erörterte)
unidirektionale Flexibilität erzielen.
Das zweite Verfahren erfordert, ein spezielles Lochmuster in ein
Metallblech zu schneiden, so dass sich das Blech wie ein Aufbau
von "Streben unter
Biegung" verhält. Diese "Streben" sind in der Weise
konfiguriert, dass das Blech in einer Ebene des Blechs in zwei zueinander
senk rechten Richtungen flexibel ist. Beispiele für bidirektionale Blenden, die das
erste Verfahren verwenden, umfassen:
-
Die versetzt angeordnete Schlitzkonstruktion kombiniert
mit der Wellblechkonstruktion. Die Blende würde aus einem Blech hergestellt
werden, das sowohl geschlitzt als auch gewellt ist. Die lange Abmessung
der versetzt angeordneten Schlitze wäre zu den Wellenreihen rechtwinklig,
so dass die versetzt angeordneten Schlitze eine Flexibilität in einer
Richtung erzielen würden,
während
die Wellen eine Flexibilität in
der anderen Richtung erzielen würden.
-
Die versetzt angeordnete Schlitzkonstruktion kombiniert
mit der gefalzten/dehnbaren Spaltkonstruktion. Die lange Abmessung
der versetzt angeordneten Schlitze wäre zu den Spalten rechtwinklig, so
dass die versetzt angeordneten Schlitze eine Flexibilität in einer
Richtung erzielen würden
und die Spalten eine Flexibilität
in der anderen Richtung erzielen würden.
-
Die Wellblechkonstruktion kombiniert
mit der gefalzten/dehnbaren Spaltkonstruktion. Die Wellenreihen
wären zu
den Spalten rechtwinklig, so dass die Wellen eine Flexibilität in einer
Richtung erzielen würden
und die Spalte eine Flexibilität
in der anderen Richtung erzielen würden.
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Die versetzt angeordnete Schlitzkonstruktion kombiniert
mit der Schicht aus einer durchlässigen komprimierbaren
Materialgestaltung. Ein Zylinder würde mit versetzt angeordneten
Schlitzen hergestellt werden, um eine axiale Flexibilität zu erzielen, und
dann mit einer Schicht aus durchlässigem komprimierbarem Material
bedeckt werden, um eine radiale Flexibilität zu erzielen.
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Wie gezeigt ist, erfordert das zweite
Verfahren, um die bidirektionale Flexibilität der Zwischenblenden zu erzielen,
dass die Blenden aus Metallblechen oder -platten hergestellt werden,
die ein spezielles Loch- oder Öffnungsmuster
haben. Das Lochmuster ist in der Weise gestaltet, dass sich die
Platte wie ein Aufbau kleiner Streben verhält, die sich in einer Ebene
der Platte biegen können.
Die Streben sind so konfiguriert, dass das Metallblech in zwei zueinander
senkrechten Richtungen in einer Ebene des Blechs flexibel ist.
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In den 2 bis 5 sind mehrere Lochmuster gezeigt.
Blenden mit diesem Muster können
nicht nur bei Adsorptionsreaktoren mit radialer Strömung sondern
auch bei anderen Anwendungen verwendet werden, z. B. bei anderen
Arten von Ausrüstungen, die
bei Verfahren mit plötzlichen
Temperaturänderungen
und/oder großem
Temperaturgefälle
verwendet werden.
-
2 zeigt
ein Muster von Schlitzen 62 und rechteckig geformten Löchern 64,
die horizontal und vertikal ausgerichtete Strebenelemente 66 ausbilden.
Das Biegen der horizontalen Strebenelemente sorgt für eine vertikale
Flexibilität,
während
das Biegen der vertikalen Strebenelemente für eine horizontale Flexibilität sorgt.
Die Größe und das
Geometrieverhältnis
der Löcher,
Schlitze und Strebenelemente kann derart gestaltet werden, dass
in der horizontalen Richtung und in der vertikalen Richtung ein
gewünschtes
Gleichgewicht von Festigkeit und Flexibilität erzielt wird. Wenn die Strebenelemente
beispielsweise länger
und schlanker hergestellt werden, macht dies die Platte flexibler.
Wenn die Platte jedoch zu flexibel ist, wird sie während der
Herstellung unhandlich sein und kann ihre zylindrische Form nicht beibehalten.
-
Das in 3 gezeigte
Muster ist dem Muster in 2 ähnlich,
mit der Ausnahme, dass die Strebenelemente 66' eher verjüngt als
gerade sind. Das Verjüngen
der Strebenelemente bietet dem Konstrukteur eine bessere Steuerungsmöglichkeit
hinsichtlich der Abwägungen
zwischen der Festigkeit und der Flexibilität.
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Das in 4 gezeigte
Muster ähnelt
einem Fischgrätenmuster.
Bei diesem Muster biegen sich die Strebenelemente 66", um für eine Flexibilität in der
(vertikalen) y-Richtung zu sorgen, und werden gerade, um für eine Flexibilität in der
(horizontalen) x-Richtung zu sorgen. Die Größe und das Geometrieverhältnis der
Strebenelemente kann angepasst werden, um das gewünschte Gleichgewicht
von Festigkeit und Flexibilität
zu erzielen. Im Allgemeinen erzeugt dieses Muster in der (horizontalen)
x-Richtung eine viel höhere
Flexibilität
als in der (vertikalen) y-Richtung. Erneut bietet das Verjüngen der
Strebenelemente eine zusätzliche
Steuerungsmöglichkeit hinsichtlich
der Abwägungen
zwischen der Festigkeit und der Flexibilität.
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Das in 5 gezeigte
Muster ist eine Kombination der in 3 und 4 gezeigten Muster. Es hat wie
die Konstruktion in 3 sowohl
vertikal als auch horizontal ausgerichtete verjüngte Strebenelemente 66"'. Außerdem sind
die Strebenelemente 66"', ähnlich dem
Fischgrätenmuster
in 4, gekrümmt, so dass
sie sowohl beim Biegen als auch beim Geradewerden Flexibilität bieten
können.
Die Größe und das Geometrieverhältnis der
Streben, die Krümmung
und das Ausmaß der
Verjüngung
können
so beschaffen sein, dass das gewünschte
Gleichgewicht von Festigkeit und Flexibilität erzielt wird.
-
Jedes der Verfahren, die eine bidirektionale Flexibilität erzielen,
ist für
Zwischenblenden geeignet. Die Blenden können durch Formen von Zylindern aus
Metallblechen oder -platten angefertigt werden, die in zwei Richtungen
flexibel sind. Wenn die Adsorptionsmittelpartikel klein genug sind,
um durch die Öffnungen
in den Zylindern zu fallen, können
die Zylinder mit einer Feinmasche wie etwa mit einem gewebten Metallgewebe
oder mit einem Streckgitter bedeckt werden, um die Partikel daran
zu hindern, durch die Öffnungen
zu fallen.
-
Die Verwendung einer Blende (oder
mehrerer Blenden), die in zwei Richtungen flexibel ist (bzw. sind),
schafft mehrere Abwandlungen der in 1 gezeigten
Hauptkonfiguration.
-
Die erste Abwandlung bringt eine
geringfügige Änderung
an der Hauptkonfiguration mit sich. Sie umfasst eine zylindrische
Hülle 22 mit
drei oder mehr durchlässigen
konzentrischen Zylindern (d. h. Blenden) innerhalb der Hülle. Die
Ringräume
zwischen den durchlässigen
Blenden sind mit Adsorptionsmittel 46 gefüllt. Der
Hauptkonfiguration ähnlich
sind die innere Blende 30 und die äußere Blende 24 in
der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr, wobei
die Zwischenblende (Zwischenblenden) in sowohl der Axial- als auch
der Radialrichtung flexibel ist (bzw. sind). Alle Blenden sind an
ihren oberen Enden starr mit der Hülle verbunden. An den unteren
Enden sind die Blenden durch eine Bodenplatte 38 starr
miteinander verbunden. Jedoch ist die Bodenplatte im Gegensatz zu
der in 1 gezeigten Hauptkonfiguration
nicht starr mit der Hülle
verbunden. Stattdessen stützt
sich die Bodenplatte 38, wie in 1A gezeigt ist, auf die Elemente 49, 49', die starr
mit dem unteren Ende der Hülle 22 verbunden
sind. Diese Abwandlung funktioniert ebenso wie die Hauptkonfiguration,
mit der Ausnahme, dass die Bodenplatte 38, insbesondere
wenn und falls die Hülle
wärmer
als die Blenden und das Adsorptionsmaterial ist, die Elemente 49, 49' anheben kann.
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In der in 1A gezeigten Ausführungsform verhindert das Halterungselement 49 eine
Vertikalbewegung der Bodenplatte 38 nach unten, lässt jedoch eine
Vertikalbewegung nach oben zu. Das Element 49 lässt eine
Radialbewegung geringen Ausmaßes
in der Bodenplatte 38 zu, um die radial unterschiedliche Wärmeaus dehnung
zwischen der Bodenplatte 38 und dem Element 49 sowie
dem zweiten Ende 54 der Hülle 22 aufzunehmen.
Ein Entfernen des obersten vertikalen Abschnitts des Elements 49 würde ein
größeres Ausmaß einer
Radialbewegung gestatten. Das Element 49 ist durchlässig.
-
Eine weitere Ausführungsform der ersten Abwandlung
verwendet ein anderes Halterungselement 51, das in 1B gezeigt ist. Das Halterungselement 51 ist
starr mit dem zweiten Ende 54 der Hülle 22 verbunden.
Eine erste Verbindungsvorrichtung 39 ist starr mit der
Bodenplatte 38 verbunden. Die erste Verbindungsvorrichtung 39 passt
in eine zweite Verbindungsvorrichtung an dem oberen Ende des Halterungselements 51,
so dass die Bodenplatte 38 von der Bewegung in der Axialrichtung
in Bezug auf die Axialbewegung des Halterungselements 51 und
des zweiten Endes 54 der Hülle 22 abgehalten
wird. Die Verbindung zwischen der ersten Verbindungsvorrichtung 39 und
dem Halterungselement 51 berücksichtigt einen kleinen Betrag
an radial unterschiedlicher Wärmeausdehnung
der Bodenplatte 38/ der ersten Verbindungsvorrichtung 39 und
des Elements 51/ des zweiten Endes 54 der Hülle 22.
Das Element 51 ist durchlässig.
-
Die in 1A und 1B gezeigten Konfigurationen
sind nur für
zwei mögliche
Konfigurationen bei der ersten Abwandlung repräsentativ. Der Fachmann auf
dem Gebiet wird erkennen, dass weitere ausführbare Konfigurationen möglich sind.
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Eine zweite Abwandlung umfasst eine
zylindrische Hülle 22 mit
drei oder mehr durchlässigen konzentrischen
Zylindern (d. h. Blenden) innerhalb der Hülle. Die Ringräume zwischen
den durchlässigen
Blenden sind mit Adsorptionsmittel 46 gefüllt. Die innere
Blende 30 ist in der Axialrichtung flexibel und in der
Radialrichtung starr, die äußere Blende 24 ist in
beiden Richtungen starr und die Zwischenblende (Zwischenblenden)
ist (bzw. sind) in beiden Richtungen flexibel. Alle Blenden sind
an ihren oberen Enden starr mit der Hülle verbunden. An ihren unteren
Enden sind die Blenden durch eine Bodenplatte 38 starr miteinander
verbunden, wobei sich die Bodenplatte in der Axialrichtung frei
bewegen kann. Das Gewicht der Blenden und des Adsorptionsmittels
ist an der starren äußeren Blende
aufgehängt.
Während
sich die Wärmeimpulse
durch die Adsorptionsmittelschicht bewegen, werden die Blenden abwechselnd erwärmt und
abgekühlt.
Die äußere Blende
dehnt sich axial aus und zieht sich zusammen, wobei sie das Adsorptionsmittel
in der Axialrichtung quetscht und freigibt. Die anderen Blenden,
die in der Axialrichtung flexibel sind, folgen der Axialbewegung
der äußeren Blen de.
Die innere Blende und die äußere Blende
dehnen sich radial aus und ziehen sich zusammen, wobei sie das Adsorptionsmittel
in der Radialrichtung quetschen und freigeben. Die Zwischenblende
(Zwischenblenden) bewegt (bzw. bewegen) sich radial mit dem Adsorptionsmittel,
da sie in der Radialrichtung flexibel ist (bzw. sind), wodurch sie sehr
wenig zusätzliche
radiale Presskraft auf die Adsorptionsmittelschicht überträgt (bzw. übertragen).
-
Eine dritte Abwandlung umfasst eine
zylindrische Hülle 22 mit
drei oder mehr durchlässigen
konzentrischen Zylindern (d. h. Blenden) innerhalb der Hülle. Die
Ringräume
zwischen den durchlässigen Blenden
sind mit Adsorptionsmittel 46 gefüllt. Die innere Blende 30 ist
in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung starr, die äußere Blende 24 ist
in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr und
die Zwischenblende (Zwischenblenden) ist (bzw. sind) in sowohl der
Axial- als auch der Radialrichtung flexibel. Alle Blenden sind an
ihren oberen Enden starr mit der Hülle verbunden. An ihren unteren
Enden sind die Blenden durch eine Bodenplatte 38 starr miteinander
verbunden, wobei sich die Bodenplatte in der Axialrichtung frei
bewegen kann. Das Gewicht der Blenden und des Adsorptionsmittels
ist an der starren inneren Blende aufgehängt. Während sich die Wärmeimpulse
durch die Schicht bewegen, werden die Blenden abwechselnd erwärmt und
abgekühlt.
Die innere Blende dehnt sich axial aus und zieht sich zusammen,
wobei sie das Adsorptionsmittel in der Axialrichtung quetscht und
freigibt. Die anderen Blenden, die in der Axialrichtung flexibel
sind, folgen der Axialbewegung der inneren Blende. Die innere Blende
und die äußere Blende
dehnen sich radial aus und ziehen sich zusammen, wobei sie das Adsorptionsmittel
in der Radialrichtung quetschen und freigeben. Die Zwischenblende
(Zwischenblenden) bewegt (bzw. bewegen) sich radial mit der Adsorptionsmittelschicht,
da sie in der Radialrichtung flexibel ist (bzw. sind), wodurch sie
sehr wenig zusätzliche
radiale Presskraft auf die Adsorptionsmittelschicht überträgt bzw. übertragen.
-
Eine vierte Abwandlung umfasst eine
zylindrische Hülle 22 mit
vier oder mehr durchlässigen
konzentrischen Zylindern (d. h. Blenden) innerhalb der Hülle. Die
Ringräume
zwischen den durchlässigen Blenden
sind mit Adsorptionsmittel 46 gefüllt. Die innere Blende 30 und
die äußere Blende 24 sind
in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr, wobei
eine der Zwischenblenden in der Radialrichtung flexibel und in der
Axialrichtung starr ist. Die verbleibende Zwischenblende (Zwischenblenden)
ist (bzw. sind) in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung
flexibel. Alle Blenden sind an ihren oberen Enden starr mit der
Hülle verbunden.
An ihren unteren Enden sind die Blenden durch eine Bodenplatte 38 starr
miteinander verbunden, wobei die Bodenplatte in der Axialrichtung
frei bewegt werden kann. Das Gewicht der Blenden, des Adsorptionsmittels und
der Bodenplatte ist an der Zwischenblende aufgehängt, die radial flexibel und
axial starr ist.
-
Die Hauptkonfiguration und die erste
Abwandlung werden gegenüber
der zweiten, der dritten und der vierten Abwandlung bevorzugt. Diese
Bevorzugung ergibt sich aus der Tatsache, dass die axiale Wärmebewegung
der Blenden in der Hauptkonfiguration und in der ersten Abwandlung
viel kleiner als in der zweiten, in der dritten und in der vierten
Abwandlung ist. Trotz dieser Bevorzugung erzielen die Konstruktionen
der zweiten, der dritten und der vierten Abwandlung immer noch Vorteile
gegenüber
dem Stand der Technik, wobei die Tatsache inbegriffen ist, dass
diese Konstruktionen besser in der Lage sind, mehrere Schichten
des Adsorptionsmittels aufzunehmen.
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Das Vermögen der Blenden, die großen zyklischen
Temperaturschwankungen aufzunehmen, die mit einem TSA-Zyklus verbunden
sind, ist unabhängig
von der Anordnung des Verteilers. Dies bedeutet, dass der Adsorptionsreaktor
mit radialer Strömung
der vorliegenden Erfindung genauso gut mit einer Z-Strömungs-Verteileranordnung
(wie in
1 gezeigt ist),
mit einer U-Strömungs-Verteileranordnung
oder mit einer "umgekehrten
U-Strömungs-Verteileranordnung" (siehe
US-A-5,814,129 bezüglich der
U-Strömungsanordnung
und der umgekehrten U-Strömungsanordnung)
funktioniert.
-
Außerdem funktionieren die Blenden,
sowohl wenn die Strömung
des Verfahrens radial nach innen oder radial nach außen durch
die Adsorptionsmittelschichten verläuft, als auch wenn der Reaktor
umgedreht wird, genauso gut.
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Obwohl weiter oben verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Endung erörtert
worden sind, ist klar, dass bei diesen Ausführungsformen Abwandlungen und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Geltungsbereich der Erfindung, wie er in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist, abzukommen. Außerdem
ist klar und selbstverständlich,
dass, obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Anfangsreinigungssystemen
für cryogene
TSA-Luftzerlegungsanlagen erörtert
worden ist, die Erfindung auch auf andere Reaktionstypen anwendbar
ist, bei denen bewirkt wird, dass ein Fluid mit einer veränderlichen
Temperatur zu einem Durchgang durch eine oder durch mehrere ringförmige Schichten
aus Materialpartikeln, einschließlich aktiver Materialien wie
etwa Katalysatoren, wobei sich jedoch nicht hierauf beschränkt wird,
veranlasst werden.