DE60010135T2 - Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt lediglich beispielhaft und anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 eine Längsschnittansicht des Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 1A eine Schnittansicht eines Abschnitts des Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 1B eine Schnittansicht eines Abschnitts des Adsorptionsreaktors mit radialer Strömung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2 eine Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein Muster von Öffnungen hat, die horizontal und vertikal ausgerichtete Strebenelemente, die gerade sind, ausbilden;
  • 3 eine Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein anderes Muster von Öffnungen hat, die Strebenelemente, die verjüngt sind, ausbilden;
  • 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
  • 5 eine Teilansicht eines Abschnitts einer Blende ist, die ein anderes Muster von Öffnungen hat, die Strebenelemente, die gekrümmt und verjüngt sind, ausbilden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Mit Bezug auf 1, in der die Pfeile die Strömung eines Gases (Prozessfluids) zeigen, ist ein typisches Szenario beispielsweise folgendes:
  • 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.
  • 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.
  • Plötzlich nimmt die Temperatur des Gases um mehrere hundert Grad (F, C) zu.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (23)

  1. Adsorptionsreaktor (20) mit radialer Strömung, mit einer zylindrischen Hülle (22), die eine Längsachse (40) hat und mit einer Vielzahl zylindrischer Blenden (24, 26, 28, 30), wobei jede Blende (24, 26, 28, 30) einen unterschiedlichen Durchmesser und eine Längsachse aufweist, die parallel zur Längsachse (40) der Hülle (22) liegt, wobei die Blenden (24, 26, 28, 30) konzentrisch innerhalb der Hülle (22) angeordnet sind, wobei die Vielzahl aus einer äußeren Blende (24), einer inneren Blende (30) und mindestens einer Zwischenblende (26, 28) besteht und die oder mindestens eine der Zwischenblenden (26, 28) sowohl in axialer als auch in radialer Richtung dahingehend flexibel sind, dass sie dazu in der Lage sind, elastische Deformationen in der betrachteten Richtung durchzuführen, die viel größer sind als sie durch die dem Blendenmaterial selbst inhärente Elastizität aufgenommen werden könnten, 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, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere und die innere Blende (24, 30) in der Radialrichtung starr sind, wobei die mögliche elastische Deformation der Blenden in der Radialrichtung aus der Elastizität herrührt, die dem Blendenmaterial inhärent ist.
  2. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei Zwischenblenden (26, 28) in sowohl axialer als auch radialer Richtung flexibel sind.
  3. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem ein ("oberes") Ende jeder Blende (24, 26, 28, 30) starr mit einem ("ersten") Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist.
  4. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 3, bei dem das andere ("untere") Ende jeder Blende starr mit einer Bodenplatte (38) verbunden ist, welche dem anderen ("zweiten") Ende (54) der Hülle (22) benachbart ist.
  5. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 4, bei dem die Bodenplatte (38) starr mit dem zweiten Ende (54) der Hülle (22) verbunden ist.
  6. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 4, bei dem die Bodenplatte (38) axial frei beweglich ist.
  7. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 4, bei dem eine axiale Bewegung der Bodenplatte (38) zum zweiten Ende (54) der Hülle (22) begrenzt ist.
  8. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine Bodenplatte (38) innen angeordnet und starr mit der Hülle (22) benachbart einem ("zweiten") Ende (54) der Hülle (22) verbunden ist; jeweils die äußere Blende (24) und die innere Blende (30) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und ihr eines ("unteres") Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist und ihr anderes ("obere") Ende starr mit dem anderen ("ersten") Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist; und das obere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist und das untere Ende der mindestens einen Zwischenblende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  9. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine bewegliche Bodenplatte (38) innerhalb der Hülle (22) angeordnet ist; eine Halterung (49), (49') innen angeordnet und starr mit der Hülle (22) benachbart dem zweiten Ende (54) der Hülle (22) verbunden ist, um halternderweise die Axialbewegung der beweglichen Bodenplatte (38) zum zweiten Ende (54) der Hülle (22) hin zu begrenzen, aber eine Axialbewegung zum ersten Ende (52) der Hülle (22) hin zu gestatten; jeweils die äußere Blende (24) und die innere Blende (30) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle verbunden ist, und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte verbunden ist; und das obere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und das untere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  10. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine Bodenplatte (38) zur freien axialen Bewegung innerhalb der Hülle (22) benachbart dem zweiten Ende (54) der Hülle (22) angeordnet ist; die äußere Blende (24) in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung starr ist, und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; die innere Blende (30) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und das obere Ende der inneren Blende (30) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und das untere Ende der inneren Blende (22) starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; und das obere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (54) der Hülle (22) verbunden ist, und das untere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  11. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine Bodenplatte (38) zur freien axialen Bewegung innerhalb der Hülle (22) benachbart im zweiten Ende (54) der Hülle (22) angeordnet ist; die äußere Blende (24) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; die innere Blende (30) im sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung starr ist und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; und das obere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle verbunden ist, und das untere Ende der mindestens einen Zwischenblende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  12. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine Bodenplatte (38) zur freien axialen Bewegung innerhalb der Hülle (22) benachbart dem zweiten Ende (54) der Hülle (22) angeordnet ist; jeweils die äußere Blende (24) und die innere Blende (30) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; und die Vielzahl der zylindrischen Blenden (42, 26, 28, 30) eine Vielzahl von Zwischenblenden (26, 28) umfassen, die zwischen der inneren Blende (30) und der äußeren Blende (24) angeordnet sind, wobei zumindest eine Zwischenblende (24, 28) in Radialrichtung flexibel und in Axialrichtung starr ist, und wobei mindestens eine andere Zwischenblende (24, 28) in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung flexibel ist, und wobei das obere Ende jeder Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und das untere Ende jeder Zwischenblende (26, 28) starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  13. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem: eine bewegliche Bodenplatte (38) innerhalb der Hülle (22) angeordnet ist; eine Halterung (49, 49') innen angeordnet und starr mit der Hülle (22) benachbart zum zweiten Ende (54) der Hülle (22) verbunden ist, um halternderweise eine Axialbewegung der beweglichen Bodenplatte (38) zu jedem Ende (52, 54) der Hülle hin zu begrenzen; jeweils die äußere Blende (24) und die innere Blende (30) in der Axialrichtung flexibel und in der Radialrichtung starr ist, und ihr oberes Ende starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und ihr unteres Ende starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist; und die mindestens eine Zwischenblende (26, 28) in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung flexibel ist, und das obere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit dem ersten Ende (52) der Hülle (22) verbunden ist, und das untere Ende der mindestens einen Zwischenblende (26, 28) starr mit der Bodenplatte (38) verbunden ist.
  14. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Vielzahl von Öffnungen (60, 64) in der mindestens einen Zwischenblende umfasst, die sowohl in axialer als auch in radialer Richtung flexibel ist.
  15. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 14, bei dem die Öffnungen (62, 64) in einem Muster angeordnet sind, wodurch horizontal und vertikal ausgerichtete Strebenelemente (66) in mindestens einer Blende ausgebildet werden, welche in sowohl axialer als auch radialer Richtung flexibel ist.
  16. Adsorptionsreaktor mir radialer Strömung nach Anspruch 15, bei dem die Strebenelemente (66) gerade sind.
  17. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 15, bei dem die Strebenelemente (66') verjüngt sind.
  18. Adsorptionsreaktor mir radialer Strömung nach Anspruch 15, bei dem die Strebenelemente (66''') gekrümmt und verjüngt sind.
  19. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 15, bei dem die Strebenelemente (66'') in einem Fischgrätenmuster angeordnet sind.
  20. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Adsorptionsmittelpartikeln (46) in einem Ringraum zwischen mindestens zwei Blenden (24, 26, 28, 30) angeordnet sind.
  21. Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 20, der ferner ein feinmaschiges Material umfasst, das angepasst ist, um zu verhindern, dass Partikel des Adsorptionsmittels durch die Öffnungen hindurch gehen.
  22. Cryogene Luftzerlegungs-Temperaturwechsel-Adsorptionsanlage mit einem Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung nach Anspruch 1.
  23. Anlage nach Anspruch 22, bei dem der Adsorptionsreaktor mit radialer Strömung ein solcher ist, wie er in einem der Ansprüche 2 bis 21 definiert wird.
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