DE60011298T2

DE60011298T2 - Verfahren und vorrichtung zur gasbehandlung

Info

Publication number: DE60011298T2
Application number: DE60011298T
Authority: DE
Inventors: Arne Dag EIMER
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: US20030089232A1; NO996410L; EP1242164A1; ES2222255T3; NO996410D0; DE60011298D1; JP2003518217A; WO2001045825A1; ATE268209T1; NO316194B1; DK1242164T3; AU1743001A; JP4598344B2; EP1242164B1; US6800115B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Behandeln eines Gases. Die Erfindung ist insbesondere für die Energiegewinnung und/oder das Entfernen von CO₂ aus Abgas oder Verbrennungsgas anwendbar.
Bei Verwendung von Gasturbinen zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie wird Dampf üblicherweise aus Abwärme hergestellt, und dieser Dampf wird üblicherweise zum Betreiben einer Dampfturbine verwendet. Auf diese Weise wird die gesamte Energieausnutzung erhöht. Die heutzutage zusätzlich zum Energieumwandlungsverfahren einer Gasturbine hinzugefügte Dampferzeugung und Dampfturbine bringt eine sehr umfangreiche Verfahrensausstattung mit sich. Insbesondere der Kessel ist voluminös. Die Rohrleitungen sind ebenfalls sehr umfangreich und komplex. Auf offener See, wie auf einer Öl-/Gasplattform, ist es deshalb übliche Praxis, die Gasturbine ohne irgendeine Vorrichtung für die Energiegewinnung aus dem Abgas zu installieren, da das Gas in einer solchen Umgebung billig ist, während man nur ein Minimum an Platz hat.
Mit zunehmendem Fokus auf die Kohlenstoff induzierte Erderwärmung sowie auf die Einführung von Kohlendioxid- oder Energiesteuern wird diese Situation neu bewertet. Eine Steigerung der Energieausnutzung des Verfahrens bedeutet, dass weniger Klimagase ausgestoßen werden. Ebenfalls wird ein Schwerpunkt auf die Möglichkeit gesetzt, Kohlendioxid aus den Verbrennungsgasen aus solchen Energieumwandlungsanlagen abzusondern.
Die Kohlendioxidgewinnung erfordert eine Senkung der Abgastemperatur auf ein niedrigeres Niveau als die typische Abgastemperatur der Gasturbine von 500 °C. Die höchste zulässige Temperatur für das Abtrennen von Kohlendioxid aus dem Gas liegt bei der heutigen Technologie im Bereich von 100 – 150 °C, würde jedoch für das Behandeln von Abgas typischerweise bei 20 – 50 °C liegen.
Wenn das Abgas mit auf Flüssigkeit beruhenden Verfahren (z.B. Absorption) behandelt wird, sind üblicherweise Tröpfchen in der Gasphase vorhanden. Beim Auftreten von Kondensation sind wahrscheinlich ebenfalls Tröpfchen vorhanden. Daher ist es wünschenswert, solche Tröpfchen sowohl zur Gewinnung der Flüssigkeit als auch zur Vermeidung eines zusätzlichen Abwassers in die Atmosphäre zu entfernen.
Eine herkömmliche Ausführung einer Anlage zur Wärmegewinnung, Abkühlung und Kohlendioxidentfernung aus Abgas umfasst einen separaten Boiler, gefolgt von einem Kühler für das Gas, bevor das Kohlendioxid in einer Absorptionssäule mit einer nachgeschalteten Entnebelungseinheit entfernt wird und wahrscheinlich ein Gebläse zur Bewältigung des darauffolgenden Druckabfalls. Diese Verfahrenseinheiten sind umfangreich und erfordern zusätzlich zu einem komplexen Rohrleitungssystem die erforderliche Geräteausstattung und Kontrolle, um die verschiedenen Einheiten zu verbinden.
Es ist aus der Literatur bekannt (z.B. Sawyer's Gas Turbine Engineering Handbook, 3. Ausgabe vol. II, Kapitel 7 und 14), wie die Energiegewinnungsprobleme in Kreisläufen von Gasturbinen technisch gelöst werden können, aber die bekannten Lösungen sind im Allgemeinen teuer und zu umfangreich für eine Anwendung auf offener See. Außerdem sind diese technischen Lösungen mit begrenzten Druckabfällen verbunden, die zu einem höheren Druck am Ausgang der Gasturbine mit verminderter Energieausnutzung als Ergebnis führt. Alternativ kann eine Art Gebläse installiert werden, um den Druckabfall zu bewältigen.
Es ist weiterhin aus der Literatur bekannt (z.B. W.W. Bathie, Fundamentals of Gas Turbines, 2. Ausgabe, Wiley, 1996, Kapitel 8), dass Gasturbinenflügel durch internen Wasserfluss abgekühlt werden. Die bestehende Technik wurde entwickelt, um die Flügeloberflächen ausreichend kühl zu halten, um Materialverlust zu vermeiden, und ist nicht für eine wirksame Wärmeübertragung oder Energiegewinnung geeignet.
Ebenso ist aus der Literatur bekannt (z.B. Kohl und Nielsen, Gas Purification, 5. Ausgabe, Gulf Publishing, 1997), wie Kohlendioxid aus dem Gas durch verschiedene Mittel entfernt werden kann. Die Entfernung von Kohlendioxid aus Verbrennungsgas stellt aufgrund eines Mangels an verfügbarem Druck sowie der Anwesenheit von Verunreinigungen, wie Stickstoffoxid und Sauerstoff, im Gas ein spezielles Problem dar. Eine solche Anwendung ist in der Literatur beschrieben (Pauley et al., Oil & Gas Journal, Mai 14, 1984, S. 84 – 92). In den letzten Jahren wurde in viele Entwicklungen investiert, um eine solche Technologie zu verbessern (siehe z.B. Greenhouse Gas Control Technologies, herausgegeben von Eliasson, Riemer und Wokaun, Pergamon, 1999).
GB Patent Nr. 1.332.684 lehrt, wie Wärmeaustauscher an einer Drehanordnung (Drehkranz) eines Luftkompressors zusammen mit einer Verbrennungskammer und einer Gasturbine befestigt werden können. Es wird gezeigt, wie Wärme aus dem Abgas von Gasturbinen verwendet werden kann, um Verbrennungsluft über ein dazwischenliegendes Wärmeübertragungsmedium vorzuwärmen, welches in einem geschlossenen Kreislauf einschließlich Wärmeübertragungsmatrizen arbeitet, die jeweils im Abgasstrom und in der Abgasluft positioniert sind. Die Nachteile dieser Erfindung umfassen die Bildung eines Druckabfalls im Abgasstrom durch die Verwendung von dem Gas, um die Wärmeaustauschanordnung hydraulisch zu betreiben, sowie ein begrenztes Potenzial zur Wärmegewinnung. Diese physikalische Positionierung der Wärmeübertragungseinrichtung und der entstehende Druckabfall beeinträchtigt ebenfalls die Gasturbinenanordnung. Außerdem kann der Wärmeaustauscher nicht als Nachrüstung montiert werden.
Die Patente DE 33 26 992 , EP 262 295 und EP 556 568 beschäftigen sich mit verschiedenen Eigenschaften der im Wesentlichen selben Erfindung oder Entwicklung davon. Sie lehren, wie ein Gerät in der Abgasleitung einer Verbrennungsmaschine positioniert sein kann, und wie dieses Gerät gestaltet sein kann, um Wärme und kinetische Energie aus dem Abgas zu gewinnen. Außerdem lehren sie, wie Dampf hergestellt werden kann, um eine Dampfturbine zu speisen, und wie dieses Gerät gestaltet sein kann, sodass es auf einer Rotationswelle sitzt, von welcher aus Kraft auf die Kurbelwelle einer Verbrennungsmaschine übertragen wird. Diese Erfindung ist zur Erhöhung der Wirksamkeit oder der Leistungsausbeute aus einer Verbrennungsmaschine bestimmt. Der Druckabfall, der im Abgasstrom ausgelöst wird, ist ein Nachteil, aber weniger für eine Verbrennungsmaschine als für eine Gasturbine. Der enge Durchflussweg das Abgases führt mit oder ohne Turbinenflügel zu einem beträchtlichen Druckabfall. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Dampf in einer einzelnen Kammer gebildet wird, sodass nur ein Temperaturniveau möglich ist. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung effektiv als Querstrom mit der sich daraus ergebenden Begrenzung in Bezug auf die Wärmegewinnung aufgebaut. Noch ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Temperatur des Abgases nicht auf ein Niveau reduziert werden kann, bei dem die Entfernung von Kohlendioxid durchgeführt werden kann.
WO 98/30846 beschreibt, wie eine kompakte Wärmepumpe durch Kombination von Transport erleichternden Eigenschaften, wie Kompression und Pumpen auf der selben Welle, konstruiert werden kann. Diese Patentanmeldung beschreibt auch einen Wärmeaustauscher in Gestalt eines Spiralwickels in einem engen ringförmigen Raum, in dem das eine Medium innerhalb des spiralförmigen Rohrs fließt und das andere Medium in den ringförmigen Raum fließt. Diese Lösung bereitet Schwierigkeiten bei der Bewältigung des umfangreichen Gasflusses, welche normalerweise in der Handhabung des Abgases oder umfangreicher, auf Gasen beruhender Verfahren in Zusammenhang stehen.
US Patent 5.363.909 lehrt, wie ein Gas in eine Kammer geleitet werden kann, in welcher eine rotierende Füllung positioniert ist, und in welcher das Gas gezwungen ist, radial in Richtung des Zentrums der Füllung zu fließen, während es mit einer Flüssigkeit in Kontakt steht, die sich radial nach außen bewegt. Das Abkühlen oder Erwärmen kann mittels direkter Wärmeübertragung stattfinden, aber durch den direkten Kontakt wäre es unmöglich, geeigneten Dampf oder irgendein anderes geeignetes Wärmemedium zu erzeugen. Außerdem bedeutet es eine gesonderte Ausstattung sowie einen beträchtlichen Druckabfall, da die Füllung den Einfluss eines Ventilators auf das Gas vermittelt, indem es versucht, es nach draußen zu treiben und dieser Einfluss muss durch einen zusätzlichen Druckabfall überwunden werden.
SU 1189473 lehrt, wie ein Gas durch eine Säule fließt, in der konzentrische Scheiben, die zur Achse neigen, auf der Innenwand angebracht sind, und im Zentrum ist eine Rotationseinheit mit nach außen neigenden Scheiben positioniert. Die Flüssigkeit fließt über die Rotationsscheiben und wird zur Wand geschleudert, von wo sie über die statischen Scheiben zurück auf die unterhalb liegende Rotationsscheibe fließt. Das Gerät ist zur Stoffübertragung bestimmt, aber indem man die Flüssigkeit verdampfen lässt, wird wahrscheinlich eine Abkühlung des Gases bewirkt. Wiederum ist es unmöglich, die Wärme in dem eintretenden Gas zu nutzen, und der Eintritt in die Säule und die montierten Scheiben machen einen Druckabfall aus. Dieses Gerät ist ebenso auf eine vertikale Montage beschränkt und ist nicht sehr platzsparend (m²/m³) in Bezug auf die Stoffübertragung.
SU 359040 lehrt, wie ein Gas und eine Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden können, indem man das Gas durch einen horizontalen Tank fließen lässt, auf dessen Boden sich ein Flüssigreservoir befindet. Die Flüssigkeit wird in die Gasphase mittels Rotationseinheiten gespritzt, welche in die Flüssigkeit eintauchen und sie in das Gas schleudern. Dabei werden die Rotationseinheiten durch den Gasfluss angetrieben. Die Stoffübertragung kann, wie oben beschrieben, bewirkt werden, aber die Vorrichtung ist für die Wärmegewinnung aus dem Gas nur von geringem Nutzen. Der Vorgang der Stoffübertragung ist nicht sehr effizient, z.B. hinsichtlich des Platzes (m²/m³).
Des Weiteren sind aus der Literatur (z.B. A. Bürkholz, Droplet Separation, VCH, 1989) verschiedene Methoden für das Entfernen von Tröpfchen und/oder Nebel aus Gasen bekannt.
US-A.934.448, US-A-4.621.684 und WO-A-95.24602 beziehen sich auf eine Vorrichtung für das Behandeln eines Gasstroms durch die Durchführung einer Wärmeübertragung. Offenbart ist ein rotierender Wärmeaustauscher, umfassend eine hohle Welle und ein oder mehrere hohle Röhren, welche innerhalb der hohlen Welle axial für den Transport der Fluide zur Wärmeübertragung montiert sind. Die hohle Welle ist ferner mit einer Vielzahl von Scheiben versehen, um die wärmeaustauschende Oberfläche zu vergrößern. Die Scheiben können so gestaltet sein, dass der Druckabfall über die Vorrichtung vermindert ist oder ein bestimmter Ventilatoreinfluß bewirkt wird. Bisher war die Technologie für den Erhalt von Wärme- und Stoffübertragung für große Gasflüsse umfangreich und teuer. Wenn dieses Problem wirksam gelöst werden soll, wird eine neue Technologie benötigt.
Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung bestand darin, zu einer kompakten und multifunktionellen Vorrichtung für das Behandeln von Gas zu gelangen.
Der Erfinder hat ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Behandeln von Abgas oder Verbrennungsgas entwickelt, welches eine bedeutende Verbesserung gegenüber der heutigen verfügbaren Technologie darstellt. Die Vorrichtung ist kompakt und multifunktionell, und vermindert den Bedarf an Rohrleitungen, indem die Vorrichtung in die Abgasleitung eingebaut wird, wo Wärme- und Stoffübertragung erreicht werden. Wahlweise kann eine gewisse Axialbewegung auf das Gas aufgebracht werden, um Druckabfall in der Leitung zu vermeiden. Es könnte sogar ein negativer Druckabfall vorhergesehen werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung umfasst eine oder mehrere Einheiten 3, umfassend die Funktionselemente 10, 20, 110, 200, 230, 310, 320, 330 und 400, die an einer hohlen Welle 4 angebracht sind und in der Lage sind, mit dieser zu rotieren, und eine oder mehrere Röhren 5, die axial innerhalb der hohlen Welle für den Transport der notwendigen Hilfsfluide montiert sind, um die Gasbehandlung zu bewirken.
Außerdem umfasst das Verfahren nach Anspruch 19 der vorliegenden Erfindung, dass der Gasstrom mit einer oder mehreren Einheiten in Kontakt gebracht wird, umfassend Funktionselemente, die an einer hohlen Rotationswelle angebracht sind und mit dieser rotieren, und wobei notwendige Hilfsfluide, welche die Gasbehandlung ausführen, durch das Funktionselement in jeder Einheit fließen, was durch die Röhren, die axial innerhalb der Welle montiert sind, ermöglicht wird.
Die Erfindung vermindert die Komplexität der Gasbearbeitung, welche durch die Ermöglichung der Installation aller relevanten Bearbeitungs- und/oder Kontaktvorrichtungen in der Gasleitung selbst vorgesehen ist, und so den Bedarf an Rohrleitungen vermindert.
Die Erfindung umfasst ein oder mehrere Einheiten, umfassend Funktionselemente, die auf einer hohlen Rotationswelle in der Abgasleitung montiert sind und in der Lage sind, mit dieser zu rotieren, typischerweise aus einer Gasturbine, aber das Abgas könnte ebenso aus einer anderen Quelle stammen. Die Elemente sind so konstruiert, dass Wärmeübertragung, Stoffübertragung und Entnebelung kombiniert sind. Die Funktionselemente sind auch so gestaltet, dass sie die Axialbewegung des Gases durch Bereitstellung eines gewissen Ventilatoreinflusses begünstigen. Die inbegriffene Begünstigung der Axialbewegung dient im Wesentlichen dazu, sicherzustellen, dass die Vorrichtung keinen Druckabfall durch ihr Vorliegen in der Abgasleitung verursacht. Die Rotation der Einheit erhöht die Turbulenz um die funktionellen Elemente herum. Auf diese Weise erhöhen sie je nach dem die Stoff- und Wärmeübertragung. Statoren können an der Leitungswand montiert sein, um die Effizienz der Begünstigung der Axialbewegung zu verbessern. Die Welle wird unter Verwendung geeigneter Lager, die, wie erforderlich, gekühlt werden, montiert. Die Achse der Rotationseinheit wird parallel zu der Achse der Gasleitung montiert. Diese Achsen können übereinstimmen, jedoch nicht notwendigerweise. Eine Art Antrieb ist ebenfalls bereitgestellt.
Die Erfindung ist insbesondere für die Energiegewinnung und/oder das Entfernen von CO₂ aus dem Abgas oder Verbrennungsgas anwendbar.
Heißgas in der Abgasleitung wird zuerst abgekühlt, um Dampf oder Heißdampf zu erzeugen, indem es durch ein rotierendes Hitzeübertragungselement fließt, welches in der Leitung, wie oben beschrieben, montiert ist. Der nächste Schritt besteht im weiteren Abkühlen des Gases, indem möglicherweise mehr Dampf von niedrigerem Druck erzeugt wird, und dann schließlich das Gas, wie erforderlich, abgekühlt wird. Die Wärmeübertragungselemente können hintereinander auf derselben Welle montiert sein, oder sie können auf Wellen, die hintereinander montiert sind, montiert sein, aber sie sind alle zur Positionierung in der Leitung bestimmt.
Das Wasser, als Flüssigkeit oder Dampf, fließt in Leitungen, die intern in der Welle, welche hohl ist, montiert sind. Das Wasser wird typischerweise erst gegen das austretende Gas erwärmt, und das erwärmte Wasser fließt dann in das Innere der Welle zurück und fließt zum nächsten wärmeren Wärmeübertragungselement weiter. Der Wasserfluss durch diese Elemente erfolgt zum Teil parallel und zum Teil hintereinander, wie es unter dem Gesichtspunkt der Wärmeübertragungskinetik, der Wärmerückgewinnung und des Flüssigkeitsstroms günstig ist.
Ist das Gas einmal richtig temperiert, breitet es sich über eine oder mehrere Einheiten aus, zum Teil parallel und zum Teil hintereinander hinsichtlich des verwendeten flüssigen Absorptionsmittels, wobei Kohlendioxid aus dem Abgasstrom absorbiert wird. Das flüssige Absorptionsmittel wird durch die Welle in das Innenteil eingeführt und bahnt sich seinen Weg zur Peripherie der Gasleitung über eine Einheit oder Einheiten, die die Stoffübertragungsoberfläche vergrößern. Die Flüssigkeit wird in der Peripherie eingesammelt, abgelassen und zur Rückführung verarbeitet. Stromabwärts der Verarbeitung ist eine weitere Einheit auf der Welle montiert, und diese Einheit fungiert als Entnebler, wobei in dem Gas mitgerissene Flüssigkeitströpfchen eingesammelt und durch Zentrifugalkraft in Richtung der Peripherie der Gasleitung abgelassen werden, von wo aus sie eingesammelt und abgelassen werden.
Diese Erfindung wird ferner in den folgenden Fig. en erklärt und vorgestellt:
1 zeigt eine Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine Einheit mit flügelförmigen Funktionselementen.
3 zeigt eine Einheit mit schraubenförmigen Funktionselementen.
4 – 7 zeigen alternative Wege von Hilfsströmen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
8 zeigt verschiedene Ausführungsformen eines Wärmeaustauscher-Funktionselements.
9 zeigt eine weitere Version eines in 8 dargestellten Funktionselements.
10 zeigt eine Seitenansicht einer Absorptionseinheit, wobei die Funktionselemente koaxiale durchlöcherte, wie zugeschnittene Kegel geformte Schalen sind.
11 zeigt Einzelheiten der koaxialen Schalen in 10.
12 zeigt eine Seitenansicht einer Absorptionseinheit, wobei die Funktionselemente koaxiale durchlöcherte, wie zugeschnittene Zylinder geformte Schalen sind.
13 zeigt eine Variation von 12.
14 zeigt eine weitere Variation von 12.
15 zeigt eine Einheit mit einem dichtgepackten Absorber für den Abgasfluss.
16 zeigt eine Ausführungsform des dichtgepackten Absorbers in 15.
17 zeigt, wie die Schalen in den 10 bis 14 mit Rillen, welche spiralförmig um die Schalenzylinder herum laufen, versehen sein können.
18 zeigt eine Ausführungsform der Funktionselemente, welche zur Nebelentfernung verwendet werden.
19 zeigt eine weitere Ausführungsform der Funktionselemente, welche zur Entnebelung verwendet werden.
20 zeigt ein Foto, das eine Ausführungsform der Funktionselemente darstellt.
21 zeigt mögliche Flügelgestalten in 2 oder den Spiralkörper aus 3.
22 – 23 zeigen, wie im äußeren Umkreis eingesammelte Flüssigkeit zum Boden der Leitung hin abgelassen werden kann.
1 zeigt eine Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zu behandelndes Abgas oder Verbrennungsgas 1 fließt durch eine Abgasleitung oder Verbrennungsgasleitung 2, in welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung 3 montiert ist. Die Vorrichtung umfasst eine oder mehrere Gasbehandlungseinheiten, welche auf einer rotierenden, hohlen Welle 4 montiert sind. Auch wenn 1 nur einen Abschnitt der Gasleitung 2 zeigt, die vier Einheiten 3 darstellt, versteht sich, dass es dort mehrere solcher Abschnitte hintereinander geben kann und dass jeder Abschnitt eine beliebige Anzahl an Einheiten haben kann. Außerdem kann dort eine beliebige Anzahl an Funktionselementen 10, 20 in einer beliebigen Einheit 3 vorhanden sein.
Hilfsfluide (z.B. Wasser oder Absorptionsflüssigkeit), welche für die Gasbehandlung verwendet werden, treten in jede Einheit ein und verlassen diese durch Röhren 5, die axial innerhalb der hohlen Welle 4 verlaufen. Jede Einheit umfasst Funktionselemente, die für die Wärme- und Stoffübertragung zwischen dem Abgas und dem (n) Hilfsfluid (en) geeignet sind. Entnebelungseinrichtungen können in die Wärme- und/oder Stoffübertragung einbezogen werden, können aber ebenso als getrennte Einheiten einbezogen werden. Die Gestaltung der verschiedenen Einheiten wird entsprechend ihrer bestimmungsgemäßen Bedienung angepasst.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung wird innerhalb der Gasleitung montiert. Die Rotationswelle 4 ruht in Lageranordnung, die als notwendiger Träger und zur Erleichterung der Rotation bei beträchtlicher Geschwindigkeit ohne übermäßige Reibung dient. Die Anzahl der Trägerpunkte und damit der Lager wird durch die "Good Mechanical Engineering Practice" bestimmt. Lager sind in Gehäusen vorhanden, die, wie erforderlich, entsprechend der "Good Practice" abgekühlt werden. Jede Einheit 3 in der Vorrichtung kann derart gestaltet sein, dass sie die Axialbewegung des Gases begünstigt, wenn die Einheit rotiert, und/oder die Funktionselemente können in solch einem Muster innerhalb der Einheit 3 montiert sein, dass das Muster so gestaltet ist, dass es eine Axialkraft auf das Gas aufbringt und so die Axialbewegung des Gases verbessert. Es ist in der Figur nicht gezeigt, aber eine gewisse Art mechanischer Antrieb, der die Rotation der Vorrichtung bewirkt, wird bereitgestellt. Weder zeigt die Figur, wie die Hilfsfluide in die rotierende, hohle Welle hinein und aus der rotierenden, hohlen Welle heraus geleitet werden, aber solche Techniken sind aus der Maschinenbauliteratur bekannt. Die Achsen der Leitung und der Rotationseinheit sind parallel zueinander, aber nicht notwendigerweise übereinstimmend.
Die 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen einer Gasbehandlungseinheit 3 mit den Funktionselementen 10, 20.
In 2 sehen die Funktionselemente wie Ventilatorflügel aus, während sie in 3 wie ein Spiralblatt aussehen. Die Oberflächen 11, 22 werden entsprechend ihrer Bedienung ausgesucht, z.B. Metalloberflächen für die Wärmeübertragung und semipermeable Membranen für die Stoffübertragung. Aus dem Montagewinkel (der griechische Buchstabe alpha) in 2 oder dem Abstand in 3 wird klar, dass die Funktionselemente die Verbesserung der Axialbewegung gegenüber dem Gas, welches in der Leitung fließt, bereitstellen. Durch Variation des Winkels oder des Abstands kann der Einfluss des Ventilators sowie das Verfahren zur Wärme- und Stoffübertragung beeinflusst werden. Es ist nicht nötig, Flügel 10 in 2 oder Blatt 20 in 3 nur als feste Platte zu verwenden. Röhren oder ähnliches, in derselben Weise wie die Flügel oder Blätter angeordnet, führen zu einer ausreichenden Wirkung. Dies wird im Folgenden näher erklärt. Diese Wirkungen können auch durch die Rotationsgeschwindigkeit der Vorrichtung beeinflusst werden. Eine Art Antrieb (nicht in den Figuren gezeigt), wie oben beschrieben, ist notwendig, um einen Druckabfall im Gas teilweise oder vollständig zu vermeiden. Die Auswahl und Anordnung des Antriebs ist nicht Teil der Erfindung.
Wenn man davon ausgeht, dass ein ausreichender Druckabfall für das Gas verfügbar ist, können die Funktionselemente zur Gewinnung von kinetischer Energie aus dem Gas verwendet werden. Auf diese Weise können die Einheiten ohne irgendeinen externen Antrieb rotieren. Andernfalls würden die Funktionen dieselben bleiben. In diesem Fall stellen die Funktionselemente eher den Einfluss einer Turbine oder Windmühle als eine Verbesserung der Axialbewegung (Einfluss eines Ventilators), wie zuvor bezeichnet, bereit. 4 bis 7 zeigen eine Vielfalt an Anordnungen von Strömen in der Vorrichtung. Weitere dieser Kombinationen sind möglich.
4 zeigt, wie ein Hilfsfluidstrom 30 parallel zwischen den Funktionselementen 10 auf der hohlen Welle 4 geleitet wird, wonach die Behandlungsfluidströme in einem gemeinsamen Ausgangsstrom durch die interne Röhre 5 in der hohlen Welle 4 wiedervereinigt werden. Der Behandlungsstrom 30 befindet sich hier im Querstrom zu dem Gasstrom 1, wenn man das eine Funktionselement 10 betrachtet, und das Gas 1 durchfließt die Elemente hintereinander, wie sie montiert sind. Der zu behandelnde Strom 30 kann Kesselspeisewasser, Kühlwasser und ein Absorptionsmittel sein, um die spezifische(n) Komponente(n) aus dem Gas 1 aufzufangen oder der Behandlungsstrom kann den eindringenden Strom für den Fall umfassen, in dem das Funktionselement 10 eine Membran enthält. Diese Membran kann die Form einer flachen Platte haben, oder sie kann so aufgebaut sein, dass sie hohle Fasermembranen aufweist, die nebeneinander (wie Rundholzstämme in einem Floss) mit Versteifungselementen, wie erforderlich, montiert sind, um die mechanische Robustheit sicherzustellen.
5 zeigt eine Variante, wobei die Funktionselemente 10 mit dem Behandlungsstrom 30 parallel gespeist werden, aber wobei die Behandlungsströme stromabwärts der Funktionselemente 10 getrennt werden, um eine Vielzahl an Eigenschaften des verwendeten Behandlungsstroms, wie ersichtlich, bereitzustellen. Z.B. können die drei dargestellten Ströme vom Boden bis zum oberen Ende heißes Wasser, Niederdruckdampf und Hochdruckdampf sein. Diese Anordnung stellt eine bessere Methode für den Gegenstrom dar als die Anordnung in 4. Die Anordnung 5 wäre vorteilhaft, wenn z.B. der Behandlungsstrom Wasser wäre, und Teile des Wassers auf diese Weise bei höheren Temperaturniveaus verfügbar gemacht würden.
6 zeigt eine Anordnung, wobei der Behandlungsstrom 30 teilweise durch die Funktionselemente 10 hintereinander und teilweise parallel geleitet wird. Dies ist eine weitere Methode zum Gegenstrom zwischen Gas 1 und dem Behandlungsstrom, als in 5 zu sehen war. Wenn der Behandlungsstrom z.B. Wasser ist, würde dies, im Fall des Abkühlens des in der Leitung fließenden Gases bei höchstem Temperaturniveau, die maximale Energie aus dem Gas nehmen. Auf diese Weise wäre entsprechend dem zweiten Gesetz der Thermodynamik eine bessere energetische Eigenschaft gegeben.
7 zeigt eine Anordnung, wobei der Behandlungsstrom hintereinander durch die Funktionselemente geleitet wird. Dies ist eine noch bessere Methode zum Gegenstrom zwischen dem Gas und dem Behandlungsstrom als in 6 zu sehen war, aber diese Alternative weist eine beschränktere Kapazität für die Flussrate des Behandlungsstroms auf.
Offenbar befindet sich das Gas 1 und der Behandlungsstrom 30 immer in einer Querstromanordnung, wenn nur ein Funktionselement berücksichtigt wird. An den Gegenstrom kann man sich nur annähern und diese Annäherung an den Gegenstrom wird umso besser, je mehr Funktionselemente hintereinander positioniert sind.
Obwohl die 4 bis 7 alle sechs Funktionselemente zeigen, versteht sich, dass dies nur als ein Beispiel zu Veranschaulichungszwecken ausgewählt ist. Mehr oder weniger Funktionselemente fallen ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Die Auswahl der Anzahl an Parallelen wird im Wesentlichen durch Berücksichtigung des Fluidflusses für das Behandlungsfluid bestimmt, aber nicht ohne entsprechende Aufmerksamkeit für die zu erreichende Behandlung des Gases. Die Auswahl der Anzahl der hintereinander liegenden Funktionselemente wird im Wesentlichen durch den Bedarf zum Behandeln des Gases und der Qualität des Behandlungsstroms bestimmt. Dies wird am leichtesten durch das Beispiel veranschaulicht, wobei das Gas abgekühlt werden sollte und ein Hilfsfluidstrom Kühlwasser sein sollte. In diesem Fall wäre es normal, einen hohen Grad an Gegenstromanordnung zu wählen, um den Wasserfluss zu minimieren, und die Wärme bei einer möglichst hohen Temperatur mit nötiger Berücksichtigung der Kosten der Wärmeübertragungsoberfläche zu gewinnen. Der Begriff des Kühlwassers könnte hier den Begriff Kesselspeisewasser umfassen.
Die Auswahl der Anzahl an hintereinander liegenden Funktionselementen wird im Wesentlichen durch den Bedarf für das Behandeln des Gases und der Eigenschaft des Absorptionsmittels bestimmt. Dies wird am einfachsten durch das Beispiel veranschaulicht, wobei Kohlendioxid in dem Gas entfernt werden soll, und das Absorptionsmittel Wasser ist. In diesem Fall wäre es normal, ein hohes Maß an Gegenstromanordnung zu wählen, um den Wasserfluss zu minimieren, und das Absorptionsmittel bis zum Desorptionsschritt bei einer möglichst hohen Kohlendioxidbeladung mit nötiger Berücksichtigung der Kosten der Stoffübertragungsoberfläche zu zyklisieren.
8 und 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Funktionselemente, die für die Wärmeübertragung verwendet werden.
8 zeigt eine Anzahl der Variationen 8a – 8f in Bezug auf die Gestaltung der Funktionselemente 110, die für die Wärmeübertragung bestimmt sind. Die Variationen zeigen verschiedene Methoden, wie der erhöhte Umfang als Anstieg des radialen Abstandes verwendet werden kann, um die Wärmeaustauschoberfläche zu vergrößern. Idealerweise ist jede beliebige Variation so gestaltet, dass dieselbe spezifische Dichte der Wärmeaustauschoberfläche (m²/m³) unabhängig von dem radialen Abstand von der Rotationsachse erreicht wird.
8a stellt die Wirkung auf die spezifische Dichte der Wärmeaustauschoberfläche dar, wenn keine Schritte unternommen werden, um die Dichte zum äußeren Umkreis hin zu erhöhen. Ein einfacher U-Röhrenring ist, wie ersichtlich, kein sehr platzsparendes Funktionselement.
8b zeigt, wie die spezifische Dichte der Wärmeaustauschoberfläche verbessert werden kann, indem man eine zusätzliche, umgedrehte U-Röhre 111 zu der U-Röhre 110 hinzufügt. Weitere U-Röhren können hinzugefügt werden, soweit es der Platz zulässt.
8c zeigt einen einfachen U-Röhrenring mit hinzugefügten Rippen, um als zweiter Wärmeübertragungsbereich 112 zu fungieren. Rippen können ebenfalls zum komplexeren, in 8b dargestellten, U-Röhrenring hinzugefügt werden, oder zu irgendeinem der anderen dargestellten Variationen 8a – 8f.
8d stellt einen U-Röhrenring dar, wobei ein Schenkel, z.B. der ableitende, schlangenförmig ist, um den verfügbaren Raum mit möglichst viel Rohrleitungen zu füllen. Der andere Schenkel könnte ähnlich schlangenförmig sein und die beiden schlagenförmigen Röhren könnten in verschiedenen Ebenen positioniert sein.
8e zeigt eine spinnennetzartige Anordnung, wobei eine zunehmende Anzahl an Kanälen hinzugefügt ist, da die Entfernung von der Rotationsachse vergrößert ist. Die verschiedenen radialen Kanäle, die dem ausfließenden Strom dienen, sind querverbunden, am günstigsten in dem Umkreis, wo die Anzahl an Kanälen wechselt. In ähnlicher Weise nimmt die Anzahl an einleitenden Kanälen zur Rotationsachse hin ab. Dies fördert den Anstieg der spezifischen Dichte der Wärmeaustauschoberfläche.
8f stellt ein hohles flügelähnliches Funktionselement dar, wobei die spezifische Dichte der Wärmeaustauschoberfläche natürlich eingebaut ist. Interne Kanäle sind gezeigt. Wenn Verdampfung stattfindet, sollte man einen größeren Querschnitt im Kanalarm bereitstellen, der voluminösere Gasflüsse befördert.
Wie die Oberfläche durch verschiedene Mittel, wie Ätzen, Rillenbildung und/oder Aufbringen von Metalltröpfchen oder Metallteilchen auf die Wärmeübertragungsoberfläche vergrößert werden kann, um den wirksamen Oberflächenbereich oder Wärmeübertragungs-Schichtkoeffizienten zu erhöhen, ist nicht in den Fig.en gezeigt, da es unmöglich ist, dies darzustellen. Dies wird hauptsächlich auf der Seite des Abgasflusses (Gehäuseseite) durchgeführt, wo die niedrigsten Hitzeübertragungs-Schichtkoeffizienten erwartet werden, aber prinzipiell kann dies ebenso intern in den Kanälen der Funktionselemente durchgeführt werden, wo das (die) Hilfsfluid(e) der Wärmeübertragung fließt (fließen).
Die verschiedenen, in 8 dargestellten Ausführungsformen sind alle dazu bestimmt, den Wärmefluss pro Volumeneinheit der Wärmeaustauschausstattung zu erhöhen.
9 zeigt eine weitere Version des in 8e dargestellten Funktionselementes 10, 110, wobei alle Kanäle in dem spinnennetzartigen Leitungsmuster das Wärmeübertragungsfluid radial nach außen leiten, während dasselbe Fluid zur Welle durch eine separate Röhre 123 zurückgeführt wird. Die 9a und 9b stellen zwei verschiedene Seitenansichten bei 90 Grad zueinander dar. Im Fall der Dampferzeugung sollte diese Anordnung den Dampffluss erleichtern. 9 und 8e stellen in dieser Hinsicht Extreme dar. Es kann eine Kombination dieser zwei Grundkonzepte durchgeführt werden. Die in 9 dargestellte Variation kann, wie es als günstig erscheint, mit irgendeiner der in 8 dargestellten Variationen verwendet werden.
10 – 17 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Funktionselemente, die für die Stoffübertragung verwendet werden.
10 zeigt einen Satz koaxialer durchlöcherter Schalen 200, die wie zugeschnittene Kegel gestaltet und in einer Gasleitung 2 montiert sind, wobei ein axial fließendes Gas 1 mit Flüssigkeit 201, die sich radial zum Umkreis der Leitung hin bewegt, wie ersichtlich, behandelt wird. Die Hilfsflüssigkeit 201 wird durch eine interne Röhre 5 in die hohle Welle 4 eingespeist. Die interne Röhre weist mindestens eine Röhrenverbindung durch die Wand der hohlen Welle auf, von wo die Flüssigkeit auf die innerste koaxiale Schale gesprüht wird. Die Anordnungen sind so getroffen, dass die Flüssigkeit im Wesentlichen gleichmäßig in die axiale Richtung verteilt wird und in ähnlicher Weise im Hinblick auf den Rotationswinkel, aber diese Anordnung ist nicht gezeigt, da die Einzelheiten nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind. Ebenso ist nicht gezeigt, wie die koaxialen Schalen im Verhältnis zur Welle befestigt sind, aber dies kann leicht unter Verwendung geeigneter Streben durchgeführt werden. Die Flüssigkeit wird an der Peripherie der Gasleitung 2 eingesammelt, wobei ein auf der Leitungswand montierter Ring mit einer Lippe 202 verhindert, dass sich die Flüssigkeit axial entlang der Wand bewegt. Die Hilfsflüssigkeit 201 kann von der „Leitungsdecke" zurück auf die äußere Schale tropfen, wobei sie auf die Leitungswand zurück geschleudert wird und wahrscheinlich die niedrigste Stelle der Leitung erreicht, von wo sie abgelassen werden kann.
11 ist eine Vergrößerung eines Teils von 10, und 11 zeigt, wie der Ring 202 eine axial in der Leitung montierte Lippe 203, und eine weitere radial montierte Lippe 204 aufweist, und wie diese Lippen mit der am stärksten peripher positionierten Schale 200 überlappen. Der Ring 202 und die Lippen 203, 204 bilden einen Kanal für die Flüssigkeit, die in der Peripherie der koaxialen Schalenanordnung eingesammelt wird, und dieser Kanal ermöglicht es, dass die Flüssigkeit gravimetrisch zum Boden der Leitung hin fließt, von wo sie zur Rückgewinnung abgelassen werden kann. Die Flüssigkeit spritzt auch auf die innere Wand der Gasleitung 2 und bahnt sich ihren Weg zum Boden der Leitung, ohne in den Flüssigkeitsablaufkanal, der aus dem Ring 202 und den Lippen 203, 204 besteht, zu gelangen. Aus den 10 und 11 wird deutlich, dass die koaxialen Schalen wie zugeschnittene Kegel geformt sind, wobei sich der breiteste Teil am Ende befindet, wo das Gas eintritt. Dies dient dazu, die Zentrifugalwirkung zu verwenden, um die Behandlungsflüssigkeit 201 stromaufwärts in Hinsicht auf den Gasfluss zurückzubewegen, nachdem die axiale Geschwindigkeitskomponente des Gases die Behandlungsflüssigkeit dazu gebracht hat, sich stromabwärts zu bewegen, während sie sich von einer Schale zur nächsten bewegt. Ein weiterer Satz Lippen und ein Ring 207 können an dem gasstromaufwärts gelegenen Ende der Schale hinzugefügt werden, um dort flüssige Spritzer aufzufangen. Die Schalen können auch mit den hinteren Tropfenauffanglippen 208 ausgestattet sein, wie aus 11 ersichtlich. Die Funktion dieser Einrichtung besteht darin, von der breiteren Seite der Schale geschleuderte Flüssigkeit aufzufangen, wenn diese zu schnell im Verhältnis zum Absorptionsmittel rotiert. Auf ähnliche Weise kann ein weiterer Satz an Tropfenauffanglippen 209 am stromabwärts gelegenen Ende (im Hinblick auf den Gasfluss) der Schalen montiert sein, um die aufgrund des Drucks des Gaswindes auf der Schale fließende Flüssigkeit aufzufangen, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Schalen zu langsam wird, um die Flüssigkeit stromaufwärts zu treiben. Die Montage der hinteren Tropfenauffanglippe erfolgt z.B. durch eine Strebe, die sie mit der Schale 200 verbindet.
12 zeigt eine Version der koaxialen, durchlöcherten Schalen 201, die wie zugeschnittene Kegel gestaltet sind, wobei sich alle Schalen parallel zur Gasleitungswand 2 befinden. Diese Anordnung ist im Übrigen wie in den 10 und 11, außer dass der Teil der Schalen zur rechten (oder stromabwärts) der imaginären Linie 210 nicht an der Stoffübertragung mitwirken kann, da die Behandlungsflüssigkeit 201, die rechts dieser Linie eingeführt wird, letztendlich von den Schalen herunter getragen und so aufgrund der Wirkung der Axialgeschwindigkeit des Gases 1 verloren gehen würde. Die zylindrischen Schalen könnten, wie oben in 11 erklärt ist, ebenfalls von der Montage der hinteren Tropfenauffanglippen 208, 209 profitieren, aber in diesem Fall könnten sie gleichfalls an beiden Enden der Schale verwendet werden. 13 zeigt eine Version der Schalen, wie sie in 12 beschrieben ist, außer dass der nicht wirksame Teil der Schalen 201 entfernt worden ist, sodass Gewicht und Material gespart wird.
14 zeigt eine weitere Version der in den 12 und 13 beschriebenen Schalen, wobei die Schalen 200 jetzt, wie ersichtlich, abgestuft sind. Die Abstufungslinie 210 wird durch die Axialgeschwindigkeit des Gases 1 und die Zeit bestimmt, die die Behandlungsflüssigkeit 201 zum Überqueren der Lücke zwischen einer Schale 200 zur nächsten benötigt. Diese Anordnung ermöglicht es, die Schalen in einer einfacheren zylindrischen Gestalt zu konstruieren, während sie gleiche aktive Schalenlängen in allen Leitungsquerabschnitten ermöglicht, wo das Gas 1 und die Behandlungsflüssigkeit 201 für die Stoffübertragung in Kontakt gebracht werden, und die Behandlungsflüssigkeit wird auf diese Weise nicht in axialer Richtung von den Schalen gespült. Es kann immer noch ein Mitreißen wie bei einer konventionellen Ausstattung vorhanden sein. Diese Ausführungsform ermöglicht es stromabwärts gelegenen Funktionselementen, dass diese ihren zentralen Teil überlappend mit dem peripheren Teil ihres stromaufwärts (in Hinsicht auf den Gasfluss) gelegenen Nachbars aufweisen.
Obwohl die in den 10 und 12 bis 14 dargestellten Schalen 200 eine ähnliche Leistung hinsichtlich der Stoffübertragung aufweisen, ist es klar, dass das Fließmuster der Behandlungsflüssigkeit unterschiedlich ist. Die in 10 dargestellte Version weist den Vorteil auf, dass Flüssigkeit, die durch das Gas stromabwärts gezogen wird, durch die Zentrifugalkraft der wie zugeschnittene Kegel gestalteten Schalen stromaufwärts zurück in das Gas bewegt wird. Diese Ausführungsform weist den Nachteil auf, dass der Abstand, mit dem die Flüssigkeit durch das Gas getragen wird, von der Gasgeschwindigkeit abhängt. Wenn somit der Gasverbrauch abnimmt, kann ein Bedarf bestehen, die Rotationsgeschwindigkeit der Schalen anzupassen, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit von den Schalen auf der stromabwärts gelegenen Seite heruntergeschleudert wird, auch wenn die hinteren Tropfenauffanglippen angebracht sind. Bei der Version in 14 kann die Rotationsgeschwindigkeit frei ohne Beeinflussung der Axialbewegung der Flüssigkeit angepasst werden, aber sie weist auch Flüssigkeit auf, die von den Schalen herunterfließt, wenn die Gasgeschwindigkeit ausreichend verändert wird, sodass in diesem Fall eine Montage der hinteren Tropfenauffanglippen erforderlich ist. Die Dynamik, die mit der Ab- und Zunahme des Gasverbrauches verbunden ist, und/oder mit dem neuen, sogenannten Dauerzustand, wird die Fragen dieser Diskussion weiter erschweren. Z.B. variiert die Zentrifugalwirkung mit der Rotationsgeschwindigkeit und mit dem Abstand vom Zentrum.
15a, b, c und d zeigen eine Anordnung, wobei die Rillen so in die Schalen eingegeben sind, dass die Rillen die Axialbewegung des Gases verbessern. Das Muster der Rillen 225 kann entweder ein Flügelmuster, wie in 2 dargestellt, oder das in 3 dargestellte Spiralblattmuster sein. In 15c und 15d sind beide Formen des Querabschnitts der umgedrehten Rillen 227 gezeigt. Die Rillen müssen nicht fortlaufend sein, und sie können ebenso unterbrochen sein und ein flügelförmiges Muster haben, wie aus 2 ersichtlich.
16 zeigt eine unterschiedliche Methode, um eine Gasbehandlungseinheit 3 zu konstruieren, die auf einem Funktionselement für die Stoffübertragung beruht, welches aus einem Füllmaterial 230 besteht, wobei sich das Gas 1 axial und die Hilfsflüssigkeit (nicht gezeigt) radial wie in den vorherigen Figuren bewegt. Wie zuvor ist das Funktionselement nicht auf der hohlen Welle 4 montiert. Das Füllmaterial wird durch eine äußere durchlöcherte Schale oder Platte 231 in Position gehalten. Mehr als eine Schicht eines solchen Füllmaterials und einer solchen durchlöcherten Platte kann vorhergesehen sein.
17a und 17b zeigen, wie das Füllmaterial 230 in 16 mit den durchlöcherten Schalen 200 zwischen den Schichten beschichtet werden kann. Die Endansicht ist in 17a gezeigt, und die Seitenansicht ist in 17b gezeigt. Die Bogenlinien 246 sollen entweder als offene Kanäle oder senkrecht zur Schale 200 liegende Leitbleche interpretiert werden, die dort positioniert sind, um eine schraubenartige Wirkung auf das Gas bereitzustellen, um seine Axialbewegung zu begünstigen.
18 bis 22 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Funktionselemente, die zur Entnebelung verwendet werden.
18 stellt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Entneblers dar. Das Funktionselement 310 kann in Form von Ventilatorflügelgestalten, wie angegeben, konstruiert werden, und die Oberfläche 311, bevorzugt die Oberfläche, die dem einströmenden Gas gegenübersteht, kann mit einer Art Matte bedeckt sein oder daraus bestehen. Dies könnte z.B. eine Platte mit herausstehenden Nadeln, wie ein "Kunstrasenfußabtreter", oder eine Platte, die mit aus miteinander verstrickten Fäden, wie "Maschennetz", bedeckt ist, oder ein ähnliches Produkt sein. Die Ausführungsform ist anders als oben beschrieben, unter besonderer Bezugnahme auf 2.
19 stellt dar, wie ein poröses Füllmaterial 320 um die Welle 4 befestigt werden kann. Die äußere Oberfläche des Füllmaterials 320 kann aufgearbeitet werden, indem sie eine Schicht 321 aufweist, die das Füllmaterial in Position hält und/oder die die Flüssigkeit, die an die Peripherie aufgefangen und abgelassen wird, einsammelt. Die Schicht könnte durchlöchert sein, um die Flüssigkeitstropfen abzulassen oder um zur Leitungswand hin geschleudert zu werden, in welcher die Anordnung montiert ist. Die Verwendung einer nicht durchlöcherten Schicht wird unten beschrieben, mit besonderem Bezug auf 22. Es ist möglich, das poröse Element 320 derart zu gestalten, dass es einen spiralförmigen Hohlraum bildet, der durch das Elementmaterial, die hohle Welle 4, und die äußere Schicht 321 umschlossen wird. Diese Methode ist bereits oben für dichtgepacktes Stoffübertragungsfüllmaterial beschrieben worden (17).
20 ist ein Foto, das ein dreidimensionales Modell einer Einheit 3 darstellt, welches aus Karton und Streichhölzern hergestellt wurde, eines Funktionselementes 330, wobei dort die Hauptflügel 331 an der Welle 4 befestigt sind, und von diesen Flügeln stehen die Sekundärelemente 332 hervor, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass die mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen mit dem Funktionselement kollidieren, und sich dort mit anderen eingesammelten Tröpfchen vereinigen, bevor sie zur äußeren Peripherie hin schleudern, wo die Flüssigkeit wahrscheinlich zur Leitungswand fließt, wo sie abgelassen wird. Tertiärstrukturen können an Sekundärstrukturen angebracht werden, und diese Tertiärstrukturen können flexibel sein, wahlweise wie ein Mop.
21a und 21b stellen mögliche Gestalten von Flügeln aus 2 oder das Spiralblatt aus 3 dar. Die Ansicht ist in der Ebene parallel zur Oberfläche der Welle, ohne zu versuchen, irgendeinen Bogen oder eine Perspektive zu zeigen. Die Flügel- oder Spiralblattgestalten können entweder gebogene (21b) oder geradlinige (21a) Oberflächen 340 sein. Typische Ableitungskanäle 342 sind an den am stärksten hervorstehenden Punkten angebracht. Letzteres steht im Einklang mit Standardwellenplatten (Winkel)-Entneblern.
22 stellt dar, wie ein Funktionselement gestaltet sein kann, um als eine Entneblervorrichtung 350 verwendet zu werden. Es wird auf der Welle 4 wie zuvor montiert, und das Element wird mit einer durchlöcherten Schicht 351 an seiner äußersten Peripherie aufgearbeitet. Außerdem wird gezeigt, wie diese Schicht über die stromabwärts gelegene Kante, über welche eine Lippe 352 positioniert ist, zurückgebogen ist, um ein Becken 353 zu bilden (da das Massenkraftfeld immer radial nach außen gerichtet ist), um jegliche überlaufende Flüssigkeit aufzufangen und diese zum Abfluss zu leiten. Es sollte klar sein, dass die in 22 beschriebenen Eigenschaften auch für andere Funktionselemente anwendbar sind, einschließlich solcher, die zur Wärme- und Stoffübertragung verwendet werden.
23 zeigt eine weitere technische Lösung hinsichtlich dessen, wie die im äußeren Umkreis eingesammelte Flüssigkeit zum Boden der Leitung hin abgelassen werden kann. Es wird gezeigt, wie Blätter 401 um die Peripherie der Gasleitung 2 herum montiert werden können. Der Winkel der Blätter ist derart gestaltet, dass die Blätter auf oder ein paar Grade neben der Tangente liegen, die vom Rotationsfunktionselement 400 gezeichnet werden kann. Dies setzt voraus, dass Flüssigkeitströpfchen, die von dem Rotationselement heruntergeschleudert werden, zwischen die Blätter geleitet werden oder auf ihnen landen.
Die Tropfen treffen dann entweder die Leitungswand 2 oder tropfen von den Blättern darauf, möglicherweise über die Sekundärblätter 402. Auf der Seite, wo sich die Peripherie des Funktionselementes aufwärts bewegt, befindet sich wahlweise ein doppelter Satz an Blättern. Der am nächsten zum Element gelegene Satz ist, wie oben beschrieben, positioniert (401), aber der am nächsten zur Leitungswand gelegene zweite Satz (402) ist anders herum abgewinkelt, um die Flüssigkeit möglichst weit zur Leitungswand hin zu leiten, wo sie abgelassen wird. Diese Anordnung minimiert die Flüssigkeit, die von der Leitungswand auf die Funktionselemente tropft, nur um zur Wand zurückgeschleudert zu werden.
Durch Positionierung der gesamten primären Gasverfahrensausstattung innerhalb einer Gasleitung gibt es definitionsgemäß keine Rohrleitungen zwischen der Verfahrensausstattung. Daher sind die Rohrleitungskosten vermindert. Da die üblichen Kontraktionen und Expansionen der Querschnittsfläche des Gasflusses aufgrund des Fließens von dem Behälter in die Röhre und von der Röhre zum Behälter beseitigt sind, ist der Druckabfall in dem Verfahren ebenfalls vermindert. Durch das Hinzufügen des Einflusses eines Ventilators zur Verfahrensausstattung kann ebenfalls ein isobares Verfahren erreicht werden. Die Übertragung von Wärme und Stoff wird durch die erhöhte Turbulenz um die Funktionselemente herum verstärkt, die durch die Rotation der Anordnung verursacht wird. Die Einheiten der Verfahrensausstattung sind durch diese Verfahrensverstärkung geschrumpft.

Claims

Vorrichtung für das Behandeln eines Abgasstroms, insbesondere für das Entfernen von Kohlendioxid aus dem Abgas (1) dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung sich dazu eignet, innerhalb des Abgaskanals (2) montiert zu werden und Folgendes umfasst: ein oder mehrere wahlweise Wärmeaustauschelemente, die so angeordnet sind, dass sie das Abgas auf eine Absorptionstemperatur, wie erforderlich, abkühlen, ein oder mehrere Absorptionselemente mit einem flüssigen Absorptionsmittel, das so angeordnet ist, dass es Kohlendioxid aus dem Abgasstrom absorbiert, ein oder mehrere Entnebelungselemente, die so angeordnet sind, dass sie in diesem Gas mitgerissene Flüssigkeitströpfchen aufsammeln und ablaufen lassen, eine hohle Welle (4), die für eine Drehbewegung angeordnet und parallel oder konzentrisch zu der Achse des Kanals montiert ist und wobei die Elemente nacheinander an die Welle angebracht sind, eine oder mehrere Röhren (5), die axial innerhalb der hohlen Welle montiert sind, um Hilfsfluid(e) zu und von den Elementen, wie erforderlich, zu führen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente eine Gestalt und/oder ein Montiermuster aufweisen, die bzw. das die Axialbewegung des Gasstroms in der Gasleitung (2) verbessert und dazu beiträgt, den durch das Vorliegen des Elements in der Gasleitung (2) herbeigeführten Druckabfall durch Aufbringen einer gewissen Axialkraft auf das Gas zu eliminieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement eine einem Ventilatorflügel (11) ähnlichen oder eine einem Spiralblatt (20) ähnliche Gestalt aufweist, derart, dass die Elemente ein flügel- oder spiralenförmiges Montierbild aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement eine im Wesentlichen einer U-Röhre (110, 8a, 8c) ähnliche Gestalt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Röhre (110) Rippen (112) aufweist, die wahlweise interne Kanäle aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement (110) eine einem Gitter (8e) ähnliche Gestalt aufweist, wobei die Anzahl von parallelen Kanälen zur Peripherie der Gasleitung hin ansteigt und zur Welle (4) hin abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement (110) blattförmig mit internen Kanälen (8f) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschelemente (10, 110) eine Oberflächenbehandlung durch Ätzen, Rillenbildung, Aufbringen von Metalltröpfchen oder Aufbringen von Metallteilchen erhalten, um die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement (110) einen Schenkel für das Einspeisen von notwendigem Hilfsfluid und einen Schenkel (123) für das Rückführen des Fluids für das Ausführen der Gasbehandlung aufweist, wobei die Schenkel getrennt in mindestens zwei verschiedenen Eben positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement aus einem Satz durchlöcherter koaxialer Zylinder (200) oder einem Satz durchlöcherter koaxial zugeschnittener Kegel (200) besteht, wobei die Koaxialität sich auf die Achse der Vorrichtung bezieht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (200) oder zugeschnittenen Kegel (200) durch Eingeben von Rillen (225, 227) in die Zylinder oder Kegel in einer derartigen Konfiguration geändert werden, dass die Rillen ein einem Flügel- oder Spiralblatt ähnliches Muster bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement ein Füllmaterial (230) ist, wobei das Gas sich axial und die Hilfsflüssigkeit sich radial bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Lippe (203, 204) ausgestatteter Ring an der Gasleitungsperipherie montiert ist, um das der Leitungswand entlang fließende Fluid aufzufangen und es an den Boden der Leitung laufen zu lassen, wo es durch Schwerkraft abgezogen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lippe (208, 209) an das vordere und/oder hintere Ende der koaxialen Zylinder oder zugeschnittenen Kegel (200) angebracht ist, um vom Zylinder oder der Schale ablaufende Behandlungsflüssigkeit (201) aufzufangen und sie zu den Zylindern oder Kegeln zurück zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnebelungselement eine einem Ventilatorflügel (310) oder Spiralblatt (20) ähnliche Gestalt aufweist, derart, dass die Elemente ein flügel- oder blattförmiges Montiermuster aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnebelungselement- (340) in Gestalt eines Blatts auf der Welle (4) in einem spiralenförmigen Muster montiert ist und das Blatt eine wellenartige Gestalt aufweist, wobei der Wellenoberteil die Richtung des Blatts durchquert und wobei die Spitzen des Blatts mit offenen, radialen Kanälen ausgestattet sind, die das Ablaufen der angesammelten Tröpfchen der Peripherie zu begünstigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnebelungselement (310) Flügelgestalten umfasst, die mit Matten bedeckt sind, die herausstehende Nadeln oder Platten aus miteinander verstrickten Fäden aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnebelungselement (321) eine Füllung (320) darstellt, wobei das Gas sich axial und die eingesammelte Flüssigkeit sich radial bewegt.
Verfahren für das Behandeln eines Abgasstroms, insbesondere für das Entfernen von Kohlendioxid aus dem Abgas (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren innerhalb der Grenzen eines Abgaskanals durchgeführt wird und die folgenden Schritte umfasst: der Gasstrom wird an ein oder mehrere wahlweise Wärmeaustauschelemente gespeist, um auf die Absorptionstemperatur, wie erforderlich, abgekühlt zu werden, der abgekühlte Gasstrom wird an ein oder mehrere Absorptionslemente mit einem flüssigen Absorptionsmittel geführt, das Kohlendioxid aus dem Abgasstrom durch radiales Führen des Absorptionsmittel durch Zentrifugalkraft von der Mitte des Absorptionselements an die Peripherie des Elements absorbiert, wo das an CO₂ reiche Absorptionsmittel eingesammelt und rückgeführt wird und ein an CO₂ verarmter Abgasstrom erhalten wird, wobei der an CO₂ verarmte Abgasstrom an ein oder mehrere Entnebelungselemente geführt wird, wo in dem Gasstrom mitgerissene Flüssigkeitströpfchen eingesammelt und durch Zentrifugalkraft an die Peripherie abgelassen werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom im Gegenstrom zu den Hilfsfluiden fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom axial in der Leitung fließt und mit einem radial fließenden Fluid behandelt wird