DE602005006021T2

DE602005006021T2 - Vorrichtung zur reinigung eines kondensierbare dämpfe enthaltenden gasstroms

Info

Publication number: DE602005006021T2
Application number: DE602005006021T
Authority: DE
Inventors: Meryl Brothier; Jean-Pierre 45 Montee de Costebelle TURCHET; Pierre Estubier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: EP1833593A1; PL1833593T3; ZA200704700B; US20080105127A1; ES2306281T3; ATE391544T1; CA2591812A1; CN101090763A; BRPI0519281A2; WO2006070152A1; CN101090763B; DE602005006021D1; US7510599B2; EP1833593B1; JP2008525175A; FR2879942A1; FR2879942B1

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtrennung kondensierbarer Dämpfe aus einem mit Feinstoff beladenen oder unbeladenen Gasstrom. Genauer betrifft sie eine Vorrichtung, die den Erhalt der Zusammensetzung eines nicht kondensierbaren Gasstroms und das Wiedergewinnen der Kondensate zu ihrer nachfolgenden Verwendung oder einfach ihrer getrennten Behandlung ermöglicht.
STAND DER TECHNIK
Zahlreiche Verfahren des physikalisch-chemischen Typs (Thermolyse, Vergärung ...) erzeugen möglicherweise verwertbare Gase. Allerdings müssen sie zuvor eine Reinigung erfahren, um den Qualitätsmerkmalen zu entsprechen, die ihre Verwendung bei anderen Verfahren (Kraft-Wärme-Kopplung, Treibstoffsynthese ...) ermöglichen. Die Problematik der Behandlung dieser Gase ist daher ein Schlüsselpunkt bei diesem Wertschöpfungsverfahren. Zahlreiche technische Lösungen wurden zum Lösen dieses Problems eingesetzt. Sie können in sechs große Familien eingeteilt werden:
Thermischer Weg: dieser Typ Technik stellt eine radikale Lösung dar, sofern es zulässig ist, das verwertbare Gas auf eine hohe Temperatur zu bringen. Unter zulässig wird verstanden, dass die Möglichkeit besteht, das Gas ohne Qualitätsverlust zu erhitzen. Dieser Weg ist hingegen wie zum Beispiel im Fall der gleichzeitigen Anwesenheit von Treibstoff und Sauerstoffträger nicht immer zulässig (jenseits aller wirtschaftlichen Erwägungen). Außerdem ermöglicht dieser Behandlungstyp nicht das Zurückgewinnen der getrennten Spezies (weil er im Allgemeinen zu ihrer teilweisen oder völligen Zerstörung führt), was für den Fall eine unannehmbare Behinderung darstellen kann, wenn die Spezies (bis auf das verwertbare Gas) selbst eine Verwertungsmöglichkeit aufweisen. Schließlich machen Betrachtungen zur Energieausbeute diesen Weg oft wenig gewinnbringend.
Oxidationsweg: in dem Fall liegt die von dem zu reinigenden Gas mitgeführte Energie in Form eines chemischen Potentials vor, im Allgemeinen mit Hilfe eines Oxidationsmittels, das gemeinhin reiner Sauerstoff beziehungsweise ein Luftbe standteils ist. Bei dieser Gestaltung verbraucht die Behandlung im Gegensatz zu dem rein thermischen Weg, der einzig daraus besteht, das zu behandelnde Gas auf Temperatur zu bringen, oft weniger Energie, da die Exothermie der Oxidationsreaktionen ausgenützt wird. Nichtsdestotrotz ist der Kontrapunkt dieses Wegs nicht nur eine Zerstörung der kondensierbaren Spezies, was ein Nachteil in dem Fall ist, wenn sie verwertbar sind, sondern auch eine Veränderung der Qualität des zu behandelnden Gases, die mit einer Verdünnung durch das Oxidationsprodukt der Spezies verbunden ist, die unter den Behandlungsbedingungen vorhanden sein können.
Trennweg durch Zustandsänderung: dieser Weg beruht auf dem Temperaturunterschied der Zustandsänderung der das zu reinigende Gas bildenden Spezies und insbesondere auf ihrer Kondensationstemperatur. Es können mehr oder weniger niedrige Temperaturen erforderlich sein, was zu verhältnismäßig schwierig einzusetzenden Reinigungsvorrichtungen führen kann. Außerdem ist die erhaltene Trennung wegen physikalischer Einschränkungen (insbesondere mit dem Dampfdruck zusammenhängende Erwägungen) im Allgemeinen nicht vollständig. Zum Verbessern der Trennung ist es dann möglich, ein das Einfangen der zu trennenden Spezies begünstigendes Medium zu verwenden. Dieses Medium kann sowohl flüssig (vom Typ eines durch Vernebelung in die Trennvorrichtung eingespritzten Lösungsmittels) als auch fest (vom Faser- oder Membrantyp) sein, wobei es das Trennmedium darstellen kann (siehe den Trennweg durch Absorption-Adsorption). Die Möglichkeit einer Gasspülung zum Reinigen des Gases kann sich was diese betrifft als verhältnismäßig wirkungsvoll herausstellen, selbst wenn sie Abwässer in mehr oder minder bedeutenden Mengen mit dem einhergehenden Risiko einer Mitführung eines Teils der Gasspülflüssigkeit und damit einer Verunreinigung des zu behandelnden Gases erzeugen.
Weg einer Trennung durch mechanische Wirkung: dieser Weg beruht auf verschiedenen Wirkungen:

• Auf das zu reinigende Gas bildende Spezies mit unterschiedlichen Massen angewandte Zentrifugenwirkung. Der Fall der Isotopentrennung kann sogar auf diesem Typ Weg (Ultrazentrifugation) behandelt werden, selbst wenn er den Nachteil aufweist, verhältnismäßig kostspielig zu sein.
• Eine die Agglomeration feiner Kondensatteilchen begünstigende Prallwirkung, die dadurch die Zentrifugationswirkung steigert.
• Die Filtration über ein spezielles Medium und/oder den Filtrationsrückstand (Kuchen), der selbst als Mediumsbestandteil in situ dienen kann, ein die Filtration verbesserndes Phänomen.

Weg einer Trennung durch die Affinität elektrischer Ladungen (Polaritätswirkung), ein Phänomen das insbesondere bei den Elektroabscheidern der Gasfiltration genützt wird.
Weg einer Trennung durch Absorption-Adsorption, ein Phänomen, das umso wirkungsvoller ist, als es bei niedriger Temperatur auftritt.
Diese verschiedenen Wege weisen allgemeine Nachteile (Verschlechterung der Qualität der Produkte, Ausbeute, Kosten ...), aber auch jeder Anwendung eigene Einschränkungen auf und lassen dadurch die industrielle Anwendung sinken. Dies ist der Grund, weshalb neue Wege entwickelt wurden, die eine bestimmte Anzahl der angeführten Wege kombinieren:
Das Patent US-4 723 970 betrifft eine Gas/Wasser-Trennvorrichtung, die sich auf eine Zentrifugentrennung stützt. Diese Vorrichtung ist kompakt, gestattet aber keine Trennung unter Druck.
Das Patent DE-89 05 182 betrifft ein System der Flüssigkeitsdampftrennung mit kombinierter Filtration. Diese Einheit weist insbesondere keine Funktion einer Kondensation unter Druck auf, was ihre Anwendung zur Reinigung von Dampf, der Bestandteil eines verunreinigten oder nicht verunreinigten Gasstroms ist, einschränkt.
Das Dokument WO92/08937 betrifft eine Extraktionseinheit für kondensierbare Spezies eines Gasstroms durch an eine Kühlung gekuppeltes Zentrifugieren. Sie gestattet nur das Sicherstellen eines begrenzten Reinigungsniveaus, sofern insbesondere kein Trennmedium eingesetzt wird.
Das Dokument US-3 890 122 betrifft eine Mehrstufen-Filtrationsapparatur, bei der eine Trennung durch Zentrifugieren, Kondensation und Filtration über Filtermedium zum Einsatz gebracht wird. Diese Vorrichtung weist gleichwohl eine gewisse Anzahl Nachteile auf:
Sie ist für die Behandlung von Druckluft gedacht. Sie ist auf eine spezielle und eingeschränkte Reinigung, insbesondere was die mögliche Anwesenheit kondensierbarer, mehr oder weniger flüchtiger Dampfe betrifft, zugeschnitten.
Die Trennung durch Zentrifugieren wird im Prinzip durch ein schraubenförmiges Kalanderelement sichergestellt, das eine dem Durchfluss oder dem Betriebsdruck (Kopplung der Vorrichtung mit einem Kompressor) entsprechende Trennwirksamkeit ausübt. Die Vorrichtung leidet daher an einem Mangel an Freiheitsgraden, was ihre Art der Steuerung betrifft. Schließlich ist sie nicht kompakt.
Die Erfindung hat folglich den Vorschlag einer Vorrichtung zur Reinigung eines Gasstroms zum Gegenstand, die diese Nachteile behebt. Sie muss im Hinblick auf den Gasstromdurchfluss, den sie behandeln muss, kompakt sein, wenig empfindlich gegenüber der Anwesenheit von Feinstoff in dem zu reinigenden Strom sein und kontinuierlich oder mindestens unter Zurückführen der Häufigkeit einer Reinigung der Vorrichtung auf ein Mindestmaß arbeiten können. Sie muss außerdem durch ihre Arbeitsweise flexibel, um das Anpassen ihrer Steuerung an die gewünschten Trennbedingungen zu ermöglichen, und zum Beispiel geeignet sein, einen Kondensatstrom zu erzeugen, der in dem Fall frei von Zusätzen ist, wenn die Kondensate das wiederzugewinnende, wertvolle Material darstellen. Allgemein muss sie genauso für die eigentliche Reinigung des Gasstroms (der Fall, bei dem der zu verwertende Strom das Gas ist) wie für die Rückgewinnung der kondensierbaren Spezies (der Fall, bei dem die kondensierbaren Dämpfe das verwertbare Material darstellen) geeignet sein.
Diese Gegenstände werden dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Reinigung eines kondensierbare Dämpfe enthaltenden Gasstroms einen ein dichtes Volumen abgrenzenden Kalander, einen Kühler zum Abschrecken des Gasstroms, eine drehbare Einheit mit einem Rotor und einem auf den Rotor montierten und mit ihm rotierenden zylindrischen Trenn- und Filtermantel, ein auf den Rotor montiertes und eine Verwirbelungs- und Abstreifvorrichtung tragendes Trägerrohr, eine den Träger- und Filtermantel umgebende Elektrode und eine zentrale Gegenelektrode zur Erzeugung eines elektrostatischen Felds in dem Kalander, ein Austrittsrohr des gereinigten Gases und eine Austrittsleitung der Kondensate umfasst, welche die Entleerung gewährleistet und dabei die Dichtheit des Systems garantiert.
Bevorzugt wird der Trenn- und Filtermantel durch aufeinanderliegende, gerippte, kreisrunde Ringe gebildet, wobei auf jedem der Ringe des Mantels wenigstens eine Prall- und Trennplatte befestigt ist.
Vorteilhafterweise wird der Trenn- und Filtermantel durch wärmeisolierende Ringe und wärmeleitende Prallplatten gebildet, um die Beherrschung des Wärmetransfers zwischen der Innenzone des Trenn- und Filtermantels und einer temperaturgeregelten Zone zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise wird auch der Trenn- und Filtermantel durch Absorptionsmaterialien gebildet, die fähig sind, die kondensierbaren Spezies einzufangen bzw. aufzunehmen.
Bei einer Ausführung umgibt die temperaturgeregelte Zone den Trenn- und Filtermantel.
Das Austrittsrohr des gereinigten Gases kann simultan die Rolle der Gegenelektrode spielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich außerdem bei der Lektüre der folgenden Beschreibung der unter Bezug auf die angefügten Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele erkennen. In den Figuren
ist 1 ein Wirkbild einer Anzahl theoretischer Stufen, die durch die Verfahrenseigenschaften der Vorrichtung festgelegt sind;
ist 2 ein Prinzipschema, das den Strom und die wichtigen Funktionen ei ner erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung darstellt;
ist 3 ein Querschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung;
ist 4 eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie IV-IV der 3;
ist 5 eine Detailansicht des Trenn- und Filtermediums der Vorrichtung der 3;
ist 6 eine Querschnittsansicht entlang der Markierung VI-VI der 5;
veranschaulicht 7 das Prinzip der Trennung und des Transfers der Kondensate;
ist 8 eine Querschnittsansicht eines Kryokondensators, der zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung bestimmt ist;
ist 9 eine schematische Querschnittsansicht eines als Vergleich verwendeten Plattentröpfchenabscheiders;
sind 10 bis 14 Vergleichskurven, die die Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Beweis stellen.
In 1 ist ein klassisches Wirkbild der chemischen Technik dargestellt, das auf vereinfachte Weise eine Anzahl theoretischer Stufen darstellt, die durch die Verfahrenseigenschaften der Vorrichtung festgelegt sind. Das letzte umfasst eine begrenze Stufenzahl (2, 4, ... n), wie durch die Strichlinien 6 schematisch angezeigt wird. Diese Stufen finden in einem Kalander 7 statt.
Die Strichpunktlinie X stellt die Rotationsachse der Vorrichtung schematisch dar. Die vertikale Achse zeigt den zunehmenden Reinigungsgrad des Gases und die horizontale Achse H den Abstand zur Symmetrieachse X der Vorrichtung an. Das schematisch durch den Pfeil 10 dargestellte, zu reinigende Gas betritt die erste Stufe 2. Ein Kondensationsmedium 12 wird auf dieser Ebene eingeführt. Ein Teil der kondensierbaren Dämpfe, die in einem Fest-flüssig-Gleichgewicht (kondensierter Zustand) gehaltene Teilchen enthalten, wird dem zu reinigenden Gas wie schematisch durch den Pfeil 14 dargestellt entzogen. Beim Kontakt der Prallplatten wird die angesammelte, kondensierte Phase teilweise verflüssigt und kann so das Medium 54 durchqueren (Bezugszeichen 55) und dabei noch die Mitführung der Gasphase der temperaturgeregelten Zone einschränken. Die Flüssigkeit wird dann von der Vorrichtung wie durch den Pfeil 20 schematisch dargestellt abgezogen. Wie durch den Pfeil 22 schematisch dargestellt, strömt das zu reinigende Gas anschließend zur zweiten, durch das Bezugszeichen 4 bezeichneten Stufe und so weiter. Wie durch den Pfeil 30 dargestellt tritt das gereinigte Gas am oberen Teil der Apparatur aus.
2 ist ein Prinzipschema, das Strömung und Funktionen/Elemente, die den Hauptfunktionen der Vorrichtung der Erfindung entsprechenden Teilsysteme entsprechen, veranschaulicht. In dem bereits angeführten Kalander 7 befindet sich ein Wärmetauscher 32, zum Beispiel ein durch flüssigen Stickstoff gekühlter Kryokondensator. Das durch das Bezugszeichen 10 bezeichnete zu reinigende Gas wird mit einem durch das Bezugszeichen 12 bezeichneten Kondensationsmedium gemischt. Dieses auch Additiv genannte Kondensationsmedium wird in Abhängigkeit von seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften ausgewählt, die zum Erhalt der besten Keimbildung zu berücksichtigen sind.
Der Gasstrom 10 kann gegebenenfalls vor seinem Abschrecken in dem Wärmetauscher 32 zum Beispiel durch Strömen durch ein Wärmeleitrohr 34 vorgekühlt werden. Dieser Kühlschritt ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad bezüglich der Möglichkeit des Abschreckens in dem Austauscher 32. In dieser Bedeutung wird angenommen, dass das Wärmeleitrohr 34 nicht Teil der durch den Kalander 7 begrenzten Vorrichtung ist, der in 2 durch die Strichlinien schematisch dargestellt wird.
Die Funktion des Zentrifugierens wird durch die Raute 36 symbolisiert. Der Gasstrom durchquert anschließend ein Filtrationsmedium 54, das bezüglich der Symmetrieachse der Drehung X der Vorrichtung konzentrisch angeordnet ist. Die Kondensate werden im unteren Teil der Apparatur durch eine Pumpe oder einen Heber 40 entleert, der den Erhalt der Dichtigkeit des Systems ermöglicht. Das gereinigte Gas tritt in 37 aus. Es kann in die temperaturgeregelte Zone 18 (Pfeil 35) zurückströmen, bevor es diese Zone verlässt (Pfeil 37). Der zu behandelnde Gasstrom 10 kann gegebenenfalls auch zur Temperaturregelung der Zone 18 verwendet werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung dargestellt. Sie umfasst eine Grundplatte 39 und einen unteren Flansch 41, der in Bezug auf den Sockel 39 feststeht. Ein Kalander 7 ist auf dem unteren Flansch 41 angebracht und er trägt an seinem oberen Teil einen oberen Flansch 52.
Eine drehbare Einheit 42 ist auf der Grundplatte 39 und dem Flansch 41 mittels eines Kugellagers 43 angebracht. Die drehbare Einheit 42 umfasst eine Achse 44, auf der eine kreisrunde Platte 46 und ein durchbrochenes Rohr 48 angebracht sind. Sie wird zum Beispiel mittels eines nicht dargestellten Elektromotors in Drehung versetzt. An seinem oberen Ende trägt das durchbrochene Rohr 48 drei Abstreifrechen 50, die in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind (siehe 4).
Die Kondensate mit einer Bedeutung des Ausdrucks von „nicht gasförmig" (das heißt flüssig oder fest) weisen von Natur aus eine Neigung auf, sich in bestimmten Ecken der Apparatur, insbesondere an den kalten oder feststehenden Punkten, in diesem Fall der inneren Umfangswand des Austauschers 36 abzuscheiden oder anzusammeln. Es ist daher zum Garantieren der Kühlungsfunktion unerlässlich, diese Abscheidungen, die den Wärmeaustauschkoeffizienten des Austauschers stark verschlechtern, zu vermeiden. Die Abstreifrechen haben genau ihr Vermeiden zur Aufgabe, indem sie den Gasstrom im Innenvolumen des Austauschers 36 durchmischen.
Ein zylindrischer Trenn- und Filtermantel 54 ist auf der Platte 46 angebracht und dreht sich gleichzeitig mit dieser Platte. Wie aus 5 und 6 genauer zu erkennen ist, besteht der Mantel 54 aus aufeinanderliegenden Ringen 56. Die Ringe 56 weisen Zacken 60 auf, die zwischen ihnen durchbrochene Teile 62 eingrenzen. Prallplatten sind außen an jedem Ring 56 befestigt. Die Platten 64 sind zum Beispiel mittels Schrauben 66 befestigt. Jede Platte 64 weist einen bevorzugt gegenüber dem Inneren des Mantels 54? geneigten Teil 68 auf, der sich gegenüber den Aussparungen 62 befindet und der die eigentliche Prallplatte darstellt.
Dank dieser Ausführung in Form eines Rings kann der Mantel 54 leicht abgebaut und gereinigt werden. Ein Halteflansch 70 stellt den Halt des Ringverbands sicher. Der Flansch 70 ist mit dem Rotor drehend angebracht. Er dreht sich bezüglich eines feststehenden Lagers 72, mit dem ein mehr oder weniger hoher Drehdichtigkeitswert erreicht werden kann.
Außerdem ermöglicht diese Ausgestaltung das Verbinden einer notwendigen Isolierung zwischen den kalten und temperaturgeregelten Zonen und den Erhalt eines Wärmetransfers, um dem Kondensat das Wandern zu dem temperaturgeregelten Teil zu ermöglichen.
Wie ferner aus 4 ersichtlich ist, weist das Rohr 48 zwei Kanäle 49 in Längsrichtung auf, deren Funktion das Ermöglichen des Ableitens des Gasstroms über das Rohr 78 ist.
Ein Wärmetauscher 36 ist unter dem oberen Flansch 52 angebracht. Er weist die Form eines zylindrischen Mantels auf, der das durchbohrte Rohr 48 umgibt, an dem er koaxial angebracht ist. Die Rechen 50 drehen sich in dem von dem Austauscher 36 begrenzten Raum. Zwischen den Rechenenden und der Innenwand des Austauschers 36 ist ein geringes Spiel vorgesehen.
Das Rohr 78 ist an der Achse X der Vorrichtung koaxial angebracht. Das untere Ende des Rohrs 78 ist im Inneren des durchbohrten Rohrs 48 untergebracht. Der obere Teil des Rohrs 78 durchquert den oberen Flansch 52. Das Rohr 78 ermöglicht den Austritt des behandelten Gases. Der Eintritt des zu behandelnden Gases erfolgt hingegen aus einem Rohr 80, das den oberen Flansch 52 durchquert. Das Rohr 80 mündet in dem durch die Innenwand des zylindrischen Wärmetauschers 36 definierten Volumen, das heißt in dem durch die Rechen 50 bestrichenen Volumen. Leitungen 82 und 84 ermöglichen die Zuleitung beziehungsweise Ableitung einer Kühlflüssigkeit, zum Beispiel flüssiger Stickstoff, in dem Austauscher 36.
Gegebenenfalls kann ein Heizelement 86 den Kalander 7 umgeben. Außerdem kann der gesamte, durch das Rohr 78 abgeleitete, behandelte Strom (sogar der zu behandelnde) oder ein Teil davon durch die Leitung 88 so in das zwischen dem Umfang des Mantels 54 und dem Kalander 7 definierte ringförmige Volumen zurückgeleitet werden, dass eine temperaturgeregelte Zone 18 gebildet wird.
Ein zusätzliches Fluid kann außerdem durch eine Leitung 90 eingespritzt werden. Die Öffnung 90 hat die Funktion der Einführung des der Bezugsziffer 12 (siehe 2) entsprechenden Kondensationsmediums und damit des Begünstigens einer Keimbildung. Es erlaubt die Abscheidung eines Kondensatnebels. Dieses zerstäubte Additiv stromaufwärts des Abschreckens wird nach seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften (Kondensationstemperatur, Polarität, Mischbarkeit, Dielektrizitätskonstante) ausgewählt, die an den Reinigungsfall angepasst sind, der erreicht werden soll, insbesondere wenn es sich entweder um das Rückgewinnen des Kondensats oder vorrangig um das Reinigen des in das System eintretenden Stroms handelt.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist eine zylindrische Elektrode 94 am Ende des Mantels 54 angeordnet. Die Elektrode 94 kann im Inneren des Kalanders 7 wie in 3 dargestellt oder außerhalb dieses Kalanders angeordnet sein. Vorteilhafterweise spielt das Ableitrohr 78 für den behandelten Gasstrom die Rolle der Gegenelektrode. Zwischen der Elektrode 94 und der Gegenelektrode 78 wird eine im Allgemeinen feststehende Potentialdifferenz aufgebaut, um eine elektrostatische Abscheidung zu begünstigen. Das Kondensationsmedium wird bevorzugt zum Begünstigen dieser Abscheidung (auf den Durchmesser der durch die Kondensation dieses Gemisches gebildeten Teilchen abgestimmte Erfordernis) Hilfsmedium (Leitung 90)/Kondensat und der Dielektrizitätskonstante dieser Teilchen ausgewählt.
Die drehbare Einheit 42 erlaubt ein ausreichendes Zentrifugieren des Stroms zu einer an den Fall der erwünschten Reinigung angepassten Trennrate der Kondensatteilchen. Dieser Schritt erlaubt das Wandern der Teilchen zum Filtermedium, und zwar dem Filter- und Trennmantel 54, mit einer in Bezug auf ihre Verweilzeit in der Reinigungsvorrichtung ausreichenden Geschwindigkeit. Für die Gestaltung der Zentrifugationszone ist es in erster Näherung möglich, die Grenzgeschwindigkeit der Wanderung eines Teilchens unter Annahme der Gleichheit der Zentrifugen- und Stokes-Kräfte zu bestimmen, so wie es möglich ist, sie für Teilchen zu ermitteln, deren äquivalenter mittlerer Durchmesser zwischen ungefähr 1 und 50 μm liegt. Die von einem Teilchen zum Absetzen benötigte Zeit kann daher wie folgt ausgedrückt werden:
und

N:: Drehzahl
a:: Drehradius
Rcanne:: Radius des Austrittsrohrs des zu reinigenden Gases (nicht freie Zone)
D:: Teilchendurchmesser
η:: Viskosität des zu reinigenden Gases
Δρ:: Dichteunterschied zwischen dem Kondensatteilchen und dem zu behandelnden Gas.

Indem man sich auf die Beziehung (1) stützt, ist es möglich, für eine gegebene Abmessung und Umdrehungsgeschwindigkeit die Sedimentationszeit der Teilchen als Funktion ihres mittleren Durchmessers darzustellen. Man erhält so die Geradengleichung in logarithmischem Maßstab der folgenden Form: Log(t) = –2log(D) + (logK – 2logN) mit K = KcLog(a/Rcanne)
Es ist dann möglich, den Grenzgasdurchfluss (Q) am Zentrifugenaustritt gemäß der folgenden Gleichung für ein gegebenes Zentrifugenvolumen (V) zu definieren: Q = V/t
Über die Sedimentationszeit als Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit hinaus ist es von Nutzen, den auf die angewandte Zentrifugenkraft zurückzuführenden Überdruck auf die Wand abschätzen zu können. Über Erwägungen, die die Berechnung von Strukturelementen berühren, hinaus sollte der durch das Zentrifugieren erzeugte Überdruck den Kondensationsvorgang begünstigen.
Unter der Annahme, dass eine Bewegung der Grundplatte zu einer Drehung des starren Körpers führt und unter Vernachlässigen eines Einflusses der Teilchen auf den Druckgradienten, ist es möglich, durch die folgende Beziehung ein radiales Druckprofil in der Zentrifuge auszudrücken:
worin:

P(r):: lokaler Druck beim Radiusabmaß r
P(a):: lokaler Druck beim Abmaß a
M:: Masse des Trägergases
T:: Temperatur des Mediums
Ω:: Winkelgeschwindigkeit der Rotation

Auf diese Weise können daraus die Größenordnungen der Beträge der Abmessungen und der Umdrehungsgeschwindigkeit für einen gegebenen, zu behandelnden Strom abgeleitet werden.
Das Zentrifugieren wird gegebenenfalls durch die kombinierte Einwirkung eines im Inneren der Trennzone erzeugten elektrostatischen Felds wie vorstehend erläutert begünstigt. Die Geschwindigkeit der Wanderung (oder des Sammelns) der Kondensatteilchen allein durch die elektrostatische Wirkung kann durch eine Beziehung des Typs
ausgedrückt werden.
Für eine Art (relative Dielektrizitätskonstante (ε_r) und einen Durchmesser (D)) gegebener Kondensatteilchen ist es möglich, daraus die an eine Sammelelektrode anzulegende Intensität (I) zum Erhalt einer gegebenen Wanderungsgeschwindigkeit abzuleiten. Diese elektrostatische Wirkung addiert sich insofern zu der Wirkung der Trägheitstrennung, als die Teilchen unter den Standardbetriebsbedingungen der Elektroabscheider elektrisierbar sind.
Es ist ferner anzumerken, dass beim Anwenden einer ausreichenden Umdrehungsgeschwindigkeit ein durch die Zentrifugalkraft bei dem Filtermedium 54 erzeugter örtlicher Überdruck das Kondensationsphänomen begünstigt.
Das Filtermedium 54 ermöglicht das Errichten einer Aufprallsperre, die die Rekondensation der Kondensatteilchen und die Kondensatanreicherung an der Seite des Kalanders 7 begünstigen. Die das Medium bildenden Elemente bestehen vorzugsweise aus wärmeisolierenden Elementen und dann aus wärmeleitenden Elementen in Radiusrichtung von der inneren Zone des Filtermediums 54 zu seiner Außenfläche (gegenüber der temperaturgeregelten Zone 18) zum Sicherstellen des Erhalts der Temperatur sowohl auf der Zentrifugenseite (das Innere des Mantels 54) als auch der Seite des Kalanders 7, um den Transfer von Kondensat und dann seinen Abfluss zu begünstigen, bevor es durch die kontinuierlichen Ablasssysteme entleert wird.
Auf den Innenflächen der Prallplatten 68 (5 und 6) sollen Aggregate aus festen/flüssigen Teilchen 69 gebildet werden. Der schwache Temperaturgradient, der durch die temperaturgeregelte Zone 18 gesteuert und vorgeschrieben wird, ermöglicht dann die Verflüssigung und die Bildung eines Kondensatfilms 98 (7), der durch die Zwischenräume 69 ableitbar ist, die zwischen den Prallelementen und der Energieverteilung 68 und dem Trennmedium (dem Mantel 54) eingerichtet sind, das ebenfalls als Wärmesperre dient. Ein Flüssigkeitsstrahl 71 trifft den Kalander 7 und ein Flüssigkeitsfilm 73 schlägt sich darauf nieder. Die Durchgänge 69 ermöglichen darüberhinaus den Ladungsverlust bei dem Medium zu beherrschen und sein Verstopfen insbesondere in dem Fall auszugleichen, wenn es sich aus Elementen zum Einfangen durch Absorption-Adsorption zusammensetzt.
Das Leistungsvermögen der Vorrichtung der Erfindung beruht auf den kombinierten Wirkungen des Zentrifugierens, Aufpralls, der Kühlung, des elektrischen Felds, der Keimbildung und schließlich der Adsorption. Nichtsdestotrotz beruht über der Kombination dieser Trennwege und der Anpassungsfähigkeit des Verfahrens hinaus die Originalität des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf dem Trenn-/Reinigungsverfahren, das eine Phasenänderung und eine kombinierte Trennung vereinigt. Zum Erreichen dieses Ergebnisses und um die Mitführung von Gas in den Kondensaten oder umgekehrt von Kondensaten im Gasstrom gleichzeitig auf ein Mindestmaß zurückzuführen, stellt ein Film aus festem Material, das sich aus kondensierbaren Materialien (mit einem Kondensationsmedium gemischt oder nicht, wenn Gegenstand das Wiedergewinnen des kondensierbaren Materials oder vielmehr das Verwerten des Gasstroms ist) zusammensetzt, selbst eine die Trennung des Stroms garantierende Zwischenphase dar. Tatsächlich ermöglicht der auf die äußere Zone am Filtriermedium (temperaturgeregelte Zone) ausgeübte Wärmefluss das Aufrechterhalten eines Gleichgewichts und eines Temperaturgradienten zwischen dem festen Film und den Prallplatten und der Wärmeverteilung. Auf diese Weise wandern die kondensierbaren Materialien beim allmählichen Übergehen vom festen Zustand in den flüssigen Zustand vom Ende der Einlasszone des mit kondensierbaren Materialen beladenen Gases zu der temperaturgeregelte Zone, wobei sie noch eine dünne Schicht bilden, die die Mitführung von beladenem Gas verhindert. Der Aufbau der Apparatur ermöglicht außerdem das Durchspielen verschiedener Filmdicken (indem zum Beispiel eine an die temperaturgeregelte Zone angepasste Temperatur angewandt wird), um mehr oder minder hohe Werte für das Trennvermögen gemäß der Art der kondensierbaren Materialien zu erhalten.
Was zuvor für den Teil Verteilungsplatte erläutert wurde, ist auch (gegebenenfalls) auf die Filtermediumzone in dem Fall anwendbar, wenn sich diese aus absorbierenden Materialien zusammensetzt, die die kondensierbaren Spezies einfangen können. Das Einstellen (durch Regeln zum Beispiel der Umdrehungsgeschwindigkeit der Vorrichtung oder Auswählen einer speziellen Art Absorptionsmedium) zwischen der Absorptionskraft und der Zentripetalkraft gestattet das Steuern der Verstopfungsrate des Mediums und dadurch der Menge der zur Sammelzone wandernden kondensierbaren Spezies.
Der Art der kondensierbaren Materialien gemäß (das heißt hauptsächlich gemäß ihrem Verhalten gegenüber der Kondensationswirkung, der Bildung eines mehr oder weniger viskosen Feststoffs oder Flüssigkeit) ist es auf diese Weise möglich, irgendeine der vorstehend angeführten Trenntechniken zu bevorzugen.
In 8 wird eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kryokondensators dargestellt, der im Rahmen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines Gasstroms verwendet werden kann. Er umfasst ein Rohrleitungsbündel 100 (in 8 sind nur zwei Röhren dargestellt) im Inneren eines zylindrischen Mantels 102, der selbst auf einem Flansch 104 befestigt ist. Die Röhren 100 sind an ihren oberen Enden aus einem Stück mit einem Flansch 105 und an ihren unteren Enden mit einem Flansch 106. Ein zum Beispiel aus Edelstahl gefertigter Mantel 108 ist unter dem Flansch 106 angebracht. Das zu reinigende Gas wird in das Rohrleitungsbündel 100 wie durch die Pfeile 112 dargestellt eingeführt. Es mündet in dem durch den Mantel 108 definierten inneren Volumen. Eine Kühlflüssigkeit, zum Beispiel flüssiger Stickstoff, umströmt die Röhren 100, um das Abschrecken des zu reinigenden Gases durchzuführen.
In 9 ist ein als Bezug verwendeter Plattentropfenabscheider zum Vergleichen seines Leistungsverhaltens mit dem einer der Erfindung zugrundeliegenden und entsprechenden Vorrichtung (Kryokondensator) dargestellt. Diese Apparatur mit einfachem Aufbau umfasst an ihrem oberen Teil einen Konus 120. Dieser Konus ist an einen äußeren Zylinder 122 auf der Innenwand angeschlossen, an dem eine Reihe von Platten 124 mit konischer Form angeordnet sind. Ein inneres Rohr 126 ist in dem Rohr 122 koaxial zu dem letzten angeordnet. Das innere Rohr 126 trägt auch konische oder kegelstumpfförmige Platten 128. Das innere Rohr 122 und das äußere Rohr 126 werden durch die Strömung einer Wärmeübertragungsflüssigkeit, im Allgemeinen glykolhaltiges Wasser, auf eine Temperatur von –5°C bis –10°C gekühlt. Der Eintritt des glykolhaltigen Wassers in das äußere Rohr wird durch den Pfeil 130 und sein Austritt durch den Pfeil 132 dargestellt. Die Pfeile 134 und 136 stellen schematisch die Zuführung beziehungsweise die Ableitung des glykolhaltigen Wassers in dem inneren Rohr 126 dar.
Der zu reinigende Strom wird wie durch den Pfeil 140 schematisch dargestellt dem oberen Teil des Konus zugeführt. Vor dem Verlassen der Apparatur durch ihren unteren Teil wie durch den Pfeil 142 schematisch dargestellt folgt er einer durch die kegelstumpfförmigen Elemente 124 und 128 definierten gewundenen Strecke.
Beispiel: Reinigung von Kondensaten des Teertyps
Ohne andere Einwirkungen als einer Kondensation der kondensierbaren Spezies mittels eines Plattentropfenabscheiders weist der zu behandelnde Gasstrom (bei etwa 500°C hergestelltes Pyrolysegas aus Biomasse) noch genügend Kondensate auf, um die durch ein Durchflussmessgerät des Coriolistyps gegebene Durchflussmenge zu stören. Der Kondensatgehalt in dem Strom liegt zwischen etwa 100 g/Nm³ bis 10 g/Nm³ (siehe 10).
Die Durchgangszeiten des zu behandelnden Gases sind in der Größenordnung von etwa zehn Sekunden. Im vorliegenden Fall wurden zwei in Reihe angeordnete Plattentropfenabscheider zum Beispiel des in 9 dargestellten Typs zum Halten des vorstehend angeführten Niveaus verwendet.
Zum Verbessern der Reinigung des Gasstroms im Hinblick auf Teer wurde eine Kryokondensatorvorrichtung wie etwa die in 8 dargestellte verwendet und ergänzend zu der Reihe der beiden Plattentropfenabscheider eingeführt. Die ergänzenden Reinigungsversuche mit dieser Vorrichtung (Wandtemperatur von etwa –90°C) ermöglichten das Beobachten der Möglichkeit der Bildung von Kondensatteilchen mit veränderlichem, selten 0,5 mm überschreitendem Durchmesser auf die in dem zu reinigenden Gas vorhandene Feuchtigkeit folgend. Die Verweilzeiten in dieser Apparatur nähern sich einer Sekunde.
Das Ergebnis dieser Reinigung wird in 14 dargestellt.
Die Kurven der 10, 11 und 12 ergeben Ziffernelemente der Größenordnung des Betrags der Parameter des örtlichen Überdrucks bei dem Trennmedium und des Leistungsvermögens, das für die angegebenen Teilchendurchmesser (Blase und/oder Feststoff) und Umdrehungsgeschwindigkeiten erreicht werden kann.
10 gibt das Verhältnis zwischen dem örtlichen Druck und dem Druck an der Wand (P(r)/P(a)) als Funktion des Abmaßes (r/a) an. 11 gibt die Sedimentationszeiten als Funktion des Teilchendurchmessers (nur Trägheitswirkung) an und 12 den maximalen Gasdurchfluss, der das Erreichen der Teilchensedimentationszeiten ermöglicht. 13 zeigt den durch den Corioliseffekt gemessenen Durchfluss mit einer Plattentrennvorrichtung und 14 mit Kryokondensator und Filtermedium.

Die Berechnungen wurden mit den folgenden Werten durchgeführt:
A = 0,1 m
T = 310 K
M = 28 g/Mol
Rcanne = 0,01 m
Δρ = 984,4 kg/m³
η = 1,65·10^–5 Pa·s
V = 0,013 m³ Teerart: Naphthalin

Kennzeichnende Merkmale (Größenordnung der Beträge) der Trennvorrichtung

Volumenkühlleistung	70 W/m³
Volumen der Trennvorrichtung zu Durchflussvolumen des zu behandelnden Gases	0,002 m³/(m³/h)
T Eintritt	500 K
ΔT (Eintritt – Austritt)	200 K
kritischer Durchmesser der abzuscheidenden Teilchen	10 μm
Konzentration stromaufwärts an kondensierbarem Material (C10H8)	von 50 bis 5 g/m³
Konzentration stromabwärts an kondensierbarem Material (C10H8)	< 0,1 g/m³
maximal zulässiger Wassergehalt in dem zu behandelnden Gas	10 Vol.-%

Claims

Vorrichtung zur Reinigung eines kondensierbare Dämpfe enthaltenden Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ein dichtes Volumen abgrenzenden Kalander (7) umfasst, wobei der Kalander (7) einen Kühler (36) zum Abschrecken des Gasstroms und ein in dem Innenvolumen des Kühlers (36) mündendes Eintrittsrohr (80) des zu behandelnden Gasstroms umfasst, und eine drehbare Einheit (42) umfasst, mit einem Rotor (44) und einem auf den Rotor montierten und mit ihm rotierenden zylindrischen Trenn- und Filtermantel (54), einem auf den Rotor (44) montierten und im Innenvolumen des Kühlers (36) eine Verwirbelungs- und Abstreifeinrichtung (50) tragenden Trägerrohr, einer den Trenn- und Filtermantel (54) umgebenden Elektrode (94) und einer zentralen Gegenelektrode (78) zur Erzeugung eines elektrostatischen Felds in dem Kalander, einem Austrittsrohr (78) des gereinigten Gases und einer Austrittsleitung (40) der Kondensate, welche die Entleerung gewährleistet und dabei die Dichtheit des Systems garantiert.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenn- und Filtermantel (54) durch aufeinanderliegende gerippte kreisrunde Ringe (56) gebildet wird und auf jedem der Ringe (56) des Mantels eine Prall- und Trennplatte (64) befestigt ist.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenn- und Filtermantel (54) durch wärmeisolierende Ringe und wärmeleitende Platten gebildet wird, um die Beherrschung des Wärmetransfers zwischen der Innenzone des Trenn- und Filtermantels und einer temperaturgeregelten Zone (18) zu gewährleisten.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenn- und Filtermantel (54) durch Absorptionsmaterialien gebildet wird, die fähig sind, die kondensierbaren Spezies einzufangen bzw. aufzunehmen.
Reinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturgeregelte Zone (18) den Trenn- und Filtermantel (54) umgibt.
Reinigungsvorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Austrittsrohr (78) des gereinigten Gases umfasst, das simultan die Rolle der Gegenelektrode spielt.