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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen oder
Reinigen eines zu behandelnden Fluids, wie es im Oberbegriff des
Anspruchs 1 definiert ist. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Ein
solches Reinigungsverfahren kann insbesondere zur Entfernung von
Verunreinigungen wie flüchtigen
organischen Verbindungen aus einer Gasmischung verwendet werden.
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Zum
Adsorbieren eines abzutrennenden Gases, das in einer zu behandelnden,
beispielsweise zu reinigenden Gasmischung enthalten ist, verwendet man
ein Adsorptionsmittel, d.h. ein Material, das die Moleküle des abzutrennenden
Gases an seiner Oberfläche
zurückhält. Die
Adsorptionskapazität
des Adsorptionsmittels ist begrenzt. Das Adsorptionsmittel ist deshalb
regelmäßig zu regenerieren.
Es gibt zwei Verfahren zur Regenerierung des Adsorptionsmittels,
und zwar durch Temperaturmodulation oder durch Druckmodulation.
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In
einem Temperaturmodulationsverfahren mit sogenannter direkter Heizung
leitet man über
das Adsorptionsmittel in direktem Kontakt zunächst einen ersten Strom, der
aus der zu reinigenden Gasmischung besteht, und dann über denselben
Kreis einen zweiten Gasstrom, der aus einem Spülgas besteht. Dieses Spülgas ist
ein als nicht adsorbierbar oder wenig adsorbierbar bekanntes Gas,
wie Wasserdampf. Der Durchgang der zu reinigenden Mischung findet "kalt" und derjenige des
Spülgases "warm" statt, d.h. das
Spülgas
ist beträchtlich
wärmer als
die zu behandelnde Mischung, und bei dem Durchgang des Spülstroms
wird das Adsorptionsmittel auf eine Temperatur gebracht, die höher als
die bei dem Durchgang der zu trennenden Mischung ist, so dass das
abgetrennte und adsorbierte Gas von dem Adsorptionsmittel befreit
wird und dann von dem Spülgas
mitgenommen wird. Das auf diese Weise von dem adsorbierten Gas befreite
Adsorptionsmittel wird regeneriert. Das Verfahren ist zyklisch,
wobei auf einen Adsorptionsschritt ein Spülschritt folgt.
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Man
kühlt dann
das Adsorptionsmittel durch Durchgang eines kalten Spülgases vor
einer neuen Adsorption. Dies hat jedoch verschiedene Nachteile. Ein
erster Nachteil ist ein starker Verbrauch an Spülgas, das insbesondere zum
Wärmen
des Adsorptionsmittels erforderlich ist. Ein zweiter Nachteil ist
die Dauer des Verfahrens, die durch die Dauer der Spülphase belastet
wird, und zwar insbesondere diejenige, die zum Erwärmen des
Adsorptionsmittels erforderlich ist. Ein dritter Nachteil, der sich
aus dem ersten ergibt, und zwar aus der Tatsache des starken Verbrauchs
an Spülgas
und damit der starken Auflösung
des abgetrennten Gases in dem Spülgas,
ist die Schwierigkeit, das auf diese Weise abgetrennte Gas rückzugewinnen,
wenn es beispielsweise im Wasser lösbar ist und das Spülgas Wasserdampf
ist. Dieses Verfahren ist also nicht verwendbar, wenn das abgetrennte
Gas rückgewonnen
werden soll, und zwar entweder, weil es einen Wert darstellt, beispielsweise Wasserstoff,
oder weil es eine Verunreinigung ist.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens zu schaffen, die es gestatten, die genannten Nachteile
zu begrenzen, d.h. den Spülgasverbrauch
zu begrenzen und die Dauer eines Zyklus zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung erreicht,
wie sie im Anspruch 1 bzw. 8 definiert sind. Das Verfahren wird
in einer Vorrichtung durchgeführt,
die einen Wärmetauscher
für den
Durchgang eines Wärmetransportfluids,
das zum Erhitzen bestimmt ist, und einen Trennkreis umfasst, der
dem abwechselnden Durchgang des Gasgemisches und des Spülgases vorbehalten
ist. Dieses Verfahren umfasst einen Trennschritt, in dem man das
Adsorptionsmittel kühlt und
die Gasmischung in den Trennkreis einleitet, und dann einen Regenerierungsschritt,
in dem man das Adsorptionsmittel mit Hilfe eines Wärmetransportfluids
erwärmt
und ein Spülgas
in den Trennkreis einleitet. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass
man das Wärmetransportfluid
so wählt,
dass es bei der Erwärmung
des Adsorptionsmittels die Phase wechselt. Da die thermische Kapazität des Wärmetransportfluids
größer als
die des Spülgases
ist, ist auf diese Weise die Erwärmungszeit
viel kürzer,
und, da das Spülgas
nicht zum Erwärmen
verwendet wird, ist die verwendete Menge viel geringer. Die Regenerationszeit
kann beispielsweise etwa zehn mal weniger lang sein. Da das Verfahren
zyklisch ist, folgen die beiden Schritte aufeinander, aber ihre
Reihenfolge ist beliebig.
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Auf
diese Weise kann das Wärmetransportfluid
Wasser sein. Im Regenerationsschritt wird Wasser in den Wärmetauscher
in Form von gegebenenfalls überhitztem
Nassdampf eingeführt
und der Dampf kondensiert, indem er das Adsorptionsmittel erwärmt. Ein
solches Verfahren ist mit einem Niedertemperatur-Energierückgewinnungsverfahren
kompatibel, ist also besonders wirtschaftlich.
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Bei
dem Trennschritt kann die Kühlung
durch die zu reinigende Mischung allein gewährleistet werden, wobei die
Strömung
des Wärmetransportfluids gestoppt
wird. Die Kühlung ist
nun also langsamer, aber kann ausreichend sein. Man kann auch ein
anderes Wärmetransportfluid
verwenden, um die Kühlung
des Adsorptionsmittels zu beschleunigen. Das andere Wärmetransportfluid
kann auch die Phase wechseln, beispielsweise Wasser, das verdampft.
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Bei
der Erwärmung
des Wärmetransportfluids
mit Phasenwechsel sind die auf der Seite des Wärmetransportfluids erhaltenen
Wärmeaustauschkoeffizienten
sehr hoch. Sie können
5000 bis 50000 W/m2/K erreichen, indem man
Wasser als Wärmetransportfluid
verwendet. Dies gestattet eine schnelle Erwärmung, beispielsweise reduziert
auf eine halbe Stunde anstelle von mehreren Stunden, wenn man eine
Erwärmung
ohne Phasenwechsel verwenden würde.
Dies reduziert also beträchtlich
den nicht produktiven Stillstand einer solchen Anlage während der für die Regeneration
des Adsorptionsmittels erforderlichen Zeit.
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Ein
Phasenwechsel bei der Kühlung
erfordert im Allgemeinen einen luftdichten Kühlkreis und das Fehlen von
Luft oder jedem nicht kondensierbaren Gas. Man verwendet deshalb
vorzugsweise eine Kühlung
mit flüssigem
Wasser, was die Verwendung eines in die Atmosphäre offenen Kühlkreises
gestattet, d.h. der nicht luftdicht ist. Die erhaltenen Koeffizienten
sind deutlich ausreichend. Die Erwärmung und die Kühlung sind
nämlich
nicht symmetrische Schritte. An erster Stelle kann der Adsorptionsschritt
mehrere Stunden dauern; diese Adsorptionsdauer hängt insbesondere von dem Durchsatz
des Gasgemisches, von dem verwendeten Adsorptionsmittel, von dem
oder den zu adsorbierenden Gasen, von ihrer Konzentration in der
Mischung und von der Geometrie einer Säule ab, die dazu bestimmt ist,
das Adsorptionsmittel zu enthalten. Nun trägt während der Adsorption der Umlauf
der zu behandelnden gasförmigen
Mischung, die kälter
als die Rege nerierungstemperatur ist, zum Kühlen des Adsorptionsmittels
bei. Außerdem
ist es in der Adsorptionsphase nicht erforderlich, dass das Adsorptionsmittel
schnell seine niedrigste Temperatur erreicht. Die Adsorption kann nämlich stattfinden,
wenn das Adsorptionsmittel erst teilweise gekühlt ist. Auf diese Weise ist
die durch den einfachen Umlauf von flüssigem oder teilweise verdampftem
Wasser erhaltene Anfangskühlung schnell
genug, um die schnelle Aufnahme des Adsorptionsschrittes zu gestatten.
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Im
Adsorptionsschritt kann man außerdem das
Adsorptionsmittel beispielsweise vor oder nach dem Durchgang des
Spülgases
in dem Trennkreis einem Teilvakuum aussetzen.
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Ein
solches Verfahren zur Regenerierung eines Adsorptionsmittels ist
auch auf andere Verfahren und Vorrichtungen anwendbar, und zwar
insbesondere für
die Regenerierung eines Adsorptionsmittels in einem Kühlkreis,
wie es eines der folgenden Beispiele zeigt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich ferner aus der
nachstehenden Beschreibung, die sich auf nicht begrenzende Beispiele bezieht.
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In
der beiliegenden Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 für die Reinigung und/oder
die Abtrennung von Gasen; und
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2 eine
schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung,
die für
die Verwendung einer erfindungsgemäßen Regenerierungsvorrichtung
ausgelegt ist.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 für
die Reinigung und/oder die Abtrennung von Gasen. Die Vorrichtung 1 umfasst
einen Adsorptionskreis 10 und einen Austauschkreis 20.
Der Adsorptionskreis 10 umfasst hauptsächlich eine Adsorptionssäule 2,
die vertikal angeordnet ist und Adsorptionsmittel 3 enthält. Die
Säule 2 umfasst
eine obere Öffnung 11 und
eine untere Öffnung 12 für den Umlauf
des sie durchquerenden Gasstroms.
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Das
Adsorptionsmittel liegt in Form von Teilchen vor, um eine größtmögliche Adsorptionsoberfläche aufzuweisen,
so dass die Adsorptionsausbeute optimal ist. Eine erste poröse Platte 16,
die an der Basis der Säule
angeordnet ist, gestattet den Durchgang der Gasströme, indem
sie gleichzeitig das Adsorptionsmittel zurückhält. Eine zweite poröse Platte 15 ist über dem
Adsorptionsmittel angeordnet und ist an dieses durch Federn 17 angedrückt. Auf
diese Weise verhindern diese beiden porösen Platten, indem sie das
Adsorptionsmittel komprimieren, dass es fluidisiert wird und durch
die Gasströme
mitgenommen wird.
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Der
Adsorptionskreis 10 umfasst außerdem obere Schaltmittel 13 und
untere Schaltmittel 14, die mit der oberen Öffnung 11 bzw.
der unteren Öffnung 12 verbunden
sind. Die oberen Schaltmittel umfassen ein Einlassventil V1M zur
Steuerung des Einlasses M1 einer zu behandelnden Gasmischung, ein Auslassventil
V2P zur Steuerung des Auslasses P2 eines Spülgases und ein Vakuumventil
W, um das Innere der Säule 2 über die
obere Öffnung 11 mit
einer Vakuumpumpe in Verbindung V zu setzen.
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Die
unteren Schaltmittel 14 umfassen ein Ablassventil V2M zur
Steuerung des Ablasses der behandelten Gasmischung und ein Einlassventil
V1P zur Steuerung des Einlasses des Spülgases durch die untere Öffnung.
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Der
Austauschkreis umfasst einen Wärmetauscher,
der die Aufgabe hat, das Adsorptionsmittel zu erwärmen und
zu kühlen.
Wasser wird als Wärmetransportfluid
verwendet. Der Wärmetauscher
ist ein Rippenrohr 21 aus Stahl, das in der Säule 2 im
Kern des Adsorptionsmittels vertikal angeordnet ist. Die durch die
porösen
Platten 15, 16 ausgeübte Kompression trägt außerdem dazu
bei, das Adsorptionsmittel an das Rippenrohr anzudrücken, so
dass es keinen bevorzugten Weg für
die Gasströme
gibt, was die Adsorption verringern würde, und um die Wärmeübertragungen
zu verbessern.
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Dichtungsmittel 4 sind
um das Rippenrohr 21 herum an den Stellen vorgesehen, an
denen das Rohr die Hülle 5 der
Säule 2 durchquert.
Diese Dichtungsmittel sind außerdem
vorgesehen, um eine Differentialausdehnung zwischen der Hülle 5 und
dem Rohr 21 zu ermöglichen,
die durch die abwechselnden Kühl-
und Erwärmungszyklen
erzeugt wird.
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Ein
oberes Ende 211 des Rohrs 21 ist mit einem Eintritt
C1 für
Wasser in Form von überhitztem Dampf
in Verbindung, der durch ein oberes Einlassventil V1C gesteuert
wird, sowie mit einem oberen Ablass F2 für Wasser in Form von Dampf
oder Flüssigkeit,
der durch ein Ablassventil V2F gesteuert wird. Das obere Einlassventil
V1C gestattet die Trennung des Restes des Austauschkreises von einem Dampfgenerator 24.
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Ein
unteres Ende 212 des Rohrs 21 ist mit einem Eintritt
F1 für
Wasser in flüssiger
Form verbunden (23), der durch ein unteres Einlassventil V1F gesteuert
wird, und mit einem Sammelbehälter 22,
dessen Eintritt durch ein Sammelventil VC gesteuert wird. Der Sammelbehälter ist
zum Sammeln eines vom überhitzten
Wasserdampf stammenden Kondensats vorgesehen. Der Sammelbehälter ist
also so angeordnet, dass das Kondensat von selbst vom Rohr 21,
in dem es sich bildet, zum Behälter 22 abfließen kann,
wenn das Sammelventil VC offen ist. Der Sammelbehälter ist
außerdem
mit einem Entleerungsventil V2C ausgerüstet.
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Nun
wird ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben,
indem mit einem Schritt der Regenerierung des Adsorptionsmittels 5 begonnen
wird. Man geht davon aus, dass dem Regenerierungsschritt ein Adsorptionsschritt
vorhergegangen ist, so dass von dem Adsorptionsmittel Gas adsorbiert
wurde.
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Das
Adsorptionsmittel 5 wird erwärmt, um regeneriert zu werden.
Im Austauschkreis 20 schließt man zunächst einen Kühlkreis,
d.h. das Wassereinlassventil V1F am unteren Ende des Rohrs 21 und das
Ablassventil V2F am oberen Ende des Rohrs sind geschlossen. Dann
wird ein Heizkreis geöffnet, d.h.
das Dampfeinlassventil V1C am oberen Ende des Rohrs 21 und
das Sammelventil VC am unteren Ende des Rohrs werden geöffnet. Das
Entleerungsventil V2C des Behälters 22 wird
einige Augenblicke nach Einlass des Dampfes offen gehalten, um das Rohr 21 von
den Gasen, die es enthält,
zu spülen, dann
wird es geschlossen, um den Heizkreis abzutrennen, und zwar insbesondere
um Dampfaustritte zu vermeiden. Der Druck in dem Rohr erreicht nun
einen Wert, der nahe denjenigen im Dampfgenerator ist, und die Temperaturen
an den Wänden
des Rohrs und denjenigen der Rippen steigen sehr schnell auf Werte,
die nahe der Sättigungstemperatur
des Dampfes sind. Der Temperaturgradient in dem Adsorptionsmittel,
das sich erwärmt,
der zunächst
sehr hoch ist, nimmt schnell ab. Wäh rend der Erwärmung wird
also Dampf im oberen Teil des Rohrs eingelassen und kondensiert
in dem Maße,
indem er das Rohr von oben nach unten durchquert, indem er seine
Wärme freisetzt.
Da der Heizkreis ein geschlossener Hohlraum ist, ist das gebildete
Kondensatvolumen im Wesentlichen proportional zur ausgetauschten
Wärmeleistung.
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Gleichzeitig
ist in dem Adsorptionskreis 10 das Vakuumventil W, das
Einlassventil V1M für
die zu behandelnde Mischung und das Ablassventil V2M für die behandelte
Mischung geschlossen, so dass die Mischung nicht in der Säule 2 umläuft. Es
ist möglich, eine
Vorerwärmung
vorzunehmen, bevor Spülgas
in die Säule
eingelassen wird. So beginnt die Erwärmung, ohne dass ein Strom
in der Säule 2 fließt, wobei
die Ventile V1P und V2P für
den Umlauf des Spülgases
auch geschlossen sind. Nach Vorerwärmung werden das Ventil V1P
für den
Einlass des Spülgases und
das Ventil V2P für
seinen Ablass geöffnet,
so dass das Spülgas
in der Säule 2 von
unten nach oben fließt,
indem es sich mit dem von dem Adsorptionsmittel befreiten Gas lädt und dann
wird das Spülgas
durch das Ablassventil V2P in Richtung einer Rückgewinnungsvorrichtung abgeführt, beispielsweise
um gefiltert oder verbrannt zu werden. Die Spülung findet dann weiter statt,
bis die Konzentration des freigesetzten Gases in dem Spülgas eine
vordefinierte Minimumschwelle erreicht hat. Dieses Schwelle wird
durch vorhergehende Versuche in einem Einstellungsschritt definiert,
um eine Spülzeit
zu bestimmen, die im Allgemeinen zum Erreichen dieser Schwelle erforderlich
ist. Wenn diese Spülzeit
erreicht ist, wird die Spülung
abgebrochen. Hierzu schließt
man das Dampfeinlassventil V1C und das Sammelventil VC und dann öffnet man
das Spülventil V2C,
um den Behälter 22 von
den Kondensaten zu entleeren, die sich darin während der Erwärmung angesammelt
haben. Man schließt
ferner die Ventile V1P und V2P für
den Umlauf des Spülgases.
Das Volumen des Behälters 22 ist
so gewählt,
dass er das gesamte Kondensat enthalten kann, das normalerweise
während
der Erwärmungsphase
erzeugt wird.
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Es
sei bemerkt, dass das Spülgas
von unten nach oben fließt,
während
die behandelte Mischung von oben nach unten fließt. Auf diese Weise definiert man
in dem Adsorptionsmittel einen Gradienten der "Verschmutzung" durch das adsorbierte Gas. In dem stärker verschmutzten
oberen Teil tritt nämlich
die Mischung mit zu adsorbierendem Gas geladen ein, während das
Spülgas
diesen mit diesem Gas beladen verlässt. Diese Anordnung gestattet
es, indem man die sauberere untere Zone mit einem wenig oder nicht
geladenen Spülgas
reinigt, diese Zone möglichst
sauber zu halten, um sicherzugehen, dass die Mischung im Adsorptionsschritt
diese möglichst
wenig geladen verlässt.
Ebenso gestattet die Tatsache, dass das Spülgas über den am stärksten verschmutzten
Teil austritt, zu gewährleisten,
dass es sich soweit wie möglich
mit freigesetztem Gas lädt.
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Dann
setzt man in diesem Beispiel den Adsorptionskreis unter Vakuum.
Zu diesem Zweck öffnet
man, indem die vier anderen Ventile V1P, V2P, V1M, V2M des Adsorptionskreises
geschlossen gehalten werden, das Vakuumventil W und pumpt dann das
Gas in die Säule.
Da das Adsorptionsmittel noch warm ist und einem Unterdruck ausgesetzt
ist, gestattet dies die Vervollständigung der Regeneration des
Adsorptionsmittels. Dann ist die Säule 2 auf den atmosphärischen
Druck zurückzubringen,
indem in sie reines Spülgas
eingeführt
wird, indem das Spülgaseinlassventil
V1P geöffnet
wird, nachdem das Vakuumventil W geschlossen wurde.
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Man
kann auch eine "kalte" Pumpung vorsehen,
d.h, vor oder ganz zu Beginn der Erwärmung. Auf diese Weise gewährleistet man,
indem man die Freisetzung des adsorbierten Gases auslöst, dass die
Konzentration an freigesetztem Gas hoch ist. Diese Option ist besonders
zweckmäßig, wenn
man ein großes
Volumen zu regenerieren hat; so ist das freigesetzte Gas in der
Restmischung weniger verdünnt und
kann von Beginn der Erwärmung
an konzentrierter rückgewonnen
werden. Man kann nun die Öffnung
des Ablassventils V2P für
das Spülgas
von dem Druck in der Säule
abhängig
machen, indem man dieses Ventil öffnet,
wenn sich nach Schließung
des Vakuumventils W wieder ein ausreichender Druck in der Säule 2 hergestellt
hat, d.h. wenn genügend
Gas von dem Adsorptionsmittel freigesetzt wurde, um diesen Druck
wiederherzustellen. Man kann das Einlassventil V1P für das Spülgas geschlossen
halten, solange die Erwärmung
dafür ausreicht,
dass das freigesetzte Gas von selbst austritt. Der Umlauf des Spülgases wird
dann hergestellt, wenn die Erwärmung
nicht mehr ausreichend ist.
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Nun
wird ein Adsorptionsschritt beschrieben, der auf den oben beschriebenen
Regenerationsschritt folgt.
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Man
kühlt zuvor
das Adsorptionsmittel. Zu diesem Zweck schließt man das Ventil V1C für den Einlass
des Dampfes und das Sammelventil VC. Dann öffnet man das obere Ablassventil
V2F, bevor man das Einlassventil V1F für flüssiges Wasser öffnet.
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Zu
Beginn ist das Adsorptionsmittel und das Rohr heiß, und das
Wasser verdampft, so dass man hohe Wärmeübertragungskoeffizienten und
damit eine schnelle Kühlung
erhalten kann. Aus dem Rohr tritt eine Mischung aus flüssigem Wasser
und Dampf aus, die abgeführt
und dann in einem Separator 26 getrennt wird, der mit Mitteln 27 zum
Herstellen des atmosphärischen
Drucks ausgerüstet
ist. Wenn die Temperatur des Adsorptionsmittels niedrig genug ist, bringt
man das zu behandelnde, beispielsweise zu trennende oder zu reinigende
Gasgemisch in Umlauf. Das heißt,
indem die Ventile W, V1P, V2P, die das Herstellen des Vakuums und
den Umlauf des Spülgases
steuern, geschlossen sind, öffnet
man das Einlassventil V1M und das Ablassventil V2M für die Mischung.
Die Mischung fließt
nun in der Säule 2,
indem sie sich reinigt. Die Vorrichtung 1 ist so beschaffen,
dass die auf diese Weise behandelte Mischung, wenn sie abgeführt wird,
den Normen der Konzentration an dem Gas entspricht, das adsorbiert
hätte werden
sollen. Es bildet sich während
der Adsorption eine "Adsorptionsfront", d.h. ein Adsorptionsgradient, der
vom oberen Teil des Adsorptionsmittels, der am stärksten verschmutzt
ist, auf den sauberen unteren Teil zu abnimmt. Diese Front bewegt
sich während des
Adsorptionsschritts nach unten. Man bricht den Adsorptionsschritt
ab, bevor die Front den unteren Teil erreicht hat, also wenn der
untere Teil noch rein ist, d.h. die Mischung ist, wenn sie in den
unteren Teil gelangt, so gereinigt, dass keine Adsorption mehr stattfindet.
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Wenn
mehrere Gasarten adsorbiert werden, wobei ihre Affinitäten zu dem
Adsorptionsmittel verschieden sein können, kann es eine Front für jede Gasart
geben. Man kann auf diese Weise eine Trennung vornehmen, indem man
das Adsorptionsmittel in geeigneter Weise wählt und indem man geeignete Adsorptionszeiten
und Regenerationszeiten verwendet.
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Nach
Beendigung der Adsorptionsphase läuft der Zyklus mit einer neuen
Regenerationsphase weiter.
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Man
verwendet für
die Kühlung
vorzugsweise Wasser E, das entmineralisiert oder in geeigneter Weise
behandelt ist, so dass eine Kesselsteinablagerung im Austauschkreis
und insbesondere im Rohr 2 vermieden wird.
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Es
sei bemerkt, dass eine vollständige
Anlage, wenn sie kontinuierlich arbeiten soll, mehrere Säulen umfasst,
so dass, wenn man das Adsorptionsmittel der einen regeneriert, die
Adsorption in der anderen Säule
stattfinden kann.
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2 zeigt
schematisch eine Kühlvorrichtung 100,
die eine erfindungsgemäße Regenerationsvorrichtung 104 benutzt.
Die Kühlvorrichtung
umfasst hauptsächlich
einen Kühlkreis 110,
in dem ein Kühlmittel
umläuft.
Die wichtigsten Elemente des Kühlkreises
sind ein Verdampfer 101, ein Kondensator 102,
ein Kondensator 103 und ein Adsorber 103 zur Aufnahme
eines Adsorptionsmittels. Der Verdampfer 101 ist mit dem
Adsorber 103 über
ein erstes Ventil V1 für
den Kühlmittelumlauf
vom Verdampfer zum Adsorber verbunden. Der Adsorber ist mit dem
Kondensator 102 über
ein zweites Ventil V2 für den
Umlauf des Kühlmittels
vom Adsorber zum Kondensator verbunden. Die Rückkehr des Kühlmittels vom
Kondensator 102 zum Verdampfer 103 findet über ein
Rohr 106 statt, und wird durch ein Druckminderventil V3
geregelt. Die Einheit, die aus dem mit dem Druckminderventil V3
ausgerüsteten
Rohr 106 besteht, kann durch ein Kapillarrohr ersetzt sein.
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Die
Kühlung
findet in einem intermittierenden Zyklus statt, während dessen
das Fluid in dem Kondensator 102 unter Hochdruck HP kondensiert
wird und in dem Verdampfer 101 unter Niederdruck BP verdampft
wird.
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Der
Verdampfer ist über 111 mit
einer zu kühlenden
Last 107 verbunden, für
die die Kühlvorrichtung 100 als
Wärmepumpe
dient. Die Last 107 kann ein Eiswassernetz sein. Die aus
dem Kondensator austretende Wärme
wird über
eine Wärmeabga be 102 abgeführt. Das
Adsorptionsmittel und damit der Adsorber und das in dem Adsorber
enthaltene Kühlmittel
werden durch die Regenerationsvorrichtung 104 abwechselnd
erhitzt und gekühlt.
Die Regenerationsvorrichtung besteht aus einem Wärmetauschkreis, in dem ein
Wärmetransportfluid
umläuft.
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Nun
wird ein Kühlzyklus
beschrieben, indem davon ausgegangen wird, dass man mit seiner Beschreibung
beginnt, wenn das Adsorptionsmittel gerade regeneriert wurde und
seine Höchsttemperatur erreicht
hat, und das Kühlmittel
in dem Adsorber unter dem Hochdruck HP ist. Die Ventile V1, V2,
V3 sind nun geschlossen, das Adsorptionsmittel und damit der Adsorber
werden allmählich
gekühlt
und der Druck des Kühlmittels
im Adsorber nimmt ab. Das Adsorptionsmittel adsorbiert das Kühlmittel
mindestens teilweise.
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Wenn
der Druck in dem Adsorber den Niederdruck BP erreicht, wird das
erste Ventil V1 geöffnet.
Nun beginnt die Verdampfung des Kühlmittels im Verdampfer 101.
Der Adsorber wird weiter gekühlt und
seine Temperatur nimmt ab und die Adsorption kann weiter stattfinden,
solange das Adsorptionsmittel nicht mit Kühlmittel gesättigt ist.
Wenn die Temperatur des Adsorptionsmittels aufhört zu sinken, ist das Adsorptionsmittel
gesättigt.
Es kommt zu einem Druckgleichgewicht im Adsorber und im Verdampfer und
die Verdampfung hört
auf.
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Man
schließt
nun das erste Ventil V1, während
das zweite Ventil V2 geschlossen gehalten wird. Dann erhitzt man
das Adsorptionsmittel gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren,
wie es oben beschrieben wurde, und zwar insbesondere mit Hilfe eines
Wärmetransportfluids,
das seine Phase wechselt. Die Temperaturerhöhung des Adsorptionsmittels bringt
seine Regenerierung und damit eine Desorption des Kühlmittels
in Form von überhitztem
Dampf mit sich. Infolgedessen nimmt der Druck in dem Adsorber, der
ein geschlossener Behälter
ist, zu.
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Wenn
der Druck in dem Adsorber den Wert HP erreicht, öffnet man das zweite Ventil
V2 und das Kühlmittel
tritt in Form von Dampf in den Kondensator 102 ein, in
dem es allmählich
kondensiert wird. Die Kondensation findet solange statt, wie in
dem Adsorber Dampf erzeugt wird, d.h. bis das Adsorptionsmittel
vollständig
regeneriert ist.
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Wenn
die Kondensation aufhört,
wobei das Kühlmittel
in flüssiger
Form über
das Rohr 106 in den Verdampfer 101 zurückkehrt,
beginnt der Zyklus, wie oben beschrieben, wieder von vorne.
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Die
Verwendung eines Wärmetransportfluids,
das seine Phase wechselt, insbesondere zur Regenerierung des Adsorptionsmittels
gestattet eine Beschleunigung des Kühlzyklus.
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Die
Erfindung ist natürlich
nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt und
an diesen Beispielen können
zahlreiche Änderungen
vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen
definiert ist, zu verlassen.
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Insbesondere
ist die Evakuierung nach der Spülung
ein optioneller Schritt, der je nach dem verwendeten Materialtyp
oder den verwendeten Gasen gewählt
werden kann.
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Anstelle
eines einzigen Rippenrohrs können von
diesem mehrere vorgesehen sein, die in einer gemeinsamen Säule parallel
angeordnet sind. Das Rippenrohr wurde vertikal angeordnet, damit
der Dampf sich von selbst im oberen Teil und die Flüssigkeit
im unteren Teil des Austauschkreises positioniert. Es kann anders
angeordnet sein und beispielsweise eine Schraubenform besitzen.
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Dasselbe
Verfahren, das hier für
die Reinigung einer Gasmischung beschrieben wurde, kann für die Reinigung
von anderen Fluiden, insbesondere einer flüssigen Mischung, verwendet
werden.