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Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung oder zur Gewinnung von
adsorbierbaren Gaskomponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung
oder zur Gewinnung von adsorbierbaren Gaskomponenten aus Gasgemischen mittels festem
Adsorptionsmittel, wobei nach derAdsorption von einer oder mehreren Gaskomponenten
das Austreiben derselben durch wiederholtes Umwälzen eines Austreibmittels über
Adsorber und Erhitzer erfolgt und mindestens eine Teilmenge vom Austreibmittel abgezweigt,
die adsorbierte Komponente durch Kondensation ausgeschieden und das A sorptionsmittel
gelçühlt wird.
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Das Verfahren besteht darin, daß sowohl die Erhitzung als auch die
Kühlung in zwei Stufen erfolgt und dabei jeweils fdie Stufe am Eintritt des Atlstreibmittels
in den Erhitzer bzw. Kühler von einem Speichermittel durchströmt wird, wobei zur
Wiederverwendung anfallende Wärme wenigstens zum Teil vorübergehend aufgespeichert,
zeitweise aber Wärme, die aus der Kondensation der adsorbierten Komponente anfällt,
unmittelbar im Erhitzer verwendet wird.
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Die Vorrichtung zur Ausführung des vorstehenden Verfahrens beruht
darauf, daß ein Adsorber nach der Adsorption von einer oder mehreren Gas komponenten
an einen, einen Erhitzer aufweisenden Kreislauf eines Austreibmittels angeschlossen
werden kann, welcher Kreislauf zur Abtrennung der adsorbierten Komponente aus mindestens
einer Teilmenge des Austreibmittels mit einer einen Kühler enthaltenden Abzweigung
versehen ist; sie
besteht darin, daß sowohl der Erhitzer als auch
der Kühler zweistufig ausgebilsdet ist und daß Speichermittel vorhanden sind, in
denen zur Wiederverwendung anfallende Wärme wenigstens zum Teil vorübergehend aufgespeichert
werden kann, wobei zeitweise der Kühlmittel ausfluß des Kühlers mit dem Heizmittelzufluß
des Erhitzers verbunden ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Anlage zur Gewinnung von adsorbierbaren Gaskomponenten,
Fig. 2 und 3 Diagramme der Temperaturen beim Erhitzen, Austreiben und Kühlen.
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Der Adsorber 1 ist ein geschlossener Behälter mit Adsorptionsmittel
gefüllt, z. B. mit Aktivkohle, und mit den Zu- und Ableitungen 2 und 3 für das Gasgemisch
und den Absperrorganen 4 und 5 versehen. Der Kreislauf für das Austreibmittel ist
mit den Zu- und Ableitungen 7 und 8 und den Absperrorganen g und IO an den Adsorber
I angeschlossen. Im Adsorptionsmittel ist der Wärmeaustauscher II, der z. B. als
Rohrschlange ausgebildet ist, eingebettet. Vom Adsorber I führt die Leitung 8 zur
Saugseite des Gebläses I2, das zum Umwälzen ides Austreibmittels dient und mittels
der Druckleitung 13 an den Erhitzer 14 angeschlossen ist, dessen Wärmeaustauscher
15 und I6 von unten nach oben vom Austreibmittel durchströmt werden. Der Austauscher
I6 wird mit Heizdampf aus der Leitung 17 beim Öffnen des Absperrorgans 18 geheizt.
Das Kondensat fließt in -den Kondenstopf 19 und von dort durch den Austauscher 15.
Die Leitung 7 leitet das erhitzte Austreibmittel vom Erhitzer 14 in den Adsorber
1.
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AIs Austreibmittel dient vorzugsweise das Trägergas der zu adsorbierenden
Gaskomponente.
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Von der Leitung S zweigt die Leitung 20 zum Kühler 21 mit den Wärmeaustauschern22
und 23 ab. Die Leitung 24 verbindet den Kühler 21 mit dem Gebläse 12 bzw. mit der
Leitung 8. Die Leitung 20 ist mit einem Absperrorgan 2/5 und die Leitung 8 zwischen
den Leitungen 20 und 24 mit einem Drosselorgan 26 versehen. Der Austauscher 22 wird
durch die Kühlmittelpumpe 27 über die Leitung p8 mit dem Absperrorgan 29 aus dem
Speicherbehälter 30 mit Kühlmittel gespeist. Die Leitung 3I dient für den Rückfluß
des Kühlmittels aus dem Austauscher 22 in den Speicherbehälter 30.
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Der Austauscher 23 wird unabhängig vom Austauscher 22 von einem Kühlmittel
niedriger Temperatur, z. B. Leitungs- oder Grundwasser, durch flossen. Ferner ist
der Austauscher 15 mittels der Leitung 32 und des Absperrorgans 33 mit der Leitung
28 und somit mit der Pumpe 27 verbunden, und die Rückflußleitung 34 führt vom Austauscher
15 zum Speicherbehälter 30.
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Der Wärmeaustauscher I I ist über- das Absperrorgan 35 ebenfalls
an die Dampfleitung I7 angeschlossen; das Kondensat aus dem Wärmeaustauscher II
sammelt sich in dem Kondenstopf 36, aus dem es über die Leitung 37 zum Wärmeaustauscher
15 geleitet wird. Zwischen dem Kondenstopf 36 und dem Wärmeaustauscher 11 ist das
Absperrorgan 38 und die Kühlwasserzufuhrleitung 39 mit dem Absperrorgan 40 vorgesehen.
Zwischen dem Wärmeaustauscher II und dem Absperrorgan 35 ist Idie Kühlwasserabflußleitung
41 mit dem Absperrorgan 42 angeschlossen, welche außerdem die Absperrorgane 57 und
5'8 mit einer Abzweigung 73 zum Speicherbehälter 30 aufweist.
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Zwischen den Leitungen 13 und 7 bildet die Leitung 43 mit dem Absperrorgan
44 eine Umgehung des Erhitzers 14 während der Kühlung des Adsorptionsmittels, wobei
die Leitung 13 mittels des Absperrorgans 48 abgeschlossen werden kann.
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Zum Ausgleich der Volumänderung des Austreibmittels beim Erhitzen
und beim Kühlen ist der Kühler 21 mittels der Leitung 49, den Ausgleichorganen 50
und 51 sowie den Leitungen 52 und 53 mit den Leitungen 2 und 3 verbunden. Bei der
Ausdehnung des Austreibmittels infolge Erhitzung wird der Federbalg 54 zusammengedrückt
und öffnet das Organ 50, so daß der Überschuß an Austreibmittel in die Leitung 2
entweicht und eine Druckerhöhung vermieden wird. Verringert sich hingegen beim Kühlen
das Volumen des Austreibmittels, so dehnt sich der Federbalg 55 und öffnet das Organ
5I, so daß das fehlende Volumen aus der Leitung 3 ergänzt werden kann.
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Die Betriebsweise ist folgende: In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf
über sder Zeit an verschiedenen Stellen einer Anlage dargestellt, bei welcher der
Adsorber ohneWärmea,ustauscher II ausgerüstet ist und,die Erwärmung der Masse !des
Adsorptionsmittels nur durch das erhitzte und umgewälzte Austreibmittel erfolgt.
Zunächst wird durch Öffnen der Absperrorgane4 und 5 bei geschlossenen Organen g
und IO das Adsorptionsmittel von einem, z. B. Benzoldämpfe enthaltenden Gasgemisch
aus der Leitung 2 durchströmt. Das Adsorptionsmittel adsorbiert die Benzoldämpfe,
und das Reingas gelangt über die Leitung 3 in das Verbrauchsnetz.
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Die Periode,des Adsorbierens ,dauert so lange, bis die Aktivkohle
im Behälter I genügend gesättigt ist.
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Alsdann werden im Zeitpunkt o (Fig. 2 und 3) die Absperrorgane 4
und 5 am Adsorber I geschlossen, die Organe g und IO hingegen geöffnet und der Austauscher
16 durch offenen des Ventils 18 mit Frischdampf aus der Leitung 17 gespeist, dessen
Kondensat über den Kondenstopf 19 durch den Wärmeaustauscher 15 in den Speicher
30 abfließt.
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Außerdem werden das Gebläse 12 und die Pumpe 27 in Betrieb gesetzt
und zunächst das Drosselorgan 26 ganz geöffnet. Das Absperrorgan48 in der LeitungI3
ist geöffnet und das Organ 44 in der Umgehungsleitung 43 geschlossen. Das Austreibmittel
wird zunächst bis zur Zeit ZX in Fig. 2 erhitzt und umgewälzt und die Masse des
Adsorptionsmittels erwärmt. Der Temperaturverlauf des Austreibmittels am Austritt
des Erhitzers 14 in der Leitung 7 ist durch die Kurve a dargestellt. Zur Zeit Zg
wird nun das Organ 26 gedrosselt und das Organ 25 voll geöffnet, die Temperatur
am Eintritt des Kühlers 21 verläuft gemäß der Kurve b. Daraus ist zu ersehen, daß
die
Temperatur des Adsorptionsmittels und somit die des aus dem Adsorber I austretenden
Gases bereits zunimmt.
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Durch die Erwärmung des Adsorptionsmittels verdampft das darin bei
der Adsorption kondensierte Benzol, und die Benzoldämpfe mischen sich mit dem Austreibmittel.
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Schon von der Zeit wo an ist das Absperrorgan 33 geöffnet, und das
von der Pumpe 27 umgewälzte Wasser aus dem Speicher 30 erwärmt das in den Wärmeaustauscher
15 eintretende Austreibmittel, so daß die Temperatur des letzteren an der Stelle
zwischen den Wärmeaustauschern 15 und I6 zeitlich gemäß der Kurve e verläuft. Von
ZO bis Z2 sinkt diese Temperatur, da im Speichermittel von dem vorherigen Betriebszyklus
gespeicherte Wärme an das Austreibmittel abgegeben wird und dem Speicherbehälter
30 zunächst keine weitere Wärme zufließt. Die gespeicherte und abgegebene Wärme
entspricht der Fläche 1 zwischen der Temperaturlinie für 200 C und der Kurve e von
ZO bis Z2.
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Da die Temperatur des Wassers im Speicher 30, dessen Verlauf durch
die Kurve d (Fig. 2) dargestellt wird, noch über der Temperatur des umgewälzten,
in den Kühler 2I eintretenden Austreibmittels liegt, ist vorerst das Absperrorgan
29 geschlossen.
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Sobald nun die Temperatur des in den Kühler eintretenden Austreibmittels
zur Zeit Z2 ein wenig über der Temperatur des Speichermittels gemäß der Kurve d
liegt, wird das Abschluß organ 29 geöffnet und nunmelhr das Austreibmittel im Wäre'aus
tauscher 22 gekühlt. Infolgedessen ist die Temperatur des Austreibmittels zwischen
den Austauschern 22 und 23 nicht mehr gleich der Eintrittstemperatur, sondern sie
ist niedriger, und ihr Verlauf von Z2 wird durch die Kurve c dargestellt.
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Gleichzeitig ist auch das Ventil 56 für den Kühlmittelfluß zum Austauscher
23 geöffnet. Das Austreibmittel wird so weit abgekühlt, daß das Benzol kondensiert
und sich in dem Raum 45 ansammelt, während das davon befreite Austreibmittel durch
die Leitung 24 vom Gebläse I2 angesaugt wird.
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Durch periodisches Öffnen des Absperrorgans 46 wird das Benzol über
die Leitung 47 aus dem Raum 45 abgelassen und einem Vorratsbehälter einer Abgabestelle
oder einem Verbrauchsort zugeführt. Zur ZeitZ2 oder etwas später wird das Absperrorgan
26 in der Leitung 8 ganz geschlossen.
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Im Wärmeaustauscher 22 fällt von Z2 bis Z3 in der Hauptsache durch
Kondensation eine Wärmemenge entsprechend der Fläche II an, die mit dem Speicherwasser
in den Speicher 30 gelangt. Gleichzeitig wird aus dem Speicher 30 Wärme gemäß der
Fläche III zwischen der Linie für 200 C und der Kurve e von Z2 bis Z5 abgegeben.
Die Temperatur des Speicherwassers fällt zunächst nach Z2 noch etwas, um dann allmählich
anzusteigen, so daß wiederum Wärme gespeichert wird, indem die momentan anfallende
Wärme gegen Z3 hin immer größer wird und die Wärmeabgabe im Wärmeaustauscher 15
übertrifft. Immerhin ist wegen des zeitlichen Unterschiedes zwischen dem Wärmebedarf
und dem Wärmeabfall auch zwischen Z2 und Z3 ein vorübergehendes Speichern notwendig.
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Zurt Zeit Z3 ist das Benzol aus dem Adsorber I ausgetrieben und eine
weitere Erhitzung nicht mehr notwendig. Es wird daher das Organ 48 geschlossen und
das Organ 44 geöffnet, so daß von Z5 bis Z4 das Austreibmittel über Kühler 21 und
Adsorber I umgewälzt und die im Adsorptionsmittel noch enthaltende Eigenwarme mittels
des Austreibmittels im Kühler 21 ausgeschieden wird.
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Ein Teil davon wird ,im Wärmenustauscher 22 zurückgewonnen und dem
Speicher 30 zugeführt.
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Die Fläche IV zwischen den Kurven b und c von Z3 bis Z4 entspricht
dieser Wärmemenge. Es ist die Wärmemenge, die bei der nächsten Austriebsperiode
dem Erhitzer 14 zugeführt wird und als Fläche I dargestellt ist. Die Temperatur
im Speicher 30 nimmt durch Abstrahlung und andere Verluste während der Adsorptionsperiode
von T4 auf T0 ab.
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Wenn nun, wie in Fig. I dargestellt, die Adsorbermasse nicht nur
durch das Austreibmittel, sondern auch durch den Wärmeaustauscher II erhitzt wird,
verkürzen sich die Zeiten zur Erhitzung des Adsorbers I und zum Austreiben gemäß
Fig. 3.
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Die Kurve aL stellt wiederum den Temperaturverlauf des Austreibmittels
in der Leitung 7 dar, die Kurve b1 den am Eintritt des Kühlers 21, die Kurve c1
den zwischen den Wärmeaustauschern 22 und 23, die Kurve dt den Verlauf der Temperatur
des Wassers im Speicher 30 und die Kurve er die Temperatur des aus dem Wärmeaustauscher
15 austretenden Austreibmittels.
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Infolge der Erhitzung des Adsorptionsmittels durch den Wärmeaustauscher
II steigt nicht nur die Kurve b1 viel rascher als die Kurve b in Fig. 2, sondern
der maximale Wert ist höher, und auch die Temperatur des in den Kühler 22 eintretenden
Austreibmittels hat eine höhere maximale Temperatur als in Fig. 2.
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Beim Kühlen werden nun die Ventile 35 und 38 geschlossen und die
Ventile 39 und 42 geöffnet.
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Zunächst ist das Ventil 57 geschlossen und das Ventil 58 geöffnet.
Das den Wärmeaustauscher II durchfließende erhitzte Kühlwasser wird mittels der
Leitung 73 zunächst in den Speicher 30 geleitet, bis die Temperatur dieses Kühlwassers
der momentanen Temperatur des Speicherwassers entspricht. Alsdann wird das Ventil
57 geöffnet, das Ventil 58 geschlossen und das übrige Kühlwasser abgeleitet. Der
Speicher 30 ist noch mit einer durch das Ventil 59 abschließbar,en Leitung60 versehen.
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Nach dem Adsorbieren wird ein Teil des Speicherwassers abgelassen,
damit der Speicherbehälter 30 das neue Kondensat aus den Wärmeaustauschern II und
I6 und das neu zugeführte Kühlwasser aus dem Austauscher II aufnehmen kann.
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Die gesamte im Erhitzer 14 abgegebene Wärme entspricht der Fläche
zwischen der Temperaturlinie für 200 C und der Kurve a bzw. al von ZO bis Z3 in
Fig. 2 bzw. von ZO bis Z7 in Fig. 3. Die Fläche in Fig. 3 ist deshalb kleiner, weil
das
Adsorptionsmittel ja auch vom Wärmeaustauscher II erhitzt wird.
Die im Kühler 2I abgeführte Wärme entspricht der Fläche zwischen der Kurve b bzw.
b1 und der Linie für 200 C von Zl bis Z4 bzw. von Z5 bis Z8 Während bis jetzt die
zugeführte Wärme ganz verlorenging und im Kühler abgeführt wurde, ergibt sich durch
die Erfindung der Vorteil, daß ein Teil dieser Wärme wiedergewonnen werden kann.
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Insbesondere beim Vorhandensein des Wärmeaustauschers II erhöht sich
die Temperatur des aus dem Adsorber 1 austretenden Austreibmittels bzw. die Temperatur
am Eintritt in den Kühler 2I. Die Temperatur zwischen dem Kühler 22 und dem Kühler
23 ist ausschließlich durch die Temperatur des Speicherwassers im Behälter 30 gegeben
und wird sowohl für den Fall einer Anlage nach Fig. 2 wie auch einer nach Fig. 3
nur insofern verschieden sein, als die Temperaturen des Speichermitteis im Behälter
30 sich unterscheiden. Deshalb ist die im Kühler 22 vom Speichermittel aufgenommene
Wärme in Fig. 3 größer als in Fig. 2, un,d der Kühler einer Anlage nach Fig. 3 bzw.
I ist größer als der Kühler einer Anlage nach Fig. 2.
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Die Bedienung der Anlage, rd. h. das Öffnen und Schließen der Abschlußorgane,
kann ausschließlich von Hand erfolgen oder zum Teil oder ganz automatisch vorgenommen
werden. In Fig. I werden die Abschlußorgane 29 und 33 selbsttätig gesteuert, und
zwar je in Abhängigkeit von zwei Temperaturfühlern, die an zwei verschied,enen Stellen
der Anlage angeordnet sind. Beim Organ 33 ist der eine Fühler 6I im Speicherbehälter
30, der andere Fühler 65 in der Leitung 13 am Anfang des Erhitzers angeordnet. Diese
beiden Temperaturfühler wirken durch die Impulsleitungen 62. und 64 auf den Impulsempfänger
63 derart ein, daß Idas Absperrorgan 33 über die Einstelleitung 66 vom Impuls-,empfänger
derart eingestellt wird, daß das Organ 33 erst geöffnet wird, wenn die Temperatur
des Speichermittels im Behälter 30 über die Temp-eratur des im Erhitzer eintretenden
Austreibmittels gestiegen ist. Dies wird in den allermeisten Fällen so sein.
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Das Organ 29 wird ebenfalls durch den Temperaturfühler 6I im Speicher
30 und den Temperaturfühler 70 in Ider Leitung 20 über den Impulsempfänger 69 eingestellt.
das Organ 29 ist, wie beschrieben, zunächst geschlossen. Sobald nun die Temperatur
des Austreibmittels in der Leitung 20 über der Temperatur im Speicher 30 liegt,
öffnet der Impulsempfänger das Organ 29 und setzt den Kühler 22 in Betrieb. Mit
dem Organ 29 könnte auch das Organ 56 gleichzeitig geöffnet werden.
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Unter adsorbierbaren Gaskomponenten sind nicht nur Gase zu verstehen,
die bei sehr tiefen Temperaturen kondensieren, sondern auch Gaskomponenten, die
als Dämpfe bezeichnet werden.