EP4583998A1 - Diskontinuierlich betriebener desublimator mit zumindest einem strömungsstörer - Google Patents

Diskontinuierlich betriebener desublimator mit zumindest einem strömungsstörer

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Publication number
EP4583998A1
EP4583998A1 EP23762498.6A EP23762498A EP4583998A1 EP 4583998 A1 EP4583998 A1 EP 4583998A1 EP 23762498 A EP23762498 A EP 23762498A EP 4583998 A1 EP4583998 A1 EP 4583998A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
desublimator
desublimation
inlet
disruptor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23762498.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gregor GRACKIEWICZ
Marek Pazicky
Florian SCHARF
Clemens Thomas CHAN-BRAUN
Christian HUF
Sebastian Tobias UPPENKAMP
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP4583998A1 publication Critical patent/EP4583998A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D7/00—Sublimation
    • B01D7/02—Crystallisation directly from the vapour phase

Definitions

  • the invention relates to a discontinuously operated desublimator for removing at least one gas component to be desublimated from a gas mixture flow, which comprises a housing wall, an inlet on the housing wall for supplying the gas mixture flow, an outlet on the housing wall for discharging the treated gas mixture flow and a desublimation zone with temperature-controlled flow channel walls , wherein the flow channel walls can be tempered in such a way that during a loading process the at least one gas component to be desublimated desublimes on the flow channel walls, and that during a subsequent melting process the at least one gas component desublimated in the loading process melts on the flow channel walls.
  • the desublimator includes a gas inlet manifold space located between the inlet and the desublimation zone and a gas outlet space located between the outlet and the desublimation zone.
  • Known discontinuously operated desublimators have flow channel walls in their interior, which can be in the form of bundles of finned tubes.
  • Finned tubes are characterized by the fact that their tubes are surrounded by fins, whereby the fins can be heated or cooled by a fluid flowing through the tubes.
  • a gas component to be desublimated contained in a gas or gas-steam mixture is obtained by desublimating the gas component to be desublimated on the cooled ribs.
  • the gas component that has now been desublimated on the now heated walls of the finned tubes is melted and discharged from the desublimator.
  • the coolant or heating medium is usually guided through fluid lines which are generally arranged on the outside of the housing walls, so that the heat transfer occurs essentially between the fluid lines arranged on the outside and the housing wall and between the housing wall and the fins.
  • the gas mixture flow during the loading process has a poor uniform distribution with respect to the flow through the flow channels, as a result of which the gas component to be desublimated desublimates unevenly on the flow channel walls.
  • the pressure loss between the inlet and the outlet of the desublimator increases more quickly during the loading process and the desublimator therefore has to be regenerated at shorter intervals, although its maximum maximum loading capacity has not yet been reached.
  • the desublimator is typically regenerated through the melting process and through an optional, subsequent recooling process.
  • At least a first flow disruptor is arranged in the gas inlet distribution space for uniform distribution of the gas mixture flow through the flow channels that result from the flow channel walls of the desublimation zone, the geometric center of gravity of which is at a distance from the geometric center of gravity of the inlet surface in the range of 0.2 * D to 10, 0*D, preferably in the range from 0.5*D to 3.0*D, where D is the equivalent diameter of a circle with the same area as the inlet surface and the distance is measured along the normal vector of the inlet surface.
  • an inlet surface 9 is correspondingly provided on the housing wall 7, the housing wall 7 serving as an outer boundary of the desublimator 1.
  • a desublimation zone 4 with temperature-controlled flow channel walls distances the gas inlet distribution space 3 from a gas outlet space 5.
  • the desublimation zone is connected to the gas inlet distribution space 3 in such a way that the gas mixture flow can flow from the gas inlet distribution space 3 to the desublimation zone 4 during the loading process.
  • the desublimation zone 4 is connected to a gas outlet space 5 in such a way that the gas mixture flow can flow from the desublimation zone 4 to the gas outlet space 5 during the loading process.
  • a flow disruptor 8 is arranged in the gas inlet distribution space 3 so that the gas mixture flow flows more evenly through the flow channels during the loading process.
  • the gas mixture should flow through the largest possible proportion of the total area of all flow channel walls of the desublimation zone 4 in such a way that the gas mixture flows from the gas inlet distribution space 3 in the direction of the gas outlet space 5.
  • the maximum speed at which the flow through the flow channels of the desublimation zone 4 should be as close as possible to the average of the speeds through the flow channels in order to prevent individual flow channels from quickly becoming overgrown.
  • a backflow of the treated gas mixture from the gas outlet space 5 towards the gas inlet distribution space 3 should be avoided as much as possible in order to be able to avoid a larger pressure loss across the desublimation zone 4.
  • the flow disruptor according to the invention is a baffle plate.
  • a further outlet connection 17 with a drain valve which can be a sealing cover, for example.
  • a drain valve which can be a sealing cover, for example.
  • the drain valve is in the closed state, which prevents any gas mixture from escaping further Outlet port 17 can flow out.
  • the drain valve is in the open state, which means that the melt produced can flow out of the desublimator.
  • this further outlet port 17 is located at the lowest point in the gas outlet space, so that the melt can flow to the further outlet port 17 due to gravity.
  • Fig. 2 shows a cross section of the first exemplary embodiment of a desublimator 1 according to the invention according to Fig. 1, wherein the desublimator 1 has a height H and a width B.
  • the zy coordinate system is shown at the bottom left.
  • the housing wall 7, the gas inlet distribution space 3, the desublimation zone 4, the gas outlet space 5, the outlet surface 12 and the inlet surface 9 are shown in cross section with a diameter D.
  • the rectangular boundary frame 20 of the flow disruptor 8 is illustrated with dashed lines. The rectangular boundary frame is given by the dimensions of the flow disruptor 8 projected perpendicularly onto the plane of the inlet surface.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a desublimator 1 according to the invention, whereby, in comparison to the first embodiment of the desublimator 1 according to the invention, a further baffle plate is arranged as a second flow baffle 18 and a further baffle plate is arranged as a third flow baffle 19 in the gas inlet distribution space 3.
  • ATI is the distance between the geometric center of gravity of the second flow disruptor 18 and the geometric center of gravity of the first flow disruptor 8
  • a T 2 is the distance between the geometric center of gravity of the third flow disruptor 19 and the geometric center of gravity of the second flow disruptor 18, these distances being along of the normal vector nE of the inlet surface 9 are dimensioned.
  • AS2 is the distance between the second flow disruptor and the desublimation zone 4 and Ass is the distance between the third flow disruptor and the desublimation zone 4, these distances being measured along the longitudinal axis of the flow channels of the desublimation zone 4.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a desublimator 1 according to the invention, in comparison to the second embodiment of the desublimator 1 according to the invention the second flow disruptor 18 and third flow disruptor 19 are each arranged at a different height.
  • the rectangular boundary frame 20 of the flow disruptor 8 is illustrated with dashed lines
  • the geometric center of gravity of the individual flow disruptors 8, 18, 19 is illustrated with a circle
  • the connecting line between the geometric centers of gravity of the individual flow disruptors 8, 18, 19 is illustrated with a dotted line.
  • the horizontal longitudinal axis of the desublimator 1 is shown with a dashed line and runs through the geometric center of gravity of the inlet surface 9.
  • a H I is the distance between the geometric center of gravity of the first flow disruptor 8 and the geometric center of gravity of the inlet surface 9
  • a H 2 is the distance between the geometric center of gravity of the second flow disruptor 18 and the geometric center of gravity of the first flow disruptor 8
  • AH3 is the distance between the geometric center of gravity of the second flow disruptor 18 and the geometric center of gravity of the third flow disruptor 19
  • AH, max is the distance between the geometric center of gravity of the flow disruptor 19 with the largest distance AT.max to the inlet surface 9 and the geometric center of gravity of the inlet surface 9, where the individual Distances AH, max, AHI, AH2, AH3 are each measured along the longitudinal axis of the flow channels of the desublimation zone 4.
  • Fig. 6 shows a first exemplary embodiment of a flow disruptor 8 according to the invention, which has a baffle plate 15 in the form of a rectangular and flat design.
  • SH the height of the flow obstruction
  • SL the length of the flow obstruction
  • the geometrically averaged normal vector nA of the surface of the flow disruptor 8 that flows from the inlet 2 and the normal vector n E of the inlet surface 9 pointing in the negative direction are shown.
  • the angle a1 is presented, where the angle a1 indicates the interior angle between the negative normal vector n E of the inlet surface 9 and the geometrically averaged normal vector n A.
  • the geometrically averaged normal vector n A is determined by geometrically averaging the normal vectors of its surfaces facing the inlet 2.
  • the inlet 2, the inlet surface 9 and the inlet port 10 are shown on the right side of the drawing.
  • FIG. 7 shows a second exemplary embodiment of a flow disruptor 8 according to the invention, which has a baffle plate 15 in the form of a rectangular and curved or flat design.
  • a baffle plate 15 in the form of a rectangular and curved or flat design.
  • SH height of the flow baffle
  • SL length of the flow baffle 8
  • a flat embodiment of the flow disruptor 8 and two exemplary embodiments with possible curvatures for the flow disruptor 8 are shown.
  • Fig. 8 shows a third exemplary embodiment of a flow baffle 8 according to the invention, which has a baffle plate 15 in the form of a rectangular and curved or flat design, the flow baffle 8 having a circular hole through which flow can flow.
  • the height of the flow baffle is indicated by SH and the length of the flow baffle 8 by SL.
  • a flat embodiment of the flow baffle 8 and two embodiments with possible curvatures for the flow baffle 8 are shown.
  • all hole shapes can be used, such as a circular, oval or square hole shape.
  • baffle plate there can also be several holes in the baffle plate through which flow can flow.
  • the holes through which flow can all have a circular or oval shape. A mixture of circular and oval holes is also possible.
  • FIG. 9 shows a fourth exemplary embodiment of a flow disruptor 8 according to the invention, wherein the flow disruptor is a static mixer.
  • the black rectangles with the arrows therein indicate a specific orientation of a respective element 16 of the mixer
  • the white rectangles with the arrows therein indicate a different specific orientation of a respective element 16 of the mixer.
  • the mixer is shown in cross section, with two adjacent elements 16 of the mixer being visible.
  • the black element 16 corresponds to the black rectangle on the left side of the drawing and the white element 16 corresponds to the white rectangle on the left side of the drawing.
  • the geometrically averaged normal vector nA of the surface of the flow disruptor 8 to which the inlet 2 flows is shown, as well as the normal vector n E of the inlet surface 9 pointing in the negative direction.
  • the two angles a1 and oc2 are presented, whereby the angle a1 indicates the internal angle between the normal vector n E of the inlet surface 9 directed out of the desublimator 1 and the geometrically averaged normal vector n A and the angle oc2 indicates the internal angle between two adjacent elements 16 indicates.
  • the inlet 2, the inlet surface 9 and the inlet port 10 are shown on the right side of the drawing.
  • FIG 10 shows a perspective view of a fourth exemplary embodiment of a desublimator 1 according to the invention, wherein the desublimator 1 has a length L of 7.240 m, a width B of 2.850 m, a height H of 4.560 m and a circular inlet surface 9 with a diameter of 0 .79 m and contains four static mixers 8, 18, 19, 21 as flow disruptors. 9, in FIG Interior angle «2 of 90 degrees is arranged.
  • the respective element 16 of the cross beam is 1.130 m long, 0.20 m wide and 0.005 m thick. The composition of the individual elements 16 thus results in a total width of 1,200 m for each static mixer 8, 18, 19, 21.
  • Each static mixer 8, 18, 19, 21 has a surface facing the inlet 2, geometrically averaged normal vector nA.
  • the respective geometrically averaged normal vector corresponds to the bisector of a cross beam element directed towards the inlet surface.
  • Each static mixer 8, 18, 19, 21 has an internal angle ou, which results from the geometrically averaged normal vector nA and the normal vector nE of the inlet surface 9 directed out of the desublimator 1.
  • the internal angle oci is 0 degrees.
  • the geometric center of gravity of the first flow disruptor 8 has a distance AT from the geometric center of gravity of the inlet surface 9 of 1.36 m, the distance AT being measured along the normal vector nE of the inlet surface 9.
  • FIG. 4 in FIG. 4 m, whereby the respective distance A T I, A T 2, A T 3 is measured along the normal vector n E of the inlet surface 9.
  • FIG. 4 in FIG amounts. 5, in FIG , AH2, AH3, AH4 is dimensioned along the longitudinal axis of the flow channels of the desublimation zone 4.
  • ANSYS Fluent is a comprehensive simulation software used for modeling, simulation and optimization of fluid processes, systems and components in industry.
  • the simulation of the following examples is based on a “steady state” simulation using the RANS turbulence model.
  • the standard settings of the Fluent Solver with version 22.1 are used here.
  • thermodynamic simulation of an embodiment of the method according to the invention for operating a desublimator 1 according to the invention according to FIG. 1 was carried out in Fluent.
  • the length L of the desublimator 1 is 7.24 m
  • the width B of the desublimator 1 is 2.85 m
  • the height H of the desublimator 1 is 4.56 m
  • the diameter D of the circular inlet surface 9 is 0.79 m
  • the Diameter of the circular outlet surface 12 is 0.79 m
  • the internal volume of the gas inlet distribution space is 23.8 m 3
  • the internal volume of the gas outlet space is 24.9 m 3 .
  • the desublimation zone 4 has a volume of 32.58 m 3 .
  • the surface area of all flow channel walls in the desublimation zone 4 is 5000 m 2 . This means that there is a cooling area of 5000 m 2 for the loading process and a heating area of 5000 m 2 for the melting process.
  • the flow disruptor 8 according to the invention is designed in the following embodiment:
  • the distance Asi which results between the flow disruptor 8 and a desublimation zone 4, is 0.460 m and the distance Am between the geometric center of gravity of the inlet surface 9 and the geometric center of gravity of the flow disruptor 8 is 0.000 m, the distance Am being along the longitudinal axis of the flow channels the desublimation zone 4 is dimensioned.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in FIG.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 10 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in FIG.
  • the desublimation on the flow channel walls of the desublimation zone 4 predominantly takes place in an area that is located on the opposite side of the inlet surface 9. As the loading process continues, the location of desublimation shifts towards the inlet surface 9.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 10 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s.
  • the gas mixture flows through a larger area of the desublimation zone 4 in the direction of the gas outlet space 5.
  • the flow disruptor 8 according to the invention causes the rear area of the gas inlet distribution space 3 in the main flow direction to have speed directions over the entire width B of the desublimator 1 that are oriented in the direction of the gas outlet space 5. This avoids higher velocities in the flow channels of the desublimation zone 4 and the pressure loss across the desublimation zone 4 is correspondingly lower. A strong flow through individual flow channels would lead to their rapid overgrowth.
  • thermodynamic simulation of an embodiment of the method according to the invention for operating a desublimator 1 according to the invention according to FIG. 1 was carried out in Fluent.
  • This example 3 differs from example 1 only in the distance AT of the flow disruptor 8. In this example 3, the distance AT is equal to 2.37.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in FIG.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 10 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s.
  • thermodynamic simulation of an embodiment of the method according to the invention for operating a desublimator 1 according to the invention according to FIG. 1 was carried out in Fluent.
  • This example 4 differs from example 1 only in the distance AT of the flow disruptor 8. In this example 3, the distance AT is equal to 5.53.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in Fig. 17, wherein the velocities of the gas mixture flow are shown in the direction of the longitudinal axis of the flow channels at the beginning of the loading process, and the inflow area lies in the uppermost surface of the desublimation zone 4.
  • the desublimation on the flow channel walls of the desublimation zone 4 predominantly takes place in an area that is located on the opposite side of the inlet surface 9. As the loading process continues, the location of desublimation shifts towards the inlet surface 9.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 10 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s.
  • thermodynamic simulation of an embodiment of the method according to the invention for operating a desublimator 1 according to the invention according to FIG. 1 was carried out in Fluent.
  • This example 5 differs from example 1 only in the material properties and the mass flow of the gas mixture flow.
  • a gas mixture flow with a mass flow of 30 t/h, an absolute pressure of 1.086 bar and a temperature of 178 ° C is fed to the desublimator 1 through an inlet 2.
  • the mass flow of the gas mixture flow contains PSA as the gas component to be desublimated with a concentration of 3% by weight, as a result of which the gas mixture flow has a molar mass of 29.7 g/mol.
  • the dynamic viscosity of the gas mixture flow is 2.26*10-5 Pa*s.
  • the housing wall has a temperature of 178 °C.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in FIG.
  • the inflow area is flowed with 12.5 m 2 from the gas inlet distribution room 3 to the gas outlet room 5.
  • a backflow occurs in the remaining area of the inflow area.
  • the maximum velocity of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 3.4 m/s and the average velocity of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 0.46 m/s.
  • the pressure loss between the inlet 2 and the outlet 6 of the desublimator 1 is 3.3 mbar.
  • the desublimation on the flow channel walls of the desublimation zone 4 predominantly takes place in an area that is located on the opposite side of the inlet surface 9. As the loading process continues, the location of desublimation shifts towards the inlet surface 9.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 12 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s.
  • the flow disruptor 8 achieves its effect of better uniform distribution through the flow channels of the desublimation zone 4 with different material properties of the gas mixture flow or with different mass flows of the gas mixture flow.
  • the desublimation zone 4 is flowed into from the gas inlet distribution room 3 over an inflow area of 8.6 m 2 , the inflow area corresponding to the uppermost surface of the desublimation zone 4. A backflow occurs in the remaining portion of the inflow area.
  • the maximum velocity of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 13.4 m/s and the average velocity of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 0.46 m/s.
  • the inflow area of the desublimation zone 4 is shown in FIG. At the beginning of the loading process, the desublimation on the flow channel walls of the desublimation zone 4 predominantly takes place in an area that is located on the opposite side of the inlet surface 9. As the loading process continues, the location of desublimation shifts towards the inlet surface 9.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the direction of the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in black if the magnitude of the velocity is greater than or equal to 10 m/s.
  • the velocities whose velocity vectors are oriented in the opposite direction to the main flow direction of the gas mixture flow through the flow channels of the desublimation zone 4 are shown in white if the magnitude of the velocity is greater than 0 m/s. Values that are in the intermediate range are displayed according to the scale shown in FIG. 11.
  • a vector plot of the velocity vectors of the gas mixture flow at the beginning of the loading process is shown within the desublimator 1 in FIG. 13, the vector plot being shown on the section surface of the desublimator longitudinal section.
  • the length of the vectors is constant and therefore independent of the speed.
  • Comparative Example 2 only differs in the material properties and the mass flow of the gas mixture flow.
  • a simulation was carried out using the Fluent software.
  • a gas mixture flow with a mass flow of 30 t/h, an absolute pressure of 1.086 bar and a temperature of 178 ° C is fed to the desublimator 1 through an inlet 2.
  • the mass flow of the gas mixture flow contains PSA as the gas component to be desublimated with a concentration of 3% by weight, as a result of which the gas mixture flow has a molar mass of 29.7 g/mol.
  • the dynamic viscosity of the gas mixture flow is 2.26*10-5 Pa*s.
  • the housing wall has a temperature of 178 °C.
  • the gas mixture flow flows through the inflow area of 8.7 m 2 from the gas inlet distribution room 3 to the gas outlet distribution room 5. A backflow occurs in the remaining portion of the inflow area.
  • the maximum speed of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 11.2 m/s and the average speed of the gas mixture flow through the desublimation zone 4 is 0.46 m/s.
  • the inflow surface has a gradient between the central axis and the housing walls 7, the gradient being given by the uneven speed distribution.
  • the desublimation takes place particularly near the housing wall 7. In the area of the inlet surface 9 there is hardly any desublimation at the beginning of the loading process.
  • a smaller inflow area means that the gas mixture only flows through a small area of the desublimation zone 4 and individual flow channels of the desublimation zone 4 are occupied more quickly by the desublimation.
  • Examples 2 to 5 show similar improvements compared to Comparative Example 1.
  • Example 2 has an inflow area that is approximately 12% larger than Comparative Example 1.
  • Example 2 has a maximum speed that is approximately 40% lower than the maximum speed in Comparative Example 1.
  • Example 3 has an inflow area that is approximately 7% smaller than Comparative Example 1, Example 3 has a maximum speed that is approximately 32% lower than the maximum speed in Comparative Example 1.
  • Example 4 has an inflow area that is approximately 28% smaller than Comparative Example 1, Example 4 has a maximum speed that is approximately 20% lower than the maximum speed in Comparative Example 1.
  • Example 5 has an inflow area that is approximately 43% larger than Comparative Example 1. In addition, Example 5 has a maximum speed that is approximately 74% lower than the maximum speed in Comparative Example 1.
  • a higher "uniformity" index should be aimed for, since then there is a more uniform flow through the flow channel walls and consequently the desublimation takes place more evenly on the flow channel walls and so the desublimator can be operated for a longer period of time in the loading process, which increases the loading capacity of the desublimator. Furthermore, it reduces There is a risk that locally excessive velocities cause the at least one gas component to be desublimated not to be completely separated in the desublimation zone and/or the relevant flow channels become impassable in the shortest loading time.
  • this “uniformity” index is only referred to the inflow area through which flows from the inlet area of the desublimation zone in the direction of the outlet area of the desublimation zone.
  • Example 1 has a “Uniformity” index that is approximately 12% higher than the “Uniformity” index in Comparative Example 1
  • Example 2 has a “Uniformity” index that is approximately 13% higher than the “Uniformity” index in Comparative Example 1
  • Example 3 has a “Uniformity” index that is approximately 15% higher than the “Uniformity” index in Comparative Example 1
  • Example 4 has a “Uniformity” index that is approximately

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Abstract

Diskontinuierlich betriebener Desublimator mit zumindest einem Strömungsstörer Die Erfindung betrifft einen diskontinuierlich betriebenen Desublimator (1) zum Entfernen von zumindest einer zu desublimierenden Gaskomponente aus einer Gasgemischströmung, der eine Gehäusewand (7), einen Einlass (2) an der Gehäusewand (7) zum Zuführen der Gasgemischströmung in den Desublimator (1), einen Auslass (6) an der Gehäusewand (7) zum Abführen der behandelten Gasgemischströmung aus dem Desublimator (1), eine Desublimationszone (4) mit temperierbaren Strömungskanalwänden, wobei die Strömungskanalwände so temperierbar sind, dass während eines Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden desublimiert, und dass während eines anschließenden Schmelzprozess die zumindest eine im Beladungsprozess desublimierte Gaskomponente an den Strömungskanalwänden schmilzt, ein Gaseingang-Verteilerraum (3), der sich zwischen dem Einlass (2) und der Desublimationszone (4) befindet, und ein Gasausgang-Raum (5), der sich zwischen dem Auslass (6) und der Desublimationszone (4) befindet, umfasst. Erfindungsgemäß wird ein Strömungsstörer (8) im Gaseingang-Verteilerraum (3) zur Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle, die sich durch die Strömungskanalwände der Desublimationszone (4) ergeben, angeordnet ist, dessen geometrischer Schwerpunkt einen Abstand (AT) zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche (9) im Bereich von 0,2*D bis 10,0*D, bevorzugt im Bereich von 0,5*D bis 3,0*D, aufweist, wobei D dem Äquivalentdurchmesser eines zur Einlassfläche (9) flächengleichen Kreis entspricht und der Abstand (AT) entlang des Normalenvektors (nE) der Einlassfläche (9) bemessen ist. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators (1).

Description

Diskontinuierlich betriebener Desublimator mit zumindest einem Strömungsstörer
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen diskontinuierlich betriebenen Desublimator zum Entfernen von zumindest einer zu desublimierenden Gaskomponente aus einer Gasgemischströmung, der eine Gehäusewand, einen Einlass an der Gehäusewand zum Zuführen der Gasgemischströmung, einen Auslass an der Gehäusewand zum Abführen der behandelten Gasgemischströmung und eine Desublimationszone mit temperierbaren Strömungskanalwänden umfasst, wobei die Strömungskanalwände so temperierbar sind, dass während eines Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden des- ublimiert, und dass während eines anschließenden Schmelzprozess die zumindest eine im Beladungsprozess desublimierte Gaskomponente an den Strömungskanalwänden schmilzt. Zudem umfasst der Desublimator einen Gaseingang-Verteilerraum, der sich zwischen dem Einlass und der Desublimationszone befindet, und einen Gasausgang-Raum, der sich zwischen dem Auslass und der Desublimationszone befindet.
Bekannte diskontinuierlich betriebene Desublimatoren weisen in ihrem Inneren Strömungskanalwände auf, die in Form von Bündelungen aus Rippenrohren gegeben sein können. Rippenrohre zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Rohre von Rippen umgeben sind, wobei die Rippen durch ein durch die Rohre strömendes Fluid beheizt oder gekühlt werden können. So wird während des Beladungsprozess eine in einem Gas oder Gas-Dampf-Gemisch enthaltene zu desublimierende Gaskomponente gewonnen, indem die zu desublimierende Gaskomponente an den gekühlten Rippen desublimiert. In einem anschließenden Schmelzprozess wird die an den nun beheizten Wänden der Rippenrohre desublimierte Gaskomponente geschmolzen und aus dem Desublimator ausgeschleust. Anstatt der Rippenrohre können auch andere Ausführungsformen von Strömungskanalwänden, wie z.B. Lamellen oder Waben, im Desublimator angeordnet sein. Bei der Verwendung von Lamellen wird das Kühl- oder Heizmittel üblicherweise durch Fluidleitungen geführt, die in der Regel außenseitig der Gehäusewände angeordnet sind, sodass der Wärmeübergang im Wesentlichen zwischen den außenseitig angeordneten Fluidleitungen und der Gehäusewand und zwischen der Gehäusewand und den Lamellen erfolgt.
Bei solchen vorstehend beschriebenen Desublimatoren weist die Gasgemischströmung während des Beladungsprozess eine schlechte Gleichverteilung bezüglich der Durchströmung der Strömungskanäle auf, wodurch die zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden ungleichmäßig desublimiert. Dadurch nimmt der Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators während des Beladungsprozess schneller zu und der Desublimator muss somit in kürzeren zeitlichen Abständen regeneriert werden, obwohl seine maxi- male Beladungskapazität noch nicht erreicht worden ist. Der Desublimator wird hierbei typischerweise durch den Schmelzprozess und durch einen optionalen, nachfolgenden Rückkühlprozess regeneriert.
In der DE3407104 A1 werden diskontinuierlich betriebene Desublimatoren zur Trennung von Produkten aus Gasgemischen offenbart, die in ihrem Inneren Lamellen als Strömungskanalwände aufweisen, die an den Gehäuseseitenwänden befestigt sind. Ein Kühl- oder Heizmittel wird durch Fluidleitungen geführt, die nur an den außenseitigen Gehäuseseitenwänden angeordnet sind. Der Wärmeübergang erfolgt beim Beheizen der Lamellen von den Fluidleitungen zu den Gehäuseseitenwänden und von den Gehäuseseitenwänden zu den Lamellen, wohingegen der Wärmeübergang beim Kühlen der Lamellen von den Lamellen zu den Gehäuseseitenwänden und von den Gehäuseseitenwänden zu den Fluidleitungen erfolgt. Diese Desublimatoren werden beispielsweise zur Produktion von Phthalsäureanhydrid (PSA) verwendet.
Jedoch entstehen hierbei größere parasitäre Wärmeverluste an die Umgebung, da der Desublimator nur von außen beheizt oder gekühlt wird. Bei größeren Desublimatoren mit einem Innenvolumen von z.B. mehr als 1 m3 ist allerdings während des Betriebs des Desublimators der Wärmeübergang zwischen den Gehäuseseitenwänden und den von den Gehäuseseitenwänden weiter entfernten Lamellen in der Regel zu gering, sodass sich ein Temperaturgradient innerhalb der Lamellen während des Beladungsprozess einstellt, der zu unterschiedlichen Desub- limationsraten führt. Dadurch steigt der Druckverlust während des Beladungsprozess schneller an und der Desublimator muss somit in kürzeren zeitlichen Abständen regeneriert werden, obwohl seine maximale Beladungskapazität noch nicht erreicht worden ist.
DE102015101398 A1 offenbart einen diskontinuierlich betriebenen Desublimator in zylindrischer Bauform zur Entfernung einer zu desublimierenden Gaskomponente aus einer Gasströmung. Der Desublimator umfasst ein eine innere Fluidleitung enthaltendes Gehäuse sowie Lamellen als Strömungskanalwände, die an einer Innenseite der Gehäusewand angeordnet und nach innen gerichtet sind. Die Lamellen sind hierbei auch durch ein die innere Fluidleitung durchströmendes Kühlmittel kühlbar oder durch ein die innere Fluidleitung durchströmendes Heizmittel beheizbar. Wenn solche Desublimatoren jedoch ein Innenvolumen von z.B. mehr als 1 m3 aufweisen, dann ist der Wärmeübergang von der inneren Fluidleitung zu den von der Fluidleitung weiter entfernten Orten der Lamellen in der Regel zu gering, sodass sich ein Temperaturgradient innerhalb der Lamellen einstellt, der währen des Beladungsprozess zu unterschiedlichen Desublimationsraten führt. Bei einer längeren Bauweise solcher Desublimatoren ergibt sich der Nachteil, dass die Desublimation besonders an den Orten der Lamellen stattfindet, die sich in der Nähe des Einlass der Gasgemischströmung befinden. Dadurch können die Lamellen im Einlassbereich rasch verstopfen, auch wenn noch keine Desublimation an allen Wandober- flächen der Lamellen stattgefunden haben sollte. Durch die vorstehend beschriebenen Nachteile steigt der Druckverlust während des Beladungsprozess schneller an und der Desublimator muss somit in kürzeren zeitlichen Abständen regeneriert werden, obwohl seine maximale Beladungskapazität noch nicht erreicht worden ist.
Es stellte sich daher die Aufgabe, einen Desublimator bereitzustellen, der während seines Beladungsprozess eine möglichst gleichverteilte Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone erzielt. Eine weitere Aufgabe war es, dass während des Beladungsprozess des Desublimators der Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desubli- mators möglichst langsam ansteigt und so der Desublimator in längeren zeitlichen Abständen regeneriert werden kann. Ferner war es die Aufgabe einen Desublimator bereitzustellen, der eine größere Beladungskapazität für desublimierende Gaskomponenten bei einem vorgegebenen maximalen Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators oder bei einer vorgegebenen maximalen Beladungszeit für den Beladungsprozess aufweist.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen diskontinuierlich betriebenen Desublimator nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben des Desublimators nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Desublimators sind in den Ansprüchen 2 bis 16 gegeben.
Der erfindungsgemäße diskontinuierlich betriebene Desublimator zum Entfernen von zumindest einer zu desublimierenden Gaskomponente aus einer Gasgemischströmung umfasst eine Gehäusewand, einen Einlass an der Gehäusewand zum Zuführen der Gasgemischströmung in den Desublimator, einen Auslass an der Gehäusewand zum Abführen der behandelten Gasgemischströmung aus dem Desublimator, eine Desublimationszone mit temperierbaren Strömungskanalwänden, wobei die Strömungskanalwände so temperierbar sind, dass während eines Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden desublimiert, und dass während eines anschließenden Schmelzprozess die zumindest eine im Beladungsprozess desublimierte Gaskomponente an den Strömungskanalwänden schmilzt, ein Gaseingang-Verteilerraum, der sich zwischen dem Einlass und der Desublimationszone befindet, und ein Gasausgang-Raum, der sich zwischen dem Auslass und der Desublimationszone befindet.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein erster Strömungsstörer im Gaseingang-Verteilerraum zur Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle, die sich durch die Strömungskanalwände der Desublimationszone ergeben, angeordnet, dessen geometrischer Schwerpunkt einen Abstand zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche im Bereich von 0,2*D bis 10,0*D, bevorzugt im Bereich von 0,5*D bis 3,0*D, aufweist, wobei D dem Äquivalent- durchmesser eines zur Einlassfläche flächengleichen Kreis entspricht und der Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der größtmögliche Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 0,7*L, bevorzugt 0,5*L, besonders bevorzugt 0,3*L, wobei L der Länge der Längsachse des Gaseingang-Verteilerraums entspricht und der Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist.
Dadurch wird sowohl der vorstehend angegebene Bereich von 0,2*D bis 10,0*D als auch der vorstehend als bevorzugte angegebene Bereich von 0,5*D bis 3,0*D auf den größtmöglichen Wert von 0,3*L begrenzt, falls der Abstand des geometrischen Schwerpunkts des ersten Strömungsstörers zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche größer als 0,3*L sein sollte, wobei D dem Äquivalentdurchmesser eines zur Einlassfläche flächengleichen Kreis und L der Länge der Längsachse des Gaseingang-Verteilerraums entspricht und wobei der Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist.
Der erste oder weitere Strömungsstörer im Gaseingang-Verteilerraum verteilen während des Beladungsprozess die einströmende Gasgemischströmung gleichmäßiger durch die einzelnen Strömungskanäle der Desublimationszone, wodurch die Desublimation an den Strömungskanalwänden gleichmäßiger stattfindet. Durch die gleichmäßigere Durchströmung der Strömungskanäle und die gleichmäßigere Desublimation an den Strömungskanalwänden werden überhöhte Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung vermieden, die teilweise weit mehr als die doppelte mittlere Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone aufweisen. Zudem wird die Interaktion zwischen den Strömungskanalwänden und der Gasgemischströmung verstärkt.
Durch die Desublimation der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente werden die Oberflächen der Strömungskanalwände belegt, wodurch während des Beladungsprozess der Druckverlust über die einzelnen Strömungskanäle entsprechend ansteigt. Aufgrund der gleichmäßigeren Durchströmung der Strömungskanäle und der gleichmäßigeren Desublimation an den Strömungskanalwänden wird der Effekt bewirkt, dass der Druckverlust über die einzelnen Strömungskanäle weniger ansteigt. Somit steigt auch während des Beladungsprozess der Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des erfindungsgemäßen Desublimators weniger an und der Desublimator kann folglich in längeren zeitlichen Abständen regeneriert werden. Zudem kann der erfindungsgemäße Desublimator im Vergleich zu einem Desublimator ohne einen Strömungsstörer bei gleichem Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators mehr von der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente an seinen Strömungskanalwänden desublimieren, wodurch der erfindungsgemäße Desublimator mit zumindest einem ersten Strömungsstörer eine größere Beladungskapazität bei gleichem Druckverlust erreicht.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Gasgemischströmung“ ein strömendes Gasgemisch im Allgemeinen verstanden. Das Gasgemisch kann auch ein Gas-Dampf-Gemisch sein. Prinzipiell kann das Gasgemisch Flüssigkeitstropfen oder Feststoffpartikel insoweit aufweisen, dass der Desublimator dadurch nicht beschädigt oder verstopft wird.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „einer zu desublimierenden Gaskomponente“ eine Gaskomponente im Allgemeinen verstanden, die überwiegend an Strömungskanalwänden innerhalb einer Desublimationszone desublimiert, wobei die Strömungskanalwände während eines Beladungsprozess eine niedrigere Temperatur als die Desublimationstemperatur aufweisen. Als Desublimation bezeichnet man in der Thermodynamik den Prozess des unmittelbaren Übergangs eines Stoffes vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand. Die Desublimationstemperatur gibt die maximale Temperatur bei einem vorliegenden Druck an, unterhalb der eine Gaskomponente in den festen Aggregatzustand wechselt.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Fluidleitung“ eine durchströmbare Leitung verstanden, durch die ein Kühl- oder Heizmittel strömen kann. Die Fluidleitung kann außenseitig an der Gehäusewand und/oder innerhalb des Desublimators angeordnet sein. Im Fall, dass eine oder mehrere Fluidleitungen außenseitig angeordnet sind, erfolgt der Wärmeübergang zwischen der/den Fluidleitung(en) und der Gehäusewand, wodurch die mit der Innenseite der Gehäusewand in Kontakt stehende Gasgemischströmung temperierbar ist. Zusätzlich können hierbei auch die Strömungskanalwände temperiert werden, wenn die Strömungskanalwände mit der Innenseite der Gehäusewand thermisch gekoppelt sind. Im Fall, dass eine oder mehrere Fluidleitungen innerhalb des Desublimators angeordnet sind, erfolgt in der Regel der Wärmeübergang überwiegend zwischen der/den Fluidleitung(en) und den Strömungskanalwänden, wodurch die Strömungskanalwände temperierbar sind.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Gehäusewand“ im Allgemeinen eine äußere Begrenzung des Desublimators verstanden. Typischerweise wird die Gehäusewand auch als Mantel in der Literatur bezeichnet. Die Wände der Gehäusewand weisen eine hinreichende technische Dichtheit auf. Typischerweise wird die Außenseite der Gehäusewand durch ein äußeres Heizelement zumindest teilweise beheizt. In der Regel ist das äußere Heizelement durch eine oder mehrere Fluidleitung(en) gegeben, die typischerweise direkt an die Gehäusewandaußenseite montiert sind. Hierbei wird während des Betriebs des Desublimators ein Kühl- oder Heizmittel üblicherweise durch die Fluidleitung(en) gefördert, um die Gasgemischströmung und/oder die Strömungskanalwände entsprechend temperieren zu können. Eine oder mehrere Einlass- und Auslassflächen sind durch eine jeweilige Aussparung in der Gehäusewand gegeben.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Desublimationszone mit temperierbaren Strömungskanalwänden“ im Allgemeinen ein Bereich verstanden, in dem während eines Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden des- ublimiert und die restliche Gasgemischströmung, die auch als behandelte Gasgemischströmung bezeichnet wird, aus der Desublimationszone herausströmt und so den Gasausgang-Raum erreicht. In einem nach dem Beladungsprozess nachgeschalteten Schmelzprozess werden die Strömungskanalwände der Desublimationszone beheizt, um die an den Strömungskanalwänden desublimierte(n) Gaskomponente(n) aufzuschmelzen und aus dem Desublimator herauszuführen.
Die temperierbaren Strömungskanalwände der Desublimationszone können beispielhaft durch die Außenwände von Rippenrohren, Rippenrohrbündel, Rohrbündel, Lamellenkörper, Wabenkörper, Rohrstangen, Rohrstangenbündel oder Plattenkörper gegeben sein. Mit Lamellen-, Platten- oder Wabenkörper sind Einbauten zu verstehen, die entsprechend Lamellen, Platten oder Waben enthalten. Im Fall, dass ein Lamellenkörper verwendet wird, bilden die Hohlräume, die sich zwischen den einzelnen Lamellen befinden, die Strömungskanäle. Entsprechend sind die Strömungskanalwände durch die Lamellenoberflächen gegeben. Im Fall, dass die Strömungskanalwände durch Rippenrohre gegeben sind, bilden die jeweils benachbarten Rippen einen Hohlraum als dienender Strömungskanal, durch den ein Fluid, wie z.B. ein Gasgemisch, strömen kann. In der Regel sind Bündelungen von Rippenrohren in der Desublimationszone angeordnet, wodurch zum Beispiel benachbarte Rippenrohre weitere Strömungskanäle oder einzelne Rippenrohre in Kombination mit entsprechend benachbarten Rippenrohren durchgehende Strömungskanäle bilden können.
Die Strömungskanäle können untereinander alle den gleichen Kanaldurchmesser aufweisen, indem die Rippen des Rippenrohrs oder der Rippenrohre äquidistant beabstandet sind. Bevorzugt weisen die Strömungskanäle jedoch untereinander verschiedene Kanaldurchmesser auf, indem die Rippen des Rippenrohrs oder der Rippenrohre unterschiedlich beabstandet sind. Bei der Durchströmung der Strömungskanäle kann es für eine gleichmäßigere Durchströmung der Strömungskanäle vorteilhaft sein, wenn am Einlass des jeweiligen Strömungskanals der Kanaldurchmesser größer ist als am Auslass des jeweiligen Strömungskanals. Zudem desublimiert die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente gleichmäßiger an den Strömungskanalwänden über die Länge des jeweiligen Strömungskanals. Die Rohrform des Rippenrohrs oder der Rippenrohre kann kreisrund, oval oder eckig sein. Ferner wird die Einlassfläche der Desublimationszone durch die fiktive Trennfläche zwischen dem Gaseingangsverteilerraum und der Desublimationszone definiert, wobei die in der Trennfläche befindlichen Oberflächen der jeweiligen Strömungskanalwände zur Vereinfachung auch zur Einlassfläche der Desublimationszone zugeordnet werden.
Die Auslassfläche der Desublimationszone wird durch die fiktive Trennfläche zwischen dem Gasausgangsverteilerraum und der Desublimationszone definiert, wobei die in der Trennfläche befindlichen Oberflächen der jeweiligen Strömungskanalwände zur Vereinfachung auch zur Auslassfläche der Desublimationszone zugeordnet werden.
Das Verhältnis zwischen der Einlassfläche der Desublimationszone und dem Abstand zwischen der Einlass- und Auslassfläche der Desublimationszone sollte bevorzugt größer als 5 [m2/m] sein, wobei zur Berechnung des Verhältnisses die Einlassfläche in Quadratmeter [m2] und der Abstand zwischen der Einlass- und Auslassfläche der Desublimationszone in Meter [m] zu bemessen ist.
Mit der Einhaltung des bevorzugten Bereichs für das Verhältnis wird ein signifikant überhöhtes Desublimieren an Strömungskanalwänden im Bereich der Einlassfläche der Desublimationszone vermieden. Denn ein vermehrtes Desublimieren an einer Strömungskanalwand reduziert signifikant die minimale freie Gasdurchtrittsfläche des betreffenden Strömungskanals innerhalb kürzester Beladungszeit, wodurch sich der Druckverlust über den betreffenden Strömungskanal zu Beginn des Beladungsprozess rasch erhöhen würde und der betreffende Strömungskanal schlussendlich nach kürzester Beladungszeit verstopfen würde, auch wenn die Desublimation an der betreffenden Strömungskanalwand im Wesentlichen nur im Bereich der Einlassfläche der Desublimationszone erfolgen sollte.
Je mehr an Einlassfläche zur Verfügung steht, desto weniger kann eine vermehrte Desublimation an den Strömungskanalwänden im Bereich der Einlassfläche der Desublimationszone zu einem deutlich größeren Druckverlust oder sogar zu einer Verstopfung führen.
Damit ein Desublimator kosteneffizient und platzsparend ausgelegt werden kann, sollte das Verhältnis zwischen der Einlassfläche der Desublimationszone und dem Abstand zwischen der Einlass- und Auslassfläche der Desublimationszone bevorzugt kleiner als 100 [m2/m] sein, wobei zur Berechnung des Verhältnisses die Einlassfläche in Quadratmeter [m2] und der Abstand zwischen der Einlass- und Auslassfläche der Desublimationszone in Meter [m] zu bemessen ist.
Zur Temperierung der Strömungskanalwände der Desublimationszone können beispielhaft eine oder mehrere durchströmbare Fluidleitung(en) innerhalb der Desublimationszone angeordnet sein, die mit einem Heiz- oder Kühlmittel durchströmt werden können und so entsprechend die Wände der Fluidleitung(en) temperiert werden. Durch die Wärmeübergang zwischen den Strö- mungskanalwänden und den oder der durchströmbaren Fluidleitung(en) werden die Strömungskanalwände entsprechend temperiert. Zusätzlich oder alternativ kann eine Temperierung durch eine äußere, durchströmbare Fluidleitung oder durch mehrere äußere, durchströmbare Fluidleitungen, die an der Außenseite der Gehäusewand angeordnet sind, realisiert werden. Hierbei werden durch den Wärmeübergang zwischen den Strömungskanalwänden der Desublimations- zone und der oder den äußeren, durchströmbaren Fluidleitung(en) die Strömungskanalwände der Desublimationszone entsprechend temperiert, wobei die Wärmeübergang selbstverständlich auch durch die dazwischenliegende Gehäusewand stattfindet.
Wenn während des Beladungsprozess ein Kühlmittel die inneren oder äußeren Fluidleitung(en) durchströmt, dann werden die Wände der Strömungskanäle aufgrund der Wärmeleitung zwischen den Strömungskanalwänden und der/den Fluidleitung(en) gekühlt, so dass die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Wänden der Strömungskanäle desublimieren kann. Wenn während des Schmelzprozess ein Heizmittel die inneren oder äußeren Fluidlei- tung(en) durchströmt, dann werden die Wände der Strömungskanäle aufgrund der Wärmeleitung zwischen den Strömungskanalwänden und der/den Fluidleitung(en) beheizt, so dass die an den Wänden der Strömungskanäle desublimierte(n) Gaskomponente(n) schmelzen kann bzw. können. Als Heiz- oder Kühlmittel kann beispielhaft jeweils ein verschiedenes oder ein gleiches Wärmeträgeröl, wie beispielhaft Diphyl DT, verwendet werden.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „an den Strömungskanalwänden desublimiert“ im Allgemeinen ein Abscheideprozess verstanden, bei dem zumindest eine in einer Gasgemischströmung enthaltene zu desublimierende Gaskomponente so weit abgekühlt wird, dass sie desublimiert und sich an den Strömungskanalwänden abscheidet. Die desublimierte(n) Gaskompo- nente(n) haften entsprechend an den Strömungskanalwänden im festen Aggregatszustand.
Je nach vorliegenden thermodynamischen Bedingungen kann der Begriff „desublimiert“ auch so verstanden werden in dieser Schrift, dass in der Desublimationszone zunächst ein Phasenwechsel bei zumindest eines Anteils der Gasgemischströmung von einem gasförmigen zu einem flüssigen Aggregatszustand stattfindet und danach erst ein Phasenwechsel von dem flüssigen zu dem festen Aggregatszustand stattfindet. Die Strömungskanalwände der Desublimationszone werden entsprechend zumindest teilweise mit der durch den Phasenwechsel entstandenen Flüssigkeit benetzt. Durch die gekühlten Strömungskanalwände findet der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatszustand an den Strömungskanalwänden innerhalb kürzester Zeit statt. Zusammengefasst desublimiert auch in diesem Fall die zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone und haftet entsprechend an den Strömungskanalwänden im festen Aggregatszustand.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Gaseingang-Verteilerraum“ im Allgemeinen ein Raum innerhalb des Desublimators verstanden, der von der Gehäusewand des Desublimators, der Einlassfläche des Desublimators und der Desublimationszone begrenzt wird. Den Gaseingang- Verteilerraum durchströmt während eines Beladungsprozess eine Gasgemischströmung, wobei die Gasgemischströmung durch einen Einlass am Desublimator hineinströmen kann. An den Gaseingang-Verteilerraum schließt sich die Desublimationszone mit temperierbaren Strömungskanalwänden an, wobei die Gasgemischströmung in der Regel nur durch diese Desublimationszone aus dem Gaseingang-Verteilerraum herausströmen kann.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Gasausgang-Raum“ im Allgemeinen ein Raum verstanden, dem aus seiner angrenzenden Desublimationszone eine Gasgemischströmung zugeführt werden kann. Dieser Raum weist typischerweise zudem einen Auslass auf, durch den die behandelte Gasgemischströmung aus dem Desublimator herausströmen kann.
In der Regel ist auch ein weiterer Auslassstutzen mit einem Ablaufventil vorhanden, das zum Beispiel ein dichtender Verschlussdeckel sein kann. Während eines Schmelzprozess befindet sich das Ablaufventil im geöffneten Zustand, wodurch die erzeugte Schmelze aus dem Desublimator herausfließen kann. Während eines Beladungsprozess befindet sich das Ablaufventil im geschlossenen Zustand, wodurch kein Fluid aus dem Auslassstutzen herausfließen kann. Typischerweise befindet sich dieser weitere Auslassstutzen am tiefsten Ort des Gasausgang- Raums, so dass durch die Schwerkraft bedingt die Schmelze zum weiteren Auslassstutzen fließen kann.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „diskontinuierlich betriebener Desublimator“ im Allgemeinen ein Desublimator verstanden, der in der Regel mit zwei oder drei verschiedenen Verfahrenszyklen diskontinuierlich betrieben wird. Der erste Verfahrenszyklus stellt einen Beladungsprozess dar, bei dem die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone desublimiert. Während des Beladungsprozess werden die Strömungskanalwände gekühlt. Der zweite Verfahrenszyklus stellt einen Schmelzprozess dar, bei dem die desublimierte(n) Gaskomponente(n) durch ein Beheizen der Strömungskanalwände der Desublimationszone schmilzt und aus dem Desublimator abgeführt wird bzw. werden.
Der dritte Verfahrenszyklus stellt einen optionalen Rückkühlprozess dar, bei dem die Strömungskanalwände der Desublimationszone nach dem Abführen der desublimierte(n) Gaskom- ponente(n) aus dem Desublimator abgekühlt werden. Anstatt des Rückkühlprozess kann die Abkühlung der Strömungskanalwände auch erst zu Beginn des Beladungsprozess stattfinden.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanalwände“ im Allgemeinen verstanden, dass der Abstand zweier Punkte im dreidimensionalen Raum so ermittelt wird, dass in einem ersten Rechenschritt ein Verbindungsvektor zwischen den beiden Punkten berechnet wird, indem die Differenz zwischen den beiden Punkten gebildet wird. Anschließend wird in einem zweiten Rechenschritt das Skalarprodukt mit dem bereits berechneten Verbindungsvektor und dem Vektor gebildet, der parallel zur Längsachse der Strömungskanalwände verläuft und dessen Betrag auf den Wert eins normiert ist. Der Betrag des so berechneten Skalarprodukts stellt den Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanalwände zwischen den beiden Punkten dar.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Abstand entlang des Normalenvektors“ im Allgemeinen verstanden, dass der Abstand zweier Punkte im dreidimensionalen Raum so ermittelt wird, dass in einem ersten Rechenschritt ein Verbindungsvektor zwischen den beiden Punkten berechnet wird, indem die Differenz zwischen den beiden Punkten gebildet wird. Anschließend wird in einem zweiten Rechenschritt das Skalarprodukt mit dem bereits berechneten Verbindungsvektor und dem Normalenvektor gebildet. Der Betrag des so berechneten Skalarprodukts stellt den Abstand entlang des Normalenvektors zwischen den beiden Punkten dar.
So wird in einem beispielhaften Fall der Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche wie folgt ermittelt. In einem ersten Rechenschritt wird ein Verbindungsvektor zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche berechnet, indem die Differenz zwischen den beiden Punkten gebildet wird. Anschließend wird in einem zweiten Rechenschritt das Skalarprodukt mit dem bereits berechneten Verbindungsvektor und dem Normalenvektor der Einlassfläche gebildet. Der Betrag des so berechneten Skalarprodukts stellt den Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche dar.
Wenn der Normalenvektor der Einlassfläche nicht im Wesentlichen mit der während des Beladungsprozess sich ergebenden Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung in den Des- ublimator hinein übereinstimmt, dann ist der Abstand entlang der Hauptströmungsrichtung zu bevorzugen.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Beladungsprozess“ im Allgemeinen ein Verfahrenszyklus während des Betreibens eines Desublimators verstanden, bei dem der Desublimator bis zum Erreichen einer vorbestimmten Beladung von einer desublimierten Gaskomponente oder mehrerer desublimierten Gaskomponenten auf den Strömungskanalwänden der Desublimati- onszone betrieben wird. Hierbei ist die Beladung als die abgeschiedene Masse von einer desublimierten Gaskomponente oder mehrerer desublimierten Gaskomponenten auf den Strömungskanalwänden zu verstehen.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Beladungskapazität“ im Allgemeinen die Gesamtmasse an desublimierter Gaskomponente oder desublimierter Gaskomponenten verstanden, die an den Strömungskanalwänden während eines Beladungsprozess desublimiert, bevor der Druckverlust zwischen dem Einlass und Auslass des Desublimators einen vorbestimmten Wert übersteigt und/oder bis eine vorbestimmte Zeitdauer als Beladungszeit erreicht wird.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Schmelzprozess“ im Allgemeinen ein Verfahrenszyklus während des Betreibens eines Desublimators verstanden, bei dem der Desublimator seine Beladungskapazität erreicht hat und nachfolgend die desublimierte(n) Gaskomponente(n) durch ein Beheizen der Strömungskanalwände schmilzt und aus dem Desublimator durch beispielsweise einen am Boden des Desublimators befindlichen Ablaufstutzen herausfließen kann. In der Regel wird während des Schmelzprozess die Gasgemischströmung in den Desublimator gestoppt. Typischerweise wird der Schmelzprozess auch als Regenerierprozess bezeichnet.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Rückkühlprozess“ im Allgemeinen ein optionaler Verfahrenszyklus während des Betreibens eines Desublimators verstanden, bei dem die Strömungskanalwände der Desublimationszone nach dem Abführen der desublimierte(n) Gaskom- ponente(n) aus dem Desublimator abgekühlt werden. Typischerweise wird der Rückkühlprozess in Verbindung mit dem vorgelagerten Schmelzprozess auch als Regenerierprozess bezeichnet.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Strömungsstörer“ im Allgemeinen ein Bauteil verstanden, welches während des Beladungsprozess ein vom Einlass zuströmendes Gasgemisch ablenkt und in dem Gaseingang-Verteilerraum so verteilt, dass das Gasgemisch möglichst gleichverteilt durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömt. Hierbei bewirkt die Ablenkung der Gasgemischströmung zum Beispiel eine lokale, signifikante Änderung der Strömungsgeschwindigkeitsbeträge und der Strömungsgeschwindigkeitsrichtungen der Gasgemischströmung.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „Anströmfläche“ im Allgemeinen eine Fläche verstanden, die von einem Fluid angeströmt wird und somit ein Strömungsdruck in Richtung der Fläche wirkt.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „die auf die Ebene der Einlassfläche projizierte Anströmfläche des Strömungsstörers“ im Allgemeinen die Fläche verstanden, die sich durch die Projektion der Anströmfläche des Strömungsstörers auf die Ebene ergibt, in der die Einlassfläche liegt. Die Einlassfläche ist somit ein Teil der Ebene. Zudem erfolgt die Projektion senkrecht zur Ebene der Einlassfläche. In dieser Schrift wird unter dem Begriff „freie Gasdurchgangsfläche zwischen dem Strömungsstörer und der Desublimationszone“ im Allgemeinen eine Fläche zwischen dem Strömungsstörer und der Desublimationszone verstanden, durch die ein Fluid ungehindert strömen kann. Hierbei erstreckt sich die freie Gasdurchgangsfläche über die gesamte Breite des Desublima- tors, wobei die freie Gasdurchgangsfläche durch den Bereich zwischen dem Strömungsstörer und der Desublimationszone begrenzt wird und diese Begrenzung sich über die gesamte Breite der freien Gasdurchgangsfläche erstreckt.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „ein im Wesentlichen rechteckiges Design“ im Allgemeinen ein rechteckiges Design verstanden, welches auch abgerundete Ecken aufweisen kann. Zudem kann der Innenwinkel in der jeweiligen Ecke des Rechtecks um bis zu 10° von dem idealen Innenwinkel von 90° abweichen, wenn selbstverständlich die Gesamtsumme der Innenwinkel aller Ecken auch 360° ergibt. Darüber hinaus kann unter dem Begriff „ein im Wesentlichen rechteckiges Design“ auch ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck verstanden werden, wobei die Ecken des Vielecks auch abgerundet sein können. Ferner kann unter dem Begriff „ein im Wesentlichen rechteckiges Design“ auch eine Ellipse oder ein Rechteck mit einem darauf angeordneten Torbogen verstanden werden.
In dieser Schrift wird unter dem Begriff „statischer Mischer“ im Allgemeinen ein Mischer verstanden, der mehrere Elemente aufweist, wie beispielhaft mehrere Prallbleche, die in einem bestimmten Winkel, wie beispielhaft 90°, zueinanderstehen. Prinzipiell kann der Mischer flache und/oder gekrümmte Elemente enthalten. Beispielsweise kann der statische Mischer aus einem oder mehreren Kreuzbalkenelementen bestehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist die Desublimationszone derart zwischen dem Gaseingang-Verteilerraum und dem Gasausgang-Raum angeordnet, dass der Gaseingang-Verteilerraum von dem Gasausgang-Raum durch die Desublimationszone beabstandet wird. Das Gasgemisch kann nur durch die Strömungskanäle der Desublimationszone von dem Gaseingang-Verteilerraum zu dem Gasausgang-Raum oder im Fall einer Rückströmung von dem Gasausgang-Raum zu dem Gaseingang-Verteilerraum strömen. Dadurch entsteht der Vorteil, dass in diesem Fall kein Bypass von dem Gaseingang-Verteiler- raum zu dem Gasausgang-Raum existieren kann. Ein Bypass würde zwar während des Beladungsprozess ein Durchströmen des Gasgemischs durch den Desublimator stets garantieren, jedoch wäre dazu ein steuerbares Ventil im Bypass erforderlich, das sich selbst während des Beladungsprozess mit der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente zusetzen könnte. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ergibt sich bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern jeweils ein Abstand zwischen den geometrischen Schwerpunkten jeweils benachbarter Strömungsstörer im Bereich von 0,01*L bis 0,5 *L, bevorzugt im Bereich von 0,05*L bis 0,33*L, wobei L der Länge der Längsachse des Gaseingang- Verteilerraums entspricht und dieser jeweilige Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorstehend bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist der Abstand zwischen den benachbarten Strömungsstörer äquidistant. Dadurch entsteht der Vorteil, dass während des Beladungsprozess bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ergibt sich ein Abstand zwischen der Desublimationszone und dem ersten Strömungsstörer oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern ergibt sich jeweils ein Abstand zwischen der Desublimationszone und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer, der mindestens 0,5*D beträgt.
Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch in der Nähe des jeweils vorhandenen Strömungsstörers mit einer weniger überhöhten Geschwindigkeit in die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist zumindest der erste Strömungsstörer eine Breite im Bereich von 1*D bis zur maximalen Breite auf, bei der der zumindest erste Strömungsstörer sich bis zu den beiden gegenüberliegenden Gehäusewänden des Desublimators erstreckt. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess die Strömungskanäle der Desublimationszone über einen breiteren Bereich oder sogar über die gesamte Breite der Desublimationszone gleichmäßiger mit dem Gasgemisch durchströmt werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist zumindest der erste Strömungsstörer sowohl vor dem Beladungsprozess als auch während des Beladungsprozess bewegbar. Insbesondere kann zumindest der erste Strömungsstörer auch gekippt oder verschoben werden. Alternativ kann zumindest der erste Strömungsstörer auch ortsfest fixiert sein, so dass er sich nicht während des Beladungsprozess bewegen kann. Dies bietet den Vor- teil, dass während des Beladungsprozess der entsprechende Strömungsstörer, je nach vorliegenden Strömungsbedingungen, in seiner Ausrichtung und/oder in seiner Position angepasst werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist zumindest der erste Strömungsstörer während des Beladungsprozess beheizt, damit keine zu desublimieren- den Gaskomponenten oder keine anderen Fluide auf dem Strömungsstörer desublimieren können. Insbesondere kann zumindest der erste Strömungsstörer eine Doppelwand aufweisen, durch deren inneren Hohlraum ein Heizmittel strömen kann. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente nicht oder nur geringfügig an dem entsprechenden Strömungsstörer desublimieren kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist der Desubli- mator eine horizontale Längsachse auf, die senkrecht zur Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone orientiert ist, und der Gaseingang-Verteilerraum oberhalb der Desubli- mationszone angeordnet ist. Hierbei ist die Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bevorzugt parallel zum Schwerkraftvektor orientiert.
Dadurch entsteht der Vorteil, dass während des Beladungsprozess durch die in den Strömungskanälen der Desublimationszone stattfindende Kühlung der Gasgemischströmung das Gasgemisch durch den resultierenden Konvektionseffekt in Richtung des Gasausgang-Raums verstärkter strömt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist zumindest der erste Strömungsstörer einen Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche im Bereich von 0 bis 2,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5*D, auf, wobei der Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bemessen ist und der geometrische Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers sich bevorzugt unterhalb des geometrischen Schwerpunkts der Einlassfläche befindet. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess der oder die Strömungsstörer das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone verteilen können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist im Fall von mehreren Strömungsstörern jeder einzelne Strömungsstörer nach dem ersten Strömungsstörer einen Abstand zwischen seinem geometrischen Schwerpunkt und dem geometrischen Schwerpunkt seines in Richtung Einlass direkt benachbarten Strömungsstörers im Bereich von 0 bis 1 ,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5*D, auf, wobei der Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bemessen ist. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators sind im Fall von mehreren Strömungsstörern die Strömungsstörer mit größerem Abstand zur Einlassfläche höher angeordnet als die mit geringerem Abstand zur Einlassfläche, wobei der Abstand zur Einlassfläche entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist.
Daraus entsteht der Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist zumindest der geometrische Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers in horizontaler Ebene seitlich versetzt von dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche angeordnet. Hierbei kann beispielsweise die Höhe des geometrischen Schwerpunkts des ersten Strömungsstörers und die Höhe des geometrischen Schwerpunkts der Einlassfläche gleich sein.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann, falls eine entsprechende asymmetrische Gasströmung im Gaseingang-Verteilerraum vorliegen sollte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist im Fall von mehreren Strömungsstörern der geometrische Schwerpunkt des Strömungsstörers mit dem größten Abstand zur Einlassfläche einen Abstand zwischen seinem geometrischen Schwerpunkt und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 im Bereich von 0 bis 2,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 1 ,0*D, auf, wobei der Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bemessen ist.
Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
Im Fall, dass bei der vorstehenden Ausführungsform mehr als zwei Strömungsstörer vorhanden sind, werden die Strömungsstörer bevorzugt so angeordnet, dass der jeweilige Abstand zweier benachbarter Strömungsstörer äquidistant ist, wobei dieser Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist.
Daraus entsteht den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist zwischen der Desublimationszone und dem ersten Strömungsstörer oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern zwischen der Desublimationszone und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer eine freie Gasdurchgangsfläche vorhanden, die im Verhältnis zur Einlassfläche größer als 0,75, bevorzugt größer als 1 ,0, ist. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch in der Nähe des jeweils vorhandenen Strömungsstörers mit einer weniger überhöhten Geschwindigkeit in die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist die auf die Ebene der Einlassfläche senkrecht projizierte Anströmfläche des ersten Strömungsstörers oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern ist die auf die Ebene der Einlassfläche senkrechtprojizierte Anströmfläche eines jeweils vorhandenen Strömungsstörers im Verhältnis zur Einlassfläche größer als 1. Dies ergibt sich der Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators weist zumindest der erste Strömungsstörer ein Verhältnis zwischen seiner längsten Seite und seiner kürzesten Seite im Bereich von 1 bis 100, bevorzugt im Bereich von 1 bis 10, auf. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist der erste Strömungsstörer oder bei mehreren Strömungsstörern ist der jeweils vorhandene Strömungsstörer ein statischer Mischer oder ein Prallblech, bevorzugt ein Prallblech mit einem im Wesentlichen rechteckigen Design. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators ist zumindest der erste Strömungsstörer durch einen statischen Mischer gegeben, der aus mehreren Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes einzelne Kreuzbalkenelement zwei Elemente aufweist, und zumindest der erste Strömungsstörer aus mindestens zwei Elementen, bevorzugt aus vier bis sechzehn Elementen, besonders bevorzugt aus sechs Elementen, zusammengesetzt ist, wobei das benachbarte Element in Relation zum jeweiligen Element mit einem zur Einlassfläche gerichteten Innenwinkel im Bereich von 60 bis 120 Grad, bevorzugt im Bereich von 85 bis 95 Grad, besonders bevorzugt im Bereich von 89 Grad bis 91 Grad, angeordnet ist. So kann zum Beispiel der zur Einlassfläche gerichtete Innenwinkel 90 Grad betragen.
Bevorzugt kann der vorstehend beschriebene Innenwinkel zwischen den zueinanderstehenden Elementen vor oder während des Beladungsprozess variiert werden. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators besitzt zumindest der erste Strömungsstörer einen, über seinen dem Einlass zugewandten Oberflächen, geometrisch gemittelten Normalenvektor und der durch den von dem geometrisch gemittelten Normalenvektor und den von dem aus dem Desublimator heraus gerichteten Normalenvektor der Einlassfläche eingeschlossene Innenwinkel befindet sich im Bereich von -60 bis 60 Grad, bevorzugt im Bereich von -45 bis 45 Grad, besonders bevorzugt im Bereich von -15 bis 15 Grad. In dem besonderen Fall, dass der entsprechende Strömungsstörer ein statischer Mischer ist, kann der statische Mischer aus mehreren Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt sein. Der geometrisch gemittelte Normalenvektor entspricht in diesem Fall der zur Einlassfläche gerichteten Winkelhalbierenden eines Kreuzbalkenelements. Bevorzugt kann der vorstehend beschriebene Innenwinkel vor oder während des Beladungsprozess variiert werden. Dies ergibt den Vorteil, dass während des Beladungsprozess das Gasgemisch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone strömen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators sind die Strömungskanalwände durch die Außenwände eines Rohrbündels, eines Rippenrohrs, eines Rippenrohrbündels, eines Lamellenkörpers, eines Wabenkörpers und/oder eines Plattenkörpers gegeben. Dies bietet den Vorteil, dass während des Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente effizient an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone desublimiert und dass während des Beladungsprozess der Druckverlust über die Desublimationszone möglichst gering ausfällt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Desublimators hat der Desublimator eine Länge von 7,240 m, eine Breite von 2,850 m, eine Höhe von 4,560 m und eine kreisrunde Einlassfläche mit einem Durchmesser von 0,79 m. Der Desublimator enthält vier statische Mischer als Strömungsstörer. Jeder statische Mischer ist aus drei Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt, wobei jedes einzelne Kreuzbalkenelement zwei Elemente aufweist und das benachbarte Element in Relation zum jeweiligen Element mit einem zur Einlassfläche gerichteten Innenwinkel von 90 Grad angeordnet ist. Das jeweilige Element des Kreuzbalkens ist 1,130 m lang, 0,20 m breit und 0,005 m dick. Somit ergibt sich durch die Zusammensetzung der einzelnen Elemente eine Gesamtbreite für jeden statischen Mischer von 1,200 m. Jeder statische Mischer hat einen, über seine dem Einlass zugewandten Oberflächen, geometrisch gemittelten Normalenvektor. Der jeweilige geometrisch gemittelte Normalenvektor entspricht in diesem Fall der zur Einlassfläche gerichteten Winkelhalbierenden eines Kreuzbalkenelements. Jeder stati- sehe Mischer hat einen Innenwinkel, der sich durch den geometrisch gemittelten Normalenvektor und den aus dem Desublimator heraus gerichteten Normalenvektor der Einlassfläche ergibt. Für alle statischen Mischer beträgt der Innenwinkel 0 Grad. Der geometrische Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers hat einen Abstand zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche von 1 ,36 m, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist. Der jeweilige Abstand zwischen den geometrischen Schwerpunkten jeweils benachbarter Strömungsstörer beträgt 1 ,4 m, wobei der jeweilige Abstand entlang des Normalenvektors der Einlassfläche bemessen ist. Die vorhandenen Strömungsstörer haben jeweils einen Abstand zwischen der Desublimationszone und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer, der 0,284 m beträgt. Der jeweilige Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des jeweiligen Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche beträgt 0,000 m, wobei der jeweilige Abstand entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bemessen ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators strömt während des Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente enthaltende Gasgemischströmung mit einem Massenstrom von mindestens 0,01 kg/s, mit einer Temperatur im Bereich von oberhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desubli- mationstemperatur bis 300 °C oberhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublima- tionstemperatur der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente, und mit einem Absolutdruck im Bereich von 0,1 bis 10,00 bar, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1 ,5 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 bis 1 ,10 bar, am Einlass hinein. Die Strömungskanalwände der Desublimationszone werden auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur bis 1 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur gekühlt. Die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente in der Gasgemischströmung desublimiert zumindest teilweise innerhalb des Desublimators. Bevorzugt desublimiert die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente im Bereich von 10 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die am Einlass hineinströmende zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente der Gasgemischströmung. Besonders bevorzugt desublimiert die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente im Bereich von 50 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die am Einlass hineinströmende zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente der Gasgemischströmung. Im Fall, dass sich mehrere zu desublimierende Gaskomponenten in der Gasgemischströmung befinden, beziehen sich die vorstehend angegebenen Bereiche auf die jeweilig zu desublimierende Gaskomponente. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass während des Beladungsprozess die zumindest eine zu des- ublimierende Gaskomponente effizient an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone desublimiert und dass während des Beladungsprozess der Druckverlust über die Desublimationszone möglichst gering ausfällt. Zudem strömt das Gasgemisch auch gleichmäßiger durch die Strömungskanäle der Desublimationszone.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators beträgt während des Beladungsprozess der Druckverlust zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators maximal 80 mbar, bevorzugt maximal 40 mbar, besonders bevorzugt maximal 20 mbar. Dies bietet den Vorteil, dass bei einem maximalen Lastbetrieb des Beladungsprozess der Druckverlust nicht zu groß wird. Falls der Druckverlust zu groß werden sollte, dann könnte sich der Massenstrom der Gasgemischströmung am Einlass verringern. In diesem Fall könnte hilfsweise eine Pumpe verwendet werden, um den gewünschten Massenstrom der Gasgemischströmung am Einlass erreichen zu können. Jedoch bietet dies die Gefahr, dass sich die Pumpe während des Betriebs mit der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente zusetzt und somit abgeschaltet werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators ist der Druckverlust während des Beladungsprozess, der durch den ersten Strömungsstörer oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern durch alle vorhandenen Strömungsstörer verursacht wird, im Verhältnis zum Druckverlust, der sich zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators ergibt, kleiner als 0,1 , bevorzugt kleiner als 0,01. Dies ergibt den Vorteil, dass der oder die Strömungsstörer keinen wesentlichen Beitrag zum Druckverlust, der sich zwischen dem Einlass und dem Auslass des Desublimators ergibt, leistet. Der Druckverlust über die Strömungsstörer ist somit gering und kann vernachlässigt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators findet nach dem Erreichen einer vorbestimmten Beladung der zumindest einen desublimierten Gaskomponente auf den Strömungskanalwänden des Desublimators oder nach dem Erreichen einer vorbestimmten Beladungszeit ein Schmelzprozess statt, der folgende Schritte umfasst:
• Abstellen der Zuführung der Gasgemischströmung in den Desublimator,
• Beheizen der Strömungskanalwände der Desublimationszone auf eine Temperatur im Bereich von der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur bis 300 °C oberhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente, • Aufschmelzen der zumindest einen desublimierten Gaskomponente im Desublimator unter Erhalt einer Schmelze, und
• Abführen der Schmelze aus dem Desublimator, wobei die Abführung bevorzugt durch einen Auslassstutzen an der Gehäusewand des Gasausgang-Raums erfolgt.
Dies bietet den Vorteil, dass der Schmelzprozess effizient abläuft. So ist beispielsweise ein Abschaben der desublimierten Gaskomponente(n) von den Strömungskanalwänden der Desubli- mationszone nicht erforderlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators findet nach dem Abführen der Schmelze aus dem Desublimator ein Rückkühlprozess statt, bei dem die Strömungskanalwände der Desublimationszone auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur bis 1 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur abgekühlt werden. Dies bietet den Vorteil, dass vor dem Beladungsprozess die Strömungskanäle der Desublimationszone bereits die erforderliche Temperatur zur Desublimation aufweisen. Somit wird gleich zu Beginn des Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente effizient aus der Gasgemischströmung abgetrennt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators enthält die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente in ihrem Massenanteil überwiegend Phthalsäureanhydrid, bevorzugt nur Phthalsäureanhydrid.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators beträgt die Konzentration der zumindest einen zu desubli- mierenden Gaskomponente in der Gasgemischströmung am Einlass im Bereich von 0,001 bis 50 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente effizient aus der Gasgemischströmung abgetrennt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten. Es zeigen:
Fig. 1 : Eine Zeichnung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators im Längsschnitt. Fig. 2: Eine Zeichnung der ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators gemäß Fig. 1 im Querschnitt.
Fig. 3: Eine Zeichnung der ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators gemäß Fig. 1 im Querschnitt, wobei neben der Einlassfläche auch die auf die Ebene projizierte Anströmfläche des Strömungsstörers sowie die freie Gasdurchgangsfläche dargestellt werden.
Fig. 4: Eine Zeichnung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators im Längsschnitt.
Fig. 5: Eine Zeichnung einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators im Längsschnitt.
Fig. 6: Eine Zeichnung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers, der ein rechteckiges und flaches Design aufweist.
Fig. 7: Eine Zeichnung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers, der ein rechteckiges und gekrümmtes Design aufweist.
Fig. 8: Eine Zeichnung einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers, der ein rechteckiges und gekrümmtes Design aufweist, wobei das Design ein Loch aufweist.
Fig. 9: Eine Zeichnung einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers, wobei zumindest der erste Strömungsstörer ein statischer Mischer ist.
Fig. 10: Eine perspektivische Ansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators, wobei vier statische Mischer als jeweilige Strömungsstörer vorhanden sind.
Fig. 11 : Eine perspektivische Ansicht eines ersten Vergleichsbeispiels eines Desublimators ohne einen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 12: Eine perspektivische Ansicht einer fünften beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators mit einem statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 13: Ein Vektorplot der Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess innerhalb eines Desublimators gemäß Fig. 11, der keinen Strömungsstörer aufweist, wobei der Vektorplot auf der Schnittfläche des Desublimator-Längs- schnitts dargestellt wird. Fig. 14: Ein Vektorplot der Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess der fünften beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators gemäß Fig. 12, der einen statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer aufweist, wobei der Vektorplot auf der Schnittfläche des Desublima- tor-Längsschnitts dargestellt wird.
Fig. 15: Eine perspektivische Ansicht einer sechsten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators mit einem statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 16: Eine perspektivische Ansicht einer siebten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators mit einem statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 17: Eine perspektivische Ansicht einer achten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators mit einem statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 18: Eine perspektivische Ansicht einer neunten beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators mit einem statischen Mischer als erfindungsgemäßen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone.
Fig. 19: Eine perspektivische Ansicht eines zweiten Vergleichsbeispiels eines Desublimators ohne einen Strömungsstörer, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle auf der gezeigten Fläche zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind. Hierbei liegt die gezeigte Fläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone. Liste der verwendeten Bezugszeichen:
1 Desublimator
2 Einlass
3 Gaseingang-Verteilerraum
4 Desublimationszone
5 Gasausgang-Raum
6 Auslass
7 Gehäusewand
8 Strömungsstörer
9 Einlassfläche
10 Einlassstutzen
11 Auslassstutzen
12 Auslassfläche
13 Projizierte Anströmfläche des Strömungsstörers auf die Ebene der Einlassfläche
14 Freie Gasdurchgangsfläche zwischen dem Strömungsstörer und der Desublimationszone
15 Gekrümmtes oder flaches Prallblech mit oder ohne Löcher
16 Gekrümmte oder flache Elemente eines Mischers mit oder ohne Löscher
17 Weiterer Auslassstutzen mit einem Abflussventil
18 Zweiter Strömungsstörer
19 Dritter Strömungsstörer
20 Begrenzungsrahmen eines Strömungsstörers
21 Vierter Strömungsstörer al Winkel zwischen dem negativen Normalenvektor nE der Einlassfläche und dem geometrisch gemittelten Normalenvektor nA a2 Winkel zwischen zwei benachbarten Elementen eines Mischers
Am Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche bemessen ist.
ÄH2 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche bemessen ist.
AH3 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des dritten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche bemessen ist.
AH4 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des vierten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche bemessen ist.
AH, max Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers mit dem größten Abstand zur Einlassfläche und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand AH, max entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone bemessen sind.
AT Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt eines ersten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche, wobei der Abstand entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche bemessen ist.
AT2 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt eines zweiten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers.
AT3 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt eines dritten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers.
AT4 Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt eines vierten Strömungsstörers und dem geometrischen Schwerpunkt des dritten Strömungsstörers.
AT, max Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche und dem zur Einlassfläche weitentferntesten Strömungsstörer.
Asi Abstand zwischen einem ersten Strömungsstörer und der Desublimationszone
AS2 Abstand zwischen einem zweiten Strömungsstörer und der Desublimationszone
Ass Abstand zwischen einem dritten Strömungsstörer und der Desublimationszone
AS4 Abstand zwischen einem vierten Strömungsstörer und der Desublimationszone
B Breite des Desublimators
Bs Breite des Strömungsstörers
D Äquivalentdurchmesser g Schwerkraftvektor
H Höhe des Desublimators
L Länge des Desublimators nA Geometrisch gemittelter Normalenvektor der vom Einlass angeströmten
Oberflächen des Strömungsstörers nE Normalenvektor der Einlassfläche
SL Länge des Strömungsstörers
SH Höhe des Strömungsstörers
Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 mit einer Länge L im Längsschnitt, wobei rechts unten in der Fig. 1 der Schwerkraftvektor g durch einen Pfeil und links unten in der Fig. 1 das xy-Koordinaten System dargestellt sind. Der Desublimator 1 hat eine horizontale Längsachse, die senkrecht zur Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone 4 steht. Der Desublimator 1 weist einen Einlass 2 mit einem Einlassstutzen 10 auf, durch den während eines Beladungsprozess eine Gasgemischströmung mit zumindest einer zu desublimierenden Gaskomponente in den Gaseingang-Verteiler- raum 3 des Desublimators 1 strömt. Hierfür ist an der Gehäusewand 7 eine Einlassfläche 9 entsprechend vorgesehen, wobei die Gehäusewand 7 als äußere Begrenzung des Desublimators 1 dient. Eine Desublimationszone 4 mit temperierbaren Strömungskanalwänden beabstandet den Gaseingang-Verteilerraum 3 von einem Gasausgang-Raum 5. Die Desublimationszone ist mit dem Gaseingang-Verteilerraum 3 so verbunden, dass während des Beladungsprozess die Gasgemischströmung von dem Gaseingang-Verteilerraum 3 zur Desublimationszone 4 strömen kann. Zudem ist die Desublimationszone 4 mit einem Gasausgang-Raum 5 so verbunden, dass während des Beladungsprozess die Gasgemischströmung von der Desublimationszone 4 zu dem Gasausgang-Raum 5 strömen kann. Am Gasausgang-Raum 5 ist ein Auslass 6 angeordnet, damit während des Beladungsprozess die Gasgemischströmung aus dem Desublimator 1 herausströmen kann. Hierfür ist an der Gehäusewand 7 eine Auslassfläche 12 entsprechend vorgesehen, wobei ein Auslassstutzen 11 um die Auslassfläche 12 herum angeordnet ist. Die Desublimationszone 4 hat vorzugsweise ein Volumen im Bereich von 1 bis 100 m3.
Ein Strömungsstörer 8 ist im Gaseingang-Verteilerraum 3 so angeordnet, dass während des Beladungsprozess die Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle gleichmäßiger strömt. Hierbei sollte ein möglichst großer Flächenanteil der Gesamtfläche aller Strömungskanalwände der Desublimationszone 4 von dem Gasgemisch so durchströmt werden, dass das Gasgemisch vom Gaseingang-Verteilerraum 3 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt.
Damit wird eine möglichst große Fläche zum Desublimieren bereitgestellt.
Die maximale Geschwindigkeit mit der die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 durchströmt werden, sollte so nah wie möglich am Mittelwert der Geschwindigkeiten durch die Strömungskanäle liegen, um ein schnelles Zuwachsen einzelner Strömungskanäle zu verhindern. Zudem sollte auch eine Rückströmung von dem behandelten Gasgemisch von dem Gasaus- gang-Raums 5 in Richtung des Gaseingang-Verteilerraums 3 so weit wie möglich vermieden werden, um einen größeren Druckverlust über die Desublimationszone 4 vermeiden zu können. Der erfindungsgemäße Strömungsstörer ist in diesem Beispiel ein Prallblech. Der geometrische Schwerpunkt des Strömungsstörers 8 weist zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 einen Abstand AT im Bereich von 0,5*D bis 3,0*D auf, wobei D dem Äquivalentdurchmesser eines zur Einlassfläche 9 flächengleichen Kreis entspricht und der Abstand AT entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen ist.
Zudem ist auch ein weiterer Auslassstutzen 17 mit einem Ablaufventil, das zum Beispiel ein dichtender Verschlussdeckel sein kann, vorhanden. Während des Beladungsprozess befindet sich das Ablaufventil im geschlossenen Zustand, wodurch kein Gasgemisch aus dem weiteren Auslassstutzen 17 herausfließen kann. Während eines Schmelzprozess befindet sich das Ablaufventil jedoch im geöffneten Zustand, wodurch die erzeugte Schmelze aus dem Desublimator herausfließen kann. Typischerweise befindet sich dieser weitere Auslassstutzen 17 am tiefsten Ort des Gasausgang-Raum, so dass durch die Schwerkraft bedingt die Schmelze zum weiteren Auslassstutzen 17 fließen kann.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 , wobei der Desublimator 1 eine Höhe H und eine Breite B aufweist. In der Fig. 2 ist unten links das zy-Koordinatensystem dargestellt. Im Querschnitt ist die Gehäusewand 7, der Gaseingang-Verteilerraum 3, die Desublimationszone 4, der Gasaus- gang-Raum 5, die Auslassfläche 12 sowie die Einlassfläche 9 mit einem Durchmesser D dargestellt. Hierbei wird der rechteckige Begrenzungsrahmen 20 des Strömungsstörers 8 mit gestrichelten Linien veranschaulicht. Der rechteckige Begrenzungsrahmen ist durch die Abmaße des auf die Ebene der Einlassfläche senkrecht projizierten Strömungsstörers 8 gegeben.
Fig. 3 zeigt weitere Details zur Fig. 2. In der Fig. 3 ist links erneut die Einlassfläche 9 sowie den rechteckigen Begrenzungsrahmen 20 des Strömungsstörers 8 mit gestrichelten Linien dargestellt. In der Mitte der Zeichnung ist im Hintergrund die auf die Ebene der Einlassfläche 9 projizierte Anströmfläche 13 des Strömungsstörers 8 und im Vordergrund ist die Einlassfläche 9 dargestellt. Rechts ist in der Zeichnung eine freie Gasdurchgangsfläche 14 zwischen dem Begrenzungsrahmen 20 des Strömungsstörers 8 und der Desublimationszone 4 dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 , wobei im Vergleich zur ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators 1 ein weiteres Prallblech als zweiter Strömungsstörer 18 und ein weiteres Prallblech als dritter Strömungsstörer 19 im Gaseingang-Verteilerraum 3 angeordnet sind.
ATI ist hierbei der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers 18 und dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers 8, AT2 ist der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des dritten Strömungsstörers 19 und dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers 18, wobei diese Abstände jeweils entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen sind.
AS2 ist der Abstand zwischen dem zweiten Strömungsstörer und der Desublimationszone 4 und Ass ist der Abstand zwischen dem dritten Strömungsstörer und der Desublimationszone 4, wobei diese Abstände jeweils entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone 4 bemessen sind.
Fig. 5 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 , wobei im Vergleich zur zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Desublimators 1 der zweite Strömungsstörer 18 und dritte Strömungsstörer 19 in einer jeweils anderen Höhe angeordnet sind. Hierbei wird der rechteckige Begrenzungsrahmen 20 des Strömungsstörers 8 mit gestrichelten Linien, der geometrische Schwerpunkt der einzelnen Strömungsstörer 8, 18, 19 mit einem Kreis und die Verbindungslinie zwischen den geometrischen Schwerpunkten der einzelnen Strömungsstörer 8, 18, 19 mit einer gepunkteten Linie veranschaulicht. Die horizontale Längsachse des Desublimators 1 wird mit einer gestrichelten Linie dargestellt und verläuft durch den geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9.
AT, max ist hierbei der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des weitest entfernten Strömungsstörers 19 und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9, wobei der Abstand AT, max entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen ist.
AHI ist der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers 8 und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9, AH2 ist der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers 18 und dem geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers 8, AH3 ist der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des zweiten Strömungsstörers 18 und dem geometrischen Schwerpunkt des dritten Strömungsstörers 19 und AH, max ist der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers 19 mit dem größten Abstand AT.max zur Einlassfläche 9 und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9, wobei die einzelnen Abstände AH, max, AHI , AH2, AH3 jeweils entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone 4 bemessen sind.
Fig. 6 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers 8, der ein Prallblech 15 in Form eines rechteckigen und flachen Designs aufweist. Auf der linken Seite der Zeichnung ist die Höhe des Strömungsstörers mit SH und die Länge des Strömungsstörers mit SL angegeben. In der Mitte der Zeichnung ist der geometrisch gemittelte Normalenvektor nA der vom Einlass 2 angeströmten Oberfläche des Strömungsstörers 8 sowie der in negativer Richtung zeigende Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 dargestellt. Darüber hinaus wird der Winkel a1 präsentiert, wobei der Winkel a1 den Innenwinkel zwischen dem negativen Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 und dem geometrisch gemittelten Normalenvektor nA angibt. Hierbei wird der geometrisch gemittelte Normalenvektor nA durch eine geometrische Mittelung der Normalenvektoren seiner dem Einlass 2 zugewandten Oberflächen ermittelt. Auf der rechten Seite der Zeichnung ist der Einlass 2, die Einlassfläche 9 sowie der Einlassstutzen 10 dargestellt.
Fig. 7 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers 8, der ein Prallblech 15 in Form eines rechteckigen und gekrümmten oder flachen Designs aufweist. Auf der linken Seite der Zeichnung ist die Höhe des Strömungsstörers mit SH und die Länge des Strömungsstörers 8 mit SL angegeben. Auf der rechten Seite der Zeichnung sind eine flache Ausführungsform des Strömungsstörers 8 sowie zwei beispielhafte Ausführungsformen mit möglichen Krümmungen für den Strömungsstörer 8 dargestellt.
Fig. 8 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers 8, der ein Prallblech 15 in Form eines rechteckigen und gekrümmten oder flachen Designs aufweist, wobei der Strömungsstörer 8 ein kreisrundes, durchströmbares Loch aufweist. Auf der linken Seite der Zeichnung ist die Höhe des Strömungsstörers mit SH und die Länge des Strömungsstörers 8 mit SL angegeben. Auf der rechten Seite der Zeichnung sind eine flache Ausführungsform des Strömungsstörers 8 sowie zwei Ausführungsformen mit möglichen Krümmungen für den Strömungsstörer 8 dargestellt. Prinzipiell können alle Lochformen, wie beispielhaft eine kreisrunde, eine ovale oder eine eckige Lochform, verwendet werden.
Insbesondere können auch mehrere durchströmbare Löcher im Prallblech vorhanden sein. Die durchströmbaren Löcher können alle eine kreisrunde oder eine ovale Form aufweisen. Auch eine Mischung aus kreisrunden und ovalen Löchern ist möglich.
Fig. 9 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungsstörers 8, wobei der Strömungsstörer ein statischer Mischer ist. Auf der linken Seite der Abbildung deuten die schwarzen Rechtecke mit den darin befindlichen Pfeilen eine bestimmte Orientierung eines jeweiligen Elements 16 des Mischers an, wohingegen die weißen Rechtecke mit den darin befindlichen Pfeilen eine andere bestimmte Orientierung eines jeweiligen Elements 16 des Mischers andeuten. In der Mitte der Abbildung ist der Mischer im Querschnitt dargestellt, wobei zwei benachbarte Elemente 16 des Mischers zu erkennen sind. Das schwarze Element 16 entspricht dem schwarzen Rechteck auf der linken Seite der Zeichnung und das weiße Element 16 entspricht dem weißen Rechteck auf der linken Seite der Zeichnung. Zudem ist der geometrisch gemittelte Normalenvektor nA der vom Einlass 2 angeströmten Oberfläche des Strömungsstörers 8 sowie der in negativer Richtung zeigende Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 dargestellt. Darüber hinaus werden die beiden Winkel a1 und oc2 präsentiert, wobei der Winkel a1 den Innenwinkel zwischen dem aus dem Desublimator 1 heraus gerichteten Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 und dem geometrisch gemittelten Normalenvektor nA angibt und der Winkel oc2 den zur Einlassfläche 9 gerichteten Innenwinkel zwischen zwei benachbarten Elementen 16 angibt. Auf der rechten Seite der Zeichnung ist der Einlass 2, die Einlassfläche 9 sowie der Einlassstutzen 10 dargestellt.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 , wobei der Desublimator 1 eine Länge L von 7,240 m, eine Breite B von 2,850 m, eine Höhe H von 4,560 m und eine kreisrunde Einlassfläche 9 mit einem Durchmesser von 0,79 m aufweist sowie vier statische Mischer 8, 18, 19, 21 als Strömungsstörer enthält. Gemäß Fig. 9 ist in der Fig. 10 jeder statische Mischer 8, 18, 19, 21 aus drei Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt, wobei jedes einzelne Kreuzbalkenelement zwei Elemente 16 aufweist und das benachbarte Element 16 in Relation zum jeweiligen Element 16 mit einem zur Einlassfläche 9 gerichteten Innenwinkel «2 von 90 Grad angeordnet ist. Das jeweilige Element 16 des Kreuzbalkens ist 1 ,130 m lang, 0,20 m breit und 0,005 m dick. Somit ergibt sich durch die Zusammensetzung der einzelnen Elemente 16 eine Gesamtbreite für jeden statischen Mischer 8, 18, 19, 21 von 1 ,200 m. Jeder statische Mischer 8, 18, 19, 21 hat einen, über seine dem Einlass 2 zugewandten Oberflächen, geometrisch gemittelten Normalenvektor nA. Der jeweilige geometrisch gemittelte Normalenvektor entspricht in diesem Fall der zur Einlassfläche gerichteten Winkelhalbierenden eines Kreuzbalkenelements. Jeder statische Mischer 8, 18, 19, 21 hat einen Innenwinkel ou, der sich durch den geometrisch gemittelten Normalenvektor nA und den aus dem Desublimator 1 heraus gerichteten Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 ergibt. Für alle statischen Mischer beträgt der Innenwinkel oci 0 Grad. Gemäß Fig. 1 hat in der Fig. 10 der geometrische Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers 8 einen Abstand AT zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 von 1 ,36 m, wobei der Abstand AT entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen ist.
Gemäß Fig. 4 beträgt in der Fig. 10 der jeweilige Abstand ATI, AT2, AT3 zwischen den geometrischen Schwerpunkten jeweils benachbarter Strömungsstörer (8, 18), (18, 19), (19, 21) 1 ,4 m, wobei der jeweilige Abstand ATI, AT2, AT3 entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen ist. Gemäß Fig. 4 haben in der Fig. 10 die vorhandenen Strömungsstörer 8, 18, 19, 21 jeweils ein Abstand Asi, As2, Ass, As4 zwischen der Desublimationszone 4 und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer 8, 18, 19, 21 , der 0,284 m beträgt. Gemäß Fig. 5 beträgt in der Fig. 10 der jeweilige Abstand Am, AH2, AH3, AH4 zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des jeweiligen Strömungsstörers 8, 18, 19, 21 und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 beträgt 0,000 m, wobei der jeweilige Abstand Am, AH2, AH3, AH4 entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone 4 bemessen ist.
Beispiele
Die folgenden Beispiele für den Beladungsprozess eines Desublimators werden durch numerische, strömungsmechanische Simulationen abgebildet. Die numerischen, strömungsmechanischen Simulationen werden auch häufig als „Computational fluid dynamics (CFD)“ bezeichnet. Hierzu wurde die Software ANSYS Fluent verwendet, welche auf der Internetseite https://www.ansys.com/de-de/products/fluids/ansys-fluent (abgerufen am 25.08.2022) zu finden ist. ANSYS Fluent ist eine umfangreiche Simulationssoftware, die zur Modellierung, Simulation und Optimierung strömungstechnischer Verfahren, Anlagen und Komponenten in der Industrie eingesetzt wird.
Die Simulation der folgenden Beispiele basiert auf einer „steady state“ Simulation unter Verwendung des RANS Turbulenzmodells. Hierbei werden die Standardeinstellungen des Fluent Solvers mit der Version 22.1 verwendet.
Beispiel 1
Eine thermodynamische Simulation einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 wurde in Fluent durchgeführt.
Die Länge L des Desublimators 1 ist 7,24 m, die Breite B des Desublimators 1 ist 2,85 m, die Höhe H des Desublimators 1 ist 4,56 m, der Durchmesser D der kreisrunden Einlassfläche 9 ist 0,79 m, der Durchmesser der kreisrunden Auslassfläche 12 ist 0,79 m, das Innenvolumen des Gaseingang-Verteilerraums ist 23,8 m3 und das Innenvolumen des Gasausgang-Raums ist 24,9 m3.
Das Verhältnis zwischen der Einlassfläche der Desublimationszone 4 und dem Abstand zwischen der Einlass- und Auslassfläche der Desublimationszone 4 beträgt 13,1 [m2/m].
Die Desublimationszone 4 hat ein Volumen von 32,58 m3. Die Oberfläche aller Strömungskanalwände in der Desublimationszone 4 beträgt 5000 m2. Somit liegt für den Beladungsprozess eine Kühlfläche von 5000 m2 vor und für den Schmelzprozess liegt eine Heizfläche von 5000 m2 vor.
In der Simulation werden jedoch die Rippenrohre aufgrund der dafür erforderlichen Rechenleistung so vereinfacht, dass eine poröse Zone die vier Rippenrohrbündel abbildet. Der Druckverlust über die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 wird somit effizient berechnet. Die poröse Zone ist in dem Kapitel 6.2.3 im ANSYS Fluent User's Guide vom 17.2.2016, das von der
Firma ANSYS, Inc. mit ihrer Webseite „https://www.ansys.com/“ bereitgestellt wird, näher beschrieben. Zudem wird eine solche poröse Zone auch auf der Seite 44 der Webseite Computati- onal Fluid Dynamics (CFD) of Chemical Processes Google Books (abgerufen am 05.09.2022) dargestellt. Hierbei werden die Strömungsrichtungen der Gasgemischströmung innerhalb der Strömungskanäle, die von der Längsachse der Strömungskanäle abweichen würden, durch einen entsprechenden Druckverlust zumindest überwiegend so ausgerichtet, dass diese Strömungsrichtungen auch in die Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zeigen.
Der erfindungsgemäße Strömungsstörer 8 ist in folgender Ausführungsform ausgeführt:
Der erfindungsgemäße Strömungsstörer 8 ist ein statischer Mischer, der aus drei Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes einzelne Kreuzbalkenelement zwei Elemente 16 aufweist und das benachbarte Element 16 in Relation zum jeweiligen Element 16 mit einem zur Einlassfläche 9 gerichteten Innenwinkel «2 von 90 Grad angeordnet ist. Das jeweilige Element 16 des Kreuzbalkens ist 0,710 m lang, 0,200 m breit und 0,005 m dick. Somit ergibt sich durch die Zusammensetzung der einzelnen Elemente 16 eine Gesamtbreite des statischen Mischers von 1 ,200 m.
Der Strömungsstörer 8 hat einen, über seine dem Einlass 2 zugewandten Oberflächen, geometrisch gemittelten Normalenvektor nA. Der geometrisch gemittelte Normalenvektor entspricht in diesem Fall der zur Einlassfläche gerichteten Winkelhalbierenden eines Kreuzbalkenelements. Ein Innenwinkel ou, der sich durch den geometrisch gemittelten Normalenvektor nA und den aus dem Desublimator 1 heraus gerichteten Normalenvektor nE der Einlassfläche 9 ergibt, beträgt 0 Grad.
Der geometrische Schwerpunkt des Strömungsstörers 8 hat einen Abstand AT zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 von 1 ,050 m, wobei der Abstand AT entlang des Normalenvektors nE der Einlassfläche 9 bemessen ist.
Der Abstand Asi, der sich zwischen dem Strömungsstörers 8 und einer Desublimationszone 4 ergibt, beträgt 0,460 m und der Abstand Am zwischen dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 und dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers 8 beträgt 0,000 m, wobei der Abstand Am entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone 4 bemessen ist.
Die Simulation liefert folgende Ergebnisse:
Eine Gasgemischströmung mit einem Massenstrom von 150 t/h, einem Absolutdruck von 1 ,086 bar und einer Temperatur von 178 °C wird durch einen Einlass 2 dem Desublimator 1 zugeführt. Der Massenstrom der Gasgemischströmung enthält hierbei als zu desublimierende Gaskomponente PSA mit einer Konzentration von 8 Gew.-%. Bei den vorliegenden thermodynamischen Bedingungen beträgt die Dichte der Gasgemischströmung 4,4 kg/m3 und die dynamische Viskosität der Gasgemischströmung beträgt 2,5*10-5 Pa*s. Die Gehäusewand hat eine Temperatur von 178 °C. Der Druckverlust, der durch den Strömungsstörer 8 verursacht wird, ist in der Größenordnung von 1 mbar. Der Druckverlust zwischen dem Einlass 2 und dem Auslass 6 des Desublimators 1 beträgt 17 mbar.
Die erreichte Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle wird anhand der folgenden, dargestellten Ergebnisse der Strömungssimulation bewertet:
Die Desublimationszone 4 wird aus dem Gaseingang-Verteilerraum 3 über eine Anströmfläche von 9,8 m2 angeströmt, wobei die Anströmfläche der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 gemäß Fig. 12 entspricht. Bei dem restlichen Anteil der Anströmfläche findet eine Rückströmung statt. Die maximale Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 7,6 m/s und die mittlere Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 0,46 m/s.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.12 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 10 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 11 und 12 geht hervor, dass bei einem erfindungsgemäßen Desublimator 1 das Gasgemisch durch einen größeren Bereich der Desublimationszone 4 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt. Zudem bewirkt der erfindungsgemäße Strömungsstörer 8, dass der in Hauptströmungsrichtung hintere Bereich des Gaseingang-Verteilerraums 3 über die gesamte Breite B des Desublimators 1 Geschwindigkeitsrichtungen ausweist, die in die Richtung des Gasausgang-Raums 5 orientiert sind. Dadurch werden größere Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen der Desublimationszone 4 vermieden und der Druckverlust über die Desublimationszone 4 ist entsprechend geringer. Eine starke Durchströmung einzelner Strömungskanäle würde zu einem schnellen Zuwachsen derselbigen führen. Im Extremfall könnte es sogar dazu führen, dass die Desublimation an den Strömungskanalwänden aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung nur teilweise stattfinden kann. Mit einem Strömungsstörer 8 werden überhöhte Geschwindigkeit sowie damit verursachte Rückströmungen in benachbarten Strömungskanälen verringert, wodurch die vorstehend genannten Effekte vermieden oder zumindest teilweise vermieden werden können.
Ein Vektorplot der Geschwindigkeitsvektoren der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess wird innerhalb des erfindungsgemäßen Desublimators 1 in Fig. 14 dargestellt, wobei der Vektorplot auf der Schnittfläche des Desublimator-Längsschnitts dargestellt wird. Hierbei ist die Länge der Vektoren konstant und somit unabhängig von dem Betrag der Geschwindigkeit.
Man erkennt, dass im Wesentlichen im linken Bereich der Desublimationszone 4, der durch einen rechteckigen Rahmen angedeutet wird, das Gasgemisch durch die Desublimationszone 4 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt. Die schräge, gestrichelte Line in der Desublimationszone 4 deutet den Umschlagpunkt an, bei dem die Geschwindigkeitsrichtung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 in die entgegengesetzte Richtung umschlägt. Je weiter die Linie abfällt, desto weniger werden die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 mit dem Gasgemisch in Richtung des Gasausgang-Raums 5 durchströmt. In dem Bereich rechts neben der schrägen, gestrichelten Linie strömt das Gasgemisch von dem Gasausgang- Raum 5 durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 in Richtung des Gaseingang- Verteilerraums 3.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 13 und 14 geht hervor, dass bei dem erfindungsgemäßen Desublimator 1 das Gasgemisch durch einen größeren Bereich der Desublimationszone 4 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt. Dadurch werden höhere Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen der Desublimationszone 4 reduziert, wodurch der Druckverlust über die Desublimationszone 4 während des Beladungsprozess entsprechend geringer ausfällt. Zudem werden dabei auch Rückströmungen von dem Gasausgang-Raum 5 zum Gaseingang-Verteiler- raum 3 reduziert.
Eine zu starke Durchströmung einzelner Strömungskanäle würde auch zu einem schnellen Zuwachsen derselbigen führen. Im Extremfall könnte es sogar dazu führen, dass die Desublimation an den Strömungskanalwänden aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung nur teilweise stattfinden kann. Mit dem Strömungsstörer 8 werden überhöhte Geschwindigkeit verringert, wodurch die vorstehend genannten Effekte vermieden oder zumindest teilweise vermieden werden können. Beispiel 2
Eine thermodynamische Simulation einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 wurde in Fluent durchgeführt. Dieses Beispiel 2 unterscheidet sich von Beispiel 1 nur durch den Abstand AT des Strömungsstörers 8. In diesem Beispiel 2 ist der Abstand AT gleich 0,395.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.15 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 10 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 11 und 15 geht hervor, dass bei einem erfindungsgemäßen Desublimator 1 das Gasgemisch durch einen größeren Bereich der Desublimationszone 4 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt. Zudem bewirkt der erfindungsgemäße Strömungsstörer 8, dass der in Hauptströmungsrichtung hintere Bereich des Gaseingang-Verteilerraums 3 über die gesamte Breite B des Desublimators 1 Geschwindigkeitsrichtungen ausweist, die in die Richtung des Gasausgang-Raums 5 orientiert sind. Dadurch werden größere Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen der Desublimationszone 4 vermieden und der Druckverlust über die Desublimationszone 4 ist entsprechend geringer. Eine starke Durchströmung einzelner Strömungskanäle würde zu einem schnellen Zuwachsen derselbigen führen. Im Extremfall könnte es sogar dazu führen, dass die Desublimation an den Strömungskanalwänden aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung nur teilweise stattfinden kann. Mit einem Strömungsstörer 8 werden überhöhte Geschwindigkeit sowie damit verursachte Rückströmungen in benachbarten Strömungskanälen verringert, wodurch die vorstehend genannten Effekte vermieden oder zumindest teilweise vermieden werden können. Beispiel 3
Eine thermodynamische Simulation einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 wurde in Fluent durchgeführt. Dieses Beispiel 3 unterscheidet sich von Beispiel 1 nur durch den Abstand AT des Strömungsstörers 8. In diesem Beispiel 3 ist der Abstand AT gleich 2,37.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.16 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 10 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 11 und 16 geht hervor, dass der in Hauptströmungsrichtung hintere Bereich des Gaseingang-Verteilerraums 3 über die gesamte Breite B des Desublimators 1 Geschwindigkeitsrichtungen ausweist, die in die Richtung des Gasausgang-Raums 5 orientiert sind. Dadurch werden größere Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen der Desublimationszone 4 vermieden und der Druckverlust über die Desublimationszone 4 ist entsprechend geringer. Eine starke Durchströmung einzelner Strömungskanäle würde zu einem schnellen Zuwachsen derselbigen führen. Im Extremfall könnte es sogar dazu führen, dass die Desublimation an den Strömungskanalwänden aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung nur teilweise stattfinden kann. Mit einem Strömungsstörer 8 werden überhöhte Geschwindigkeit sowie damit verursachte Rückströmungen in benachbarten Strömungskanälen verringert, wodurch die vorstehend genannten Effekte vermieden oder zumindest teilweise vermieden werden können. Beispiel 4
Eine thermodynamische Simulation einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 wurde in Fluent durchgeführt. Dieses Beispiel 4 unterscheidet sich von Beispiel 1 nur durch den Abstand AT des Strömungsstörers 8. In diesem Beispiel 3 ist der Abstand AT gleich 5,53.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.17 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 10 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 11 und 17 geht hervor, dass der in Hauptströmungsrichtung hintere Bereich des Gaseingang-Verteilerraums 3 über die gesamte Breite B des Desublimators 1 Geschwindigkeitsrichtungen ausweist, die in die Richtung des Gasausgang-Raums 5 orientiert sind. Dadurch werden größere Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen der Desublimationszone 4 vermieden und der Druckverlust über die Desublimationszone 4 ist entsprechend geringer. Eine starke Durchströmung einzelner Strömungskanäle würde zu einem schnellen Zuwachsen derselbigen führen. Im Extremfall könnte es sogar dazu führen, dass die Desublimation an den Strömungskanalwänden aufgrund der hohen Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung nur teilweise stattfinden kann. Mit einem Strömungsstörer 8 werden überhöhte Geschwindigkeit sowie damit verursachte Rückströmungen in benachbarten Strömungskanälen verringert, wodurch die vorstehend genannten Effekte vermieden oder zumindest teilweise vermieden werden können. Beispiel 5
Eine thermodynamische Simulation einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Desublimators 1 gemäß Fig. 1 wurde in Fluent durchgeführt. Dieses Beispiel 5 unterscheidet sich von Beispiel 1 nur in den Stoffeigenschaften und dem Massenstrom der Gasgemischströmung. In diesem Beispiel 5 wird eine Gasgemischströmung mit einem Massenstrom von 30 t/h, einem Absolutdruck von 1 ,086 bar und einer Temperatur von 178 °C durch einen Einlass 2 dem Desublimator 1 zugeführt. Der Massenstrom der Gasgemischströmung enthält hierbei als zu desublimierende Gaskomponente PSA mit einer Konzentration von 3 Gew.-%, wodurch die Gasgemischströmung eine Molmasse von 29,7 g/mol aufweist. Bei den vorliegenden thermodynamischen Bedingungen beträgt die dynamische Viskosität der Gasgemischströmung beträgt 2,26*10-5 Pa*s. Die Gehäusewand hat eine Temperatur von 178 °C.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.18 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle zu Beginn des Beladungsprozess dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt. Die Anströmfläche wird mit 12,5 m2 von dem Gaseingang- Verteilerraum 3 zum Gasausgang-Raum 5 angeströmt. Bei dem restlichen Flächenanteil der Anströmfläche findet eine Rückströmung statt. Die maximale Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 3,4 m/s und die mittlere Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 0,46 m/s. Der Druckverlust zwischen dem Einlass 2 und dem Auslass 6 des Desublimators 1 beträgt 3,3 mbar.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 12 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist.
Aus dem Vergleich der beiden Figuren 12 und 18 geht hervor, dass sich trotz der verschiedenen Stoffeigenschaften und Massenströme der Gasgemischströmung der Strömungsstörer 8 eine ähnliche Wirkung hinsichtlich der Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 erzielt. In beiden Figuren 12 und 18 findet der Beladungsprozess überwiegend auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 statt, wobei in der Nähe der Einlassfläche 9 ein signifikanter Bereich in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung durchströmt wird.
Folglich werden mit einem Strömungsstörer 8 auch für andere Stoffeigenschaften und Massenströme der Gasgemischströmung überhöhte Geschwindigkeit sowie damit einhergehenden Rückströmungen in benachbarten Strömungskanälen verringert.
Es wurde aufgezeigt, dass der Strömungsstörer 8 bei verschiedenen Stoffeigenschaften der Gasgemischströmung oder bei verschiedenen Massenströmen der Gasgemischströmung seine Wirkung der besseren Gleichverteilung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 erzielt.
Vergleichsbeispiel 1
Im Vergleich zum Beispiel 1 ist kein Strömungsstörer 8 vorhanden. Alle anderen Merkmale des Desublimators 1 sowie die Prozessparameter für den Beladungsprozess sind gleichgeblieben. Auch hier wurde eine Simulation mit der Software Fluent durchgeführt.
Die erreichte Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die einzelnen Strömungskanäle wird anhand der folgenden, dargestellten Ergebnisse der Strömungssimulation bewertet:
Die Desublimationszone 4 wird aus dem Gaseingang-Verteilerraum 3 über eine Anströmfläche von 8,6 m2 angeströmt, wobei die Anströmfläche der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 entspricht. Bei dem restlichen Anteil der Anströmfläche findet eine Rückströmung statt. Die maximale Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 13,4 m/s und die mittlere Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 0,46 m/s.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig.11 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess auf der gezeigten Anströmfläche in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt. Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Anströmfläche weist einen Gradienten zwischen der Mittelachse und den Gehäusewänden 7 auf, wobei der Gradient durch die ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung gegeben ist. Die Desublimation findet besonders in der Nähe der Gehäusewand 7 statt. Im Bereich der Einlassfläche 9 findet kaum eine Desublimation zu Beginn des Beladungsprozess statt.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 10 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist. Werte, die sich im Zwischenbereich befinden, werden entsprechend der Skala gemäß Fig. 11 dargestellt.
Ein Vektorplot der Geschwindigkeitsvektoren der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess wird innerhalb des Desublimators 1 in Fig. 13 dargestellt, wobei der Vektorplot auf der Schnittfläche des Desublimator-Längsschnitts dargestellt wird. Hierbei ist die Länge der Vektoren konstant und somit unabhängig von dem Betrag der Geschwindigkeit.
Man erkennt, dass im Wesentlichen im linken Bereich der Desublimationszone 4, der durch einen rechteckigen Rahmen angedeutet wird, das Gasgemisch vollständig durch die Desublimationszone 4 in Richtung des Gasausgang-Raums 5 strömt. Die gekrümmte, gestrichelte Line in der Desublimationszone 4 deutet den Umschlagpunkt an, bei dem die Geschwindigkeitsrichtung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 in die entgegengesetzte Richtung umschlägt. Je weiter die Kurve abfällt, desto weniger werden die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 mit dem Gasgemisch in Richtung des Gasausgang-Raums 5 durchströmt. In dem Bereich rechts neben der Kurve strömt das Gasgemisch von dem Gasausgang-Raum 5. durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 in Richtung des Gaseingang-Verteilerraums 3.
Vergleichsbeispiel 2
Im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich das Vergleichsbeispiel 2 nur in den Stoffeigenschaften und dem Massenstrom der Gasgemischströmung. Auch hier wurde eine Simulation mit der Software Fluent durchgeführt. In diesem Vergleichsbeispiel 2 wird eine Gasgemischströmung mit einem Massenstrom von 30 t/h, einem Absolutdruck von 1 ,086 bar und einer Temperatur von 178 °C durch einen Einlass 2 dem Desublimator 1 zugeführt. Der Massenstrom der Gasgemischströmung enthält hierbei als zu desublimierende Gaskomponente PSA mit einer Konzentration von 3 Gew.-%, wodurch die Gasgemischströmung eine Molmasse von 29,7 g/mol aufweist. Bei den vorliegenden thermodynamischen Bedingungen beträgt die dynamische Viskosität der Gasgemischströmung beträgt 2,26*10-5 Pa*s. Die Gehäusewand hat eine Temperatur von 178 °C.
Die erreichte Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die einzelnen Strömungskanäle wird anhand der folgenden, dargestellten Ergebnisse der Strömungssimulation bewertet:
Die Desublimationszone 4 wird aus dem Gaseingang-Verteilerraum 3 über eine Anströmfläche gemäß Fig. 19 angeströmt, wobei die Anströmfläche der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 entspricht. Der Druckverlust zwischen dem Einlass 2 und dem Auslass 6 des Desub- limators 1 beträgt 3,2 mbar.
Die Anströmfläche wird mit 8,7 m2 vom Gaseingang-Verteilerraum 3 zum Gasausgang-Verteiler- raum 5 von der Gasgemischströmung durchströmt. Bei dem restlichen Anteil der Anströmfläche findet eine Rückströmung statt. Die maximale Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 11 ,2 m/s und die mittlere Geschwindigkeit der Gasgemischströmung durch die Desublimationszone 4 ist 0,46 m/s.
Die Anströmfläche der Desublimationszone 4 ist in Fig. 19 dargestellt, wobei die Geschwindigkeiten der Gasgemischströmung zu Beginn des Beladungsprozess auf der gezeigten Anströmfläche in Richtung der Längsachse der Strömungskanäle dargestellt sind, und wobei die Anströmfläche in der obersten Oberfläche der Desublimationszone 4 liegt.
Die Desublimation an den Strömungskanalwänden der Desublimationszone 4 findet zu Beginn des Beladungsprozess überwiegend in einem Bereich statt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der Einlassfläche 9 befindet. Im weiteren Verlauf des Beladungsprozess verlagert sich der Ort der Desublimation in Richtung der Einlassfläche 9.
Die Anströmfläche weist einen Gradienten zwischen der Mittelachse und den Gehäusewänden 7 auf, wobei der Gradient durch die ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung gegeben ist. Die Desublimation findet besonders in der Nähe der Gehäusewand 7 statt. Im Bereich der Einlassfläche 9 findet kaum eine Desublimation zu Beginn des Beladungsprozess statt.
Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Schwarz dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer oder gleich 12 m/s ist. Die Geschwindigkeiten, deren Geschwindigkeitsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Hauptströmungsrichtung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle der Desublimationszone 4 orientiert sind, werden in Weiß dargestellt, wenn der Betrag der Geschwindigkeit größer als 0 m/s ist. Werte, die sich im Zwischenbereich befinden, werden entsprechend der Skala gemäß Fig. 19 dargestellt.
Fazit:
Das Beispiel 1 weist eine um ca. 12 % größere Anströmfläche als die Anströmfläche im Vergleichsbeispiel 1 auf. Zudem weist das Beispiel 1 eine um ca. 44 % geringere maximale Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit im Vergleichsbeispiel 1 auf.
Je größer die Anströmfläche ist, desto mehr Strömungskanäle werden vom Gaseingangs-Verteilerraum zum Gasausgangs-Verteilerraum durchströmt. Insbesondere wird dadurch ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Desublimationsfläche, die die Wände der Strömungskanäle darstellen, genutzt. Dadurch werden die Strömungskanalwände gleichmäßiger beladen und die entsprechenden Strömungskanäle setzen sich weniger schnell zu.
Je größer die maximale Geschwindigkeit durch den dazugehörigen Strömungskanal ist, desto mehr Druckverlust entsteht während des Beladungsprozess über den Strömungskanal. Insbesondere wird im Bereich der maximalen Geschwindigkeit ein sehr geringer Anteil der zur Verfügung stehenden Desublimationsfläche mit einem sehr hohen Volumenstrom beaufschlagt. Dementsprechend wird hier lokal signifikant vermehrt desublimiert, so dass diese Kanäle schnell zuwachsen und nicht mehr im weiteren Verlauf des Beladungsprozess genutzt werden können. Außerdem steigt bei sehr hohen Volumenströmen die Gefahr, dass die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente in diesem Bereich nicht vollständig abgeschieden werden kann.
Ferner bewirkt eine geringere Anströmfläche, dass das Gasgemisch nur in einem kleinen Bereich der Desublimationszone 4 durchströmt wird und einzelne Strömungskanäle der Desublimationszone 4 durch die Desublimation schneller belegt werden.
Zudem können überhöhte Geschwindigkeiten eine Rückströmung in benachbarten Strömungskanälen bewirken oder bestehende Rückstromgebiete in benachbarten Strömungskanälen verstärken, wodurch der Druckverlust über die Desublimationszone 4 signifikant ansteigt.
Die Beispiele 2 bis 5 zeigen ähnliche Verbesserungen gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1. So weist das Beispiel 2 eine um ca. 12 % größere Anströmfläche als das Vergleichsbeispiel 1 auf. Zudem weist das Beispiel 2 eine um ca. 40 % geringere maximale Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit im Vergleichsbeispiel 1 auf. Und das Beispiel 3 weist zwar eine um ca. 7 % geringere Anströmfläche als das Vergleichsbeispiel 1 auf, jedoch weist das Beispiel 3 eine um ca. 32 % geringere maximale Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit im Vergleichsbeispiel 1 auf.
Ferner weist das Beispiel 4 zwar eine um ca. 28 % geringere Anströmfläche als das Vergleichsbeispiel 1 auf, jedoch weist das Beispiel 4 eine um ca. 20 % geringere maximale Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit im Vergleichsbeispiel 1 auf.
Zudem weist das Beispiel 5 eine um ca. 43 % größere Anströmfläche als das Vergleichsbeispiel 1 auf. Zudem weist das Beispiel 5 eine um ca. 74 % geringere maximale Geschwindigkeit als die maximale Geschwindigkeit im Vergleichsbeispiel 1 auf.
Abschließend wird folgend der sogenannte „Uniformity Index Mass Weighted“ angegeben, welcher im Manual von der Fluent Version 2022R1 ab der Seite 986 beschrieben ist. Das Manual ist auf der Internetseite https://www.ansvs.com/de-de/products/fluids/ansys-fluent (abgerufen am 12.06.2023) aufzufinden.
Ein höherer "Uniformity“ Index ist anzustreben, da dann eine gleichmäßigere Durchströmung der Strömungskanalwände erfolgt und folglich die Desublimation gleichmäßiger an den Strömungskanalwänden stattfindet und so der Desublimator für eine längere Zeitspanne im Beladungsprozess betrieben werden kann, wodurch die Beladungskapazität des Desublimators vergrößert wird. Ferner verringert sich die Gefahr, dass lokal überhöhte Geschwindigkeiten bewirken, dass die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente nicht vollständig in der Des- ublimationszone abgeschieden wird und/oder die betreffenden Strömungskanäle in kürzester Beladungszeit undurchströmbar werden.
Dieser „Uniformity“ Index wird für die Beispiele nur auf die Anströmfläche bezogen, die von der Einlassfläche der Desublimationszone in Richtung der Auslassfläche der Desublimationszone durchströmt wird.
So weist Beispiel 1 einen um ca. 12 % höheren „Uniformity“ Index als den „Uniformity“ Index im Vergleichsbeispiel 1 auf, Beispiel 2 weist einen um ca. 13 % höheren „Uniformity“ Index als den „Uniformity“ Index im Vergleichsbeispiel 1 auf, Beispiel 3 weist einen um ca. 15 % höheren „Uniformity“ Index als den „Uniformity“ Index im Vergleichsbeispiel 1 , Beispiel 4 weist einen um ca.
20 % höheren „Uniformity“ Index als den „Uniformity“ Index im Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 5 weist einen um ca. 7 % höheren „Uniformity“ Index als den „Uniformity“ Index im Vergleichsbeispiel 1 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Diskontinuierlich betriebener Desublimator (1) zum Entfernen von zumindest einer zu desublimierenden Gaskomponente aus einer Gasgemischströmung umfassend eine Gehäusewand (7) als äußere Begrenzung, einen Einlass (2) an der Gehäusewand (7) zum Zuführen der Gasgemischströmung in den Desublimator (1), einen Auslass (6) an der Gehäusewand (7) zum Abführen der behandelten Gasgemischströmung aus dem Desublimator (1), eine Desublimationszone (4) mit temperierbaren Strömungskanalwänden, wobei die Strömungskanalwände so temperierbar sind, dass während eines Beladungsprozess die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente an den Strömungskanalwänden des- ublimiert, und dass während eines anschließenden Schmelzprozess die zumindest eine im Beladungsprozess desublimierte Gaskomponente an den Strömungskanalwänden schmilzt, ein Gaseingang-Verteilerraum (3), der sich zwischen dem Einlass (2) und der Desublimationszone (4) befindet, und ein Gasausgang-Raum (5), der sich zwischen dem Auslass (6) und der Desublimationszone (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Strömungsstörer (8) im Gaseingang-Verteilerraum (3) zur Gleichverteilung der Gasgemischströmung durch die Strömungskanäle, die sich durch die Strömungskanalwände der Desublimationszone (4) ergeben, angeordnet ist, dessen geometrischer Schwerpunkt einen Abstand (AT) zum geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche (9) im Bereich von 0,2*D bis 10,0*D, bevorzugt im Bereich von 0,5*D bis 3,0*D, aufweist, wobei D dem Äquivalentdurchmesser eines zur Einlassfläche (9) flächengleichen Kreis entspricht und der Abstand (AT) entlang des Normalenvektors (nE) der Einlassfläche (9) bemessen ist.
2. Desublimator (1) nach Anspruch 1 , wobei sich bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern (8, 18, 19) jeweils ein Abstand (An, AT2) zwischen den geometrischen Schwerpunkten jeweils benachbarter Strömungsstörer ((8, 18), (18, 19)) im Bereich von 0,01*L bis 0,5 *L, bevorzugt im Bereich von 0,05*L bis 0,33*L, ergibt, wobei L der Länge der Längsachse des Gaseingang-Verteilerraums (3) entspricht und dieser jeweilige Abstand (An, AT2) entlang des Normalenvektors (nE) der Einlassfläche (9) bemessen ist.
3. Desublimator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich ein Abstand (Asi) zwischen der Desublimationszone (4) und dem ersten Strömungsstörer (8) oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern (8, 18, 19) sich jeweils ein Abstand (Asi, As2, Ass) zwischen der Desublimationszone (4) und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer (8, 18, 19) ergibt, der mindestens 0,5*D beträgt.
4. Desublimator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest der erste Strömungsstörer (8) eine Breite (Bs) im Bereich von 1*D bis zur maximalen Breite, bei der der zumindest erste Strömungsstörer (8) sich bis zu den beiden gegenüberliegenden Gehäusewänden (7) des Desublimators (1) erstreckt, aufweist.
5. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Desublimator (1) eine horizontale Längsachse aufweist, die senkrecht zur Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone (4) orientiert ist, und der Gaseingang-Verteilerraum (3) oberhalb der Desublimationszone (4) angeordnet ist.
6. Desublimator (1) nach Anspruch 5, wobei zumindest der erste Strömungsstörer (8) einen Abstand (Am) zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Strömungsstörers (8) und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche (9) im Bereich von 0 bis 2,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5*D, aufweist, wobei der Abstand (Am) entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone (4) bemessen ist und der geometrischen Schwerpunkt des ersten Strömungsstörers (8) sich bevorzugt unterhalb des geometrischen Schwerpunkts der Einlassfläche (9) befindet.
7. Desublimator (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei im Fall von mehreren Strömungsstörern (8, 18, 19) jeder einzelne Strömungsstörer (18, 19) nach dem ersten Strömungsstörer (8) einen Abstand (AH2, Am) zwischen seinem geometrischen Schwerpunkt und dem geometrischen Schwerpunkt seines in Richtung Einlass (2) direkt benachbarten Strömungsstörers (8, 18) im Bereich von 0 bis 1 ,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5*D, aufweist, wobei der Abstand (AH2, AHS) entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone (4) bemessen ist.
8. Desublimator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei im Fall von mehreren Strömungsstörern (8, 18, 19) die Strömungsstörer (8, 18, 19) mit größerem Abstand zur Einlassfläche (9) höher angeordnet sind als die mit geringerem Abstand zur Einlassfläche (9), wobei der Abstand zur Einlassfläche (9) entlang des Normalenvektors (OE) der Einlassfläche (9) bemessen ist.
9. Desublimator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei im Fall von mehreren Strömungsstörern (8, 18, 19) der geometrische Schwerpunkt des Strömungsstörers (19) mit dem größten Abstand (AT, max) zur Einlassfläche (9) einen Abstand (AH, max) zwischen seinem geometrischen Schwerpunkt und dem geometrischen Schwerpunkt der Einlassfläche 9 im Bereich von 0 bis 2,0*D, bevorzugt im Bereich von 0 bis 1 ,0*D, aufweist, wobei im Fall von mehr als zwei Strömungsstörer (8, 18, 19) der oder die andere(n) Strömungsstörer (19) bevorzugt so angeordnet sind, dass der jeweilige Abstand (An, AT2) zweier benachbarter Strömungsstörer ((8, 18), (18, 19)) äquidistant ist, wobei der Abstand (ATI, AT2) entlang des Normalenvektors (nE) der Einlassfläche (9) und der größte Abstand
(AH, max) entlang der Längsachse der Strömungskanäle der Desublimationszone (4) bemessen ist.
10. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Desublimationszone (4) und dem ersten Strömungsstörers (8) oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern (8, 18, 19) zwischen der Desublimationszone (4) und dem jeweils vorhandenen Strömungsstörer (8, 18, 19) eine freie Gasdurchgangsfläche (14) vorhanden ist, die im Verhältnis zur Einlassfläche (9) größer als 0,75, bevorzugt größer als 1 ,0, ist.
11. Desublimator (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf die Ebene der Einlassfläche (9) senkrecht projizierte Anströmfläche (13) des ersten Strömungsstörers (8) oder bei mehreren vorhandenen Strömungsstörern (8, 18, 19) die auf die Ebene der Einlassfläche (9) senkrecht projizierte Anströmfläche (13) eines jeweils vorhandenen Strömungsstörers (8, 18, 19) im Verhältnis zur Einlassfläche (9) größer als 1 ist.
12. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Strömungsstörer (8) ein Verhältnis zwischen seiner längsten Seite (Si_) und seiner kürzesten Seite (SH) im Bereich von 1 bis 100, bevorzugt im Bereich von 1 bis 10, aufweist.
13. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Strömungsstörer (8) oder bei mehreren Strömungsstörern (8, 18, 19) der jeweils vorhandene Strömungsstörer (18, 19) ein statischer Mischer oder ein Prallblech (15), bevorzugt ein Prallblech (15) mit einem im Wesentlichen rechteckigen Design, ist.
14. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Strömungsstörer (8) durch einen statischen Mischer gegeben ist, der aus mehreren Kreuzbalkenelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes einzelne Kreuzbalkenelement zwei Elemente (16) aufweist, und zumindest der erste Strömungsstörer (8) aus mindestens zwei Elementen (16), bevorzugt aus vier bis sechzehn Elementen (16), besonders bevorzugt aus sechs Elementen (16), zusammengesetzt ist, wobei das benachbarte Element (16) in Relation zum jeweiligen Element (16) mit einem zur Einlassfläche 9 gerichteten Innenwinkel («2) im Bereich von 60 bis 120 Grad, bevorzugt im Bereich von 85 bis 95 Grad, besonders bevorzugt im Bereich von 89 Grad bis 91 Grad, angeordnet ist. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Strömungsstörer (8) einen, über seinen dem Einlass (2) zugewandten Oberflächen, geometrisch gemittelten Normalenvektor (nA) besitzt und der durch den von dem geometrisch gemittelten Normalenvektor (nA) und den von dem aus dem Desublimator heraus gerichteten Normalenvektor (OE) der Einlassfläche (9) eingeschlossene Innenwinkel (oci) sich im Bereich von -60 bis 60 Grad, bevorzugt im Bereich von -45 bis 45 Grad, besonders bevorzugt im Bereich von -15 bis 15 Grad, befindet. Desublimator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanalwände durch die Außenwände eines Rohrbündels, eines Rippenrohrs, eines Rippenrohrbündels, eines Lamellenkörpers, eines Wabenkörpers und/oder eines Plattenkörpers gegeben sind. Verfahren zum Betreiben eines Desublimators (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Beladungsprozess des Desublimators (1) die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente enthaltende Gasgemischströmung mit einem Massenstrom von mindestens 0,01 kg/s, mit einer Temperatur im Bereich von oberhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur bis 300 °C oberhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur der zumindest einen zu desublimierenden Gaskomponente, und mit einem Absolutdruck im Bereich von 0,1 bis 10,00 bar, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,5 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,05 bis 1,10 bar, am Einlass (2) hineinströmt, die Strömungskanalwände der Desublimationszone (4) auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur bis 1 °C unterhalb der bei dem vorliegenden Druck gegebenen Desublimationstemperatur gekühlt werden, und die zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente in der Gasgemischströmung zumindest teilweise desublimiert, bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die am Einlass (2) hineinströmende zumindest eine zu desublimierende Gaskomponente der Gasgemischströmung, desublimiert und besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die am Einlass (2) hineinströmende zumindest eine zu desubli- mierende Gaskomponente der Gasgemischströmung, desublimiert.
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