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DE2604032A1 - Sorptionswabenkoerper aus keramik fuer stoffaustausch in gasgemischen - Google Patents

Sorptionswabenkoerper aus keramik fuer stoffaustausch in gasgemischen

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Publication number
DE2604032A1
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Authority
DE
Germany
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sorption
ceramic
honeycomb body
body according
blocks
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
DE2604032A
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English (en)
Inventor
Manfred Dipl Ing Janosik
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE2604032A priority Critical patent/DE2604032A1/de
Publication of DE2604032A1 publication Critical patent/DE2604032A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/32Packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit or module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Description

Sorptionswabenkörper aus Keramik für Stoffaustausch in Gasgemisch
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper aus feinporöser Keramik, die aus sorptionsaktivem Material aufgebaut bzw. damit beschichtet ist, insbesondere für Gastrocknung.
Sorptionsbetten für Stoffaustausch in Gasgemischen sind gekennzeichnet durch eine große benetzbare Oberfläche, wobei für einen geringen Druckverlust des Gasstromes eine möglichst große freie Querschnittsfläche mit möglichst geradlinig verlaufenden Strömungskanälen erforderlich ist.
Diese Bedingungen werden an sich von dem bekannten „ Munters - Sorptinsrad " (vgl. Deutsches Pat. Nr. 1141 430 und 1139 966) erfüllt. Bekanntlich wird bei diesem Verfahren asbestfaserhaltige Folie abwechselnd gewellt und glatt lagenweise spiralförmig aufgewickelt, und der daraus entstandene Block mit Lithium Chlorid als Sorptionsmittel getränkt. Ein schwerwiegender Nachteil dabei ist jedoch die mangelnde Festigkeit und Formbeständigkeit des Trägermaterials insbesondere bei extremen Bedingungen wie hoher Temperatur, hoher Feuchte und mechanischer Belastung. Daneben ist die kapillare Saugwirkung des Asbestfaserrades über die Oberfläche sehr unterschiedlich und ganz allgemein nicht besonders gut, was dazu führt, daß an manchen Stellen das Sorptionsmaterial nur ganz dünn an der Oberfläche angelagert wird und entsprechend schnell ausschwitzt und inaktiv wird. Bei zu großer Stoffabsorption geht dabei das Absorbermaterial in Lösung und die flüssige Lösung weint aus. Außerdem wird durch die Flüssigkeit die Trägerfolie weich und kann seine Form verlieren, was eine Zerstörung des Absorberblocks bedeutet. Die Stirnflächen des Absorptionskörpers werden von schleifenden Dichtungen überstrichen. Wegen der geringen mechanischen Festigkeit kommt es bei Fremdkörpereinfall leicht zu Zerstörungen der Stirnfläche.
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Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Sorptionskörper zu schaffen, der die Vorteile einer großen Oberfläche und großer freier Querschnittsfläche mit geraden Strömungskanälen verbindet mit großer mechanischer Festigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit, sowie einer gleichmäßigen, sehr hohen Kapillarsaugwirkung für Flüssigkeiten.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Der erfindungsgemäße Sorptionskörper T wird aus einer Keramikmasse mit genau definierter Körnung im Guß- oder Strangpressverfahren hergestellt. Durch die gleichmäßige Körnung (Abb 1) ergibt sich im Trägermaterial eine regelmäßige Kapillarität A, die bei feinporigem Material eine hohe Saugwirkung gegenüber Imprägnierlösung ergibt. Dadurch kann eine große Menge absorptionsaktiven Materials z.B. LiCl-Lösung in das Trägermaterial eingetränkt werden, ohne daß im Falle des In-Lösung-Gehens des Absorptions-Materials ein Ausweinen stattfinden kann, da die Flüssigkeit immer noch durch Kapillarkräfte an das Trägermaterial gebunden ist. Dadurch ist es möglich,eine wesentlich größere Menge an Absorptionsmaterial pro Raumeinheit bzw. Trägermasseieinheit einzuspeichern, wodurch die spezifische Absorptionsleistung beträchtlich erhöht wird. Die Keramikmasse an sich ist nach dem Brennen sehr stabil gegen mechanische Belastungen und Hitzeeinwirkungen und absolut formbeständig auch in Flüssigkeiten oder sehr feuchten Gasen.
Der gemäß o.g. Beschreibung aufgebaute Sorptionskörper T eignet sich nun zur Verwendung in einem kontinuierlich arbeitenden Verfahren. Hierbei wird der Sorptionskörper durch Zusammensetzen aus vielen Einzelbausteinen (Abb 5) als beliebig dicke Kreisscheibe (Abb 5) oder Ringscheibe ausgeführt, die achsparallel von engen, durch die Keramikmasse voneinander getrennten, geradlinigen Kanälchen durchzogen ist.
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Die Stirnflächen B dieser Kreisscheibe werden durch Blechgehäuse R in Sektoren N eingeteilt (abb 6), durch die einerseits der zu trokknende Gasstrom 0 und andererseits der zu Reaktivierung des Sorptionsbettes im Gegenstrom durch die Scheibe geführte Gasstrom P voneinander getrennt werden. Innerhalb des Sorptionskörpers ist die Trennung der beiden Gasströme durch die Keramikmasse M der einzelnen Kanälchen K gegeben. An den Stirnflächen erfolgt die Dichtung durch eine schleifende oder rollende, temperaturfeste Dichtung S aus einem glatten gleitfähigen Material. Die Gassammeikammer R wird nun relativ zu der Keramikscheibe T in Rotation versetzt, so daß kontinuierlich ein Teil des Sorptionsbettes reaktiviert wird, während der andere sich stets verschiebende Sektor N zur Absorption von Dämpfen zur Absorption von Dämpfen zur Verfügung steht.
Die Keramikscheibe (Abb 5) selbst ist je nach Größe zusammengesetzt aus mehr oder weniger vielen gleichen Einzelbausteinen (Abb 2.) . Durch diesen Aufbau aus vielen Einzelbausteinen (Abb 2), kann man mit einer einzigen, durch geringe Größe leicht zu handhabende Strangpreßform jedenSeliebigen Scheibendurchmesser herstellen. Im Falle des Strangpressens sind die Querschnittsabmessungen des Einzelbausteines (Abb 2) auf ca. 80 χ 80 mm beschränkt, die Länge in Richtung der Kanälchen ist jedoch beliebig. Aus den beliebig möglichen Querschnittsformen hat sich die Quadratform als günstigste erwiesen.
Bei der Herstellung der Scheiben gem. (Abb 5) wird in den nachfolgend beschriebenen Stufen vorgegangen. Zunächst wird der endlose Strangpreßrohling (Abb 1) auf die vorgesehene Scheibendicke L abgelängt und zur Verfestigung bis ca. 1000 0C vorgebrannt. Danach werden die Seitenflächen C plangeschliffen; aus jeweils mehreren dieser Bausteine wird durch Schlickern, d.h. Anfeuchten und Aneinanderpressen ein größerer quadratischer Block (Abb 3) geformt, der bei ca. 1.300 ° C zu einem festverbundenen Block-Bau-Stein gebrannt wird. Die für diverse
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Scheibendurchmesser benötigten Randsegmente (Abb 4+5) werden ebenfalls aus Einzelbausteinen (Abb 2) zunächst durch Schlickern zu einem vieleckigen Baustein (siehe Abb 5) zusammengesetzt und fertiggebrannt. Diese Vieleckbausteine werden anschließend an der künftigen Scheibenaußenseite E entsprechend dem Scheibenradius rund gefräst. Nun werden sowohl in die quadratischen Blöcke ( Abb. 3 ) als auch in die Kreissegmente (Abb 4) an allen Seitenflächen D + E (jedoch nicht den beiden Stirnflächen B ) jeweils ca. 20 mm von den beiden Stirnflächen entfernt je eine halbrunde ca. 2,5 mm tiefe Rille F eingefräst.
Beim Zusammenstellen von vielen Blöcken zu einer kreisrunden Scheibe stehen sich dann jeweils zwei halbrunde Rillen F der benachbarten Blöcke gegenüber und bilden eine runde Röhre. In diese sich bildende Röhre wird vor dem Zusammenstellen ein runder Keramikstab G, mit geringfügigem Übermaß gegenüber dem Röhrendurchmesser, eingesetzt.
Um die runden Außenflächen E der Scheibe werden zwei Edelstahlrunddrähte J gespannt, die ebenfalls in den beiden Rillen F geführt werden. Auf diese Weise werden die einzelnen Blöcke durch Formschluß mittels Nut F und Federprinzip G sowie durch Kraftschluß mittels verspannen exakt in ihrer Lage gehalten, wobei die Spannvorrichtung H mittels Tellerfedern I selbstnachspannend ausgebildet ist.
Nach der Fertigstellung der Scheibe wir diese mit der für das zu absorbierende Gas benötigten Sorptionsmittellösung (bei Wasserdampf z.B. LiCl) getränkt. Das Lösungsmittel wird anschließend durch Wärmebehandlung verdampft, sodaß in denKeramikkapillaren A nur noch das sorptionsaktive Salz übrigbleibt.
Durch das geringe Gewicht des einzelnen Blockes (Abb 3+4) werden bei der Bearbeitung keine Hebevorrichtungen benötigt und es könnnen
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für das Brennen,das Planschleifen, das Tränken und das Trocknen die normalen Einrichtungen eines keramikverarbeitenden Betriebes verwendet werden. Bei großen Einheiten (Abb 5) kann im Falle einer partiellen Beschädigung mit geringem Aufwand der beschädigte Block (Abb 3+4) ausgewechselt werden. Außerdem werden Wärmespannungen über die gesamte Scheibe vermieden, wenn, wie meist nötig, zwischen Prozeßgas und Reaktionsgas (Abb 6) hohe Temperaturunterschiede bestehen.
Die Form der Achsparallelen Kanälchen K sowie die Stärke der Trennwände M zwischen den einzelnen Kanälchen K ist duch das Herstellverfahren beliebig frei wählbar. Dies ist wichtig für die Anpassung des Sorptionskörpers an spezifische Absorptionsverfahren. Wenn bei Absorption große Wärmemengen frei werden, ist eine große Keramikmasse, d.h. dicke Zwischenwände M, als Wärmespeicher vorteilhaft, weil dadurch die Temperatur des Sorptionsbettes nur langsam ansteigt und damit die Aktivität des Absorptionsmittels lange Zeit groß bleibt. Der Nachteil des größeren Wärmebedarfs beim Reaktivationsvorgang kann durch Wärmeausgleichssektoren U vor und hinter dem Reaktivierungssektor weitgehend ausgeglichen werde. Im Falle von geringen, fjeiwerdenden Absorptionswärmemengen, sei es durch geringe spezifische Absorptionswärme des Dampfes oder durch geringe zu absorbierende spezifische Dampfmengen, ist eine geringere Keramikmasse von Vorteil,d.h. dünne Zwischenwände M, da dann die Reaktivierung mit geringeren Wärmemengen auskommt.
Die Querschnittsfläche der Kanälchen K liegt in der Größenordnung 2x2 mm; damit ist die Strömung im Bereich der wegen der Strömungsdruckverluste vertretbaren Gasgeschwindigkeiten laminar. Daraus ergibt sich ein günstiger Druckverlustkoeffizient, von der Rauhigkeit des Kanälchens unabhängig ist und sich direkt proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Der Stoffübergang jedoch spielt sich auf Grund der hohen Partialdampfdruckdifferenzen zwischen Gas und Absorptionsmittel nach den Bedingungen einer turbulenten Strömung ab.
In den nachfolgenden Zeichnungen sind die verschiedenen Ausführungsstufen des Sorptionskörpers dargestellt.
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Claims (8)

Patentansprüche
1. Sorptionswabenkörper für absorptiven Stoffaustausch in Gas Dampf - Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß als Herstellungsmaterial eine gleichmäßig, sehr fein gekörnte, Keramikmasse verwendet wird, die nach dem Brennen von sehr engen, hochsaugfähigen Kapillaren durchsetzt ist, die mit einer sorptionsaktiven Lösung getränkt werden können, und die eine sehr gute mechanische Festigkeit aufweist.
2. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß diese Keramikmasse im Strangpressverfahren zu einem Einheitsbaustein mit quadratischer Stirnfläche und jeweils exakt gleicher Länge gezogen wird, der längs der Preßrichtung von vielen quadratischen Luftkanälchen, die auf der Stirn fläche quasi ein Lochnetz bildet, durchsetzt ist, wobei die diese Kanälchen teilende Keramikmasse in der Wandstärke dünn ist im Verhältnis zur Abmessung des Kanälchens, sodaß die für die Gasströmung zur Verfügung stehende freie Fläche groß wird im Verhältnis zur Stirnfläche des Bausteines.
3. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere der Bausteine nach Anspruch 2 durch Schlikkern und Fertigbrennen zu einem Einheitsblock mit quadratischer Stirnfläche zusammengefaßt werden, sowie daß jeweils dem Durchmesser der künftigen Scheibe entsprechend viele Grundbausteine ebenfalls durch Schlickern und Fertigbrennen zu einem Vieleck zusammengefaßt werden, das durch Abfräsen an der gezackten Seite dem künftigen Radius angepaßt wird.
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4. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Einzelblöcken gemäß Anspruch 3 durch Zusammenstellen nach einer quadratischen Reihe zum jeweils nächst größeren Quadrat (z.B. 12, 22 , 32, 42 ....) sowie durch Ergänzung der sichbildenden Platte an den 4 Quadratseiten durch Anfügen der aus den bearbeiteten Vielecken gebildeten Kreissegmente dicke Kreisscheiben gebildet werdenderen Außenradien jeweils die Eckpunkte der Quadrate schneiden,und deren Durchmesser sich jeweils um die Länge der Diagonale eines Einheitsbausteines unterscheiden.
5. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockbausteine gemäß Anspruch 3 innerhalb der Kreisscheibe dadurch gehalten werden, daß in alle Seitenwände mehrere halbkreisförmige Nuten gefräst werden, deren Richtung jeweils senkrecht zur Scheibenachse liegt,in welche an den geraden Seiten runde Keramikstäbe, an der gekrümmten Außenseite der Scheibe als Gurt spannbare Edelstahldrähte gelegt werden, deren Radien jeweils geringfügig größer sind,als der Radius der eingefrästen Nut, sodaß sich nach dem Spannen der Drähte ein Formschluß zwischen den einzelnen Keramikblöcken nach dem Nut- und Federprinzip ergibt.
6. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung der Edelstahldrähte mittels Federn selbstnachspannend ausgeführt ist.
7. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelblöcke durch einen Hochtemperatur-Keramikkleber zusammen gefügt werden.
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8. Sorptionswabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Wabenscheibe, bei kleineren Durchmessern, in einer Negativform in einem Stück gegossen wird und deren Stirnflächen nach dem Gußvorgang plan geschliffen werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Dt. Pat. Schrift Nr. 1.141.430 und 1.139.996
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DE2604032A 1976-02-03 1976-02-03 Sorptionswabenkoerper aus keramik fuer stoffaustausch in gasgemischen Pending DE2604032A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4357987A (en) * 1978-09-28 1982-11-09 Ngk Insulators, Ltd. Thermal stress-resistant, rotary regenerator type ceramic heat exchanger and method for producing same
US4758253A (en) * 1986-02-24 1988-07-19 Imperial Chemical Industries Plc Adsorption process
CN113725063A (zh) * 2015-02-06 2021-11-30 普度研究基金会 探针、系统、盒及其使用方法

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