DE3587911T2

DE3587911T2 - Verfahren für Wärme- und Stoffaustausch.

Info

Publication number: DE3587911T2
Application number: DE3587911T
Authority: DE
Inventors: Ram Lavie
Original assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Current assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Priority date: 1984-06-08
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2005-05-25
Also published as: NO852303L; IL72058A0; DE3587911D1; DK255885A; EP0168073A2; CA1251014A; DK255885D0; NO167259B; NO167259C; IL72058A; EP0168073B1; EP0168073A3; US4661133A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch. Spezieller betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch, das zur Durchführung signifikant weniger Energie verbraucht.
Stoffaustausch zwischen zwei Phasen ist zum größten Teil deshalb von besonderem Interesse, weil er bei den meisten Trennverfahren, wie zum Beispiel bei der Gewinnung eines reinen Produkts aus einem Gemisch, beteiligt ist. Die meisten der in der Praxis angewandten Trennungsgänge basieren auf der Tatsache, daß die Konzentrationen zweier Phasen, die miteinander im Gleichgewicht sind, völlig unterschiedlich sind. Jedes Verfahren, zwei Phasen miteinander in Kontakt zu bringen, die zu selektivem Interphasentransport einer der Komponenten führt, kann die Basis für ein Trennverfahren bilden. Die Selektivität kann das Ergebnis unterschiedlicher einer unterschiedlichen Gleichgewichtszusammensetzung für die unterschiedlichen Spezies sein, oder sie kann durch unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten der einzelnen Komponenten verursacht sein. Thermodynamische Arbeitspotentiale unterschiedlicher Art können dazu dienen, den Stoffaustausch zu implementieren. Bei elektrochemischen Verfahren ist ein elektrisches Potential die treibende Kraft, während es in einer Säule zur Trennung von Gasisotopen ein Temperaturgradient ist. Jedoch ist bei der Mehrheit der Anwendungen in der verfahrenstechnischen Industrie der Konzentrationsgradient die treibende Kraft zur Durchführung des Stoffaustauschs zwischen zwei Phasen. Dies ist ein gutbewährtes Verfahren, das für gewöhnlich in einem Vielschritt-Verfahren, wie in Destillationstürmen und Rührwerk-Abscheider-Einheiten durchgeführt wird und das auf wohlbekannter Theorie basiert. Thermodynamische Erwägungen erfordern, daß Arbeit in ein System investiert wird, um seine Komponenten zu trennen, was eine Entropieabnahme beinhaltet.
Der Wärmeaustausch zwischen einem relativ heißen Körper und einem relativ kalten Körper ist ebenfalls ein gutbewährtes Grundverfahren, das in einer Vielzahl von Anlagen, wie Wärmetauschern, Wärmeregeneratoren usw. durchgeführt wird.
Es gibt in der Natur und in der Industrie bestimmte Situationen, in denen zwei Zuführströme mit ähnlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung stehen und es nützlich ist, die Wärme zwischen diesen Zuführströmen auszutauschen, wobei es genauso nützlich wäre, eine Komponente bzw. einige Komponenten aus dem Zuführstrom, der an dieser Komponente bzw. diesen Komponenten relativ verdünnt ist, in den Zuführstrom, der an derselben Komponente bzw. an denselben Komponenten relativ konzentriert ist, zu überführen. Typische Beispiele für diese Situation sind die Herstellung von Ammoniak oder die Abtrennung von Sauerstoff aus Luft.
Bei der Herstellung von Ammoniak kann es nützlich sein, das durch den Austausch von Wärme gelieferte thermodynamische Arbeitspotential zu nutzen, wobei der heiße Zufuhrstrom als Wärmequelle markiert wird und der kalte Zufuhrstrom als Wärmesenke markiert wird, um das Trennverfahren in die gewünschte Richtung zu lenken, wobei das ganze Verfahren in einem Schritt abläuft. Diese Einbindung kann sowohl vom Standpunkt des Energieverbrauchs als auch dank der Kompaktheit der Anlage, die zwei Funktionen gleichzeitig ausführen kann, nützlich sein.
Die Herstellung von Sauerstoff im kommerziellen Maßstab erfolgt hauptsächlich aus der Atmosphärenluft. Die meisten Verfahren, die auf der Atmosphärenluft basieren, beinhalten zwei Schritte, die auch dann getrennt sind, wenn sie in einem Anlagenteil kombiniert sind: (1) die Luftverflüssigung (der eine Reinigung, bestehend aus dem Entfernen von Feuchtigkeit, Kohlendioxid und anderer Verunreinigungen, vorausgeht) und
(2) die Abtrennung des Sauerstoffs von Stickstoff durch das Fraktionieren der Flüssigkeit in einer Destillationssäule. Für praktische Zwecke kann Luft als binäres Gemisch oder als Lösung von Stickstoff und Sauerstoff betrachtet werden. Anlagen zur Lufttrennung leiten oft einen Strom partiell getrennter Luft ab, die 5 bis 10% Sauerstoff enthält, um die gleichzeitigen Produktionserfordernisse von reinem Sauerstoff und Stickstoff wirtschaftlich abzuwägen. Wie alle anderen Ströme in solcher Anlage ist dieser ursprünglich relativ kalt, was Kälterückgewinnung vor seinem Abblasen in die Atmosphäre rechtfertigt. Daher scheint Wärme- und Stoffrückgewinnung durch Austausch mindestens eines Teils seines Sauerstoffgehalts als Nebenprodukt ein attraktives Verfahren zu sein, das nebenbei den Sauerstoffgehalt der der Anlage zugeführten Luft erhöht und so die Sauerstoffproduktion erleichtert. Der vorstehende kurze Überblick zeigt die Notwendigkeit eines Verfahrens zur Durchführung von Wärme- und Stoffaustausch auf, bei dem die ökonomischen Aspekte verschiedener Verfahren verbessert sind.
So betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei Zufuhrströmen, von denen jeder mindestens zwei Komponenten enthält, wobei sich die beiden Zufuhrströme in der Temperatur um mindestens 30ºC und in der Zusammensetzung so unterscheiden, daß der heiße Strom reich an einer bzw. einigen interessanten Komponenten ist und bei einer kälteren Temperatur ein Produkt liefert, das mit der bzw. den interessanten Komponenten angereichert ist, während der kalte magere Zufuhrstrom an dieser bzw. diesen Komponenten arm ist und bei einer heißeren Temperatur ein Produkt liefert, das in der bzw. in den interessanten Komponenten verdünnt ist, und die beiden Zufuhrströme in einen Reaktor eingeleitet werden, der ein Reagens enthält, dessen Gleichgewichtskonzentration unter den Bedingungen des kalten Stroms höher ist als bei den Bedingungen des heißen Zufuhrstroms, bei dem der Wärme- und Stoffaustausch in mindestens einem Paar Adsorptionsbetten, die gegen ihre Umhüllung thermisch isoliert sind und gleichzeitig und im Gegenstromverfahren arbeiten, durchgeführt wird und das Reagens eine oder mehrere Komponenten bevorzugt zurückhalten kann, wobei die Rückhaltekraft des Reagens bei niedrigeren Temperaturen höher als bei höheren Temperaturen ist, die Temperatur des abgekühlten und angereicherten Produktstroms niedriger als die des erhitzten und verdünnten Produktstroms ist, wodurch das thermodynamische, durch den Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömen gelieferte Arbeitspotential genutzt werden kann, um das Verfahren in die gewünschte Richtung zu lenken, wodurch sowohl Wärme- als auch Stoffaustausch in den Adsorptionsbetten stattfindet; und bei dem der heiße reiche Zufuhrstrom in ein erstes Ende des Reaktors eingespeist wird und der entstehende abgekühlte angereicherte Produktstrom vom zweiten Ende des Reaktors abgezogen wird; und bei dem der kalte magere Zufuhrstrom in das zweite Ende des Reaktors eingespeist wird und der entstehende erhitzte und verdünnte Produktstrom aus dem ersten Ende des Reaktors abgezogen wird.
Das Verfahren beinhaltet für eine große Anzahl von Verfahren, bei denen Wärme- und Stoffaustauschverfahren eine Rolle spielen, bedeutende Einsparungen sowohl im Hinblick auf die benötigte Energie als auch auf die Effizienz des Stoffaustauschs, vorausgesetzt, daß sie über Temperatur- und Konzentrationsgradienten im vorstehend aufgeführten Bereich verfügen.
Das Verfahrensprinzip ist sehr einfach und wird durch das folgende anschauliche Beispiel klar verständlich:
Betrachten wir zwei flüssige Gemische, die jeweils aus zwei chemischen Komponenten A und B bestehen, und ein Adsorptionsreagens s, das etwas A adsorbieren kann, aber B gegenüber inert ist. Die Adsorptionskraft des Adsorptionsreagens S gegenüber A ist hoch bei niedrigen Temperaturen und niedrig bei hohen Temperaturen. Das Adsorptionsreagens S liegt auf einer Säule vor, durch die am einen Ende (zur Identifizierung als Spitze markiert) ein heißes konzentriertes Gemisch geleitet und am anderen Ende (zur Identifizierung als Boden markiert) extrahiert wird. Nach Durchleiten des Gemisches durch die Säule für eine bestimmte Zeitspanne Teil I des Zyklus genannt) wird das Speisen der Säule auf diese Art gestoppt, und eine kalte verdünnte Flüssigkeit wird für eine gewisse Zeitspanne (Teil 11 des Zyklus genannt) am Boden der Säule eingespeist und an der Spitze der Säule extrahiert. Diese Verfahren werden über eine große Anzahl von Zyklen periodisch wiederholt, wobei Folgendes geschieht:
(a) Die Adsorbensmatrix wirkt als Wärmeregenerator, bei dem während Teil I eines Zyklus Wärme von der heißen Flüssigkeit auf die Matrix übertragen wird und, die Flüssigkeit so abkühlt, und während Teil II eines Zyklus von der Matrix auf die kalte Flüssigkeit übertragen wird, und die Flüssigkeit so erwärmt wird.
(b) Die Adsorbensmatrix wirkt als Adsorber/Desorber, bei dem Komponente während Teil II des Zyklus an den Teil der Matrix, der schon durch die kalte Flüssigkeit abgekühlt wurde, adsorbiert, wodurch Komponente A aus diesem Strom entfernt wird. Während Teil I des Zyklus desorbiert Komponente A von dem Teil der Matrix, der schon durch die heiße Flüssigkeit erhitzt wurde, wodurch Komponente A zu diesem Strom zugegeben wird.
Die Gesamteffizienz dieses Verfahrens hängt von einer Anzahl Faktoren ab, wie:
der Menge und Adsorptionskraft des Adsorptionsmittels als Funktion der Temperatur; den Wärmekapazitäten des Adsorptionsmittels und der Flüssigkeiten; den Fließgeschwindigkeiten, Temperaturen und Zusammensetzungen der Einlaßströme sowie den thermodynamischen Eigenschaften der beteiligten Materialien.
Das Adsorptionsmittel kann aus einer großen Gruppe bekannter, im Fachgebiet verwendeter Verbindungen ausgewählt werden. Typische Reagentien schließen Aluminiumoxid, Silicagel, Zeolithe, verschiedene Formen von Kohlenstoff, wie Holzkohle und Ruß, Metallpulver, organische Verbindungen wie Zucker und Stärken sowie verschiedene Polymere ein. Insbesondere ist bei der Erfindung ein Adsorptionsmittel vorzuziehen, bei dem die Gleichgewichtsbedingungen des kalten Zufuhrstroms um mindestens 0,01 g adsorbierte Spezies pro Gramm Adsorbens höher ist als unter den Bedingungen des heißen Zufuhrstroms.
Man kann sich vorstellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren in einer Reihe chemischer Verfahren angewendet wird, von denen einige nachstehend aufgezählt werden und deren Aufzählung nicht so verstanden werden sollte, als ob sie auf diese beschränkt sei.
1. Reinigung von Gas: es gibt viele Fälle, in denen Reinigung von Gas nötig ist und der die Verunreinigung enthaltende Zufuhrstrom auch heiß ist und Abkühlen vor seinem Einleiten in den Adsorptionsturm erforderlich ist, aus dem er als relativ reiner und kalter Strom austritt. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Zufuhrstrom und Ablauf führt zu einer weiteren Reinigung oder Abnahme des Gehalts in der Reinigungsanlage, besonders am Ende mit der niedrigen Konzentration, das der kritischste Teil in Verfahren ist.
2. Destillationsverfahren: wenn ein Temperaturgradient zwischen einem heißen Zufuhrstrom und einem kalten Produkt an der Spitze besteht. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt zu einer zusätzlichen Auftrennung, die wieder den Trennungsgehalt am Ende mit der niedrigen Konzentration erniedrigt.
3. Verfahrenslufttrocknung es gibt viele Fälle, in denen heiße, trockene Verfahrensluft benötigt wird.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt durch einen Austausch mit heißen Rauchgasen zum Erwärmen und Trocknen (möglicherweise Sauerstoffanreicherung) von kalter atmosphärischer Luft.
4. Verfahren, bei denen signifikante Mengen von Reaktanden in einem Konverter wiedergewonnen werden und bei denen die Kosten für die Trennung die Reinheit der wiedergewonnenen Reaktanden begrenzen und bei denen ein Vorheizen der in den Konverter gespeisten Reaktanden wünschenswert ist. Ein typisches Beispiel für solches Verfahren ist die Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff.
5. Klimaanlagen: deren Ziel ist, eine kalte, verschmutzte Luftzufuhr für ein Gebäude mittels der zum Kamin abziehenden heißen Rauchgase zu reinigen und vorzuwärmen.
6. Verbrennungsmotoren: deren Ziel ist, die Effizient durch Trocknung und/oder Sauerstoffanreicherung und Vorwärmen der in diesem Verfahren verwendeten Luft durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Abgasen zu verbessern.
Einige spezifische Beispiele, die das Verfahren und die damit erzielten Ergebnisse illustrieren, werden zudem in der Beschreibung dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch seine Vielseitigkeit charakterisiert, und verschiedene Ausführungsformen können dem vorstehend beschriebenen Prinzip entnommen werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Abbildung 1 ist eine schematische Illustration einer Ausführungsform, die ein Paar Adsorptionsbetten verwendet;
Abbildung 2 ist eine schematische Illustration, bei der das Adsorbensreagens in fester Form in einer Matrix mit darin vorhandenen Kanälen fixiert ist;
Abbildung 4 ist ein schematisches Flußbild zur Lufttrocknung: 4(a) verwendet das herkömmliche Verfahren und 4(b) verwendet die Erfindung;
Abbildung 5 ist ein schematisches Flußbild zur Lufttrennungsaktivierung: 5(a) verwendet das herkömmliche Verfahren und 5(b) verwendet die Erfindung; und
Abbildung 6 ist ein schematisches Flußbild mit den relevanten Parametern und Zusammensetzungen zur Anreicherung von Verfahrensluft unter Verwendung der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform (I) wird das Verfahren in mindestens einem Paar Adsorptionsbetten durchgeführt, die thermisch gegen ihre Umhüllungen isoliert sind. Der Betriebsmodus wurde schon unter den wie vorstehend gegebenen Betriebsprinzipien beschrieben. Schaltventile leiten die Zufuhrströme in einer programmierten Reihenfolge abwechselnd in jedes und aus jedem Bett.
Eine Variation der vorstehenden Ausführungsform würde die ein-aus-Schaltventile durch einen einheitlichen Flußverteiler ersetzen, der dieselben Funktionen ausführen würde. Eine weitere Variation dieser Ausführungsform würde die Effluenten zurückleiten, die die Adsorptionsbetten in den Teilen des Kreislaufs verlassen, die entweder im Hinblick auf die ausgetauschte Wärme oder auf den Stoffaustausch relativ ineffektiv sind, um vom einem Strom in den anderen geleitet zu werden, oder im selben System noch einmal behandelt zu werden, oder getrennt in einem herkömmlichen Wärmetauscher behandelt zu werden, oder durch andere Mittel abgetrennt zu werden. Wenn Fluktuation der Temperatur oder der Zusammensetzung der Effluenten für das System schädlich ist, können mehrere Bettpaare parallel betrieben werden, wobei sie durch Kontrollmittel für die Fließrichtungen mittels eines programmierten Flußleiters oder Schaltventilsystem zeitlich versetzt werden. Eine schematische Illustration dieser Ausführungsform ist in Abbildung 1 gegeben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform (II) ist die feste Matrix so strukturiert, daß Volumenfluß in einer Vorzugsrichtung (axial oder radial) erleichtert ist und anderweitig behindert ist, so zum Beispiel durch axial geführte Kanäle. So kann jeder Kanal in der Matrix selbst effektiv als getrennter Wärme-Stoff-Tauscher arbeiten. Eine äußere Gesamtumhüllung für die Matrix wäre wünschenswert. Zwei synchronisierte Rotationsflußverteiler, die sich an beiden Enden der Matrix befinden, leiten den Fluß in der richtigen Reihenfolge in jeden Kanal, so daß eine einzelne Matrix wie eine Vielzahl von Adsorber/Desorber Wärmeregeneratorenpaaren arbeitet. Der resultierende Effekt ist im wesentlichen derselbe wie in der Ausführungsform (I), aber die Effluentbedingungen werden inhärent auf ständig konstante Werte geglättet. Eine schematische Illustration dieser Ausführungsform ist in Abbildung 2 dargestellt.
Eine geringe Modifikation der vorstehenden Ausführungsform ist der Fall, wenn die Flußverteiler fixiert sind, während sich die Matrix selbst dreht, was dasselbe Resultat ergibt. Diese Ausführungsform kann bevorzugt werden, wenn das Matrixgewicht nicht zu groß ist.
In einer Variation des vorstehenden Verfahrens hat das Adsorbensreagens S die Form eines sich bewegenden Festbetts.
Die vorstehenden Ausführungsformen zeigen deutlich die Vielseitigkeit der Erfindung, obwohl sie nicht erschöpfend sind. Das Verfahren hat deutlich und insgesamt Vorteile für den Fall, daß ein gleichzeitiger Ablauf von Wärme- und Stoffaustausch angestrebt wird.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Vorrichtungen sind durch ihre Einfachheit und Kompaktheit charakterisiert. Obwohl das Verfahren im Prinzip entweder fest-fluide oder flüssig-fluide Systeme verwenden kann, scheinen letztere den Vorteil zu haben, inhärent kontinuierlich und konstant im Betrieb zu sein. Ein Fachmann wird nach dem Lesen der Beschreibung die Verdienste der Erfindung schätzen und das geeignete System in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften, Bedingungen und Verfahrensgegebenheiten wählen.
Die Erfindung wird weiter durch eine Reihe von Beispielen illustriert, wie untenstehend gegeben, ohne auf diese beschränkt zu sein. Das System der erfindungsgemäßen Wärme- und Stoffaustauschvorgänge wird nachstehend als WSA bezeichnet (Wärme- und Stoff- Austausch).

BEISPIEL 1

Umrüstung zur Verbesserung der Hochdruck-Ammoniak-Synthese

Zwei isolierte Betten (A und B), die jeweils 3 kg granulierte Aktivkohle (Typ BPL 12 · 30, hergestellt von Pittsburgh Activated Carbon) enthielten, wurden abwechselnd für jeweils eine Zeitspanne von 5 Minuten einem Fluß von 70 g mol/min eines Gasgemisches unter folgenden Bedingungen ausgesetzt: Heißer Zufuhrstrom in Bett A Druck Temp. Fließrichtung: oben nach unten unten nach oben
Nach ungefähr acht Betriebszyklen wurden die Ausströmbedingungen bestimmt, die Ergebnisse waren die folgenden: Heißer Ausstrom aus Bett A Durchschnittstemperatur Durchschnitt
Das Vorstehende zeigt, daß durch die Verwendung des erfindungsgemäßen WSA die zwei gewünschten Ziele erreicht wurden: der Ausstrom aus dem heißen Speisestrombett hatte einen höheren Ammoniakgehalt als im Zustrom, wogegen der Ausstrom aus dem kalten Speisestrom in das zweite Bett einen niedrigeren Ammoniakgehalt und eine höhere Temperatur als der Speisestrom hatte.

BEISPIEL 2

Lufttrocknung

Viele Verfahren benötigen eine Versorgung mit trockener (komprimierter) Luft. Das allgemeine Verfahren zu ihrer Herstellung umfaßt die folgenden grundlegenden Schritte: (a) Kompression; (b) Abkühlen; (c) Abtrennen der kondensierten Feuchtigkeit und (d) Trocknung in einer Adsorptionsbatterie, die meistens periodisch thermisch durch eine externe Stromquelle oder durch Selbstreinigung regeneriert wird. Ein schematisches Flußbild der herkömmlichen Methode ist in Abbildung 4(a) dargestellt.
Abbildung 4(b) stellt das Flußbild bei Verwendung des erfindungsgemäßen WSA dar. Die Herstellung wird in diesem Fall bei verbesserten Ausbeuten und verringertem Energieverbrauch sehr vereinfacht. In diesem Fall resultiert die treibende Kraft aus der im Kompressionsschritt erzeugten Wärme. Die verbesserten Ergebnisse und Vorteile des Verfahrens sind in Tabelle 1 aufgeführt, in der ein Vergleich zwischen den in der konventionellen Anlage vorherrschenden Bedingungen und den erfindungsgemäßen aufgeführt ist (die Schritte und Zuströme beziehen sich auf die Abbildungen 4(a) und 4(b)). TABELLE 1 Vergleich zwischen den vorherrschenden Bedingungen in einer konventionellen Anlage und in einer Anlage mit WSA System zur Lufttrocknung (a) Herkömmlicher Trocknungsprozeß (bezogen auf Abbilldung 4a). Temp. Luft (trocken) (b) WSA System (bezogen auf Abbildung 4b).
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen deutlich folgende Vorteile bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lufttrocknung:
- Die Menge an produzierter trockener Luft ist ungefähr 25% höher als im herkömmlichen Verfahren.
- Bei Verwendung des WSA Systems gibt es keinen Abfallstrom.
- Kompakte Ausrüstung und Einfachheit im Betrieb sind beinhaltet.
- Beim WSA System wird keine externe Wärme (Q²) benötigt.
- Der Grad des Abkühlens (Q¹) bleibt im wesentlichen unverändert.

BEISPIEL 3

Verstärkung der Lufttrennung

Anlagen zur Lufttrennung führen oft einen Strom teilweise getrennter Luft ab (der ungefähr 4% bis 10% Sauerstoff enthält), um die gleichzeitigen Erfordernisse für reinen Sauerstoff und Stickstoff wirtschaftlich abzuwägen. Weil die Ströme in solchen Anlagen im allgemeinen niedrige Temperatur haben, ist es mehr als gerechtfertigt, ihre Kälte wiederherzugewinnen, bevor sie in die Atmosphäre abgeblasen werden. Weiterhin wäre eine zusätzliche Rückgewinnung eines Teils des in solchen Strömen vorhandenen Sauerstoffs höchst wünschenswert, wobei der Sauerstoffgehalt der in die Anlage eingespeisten Luft gesteigert und die Sauerstoffherstellung erleichtert würde. Ein schematisches Flußbild eines Verfahrens unter Verwendung des WSA Systems ist in Abbildung 5 dargestellt.
Ein typisches Beispiel für die erzielten Ergebnisse ist folgendes:
Zwei isolierte Betten (A, B), die jeweils 1 kg granuliertes Linde-Molekularsieb 13X (hergestellt von Union Carbide) enthielten, wurden abwechselnd für jeweils einen Zeitraum von 5 Minuten unter folgenden Bedingungen einem Luftstrom ausgesetzt: Heißer Zustrom in Bett A Kalter Zustrom in Bett B Druck Temperatur Fließgeschwindigkeit Fließrichtung runter hoch
Nach ungefähr acht Betriebszyklen waren die Ausströmbedingungen wie folgt: Heißer Ausstrom aus Bett A Kalter Ausstrom aus Bett B Durchschnitts-Temperatur Durchschnitts-O&sub2;-Gehalt
Die vorstehenden Resultate zeigen deutlich die hinsichtlich der Sauerstoffgewinnung aus dem Abluftstrom erzielten Verbesserungen neben der Verbesserung bezüglich des Gesamtenergieverbrauchs.

BEISPIEL 4

Anreicherung von Verfahrensluft

Ein wohlbekannter Nachteil vieler Verfahren, die Verfahrensluft verwenden, wie Öfen, das Reformieren von Kohlenwasserstoffen, die Herstellung von Ruß, Verbrennungsmotoren usw., ist die Notwendigkeit, eine große Menge Inertgas handzuhaben und zu behandeln, was in der Tat eine Last für das Verfahren ist und die Reaktanden (Treibstoff und Sauerstoff) verdünnt. Es ist wohlbekannt, daß sowohl hinsichtlich der Größe der Ausstattung als auch des Energiebedarfs viel eingespart werden kann, indem man die Zahl der Luftbestandteile, die im Verfahren inert sind (wie Stickstoff und Wasser), reduziert. Jedoch verbietet die Wirtschaftlichkeit von herkömmlicher Lufttrennung ihre Anwendung im großen Maßstab in diesem Zusammenhang. Die Verwendung des erfindungsgemäßen WSA Systems liefert ein niederenergetisches Verfahren zur Luftanreicherung, um die unerwünschten Bestandteile teilweise aus dem Zufuhrstrom zur Verfahrensluft abzutrennen, wodurch man einen Zufuhrstrom erhält, der einen höheren Sauerstoffgehalt und eine höhere Temperatur als der ursprüngliche Strom hat.
Ein schematisches Flußbild mit den unterschiedlichen Bedingungen und Zusammensetzungen der Ströme ist in Abbildung 6 gezeigt. Das Verfahren basiert auf dem in Kontakt bringen zweier gasförmiger Luftströme ähnlicher Zusammensetzung (nahe Atmosphärendruck), bei denen aber einer Kryotemperatur hat, in einem WSA System, wobei Sauerstoff und etwas Stickstoff aus dem kalten Strom adsorbiert werden und ihn dabei erwärmen und in den heißen Strom desorbieren und ihn dabei abkühlen. So wird ein Strom mit Sauerstoff angereichert, während der andere magerer wird. Die notwendige Kälteerzeugung wird durch Expansion geleistet. Das WSA System ist im Vergleich zu bestehenden herkömmlichen Verfahren wie Lufttrennung durch Destillation oder durch herkömmliche Adsorption sowohl in Hinblick auf die Kompaktheit der Ausstattung und der Einfachheit ihres Betriebs als auch im Hinblick auf die zur Erzielung desselben Ergebnisses benötigte Energie vorteilhaft.

BEISPIEL 5

Verstärkung von Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren, die in verschiedenen Transportfahrzeugen (Autos, Schiffen, Flugzeugen) installiert sind, werden gewöhnlich mit gefilterter Atmosphärenluft gespeist, die einige Prozent H&sub2;O enthalten kann. Es ist wohlbekannt, daß das Vorheizen der Luft zur Effizienz des Motors beitragen kann und es gibt tatsächlich viele Motoren, die dafür ausgerüstet sind, den Luftstrom mittels der Motorenwärme vorzuheizen. Da jedoch heiße Luft weniger dicht ist als atmosphärische Luft, liefert sie nicht so viel Sauerstoff für die Verbrennung, da das Ansaugen des Motors ein konstanter volumetrischer Fluß ist. Dem kann unter Verwendung des WSA Systems abgeholfen werden, das Wärme zwischen dem Luftansaugstutzen des Motors und seinem Abgas austauscht, während es gleichzeitig atmosphärische Luftfeuchtigkeit aus der Luftzufuhr entfernt und so mehr Sauerstoff pro Einheit des Ansaugvolumens liefert. Dies ist unter den feuchten Bedingungen, die auf zur See fahrenden Schiffen vorherrschen, besonders vorteilhaft, wo die Motorenleistung um mehrere Prozent verstärkt würde. Das WSA System kann auch dafür ausgelegt werden, Verunreinigungen aus dem Motorenabgas zu entfernen, indem es sie zurück in den Motor leitet.
Die mit dem WSA System erhaltenen Ergebnisse sind im folgenden zusammengefaßt: Quelle des Zustroms Einlaß ins WSA Auslaß vom WSA Atmosphärenluft (kalt, feuscht) 100(ºC) zum Motor, trockene Luft Abgase vom Auspuff

Claims

1. Verfahren zum Wärme- und Stoffaustausch zwischen zwei Zufuhrströmen, von denen jeder mindestens zwei Komponenten enthält, wobei sich die beiden Zufuhrstrome in der Temperatur um mindestens 30ºC und in der Zusammensetzung so unterscheiden, daß der heiße Strom reich an einer bzw. einigen interessanten Komponenten ist und bei einer kälteren Temperatur ein Produkt liefert, das mit der bzw. den interessanten Komponenten angereichert ist, während der kalte magere Zufuhrstrom an dieser bzw. diesen Komponenten arm ist und bei einer heißeren Temperatur ein Produkt liefert, das in der bzw. den interessanten Komponenten verdünnt ist, und die beiden Zufuhrstrome in einen Reaktor eingeführt werden, der ein Reagens enthält, dessen Gleichgewichtskonzentration bei den Bedingungen des kalten Stroms höher ist als bei den Bedingungen des heißen Zuführstroms, bei dem der Wärme- und Stoffaustausch in mindestens einem Paar Adsorptionsbetten durchgeführt wird, die gegen ihre Umhüllung wärmeisoliert sind, gleichzeitig arbeiten und sich im Gegenstrom befinden und das Reagens eine oder mehrere Komponenten bevorzugt zurückhalten kann, wobei die Rückhaltekraft des Reagens bei niedrigen Temperaturen größer als bei höheren Temperaturen ist, die Temperatur des abgekühlten und angereicherten Produktstroms niedriger als die des erhitzten und verdünnten Produktstroms ist, wodurch das thermodynamische durch den Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömen gelieferte Arbeitspotential ausgenutzt werden kann, um das Verfahren in die gewünschte Richtung zu lenken und dadurch in den Adsorptionsbetten sowohl Stoff- und Wärmeaustausch stattfinden zu lassen, und der heiße, reiche Zufuhrstrom in ein erstes Ende des Reaktors gespeist und der dabei entstehende abgekühlte und angereicherte Produktstrom vom zweiten Ende des Reaktors abgezogen wird und der kalte magere Zufuhrstrom in das zweite Ende des Reaktors gespeist und der dabei entstehende erhitzte und verdünnte Produktstrom aus dem ersten Ende des Reaktors abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Reagens ein fester adsorbierender Stoffist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gleichgewichtskonzentration um mindestens 0,01 g adsorbierte Spezies pro Gramm Adsorbens höher ist als diejenige, die bei den Bedingungen des heißen Zufuhrstroms herrscht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Reagens ein flüssiger adsorbierender Stoff ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die beiden zeitgleichen Verfahren in mindestens einem Paar Adsorptionsbetten durchgeführt werden, die gegen ihre Umhüllung wärmeisoliert sind, wobei die Steuerventile der Ströme nach einer Programmierabfolge abwechselnd jedem Bett zu- und abgeschaltet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Schaltventile durch einen vereinheitlichten Flußverteiler ersetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, 3 und 5, bei dem das feste adsorbierende Material so strukturiert ist, daß der Maßefluß durch geeignet ausgerichtete Kanäle in eine bevorzugte Richtung erleichtert und ansonsten gehindert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das feste adsorbierende Material die Form eines Bewegbettes hat.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Flußverteiler ortsfest sind, während die feste adsorbierende Masse rotiert.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das zur Gasreinigung angewendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das zur Destillation angewendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das zur Verfahrenslufttrockung angewendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das für Klimaanlagen angewendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das für Verbrennungsmotoren angewendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, das zur Luftanreicherung verwendet wird.