DE1544066A1

DE1544066A1 - Adsorptionsvorrichtung

Info

Publication number: DE1544066A1
Application number: DE19651544066
Authority: DE
Inventors: Jaeger Dr-Ing Karl; Scheffel Dr-Ing Werner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1965-11-19
Filing date: 1965-11-19
Publication date: 1970-02-26
Also published as: US3432995A

Description

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionsvorrichtung für Gase mit einem mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorberraum und mit Kühlvorrichtungen,

Die Adsorption von Gasen durch Aktivkohle oder andere hochporöse Stoffe erfolgt bekanntlich umso vollständiger, je näher sich die Gastemperatur am Taupunkt des Gases befindet, d.h. je tiefer die Eintrittstemperatur des Gases in das Adsorptionsmittel ist. Bei den bekannten Adsorbern wird diesem Erfordernis dadurch Rechnung getragen, dass die freiwerdende Adsorptionswärme und bei

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der Adsorption von radioaktiven Gasen deren Zerfallswär- ■ me von in die Adsorbermasse eingelagerten Kühlmittelrohren aufgenommen und abgeführt werden. Je grosser die Adsorptionswärme und die Zerfallswärme des zu adsorbierenden Gases sind, desto grosser muss demnach auch bei gleicher Kühlmitteleintrittstemperatur die eingebaute Kühlrohroberfläche sein, um einen guten Adsorptionswirkungsgrad zu erzielen.

Es hat sich aber gezeigt, dass dem Einbau von immer grösseren Kühlrohroberflächen wegen der negativen Auswirkungen auf die Durchströmungsbedingungen des die zu adsorbierenden Bestandteile enthaltenden Trägergases und die Wärmeübergangsbedingungen an den Kühlrohren Grenzen gesetzt sind. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass bei den bekannten Aasorptionsvorriehtungen mit eingebauten Kühlschlangen infolge der Wärmedehnung des Rohrmaterials eine allmähliche Zerbröselung des Adsorptionsmittels erfolgt, die nicht nur deshalb unerwünscht 1st, weil sie zu dessen mechanischer Zerstörung führt, sondern weil dadurch auch eine erhebliche Menge staubförmigen Adsorptionsmittels zusammen mit dem durchströmenden Trägergases ausgetragen wird.

Man ist deshalb dazu übergegangen, den Wärmeaustausch nicht mehr im Adsorber selbst vorzunehmen, son-

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dern in einem nacngeschalteten Künler. Bekannte Adsorptionsvorrichtungen dieser Art bestehen daher aus vielen in Heihe geschalteten Adsorber- und Wärmeaustauschereinheiten. Diese Vorrichtungen weisen aber nicht nur den Nachteil eines hohen Druckverlustes auf, so dass gewöhnlich eine zusätzliche Druckerhöhung erforderlich ist, um das Trägergas durch alle Apparate hindurchzuführen, sondern stellen auch relativ kostpielige und räumlich ausgedehnte üinrichtungen dar.

Diese nachteilige Wirkungen werden insbesondere dann recht erheblich, wenn bei der Adsorption ^ros-

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se Wärmemengen frei werden . Dies ist beispielsweise- bei " der Adsorption von radioaktiven Gasbestandteilen aus einem Trägergas der Fall. S.^ ergibt sich bei der Adsorption von radioaktivem Xenon \Jö ^au£» lieEuin iniol^e radioaktiven Zerfalls eine Wärmemenge, die auch bei einer sehr dichten Aufeinanderfolge von Adsorber- und wLlrmeaustauscr.ereinheiten nicht in dem gewünschten i4asi.e aufführt werden kann, "ohne dass eich die Temperatur de^ adscrptbnsmittels und des Träger_feases wesen-Iic:. e.i.c;... _;edeni:t man, dass beispielsweise bei Aktivkchle eine jirwUi-mung v<-n ^.3. 29^" K auf PP^" K "U. einer u;n ca. eine Zeauerpcte-rxj geringeren Beladungsfäiii^keit für -ven^n iüiirl, ac wird deutlich, dass die mifreehterhaituLu ^iiur ^eei^neuen "d-

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Sorptionstemperatur für die Wirtschaftlichkeit der Anlage von grosser Bedeutung ist.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Adsorptionsvorrichtung für Gase zu schaffen, bei der die obengenannten Nachteile im wesentlichen vermieden werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der mit Adsorptionsmittel gefüllte Adsorberraum 1 in radiale, einander benachbarte und in radial entgegengesetzten

< Riqhtungen von dem Gas hintereinander durchströmte Sek·· toren 18, 19, 20, 21, 22, 23 unterteilt ist, an derem gemeinsamen inneren Ende 16 Kühlmittelrohre 3 angeordnet sind und deren äussere Enden 17 von einem die Sektoren 18, 19, 20,21, 22,23 mit dem Gas beaufschlagenden, ebenfalls in Sektoren 18a, 19a,.20a, 21a, 22a, 23a unterteil-

ten Gasraum 2 umgeben sind.

Bei der neuartigen Adsorptionsvorrichtung sind die Adsorber und Wärmeaustauscher bezüglich des Gasstromes so in Reihe geschaltet, dass für den Wärmeaustausch ein enger und für die Adsorption - ein breiter Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Dadurch wird einerseits im Wärmeaustauscher infolge der herrschenden Turbulenz der Gasströmung ein beeserer Wärmeübergang erzielte andererseits der Druckverlust innerhalb des Adsorbers so weit gesenkt, dass eine Vielzahl solcher Adsorbereinhei-

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ten in Form von Sektoren hintereinandergeschaltet werden können, ohne dass Druckerhöhungsvorrichtungen notwendig werden. Dass bei der vergleichsweise grossen Adsorbensmasse nur ein relativ geringer Druckverlust auftritt, erklärt sich daraus, dass die in jedem Sektor mit Gas beaufschlagte Querschnittsfläche gross und die zu durchströmende Schichtdicke klein sind.

Die erfindungsgemässe Führung des Trägergases durch die einzelnen Sektoren ermöglicht eine ausserordentlich gedrängte Bauweise und damit im Vergleich zu den bekannten, hintereinandergeschalteten Adsorbern und Wärmeaustauschern eine wesentliche Raum- und Materialeinsparung. Auch wird infiSLge der neuartigen Anordnung der Wärmeaustauscherrohre eine Zerbröselung des Adsorptionsmittels vermieden.

Mit der erfindungsgemässen Adsorptionsvorrichtung können auf Grund der intensiven Zwischenkühlung des Trä;gergases und der günstigen Gasführung, bei der <4,uer- und Randströmungen innerhalb des Adsorptionsmittels weitgehend· . vermieden werden, mit einem günstigen Wirkungsgrad aus Trägergasen auch radioaktive Gase adsorbiert werden, bei denen infolge des radioaktiven Zerfalls grosse Wärmemengen frei werden und die sich deshalb in den bekannten Vorrichtungen dieser Art überhaupt nicht

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oder nur unter einem sehr viel grösseren technischen Aufwand abscheiden lassen..Die neuartige Vorrichtung lässt sich somit in vorteilhafter Weise vor allem bei der Reaktorgasreinigung in Kernenergieanlagen verwenden.

Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes können die einzelnen Sektoren auch mit verschiedenen Adsorptionsmitteln, z,B. Silikagel, Aktivkohle, Molekularsiebe, gefüllt sein. Auf diese Weise lassen sich aus einem Trägergas nicht nur verschiedenartige Bestandteile in einer einzigen Vorrichtung adsorbieren, wobei für jeden Bestandteil das günstigste Adsorptionsmlttel verwendet werden kann, sondern es besteht auch die Möglichkeit, die Adsorption eines einzigen Bestandteils stufenweise zu verfeinern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind. Es zeigen!

Fig. 1 eine Seitenansicht der Adsorptionsvorrichtung mit teilweise geöffnetem Aussenmantel und teilweise entferntem Adsorptionsmittel,

Fig. 2 einen querschnitt der Adsorptionsvorrichtung längs der Linie A-B in Fig. 1,

Fig, J einen Querschnitt einer anderen Ausfüh-

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rungsform der Adsorptionsvorrichtung,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Adsorptionsvorrichtung mit Füll- und Entleerungsstufezen und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. M,

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Behälter mit einem in Wandsegmente 15a bis f unterteilten Aussenmnntel I5 und zwei auf die Stirnseiten 33 des Behälters aufgesetzten Hauben 27* 28, die mit dem Mantel I5 dicht verschweisst sind. In dem Behälter befinden sich in radialer Anordnung sechs Sektoren, die mit einem Adsorptionsmittel, beispielsweise Aktivkohle, gefüllt sind und den Adsorberraum 1 bilden. Die Füllmasse der einzelnen Sektoren erstreckt sich üoer die gesamte Länge des zylindrischen Raumes und wird an den Behälterstirnseiten 33 von fest mit dem Auesenmantel verbundenen, nicht dargestellten Böden gehalten. In der Mitte des Behälters erstreckt sich parallel zur Bahälterlängsachse ein Bündel berippter Wärmeauctauscherrohre 3* deren rinden mit dem Kühlmittelzuführungsstutzen ~5\ in der Haube 26 und dem KühlmittelabiUhrungsstutzen 29 in der Haubs 27, beispielweise in Rohrböden 35 gelagert, in der Weise in Verbindung stehen, dass der Wärmeaustauscher mit Kühlmittel beschickt werden kann. Um zu verhindern,

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dass das Adsorptionsmittel in den von den Wärmeaustauscherrohren J5 eingenommenen Raum fällt, ist das Rohrpaket am äusseren Umfang von einer gasdurchlässigen Abdeckung 25, beispielsweise einem Drahtnetz oder einem Siebblech, umgeben, dessen Maschenweite bzw. öffnungsgrösse wesentlich geringer ist als die mittlere Korngrösse des Adsorptions- " mittels. Zwischen dem äusseren Umfang der Sektoren und der Behälterinnenwand befindet sich ein breiter Gasraum 2,

ι durph den das Trägergas hindurchströmt. Um zu verhindern, dass das Adsorptionsmittel in diesen Gasraum eindringt, sind die einzelnen Sektoren ai ihrem äusseren Umfang in etwa gleicher Weise wie die in der Mitte befindlichen Rohre j5 von einer gasdurchlässigen Abdeckung 24 umhüllt.

Die Zuführung de.s Trägergases erfolgt durch den an den Kühlmittelzuführungsstutzen J51 angeschweissten Stutzen 52 und den freien Querschnitt des Wärmeaustauscherrohrbündels in den ersten mit Adsorptionsmittel gefüllten Sektor 18, seine Abführung durch den letzten Sektor 2> und den am Kühlmittelabführungsstutzen 29 befindlichen seitlichen Stutzen j50. Die Lage der einzelnen Sektoren ■ ergibt sich aus dem in Fig. 2 dargestellten Schnitt..

Die einzelnen Sektoren 18, I9, 20, 21, 22, 2? sind sternförmig angeordnet und haben je eine seitliche Trennwand gemeinsam. Gemäss der Anzahl der vorhandenen

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Sektoren sind in dem Behälter sechs Trennwände 4, 5, 6, 1» 8, 9 in radialer Richtung eingebaut. Diese Trennwände stossen mit ihrer. Innenkante etwa im Zentrum 16 des Wärmeaustauschers aufeinander und sind dort dicht verschweisst. Ihre Aussenkanten Jk- liegen jeweils zwischen zwei benachbarten, bogenförmigen Segmenten 15a bis f des zylkidrischen Behältermantels 15, mit denen sie ebenfalls gasdicht verschweisst sind. Die Ober- und Unterkanten der Trennwände stossen an den Behälterstirnseiten 33 gegen die nicht dargestellten, den Adsorberraum 1 begrenzenden Böden, an denen sie gasdicht befestigt sind. Somit bildet das Innere der Adsorptionsvorrichtung einen gasdichten Raum, der durch den freien Querschnitt des Wärmeaustauscherrohrbündels 3 ini Bereich der Sektoren 18 und 23 mit den Zuführungs- bzw. Abführungsvorrichtungen für das Trägergas in Verbindung steht.

Diese Bauweise eignet sich vor allem für solche Verwendungszwecke, bei denen die Adsorptionsvorrichtung nur ein einziges Mal mit Adsorptionsmittel gefüllt werden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Adsorbensmasse im Vergleich zur Menge der zu adsorbierenden Gasbestandteile sehr gross ist, so dass der Beladungsgrad des Adsorbers während seiner ganzen Lebensdauer ein bestimmtes Mass nicht überschreitet, oder

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wenn sich beispielsweise bei der Adsorption von radioaktiven Bestandteilen eine Entleerung wegen der Strahlungsgefahr verbietet. Andererseits kann auf eine Erneuerung des Adsorptionsmittels auch dann verzichtet werden, wenn von Zeit zu Zelt eine Regenerierung des Adsorptionsmittels durch Hindurchleitung entsprechender Stoffe im Behälter selbst möglich ist.

In gleicher Weise wie der Adsorberraum 1 ist auch der diesen umgebende Gasraum 2 durch die Trennwände 4 bis 9 in eine entsprechende Anzahl Sektoren l8a, 19a, 20a, 21a, 22a, 2Ja unterteilt. Um eine radüe Durchströmung der einzelnen Sektoren in der Weise zu ermöglichen, dass das Trägergas den Kühlungs- und den Adsorptionsbereich benachbarter Sektoren im Gegenstrora durchdringt, sind die Trennwände 4 bis 9 mit Ausnahme der Wand 7 mit Gasdurchtrittsöffnungen 10, 11, 12, IJ, versehen, Da die Trennwände der einzelnen Sektoren an den Innenkanten gegeneinander und an den Aussenkanten gegen die Behälterwand abgedichtet sind, ist die Gasströmung zwischen den einzelnen Sektoren nur durch die dafür vorgesehenen Öffnungen 10 bis 14 möglich.

Das durch den Stutzen 32 in den Behälter eintretende Gas strömt zunächst an den zum Sektor 18 gehörigen Wärmeaustauscherrohren 3 entlang, durchdringt die siebartige Wand 25 am äusseren Umfang der Rohre 3

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und das sich daran anschliessende Adsorptionsmittel 26 längs des sich fächerförmig nach aussen öffnenden Raumes und tritt darauf über den ganzen Querschnitt des äusseren Lochbleches 24 in den Gasraum 18a ein und durch die Gasdurchtrittsöffnungen 10 in der Trennwand 8 in den nächstfolgenden Sektor 19 über. In diesem Sektor durchströmt das Gas die genannten Abschnitte in umgekehrter Richtung, so dass es sich zunächst innerhalb des Adsorptionsmittels 26 weiter erwärmt und darauf im angrenzenden Wärmetauscherbereich J gekühlt wird. Innerhalb dieses Wärmetauscherbereiches erfolgt auch der Übertritt in den nächsten Sektor 20 durch die Trennwand 9* die bei" 17 Gasdurchtrittsöffnungen aufweist. Das auf diese Weise abgekühlte Gas wird durcii die darauffolgende Adsorptionsschicht 26 hindurchgeführt, wodurch es sich infolge der frei werdenden Adsorptionswärme und/oder Zerfallswürme wieder erwärmt. Nach dem Übertritt durch die Trennwand 4 bis 12 wiederholen sich die obengenannten Vorgänge so lange, bis das im gewünschten Masse von den zu adsorbierenden Bestandteilen befreite Trägergas durch den Wärmeaustauscherabschnitt des letzten Sektors 2J und den GasauEtrittsstutzen ^O die Vorrichtung verlässt.

Durch Änderung der Sektorenzahl, des Behälterdurchmessers, der Grosse der in den Behälter einge-

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bauten Wärmeaustauschfläche und des Adsorptionsmittels lässt sich die neuartige Vorrichtung weitgehend den verschiedenen Betriebsbedingungen anpassen.

Gemäss einer vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes können zur Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche zusätzliche Kühlmittelrohre 33a innerhalb " des Gasraumes 2 der Einzelsektoren und vor den die Adsorptionsmasse zurückhaltenden Siebblechen 24 angeordnet werden. Diese Rohre erstrecken sich vorzugsweise über die ganze axiale Länge des Behälters und münden vor den Ein- und Austrittsstutzen 31 und 29 für die Kühlmittelflüssigkeit in das zentrale Rohrleitungssystem. Damit wird erreicht, dass das Trägergas unmittelbar nach dem Durciigang durch die Adsorptionsmittelschicht jedes Sektors intensiv gekühlt wird, wobei die Strömungsrichtung des Gases ohne Bedeutung ist.

Muss das Adsorptionsmittel nach kürzeren Betriebszeiten erneuert werden, so kann, wie in den Fig. und 5 gezeigt ist, jeder Sektor an seinem oberen Ende mit mindestens einem Füllstutzen und an seinem unteren Ende mit mindestens einem Entleerungsstutzen versehen wenden. Um eine Durchströmung der einzelnen Sektoren in der obenbeschriebenen Weise zu erreichen, sind in diesem Fall ihre Trennwände nach oben und unten bis zu den Hauben

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und 28 und den Kühlmittelstutzen 29 und 3I durchgebogen und dort angeschweisst. Um ein Verschweissen von aussen zu ermöglichen, bestehen die beiden Hauben aus den Segmenten 27'a bis f b^w. 2ba bis t, wobei jeweils zwei benachbarte Segemente gegen die Kante 54 einer der Trennwände stossen.

Die Adsorptionsmittelstutzen j5o bis 41 sind gasdicht auf den entsprechenden Haubensegmenten aui^eschweisst, erweitern sich konisch in Richtung auf die Segmentoberfläche und sind durch Deckel verschliessbar. Die -Sntleerungsstutzen am unteren -inde des Beuälters sind in gleicher Weise ausgebildet und befestigt. Der innere Aufbau der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ädsorptionsvorriciitung entspricht i.n wesentlichen dem in den I^?ig. 1 und 2 beschriebenen.

10 Patentansprüche

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Claims

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_H65 /080

5.11.65 Ke/Ri

Patentansprüche

1. Adsorptionsvorrichtung i'üx¹ Gase mit einem mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorberraum und mit Kühlvorrichtungen, dadurcn gekennzeichnet., dass der Adsorberraum

(1) in radiale, einander benachbarte und in radial entgegengesetzten Richtungen von dem Gas hintereinander durchströmte Sektoren (l8, I9, 20,, 21, 22, 2J>) unterteilt ist, an derem gemeinsamen inneren iinde (l6) Kühlmittelrohre (j5) angeordnet sind, und deren äussere iünden (17) von einem die Sektoren (l8, 19, 20, 21, 22) mit dem Gas beaufschlagenden, ebenfalls in Sektoren (l8a, 19a, 2Ca, 21a, 22a, 23a) unterteilten Gesraum

(2) umgeben sind.

2. Adsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, dass die äusseren Enden (I7) der Sektoren (l8, 19, 20, 21, 22, 27)) von gasdurchlässigen, einen geringen Druckverlust aufweisenden Abdeckungen umgeben sind.

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3. Adsorptionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (24) aus Siebblech bestehen·

4. Adsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeiclmet, dass innerhalb des Gasraumes (2) und vor den Abdeckungen (24) Kühlmiutelrohre (33) angeordnet sind.

5· Adsorptionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung des Adsorberraumes (l) in die Sektoren (l8, 19, 20, 21, 22, 2j) und des diese umgebenden Gasrauiaes (2) in die Sektoren (l8a, 19a, 2Ca, 21a, 22a, 2;>a) durch in radialer Richtung vom Aussennumtel (15) äer Adsorptionsvorrichtung bis sum von der. Kühlmittelrohren {;■) umgebenen inneren xinde (l6) verlaufende, Gasdurcntrittsöffnungen (10, 11, 12, Ip, Ik) aufweisende Trennwände (4, p, 6, 7, 8, 9) erfolgt, wobei die Gasdurchtrittsüffnungen abwechselnd an den äusseren, in den Gasraum (2) Defindlichen und an den inneren, im Bereich der Kühlmittelrohre (3) befindlichen Enden der trennwände angeordnet sind.

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6» Adsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelrohre (^) als Längs- oder Querrippenrohre ausgebildet sind und gegen die mit Adsorptionsmittel gefüllten Sektoren (l8 bis 2J>) durch eine gasdurchlässige Abdeckung (25) geringen Druckverlustes von dem Adsorptionsmittel (26)· getrennt sind.

7. Adsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Adsorberraumes (l) ein Polygon ist, von dessen Eckpunkten die .Trennwände (4 bis 9) der Sektoren (l8 bis 25) ausgehen.

8. Adsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprücße 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (l8 bis 23) mit je einem Einfüllstutzen und Austragsstutzen für das Adsorptionsmittel versehen sind.

9. Adsorptionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einfüllstutzen und die Austragsstutzen in Richtung auf den Adsorberraum (l) konisch erweitern und gasdicht mit den Hauben (27* 28) der Adsorptionsvorrichtung verbunden sind.

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10. Adsorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den einzelnen Sektoren (l8 bis 2J>) verschiedenartige Adsorptionsmittel befinden.

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