DE10029882A1

DE10029882A1 - Separator zur Erzeugung von Sauerstoff

Info

Publication number: DE10029882A1
Application number: DE10029882A
Authority: DE
Inventors: Reiner Goetz; Ulrich Lahne; Sebastian Muschelknautz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-20

Abstract

Es wird ein Separator, der insbesondere für die Erzeugung von Sauerstoff geeignet ist, beschrieben. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Separator ermöglicht die Realisierung einer ausreichenden Kühlung sämtlicher stark druckbelasteter metallischer Bauteile. Ferner wird ein sicherer und gasdichter Übergang von dem als Membranrohr ausgebildeten Bereich eines Rohres zu den metallischen Bauteilen des Rohres gewährleistet. Des Weiteren können schadhafte Rohre vergleichsweise einfach und schnell ausgewechselt werden. DOLLAR A Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Separator so konventionell als möglich aufgebaut, so dass der Anteil der keramischen Bauteile gering gehalten werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator, der insbesondere für die Erzeugung von Sauerstoff geeignet ist.

Zur Erzeugung von Sauerstoff wird einer gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen leitenden Keramikmembran auf der einen Seite (Retentatseite) ein Sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt. Auf der anderen Seite der Membran (Permeatseite) kann dann reiner Sauerstoff abgeführt werden.

Der Sauerstoffionentransport durch derartige Keramikmembranen erfolgt jedoch nur dann in der gewünschten Richtung, wenn auf der Retentatseite der Sauerstoff- Partialdruck größer ist als auf der Permeatseite. Bei der Erzeugung von reinem Sauerstoff kann dies dadurch erreicht werden, dass das der Keramikmembran zugeführte Sauerstoff-haltige Gasgemisch komprimiert wird und/oder eine Druckverminderung auf der Permeatseite - also des zu gewinnenden reinen Sauerstoffstromes - realisiert wird.

Der optimale Arbeits- bzw. Wirkungsbereich gängiger Keramikmembranen liegt bei Temperaturen zwischen 700 und 1100°C.

Es sind eine Vielzahl von Separatorkonstruktionen bekannt - beispielhaft sei auf die EP-A 0 875 281 verwiesen -, die der Erzeugung von Sauerstoff mittels einer Keramikmembran dienen. Nachteilig bei den bekannten Separatorkonstruktionen ist jedoch, dass sie zum einen vergleichsweise aufwendig aufgebaut sind und zum anderen die aufgrund der hohen Temperaturen der Gasströme erforderliche Kühlung der druckbelasteten metallischen Bauteile nicht immer gewährleisten können. Ferner ist das Auswechseln beschädigter Teile bei den bekannten Konstruktionen nur mit einem vergleichsweise hohen Aufwand möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Separator zur Erzeugung von Sauerstoff anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Separator vorgeschlagen mit

- einem Separatormantel,
- zwei die beiden Enden des Separatormantels verschließende Deckel,
- wobei jeder Deckel wenigstens eine Öffnung aufweist,
- wenigstens einem, im oberen Bereich des Separators angeordneten Rohrboden,
- einem unterhalb des Rohrbodens angeordneten inneren Behälter,
- einer im wesentlichen rechtwinklig in dem inneren Behälter angeordneten, Öffnungen für Rohre aufweisenden Trennwand, die den inneren Behälter in einen oberen und einen unteren Gasraum unterteilt,
- wenigstens zwei zu dem oberen Gasraum korrespondierenden, in dem Separatormantel angeordneten Öffnungen,
- wenigstens zwei zu dem unteren Gasraum korrespondierenden Öffnungen,
- wobei eine der Öffnungen in dem Separatormantel und die andere(n) Öffnung(en) in dem Boden und/oder den Seitenwänden des inneren Behälters angeordnet sind,
- mehreren in dem Rohrboden eingehängten Rohren,
- wobei sich die Rohre durch die Trennwand hindurch in den unteren Gasraum erstrecken,
- zumindest teilweise als Membranrohre ausgebildet sind,
- und der als Membranrohr ausgebildete Bereich der Rohre vorzugsweise in dem unteren Gasraum angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Separators sind Gegenstände der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Separator sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt eine seitliche Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators.

Derartige Separatoren sind im Regelfall zylindersymmetrisch aufgebaut. Sie können sowohl stehend - wie dies in der Figur dargestellt ist - als auch in jeder anderen Ausrichtung, beispielsweise liegend, angeordnet werden. Im Folgenden wird die in der Figur dargestellte stehende Anordnung beschrieben.

Der Separator besteht aus einem Mantel 1 sowie aus zwei Deckeln 2 und 5, die die beiden Enden des Mantels 1 verschließen. Jeder Deckel 2 und 5 weist wenigstens eine Öffnung 3 und 6 auf. In der Praxis wird der untere Deckel 5 - entgegen der Darstellung der Figur - lediglich als Boden ausgebildet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Separators kann auf der Innenseite des Separatormantels 1 und/oder auf der Innenseite eines oder beider Deckel 2 und 5 eine wärmeisolierende Schicht angeordnet sein.

Eine derartige Wärmeschutzisolierung dient dazu, die Temperatur des Separatormantels, der einer starken Druckbelastung ausgesetzt sein kann, auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau zu halten.

Im Inneren des Separators ist in dessen oberen Bereich ein Rohrboden 8 angeordnet. Unterhalb dieses Rohrbodens 8 wiederum ist der innere Behälter 10 angeordnet. Dieser wird durch eine im Wesentlichen rechtwinklig zu den Seitenwänden des Behälters 10 angeordnete Trennwand 11 in einen oberen Gasraum 12 und einen unteren Gasraum 13 unterteilt.

In den Rohrboden 8 sind eine Vielzahl von Rohren 20 eingesteckt bzw. einsteckbar - der Übersichtlichkeit halber ist in der Figur jedoch nur ein Rohr 20 dargestellt. Hierzu weist der Rohrboden 8 vorzugsweise Rohrstücke 9 auf, die in ihn eingeschweißt sind und in die die Rohre 20 eingesteckt sind. Die so eingesteckten Rohre 20 werden mit den Rohrstücken 9 dicht verschweißt. Sofern defekte Rohre 20 ausgewechselt werden müssen, können diese nach dem Entfernen der Schweißnaht aus dem Rohrboden 8 entnommen werden. Das beschriebene Verschweißen ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da u. U. gänzlich auf eine feste Verbindung verzichtet werden kann oder zu dem Verschweißen alternative Verbindungsmethoden zur Anwendung kommen können.

Die in den Rohrboden 8 eingesteckten Rohre 20 erstrecken sich über den oberen Gasraum 12 durch in der Trennwand 11 vorgesehene Öffnungen 24 zumindest bis in den unteren Gasraum 13 hinein.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Separators erstrecken sich die Rohre 20 vorzugsweise durch den Boden des inneren Behälters 10 hindurch in den unterhalb des inneren Behälters 10 befindlichen Gasraum 7. Hierzu sind in dem Boden des inneren Behälters 10 entsprechende Öffnungen 23' vorgesehen. Mittels dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird eine zusätzliche Führung der Rohre 20 in diesem Bereich erreicht.

Die Rohre 20 weisen ferner vorzugsweise im Bereich der in der Trennwand 11 vorgesehenen Öffnungen 24 zum Zwecke der Abdichtung angebrachte Metallbalge 19 auf, wobei diese mit einem ihrer Enden an den Rohren 20, vorzugsweise gasdicht, befestigt sind. Die Befestigung erfolgt hierbei wiederum vorzugsweise mittels Verschweißen, jedoch sind auch hier alternative Verbindungsmethoden denkbar. Die Rohre 20 sind so im Bereich der Trennwand 11 gleitend fixiert. Das Vorsehen eines Metallbalges 19 ermöglicht eine ausreichende Sicherung gegen größere Leckagen zwischen dem oberen Gasraum 12 und unterem Gasraum 13, da die Metallbalge 19 mit ihren offenen Enden auf der Trennwand 11 aufliegen. Denkbar ist auch, dass die offenen Enden der Metallbalge 19 mit der Trennwand 11 mittels eines geeigneten Mechanismus verbunden werden.

Die Rohre 20 sind zumindest teilweise als Membranrohr 21 ausgebildet. Hierbei ist der als Membranrohr 21 ausgebildete Bereich der Rohre 20 in dem unteren Gasraum 13 angeordnet. Es ist darüber hinaus denkbar, dass sich der als Membranrohr 21 ausgebildete Bereich der Rohre 20 auch in den oberen Gasraum 12 hinein erstreckt.

Der als Membranrohr 21 ausgebildete Bereich der Rohre kann entweder in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran oder in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet sein.

Bei der in der Figur dargestellten Separatorkonstruktion wird der als Membranrohr 21 ausgebildete Bereich der Rohre 20 an seinen beiden Enden mit je einem Metallrohr von etwa gleichem Durchmesser stoffschlüssig und achsgleich verbunden. Die Rohre 20 sind lediglich an einem ihrer Enden in dem Rohrboden 8 fixiert, während das jeweils andere Ende, zwar gasdicht verschlossen, aber in axialer Richtung frei dehnbar und gleitend zur Vermeidung von Spannungen durch unterschiedliche Wärmedehnungen geführt bzw. angeordnet ist.

Sowohl dem oberen Gasraum 12 als auch dem unteren Gasraum 13 sind wenigstens zwei Öffnungen zugeordnet. Im Falle des oberen Gasraumes 12 sind dies die Öffnungen 15 und 16, wobei der Öffnung 16 zudem ein Führungsleitblech 17 zugeordnet ist, und im Falle des unteren Gasraumes 13 die Öffnungen 23 und 18.

Das heiße, Sauerstoff-haltige Gasgemisch wird dem erfindungsgemäßen Separator über die in dem unteren Boden 5 vorgesehene Öffnung 6 in den unterhalb des inneren Behälters 10 befindlichen Gasraum 7 zugeführt. Das Sauerstoff-enthaltende Gasgemisch weist bei einem Druck von 15 bar eine Temperatur von 850°C auf. Die Erzeugung eines derartigen Gasgemisches kann bspw. in einer Brennkammer unter Frischluftüberschuss erfolgen. Über die in dem unteren Boden des inneren Behälters 10 angeordneten Öffnungen 23 tritt dieses Gasgemisch in den unteren Gasraum 13 ein. Es umströmt nunmehr den als Membranrohr 21 ausgebildeten Bereich der Rohre 20. Dabei gelangt reiner Sauerstoff in das Innere 22 der Rohre 20, in denen der Sauerstoff-Partialdruck mit einem Wert von bspw. 0,2 bar wesentlich niedriger als in dem unteren Gasraum 13 ist. Der in das Innere 22 der Rohre 20 gelangte Sauerstoff wird aus den Rohren 20 abgeführt und dabei auf eine Temperatur von ca. 250°C abgekühlt.

Diese Abkühlung wird dadurch erreicht, dass über die Öffnung 15 Frischluft, die bei einem Druck von 15,5 bar eine Temperatur von 130°C aufweist, in den oberen Gasraum 12 geführt wird. Die gegen den abzukühlenden heißen Sauerstoffstrom im Inneren 22 der Rohre 20 auf eine Temperatur von ca. 250°C aufgewärmte Luft wird anschließend durch den mittels des Luftleitbleches 17 gebildeten Kanal 14 und die Öffnung 16 aus dem Separator abgezogen und ggf. der bereits erwähnten Brennkammer zum Zwecke der Erzeugung des Sauerstoffhaltigen Gasgemisches zugeführt.

Über den Gasraum 4 sowie die im oberen Deckel 2 angeordnete Öffnung 3 wird der so abgekühlte reine Sauerstoffstrom bei einem Druck von 0,2 bar und einer Temperatur von 250°C abgezogen. Aus dem unteren Gasraum 13 wird über die Öffnung 18 ein an Sauerstoff abgereichertes heißes Gasgemisch abgezogen und ggf. einer weiteren energetischen Nutzung zugeführt.

Der Rohrboden 8, der einem Druckunterschied von 15,3 bar ausgesetzt ist, wird bei der erfindungsgemäßen Separatorkonstruktion auf eine maximale Temperatur von 250°C aufgeheizt.

Bei der erfindungsgemäßen Separatorkonstruktion herrscht zudem auf der Außenseite der Rohre 20 der höhere Druck. Dies ist von Vorteil, da im Allgemeinen die Druckfestigkeit von Keramik höher ist als deren Zugfestigkeit.

In der Figur nicht dargestellt sind sog. Turbulenzverstärker, die der Verbesserung des Stoffüberganges dienen und die vorzugsweise in Form von wirbelerzeugenden (Leit)Blechen ausgebildet sind. Diese Turbulenzverstärker können im unteren Gasraum 13 zwischen den Rohren 20, vorzugsweise über die gesamte Länge der Membranrohre 21, und/oder im oberen Gasraum 12 angeordnet sein. Ferner können zur Verbesserung des inneren Wärmeüberganges in den Rohren 20, vorzugsweise im Bereich des oberen Gasraumes 12, (weitere) Turbulenzverstärker vorgesehen werden.

Der erfindungsgemäße Separator ermöglicht die Realisierung einer ausreichenden Kühlung sämtlicher stark druckbelasteter metallischer Bauteile. Ferner wird ein sicherer und gasdichter Übergang von dem als Membranrohr ausgebildeten Bereich eines Rohres zu den metallischen Bauteilen des Rohres gewährleistet. Des Weiteren können schadhafte Rohre vergleichsweise einfach und schnell ausgewechselt werden. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Separator so konventionell als möglich aufgebaut, so dass der Anteil der keramischen Bauteile gering gehalten werden kann.

Neben den erwähnten Membrantypen eignet sich der erfindungsgemäße Separator auch für den Einsatz anderer Membranen, die in der vorbeschriebenen Art und Weise in die Separatorkonstruktion integrierbar sind.

Claims

1. Separator mit
einem Separatormantel (1),
zwei die beiden Enden des Separatormantels (1) verschließende Deckel (2, 5),
wobei jeder Deckel (2, 5) wenigstens eine Öffnung (3, 6) aufweist,
wenigstens einem, im oberen Bereich des Separators angeordneten Rohrboden (8)
einem unterhalb des Rohrbodens (8) angeordneten inneren Behälter (10),
einer im wesentlichen rechtwinklig in dem inneren Behälter (10) angeordneten, Öffnungen (24) für Rohre (20) aufweisenden Trennwand (11), die den inneren Behälter (10) in einen oberen (12) und einen unteren Gasraum (13) unterteilt,
wenigstens zwei zu dem oberen Gasraum (12) korrespondierenden, in dem Separatormantel (1) angeordneten Öffnungen (15, 16),
wenigstens zwei zu dem unteren Gasraum (13) korrespondierenden Öffnungen (23, 18),
wobei eine der Öffnungen (18) in dem Separatormantel und die andere(n) Öffnung(en) (23) in dem Boden und/oder den Seitenwänden des inneren Behälters (10) angeordnet sind,
mehreren in dem Rohrboden (8) eingehängten Rohren (20),
wobei sich die Rohre (20) durch die Trennwand (11) hindurch in den unteren Gasraum (13) erstrecken,
zumindest teilweise als Membranrohre (21) ausgebildet sind,
und der als Membranrohr (21) ausgebildete Bereich der Rohre (20) vorzugsweise in dem unteren Gasraum (13) angeordnet ist.

2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (21) ausgebildete Bereich der Rohre (20) in Form einer auf einem gasdurchlässigen Trägerrohr aufgebrachten gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramikmembran ausgebildet ist.

3. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Membranrohr (21) ausgebildete Bereich der Rohre (20) in Form eines aus einer monolithischen, gasdichten, Sauerstoffionen- und Elektronen-leitenden Keramik bestehenden Rohres ausgebildet ist.

4. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rohre (20) durch den Boden des inneren Behälters (10) hindurch in den unterhalb des inneren Behälters (10) befindlichen Gasraum (7) erstrecken.

5. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des Separatormantels (1) und/oder auf der Innenseite eines oder der Deckel (2, 5) eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist.

6. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rohrboden (8) Rohrstücke (9) angeordnet sind, an denen die Rohre (20) befestigbar sind.

7. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der in der Trennwand (11) vorgesehenen Öffnungen (24) die Rohre (20) an ihnen angebrachte Metallbalge (19) aufweisen, wobei diese mit einem ihrer Enden an den Rohren (20), vorzugsweise gasdicht, befestigt sind.

8. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem oberen Gasraum (12) und/oder in dem unteren Gasraum (13) Turbulenzverstärker angeordnet sind.

9. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohren (20), vorzugsweise im Bereich des oberen Gasraumes 12, Turbulenzverstärker angeordnet sind.

10. Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator zylindersymmetrisch aufgebaut ist.