DE3604910C2 - Verfahren zum Evakuieren von Vakuumsystemen mit Zeolithfüllung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Evakuieren von Vakuumsystemen mit Zeolithfüllungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zeolithe sind kristalline Allumino-Silikate mit einer regelmäßigen Hohlraumstruktur. In den Hohlräumen können Wassermoleküle reversibel adsorbiert werden. Bei der Adsorption wird Adsorptionswärme frei. Zur Freisetzung des adsorbierten Wassers ist bei erhöhten Temperaturen Desorptionswärme zuzuführen. Mit Hilfe der Desorptions­ wärme wird das Wasser aus der zeolithischen Bindung freigesetzt und verdampft. Die Desorption ist somit von einer Dampfströmung aus der Zeolithfüllung beglei­ tet. Die in der Zeolithfüllung herrschenden Wasserbe­ ladungen hängen von der Zeolithtemperatur und dem Wasserdampfdruck ab.

Bei der Zeolithherstellung werden die Kristalle aus wässrigen Lösungen synthetisiert. Vor einer Verarbei­ tung müssen die Kristalle aus der wässrigen Lösung abgeschieden und durch Erhitzen getrocknet werden.

Um auch das in den Hohlräumen befindliche Wasser zu entfernen, müssen Zeolithe auf Temperaturen zwischen 250-700°C erhitzt werden. Der dabei entstehende wasser­ freie Zeolith hat dann in der Regel noch eine Wasser­ restbeladung von 0,5-2,0 Gew.-%. In diesem Zustand ist er stark hygroskopisch. Er muß in trockener Umgebung transportiert, gelagert und verarbeitet werden.

Interessante Anwendungen für wasserfreie Zeolithe er­ geben sich, wenn im Vakuum die Wasserdampfströmung zum und vom Zeolith ungehindert erfolgen kann. Die DE 34 25 419 A1 beschreibt transportable Vakuum­ systeme mit voneinander getrennten Zeolith- und Wasser­ füllungen. Nach Lösen der Trennvorrichtung kann Wasser­ dampf zur Zeolithfüllung strömen. Die Zeolithfüllung adsorbiert den Dampf unter Freisetzung von Adsorptions­ wärme. Aus der Wasserfüllung verdampft weiterer Wasser­ dampf. Das Wasser kühlt sich dadurch ab und gefriert zu Eis.

Um eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu ermöglichen, muß im Vakuumsystem ein besonders niedriger Gaspartial­ druck vorhanden sein. Um diesen zu erreichen, schlägt die DE 34 25 419 A1 vor, die Zeolithfüllung innerhalb des Systems auf Temperaturen zwischen 250-700°C zu erhitzen. Über eine kleine Öffnung kann aus der Zeolithfüllung Wasser­ dampf abströmen und die im System befindlichen Gase mitreißen. Die Öffnung wird anschließend luftdicht ver­ schlossen. Nach Abkühlung ist die Zeolithfüllung aus­ reichend wasserfrei und das System auf niedrigem Gas­ partialdruck.

Das beschriebene Herstellverfahren erfordert keine Vakuum­ pumpen. Dafür muß aber die Zeolithfüllung innerhalb des Systems erhitzt werden. Dies erfordert geeignete Wärmeübertragungsflächen, um Desorptionswärme von außen in die schlecht wärmeleitende Zeolithfüllung zu leiten. Die Wärmeübertragungsflächen erfordern auf­ wendige Geometrien, die, besonders für Einweg-Produkte, nicht wirtschaftlich sind. Aufgrund der schlechten Wärme­ leitung ist die Wärmeübertragungszeit lang und für schnelle Produktionsverfahren ungeeignet. Die hohen Wärme­ übertragungstemperaturen erfordern besonders hitzebe­ ständige und teuere Werkstoffe.

Andere Verfahren, welche kalten, wasserfreien Zeolith in die Systeme einfüllen und anschließend mittels starker Vakuumpumpen evakuieren, führen wegen der starken Adsorptionskraft der Zeolithe nicht zu dem erforderlichen Gaspartialdruck.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein effektives Verfahren zum Evakuieren von Vakuumsystemen mit Zeolithfüllungen, bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches. Eine Zeolithmenge wird zunächst getrennt vom Vakuumsystem mittels bekannter Heizverfahren auf eine Rest­ beladung zwischen 7-0,5 Gew.-% vorgetrocknet. Die dazu notwendigen Trocknungstemperaturen ergeben sich aus den jeweiligen Beladungsisosteren der Zeolithtypen. Der Zeolith kann sich während dieser Vortrocknung noch außerhalb des späteren Vakuumsystems befinden. Besonders effektiv ist eine Vortrocknung in heißen Luft- oder Gasströmen oder in geschlossenen Öfen ohne Luft­ wechsel. Der bei der Trocknung herrschende Wasserdampf­ partialdruck muß höher sein als der spätere Enddruck der Vakuumpumpe.

Die heiße Zeolithmenge wird daraufhin in das Vakuum­ system eingebracht und unter den zuvor herrschenden Wasserdampfpartialdruck evakuiert. Aus der Zeolith­ füllung wird dadurch Wasserdampf abgesaugt. Der ab­ strömende Dampf reißt vorhandene Luft und Restgase aus dem Vakuumsystem mit. Im Zeolith wird dadurch die Restbeladung erniedrigt. Für diese Desorption ist Desorptionswärme aufzubringen. Falls hierzu keine äußere Wärmezufuhr erfolgen kann, wird die Desorptions­ wärme aus der fühlbaren Wärme der Zeolithfüllung aufge­ bracht. Die Zeolithfüllung kühlt sich dementsprechend ab. Zum Abpumpen des Dampf/Luft-Gemisches können Vakuumpumpen direkt an das Vakuumsystem angeschlossen werden. Die Anschlußstelle läßt sich nach Erreichen des Enddruckes luftdicht verschließen. Es ist aber auch von Vorteil, die Vakuumsysteme selbst in größere Vakuumgefäße einzubringen und dort zu evakuieren. Das Verschließen der Öffnungen kann in diesem Fall nach verschiedenen bekannten Verfahren erfolgen. Bei einer Reduzierung der Wasserbeladung um nur 1 Gew.-% sinkt die Zeolithtemperatur je nach Zeolithtyp und Restbe­ ladung um 20-40 K. Wird eine Zeolithmenge vom Typ Na-A in einer Heizvorrichtung bei einem Wasserdampf­ partialdruck von 900 mbar auf 300°C erhitzt, führt dies zu einer Restbeladung von 6 Gew.-%. Die Zeolith­ menge kann anschließend in ein Vakuumsystem einge­ bracht und auf beispielsweise 50 mbar evakuiert werden. Bei fehlender äußerer Wärmezufuhr sinkt die Zeolith­ temperatur von 300°C auf 245°C. Die Restbeladung er­ niedrigt sich von 6 Gew.-% auf 4 Gew.-%. Der abgezo­ gene Wasserdampf hat die ursprünglich im System vor­ handene Luft mitgerissen.

Gegenüber den bekannten Verfahren kann gemäß dieser Erfindung auf aufwendige Wärmeübertragungsflächen ver­ zichtet werden. Damit sind Behälterkonstruktionen mög­ lich, welche die Zeolithfüllung nur an wenigen Stütz­ stellen fixieren. Die Behälterwände des Vakuumsystems lassen sich damit aus billigen und weniger temperatur­ beständigen Materialien herstellen.

Ein Teil der für die Trocknung der Zeolithe aufzuwendenden Energie läßt sich zur Erzeugung des erforderlichen Vakuums benutzen. Da die Zeolithe erst bei der Ver­ arbeitung getrocknet werden, können sie im beladenen Zustand transportiert und gelagert werden.

An die Vakuumpumpen werden keine besonderen Anforde­ rungen gestellt. In vielen Fällen genügen bereits Enddrücke von über 500 mbar.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur Zeolithe, sondern alle bekannten Sorptionsmittel, wie beispielsweise Silikagele, Bentonite, Kalzium­ chlorid oder Aktivkohle abfüllen. Neben Wasser sind auch alle anderen Kältemittel, wie beispielsweise Alkohol oder Ammoniak geeignet. Die Sorptionsmittel lassen sich sowohl als Pulver oder Granulat als auch als Flüssigkeit oder vorgeformte Paßstücke in das Vakuumsystem einbringen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Evakuieren von Vakuumsystemen, die eine Zeolithfüllung ent­ halten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeolithfüllung außerhalb des Vakuumsystems erhitzt und unter ther­ modynamischen Gleichgewichtsbedingungen bei Wasserdampfdrücken zwi­ schen 5-1.500 mbar eine Restwasserbeladung zwischen 7-0,5 Gew.-% einge­ stellt wird,
die Zeolithfüllung im noch erhitzten Zustand sodann in das Vakuumsystem eingebracht wird und mittels einer Vakuumpumpe unter den Gleichgewichts­ wasserdampfdruck evakuiert wird, bis die Restwasserbeladung abnimmt und durch den abströmenden Wasserdampf die noch im Vakuumsystem befindli­ chen Gase mitgerissen werden und anschließend das Vakuumsystem luftdicht verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Zeolithfüllung an Luft erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Zeolithfüllung beim Evakuieren im Vakuum­ system nicht beheizt wird und die zur Reduzierung der Restwasserbeladung notwendige Desorptions­ wärme aus der fühlbaren Wärme der Zeolithfüllung stammt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Zeolithfüllung nach der Evakuierung luft­ dicht verschlossen wird und anschließend abkühlen kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß der Wasserdampfdruck während des Erhitzens höher als der Luftdruck ist und zur Erniedrigung der Restwasserbeladung der Wasserdampfüberdruck in die Atmosphäre abströmt, ohne daß durch Vakuum­ pumpen ein Unterdruck erzeugt wird.