DE3887192T2

DE3887192T2 - Methode zum Entfernen einer Gaskomponente aus Luft.

Info

Publication number: DE3887192T2
Application number: DE3887192T
Authority: DE
Inventors: Harlan Fredrick Brose; Alfred Omer Brouillet
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-04-29
Also published as: EP0289446A2; DE3887192D1; CA1307473C; EP0289446A3; US4822383A; EP0289446B1; DE289446T1; JPS63294923A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen einer gasförmigen Komponente aus Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Kohlendioxidentfernungssystem und mehr insbesondere auf ein Kohlendioxidentfernungssystem, bei dem regeneratives Material benutzt wird.
In Kohlendioxidentfernungssystemen werden regenerative Materialien wie festes Amin benutzt. Die Oberflächen des festen Aminmaterials adsorbieren Kohlendioxid aus einer Luftmasse durch Bilden einer schwachen chemischen Bindung mit dem Kohlendioxid. Die Bindung wird aufgebrochen und das Kohlendioxid desorbiert, indem das feste Amin mit Wärme beaufschlagt wird. Üblicherweise erfolgt die Wärmebeaufschlagung, indem das feste Amin mit Dampf beaufschlagt wird. Der Dampf kondensiert auf dem festen Amin, gibt seine Wärme ab und bricht dadurch die Bindung zwischen Kohlendioxid und festem Amin auf. Weil der Dampf auf dem festen Amin kondensiert, erfolgt sehr wenig Vermischung mit dem ungebundenen Kohlendioxid und dem Dampf, so daß das ungebundene Kohlendioxid leicht entfernt werden kann.
In einem typischen festen Aminsystem adsorbiert ein Bett festen Amins Kohlendioxid aus der Luft, während ein weiteres Bett von seinem Kohlendioxid desorbiert wird. Nachdem ein Bett von seinem Kohlendioxid durch die Beaufschlagung mit Dampf desorbiert worden ist, muß das auf dem festen Amin gebildete Kondensat entfernt (entwässert) werden, so daß das Bett wieder Kohlendioxid adsorbieren kann. Ein Verfahren zum Adsorbieren von Kohlendioxid in einem Bett, während in einem anderen Bett Kohlendioxid desorbiert und Kondensat entwässert wird, wird ständig ausgeführt, um Kohlendioxid aus der Luftmasse zu entfernen.
Diese bekannten Regenerationssysteme verlangen eine große Menge an Energie. Dampf wird erzeugt, um jedes Bett zu desorbieren. Jedes desorbierte Bett wird dann entwässert, um das Kondensat darauf zu entfernen. Der Entwässerungsprozeß nimmt Wasserdampf, der aus dem Kondensat gebildet worden ist, in die Luft mit. Der mitgenommene Wasserdampf wird aus der Luft durch einen Kondensator entfernt, um zu verhindern, daß die Feuchtigkeit der Luftmasse über unkomfortable Werte ansteigt. Der Dampferzeuger, der Entwässerungsprozeß und der Kondensator verlangen eine große Menge an Energie.
Die EP-A-0 049 782 beschreibt ein Verfahren zur zyklischen Desorption von Adsorptionsmitteln, die zyklisch mit Adsorbaten geladen werden, in zwei Phasen, in welchen ein Gemisch aus einem Desorptionsdampf und einem Adsorptionsdampf über ein Adsorptionsmedium in einer ersten Adsorptionsphase geleitet wird, ein reiner Desorptionsdampf über ein Adsorptionsmedium in einer zweiten Adsorptionsphase geleitet wird, und ein Dampfgemisch, das während der zweiten Adsorptionsphase erzeugt wird, in die erste Adsorptionsphase eingeleitet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein regeneratives Kohlendioxidentfernungssystem zu schaffen, welches sich wirtschaftlich betreiben läßt, indem der Dampf, der zum Desorbieren eines Bettes benutzt wird, wiederbenutzt wird, um andere Betten zu desorbieren.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist so definiert, wie es in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Gemäß der Erfindung benutzt ein Verfahren zum Entfernen einer gasförmigen Komponente aus Luft eine Vielzahl von Betten, wobei jedes Bett drei Zustände hat, einen Adsorptionszustand, in welchem das Bett die gasförmige Komponente aus Luft adsorbiert, einen Desorptionszustand, in welchem ein regeneratives Gas wie Dampf die gasförmige Komponente aus dem Bett desorbiert, wobei das Gas ein Kondensat in dem Bett bildet, während es das Bett desorbiert, und einen Entwässerungszustand, in welchem das Kondensat aus dem Bett entfernt wird.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung wie einen Kompressor zum gleichzeitigen Senken des Druckes in einem Bett in dem Entwässerungszustand, um die Kondensation auf dem Bett zu verdampfen und die verdampfte Kondensation in ein Bett in einem Desorptionszustand zu bewegen, um die gasförmige Komponente aus diesem Bett zu desorbieren, und eine Einrichtung hat zum Einleiten von Luft in ein Bett in einem Adsorptionszustand, um das Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der ausführlichen Beschreibung einer besten Ausführungsform derselben, wie sie in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, deutlicher werden.
Fig. 1 ist eine schematische Ausführungsform des Kohlendioxidregenerationssystems nach der Erfindung; und
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des zyklischen Operationsprofils der Erfindung.
In Fig. 1, auf die Bezug genommen wird, ist die beste Ausführungsform des erfindungsgemäßen regenerativen Kohlendioxidentfernungssystems 10 gezeigt. Das gezeigte System ist dafür ausgelegt, Kohlendioxid aus einer geschlossenen Luftmasse 12, z.B. in einem Unterseeboot, ununterbrochen zu entfernen. Der Fachmann wird jedoch ohne weiteres erkennen, daß ein solches System in anderen Fällen verwendbar ist, in denen eine geschlossene Atmosphäre vorhanden ist.
Das gezeigte System hat mehrere Komponenten, und zwar: eine Vielzahl von festen Aminbetten 14 (A-D) zum Entfernen von Kohlendioxid aus der Luftmasse 12, ein Lufteinlaßsystem 16 zum Einleiten von Luft aus einer geschlossenen Luftmasse in die Betten, ein Luftauslaßsystem 18 zum Wiedereinleiten von gefilterter Luft, die aus den Betten stammt, in die Luftmasse, ein Kohlendioxidsystem 20 zum Entfernen von desorbiertem Kohlendioxid aus den Betten, ein Dampfsystem 22 mit einem Kompressor 24 zum Leiten von Dampf zu jedem der Betten zum Desorbieren und Entwässern der Betten und mit einem Regler 26, der das Leiten von Luft, Dampf und Kohlendioxid aus und zu jedem Bett regelt, um das System zu betreiben, wie es im folgenden erläutert ist.
Vier Betten 14 (A-D) festen Aminmaterials sind schematisch gezeigt. Jedes Bett hat fünf Ventile zum Steuern des Hindurchströmens von Gasen; ein Lufteinlaßventil 27, ein Luftauslaßventil 28, ein Kohlendioxidventil 30, ein Dampfeinlaßventil 32 und ein Dampfauslaßventil 34. Jedes Bett enthält ungefähr 45,4 kg (100 Pfund) festes Aminmaterial mit einer Dichte von etwa 0,56 kg/dm³ (35 Pfund pro Kubikfuß).
Das Lufteinlaßsystem 16 leitet kohlendioxidhaltige Luft in die Betten. Eine Einlaßleitung 36 ist mit einem Verteiler 38 verbunden, der über Leitungen 40 (A-D) mit dem Lufteinlaßventil 27 (A-D) jedes Bettes verbunden ist. Ein Filter 42 ist in der Einlaßleitung angeordnet, um Partikeln zu entfernen, die die Gesundheit gefährden oder die Betten beschädigen können. Eine Leitung 43 ist vorgesehen, um der Luft zu gestatten, den Filter zu umgehen, falls der Filter verstopfen sollte.
Luft wird durch ein Auslaßsystem 18 durch die Betten gesaugt. Jedes Auslaßventil 28 (A-D) ist über eine Leitung 42 (A-D) mit einem Ausgangsverteiler 44 verbunden. Ein Gebläsemotor 46 saugt Luft aus jedem Bett durch den Ausgangsverteiler 44 zum Zurückleiten in die Luftmasse. Die Luft wird im allgemeinen von dem Gebläse aus über eine Leitung 48 durch einen Schalldämpfer 50 geleitet, um innerhalb des Systems erzeugtes Geräusch zu dämpfen. Eine Leitung 51 ist zwischen dem Verteiler 38 und dem Ausgangsverteiler 44 vorgesehen, um eine Prüfung des Druckabfalls in den Betten vornehmen zu können, um einen richtigen Systembetrieb zu gewährleisten.
Jedes Kohlendioxidventil 30 (A-D) ist über eine Leitung 52 (A-D) mit einem Kohlendioxidverteiler 54 verbunden, um desorbiertes Kohlendioxid aus jedem Bett zu entfernen. Für gewisse Verwendungszwecke wie in einem Unterseeboot kann das Kohlendioxid aus jedem Bett durch einen Kompressor 56 herausgezogen werden, der das Gas zum Ausstoßen durch die Hülle (nicht gezeigt) komprimiert. In anderen Fällen kann das Kohlendioxid zur Reduktion in seine Einzelelemente gespeichert oder aus der Luftmasse ohne Kompression ausgestoßen werden.
Der Kern des regenerativen Gassystems ist der Kompressor 24. Der Kompressor ist über eine Leitung 58 mit einem Dampfverteiler 60 verbunden, der an das Dampfausgangsventil 34 (A-D) jedes Bettes über eine Leitung 62 (A-D) angeschlossen ist. Der Ausgang des Kompressors ist über eine Leitung 64 an einen Dampfverteiler 66 angeschlossen, der über eine Leitung 68 (A-D) an das Dampfeingangsventil jedes Bettes angeschlossen ist. Eine Wasserleitung 70 ist an den Dampfkompressor angeschlossen, um für die Kühlung des Kompressors zu sorgen und Dampfverlust innerhalb des Systems auszugleichen, wie es im folgenden beschrieben ist.
Der Kompressor 24 ist dafür ausgelegt, 11,3 kg (25 Pfund) überhitzten Dampfes bei 204,725 ± 1,379 kPa (15.0 ± 0.2 psia) bei 121º ± 17 ºC (250 ± 30 ºF) zu liefern, um ein Bett von seinem Kohlendioxid innerhalb einer Zeitspanne von etwa zehn Minuten zu desorbieren. Weiter, der Kompressor muß in der Lage sein, wenigstens etwa 7,48 kg (16,5 Pfund) Dampf aus einem Bett, das desorbiert wird, bei einem Druck von etwa 110,2 kPa (1.3 psia) herauszuziehen. Irgendein Kompressor (wie er zum Stand der Technik gehört), der dieses Kriterium erfüllt, ist verwendbar. Ein Kohlenstoffleitschaufelkompressor wird bevorzugt, da er selbstschmierend ist und somit keine Kontaminate in das Wasser einbringen dürfte. Das Wasser aus einer Leitung 70 kann in einen Kompressoreinlaß (nicht gezeigt) gesprüht werden, in den Kompressorauslaß gesprüht werden, in einem Mantel (nicht gezeigt) um den Kompressor verdampft werden, oder es kann irgendeine Kombination dieser Methoden benutzt werden, um den Kompressor zu kühlen. Das Sprühen von Wasser in den Kompressoreinlaß wird jedoch bevorzugt. Der Dampf, der durch das Kühlen des Kompressors erzeugt wird, wird benutzt, um sicherzustellen, daß der Dampf, welcher den Kompressor verläßt, innerhalb der Entwurfskriterien ist, sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch hinsichtlich des Dampfgewichts, wie oben im einzelnen angegeben.
Der Regler 26 ist vorgesehen, um die Gase auf die geeigneten Wege zu den richtigen Zeiten zu verteilen und Wasser dem Kompressor zum Kühlen und zum Ersetzen von verlorengegangenem Wasserdampf zuzuführen, wie es im folgenden erläutert ist.
Im Betrieb folgt jedes Bett einer kontinuierlichen Sequenz von Adsorption, Desorption und Entwässerung usw. Der sequentielle Betrieb jedes Bettes ist jedoch gegenüber dem der anderen Betten (vgl. Fig. 2) gestaffelt, so daß das Gesamtsystem kontinuierlich arbeiten kann.
Die Sequenz für ein Bett (d.h. das Bett 14A) sieht folgendermaßen aus: Der Regler 26 bewirkt, daß das Lufteinlaßventil 27A und das Luftauslaßventil 28A geöffnet werden. Das Kohlendioxidventil 30A, das Dampfventil 32A und das Dampfventil 34A werden alle geschlossen. Das kontinuierlich arbeitende Gebläse 46 zieht kohlendioxidhaltige Luft aus der Luftmasse 12 durch die Leitung 36, das Bett 14A (welches Kohlendioxid aus der Luft adsorbiert), die Leitung 42A und den Auslaßverteiler 44, um sie zu der Luftmasse zurückzuleiten.
Nach ungefähr 20 Minuten schließt der Regler 26 das Lufteinlaß- und das Luftauslaßventil 27A, 28A und öffnet das Dampfventil 32A und das Kohlendioxidventil 30A. Der Kompressor treibt einen Dampfstrom durch den Dampfverteiler in das Aminmaterial innerhalb des Bettes. Der Dampf kondensiert auf dem Amin, wobei er seine Wärme abgibt, wodurch das Kohlendioxid desorbiert wird. Das Kohlendioxid wird aus dem Bett über das offene Kohlendioxidventil, die Leitung 52A und den Kohlendioxidverteiler durch den Kohlendioxidkompressor abgesaugt. Weil der Dampf im allgemeinen auf dem Bett kondensiert, erfolgt sehr wenig Vermischung mit dem desorbierten Kohlendioxid.
Nach ungefähr 10 Minuten schließt der Regler 26 das Kohlendioxidventil 30A und das Dampfventil 32A und öffnet das Dampfventil 34A. Der Kompressor erzeugt ein Vakuum in dem Bett 14A über das offene Dampfventil, die Leitung 62A und den Dampfverteiler 60. Das Vakuum (ungefähr 110,2 kPa (1.3 psia)) bewirkt, daß das auf dem Bett 14A gebildete Kondensat verdampft. Der Dampf wird aus dem Bett durch den Kompressor herausgezogen, wodurch das Bett effektiv entwässert wird. Nach ungefähr 10 Minuten beginnt die Sequenz erneut.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der sequentielle Betrieb jedes Bettes gegenüber den anderen Betten versetzt, so daß das Gesamtsystem kontinuierlich arbeitet. Zum Beispiel, in der ersten Zeitspanne von 10 Minuten adsorbieren die Betten 14A, 14D Kohlendioxid, während das Bett 14C desorbiert und das Bett 14B entwässert wird. Der Kompressor 24 desorbiert und entwässert gleichzeitig durch Treiben von Dampf aus einem Bett, das entwässert wird, in ein Bett, das desorbiert wird. Im allgemeinen zieht der Kompressor die 16,5 Pfund Dampf aus dem Bett, das entwässert wird, bei einer Temperatur ab, die etwas niedriger als die ist, welche zum Erhalten von Dampf bei atmosphärischem Druck verlangt wird. Die Temperatur und das Gewicht des Dampfes werden erhöht, um das Bett 14C gleichzeitig zu desorbieren. Der Kompressor komprimiert den Dampf, wobei dessen Temperatur erhöht wird. Der Regler 26 erfaßt das Gewicht und die Temperatur des Dampfes in der Leitung 64. Der Regler reguliert dann das Ventil 72, um eine Wassermenge zum Kühlen des Kompressors einzulassen. Das Wasser wird in Dampf verwandelt, wenn es den Kompressor kühlt, und wird dem Abdampf in der Leitung 64 zugesetzt, um zu gewährleisten, daß 11,3 kg (25 Pfund) Dampf mit etwa 121 ºC (250 ºF) dem Bett 14C zugeführt werden, das desorbiert werden soll.
Zum Hochfahren des Systems betätigt der Regler das Ventil 72, um dem Kompressor 24 Wasser zuzuführen, der, wie oben dargelegt, gekühlt wird, wodurch das Wasser in Dampf verwandelt wird. Das System wird für mehrere Zyklen betrieben, bis der Kompressor in der Lage ist, 11,3 kg (25 Pfund) Dampf einem Bett zuzuführen, in welchem Punkt das System vollständig betriebsfähig ist.
Durch Wiederverwenden der latenten Wärme, die durch den kondensierten Dampf in jedem Bett zurückbleibt, das desorbiert worden ist, werden weniger tausende J (BTUs) benötigt, um die Temperatur des verdampften Kondensats auf Dampf zu erhöhen. Die Ineffizienz und die Arbeit, die durch den Dampfkompressor geleistet wird, werden benutzt, um den Dampf zu erzeugen, der notwendig ist, das Wasser zu ersetzen, das in den festen Aminbetten zurückgelassen wird. Durch Wiederverwenden des meisten Wassers, das in dem festen Aminbett verbleibt, werden der Kondensator und der Entwässerungsprozeß des Standes der Technik eliminiert.

Claims

1. Verfahren zum Entfernen einer gasförmigen Komponente aus Luft unter Verwendung von mehreren Adsorptionsbetten, wobei jedes Bett drei Zustände hat, einen Adsorptionszustand, in welchem das Bett die gasförmige Komponente aus der Luft adsorbiert, die durch das Bett hindurchbewegt wird, wobei sich an den Adsorptionszustand ein Desorptionszustand anschließt, in welchem ein regeneratives Gas, das aus Wasserdampf besteht, die gasförmige Komponente aus dem Bett desorbiert, wobei das regenerative Gas auf dem Bett ein Kondensat bildet, wobei sich an dem Desorptionszustand ein Entwässerungszustand anschließt, in welchem das Kondensat aus dem Bett entfernt wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: gleichzeitiges Senken des Druckes innerhalb eines Bettes in dem Entwässerungszustand, um das Kondensat zu verdampfen und das verdampfte Kondensat als das regenerative Gas in ein Bett im Desorptionszustand zu leiten, um die gasförmige Komponente aus dem Bett zu desorbieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt beinhaltet, das verdampfte Kondensat zu erwärmen, während das verdampfte Kondensat in ein Bett im Desorptionszustand bewegt wird, so daß das verdampfte Kondensat als ein Dampf auf atmosphärischem Druck bleibt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die gasförmige Komponente, die zu entfernen ist, Kohlendioxid ist, wobei die Zahl der Adsorptionsbetten drei beträgt und wobei das Adsorbens, das in den Adsorptionsbetten enthalten ist, festes Aminmaterial ist;

die Adsorptionsbetten sukzessive und auf zyklische Weise die drei Zustände durchlaufen, wobei gleichzeitig ein Bett im Adsorptionszustand ist, ein weiteres Bett im Desorptionszustand ist und das dritte Bett im Entwässerungszustand ist und die Zustände der Betten geändert werden, bevor das Aufbrechen des Kohlendioxids in dem Bett, das im Adsorptionszustand ist, erfolgt.