NL9201226A - Werkwijze en inrichting voor het reguleren van de vochtigheid van een gasstroom en het tegelijkertijd zuiveren daarvan van ongewenste zure of basische gassen. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het reguleren van de vochtigheid van een gasstroom en het tegelijkertijd zuiveren daarvan van ongewenste zure of basische gassen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het reguleren van de vochtigheid van een gasstroom en het zuiveren van die gasstroom van bijvoorbeeld zure of basische gassen, waarbij de gasstroom wordt geleid langs een zijde - de retentaatzijde - van een membraan, waardoorheen waterdamp kan diffunderen en aan de andere zijde waarvan - de permeaatzijde - een hygroscopische vloeistof stroomt.

Het is bekend om waterdamp aan een gasstroom te onttrekken, door het vocht daarin te condenseren door afkoeling tot onder het dauwpunt. Om de vochtigheid van een gasstroom op een bepaalde gewenste waarde in te stellen is het ook mogelijk eerst het gas te verwarmen, het op die temperatuur met vocht te verzadigen en het daarna tot het gewenste dauwpunt af te koelen.

Andere methodes om waterdamp uit een gas te verwijderen zijn die, waarbij gebruik wordt gemaakt van hygroscopische media of zouten.

Een praktische en continu bruikbare methode van dit type wordt beschreven in het US-octrooi no. 4.915.838: om waterdamp te verwijderen uit lucht wordt de te drogen luchtstroom geleid langs de retentaatzijde van een microporeus membraan. Het gebruikte membraan is een zogenaamd holle-vezel-membraan.

Aan de permeaatzijde van het membraan stroomt een hygroscopische vloeistof. Waterdamp uit de gasstroom diffundeert door de poriën van het membraan van de retentaatzijde naar de permeaatzijde en wordt daar door de hygroscopische vloeistof opgenomen en afgevoerd.

Voor het gebruik van methodes voor het reguleren van de vochtigheid van gassen zoals lucht, is een ruim toepassingsgebied: in gebouwen, voertuigen, enz.. In het bijzonder is het daarbij veelal ook van belang die gassen te zuiveren van ongewenste, bijvoorbeeld schadelijke gasbestanddelen zoals de zure gassen H2S, SO2, NO2, CO2 enz., maar ook van basische gassen zoals NH3 en andere. Met betrekking tot het verwijderen van schadelijke gassen in lucht kan worden gedacht aan toepassingen bij verontreinigde lucht in industrie- en stedelijke gebieden, langs autosnelwegen, maar ook binnen gebouwen en voertuigen, zoals bijvoorbeeld in musea om aantasting van kunstwerken door binnendringende gassen of door tabaksrook te voorkomen.

Dit verwijderen van ongewenste bestanddelen uit lucht kan niet gelijktijdig met de hiervóór beschreven methodes voor het reguleren van de vochtigheid van die lucht plaatsvinden. Door bijvoorbeeld afkoelen van de lucht tot beneden het dauwpunt kunnen alleen de condenseerbare bestanddelen daaruit worden verwijderd, aangenomen dat de dauwpunten van die bestanddelen dan ook nog met elkaar corresponderen. En wanneer hygroscopische media worden gebruikt, wordt behalve waterdamp geen ander gas daarmee verwijderd.

De uitvinding betreft een werkwijze, waarmee het reguleren van de vochtigheid van een luchtstroom en het daaruit verwijderen van ongewenste gassen, die goed in basische, zure, of neutrale waterige oplossingen worden geabsorbeerd, gelijktijdig, in één proces, kan worden gerealiseerd. De werkwijze volgens de uitvinding vertoont daartoe het kenmerk dat een membraan wordt gebruikt, waardoorheen ook de betreffende te verwijderen gassen kunnen diffunderen en dat de hygroscopische vloeistof is gemengd met een waterige component, zodanig dat het water-gehalte van het mengsel is afgestemd op de gewenste evenwichtsvochtig-heid van de te behandelen gasstroom en dat samenstelling ervan is afgestemd op de oplosbaarheid daarin van de uit de gasstroom te verwijderen bijvoorbeeld zure of basische componenten.

Het watergehalte van het hygroscopische mengsel is maatgevend voor de in te stellen evenwichtsvochtigheid. Daar het membraan in beide richtingen - van de retentaatzijde naar de permeaatzijde en omgekeerd-waterdamp kan doorlaten, kan zowel waterdamp aan de te behandelen gasstroom worden toegevoegd', als daaraan worden onttrokken. En door diffusie van de betreffende gascomponent(en) van de retentaatzijde van het membraan naar de permeaatzijde ervan, gevolgd door absorptie in de waterige, eventueel zure of basische component van het langs de permeaatzijde van het membraan stromende hygroscopische mengsel, wordt/ worden die gascomponent(en) gelijktijdig met de regeling van de vochtigheid uit de te behandelen gasstroom verwijderd. Daartoe dient dan wel de waterige component een zodanige samenstelling te hebben, dat de oplosbaarheid van de te verwijderen component wordt vergroot en/of wordt versneld door een fysische of chemische interactie. De samenstelling dient te zijn aangepast aan de aard van de te verwijderen gassen. Bijvoorbeeld zijn daarin sterke of zwakke organische of anorganische zuren of basen opgelost.

Goede resultaten zijn bereikt met een hygroscopische vloeistof, die bestaat uit polaire glycolen, alcoholen of glycerolen zoals tri-ethyleenglycol of polyethyleenglycol of mengsels daarvan. Waterige electroliet-oplossingen met hygroscopische eigenschappen komen ook in aanmerking. In het algemeen geldt, dat een zodanig hygroscopisch mengsel, de hygroscopische vloeistof met de daarin opgeloste bestanddelen, moet worden gekozen, dat het compatibel is met de te gebruiken membranen en module-materialen.

De uitvinding omvat ook een methode om een voor het regelen van de vochtigheid gebruikt hygroscopisch mengsel tijdens het proces te regenereren tot het weer het gewenste watergehalte heeft. Die methode is daardoor gekenmerkt, dat het mengsel dan eerst tot een bepaalde temperatuur wordt verwarmd of wordt gekoeld, het daarna via een voor waterdamp permeabel membraan in kontakt wordt gebracht met een gasstroom met een bepaalde vochtigheid, totdat evenwicht is bereikt en tenslotte het mengsel weer wordt gekoeld, respectievelijk wordt verwarmd tot de werk-temperatuur.

De te gebruiken membraanmodule bevat één of meer membranen, die microporeus en hydrophoob zijn. Bijvoorbeeld voldoet in dit opzicht polypropeen. In ieder geval dienen ze een voor het doel voldoend groot uitwisselend oppervlak te hebben; het kunnen holle-vezel-membranen zijn, maar ook vlakke membranen kunnen worden toegepast. In principe maakt het niet uit aan welke zijde van het membraan de gas- respectievelijk de vloeistofstroom wordt geleid. Zo kan bij een holle-vezel-membraan óf de vloeistofstroom door de vezel stromen, óf de gasstroom.

Onder omstandigheden verdient het de voorkeur om genoemd type membranen te gebruiken met een niet-poreuze toplaag. Dergelijke membranen zijn vooral van voordeel indien door de aard van het hygroscopische mengsel en/of door de manier waarop te werk wordt gegaan, de kans bestaat op ongewenste doorslag van het hygroscopische mengsel door de poriën van het microporeuze membraan. Een dunne toplaag bestaat bijvoorbeeld uit PDMS (siliconen-rubber) of polytrimethylsilylpropyne, of uit dunne gel-lagen op polymeer-basis.

Uiteraard dient de permeabiliteit van deze toplaag voor zowel waterdamp als voor de uit het te behandelen gas te verwijderen bestanddelen voldoende groot te zijn om een effectieve verwijdering te doen plaatshebben. Zo’n toplaag kan hydrophoob of hydrophiel zijn.

Bij het gebruik van membranen met een niet-poreuze toplaag zal op grond van overwegingen m.b.t. een effectieve stofoverdracht bij de keuze van de membraanzijde waarlangs de vloeistof respectievelijk het gas stroomt, de voorkeur uitgaan naar stroming van de vloeistof langs de toplaag. Op grond van mogelijke vervuiling vanuit de gas/lucht fase, kan echter ook worden gekozen voor stroming van gas/lucht langs de toplaag: vuil zal dan vóór de toplaag blijven hangen en niet indringen in de poreuze laag van het membraan.

De uitvinding omvat ook een inrichting voor het uitvoeren van de hiervóór beschreven werkwijzen. Hij bevat daartoe een membraanmodule met een of meer membranen waardoorheen zowel waterdamp als de te verwijderen, bijvoorbeeld zure of basische gassen kunnen diffunderen en voorzien van middelen om aan de ene zijde van het/de membraan/membranen de te zuiveren en qua vochtigheid te reguleren gasstroom erlangs te leiden en om aan de andere zijde een zuur, basisch of neutraal hygro-scopisch mengsel erlangs te leiden.

De membranen zijn dan bij voorkeur microporeus en hydrophoob, hebben een voldoend groot uitwisselend oppervlak en zijn eventueel voorzien van een niet-poreuze toplaag met een voldoend grote permeabiliteit voor de erdoorheen te diffunderen stoffen.

Hierna volgen beschrijvingen van enige uitvoeringsvoorbeelden van werkwijzen volgens de uitvinding, waarin de verrschillende aspecten daarvan worden belicht.

In het algemeen geldt, dat de concentratie van het zuur of de base in de absorptievloeistof, of ook in het totale mengsel, varieert met de hoeveelheid water, die aan de te behandelen luchtstroom is onttrokken, respectievelijk daaraan is toegevoegd.

Voorbeeld 1

Een vochtige stikstofstroom met een SO2-gehalte van 500 ppm werd bij 20 °C met een debiet van 4 liter per minuut geleid door de vezels van een holle-vezel-membraan-module (type ENKA LM2P06, polypropeen- vezels, microporeus). De membraanmodule heeft vezels met een inwendige diameter van 0,6 nm en een totaal membraanoppervlak van 400 cm2. Als absorptievloeistof werd de vezelbundel aan de buitenkant omstroomd met 0,25 1/min. van een mengsel van ethyleenglycol en circa 20%, 1 Mol, natriumcarbonaat-oplossing. De verhouding van ethyleenglycol en na-triumcarbonaatoplossing in dit mengsel was op gewichtsbasis 4:1. Voor de ingaande stikstofstroom werd een relatieve vochtigheid van ongeveer 94% gemeten, met een dauwpunt van 18.8 °C. De SO2- concentratie was op 500 ppm gebracht.

In de uitgaande stikstofstroom werd een relatieve vochtigheid van ongeveer 61% gemeten, met een dauwpunt van 12.1 °C. Als SO2-concentratie van de uitgaande stikstofstroom werd gemeten een gehalte van 0,5 ppm.

Het blijkt dus, dat tegelijkertijd de vochtigheid van de stikstofstroom is gereguleerd, c.q. is afgenomen, en het S02-gehalte van de stikstofstroom met 99% is gereduceerd.

Voorbeeld 2

In eenzelfde membraanmodule als in voorbeeld 1 werd door de vezels een droge stikstofstroom geleid met een S02-gehalte van 500 ppm, met een debiet van 4 liter per minuut. Als absorptievloeistof werd rond de vezels een vloeistof gepompt, bevattende circa 80% ethyleenglycol en circa 20%, 1 M natriumcarbonaatoplossing. De absorptievloeistof had een debiet van ongeveer 0,5 liter/min. De werktemperatuur was ongeveer 28 °C.

In de ingaande stikstofstroom werd een relatieve vochtigheid van ongeveer 10% gemeten, met een dauwpunt van -5,5 °C. In de uitgaande stikstofstroom werd een SO2-concentratie van 0,5 ppm en een relatieve vochtigheid van ongeveer 41% (dauwpunt 14,0 °C) gemeten.

Het blijkt dus, dat tegelijkertijd de vochtigheid van de stikstofstroom is gereguleerd, c.q. is toegenomen, en het S02-gehalte van de stikstofstroom met 99% is gereduceerd.

Voorbeeld 3

In dezelfde opstelling als in voorbeelden 1 en 2 werd vervolgens onderzocht welke invloed de concentratie van natriumcarbonaat heeft op de verwijderingsgraad van SO2 uit de stikstofstroom. Hiertoe werd de natriumcarbonaat-concentratie verlaagd van de oorspronkelijke 1 Mol naar resp. 0,3 M en 0,1 M. Gevonden werd, dat bij 0,3 M natriumcar-bonaat de verwijderingsgraad voor SO2 nog steeds 99% hoger was. Bij 0,1 M natriumcarbonaat bleek de verwijderingsgraad van SO2 tot ongeveer 90% te zijn gereduceerd.

Voorbeeld 4

In dezelfde proefopstelling als in voorbeelden 1 en 2 werd vervolgens onderzocht welke verwijdering van SO2 uit de stikstofstroom kan worden bereikt in mengsels van ethyleenglycol en water (zonder natriumcarbonaat) en in water alleen. De uitgangsconcentratie SO2 in de stikstofstroom werd hierbij verlaagd tot 51,3 ppm. Gevonden werden verwij-deringsgraden van maximaal 50%; bij langere duur van de proef zakte de verwijderingsgraad naar ongeveer 40% of lager. Uit de resultaten van de voorbeelden 3 en 4 kan worden afgeleid dat zonder toevoeging van natriumcarbonaat, of bij toevoeging van natriumcarbonaat in een concentratie lager dan 0,1 M, de verwijderingsgraad voor SO2 snel afneemt. Kennelijk raakt de oplossing in dat geval snel verzadigd met SO2, zodat verdere opname belemmerd wordt. Voor een efficiënte verwijdering van SO2 met tegelijkertijd regulering van de vochtigheid van de stikstofstroom is dus een matriumcarbonaat-concentratie van 0,1 M of hoger nodig.

Voorbeeld 5

In dezelfde proefopstelling als in voorbeelden 1 en 2 werd het experiment van voorbeeld 1 herhaald, doch met dat verschil dat als absorptievloeistof werd gebruikt een mengsel van triethyleenglycol (TEG) en een kaliumcarbonaat-oplossing (1 M). De verhouding van TEG en kaliumcarbonaat-oplossing in dit mengsel was op gewichtsbasis ongeveer 4:1. Met dit mengsel werd eenzelfde verwijderingsgraad voor vocht, en tegelijkertijd voor SO2 gemeten als in voorbeeld 1.

Geconcludeerd kan worden, dat met een mengsel van TEG en kaliumcarbonaat-oplossing op dezelfde wijze als met de mengsels gebruikt in voorbeelden 1-4 de vochtigheid voor de stikstofstroom kan worden gereguleerd, en tegelijkertijd het SÜ2-gehalte met 99% kan worden gereduceerd.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het reguleren van de vochtigheid van een gas-stroom en het zuiveren van die gasstroom van bijvoorbeeld zure of basische gassen, waarbij de gasstroom wordt geleid langs een zijde - de retentaatzijde -van een membraam, waardoorheen waterdamp kan diffunderen en aan de andere zijde waarvan - de permeaatzijde - een hygrosco-pische vloeistof stroomt, met het kenmerk, dat een membraan wordt gebruikt, waardoorheen de betreffende zure of basische gassen kunnen diffunderen en dat de hygro-scopische vloeistof is gemengd met een waterige component, zodanig dat het watergehalte van het mengsel is afgestemd op de gewenste even-wichtsvochtigheid van de te behandelen gasstroom en de samenstelling ervan is afgestemd op het vergroten en/of versnellen van de oplosbaarheid daarin van de uit de gasstroom te verwijderen, bijvoorbeeld zure of basische componenten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hygroscopische vloeistof bestaat uit polaire glycolen, alcoholen of glycerolen, zoals triethyleenglycol of polyethy-leen-glycol of mengsels daarvan.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de hygroscopische vloeistof bestaat uit een waterige elektroliet-oplossing met hygroscopische eigenschappen.

4. Werkwijze volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat tijdens uitvoering van de werkwijze, het gebruikte hygroscopische mengsel wordt geregeneerd tot het gewenste watergehalte is bereikt, door het eerst tot een bepaalde temperatuur te verwarmen of te koelen, het daarna via een voor waterdamp permeabel membraan in kontakt te brengen met een gasstroom met een bepaalde vochtigheid tot evenwicht is bereikt en tenslotte het mengsel weer te koelen of te verwarmen tot de werktemperatuur.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk dat een membraanmodule wordt gebruikt met een of meer microporeuze, hydrophobe membranen, met een voldoend groot uitwisselend membraan-oppervlak.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een membraan/membranen wordt/worden gebruikt met een niet-poreuze toplaag, die een voldoend grote permeabiliteit heeft voor zowel waterdamp als voor de te verwijderen, bijvoorbeeld zure of basische gassen.

7. Inrichting voor het uitvoeren van een der werkwijzen volgens conclusies 1-6, bevattende een membraanmodule met een of meer membranen waardoorheen zowel waterdamp als de te verwijderen, bivoorbeeld zure of basische gassen kunnen diffunderen en voorzien van middelen-om aan de ene zijde van het/de membraan/membranen de te zuiveren en qua vochtigheid te reguleren gasstroom erlangs te leiden en om aan de andere zijde een zuur, basisch of neutraal hygroscopisch mengsel erlangs te leiden.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk dat het/de membraan/membranen een microporeus holle vezel-membraan/membranen is/zijn, gemaakt van hydrophobe materialen.

9. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het/de membraan/membranen vlak, microporeus en hydrophoob is/zijn met een voldoend groot uitwisselend membraanopper-vlak.

10. Inrichting volgens een der conclusies 7, 8 en 9, met het kenmerk, dat het/de membraan/membranen is/zijn voorzien van een niet-poreuze toplaag, met een zodanige permeabiliteit voor waterdamp en de zure of basische gassen, dat de werkwijze volgens conclusie 6 kan worden uitgevoerd.