DE102007041801B4 - Process for heating a solid bed and a corresponding device thereto - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erwärmung eines Feststoffbettes (11), wobei das Feststoffbett (11) mindestens einen Anstrombereich zum Einströmen eines Trägergases in das Feststoffbett (11) und mindestens einen Abstrombereich zum Ausströmen des Trägergases aus dem Feststoffbett (11) aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: – Einbringen von elektromagnetischer Strahlung in das Feststoffbett (11), – Einbringen eines Übertragungsmediums in den Anstrombereich oder einen anderen Bereich des Feststoffbettes (11) und gleichzeitige Durchströmung des Feststoffbettes (11) mit einem Trägergas, – wobei das Feststoffbett (11) mindestens eine das Übertragungsmedium adsorbierende Komponente enthält und das Übertragungsmedium zumindest teilweise am Feststoffbett (11) adsorbiert wird, und – durch das Übertragungsmedium zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbiert wird, – Verweilen des Übertragungsmediums im Feststoffbett (11), wobei das Übertragungsmedium eine erhöhte Energieabsorption des Feststoffbettes (11) initiiert, welche zu einer Erwärmung des Feststoffbettes (11) führt, – Erwärmung des Feststoffbettes (11) aufgrund der erhöhten Energieabsorption des Feststoffbettes (11), – Desorption...A method for heating a solid bed (11), the solid bed (11) having at least one inflow area for a carrier gas to flow into the solid bed (11) and at least one downstream area for the carrier gas to flow out of the solid bed (11), with the following method steps: of electromagnetic radiation in the solid bed (11), - introduction of a transfer medium into the inflow area or another area of the solid bed (11) and simultaneous flow through the solid bed (11) with a carrier gas, - the solid bed (11) at least one adsorbing the transfer medium Contains component and the transfer medium is at least partially adsorbed on the solid bed (11), and - at least part of the electromagnetic radiation is absorbed by the transfer medium, - lingering of the transfer medium in the solid bed (11), the transfer medium increasing the energy absorption of the solid ffbettes (11) initiated, which leads to a heating of the solids bed (11), - heating of the solids bed (11) due to the increased energy absorption of the solids bed (11), - desorption ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gezielten und selektiven Erwärmung von Feststoffbetten und zur Initiierung eines gekoppelten Stoff- und Energieflusses unter Verwendung von mit ionenhaltigen Stoffen modifizierten Feststoffen mit den in den Ansprüchen 1 und 31 genannten Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.The invention relates to a method and apparatus for the selective and selective heating of solid beds and to initiate a coupled material and energy flow using modified with ionic substances solids having the features mentioned in
Die Erwärmung von Feststoffen ist in Verbindung mit zahlreichen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen ein weit verbreitetes technisches Problem. Während für die Aufheizung gasförmiger und flüssiger Medien eine Vielzahl von effizienten Methoden zur Verfügung steht, wird für die Erwärmung von festen Stoffen nach wie vor ein großer Entwicklungsbedarf gesehen, da Schüttbetten meist eine geringe effektive Wärmeleitfähigkeit besitzen und in der Regel während des Prozesses nicht durchmischt werden können. Neben den etablierten Verfahren, die auf der indirekten Erwärmung über Grenzflächen mit Kontakt zum Schüttbett oder über einen Trägergasstrom beruhen, zeichnen sich die dielektrischen Heizverfahren durch die Tatsache aus, dass die Wärme direkt im Volumen des Materials erzeugt wird und deshalb Wärmeleitungsprozesse eine geringere Bedeutung besitzen. Für die direkte dielektrische Erwärmung werden in der Regel Mikrowellen (MW) oder Radiowellen (RW) eingesetzt, die typischerweise Frequenzen im GHz- bzw. MHz-Bereich besitzen. Im Vergleich zu MW besitzen RW in den meisten Materialien größere Eindringtiefen, so dass durch letztere die Erwärmung größerer Volumina realisiert werden kann. Bei der RW-Anwendung kann darüber hinaus durch ein elektronisches Anpassnetzwerk die Energieübertragung in Medien mit unterschiedlichen oder sich während der Erwärmung ändernden dielektrischen Eigenschaften ohne größere Verluste sichergestellt werden.The heating of solids, in combination with numerous physical, chemical and biological processes, is a widespread technical problem. While a variety of efficient methods are available for the heating of gaseous and liquid media, the heating of solids is still considered to be a major development, since bulk beds usually have a low effective thermal conductivity and are usually not mixed during the process can. In addition to the established methods based on indirect heating via interfaces with contact to the packed bed or via a carrier gas flow, the dielectric heating methods are characterized by the fact that the heat is generated directly in the volume of the material and therefore heat conduction processes have less importance. For direct dielectric heating usually microwaves (MW) or radio waves (RW) are used, which typically have frequencies in the GHz or MHz range. In contrast to MW, RW have greater penetration depths in most materials, so that the latter can be used to heat larger volumes. In the RW application, moreover, an electronic matching network can ensure energy transfer in media having different or varying dielectric properties during heating without major losses.
Eine Besonderheit dielektrischer Heizverfahren gegenüber konventionellen Verfahren, die auf der Wärmeleitung in das Medium oder innerhalb des Materials beruhen, besteht darin, dass gezielt Temperaturunterschiede innerhalb eines Schüttbettes etabliert werden können. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass Stoffe mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften und damit unterschiedlicher Energieabsorption vorliegen. Die Etablierung interner Temperaturgradienten besitzt ein erhebliches Anwendungspotenzial für eine Reihe von technischen Prozessen, beispielsweise in der bifunktionellen Katalyse.A special feature of dielectric heating methods compared to conventional methods, which are based on the heat conduction into the medium or within the material, is that specifically temperature differences can be established within a packed bed. This can be achieved, for example, by providing substances with different dielectric properties and thus different energy absorption. The establishment of internal temperature gradients has considerable application potential for a number of technical processes, for example in bifunctional catalysis.
Die technischen Prozesse in Verbindung mit Festbetten sind meist mit Stoffflüssen durch das Festbett verbunden, die über den Trägergasstrom erfolgen. Die transportierten Stoffe treten in Wechselwirkung mit der Schüttung, so dass Vorgänge wie Adsorption und Desorption, chemische Reaktionen oder Trennprozesse stattfinden können.The technical processes in connection with fixed beds are usually associated with material flows through the fixed bed, which take place via the carrier gas flow. The transported substances interact with the bed, so that processes such as adsorption and desorption, chemical reactions or separation processes can take place.
Bei der Anwendung konventioneller Heizverfahren sind die Temperaturen über längere Zeiträume zeitlich, da die Aufheizraten und der Wärmeabtransport beschränkt sind, und räumlich konstant. Die Temperatur kann folglich nur eingeschränkt als Prozessparameter genutzt werden. Um diese Einschränkung zu überwinden, können erfindungsgemäß bei Verwendung eines geeigneten Übertragungsmediums durch dielektrische Erwärmung das Festbett durchlaufende gekoppelte Energie- und Stoffstrompulse, so genannte thermo-chromatographische Pulse, initiiert werden (
Dieses Verfahren ist praktisch jedoch auf bestimmte Kombinationen von Feststoff und Übertragungsmedium begrenzt. Für den Prozess eines thermo-chromatographischen Pulses sind insbesondere die dielektrischen Eigenschaften des Festbettmaterials und vor allem der dielektrische Verlustfaktor von Bedeutung. Liegen diese Parameter nicht in einem entsprechenden Bereich, so lässt sich durch die parallele Anwendung eines Übertragungsmediums und eines externen hochfrequenten elektrischen Feldes kein stabiler, das Festbett durchlaufender Puls initiieren. Dies hat zur Konsequenz, dass eine Reihe von für den jeweiligen technischen Prozess besonders geeigneten Materialien nicht für die Erwärmung mit einem thermo-chromatographischen Puls zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise für hydrophobe Zeolithe der Fall, die besonders gute Sorptionseigenschaften gegenüber organischen Schadstoffen besitzen und somit an sich für eine adsorptive Reinigung von Abluftströmen und der thermischen Regenerierung mittels dielektrischer Erwärmung prädestiniert sind.However, this method is practically limited to certain combinations of solid and transfer medium. For the process of a thermochromatographic pulse, in particular the dielectric properties of the fixed bed material and above all the dielectric loss factor are of importance. If these parameters are not in a corresponding range, it is not possible to initiate a stable pulse passing through the fixed bed by the parallel application of a transmission medium and an external high-frequency electric field. The consequence of this is that a number of materials which are particularly suitable for the respective technical process are not available for heating with a thermochromatographic pulse. This is the case, for example, for hydrophobic zeolites, which have particularly good sorption properties with respect to organic pollutants and are thus predestined for adsorptive purification of exhaust air streams and thermal regeneration by means of dielectric heating.
Eine über die Optimierung des Erwärmungsprozesses hinausgehende Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zur Modifikation von Feststoffen anzugeben, mit denen Materialien so zu verändern sind, dass sie einer Erwärmung mit einem thermo-chromatographischen Puls zugänglich werden und darüber hinaus ein Verfahren unter Verwendung so modifizierter Feststoffe zu beschreiben, das eine optimierte dielektrische Erwärmung beinhaltet. Damit sollen die Einschränkungen nach dem Stand der Technik überwunden und die stoffliche Basis für das spezielle Erwärmungsverfahren wesentlich erweitert werden. Es soll eine Palette von Materialien zur Verfügung gestellt werden, die sowohl für die jeweiligen Prozesse optimierte Eigenschaften wie z. B. Adsorptionskapazität oder katalytische Aktivität besitzen als auch mit Hilfe eines thermo-chromatographischen Pulses erwärmt werden können.An object of the present invention beyond the optimization of the heating process is to provide a way of modifying solids with which materials are to be changed so that they become accessible to heating with a thermochromatographic pulse and, moreover, a method using such to describe modified solids that include optimized dielectric heating. This is intended to overcome the limitations of the prior art and to significantly expand the material basis for the specific heating process. It should be made available a range of materials that are optimized both for the respective processes optimized properties such. B. adsorption capacity or catalytic activity and can be heated by means of a thermo-chromatographic pulse.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 (Verfahrensanspruch) und des Anspruchs 31 (Vorrichtungsanspruch) im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. This object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1 (method claim) and claim 31 (device claim) in cooperation with the features in the preamble. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Verwendung eines mit ionenhaltigen Stoffen behandelten Ausgangsmaterials, das die prozessgemäß gewünschten Eigenschaften aufweist oder durch die Behandlung diese Eigenschaften erhält, sowie bei Bedarf eine Nachbehandlung, die die gewünschten dielektrischen Eigenschaften bezüglich des thermo-chromatographischen Pulses realisiert. Anzustreben ist, dass das Material die am Anfang vorhandenen prozessadäquaten Eigenschaften wie Sorptionskapazität oder katalytische Aktivität weitgehend oder vollständig behält und die dielektrischen Eigenschaften zusätzlich durch die Behandlung mit einem ionenhaltigen Stoff erhält. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung eines Feststoffbettes, welches mindestens einen Anstrombereich zum Einströmen eines Trägergases in das Feststoffbett und mindestens einen Abstrombereich zum Ausströmen des Trägergases aus dem Feststoffbett aufweist, besitzt damit insgesamt folgende Verfahrensschritte: 1) Einbringen von elektromagnetischer Strahlung in das Feststoffbett 2) Einbringen eines Übertragungsmediums in einen Bereich des Feststoffbettes, wobei das Übertragungsmedium zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbiert; 3) Durchströmung des Feststoffbettes mit einem Trägergas; 4) Wechselwirkung des Übertragungsmediums mit dem Feststoffbett, wobei das Übertragungsmedium eine erhöhte Energieabsorption im entsprechenden Bereich des Feststoffbettes initiiert; 5) Erwärmung des Feststoffbettes aufgrund der erhöhten Energieabsorption; 6) Mobilisierung des Übertragungsmediums aufgrund der Erwärmung des Feststoffbettes und Transport des freigesetzten Übertragungsmediums mit dem Trägergasstrom, wobei das Feststoffbett ein mit ionenhaltigen Stoffen behandeltes Material beinhaltet oder vor dem Einbringen des Übertragungsmediums mit mindestens einem ionenhaltigen Stoff behandelt wird. Die gekoppelte, pulsförmige Stoff- und Energieausbreitung im Feststoffbett wird als thermo-chromatographischer Puls (oder auch vereinfachend als Temperaturpuls) bezeichnet.The process according to the invention involves the use of a starting material treated with ion-containing substances, which has the desired properties according to the process or obtains these properties by the treatment, and, if required, an aftertreatment which realizes the desired dielectric properties with respect to the thermochromatographic pulse. It is desirable that the material substantially or completely retains the initial process-adequate properties, such as sorption capacity or catalytic activity, and additionally obtains the dielectric properties through treatment with an ion-containing material. The inventive method for heating a solid bed, which has at least one Anstrombereich for influx of a carrier gas into the solid bed and at least one Abstrombereich for discharging the carrier gas from the solid bed, thus has the following overall process steps: 1) introduction of electromagnetic radiation in the solid bed 2) introduction a transfer medium into a region of the solid bed, the transfer medium absorbing at least a portion of the electromagnetic radiation; 3) flow through the solid bed with a carrier gas; 4) interaction of the transfer medium with the solid bed, wherein the transfer medium initiates increased energy absorption in the corresponding region of the solid bed; 5) heating of the solid bed due to increased energy absorption; 6) Mobilization of the transfer medium due to the heating of the solid bed and transport of the released transfer medium with the carrier gas stream, wherein the solid bed includes a treated with ionic materials material or treated prior to introduction of the transfer medium with at least one ion-containing material. The coupled, pulsed mass and energy propagation in the solid bed is referred to as a thermo-chromatographic pulse (or simplifying as a temperature pulse).
Die das Feststoffbett bildenden Materialien sind vorzugsweise schüttbar und besitzen Partikelgrößen im mm-Bereich, wobei unterschiedliche, der jeweiligen Nutzung angepasste Geometrien wie beispielsweise Kugeln, Stäbchen oder Ringe eingesetzt werden können. Für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Adsorptionstechnik und der Katalyse handelt es sich um poröse Materialien wie Zeolithe unterschiedlicher Struktur, poröse Metalloxide oder Aktivkohle. Unter diesen werden in besonders bevorzugten Verwendungsvarianten Zeolithe, poröses Aluminiumoxid oder Silikagel eingesetzt.The materials forming the solid bed are preferably pourable and have particle sizes in the mm range, it being possible to use different geometries adapted to the respective use, such as, for example, spheres, rods or rings. For a variety of applications in the field of adsorption and catalysis are porous materials such as zeolites of different structure, porous metal oxides or activated carbon. Among these, zeolites, porous alumina or silica gel are used in particularly preferred use variants.
Zur Modifikation dieser Materialien, um sie für die Initiierung einer selektiven dielektrischen Erwärmung mit einem durchlaufenden Temperaturpuls nutzbar zu machen, werden vorzugsweise Salze verwendet, die durch Imprägnierung mit einer wässrigen Lösung in das Material eingebracht werden. Für die Wahl der Salzart sind die Veränderung der dielektrischen Eigenschaften und die Bindungsfähigkeit der Kationen bzw. Anionen an das zu behandelnde Material von großer Bedeutung.In order to modify these materials in order to make them useful for the initiation of a selective dielectric heating with a continuous temperature pulse, preferably salts are used, which are introduced into the material by impregnation with an aqueous solution. For the choice of the type of salt, the change in the dielectric properties and the binding ability of the cations or anions to the material to be treated are of great importance.
Vorzugsweise werden gut in Wasser lösliche Salze zur Modifikation der Materialien eingesetzt. Bei gleichen oder vergleichbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften der präparierten Materialien spielen Preis und mögliche Toxizität eine Rolle für die Auswahl der eingesetzten Salze. Bevorzugte ionenhaltige Stoffe sind Natrium-, Kalium-, Kalzium- oder Magnesiumsalze. Als Anionen kommen bevorzugt Chlorid-, Sulfat-, Sulfit-, Nitrat- oder Carbonationen zum Einsatz.Preferably, water-soluble salts are used to modify the materials. For the same or comparable physical-chemical properties of the prepared materials, price and possible toxicity play a role in the selection of the salts used. Preferred ionic substances are sodium, potassium, calcium or magnesium salts. Chloride, sulfate, sulfite, nitrate or carbonate ions are preferably used as anions.
Der einzustellende Massegehalt des Salzes in den imprägnierten Proben hängt wiederum von den konkreten Stoffeigenschaften ab. Besonders die spezifische Oberfläche des zu imprägnierenden Materials, die Wasserlöslichkeit des Salzes sowie die Porendurchmesser bei porösen Stoffen spielen dabei eine Rolle. Bevorzugt sind Massegehalte unter 5%, da ansonsten eine Verstopfung des Porensystems bzw. eine Auskristallisation der Salze wahrscheinlich ist. Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist, dass die Porosität für den zu unterstützenden Prozess von Bedeutung sein kann. So muss beispielsweise für die Regeneration von Adsorberbetten durch einen thermo-chromatographischen Puls berücksichtigt werden, dass die Imprägnierung nicht den Zugang der zu adsorbierenden Moleküle zum Porensystem beeinträchtigen darf. Besonders bevorzugt sind erfahrungsgemäß Salzgehalte zwischen 2 und 5 Masse-%, da zu geringe Salzgehalte oft den gewünschten Effekt nicht realisieren können.The mass content of the salt to be adjusted in the impregnated samples in turn depends on the specific material properties. In particular, the specific surface of the material to be impregnated, the water solubility of the salt and the pore diameter in porous materials play a role. Preference is given to mass contents below 5%, since otherwise constipation of the pore system or crystallization of the salts is likely. Another aspect to consider is that porosity may be important to the process to be supported. For example, for the regeneration of adsorbent beds by a thermo-chromatographic pulse, it must be taken into account that the impregnation must not impair the access of the molecules to be adsorbed to the pore system. Salt contents of between 2 and 5% by mass are particularly preferred, since salt contents that are too low can often not achieve the desired effect.
Die Wechselwirkung der wässrigen Salzlösung mit dem zu imprägnierenden Material sollte vorzugsweise mehr als 30 min, besonders bevorzugt mehrere Stunden betragen.The interaction of the aqueous salt solution with the material to be impregnated should preferably be more than 30 minutes, more preferably several hours.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung eines Feststoffbettes weist folgende Verfahrensschritte auf: 1) Einbringen von elektromagnetischer Strahlung in das Feststoffbett, welches ein mit ionenhaltigen Stoffen behandeltes Material enthält, 2) Einbringen eines Übertragungsmediums in den Anstrombereich oder einen anderen Bereich des Feststoffbettes und gleichzeitige Durchströmung des Feststoffbettes mit einem Trägergas, wobei das Feststoffbett mindestens eine das Übertragungsmedium adsorbierende Komponente enthält und das Übertragungsmedium zumindest teilweise am Feststoffbett adsorbiert wird, wobei das Übertragungsmedium zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbiert, 3) Verweilen des Übertragungsmediums im Feststoffbett derart, dass das Übertragungsmedium eine erhöhte Energieabsorption des Feststoffbettes initiiert, welche zu einer Erwärmung des Feststoffbettes führt, 4) Erwärmung des Feststoffbettes aufgrund der erhöhten Energieabsorption des Feststoffbettes, 5) Desorption des Übertragungsmediums aufgrund der Erwärmung des Feststoffbettes, und 6) Transport des desorbierten Übertragungsmediums durch das Feststoffbett mittels des Trägergasstroms, wobei das Feststoffbett erfindungsgemäß vor dem Einbringen des Übertragungsmediums mit mindestens einem ionenhaltigen Stoff behandelt wird.The method according to the invention for heating a solid bed comprises the following method steps: 1) introduction of electromagnetic radiation into the solid bed containing a material treated with ion-containing substances, 2) introduction of a transfer medium into the paint area or another area of the Solid bed and simultaneous flow through the solid bed with a carrier gas, wherein the solid bed contains at least one component adsorbing the transfer medium and the transfer medium is at least partially adsorbed on the solid bed, wherein the transmission medium absorbs at least a portion of the electromagnetic radiation, 3) residence of the transfer medium in the solid bed such, 4) heating of the solid bed due to increased energy absorption of the solid bed, 5) desorption of the transfer medium due to heating of the solid bed, and 6) transport of the desorbed transfer medium through the transfer medium Solid bed by means of the carrier gas stream, wherein the solid bed according to the invention prior to introduction of the transfer medium with at least one ion-containing substance treated elt becomes.
Die Behandlung des Ausgangsmaterials beinhaltet die Imprägnierung eines Feststoffes mit einer ionenhaltigen Verbindung, welche vorzugsweise als wässrige Lösung vorliegt. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von wässrigen Salzlösungen. Die Imprägnierung geschieht vorzugsweise so, dass die Ionen homogen über das zu imprägnierende Material verteilt sind. In einem weiteren Teilschritt kann dieses Material nachbehandelt werden. Besonders bevorzugt ist dabei die Trocknung des Materials. Dieser Prozess kann beispielsweise in einem trockenen Gasstrom oder im Vakuum erfolgen. Vorzugsweise kann dieser Prozess durch Temperaturerhöhung unterstützt werden.The treatment of the starting material involves the impregnation of a solid with an ion-containing compound, which is preferably present as an aqueous solution. Particularly preferred is the use of aqueous salt solutions. The impregnation is preferably carried out so that the ions are distributed homogeneously over the material to be impregnated. In a further sub-step, this material can be post-treated. Particularly preferred is the drying of the material. This process can take place, for example, in a dry gas stream or in a vacuum. Preferably, this process can be supported by increasing the temperature.
Das so behandelte Material wird in einem Festbett vorzugsweise in partikulärer Form als Schüttung eingesetzt. Durch die gleichzeitige Anwendung eines Übertragungsmediums und eines äußeren elektromagnetischen Feldes wird eine selektive Erwärmung erreicht, die zur Initiierung eines das Festbett durchlaufenden gekoppelten Temperatur- und Stoffpulses führt.The material thus treated is preferably used in a fixed bed in particulate form as a bed. By the simultaneous application of a transmission medium and an external electromagnetic field, a selective heating is achieved, which leads to the initiation of a fixed bed passing through the coupled temperature and substance pulse.
Dieser so genannte thermo-chromatographische Puls kann für eine Vielzahl von Prozessen wie zur zonenweisen Erwärmung von Festbetten, zur gezielten Entmischung von Stoffströmen, zur Beeinflussung von chemischen Reaktionen durch bevorzugte Mobilisierung eines oder mehrerer Reaktionsprodukte, zur temporären Aufheizung von Festbetten oder zur gezielten Desorption von Stoffen genutzt werden. Die Trocknung eines Festbettes, die mit diesem Verfahren ebenfalls realisiert werden kann, kann als Spezialfall eines Desorptionsprozesses (Wasserdesorption) aufgefasst werden. Charakteristisch für den thermo-chromatographischen Puls ist der entstehende Temperaturunterschied zwischen der Spitzentemperatur im Bett und der Betttemperatur, die in der Regel der Ausgangstemperatur entspricht. Dieser Temperaturunterschied ist neben den Verfahrensparametern spezifischer Leistungseintrag oder Menge des Übertragungsmediums vor allem von der Salzart, der Ladung und Größe der eingebrachten Kationen und Anionen sowie ihrer Konzentration abhängig. Die Salzkonzentration und damit die resultierende Ionenkonzentration weist dabei für viele Materialien ein Optimum auf, bei dem die selektive Temperaturerhöhung für das Stoffsystem maximal ist. Andererseits sollte die Behandlung des Feststoffes nicht dazu führen, dass für den Prozess relevante Eigenschaften wie spezifische Oberfläche oder Sorptionskapazität unzulässig eingeschränkt werden. Die vorangegangene Diskussion gilt dementsprechend nicht nur für Salze, sondern für ionenhaltige Stoffe überhaupt.This so-called thermochromatographic pulse can be used for a variety of processes such as zone heating of fixed beds, targeted separation of streams, influencing chemical reactions by preferential mobilization of one or more reaction products, temporary heating of fixed beds or targeted desorption of substances be used. The drying of a fixed bed, which can also be realized with this method, can be regarded as a special case of a desorption process (water desorption). Characteristic for the thermo-chromatographic pulse is the resulting temperature difference between the peak temperature in the bed and the bed temperature, which usually corresponds to the starting temperature. This temperature difference is in addition to the process parameters specific power input or amount of the transmission medium mainly on the type of salt, the charge and size of the introduced cations and anions and their concentration dependent. The salt concentration and thus the resulting ion concentration has an optimum for many materials, in which the selective increase in temperature for the material system is maximum. On the other hand, treatment of the solid should not result in impermissibly restricting properties relevant to the process, such as specific surface area or sorption capacity. Accordingly, the previous discussion applies not only to salts, but to ion-containing substances as well.
Die Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses (Temperaturpuls) ist an bestimmte dielektrische und andere physikalische Eigenschaften des Feststoffes gebunden. Verfahrensgemäß werden Stoffe verwendet, die ohne Modifikation nicht für die Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses geeignet sind oder bei denen die Qualität des Pulses hinsichtlich der etablierten Temperaturgradienten und Heizraten nicht für das jeweilige Verfahren ausreichend sind. Die modifizierten Stoffe, die gegenüber dem unbehandelten Ausgangsstoff zusätzliche Ionen aufweisen, erlauben hingegen unter den relevanten Prozessbedingungen die Etablierung eines thermo-chromatographischen Pulses. Vorzugsweise können Zeolithe unterschiedlicher Struktur (dealuminierte Y-Zeolithe u. a.), γ-Aluminiumoxid, Silikagel und/oder Aktivkohle mit bestimmten Eigenschaften als Matrices verwendet werden. Die Feststoffmaterialien können auch aus Stoffgemischen oder dotierten Materialien bestehen. In einem bevorzugten Anwendungsfall handelt es sich um geträgerte Edelmetallkatalysatoren. Die Modifikation der Materialien geschieht vorzugsweise durch Imprägnierung mit einer Salzlösung und nachfolgende Trocknung.The initiation of a thermochromatographic pulse (temperature pulse) is bound to certain dielectric and other physical properties of the solid. According to the method, substances are used which are not suitable for the initiation of a thermo-chromatographic pulse without modification or in which the quality of the pulse with regard to the established temperature gradients and heating rates are not sufficient for the respective method. The modified substances, which have additional ions compared to the untreated starting material, however, allow the establishment of a thermo-chromatographic pulse under the relevant process conditions. Preferably, zeolites of different structure (dealuminated Y zeolites and others), γ-alumina, silica gel and / or activated carbon having certain properties may be used as matrices. The solid materials may also consist of mixtures or doped materials. In a preferred application, it is supported noble metal catalysts. The modification of the materials is preferably carried out by impregnation with a salt solution and subsequent drying.
Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung des Feststoffbettes mittels Radiowellen oder Mikrowellen.Preferably, the heating of the solid bed by means of radio waves or microwaves.
Bevorzugte Anwendungsfelder der Erfindung sind die Kopplung von Adsorptions- mit Reaktionsprozessen, die Fokussierung chromatographischer Pulse verbunden mit einer Aufkonzentrierung von ausgewählten Substanzen, die Ausschleusung thermisch sensibler Reaktionsprodukte, die Kurzzeitaktivierung reaktiver Zonen im Festbett und die Etablierung hoher Aufheizraten mit geringer thermischer Trägheit.Preferred fields of application of the invention are the coupling of adsorption with reaction processes, the focussing of chromatographic pulses associated with a concentration of selected substances, the discharge of thermally sensitive reaction products, the short-time activation of reactive zones in the fixed bed and the establishment of high heating rates with low thermal inertia.
Das Festbett wird vorzugsweise kontinuierlich vom Trägergas durchströmt, während das Übertragungsmedium diskontinuierlich in das Feststoffbett eingebracht wird. Vorzugsweise wird das Übertragungsmedium in definierten Intervallen in das Feststoffbett eingebracht, wobei die entsprechenden Zeitspannen prozessabhängig sind und typischerweise im Bereich zwischen einigen Minuten und Stunden liegen. Vorzugsweise wird das Übertragungsmedium alle 5 bis 60 min dosiert. Die Zeitspanne für das Einbringen des Übertragungsmediums ist kurz im Vergleich zum Intervall. Vorzugsweise beträgt die Zeit für die Dosierung des Übertragungsmediums weniger als 60 s, wobei diese Dauer wiederum abhängig vom konkreten technischen Prozess ist.The fixed bed is preferably flowed through continuously by the carrier gas, while the transfer medium is introduced discontinuously into the solid bed. Preferably, the transmission medium is at defined intervals in the Solid bed introduced, the corresponding time periods are process-dependent and are typically in the range between a few minutes and hours. Preferably, the transfer medium is metered every 5 to 60 minutes. The time for introducing the transmission medium is short compared to the interval. Preferably, the time for the dosage of the transmission medium is less than 60 s, which duration in turn depends on the specific technical process.
Vorzugsweise werden Übertragungsmedien eingesetzt, deren dielektrischer Verlustfaktor, d. h. der Imaginärteil der relativen Dielektrizitätskonstante bei der eingesetzten Frequenz, groß gegenüber dem dielektrischen Verlustfaktor des Feststoffbettes ist. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Wasser als Übertragungsmedium. Für besonders bevorzugt einzusetzende Übertragungsmedien beträgt der dielektrische Verlustfaktor mehr als das Dreifache des dielektrischen Verlustfaktors des Festbettmaterials ohne Übertragungsmedium. Vorzugsweise wird das Übertragungsmedium über das einströmende Trägergas oder durch Direktinjektion in das Feststoffbett eingebracht. Die Injektion erfolgt vorzugsweise im Anstrombereich des Feststoffbettes.Preferably, transfer media are used whose dielectric loss factor, i. H. the imaginary part of the relative dielectric constant at the frequency used is large compared to the dielectric loss factor of the solid bed. Particularly preferred is the use of water as the transmission medium. For particularly preferred transfer media, the dielectric loss factor is more than three times the dielectric loss factor of the fixed bed material without transfer medium. Preferably, the transfer medium is introduced via the inflowing carrier gas or by direct injection into the solid bed. The injection is preferably carried out in the Anstrombereich the solid bed.
Vorzugsweise wird die Menge des einzubringenden Übertragungsmediums derart gewählt, dass eine Wechselwirkung, beispielsweise durch Adsorption, von mindestens 50% (bevorzugter 80% und noch bevorzugter mindestens 99%) des eingebrachten Übertragungsmediums in einem Bereich erfolgt, der weniger als 50% (bevorzugter 30% und noch bevorzugter 15%) der Länge des Feststoffbettes entspricht. Unter Länge des Feststoffbettes wird hier die Wegstrecke eines repräsentativen Trägergasmoleküls verstanden, die dieses im Mittel von der Anstrom- bis zur Abstromgrenzfläche zurücklegt. In einem Rohrreaktor ist dies die Schüttbettlänge, in einem U-Rohr die Mittelachse des gebogenen Glasrohres.Preferably, the amount of transfer medium to be introduced is selected such that an interaction, for example by adsorption, of at least 50% (more preferably 80% and more preferably at least 99%) of the incorporated transfer medium is in a range less than 50% (more preferably 30%). and more preferably 15%) corresponds to the length of the solid bed. The length of the solid bed is understood here to be the distance of a representative carrier gas molecule, which covers this on average from the initial flow point to the outflow boundary surface. In a tubular reactor, this is the bed length, in a U-tube, the central axis of the bent glass tube.
Die Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses (Temperaturpuls) ist an bestimmte dielektrische und andere physikalische Eigenschaften des Feststoffes gebunden. Vorzugsweise können Zeolithe unterschiedlicher Struktur (Faujasite wie NaY-Zeolith, ZSM-5 u. a.), γ-Aluminiumoxid, Silikagel und/oder Aktivkohle als Matrices verwendet werden, die jedoch erfindungsgemäß vorbehandelt werden. Die Feststoffmaterialien können auch aus Stoffgemischen oder dotierten Materialien bestehen. In einem bevorzugten Anwendungsfall handelt es sich um geträgerte Edelmetallkatalysatoren.The initiation of a thermochromatographic pulse (temperature pulse) is bound to certain dielectric and other physical properties of the solid. Preferably, zeolites of different structure (faujasites such as NaY zeolite, ZSM-5 and others), γ-alumina, silica gel and / or activated carbon can be used as matrices, which, however, are pretreated according to the invention. The solid materials may also consist of mixtures or doped materials. In a preferred application, it is supported noble metal catalysts.
Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung des Feststoffbettes mittels Radiowellen oder Mikrowellen. Da durch die Energieabsorption des Übertragungsmediums die Erwärmung des Feststoffbettes initiiert werden soll, ist die Verwendung poröser Feststoffe mit entsprechend großer Adsorptionskapazität als Festbettmaterial bevorzugt. Vorzugsweise werden poröse Zeolithe, Metalloxide oder Aktivkohlen mit mittleren Porengrößen im Nanometer-Bereich eingesetzt.Preferably, the heating of the solid bed by means of radio waves or microwaves. Since the heating of the solid bed is to be initiated by the energy absorption of the transfer medium, the use of porous solids with a correspondingly large adsorption capacity as a fixed bed material is preferred. Preference is given to using porous zeolites, metal oxides or activated carbons with mean pore sizes in the nanometer range.
Um einen thermo-chromatographischen Puls zu initiieren, werden die Menge des einzubringenden Übertragungsmediums und die Intensität der in das Festbett eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung vorzugsweise derart gewählt, dass das Feststoffbett in demjenigen Bereich, in dem das Übertragungsmedium adsorbiert wird, auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der mindestens 60% (bevorzugter 80% und noch bevorzugter über 90%) des adsorbierten Übertragungsmediums desorbiert werden. Vorzugsweise wird das Feststoffbett vor Einbringen eines Übertragungsmediums derart erwärmt, dass eine Adsorption von mindestens 90% des eingebrachten Übertragungsmediums in einem Bereich erfolgt, der weniger als 30% der Länge des Feststoffbettes entspricht.In order to initiate a thermochromatographic pulse, the amount of the transfer medium to be introduced and the intensity of the electromagnetic radiation coupled into the fixed bed are preferably selected such that the solid bed is heated to a temperature in the region in which the transfer medium is adsorbed at least 60% (more preferably 80% and more preferably over 90%) of the adsorbed transfer medium are desorbed. Preferably, the solid bed is heated prior to introduction of a transfer medium such that adsorption of at least 90% of the introduced transfer medium takes place in a range which corresponds to less than 30% of the length of the solid bed.
Vorzugsweise wird eine entsprechend der Prozesseigenschaften anzustrebende Geschwindigkeit des Übertragungsmediums durch das Feststoffbett aufgrund wiederholter Adsorption, Erwärmung, Desorption und Weitertransport mittels Trägergas durch die Wahl des Materials des Feststoffbettes sowie des Übertragungsmediums sowie die Wahl der Parameter Dosiermenge und Dosiergeschwindigkeit des Übertragungsmediums und Intensität der elektromagnetischen Strahlung eingestellt. Diese Geschwindigkeit, die Geschwindigkeit des thermo-chromatographischen Pulses bei seiner Bewegung durch das Festbett, beträgt in bevorzugten Anwendungen im Bereich der Reaktionstechnik beispielsweise zwischen 0,1 und 10 mm/min.Preferably, a desired speed of the transfer medium in accordance with the process characteristics through the solid bed due to repeated adsorption, heating, desorption and further transport by carrier gas by the choice of the material of the solid bed and the transmission medium and the choice of the parameters dosage amount and metering rate of the transmission medium and intensity of the electromagnetic radiation , This speed, the speed of the thermochromatographic pulse as it moves through the fixed bed, is, for example, between 0.1 and 10 mm / min in preferred applications in the field of reaction technology.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur gezielten selektiven Erwärmung eines durchströmbaren Feststoffbettes, das mit einem Mittel zur dielektrischen Erwärmung des Feststoffbettes verbunden ist, weist erfindungsgemäß Mittel zum Einbringen eines Übertragungsmediums zum Zwecke der Initiierung eines das Feststoffbett durchlaufenden Wärme- und Stoffstrompulses auf. Der Festbettreaktor verfügt über mindestens eine Anstrom- und mindestens eine Abstromöffnung.The device according to the invention for the selective selective heating of a flow-through solid bed, which is connected to a means for dielectric heating of the solid bed, according to the invention comprises means for introducing a transfer medium for the purpose of initiating a heat and Stoffstrompulses passing through the solid bed. The fixed bed reactor has at least one upstream and at least one downstream opening.
Bevorzugte Feststoffbett-Materialien sind Zeolithe, γ-Aluminiumoxid, Silikagel und/oder Aktivkohle. Vorzugsweise weist das Mittel zum Einbringen eines Übertragungsmediums eine Dosiervorrichtung für eine Flüssigkeit auf.Preferred solid bed materials are zeolites, γ-alumina, silica gel and / or activated carbon. Preferably, the means for introducing a transmission medium to a metering device for a liquid.
Vorzugsweise ist das Mittel zur Erwärmung des Feststoffbettes durch mindestens zwei zur dielektrischen Erwärmung geeignete Elektroden gekennzeichnet. Vorzugsweise wird Erfindungsgemäß ist das Mittel zur Erwärmung des Feststoffbettes durch mindestens zwei zur dielektrischen Erwärmung geeignete Elektroden gekennzeichnet. Vorzugsweise wird mindestens eine Elektrode zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Feststoff mittels eines Hochfrequenzgenerators (HF-Generators) gespeist. Die dielektrische Erwärmung des Feststoffes kann mit unterschiedlichen Elektrodengeometrien oder mit Axialdipolen (Antennen) realisiert werden. Vorzugsweise ist das Feststoffbett zwischen mindestens zwei zur dielektrischen Erwärmung geeigneten Elektroden angeordnet und mindestens eine der zur dielektrischen Erwärmung geeigneten Elektroden ist mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden und mindestens eine weitere der zur dielektrischen Erwärmung geeigneten Elektroden ist mit der Erdung verbunden. Vorzugsweise werden parallele, plattenförmige Elektroden paarweise eingesetzt, um eine möglichst homogene Feldverteilung im Feststoffbett zu realisieren. Vorzugsweise sind das Feststoffbett und die mindestens zwei zur dielektrischen Erwärmung geeigneten Elektroden innerhalb eines Abschirmgehäuses angeordnet. Vorzugsweise ist die mindestens eine zur dielektrischen Erwärmung geeignete Elektrode über ein elektronisches Anpassnetzwerk mit dem HF-Generator verbunden.Preferably, the means for heating the solid bed by at least two electrodes suitable for dielectric heating characterized. Preferably, according to the invention, the means for heating the solid bed is characterized by at least two electrodes suitable for dielectric heating. Preferably, at least one electrode for generating an electromagnetic field in the solid is fed by means of a high-frequency generator (HF generator). The dielectric heating of the solid can be realized with different electrode geometries or with axial dipoles (antennas). Preferably, the solids bed is disposed between at least two electrodes suitable for dielectric heating and at least one of the electrodes suitable for dielectric heating is connected to a high frequency generator and at least one further of the electrodes suitable for dielectric heating is connected to the ground. Preferably, parallel, plate-shaped electrodes are used in pairs in order to realize the most homogeneous possible field distribution in the solid bed. Preferably, the solid bed and the at least two electrodes suitable for dielectric heating are arranged inside a shielding housing. The at least one electrode suitable for dielectric heating is preferably connected to the HF generator via an electronic matching network.
In einer weiteren bevorzugten Variante der Anordnung ist der Feststoffbett-Reaktor mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen in einer solchen Weise verbunden, dass das Feststoffbett mittels Mikrowellen erwärmt werden kann.In a further preferred variant of the arrangement, the solid-bed reactor is connected to a device for producing microwaves in such a manner that the solid bed can be heated by means of microwaves.
Vorzugsweise weist das Mittel zum Einströmen eines Gasgemisches eine Dosiervorrichtung und/oder einen Gasanalysator und/oder einen Gasfeuchtesensor auf. Vorzugsweise weist das Mittel zum Ausströmen des Gasgemisches einen Durchflussmesser und/oder einen Gasanalysator und/oder einen Gasfeuchtesensor auf.Preferably, the means for flowing a gas mixture to a metering device and / or a gas analyzer and / or a gas humidity sensor. The means for discharging the gas mixture preferably has a flow meter and / or a gas analyzer and / or a gas moisture sensor.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Feststoffbettes auf. In besonders bevorzugten Varianten sind die Temperatursensoren im Anstrombereich und/oder im Abstrombereich angeordnet. In besonders bevorzugten Anordnungen werden faseroptische Temperatursensoren eingesetzt, die in elektromagnetischen Feldern störungsfrei messen.Preferably, the device has at least one temperature sensor for measuring the temperature of the solid bed. In particularly preferred variants, the temperature sensors are arranged in the paint area and / or in the outflow area. In particularly preferred arrangements, fiber-optic temperature sensors are used which measure interference-free in electromagnetic fields.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Mittel zur Bestimmung der Beladung des Feststoffbettes in Bezug auf die Adsorption eines Schadstoffes und/oder eines Reaktionspartners auf. Vorzugsweise ist das Mittel zur Bestimmung der Beladung des Feststoffbettes mit einem Datenverarbeitungs-/Steuergerät verbunden, das wiederum mit dem HF-Generator und/oder dem mindestens einen Temperatursensor und/oder den Gasanalysatoren und/oder den Gasfeuchtesensoren verbunden ist.Preferably, the device has a means for determining the loading of the solid bed with respect to the adsorption of a pollutant and / or a reactant. Preferably, the means for determining the loading of the solid bed is connected to a data processing / control unit, which in turn is connected to the RF generator and / or the at least one temperature sensor and / or the gas analyzers and / or the gas humidity sensors.
Gemäß der Erfindung kann eine gezielte und selektive Erwärmung von Festbetten durch Initiierung eines gekoppelten Stoff- und Energieflusses realisiert werden. Dabei erfolgt die Einkopplung von Energie in das Festbett in einer solchen Weise, dass durch die Initiierung eines thermo-chromatographischen Pulses die gewünschten räumlichen und zeitlichen Temperatur- und Konzentrationsverläufe erzielt werden.According to the invention, a targeted and selective heating of fixed beds by initiating a coupled material and energy flow can be realized. In this case, the coupling of energy into the fixed bed takes place in such a way that the desired spatial and temporal temperature and concentration profiles are achieved by the initiation of a thermo-chromatographic pulse.
Das Prinzip besteht darin, dass durch ein geeignetes Medium elektromagnetische Energie in das Festbett eingekoppelt wird und damit eine dielektrische Erwärmung erfolgt. Durch eine thermisch initiierte kontinuierliche Abfolge von Adsorptions- und Desorptionsprozessen durchwandert ein fokussierter Puls des koppelnden Mediums das Festbett in derselben Weise wie eine chromatographische Säule. Damit gekoppelt ist ein mit dem Trägergasstrom fortlaufender Temperaturpuls, der wiederum mit einem Stofftransport unterschiedlicher Medien gekoppelt sein kann.The principle is that by a suitable medium electromagnetic energy is coupled into the fixed bed and thus a dielectric heating takes place. Through a thermally initiated continuous sequence of adsorption and desorption processes, a focused pulse of the coupling medium traverses the fixed bed in the same manner as a chromatographic column. Coupled with this is a continuous with the carrier gas flow temperature pulse, which in turn may be coupled with a mass transfer of different media.
Die thermo-chromatographische Erwärmung von Festbetten kann beispielsweise zur zonenweisen Erwärmung von Festbettreaktoren, zur gezielten Entmischung von Stoffströmen, zur Beeinflussung von chemischen Reaktionen durch Mobilisierung eines Reaktionsproduktes oder zur temporären Aufheizung von Festbetten genutzt werden.The thermo-chromatographic heating of fixed beds can be used, for example, for the zone-wise heating of fixed bed reactors, for the targeted separation of streams, for influencing chemical reactions by mobilizing a reaction product or for the temporary heating of fixed beds.
Bevorzugte Anwendungsfelder der Erfindung sind die Kopplung von Adsorptions- mit Reaktionsprozessen, die Fokussierung chromatographischer Pulse verbunden mit einer Aufkonzentration von ausgewählten Substanzen, die Ausschleusung thermisch sensibler Reaktionsprodukte, die Kurzzeitaktivierung reaktiver Zonen im Festbett und die Etablierung hoher Aufheizraten mit vernachlässigbarer thermischer Trägheit.Preferred fields of application of the invention are the coupling of adsorption with reaction processes, the focusing of chromatographic pulses associated with a concentration of selected substances, the discharge of thermally sensitive reaction products, the short-time activation of reactive zones in the fixed bed and the establishment of high heating rates with negligible thermal inertia.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der dielektrischen Erwärmung eines Festbettes, vorzugsweise mittels Radiowellen oder Mikrowellen (in einem bevorzugten Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 50 GHz) und damit einer Umwandlung elektromagnetischer Energie in Wärme direkt im Volumen des Materials. Die Aufheizung ist somit nicht durch Wärmetransportprozesse über Oberflächen und Grenzflächen limitiert. Sollen die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu realisierenden Effekte nicht hervorgerufen werden, wird das Festbett normalerweise durch Einbringen einer Basisleistung bei einer prozessspezifischen Basistemperatur gehalten. Dies kann auch die Umgebungstemperatur sein. In diesem Fall ist während der entsprechenden Zeiträume keine externe Erwärmung notwendig. Prinzipiell ist es auch möglich, die Basistemperatur mittels klassischer (nicht dielektrischer) Heizverfahren aufrechtzuerhalten.The inventive method is based on the dielectric heating of a fixed bed, preferably by means of radio waves or microwaves (in a preferred frequency range between 100 kHz and 50 GHz) and thus a conversion of electromagnetic energy into heat directly in the volume of the material. The heating is thus not limited by heat transport processes over surfaces and interfaces. If the effects to be realized by the method according to the invention are not to be caused, the fixed bed is normally kept at a process-specific base temperature by introducing a basic power. This can also be the ambient temperature. In this case, no external heating is necessary during the respective periods. in principle it is also possible to maintain the base temperature by means of classical (non-dielectric) heating methods.
Gegenüber der konventionellen dielektrischen Erwärmung zeichnet sich das neuartige Verfahren jedoch dadurch aus, dass durch ein geeignetes Medium (Übertragungsmedium) eine erhöhte Energieabsorption im Festkörper initiiert wird. Ein derartiges Medium kann beispielsweise Wasser darstellen, wobei der Effekt des erhöhten Energieeintrages einerseits auf der direkten Wirkung von Wasser als Dipolmolekül und andererseits auf der Wechselwirkung von Wasser mit dem Festbettmaterial beruhen kann. Das letztgenannte Wirkungsprinzip wurde zum Beispiel für die dielektrische Erwärmung von Zeolithen nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass der erhöhte dielektrische Verlust in feuchten Zeolithen weniger auf der Dipolwirkung des Wassers selbst als vielmehr auf der Beeinflussung der mit dielektrischen Verlusten behafteten Kationenbewegung durch die Wasseradsorption beruht.Compared with conventional dielectric heating, however, the novel process is characterized in that an increased energy absorption in the solid body is initiated by a suitable medium (transmission medium). Such a medium can be, for example, water, the effect of the increased energy input on the one hand based on the direct effect of water as a dipole molecule and on the other hand on the interaction of water with the fixed bed material. The latter mode of action has been demonstrated, for example, for the dielectric heating of zeolites. It has been shown that the increased dielectric loss in wet zeolites is due less to the dipole effect of the water itself than to the influence of the dielectric losses on cation movement by water adsorption.
Durch das Einbringen des Übertragungsmediums in das Festbett wird im entsprechenden Bereich eine schnelle dielektrische Erwärmung ausgehend von der Basistemperatur hervorgerufen. Dabei ist das externe elektromagnetische Feld in jedem Fall einzuschalten. In der Regel wird das Übertragungsmedium bei der Basistemperatur am Festbett adsorbiert. Durch die Temperaturerhöhung erfolgen eine Desorption und eine Freisetzung des Übertragungsmediums in den Gasstrom. Damit verbunden ist ein Tran Port durch das Feststoffbett und eine wiederholte Adsorption im kälteren Teil des Feststoffbettes. Durch die fortlaufende Einkopplung elektromagnetischer Energie, Aufheizung und Desorption findet ein thermisch initiierter Transport des Übertragungsmediums durch das Festbett vergleichbar mit einem chromatographischen Puls statt. Neben dem Übertragungsmedium selbst können auch andere sorbierbare Substanzen durch das Festbett transportiert werden (thermo-chromatographischer Effekt).By introducing the transfer medium into the fixed bed, a rapid dielectric heating, starting from the base temperature, is produced in the corresponding area. The external electromagnetic field must be switched on in any case. In general, the transmission medium is adsorbed at the base temperature on a fixed bed. Due to the increase in temperature, desorption and release of the transfer medium into the gas stream occur. This is associated with a Tran port through the solid bed and a repeated adsorption in the colder part of the solid bed. Due to the continuous coupling of electromagnetic energy, heating and desorption takes place a thermally initiated transport of the transfer medium through the fixed bed comparable to a chromatographic pulse. In addition to the transfer medium itself, other sorbable substances can be transported through the fixed bed (thermo-chromatographic effect).
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass unter bestimmten Bedingungen wie entsprechende dielektrische Eigenschaften von Übertragungsmedium und Matrix, zeitlicher Verlauf der Injektion des Übertragungsmediums und Gasstrom sehr große Temperaturunterschiede zwischen Basistemperatur und Temperatur im Puls erreicht werden. Die Laufzeit des Pulses durch die Festbettsäule kann dabei sehr gut durch einen Prozess beschrieben werden, dessen charakteristische Aktivierungsenergie eng mit der Adsorptionsenthalpie des Übertragungsmediums an der Festbettmatrix korreliert ist. Aus diesem Grund verringert sich die Laufzeit des thermo-chromatographischen Pulses grundsätzlich mit steigender Basistemperatur und steigender Spitzentemperatur. Dieses Grundprinzip kann mit einer Reihe von technisch relevanten Phänomenen gekoppelt werden. So besteht die Möglichkeit, eine bereits adsorbierte Substanz freizusetzen und mit dem Puls durch das Festbett zu transportieren. Dieser Transport kann mit einer chemischen Umsetzung, die thermisch aktiviert ist, verbunden werden. Durch die starken Temperaturgradienten in der Umgebung des Pulses kann eine Fokussierung von Pulsen, das heißt eine Erhöhung der lokalen Konzentration der sorbierten Substanzen erreicht werden. Charakteristisch ist, dass sich die desorbierten Stoffe in der Regel nur kurz im Bereich hoher Temperatur befinden, da der Puls das Festbett vergleichsweise schnell durchwandelt. Durch diese Tatsache können unerwünschte Stoffumwandlungen beispielsweise bei thermisch empfindlichen Substanzen vermieden werden. Anwendungsfelder ergeben sich zum Beispiel bei der adsorptiven Entfernung derartiger Stoffe aus dem Gasstrom und der nachfolgenden Regeneration des Adsorberbettes oder bei der Ausschleusung thermisch sensibler Reaktionsprodukte bei chemischen Stoffumwandlungen. In diesem Kontext können auch die realisierbaren schnellen Aufheiz- und Abkühlprozesse sehr vorteilhaft sein.The method is characterized in that under certain conditions, such as corresponding dielectric properties of the transmission medium and matrix, the time course of the injection of the transmission medium and gas flow very large temperature differences between base temperature and temperature in the pulse can be achieved. The transit time of the pulse through the packed column can be described very well by a process whose characteristic activation energy is closely correlated with the adsorption enthalpy of the transfer medium on the fixed bed matrix. For this reason, the duration of the thermo-chromatographic pulse generally decreases with increasing base temperature and rising peak temperature. This basic principle can be coupled with a number of technically relevant phenomena. So it is possible to release an already adsorbed substance and to transport with the pulse through the fixed bed. This transport can be linked to a chemical reaction that is thermally activated. Due to the strong temperature gradients in the vicinity of the pulse, a focusing of pulses, that is, an increase in the local concentration of the sorbed substances can be achieved. It is characteristic that the desorbed substances are generally only briefly in the range of high temperature, since the pulse transforms the fixed bed comparatively fast. Due to this fact, unwanted substance conversions, for example, in thermally sensitive substances can be avoided. Fields of application arise, for example, in the adsorptive removal of such substances from the gas stream and the subsequent regeneration of the adsorber bed or in the discharge of thermally sensitive reaction products in chemical conversions. In this context, the realizable fast heating and cooling processes can be very beneficial.
Generell bietet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber konventionellen Techniken den Vorteil einer weit höheren Energieeffizienz, da Aufheizprozesse im Feststoffbett sowohl räumlich als auch zeitlich sehr effektiv erfolgen können. Die Aufkonzentration von Substanzen bietet die Option, diese aus dem Gasstrom wesentlich günstiger zu entfernen und nach der Regeneration des Adsorbers wiederzuverwerten.In general, the process according to the invention offers the advantage of far greater energy efficiency than conventional techniques, since heating processes in the solid bed can take place very effectively both spatially and in terms of time. The concentration of substances offers the option to remove them from the gas stream much cheaper and to recycle them after the regeneration of the adsorber.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments.
Es zeigen:Show it:
Das Schüttbett
Die Elektrode
In einer ersten Versuchsphase wurde das Schüttbett
Die im Puls erreichte Maximaltemperatur betrug ca. 220°C, die Temperaturdifferenz zur Basistemperatur somit etwa 160 K. Die entstehenden starken Temperaturgradienten innerhalb des Feststoffbettes
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (siehe
Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele (
In einer ersten Versuchsserie wurde das Ausgangsmaterial γ-Al2O3 mit einer spezifischen Oberfläche von 280 m2/g mit Salzlösungen unterschiedlicher Kochsalzkonzentration behandelt. Der nach der Trocknung resultierende NaCl-Gehalt betrug zwischen 0,1 und 20 Ma.-%. Die spezifische Oberfläche des Materials wurde durch die Imprägnierung nicht drastisch verringert, für einen NaCl-Gehalt von 5 Ma.-% betrug sie beispielsweise nach der Behandlung 240 m2/g. Das Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von ca. 2 mm wurde in einen U-Rohr-Reaktor gefüllt (Masse ca. 4,9 g) und anschließend durch einen thermo-chromatographischen Puls (Wasserdosierung 100 μl, HF-Leistung 70 W, Frequenz 13,56 MHz) dielektrisch erwärmt. Die verwendete Anordnung ist schematisch in
In einer zweiten Versuchsserie wurde das Ausgangsmaterial γ-Al2O3 mit unterschiedlichen Salzen (NaCl, CaCl2, Na2SO4) imprägniert, wobei derselbe Massegehalt von ca. 4,7 Ma.-% eingestellt wurde. Wie
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Verdünnungsgasdiluent gas
- 22
- Abluftexhaust
- 33
- Zuluftsupply air
- 44
- DurchflussmesserFlowmeter
- 55
- Dosiervorrichtungmetering
- 66
- GasanalysatorGas analyzer
- 77
- Sensor für GasfeuchteSensor for gas humidity
- 88th
- Wasser-DirekteinspritzungWater Direct
- 99
- faseroptische Temperatursensorenfiber optic temperature sensors
- 1010
- „kalte” Elektrode"Cold" electrode
- 1111
- Feststoffbett/SchüttbettSolid bed / packed bed
- 1212
- „heiße” Elektrode"Hot" electrode
- 1313
- Elektronisches AnpassungsnetzwerkElectronic adjustment network
- 1414
- HF-GeneratorRF generator
- 1515
- Leitsystem-PC mit DatenaufnahmeControl system PC with data recording
- 1616
- Abschirmgehäuseshield
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Citations (2)
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| DE102006062652A1 (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-15 | Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz | Method e.g. for absorption of catalytic cleaning of contaminated exhaust streams, involves inserting gas mixture into solid bed which has adsorption active component and catalytic active component |
| DE102006062651A1 (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-15 | Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz | Procedure for warming a solid material bed having inflow and outflow areas, for initiating thermochromatographic pulses, comprises introducing an electromagnetic radiation in the bed and bringing a transmission medium in the bed |
-
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- 2007-08-30 DE DE200710041801 patent/DE102007041801B4/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20111223 |
|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |