Kondensations-Vorrichtung und Kondensations-Verfahren zur Kondensation von Gas-Komponenten eines Gas-Gemisches und Herstell-Verfahren zum Herstellen der Kondensations- Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kondensations-Vorrichtung und ein Kondensations-Verfahren zur Kondensation einer Gas-Komponente eines Gas-Gemisches und zur Kondensation mindestens einer weiteren Gas-Komponente des Gas-Gemisches. Daneben wird ein Herstell-Verfahren zum Herstellen der Kondensations- Vorrichtung angegeben.

Die Kondensation einer Gas-Komponente (gasförmiger Bestandteil) eines Gas-Gemisches (Mischung aus Gas- Komponenten) erfolgt z.B. über Destillation der Gas- Komponente. Dabei können mittels Rektifikation (Kolonnen- Destillation) mehrere Gas-Komponenten aus einem Gas-Gemisch abgetrennt werden. Dadurch kann das Gas-Gemisch in seine Gas- Bestandteile zerlegt werden.

Zur Rektifikation eines Gas-Gemisches wird z.B. eine Rektifizier-Säule benutzt. Dabei wirkt auf ein Kondensat (kondensierte Gas-Komponente, kondensiertes Produkt) die Schwerkraft, die gegen einen durch eine Verdampfung verursachten Stoff-Transport des Gas-Gemisches gerichtet ist. Dadurch kann ein Anströmen des Gas-Gemisches in der Rektifizier-Säule behindern werden, so dass zum Auftrennen des Gas-Gemisches mit einem hohen Reinheitsgrad eine sehr hohe Rektifizier-Säule verwendet werden muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie ein Gas-Gemisch in seine Gas-Komponenten zerlegt werden kann, ohne dass eine hohe Rektifizier-Säule verwendet werden muss. Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kondensations-Vorrichtung zur Kondensation einer Gas-Komponente eines Gas-Gemisches und zur Kondensation mindestens einer weiteren Gas-Komponente des Gas-Gemisches angegeben . Die Kondensations-Vorrichtung weist eine Kondensations-Einheit zur Kondensation der Gas- Komponente und eine weitere Kondensations-Einheit zur Kondensation der weiteren Gas-Komponente auf . Dabei ist zumindest eine der Kondensations-Einheiten derart ausgestaltet , dass die j eweilige Gas-Komponente als Kondensat aus dem Gas-Gemisch extrahiert werden kann . Die Kondensations-Vorrichtung weist einen Mehr-Schicht-Körper mit mehreren miteinander verbundenen Schichten auf . Die Schichten können im Mehr-Schicht-Körper nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein . Zumindest eine der Schichten weist zumindest eine der Kondensations-Einheiten auf . So ist zumindest eine der Kondensations-Einheiten im Mehr-Schicht- Körper integriert . Vorteilhaft sind beide Kondensations- Einheiten in dem Mehr-Schicht-Körper integriert . Gerade hier ist es vorteilhaft , das 3d-Druck-Verf ahren einzusetzen . So kann j ede Schicht des Mehrschicht-Körpers individuell gestaltet werden ( Schicht-Material , Schicht-Struktur, etc . ) , so dass die beiden Kondensations-Einheiten für das Kondensieren j eweils einer Gas-Komponente des Gas-Gemisches ausgelegt werden können .

Neben der Kondensation-Vorrichtung wird zur Lösung der Aufgabe auch ein Kondensations-Verfahren zur Kondensation der Gas-Komponente des Gas-Gemisches und zur Kondensation der weiteren Gas-Komponente des Gas-Gemisches unter Verwendung der Kondensations-Vorrichtung angegeben . Dabei wird das Gas- Gemisch an den Kondensations-Einheiten derart vorbeigeleitet , dass zumindest eine der Gas-Komponenten als Kondensat aus dem Gas-Gemisch extrahiert wird . Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstell- Verfahren zum Herstellen der Kondensations-Vorrichtung angegeben . Dabei wird zumindest eine der Kondensations- Einheiten mit Hil fe eines 3d-Drucks-Verf ährens hergestellt . Das 3d-Druck-Verf ahren ist ein additives Fertigungs-Verfahren ( additive manufacturing process ) . Vorzugsweise wird für das 3d-Druck-Verf ahren ein Pulver-Bett-Verfahren ( SLM, selective laser melting) angewendet , bei dem mit Hil fe eines Laser- Strahls ein Einbringen von Auf schmel z-Energie durchgeführt wird . Zum Einbringen der Auf schmel z-Energie kann aber auch ein Teilchen-Strahl ( z . B . ein Strahl mit Ionen) eingesetzt werden .

Mit der Erfindung ist es möglich, mehrere gas förmige Komponenten des Gas-Gemisches aus dem Gas-Gemisch zu entfernen und j eweils als Kondensat anzureichern bzw . abzuleiten . Dazu kann das Gas-Gemisch im Ganzen gleichzeitig beiden Kondensations-Einheiten ausgesetzt werden . Das Gas- Gemisch kann aber auch nacheinander die Kondensation- Einheiten passieren . Dafür kann das Gas-Gemisch aufgeteilt werden, so dass ein Teil des Gas-Gemisches nur zur Kondensations-Einheit und ein weiterer Teil des Gas-Gemisches nur zur weiteren Kondensations-Einheit geleitet wird . In einer besonderen Ausgestaltung sind aber die Kondensations- Einheiten derart angeordnet , dass das Gas-Gemisch die Kondensations-Einheiten nacheinander passieren kann . Dazu sind die Kondensations-Einheiten z . B . stromabwärts ( entlang einer Strömung des Gas-Gemisches ) nacheinander angeordnet .

Als Schicht-Material sind beliebige organische oder anorganische Materialien denkbar . Vorzugsweise wird in Verbindung mit dem 3d-Druck-Verf ahren als Schicht-Material für die Schicht mit der Kondensations-Einheit ein metallisches Schicht-Material ( reines Metall oder Metall- Legierung) eingesetzt . Dabei können verschiedenste Metall oder Metall-Legierungen zum Einsatz kommen . Mögliche Metalle sind ein Stahl mit einem Anteil von geringen Fremd-Metallen von bis zu 50 Gew . -% ( low alloy steels ) , Werkzeug-Stahl ( tool steel ) , Marging-Stahl (marging steel ) , rostfreier Stahl ( stainless steel ) und Duplex-Stahl ( duplex stainless steel ) .

Vorzugsweise ist das metallische Schicht-Material porös . Die Schicht mit der Kondensations-Einheit ist also zumindest zum Teil aus dem porösen Metall auf gebaut . Damit ist es möglich, weitere Schicht-Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit , Wärme- Kapazität etc . zusätzlich über die Porosität des Metalls zu beeinflussen .

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Schicht mit der Kondensations-Einheit ein poröses Metall mit einer Porosität auf , die einen aus dem Bereich von 1 Vol . -% bis 85 Vol . -% ausgewählten Poren-Anteil aufweist . Das Metall besteht also mit einem Anteil von bis zu 85 Vol . -% aus ( of fenen und/oder geschlossenen) Poren . Die Porosität führt zu einem Kavernen- Netzwerk, über das das entsprechende Kondensat gebildet und abgeleitet werden kann .

Beide Kondensations-Einheiten können Schichten des Mehrschicht-Körpers aufweisen . Um unterschiedliche Kondensations-Eigenschaften zu erzielen, können die beiden Schichten unterschiedliche Schicht-Materialien oder unterschiedliche Schicht-Strukturen aufweisen . In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Kondensations-Einheit und die weitere Kondensations-Einheit ein poröses Metall auf und die porösen Metalle der Kondensations-Einheiten weisen voneinander unterschiedliche Porositäten auf . Die Kondensations-Vorrichtung weist also ein poröses Metall mit Metall-Poren auf . Die Metall-Poren können Kondensations-Keime für die Kondensation der entsprechenden Gas-Komponenten bilden . Die Metall-Poren können aber auch nur Kanäle zum Ableiten der kondensierten Gas-Komponenten bilden . Die weitere Kondensations-Einheit verfügt über ein gleiches (oder verschiedenes ) weiteres poröses Metall , das zur Kondensation der weiteren Gas-Komponente eine weitere , vorzugsweise verschiedene Porosität aufweist .

Das poröse Metall einer der Kondensations-Einheiten weist zur Bildung des j eweiligen Kondensats eine Absorptions- (bzw . Adsorptions- ) Oberfläche für die Absorption (bzw . Adsorption) einer der Gas-Komponenten auf . Über die Absorptions- Oberfläche di f fundiert die Gas-Komponente in die j eweilige Schicht und kondensiert dann in der Schicht .

Aufgrund der Porositäten zeichnen sich die porösen Metalle der Schichten durch eine große aktive Oberfläche (Absorptions-Oberfläche ) aus , über die eine Kondensations- Reaktion stattfinden kann .

Um die Kondensation einer der Gas-Komponenten zusätzlich zu beeinflussen, ist es von Vorteil , wenn die entsprechende Absorptions-Oberfläche zumindest eine Absorptions- Beschichtung aufweist . Beispielsweise ist die Absorptions- Beschichtung hydrophil oder hydrophob . In diesem Fall könnten trotz Verwendung von gleichen Metallen mit gleichen Porositäten die Kondensationen der Gas-Bestandteile beeinflusst werden, mit den Kondensations-Einheiten unterschiedliche Gas-Komponenten angereichert werden können . Die Absorptions-Beschichtung können auf verschiedene Weisen aufgebracht werden, z . B . durch Tränken, Entleeren und Trocknen von metallorganischen Verbindungen, Detergenzien, galvanotechnischen Verbindungen . Denkbar sind auch chemische und/oder physikalische Gas-Phasen-Abscheiden-Verf ahren .

Insbesondere weist zumindest eine der Schichten des Mehr- Schicht-Körpers mindestens eine Verstärkungs-Struktur auf . Damit ist es möglich, bei relativ hohen Druck-Di f ferenzen die Schicht-Dicken relativ klein zu halten mit der Folge relativ hoher thermischer Leitfähigkeit .

Zum Ableiten der bei der Kondensation freiwerdenden Kondensations-Wärme kann eine Wärme-Senke als separates Bauteil vorgesehen sein, das mit den Schichten des Mehrschicht-Körpers in thermischen Kontakt steht . Insbesondere weist aber zumindest eine der Schichten des Mehr-Schicht-Körpers eine Wärme-Senke zum Ableiten von bei der Bildung des Kondensats freiwerdenden Kondensations-Wärme auf . Dabei kann die Wärme-Senke in einer separaten Wärme- Senken-Schicht des Mehr-Schicht-Körpers integriert sein, die mit den Schichten der Kondensations-Bereiche in thermisch leitendem Kontakt steht . Denkbar ist aber auch, dass die Wärme-Senke in mindestens einer der Schichten der Kondensations-Bereiche integriert ist . Möglich ist auch, dass in j eder der Schichten der Kondensations-Bereiche j eweils eine Wärme-Senke integriert ist . Damit ist es möglich, die Kondensation-Prozesse in den einzelnen Schichten mehr oder weniger unabhängig voneinander zu beeinflussen .

Um die Kondensations-Prozesse in den einzelnen Schichten zusätzlich zu beeinflussen ist es vorteilhaft , wenn die Wärme-Senke eine Wärme-Senken-Struktur aufweist . Durch die Wärme-Senken-Struktur kann beispielsweise eine Kühl- Oberfläche der Wärme-Senken-Struktur und damit eine durch die Wärme-Senke verbesserte Kondensations-Leistung der Kondensations-Vorrichtung erhöht werden . Zur Erhöhung der Kondensations-Leistung weist die Wärme-Senken-Struktur insbesondere zumindest einen Kühl-Kanal zur Aufnahme eines Kühl-Fluids auf . Der Kühl-Kanal wird beispielsweise von einer Kapillare (Kühl-Kapillare ) mit Hil fe von ( of fenen) Poren in der entsprechenden Schicht gebildet . Das Kühl-Fluid ist beispielsweise ein Kühl-Gas . Das Kühl-Fluid kann auch eine Kühl-Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser sein . Mit Hil fe des Kühl-Fluids wird Kondensations-Wärme ef fi zient über den Kühl-Kanal abgeleitet. Dies unterstützt die Kondensation der Gas-Komponente bzw. die Kondensation der weiteren Gas- Komponente .

Durch den Kühl-Kanal kann das Kühl-Fluid passiv (z.B. aufgrund von Konvektion) und/oder aktiv (z.B. mit Hilfe einer Pumpe) geleitet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Kühl-Kanal einen aus dem Bereich von 1 pm bis 1 mm und insbesondere aus dem Bereich von 10 pm bis 900 pm ausgewählten Kanal-Durchmesser aufweist. Höhere oder niedrigere Kanal-Durchmesser sind auch denkbar. Auch hier ist die Anwendung des 3d-Druck-Verf ährens vorteilhaft, um die Kühl-Kanäle im Mehr-Schicht-Körper zu integrieren.

Mit Hilfe des 3d-Druck-Verf ährens können allgemein verschiedenste Kondensations-Einheits-Parameter (z.B. Schicht-Parameter) wunschgemäß ausgestaltet werden. In einer besonderen Ausgestaltung unterscheiden sich die Kondensations-Einheit und die weitere Kondensations-Einheit in mindestens einem aus der Gruppe Wärmekapazität, Material- Dichte, Schicht-Dicke, Wärmeleitfähigkeit, durchschnittlicher Poren-Durchmesser , durchschnittlicher Kanal-Durchmesser und Absorptions-Beschichtung ausgewählten Kondensations-Einheits- Parameter voneinander.

In einer besonderen Ausgestaltung ist aus den Kondensations- Einheits-Parametern ein Gesamt-Kondensation-Parameter gebildet, der einen Gesamt-Parameter-Gradienten aufweist. Mit dem Gesamt-Kondensations-Parameter (z.B. durchschnittlicher Poren-Durchmesser) ist es möglich, die Kondensation der Gas- Komponenten in den jeweiligen Kondensations-Einheiten zu beeinflussen und damit das Auftrennen der Gas-Komponenten zu verbessern. Dabei ist es möglich, den Gesamt-Parameter- Gradienten zu variieren. In einer besonderen Ausgestaltung wird daher der Gesamt-Parameter-Gradient eingestellt. Dies geschieht vor und/oder während des Kondensations-Verfahrens (Kondensations-Prozesses ) .

Mit Hil fe des Kondensations-Verfahrens können verschiedenste Gas-Komponenten eines Gas-Gasgemisches extrahiert werden . Dies gelingt auch dann, wenn die Gas-Komponenten ähnliche chemische und/oder physikalische Eigenschaften aufweisen ( z . B . Hydrophilie ) . Besonders geeignet ist das Kondensations- Verfahren, wenn als Gas-Komponente und/oder als weitere Gas- Komponente ein aus der Gruppe Wasser, Methanol und Dimethylether ausgewähltes Gas verwendet wird .

Im Hinblick auf den Herstell-Prozess im Rahmen des 3d-Druck- Verfahrens ist es besonders vorteilhaft , wenn ein Variieren einer Auf schmel z-Energie durchgeführt wird . Zum Variieren der Auf schmel z-Energie werden insbesondere eine Laser-Energie des Laser-Strahls und/oder ein Scan-Abstand des Laser-Strahls eingestellt . Der Scan-Abstand des Laser-Strahls wird auch als Hatch-Abstand (hatch distance ) bezeichnet und betri f ft den örtlichen Abstand zeitlich aufeinander folgender Scan-Linien des Laser-Strahls .

Besonders vorteilhaft ist es , wenn vor dem Herstellen der Kondensations-Bereiche eine Simulation der Kondensations- Bereiche durchgeführt wird . Mit der Simulation der Kondensations-Einheiten bzw . der Funktionsweisen der Kondensations-Einheiten können die Kondensations-Parameter vorab bestimmt werden .

Zusammenfassend sind mit der Erfindung folgende Vorteile verbunden :

- Die Kondensations-Vorrichtung kann sich durch eine hohe Kondensations-Leistung aus zeichnen . Dies betri f ft sowohl eine Menge als auch die Art der zu extrahierenden Gas-Komponenten eines Gas-Gemisches . - Mit dem eingesetzten 3-d-Druck-Verf ahren kann die Kondensations-Vorrichtung flexibel ausgestaltet werden .

- Zudem kann mit dem 3-d-Druck-Verf ahren eine kompakte Kondensations-Vorrichtung erhalten werden . So ist z . B . eine hohe Rekti fi zier-Säule nicht nötig, um eine gewünschte Abtrennleistung für eine Gas-Komponente eines Gas-Gemisches zu erzielen .

- Eine durch die Verstärkungs-Struktur ( Gitter-Struktur ) gestützte Wand des Mehr-Schicht-Körpers ermöglicht trotz hoher Betriebsdruck-Di f ferenzen zwischen Schichten des Mehr- Schicht-Körpers sehr dünne Wandstärken und damit einen sehr guten Wärmedurchgang .

- Der DOE-Ansatz ( statistische Versuchsplanung) für die Ermittlung der optimalen Porositäten macht die Auslegung empirisch kostengünstig zugänglich .

Anhand eines Aus führungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung näher beschrieben . Die Figuren schematisch und stellen keine maßstabsgetreue Abbildung dar .

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Kondensations- Vorrichtung mit dem Mehr-Schicht-Körper .

Figur 2 zeigt eine Temperatur-Verlauf im Mehr-Schicht-Körper während eines Kondensations-Verfahrens .

Figur 3 zeigt den Wärme-Strom während des Kondensations- Verfahrens .

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt einer Metall-Schicht mit Metall-Poren .

Figur 5 zeigt einen Kühl-Kanal . Figur 6 zeigt eine Test-Einheit .

Gemäß dem Aus führungsbeispiel werden aus einem Gas-Gemisch 2 eine Gas-Komponente 21 und mindestens eine weitere Gas- Komponente 22 kondensiert ( extrahiert , also abgetrennt und abgeleitet ) . Die Gas-Komponenten 21 und 22 werden aus dem Gas-Gemisch 2 entfernt bzw . angereichert . Das Gas-Gemisch besteht aus den Gas-Komponenten Wasser bzw . Wasser-Dampf (H ₂ O) , Methanol ( CH ₃ OH) und Dimethylether ( CH3-O-CH3 ) .

Die Kondensations-Vorrichtung 1 zur Kondensation einer Gas- Komponente 21 des Gas-Gemisches 2 und zur Kondensation mindestens der weiteren Gas-Komponente 22 des Gas-Gemisches 2 ist in einem Mehr-Schicht-Körper 10 integriert und weist folgende Bestandteile auf :

- Eine Kondensations-Einheit 11 zur Kondensation der Gas- Komponente 21 und

- eine weitere Kondensations-Einheit 12 zur Kondensation der weiteren Gas-Komponente 22 .

Dabei ist zumindest eine der Kondensations-Einheiten (Kondensations-Kompartimente ) 11 und 12 derart ausgestaltet , dass die j eweilige Gas-Komponente 21 oder 22 als Kondensat 201 oder 202 aus dem Gas-Gemisch 2 extrahiert ( entfernt ) und abtransportiert werden kann .

Die Schichten 101 und 102 mit der Kondensations-Einheit 21 und 22 weisen poröse Metall 111 und 121 mit Porosität 112 und 122 auf , die einen aus dem Bereich von 1 Vol . -% bis 85 Vol . -% ausgewählten Poren-Anteil aufweisen . Dabei weisen das poröse Metall 111 und 112 der j eweiligen Kondensations-Einheiten 11 und 12 voneinander unterschiedliche Porositäten 112 und 122 auf . Die Metall-Poren 117 und die weiteren Metall-Poren 127 sind unterschiedlich groß . Zur Bildung der Kondensate 201 und 202 weisen die porösen Metalle 111 und 121 der Kondensations-Einheiten 11 und 12 bzw . der Schichten 101 und 102 entsprechende Absorptions- Oberflächen 113 und 123 auf .

In einer alternativen Aus führungs form weist eine der Absorptions-Oberflächen 113 und 123 zumindest eine Absorptions-Beschichtung 116 und 126 auf . Damit ist es möglich, eine die Kondensation-Leistung der Kondensations- Vorrichtung zu erhöhen .

Im Mehr-Schicht-Körper 10 ist in der Schicht 103 eine Wärme- Senke 104 zum Ableiten von bei der Bildung der Kondensate 201 und 202 freiwerdenden Kondensations-Wärme integriert . Die Schicht 103 fungiert als Wärme-Senken-Schicht . Die Wärme- Senke 104 ist strukturiert und weist damit Wärme-Senken- Struktur 1041 auf , die sich zwischen zwei massiven metallischen Schichten 106 und 107 befindet . Die Wärme- Senken-Struktur 1041 wird von Kühl-Kanälen 1042 zur Aufnahme eines Kühl-Fluids 1043 gebildet . Die Kühl-Kanäle 1042 sind Kühl-Kapillaren, die in der Schicht 103 des Mehr-Schicht- Körpers 10 integriert sind . Die Kühl-Kanale 1042 bzw . die Kühl-Kapillaren weisen einen aus dem Bereich von 1 pm bis 1 mm und insbesondere aus dem Bereich von 10 pm bis 900 pm ausgewählten Kanal-Durchmesser 1044 auf . Die Schicht 103 ist zusätzlich durch ein dreidimensionales metallisches Gitterf achwerk 105 verstärkt .

Die Kondensations-Einheit 11 und die weitere Kondensations- Einheit 12 unterscheiden sich in folgenden Kondensations- Einheits-Parametern 140 : Wärmekapazität , Material-Dichte , Schicht-Dicke und Wärmeleitfähigkeit . Auch sind der durchschnittlicher Poren-Durchmesser 118 der Metall-Poren 117 des porösen Metalls 111 und der weitere durchschnittliche Poren-Durchmesser 128 der weiteren Metall-Poren 127 des Weiteren porösen Metalls 121 unterschiedlich . Die Kondensations-Einheiten 11 und 12 der Kondensations- Vorrichtung 1 sind derart angeordnet , dass das Gas-Gemisch 2 die Kondensations-Einheiten 11 und 12 gleichzeitig passieren kann . Das Gas-Gemisch 2 wird gleichzeitig an der Kondensations-Oberfläche 113 und an der weiteren Kondensation-Oberfläche 123 vorbeigeleitet .

Die Schicht 101 der Kondensations-Einheit 11 verfügt über eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und schaf ft damit ein Temperaturprofil 1011 . Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit Xi von Schicht 101 bewirkt eine höhere Temperatur an der Grenz fläche zwischen der Gasphase ( Gas-Gemisch 2 ) und der weiteren Schicht 102 und führt damit zu einer selektiv ansteuerbaren Kondensation .

Eine relativ heiße weitere Schicht 102 wirkt als Gleichgewichtsbildner für die fraktionierte Kondensation . Kleine Kanaldurchmesser in der porösen weiteren Schicht 102 begünstigen die selektive Kondensation der weiteren Gas- Komponente 22 bei einer höheren Temperatur und tragen damit zur Verbesserung der Stof f-Trennung bei .

Zur Erprobung des Verhaltens wird eine Test-Einheit 2000 mit Test-Feldern (Array- Felder ) 2001 gebaut werden, in denen nach Design-of-Experiment-Ansät zen die Schicht-Dicken und die Art der Porositäten variiert werden, so dass mit einer einheitlichen Kühlung durch Beobachten der Platte und ggf . Beprobung über Fluid-Kanäle in der Platte die Zusammensetzung des Kondensats bei identischer Dampf atmosphäre ermittelt werden kann .

Strukturfunktionale poröse Metall-Materialien ( functionally structured digital materials ) werden rein durch CAD / Simulation festgelegt . Sie können in verschiedenen Ausprägungen (Kavernennetzwerke ; Solidarrangements ) reproduzierbar gezielt gefertigt werden . Die Kondensations-Vorrichtung 1 mit dem Mehr-Schicht-Körper

10 verfügt über einen Gesamt-Kondensations-Parameter 150 mit einem Parameter-Gradienten 151 , der sich aus den

Kondensations-Parametern 140 der einzelnen Schichten 101 , ergibt . Dies ist mit den gezeigten Temperaturprofilen 1011 und 1012 der Schichten 101 und 102 angedeutet .