Vorrichtung zur Behandlung von Fluidgemischen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Fluidgemischen, die Gase, wie insbesondere Wasserstoff (H2), Luft, Stickstoff (N2) oder Erdgase, sowie Flüssigkeiten, wie insbesondere ionische Flüssigkeiten, Hydrauliköl oder Prozessflüssigkeiten enthalten.

Im Speziellen bezieht sich die Erfindung auf die Behandlung eines unter einem hohen Druck stehenden Fluidgemisches, das Gas, wie Wasserstoff, und geringe Anteile an Flüssigkeiten, wie ionischen Flüssigkeiten, enthält. Was man genau unter ionischen Flüssigkeiten zu verstehen hat, ist beispielhaft im Fachaufsatz„Ionische Flüssigkeiten: Einzigartige Materialien mit vielfältigen Möglichkeiten" aufgezeigt; abrufbar im Internet unter„CHE Manager-online.com." mit Datum der Veröffentlichung 1 5. Juli 2014. Wasserstoff wird in neuerer Zeit an Tankstellen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit hohem Druck von ca. 700 bar bis 1000 bar bereitgehalten. Mit Vorteil werden zur Verdichtung sog.„lonenverdichter" eingesetzt, wie sie beispielhaft in der Internetveröffentlichung„lonenverdichtertechnologie, Wie funktioniert ein lonenverdichter?" unter der Firmenangabe„Flowserve" veröffentlicht ist, abrufbar unter www.dbi-gti.de mit Veröffentlichungsdatum 15. Juli 2014 (FCS-Präsentation 1 70909 deutsch-DBI). Dabei handelt es sich um einen Verdichter ähnlich einem Kolbenverdichter, der statt eines Kolbens eine ionische Flüssigkeitssäule nutzt. Die als Verdrängerelement wirkende Flüssigkeit hat gegenüber einem Verdrängerkolben den Vorteil, dass sie die entstehende Wärme besser ableiten kann, da sie zu einem ge- wissen Anteil mit dem komprimierten Gas aus dem Verdichter gefördert wird. Bei den ionischen Flüssigkeiten handelt es sich bekanntermaßen um organische Salze, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel, wie Wasser, gelöst ist. Bei dem hohen Druckniveau kommt es beim Betrieb der ionischen Verdichter zu ei- nem Eintrag von Flüssigkeitsanteilen in das Gas. Dieser Eintrag wird fachsprachlich auch als Verschleppung bezeichnet und macht eine Behandlung des Fluidgemisches erforderlich.

Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine sichere Trennung der Gemischkomponenten ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Demgemäß sieht die Erfindung mindestens eine erste Abscheidestufe zum Auftrennen des Fluidgemisches in einen Flüssigkeitsteil und einen Gasanteil, der mit einem verbleibenden Flüssigkeitsanteil verunreinigt ist, vor, aus dem in mindestens einer weiteren Abscheidestufe dieser verbliebene Flüs- sigkeitsanteil abgereinigt wird. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Trennvorgang in mehreren Stufen stattfindet, lässt sich nach Durchführen eines ersten Trennvorgangs in einer zweiten Abscheidestufe eine Feinabtrennung durchführen, so dass ein betreffender Flüssigkeitsteil, wie ionische Flüssigkeit, in für die Verwendung erforderlicher Reinheit wieder zur Verfügung steht und der erhaltene Gasanteil frei von dieser Flüssigkeit gehalten ist. Mit besonderem Vorteil kann als erste Abscheidestufe ein Zentrifugalabscheider vorgesehen sein, in dem sich die relativ zum Gas dichtere Flüssigkeit aufgrund der Zentrifugalwirkung der erzeugten Drallströmung zur Wand des Zyklongehäuses bewegt, um von dort abzutropfen. Da die den Trennvorgang bewirkenden Zentrifugalkräfte durch die Geschwindigkeit des in das Zyklongehäuse einströmenden und die Vorrichtung durchströmenden Fluidgemisches erzeugt sind, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch energieeffizient betreibbar. Für eine effiziente Feinabscheidung verbliebener Flüssigkeitsanteile kann mit besonderem Vorteil als zweite Abscheidestufe ein Koaleszerfilter vorgesehen sein. Diese zweite Abscheidestufte kann der ersten Abscheidestufe unmittelbar oder vorzugsweise mittelbar über Zwischenschalten einer dritten Abscheidestufe folgen.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung sind sämtliche Abscheidestufen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, das einen Eingang für das Fluidgemisch, einen Ausgang für den von Flüssigkeit getrennten Gasteil sowie zumindest einen Entleerungsausgang zur Abfuhr der abgetrennten Flüssigkeit aufweist. Die Gesamtvorrichtung bildet daher eine kompakte Baueinheit, die ohne äußere Verrohrungen auskommt, was bei dem sehr hohen, in Frage kommenden Druckniveau besonders vorteilhaft ist. Das Gehäuse kann einen sich entlang einer vertikalen Achse erstreckenden Hohlraum aufweisen, in dem der Zentrifugalabscheider zwischen dem dar- überliegenden Koaleszerfilter und einem darunterliegenden Sammelraum für die Aufnahme abgeschiedener Flüssigkeit angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann Flüssigkeit unmittelbar aus dem Zentrifugalabscheider in den Sammelraum tropfen. Die Anordnung kann mit Vorteil dabei so getroffen sein, dass die Innenwand des Zyklonzylinders des Zentrifugalabscheiders an dessen an den Sammelraum angrenzendem unteren Ende eine Ringöffnung zwischen einem zur Achse konzentrischen Rohrstück begrenzt, die eine Verbindung zwischen dem achsfernen Bereich des Zyklonzylinders und dem Sammelraum bildet. An der Innenwand des Zyklongehäuses angelagerte Tropfen können daher übergangslos in den Sammelraum abtropfen.

Das die Ringöffnung begrenzende Rohrstück kann Teil einer Verbindung zwischen dem achsnahen Bereich des Zyklonzylinders und dem oberen Bereich des Sammelraums bilden, so dass das sich im achsnahen Bereich des Zyklongehäuses befindliche Gas, als die weniger dichte Mischkomponente, unmittelbar in den oberen Bereich des Sammelraums gelangt. Der Koaleszerfilter kann in der bei derartigen Filtern üblichen Weise ein einen inneren Filterhohlraum umgebendes Filtermaterial aufweisen, wobei ein Verbindungskanal zwischen dem oberen Bereich des Sammelraums, der über das Rohrstück mit dem achsnahen Bereich des Zyklonzylinders in Verbindung ist, und dem Filterhohlraum des Koaleszerfilters vorgesehen ist. Dadurch gelangt das über das Rohrstück aus dem Zyklonabscheider austretende, einen verringerten Flüssigkeitsanteil enthaltende Gas zu der die Feinabscheidung durchführenden zweiten Abscheidestufe.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist der Koaleszerfilter ein koaxiales Innenrohr auf, das an seinem oberen Ende in den an die Außenseite der Filtermantelfläche angrenzenden Raum des Gehäuses ausmündet und an seinem unteren Ende zu dem Gehäuseausgang für den Gasteil führt. In besonders vorteilhafter Weise erfolgt dadurch die Abführung des Gases aus der den Koaleszerfilter enthaltenden Filterkammer nicht von dem die Filtermantelfläche umgebenden Raum, sondern über ein axiales Innenrohr, so dass optimale Strömungsverhältnisse in der Filterkammer herrschen und dadurch keine Gefahr des Mitreißens koalisierter Flüssigkeit besteht, die sich an der Außenseite der Filtermantelfläche anlagert. Gemäß einem weiteren Vorteil dieses konstruktiven Aufbaus des Koaleszerfilters mit einem Innenrohr wird die Demontage beim Wechsel des Filtermaterials erleichtert. So lässt sich das Filtermaterial mit dem Innenrohr als Montageeinheit nach dem Abnehmen des Gehäuses aus der Vorrichtung herausnehmen und gegen eine neue Montageeinheit austauschen. Der Gehäuseausgang zum Gasteil und ein Verbindungskanal zur Filterkammer können dabei in dem nicht mit dem Gehäuse demontierten Teil der Vorrichtung angeordnet sein.

Für eine besonders wirksame Feinabscheidung kann mit besonderem Vorteil zwischen dem oberen Ende des Sammelraums und dem Verbindungskanal, der zu dem inneren Filterhohlraum des Koaleszerfilters führt, ein Demister als dritte Abscheidestufe vorgesehen sein. Diese dritte Abscheidestufe ist somit zwischen der ersten Abscheidestufe und der zweiten Abscheidestufe vorgesehen.

Zwischen dem Bodenbereich des Sammelraums und einem Entleerungs- ausgang kann ein Partikelfilter vorgesehen sein, um eine Pflegefiltration der ionischen Flüssigkeit bei Entleerung des Sammelraums durchzuführen. Der Sammelraum kann für die Bevorratung eines Flüssigkeitsvolumens ausgelegt sein, wobei eine Füllstandsüberwachung vorgesehen sein kann, um Entleerungsvorgänge nach Maßgabe einer Füllstandshöhe durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine besonders effiziente Flüssigkeitsabscheidung bei sehr kompakter Ausführung des Gehäuses und bei einem Mindestmaß an erforderlicher Verrohrung, wobei eine druckstabile Bauweise in Edelstahlelementtechnik vorgesehen sein kann. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen verkürzt dargestellten Längsschnitt eines Ausführungs- beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen abgebrochenen, lediglich den Bereich eines Zentrifugalabscheiders und eines darüberl legenden Koaleszerfilters zeigenden Längsschnitt, wobei die Schnittebene gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht ist;

Fig. 3 einen Horizontalschnitt entsprechend der Schnittlinie III - III von Fig. 1 ; Fig. 4 einen vergrößert gezeichneten Teillängsschnitt des den Zentrifugalabscheider enthaltenden Längenabschnitts mit der gleichen Schnittebene wie bei Fig. 1 und einen ebenfalls vergrößerten Teillängsschnitt des Längenbereichs des Zentrifugalabscheiders und des Koaleszerfilters mit gleicher Schnittebene wie bei Fig. 2.

Unter Bezug auf die Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Vorrichtung erläutert, die zur Abtrennung von Flüssigkeitsanteilen aus einem Flu- idstrom eines unter einem Druck von 700 bar bis 1000 bar stehenden Flu- idgemisches vorgesehen ist. Das Fluidgemisch weist vorrangig ein Wasserstoffgas mit Anteilen einer ionischen Flüssigkeit auf. Möglicherweise in dem Fluidgemisch vorhandene Feststoffpartikel sind mittels der Vorrichtung ebenfalls von dem Gas trennbar. Es versteht sich, dass die aufgezeigte Vor- richtung für die Behandlung anderer Mediengemische benutzbar ist, die in einem Gas abzuscheidende Flüssigkeitsteile und gegebenenfalls abzuscheidende Feststoff partikel enthalten. Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist ein langgestrecktes Gehäuse 1 auf, das im großen Ganzen die Form eines runden Hohlzylinders besitzt, dessen Achse 3 bei eingebauter Position der Vorrichtung vertikal verläuft. Das Gehäuse 1 weist ein oberes Gehäuseteil 5 auf, das mit seinem gerundeten Endstück 7 eine Koaleszer-Filterkammer 9 um- grenzt. Das untere offene Ende des oberen Gehäuseteils 5 ist mit einem Zwischenteil 1 1 dicht verschraubt, das den Übergang zu einem unteren Gehäuseteil 13 bildet, das die kreiszylindrische Außenform des oberen Gehäuseteils 5 fortsetzt und einen innenliegenden Sammelraum 15 umgrenzt, der an seinem unteren Ende durch ein dicht eingeschraubtes Bodenteil 1 7 geschlossen ist. Im Bodenteil 1 7 befindet sich ein Entleerungsausgang 19 mit einem vorgeschalteten Partikelfilter 21 , über den im Sammelraum 15 befindliche Flüssigkeit vom Bodenbereich des Sammelraums 15 abführbar ist. Das Zwischenteil 1 1 hat die Form eines Rotationskörpers, der im Anschluss an seinen mit dem oberen Gehäuseteil 5 verschraubten Gewindeabschnitt 23 einen radial vorspringenden Flansch 25 bildet, an den sich wiederum ein unterer Gewindeabschnitt 27 anschließt, an dem die dichte Verschrau- bung mit dem unteren Gehäuseteil 13 gebildet ist. Dabei bildet der Flansch 25 an Oberseite und Unterseite die jeweilige Anlagefläche für den Endrand des oberen Gehäuseteils 5 bzw. den Endrand des unteren Gehäuseteils 13. Im Zwischenteil 1 1 befindet sich der die erste Abscheidestufe bildende Zentrifugalabscheider 29 mit zur Achse 3 konzentrischem, kreiszylindrischem Zyklongehäuse 31 , an dessen oberem Ende eine Einströmöffnung 33 einmündet. Über diese ist von einem im Flansch 25 ausgebildeten Fluidein- gang 35 her das Fluidgemisch in das Zyklongehäuse 31 tangential ein- strömbar, so dass im Zyklongehäuse 31 in der bei Zyklonabscheidern 29 üblichen Weise eine Drallströmung oder ein Zyklon gebildet wird. Außerdem befinden sich im Zwischenteil 1 1 ein Ausgang 37 für die Abfuhr des vom Fluidgemisch abgetrennten Gasteils, ein zu Eingang 35 und Ausgang 37 um 90° versetzt angeordneter Flüssigkeitsausgang 39 (s. Fig. 2 und 5) sowie Fluidverbindungen bildende Kanäle.

Wie der Fig. 4 am deutlichsten entnehmbar ist, bildet eine in das Zwischenteil 1 1 eingesetzte Hülse 41 , die sich axial über das untere Ende des Zwischenteils 1 1 hinaus in Richtung des Sammelraums 15 erstreckt, den Endabschnitt der Innenwand 43 des Zyklongehäuses 31. Die Innenwand 43 begrenzt am unteren Ende der Hülse 41 eine Ringöffnung 45 zwischen einem Rohrstück 47, das sich zur Achse 3 konzentrisch in die Hülse 41 hinein und über deren unteres Ende hinaus in den Sammelraum 1 5 erstreckt. Bei dieser Anordnung bildet die Ringöffnung 45 die Verbindung zwischen dem achsfernen unteren Bereich des Zyklongehäuses 31 und dem Sammelraum 15, d.h. die Austrittsöffnung, über die Tropfen unmittelbar in den Sammelraum 15 abtropfen können, die sich als die dichtere Gemischkomponente des Fluidgemisches durch Zentrifugalkraftwirkung an der Innenwand 43 angelagert haben.

Eine am oberen Ende des Zyklongehäuses 31 im Zwischenteil 1 1 bei 48 verankerte Trägerstange 49 erstreckt sich koaxial durch das Zyklongehäuse 31 hindurch und über das untere Ende des Rohrstückes 47 hinaus. Mittels eines im unteren Ende 50 der Trägerstange 49 sitzenden Zapfens 51 ist an der Trägerstange 49 ein Kappenteil 52 angebracht, mit dem wiederum das untere Ende des Rohrstücks 47 verschraubt ist, so dass die Trägerstange 49 das Tragelement für das Rohrstück 47 bildet, das die Trägerstange 49 in einem Abstand umgibt. Dadurch bildet der Innenraum 53 des Rohrstücks 47 eine Verbindung zwischen dem achsnahen Bereich des Zyklongehäuses 31 und einem Gasaustrittsstutzen 55, der innerhalb des Kappenteils 52 in den Innenraum 53 des Rohrstücks 47 einmündet. Der sich im achsnahen Bereich des Zyklongehäuses 31 befindliche Gasteil tritt daher über den Austrittsstutzen 55 in den oberen Bereich des Sammelraums 15 aus. In der dem Sammelraum 1 5 zugewandten Endfläche des Zwischenteils 1 1 befindet sich innerhalb seines Endrandes 57 eine trichterartige Vertiefung 59. Von dieser ausgehend erstreckt sich, wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich ist, ein Verbindungskanal 61 zur oberen Endfläche des Zwischenteils 1 1 . Zwischen dem Endrand 57 und einem Absatz 63 an der Innenwand des unteren Gehäuseteils 13 ist ein Demister 65 an sich bekannter Bauweise angeordnet, der das aus der Vertiefung 59 vorstehende Ende der Hülse 41 umgibt. Der aus dem Rohrstutzen 55 austretende Gasteil sowie sonstige Gasteile, die zumindest teilweise mit Flüssigkeit versetzt sind und das Rohrstück 47 außenumfangsseitig umgeben, passieren daher vor dem Eintritt in die Vertiefung 59 den Demister 65, bevor der jeweilige Gasteil von Flüssigkeit weiter befreit in aufsteigender Bewegung den Verbindungskanal 61 auf dem Strömungsweg zur Oberseite des Zwischenteils 1 1 durchströmt.

Auf der Oberseite des Zwischenteils 1 1 , die das untere Ende der Koaleszer- Filterkammer 9 bildet, ist der die zweite Abscheidestufe bildende Koaleszerfilter 67 angeordnet. Dieser weist ein sich an die Oberseite des Zwischenteils 1 1 anschließendes Fußteil 69 auf, das einen Sitz für ein unteres Endteil 71 bildet, von dem sich das Filtermaterial 73 zum oberen Endteil 75 des Koaleszerfilters 67 hin erstreckt. Innerhalb des vom Filtermaterial 63 umge- benen Filterhohlraums 77 erstreckt sich ein Innenrohr 79 koaxial durch den gesamten Koaleszerfilter 67, wobei das Innenrohr 79 an seinem oberen, das Endteil 75 durchgreifende Ende 81 offen und somit mit dem Raum der Filterkammer 9 in Verbindung ist. Das andere, untere Ende des Innenrohres 79, das sich in den Zwischenteil 1 1 erstreckt, ist, wie Fig. 1 und 4 zeigen, über einen Schrägkanal 83 mit dem Ausgang 37 für das Gasteil verbunden. Wie in Fig. 5 mit Strömungspfeilen angedeutet ist, gelangt das aus dem Rohrstutzen 55 im oberen Bereich des Sammelraums 1 5 ausgetretene Gas, das nach Durchgang durch den Zentrifugalabscheider 29 nur einen verringerten Flüssigkeitsanteil aufweist, nach Passieren des Demisters 65 über den Verbindungskanal 61 , einen sich anschließenden Durchgang 85 im Fußteil 69 sowie eine Öffnung 87 im unteren Endteil 71 des Koaleszerfilters 67 zu dessen innerem Filterhohlraum 77 hin, dessen Filtermaterial 73, das die zweite Abscheidestufe bildet, von innen nach außen hin durchströmt wird. Dabei lagern sich verbliebene Flüssigkeitsanteile an der Außenseite des Filtermaterials 73 ab, von wo sie innerhalb der Filterkammer 9 nach unten wandern und vom Boden der Filterkammer 9 über einen Vertikalkanal 89 zum Flüssigkeitsausgang 39 gelangen.

Das Gas, das aus dem inneren Filterhohlraum 77 nach Durchströmen des Filtermaterials 73 zur umgebenden Filterkammer 9 gelangt, ist nach Passieren des Zyklonabscheiders 29, nach Passieren des Demisters 65 und des Koaleszerfilters 67 frei von Flüssigkeitsanteilen. Mittels des Zyklonabscheiders 29 sind sowohl Flüssigkeiten als auch Feststoffpartikel aufgrund von deren gegenüber Wasserstoff erhöhter Dichte von letzterem trennbar. Der im Abscheideprozeß zwischengeschaltete Demister 65 ermöglicht es, Tropfen größer als 5 μηη aus dem Gasstrom des Fluidgemisches abzuscheiden, so dass der nachfolgende Koaleszerfilter 67 ausschließlich der Behandlung feinster Tropfen kleiner als 5 μιη dient. Der Demister 65 ist somit als dritte Abscheidestufe dem Koaleszerfilter 67 für eine besonders wirksame Feinab- Scheidung vorgelagert. Aus der Filterkammer 9 gelangt das Gas, wie in Fig. 5 mit Bogenpfeil 91 angedeutet, über das obere Ende 81 in das Innenrohr 79 und von diesem über den Schrägkanal 83 zum Ausgang 37 der Gasseite. Bei der Strömungsführung über das axiale Innenrohr 79 ist die Gefahr vermieden, dass Flüssigkeitstropfen, die sich in der Filterkammer 9 an der Au- ßenseite des Filtermaterials 73 befinden, zum Gasausgang 37 hin mitgerissen werden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sammelraum 1 5 für die Aufnahme eines Vorrats abgeschiedener Flüssigkeit, die über die Ringöffnung 45 des Zyklongehäuses 31 in den Sammelraum abgetropft ist, ausgebildet, wobei beispielsweise ein Volumen von 5 Liter im Sammelraum 15 innerhalb des unteren Gehäuseteils 13 aufnehmbar sein kann. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann für die Steuerung von Entleerungsvorgängen, die über den Ausgang 19 erfolgen, eine Steuerung mittels eines Füllstandsanzeigers vorgesehen sein. Beim vorliegenden Beispiel ist diesbezüglich ein Schwim- merkörper 93 vorgesehen, der auf einer Führung 95 geführt ist, die die

Messstrecke für ein Wegmesssystem 97 bildet. Dabei kann es sich um eine berührungsfreie Sensoreinrichtung handeln, beispielsweise ein magne- tostriktives Verfahren, bei dem innerhalb der Führung 95 ein Wellenleiter gespannt ist.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu dient, einen Gasstrom, beispielsweise Wasserstoff unter hohem Druck, der nur geringfügig mit Flüssigkeiten, beispielsweise ionischen Flüssigkeiten in einer Größenordnung von bis zu maximal 5 % verunreinigt ist, zu behandeln.

Für die dahingehende Auftrennung setzt die erfindungsgemäße Vorrichtungslösung drei verschiedene Abscheiderstufen ein, die zur Abtrennung der Verunreinigungen sowohl in flüssiger als auch in partikulärer Form die- nen. In der Reihenfolge des Behandlungsprozesses wären dies:

1 . Zentrifugalabscheider, der eine Abtrennung von Partikeln und Flüssigkeiten höherer Dichte ermöglicht,

2. Demister, der eine Abtrennung größerer Tropfen, sprich größer 5μητι ermöglicht und demgemäß einen Flüssigkeitsdurchbruch auf das Ko- aleszerfilterelement verhindert, und 3. Koaleszerfilterelement, das der Abscheidung von feinsten Aerosolen, vorzugsweise mit einer Tröpfchengröße < 5 m dient.

Die Abführung des gefilterten Gases aus dem Sammelraum 9 durch die ko- axial angeordnete Ableitung 79 bietet für die Vorrichtung neben der Minimierung der Flüssigkeitsverschleppung noch den weiteren Vorteil, dass der Druckbehälter bzw. das Filtergehäuse des Koaleszerfilters zweiteilig (Komponenten 5 und 1 1) ausgeführt werden kann, wobei alle Zu- und Ableitungen in einem feststehenden Teil 1 1 der Vorrichtung untergebracht werden können. Dies erleichtert den Elementwechsel ungemein, da keine Rohrleitungen demontiert werden müssen und der Gehäusetopf erlaubt einen „komfortablen" Zugang zum zu tauschenden Element. Ansonsten hätte man das Gehäuse dreiteilig konstruieren müssen, was weniger wartungsfreundlich und mit Mehrkosten verbunden ist.