Erwärmung von Adsorbenzien und Katalysatoren
Einführung
In vielen technischen Prozessen von der Luftzerlegung bis hin zur Abluftreinigung spielen Adsorbermaterialien eine fundamentale Rolle. Trotz des breiten Spektrums dieser Stoffe sowie ihrer Anwendungsfelder haben all diese Materialien bei ihrer Nutzung eine Gemeinsamkeit: nach der Beladung müssen sie regeneriert werden, um erneut im technischen Prozess eingesetzt werden zu können. Um die Wiederherstellung der Adsorptionskapazität so effizient wie möglich zu gestallten, werden die Adsorber oft thermisch regeneriert und dabei auf Temperaturen von typischerweise 200 °C bis 400 °C erwärmt. Unter dem Aspekt einer möglichst kosten- und zeiteffizienten Regeneration ist dabei eine schnelle und gleichzeitig homogene Erwärmung wünschenswert. Da die meisten Adsorbermaterialien schlechte Wärmeleiter sind und als Schüttgut eingesetzt werden, ist dies jedoch mit konventionellen Wärmeeintragstechniken nahezu unmöglich. Im Gegensatz dazu werden mit Hilfe von dielektrischen Erwärmungsverfahren diese Forderungen auf Grund des direkten Wärmeeintrags in die Adsorberstoffe prinzipimmanent erfüllt.
Eine analoge Argumentation trifft auf die Erwärmung von Katalysatoren zu. Wenn es sich dabei beispielsweise um Edelmetalle handelt, so sind diese oft auf einem porösen Träger angeordnet. Auch oxidische Katalysatoren werden in der Regel als Schüttungen mit geringer immanenter Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Damit ergibt sich auch im Bereich der Katalyse und erst recht in der Kombination mit der Adsorption ein potenzielles Anwendungsfeld der dielektrischen Erwärmung mit Radiowellen.
Dielektrische Erwärmung
Bei dielektrischen Erwärmungsverfahren wird Energie durch elektromagnetische Wellen, insbesondere durch Mikrowellen oder Radiowellen, direkt in die Materialien eingebracht. Während Mikrowellenanlagen wesentlich verbreiteter und günstiger in der Anschaffung sind, erlaubt der Einsatz von Radiowellen, verschiedenste Adsorbermaterialien wie z.B. Aktivkohlen, Silikagele oder nahezu alle Typen von Zeolithen direkt auch im industriell relevanten Maßstab schnell und homogen zu erwärmen. Dabei kann es sich sowohl um trockene als auch um feuchte Materialien handeln.
Als weiterer Vorteil der Radiowellen-Erwärmung gegenüber dem Einsatz von Mikrowellen ist die höhere Energieeffizienz zu nennen. Durch das integrierte elektronische Anpassnetzwerk (die so genannte Matchbox) kann eine Reflexion der Leistung vom zu erwärmenden System nahezu vollständig vermieden werden. So kann eine Reihe von technisch relevanten Adsorbenzien oder Katalysatoren mit einem Wirkungsgrad von über 80 % (Wandlungseffizienz von HF-Energie in Wärme) im Labor- oder im kleintechnischen Maßstab erwärmt werden.
Selektive Erwärmung
Umfangreiche Untersuchungen an Modellsystemen zeigten, dass es unter bestimmten Randbedingungen hinsichtlich des Elektrodendesigns, des Druckes, der Partikelgröße und der dielektrischen Materialeigenschaften möglich ist, Teile eines Schüttbetts selektiv mit Radiowellen zu erwärmen. Dabei reicht die Spanne von selektiv erwärmten Regionen in einem homogenen Schüttbett über bevorzugt erwärmte Schüttbettzonen einzelner Festbettkomponenten in einem Mehrstoffsystem bis hin zu heißen, das Schüttbett durchlaufenden Zonen, die als
thermo-chromatographischer Puls
bezeichnet werden. Die Selektivität der RW-Erwärmung eröffnet eine Reihe von neuartigen Anwendungsmöglichkeiten in der chemischen Prozesstechnik, die sich durch eine bessere Steuerbarkeit der Aufheizprozesse und eine höhere Energieeffizienz auszeichnen.