Anwendung von Radiowellen zur Erwärmung von Adsorbenzien und Katalysatoren

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle Wittenberg
verteidigt am 03.08.2005
 

Abstract

In der chemisch-physikalischen Verfahrenstechnik und der Umwelttechnik sind katalytische und adsorptive Verfahren zur Herstellung und Rückgewinnung von Produkten und Wert­stoffen sowie zum Rückhalt und Abbau von Schadstoffen weit verbreitet. Die Temperatur stellt bei diesen Prozessen eine wesentliche Steuergröße dar, da sie sowohl die Reaktions- und Transport­ge­schwindigkeiten als auch die Lage von Adsorptions-/Desorptions-Gleich­ge­wichten bestimmt. Zur thermischen Desorption bzw. Regeneration beladener Adsor­ben­zien ist ebenso eine Erwärmung erforderlich wie zur Einstellung der Arbeits­temperatur geträgerter Katalysatoren. Die auf der Absorption von Mikro- und Radiowellen basierenden dielektrischen Erwär­mungs­verfahren bieten die einmalige Möglichkeit ein weites Spektrum verschiedener Fest­stoffe schnell und effizient zu erwärmen. Durch die von äußeren Stoffströmen und Energie­trägern unabhängige direkte Erwärmung der Adsorbenzien und Katalysatoren kann sehr flexibel und spontan auf sich ändernde Betriebsbedingungen reagiert werden. Für die Anwendung im techni­schen Maßstab bietet sich das Verfahren der Radiowellen­er­wär­mung an.
Mit den durchgeführten Untersuchungen sollten die Grundlagen für die Anwendung von Radio­wellen zur Er­wärmung etablierter kommerzieller Adsorbenzien und Katalysatoren geschaffen und klare Befunde über die Möglich­keit zur stoffselektiven Erwärmung von Katalysatorclustern und polaren Adsorbaten durch Radio- und Mikrowellen gegeben bzw. die dafür notwendigen Bedingun­gen bestimmt werden.
Adsorbenzien, wie Aktivkohlen und Zeolithe, konnten bis in den kleintechnischen Maßstab hinein homogen und schnell erwärmt werden. Die Übertragungsverluste waren vernachlässigbar.
Eine stoffselektive Erwärmung von Katalysatorclustern mit einer Größe von ca. 100 nm durch Radio- und Mikrowellen konnte selbst unter den optimalen Bedingungen im Hochvakuum, unter denen kein Wärmeaustausch über die Gasphase erfolgt, nicht nachgewiesen werden. Erst ab einer Par­tikel­größe von mehreren Mikrometern wurden einzelne Zeolithpartikel in einer Matrix selektiv im Hochvakuum erwärmt. Unter Umgebungsdruckbedingungen war eine signifikante Über­hitzung einzelner Zeolithpar­tikel erst ab einer Partikelgröße von mehreren Millimetern möglich.
Polare Adsorbate bewirken zumeist eine Erhöhung der effekti­ven dielek­trischen Verluste der Adsorben­zien, wodurch deren dielektrische Erwärmung mit­unter erst möglich wird. Da­mit kann ein stationärer Temperaturunterschied zwischen bela­denen und unbe­la­denen Bereichen der Adsor­benzien auch bei Um­gebungsdruck etabliert werden. Durch die Radio- und Mikrowellener­wärmung wurde jedoch selbst im Hochvakuum keine selektive Desorp­tion polarer Adsorbate (Ammoniak, Wasser) gegenüber unpolaren Adsorbaten (z.B. Pentan) er­reicht.
Theoretische Untersuchungen zeigen in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen, dass eine selektive Erwärmung einzelner Partikel unter Um­gebungs­druck­be­dingungen selbst bei optimalen dielektrischen Eigenschaften erst ab einer Partikel­größe im Millimeterbereich möglich ist.