DE4001710A1 - Verfahren zum entfernen von kondensierbaren verbindungen aus einem gasstrom - Google Patents
Verfahren zum entfernen von kondensierbaren verbindungen aus einem gasstromInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von kondensierbaren bzw.
sublimierbaren Verbindungen aus Gesströmen bzw. zur Rückgewinnung der
Verbindungen aus diesen Gasströmen.
Als typische Beispiele für solche Gasströme, die solche kondensierbaren
Verbindungen enthalten, deren Gewinnung wirtschaftlich oder deren Entfernung
aus Umweltgründen notwendig ist, sind zu nennen:
- - Atmungsgase aus Kraftstoff- und Chemikalientanklagern an Tankstellen, in Raffinerien, in Petrochemieanlagen und Flughäfen, die durch die Temperaturausdehnung des Gaspolsters auf Grund von Tag/Nacht- oder wetterbedingten Temperatur- und Druckschwankungen entstehen
- - Verdrängungsgase, die beim Umfüllen von Kraftstoffen an Tankstellen und in Chemikalientanklagern entstehen
- - Absaugluft aus Verladeeinrichtungen für Kraftstoffe und Chemikalien
- - Absaugluft aus Tankstellen, Spritzkabinen, Chemischen Reinigungen
- - Feuchte Gasströme, die getrocknet werden sollen etc.
Bei der Aufarbeitung solcher Gasströme, die kondensierbare Verbindungen
enthalten, ist die Aufgabe gestellt, den Gasstrom zu reinigen bzw. die darin
enthaltenen Verunreinigungen abzutrennen und ggfls. wiederzugewinnen. Eine
der einfachsten Methoden hierzu ist die Abkühlung des Gasstromes und die
Abscheidung der Verunreinigungen durch Kondensation. Um hohe Abscheidegrade
zu erhalten muß der Gasstrom dabei oft so tief abgekühlt werden, daß der
Schmelzpunkt der zu entfernenden Verbindung unterschritten wird. Dies führt
in Kondensationsanlagen zu schwierig zu beherrschenden Problemen. Die
Kristallbildung und die sich ablagernden Feststoffe blockieren Strömungswege
und belegen Wärmetauscheroberflächen, wodurch Wirkungsgradverluste,
Betriebsstörungen und Anlagestillstände verursacht werden. Es hat sich
ebenfalls gezeigt, daß die bisher üblichen Kondensationsverfahren
verfahrenstechnisch aufwendig sind, einen hohen Energieverbrauch haben und
hohe Invetitionskosten erfordern. Diese Nachteile sollen vermieden werden und
gleichzeitig ein energiesparendes und wirtschaftliche Verfahren gefunden
werden.
Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß das zu reinigende Gas in einer
Abkühlzone regenerativ auf Temperaturen zwischen 0 und -180°C,
vorzugsweise -30 bis -70°C, abgekühlt wird, wobei man das Gas zunächst
durch eine kalte Speichermasse hindurchleitet, in der es unter Aufheizung
derselben abkühlt und an deren Oberfläche ein großer Teil der zu
entfernenden Stoffe durch Kondensation und Sublimation abgeschieden wird. Die
bei der Abkühlung gebildeten nicht abgeschiedenen Nebel werden durch einen
Tröpfchenabscheider weitgehend aus dem Gasstrom entfernt. Anschließend
wird in einer Kühlstufe der zu reinigende Gasstrom weiter abgekühlt, wobei
der Schmelzpunkt der zu entfernenden Restkomponenten unterschritten wird. Die
verbleibenden Restverunreinigungen werden an einer Speichermasse mit großer
Oberfläche und großem Hohlraumvolumen abgeschieden. Anschließend wird der
so gereinigte kalte Gasstrom in einer zweiten Stufe regenerativ wieder
aufgewärmt, wobei man das Gas durch eine warme Speichermasse
hindurchleitet, in der es unter Abkühlung derselben bis auf Umgebungs
temperatur aufgewärmt wird.
Dabei wird die Strömungsrichtung des Gasstromes periodisch umgeschaltet,
so daß die beiden identisch aufgebauten Speichermassen jeweils periodisch als
Abkühlstufe bzw. als Anwärmstufe fungieren.
Die Speichermassen sind so ausgebildet, daß sie eine hohe
Wärmespeicherkapazität und minimale axiale Temperaturfähigkeit
besitzen, wodurch eine optimale Kälteausnutzung gewährleistet ist.
Gleichzeitig sind die Speichermassen so ausgebildet, daß sie ein abgestuftes
Hohlraumvolumen aufweisen, in welchem sich die zu entfernenden Substanzen
als Kondensat oder Sublimat abscheiden können ohne daß die Strömungswege
des Gases blockiert werden.
Bei der Umkehrung der Strömungsrichtung des Gasstromes erfolgt während
des Anwärmens der Speichermasse gleichzeitig ein Abschmelzen der festen
Verunreinigungen und ein Austrag der flüssigen Verunreinigungen aus der
Speichermasse, so daß diese für den nächsten Zyklus vorgereinigt ist. Die
Speichermasse hat somit gleichzeitig mehrere Funktionen und wirkt in einem
Zyklus nach einem der als Wärmespeicher, Abscheider und Wärmetauscher.
Die zum Betrieb der Anlage erforderliche Kälte wird mittels einer
Kältemaschine erzeugt, wobei zur Verbesserung des exergetischen
Wirkungsgrades die Wärme aus dem Kälteprozeß sowohl an die Außenluft,
als auch an den austretenden gereinigten Gasstrom abgegeben wird. Die Kälte
wird periodisch über einen in Strömungsrichtung vor der Speichermasse im
kalten Teil sitzenden Wärmetauscher dem gereinigten kalten Gasstrom
zugeführt und von diesem auf die warme Speichermasse übertragen.
Dabei wird ein Kälteaustrag aus den Speicherelementen vermieden, indem die
durch Dissipation verursachte Abkühlung des austretenden Gasstromes
ausgenutzt wird, um das komprimierte warme Kältemittel vorzukühlen.
Wahlweise kann die zum Betrieb der Anlage erforderliche Kälte auch mittels
unter Druck stehenden flüssigem CO₂ oder mit flüssigem Stickstoff erzeugt
werden, welches bzw. welcher nach dem Abscheider über eine
Entspannungsdüse direkt in den kalten gereinigten Gasstrom zudosiert wird,
wobei die Abkühlung des Gasstromes durch die Entspannungs- bzw.
Verdampfungskälte des zudosierten Mediums erfolgt.
Einzelheiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert (Abb. 1).
Kernstücke des Verfahrens sind zwei identisch aufgebaute Prozeßelemente
(1, 2). Beide Prozeßelemente (1, 2) bestehen aus einem Strömungskanal mit
den folgenden Einbauten: Eingangswärmetauscher (3, 3a), Kältespeicherelement
(4, 4a), Sublimationselement (5, 5a), Kältewärmetauscher (6, 6a) und
Tröpfchenabscheider (7, 7a). Im ersten Zyklus sind die Wärmetauscher (3) und
(6) des ersten Prozeßelementes desaktiviert, und die des zweiten
Prozeßelementes (3a) und (6a) aktiviert, d. h. der Kältemittelkreislauf der
Kältemaschine (8) läuft über den Luftkühler (9) und die Wärmetauscher
(3a) und (6a) des zweiten Prozeßelementes.
Das zu reinigende Gas wird bei einem Druck von 1 bis 30 bar, vorzugsweise
bei 1 bis 6 bar durch die Leitung (10) dem Prozeß zugeführt, wobei es im
ersten Zyklus über das Zweiwegeventil (11) und die Leitungen (12) und (13) in
das bereits abgekühlte Prozeßelement (1) geleitet wird, welches im ersten
Zyklus die abzuscheidenden Substanzen aufnimmt. Das in diesem ersten Zyklus
warme Prozeßelement (2) dient in diesem Zyklus lediglich zur Aufnahme der
mit dem gereinigten Gasstrom ausgetragenen Kälte. Der gereinigte Gasstrom
tritt über das Prozeßelement (2), Leitung (14) und (15), Zweiwegeventil (16)
und Leitung (17) ins Freie.
Das in das Prozeßelement (1) eintretende Gas durchströmt im ersten
Zyklus den desaktivierten Wärmetauscher (3) und tritt in das kalte
Speicherelement (4) ein, welches auf die zur Erzielung des gewünschten
Restgehaltes der zu entfernenden Substanzen erforderlichen Temperatur von 0
bis -110°C, vorzugsweise auf -30 bis -70°C vorgekühlt ist. In dem
Speicherelement (4), welches eine hohe Wärmespeicherkapazität und niedrige
axiale Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird der Gasstrom auf die gewünschte
Temperatur abgekühlt. Dabei bildet sich eine Kondensations- und bei tiefen
Temperaturen auch eine Sublimationszone aus, die auf Grund des
durchströmendes Gases stromabwäsrts wandern und in der sich die zu
entfernenden Substanzen abscheiden. Die in der Sublimationszone der
Speichermasse sich als Feststoff abscheidenden Substanzen werden beim
passieren der stromabwärts wandernden Kondensationszone bei dem
nachfolgenden, durch das warme, eintretende Gas verursachten Temperatur
anstieg abgeschmolzen und fließen ab.
Die Kondensationszone durchwandert die beiden Speicherelemente (4) und (5)
einschließlich des in diesem Zyklus desaktivierten Wärmetauschers (6) und
des Demisters (7). Der gereinigte Gasstrom tritt über die Leitung (18) in das
Prozeßelement (2) ein und wird dort mittels Wärmetauscher (6a) weiter
abgekühlt. Dabei scheiden sich die Restanteile des zu entfernenden Stoffes im
Speicherelement (5a) an der Oberfläche der Speichermasse ab, wobei
Speicherelement (5) bzw. (5a) zur Vermeidung von Blockagen ein vergrößertes
Hohlraumvolumen aufweist.
Am Ende des ersten Zyklus das gesamte Prozeßelement (1) auf die Temperatur
des eintretenden Gasstromes erwärmt und abgereinigt. Das im ersten Zyklus
anfallende Kondensat wird über Leitung (9) abgezogen.
Im ersten Zyklus wurde die gesamte, mit dem Gasstrom über Leitung (18)
ausgetragene Kälte auf die Speicherelemente des Prozeßelementes (2)
übertragen, das jetzt auf die Abscheidetemperatur vorgekühlt und für den
zweiten Zyklus prepariert ist.
Die für die Abscheidung benötigte Kälte wird durch das Kälteaggregat (8)
erzeugt. Die Abkühlung des komprimierten Kältemittel erfolgt über
Luftkühler (9) und den Wärmetauscher (3a) im Abgasstrom. Durch den
Wärmetauscher im Abgasstrom erfolgt eine Rückgewinnung der in
Strömungsrichtung dessipierenden Kälte, wodurch der Energieverbrauch des
Gesamtverfahrens wesentlich gesenkt wird und die periodisch durch die beiden
Elemente wandernden Temperaturfronten räumlich begrenzt bleiben. Das in
Wärmetauscher (3a) vorgekühlte Kältemittel wird in Wärmetauscher (20)
weiter abgekühlt und im Entspannungsventil (21) entspannt, wobei durch die
entstehende Verdampfungskälte Wärmetauscher (6a) auf die gewünschte
Endtemperatur gekühlt wird.
Alternativ kann die für die Abscheidung benötigte Kälte ohne Verwendung
einer Kältemaschine mit Hilfe von flüssiger Kohlensäure oder flüssigem
Stickstoff erfolgen, wobei flüssiges CO₂ (bzw. N₂) über eine
Entspannungsdüse direkt in den Gasstrom eingedüst wird. Hierbei erfolgt eine
direkte Abkühlung des Gasstromes durch die Entspannungskälte des
verdampfenden CO₂ (bzw. N₂). Die Wärmetauscher (6) bzw. (6a) werden in diesem
Falle nicht benötigt.
Nachdem im erstsen Zyklus die Warmfront das Prozeßelement (1) durchlaufen
hat und das Prozeßelement (1) unter Anwärmung des Kältespeichers (4) und
(5) seine Abscheideleistung erbracht und sich selbst abgereinigt hat, wobei
Prozeßelement (2) gleichzeitig abgekühlt wurde, beginnt der zweite Zyklus.
Hierzu wird die Richtung des Gasstromes umgekehrt indem die beiden
Zweiwegeventile (11) und (16) umgeschaltet werden, so daß der Gasstrom über
Leitung (14) in das jetzt kalte Prozeßelement (2) eintritt und dort in derselben
Weise behandelt wird wie vorstehend für den ersten Zyklus beschrieben.
Durch periodisches Umschalten des Gasstromes fungiert somit immer ein
Element unter Anwärmung der kalten Speichermasse als Abscheider, während
die Speichermasse des anderen Elementes die mit dem Gasstrom ausgetragene
Kälte des ersten Elementes aufnimmt. Dadurch bleibt der für die
Kälteerzeugung erforderliche Energieverbrauch des Verfahrens trotz der relativ
niedrigen Temperaturen gering. Alle Anlagenteile, die während des Betriebes
auf niedrige Temperatur abgekühlt werden müssen sind mit einer
Kälteisolierung versehen, so daß die Verluste durch Wärmeleitung von außen
gering sind.
In einer Zeichnung entsprechenden Anlage wird ein benzinhaltiges
Verdrängungsgas behandelt, wie es beim Befüllen eines Tankstellen
tanklagers mit einem Straßentankfahrzeug anfällt. Die drucklos anfallende
Gasmenge beträgt 30 m³/h, das Gas ist mit Benzindämpfen und Feuchtigkeit
gesättigt und hat folgende Zusammensetzung:
Benzindämpfe: | |
35 Vol.-% | |
Luft (O₂/N₂): | ca. 62 Vol.-% |
Feuchtigkeit: | gesättigt (20°C) |
Das Gas wird durch den Einfülldruck aus dem Tanklager verdrängt und
durchströmt auf Grund des entstehenden leichten Überdruckes eine der
Zeichnung entsprechende Anlage. Die Abscheidetemperatur beträgt -65°C,
die Zykluszeit, nach der die Strömungsrichtung des Gases durch die Anlage
umgekehrt wird ist 30 min. Das aus der Anlage austretende Gas hat einen
Restgehalt an Kohlenwasserstoffen von «0,1%. In einer Stunde fallen
ca. 40 Liter Benzin und ca. 0,6 Liter Kondensatwasser an.
Claims (7)
1. Verfahren zum Entfernen von kondensierbaren bzw. sublimierbaren Stoffen
aus Gasströmen, gekennzeichnet dadurch, daß das zu reinigende Gas in einer
Abkühlstufe regenerativ auf Temperaturen zwischen 0 und -180°C,
vorzugsweise -30 bis 70°C abgekühlt wird, wobei man das Gas periodisch
durch eine kalte Speichermasse hindurchleitet, in der es unter Aufheizung
derselben abkühlt und an deren Oberfläche sich die zu entfernenden Stoffe
durch Kondensation und Sublimation niederschlagen, daß die bei der Abkühlung
gebildeten nicht abgeschiedenen Nebel durch einen Abscheider aus dem Gasstrom
weitgehend entfernt werden, daß in einer Kühlstufe der gereinigte kalte
Gasstrom weiter abgekühlt wird, wobei der Schmelzpunkt der zu entfernenden
Restkomponenten unterschritten wird, daß die verbleibenden
Restverunreinigungen an einer Speichermasse mit großer Oberfläche und
großem Hohlraumvolumen abgeschieden werden, und daß der gereinigte kalte
Gasstrom regenerativ wieder aufgewärmt wird, wobei man das Gas durch eine
warme Speichermasser hindurchleitet, in der es unter Abkühlung derselben bis
auf Umgebungstemperatur aufgewärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strömungsrichtung des Gasstromes periodisch umgeschaltet wird, wobei die
Speichermassen in der Abkühl- bzw. Anwärmperiode jeweils ihre Funktion
wechseln und als Wärme- bzw. Kältespeicher, als Abscheider und als
Wärmetauscher fungieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
Umkehrung der Strömungsrichtung des Gasstromes gleichzeitig ein
Abschmelzen der festen Verunreinigungen und ein Austrag der flüssigen
Verunreinigungen aus den Speichermassen und den Abscheidern erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Speichermassen so ausgebildet sind, daß sie eine reduzierte axiale
Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hohem thermischen
Speichervermögen besitzen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum
Betrieb der Anlage erforderliche Kälte durch Wärmetauscher periodisch an den
gereinigten kalten Gasstrom übertragen wird, wobei die Kälte mittels einer
Kältemaschine erzeugt wird, welche die abzuleitende Wärme aus dem
Kälteprozeß zunächst an die Außenluft und anschließend an den
austretenden gereinigten Gasstrom abführt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum
Betrieb der Anlage erforderliche Kälte mittels unter Druck stehenden
flüssigem CO₂ oder mit flüssigem Stickstoff erzeugt wird, welches bzw.
welcher nach dem Abscheider über eine Entspannungsdüse direkt in den kalten
gereinigten Gasstrom zudosiert wird, wobei die Abkühlung des Gasstromes
durch die Entspannungs- bzw. Verdampfungskälte des zudosierten Mediums
erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu
reinigende Gas komprimiert wird und die Reinigung bei Drücken zwischen 1 und
30 bar, vorzugsweise zwischen 1 bis 6 bar erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904001710 DE4001710A1 (de) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Verfahren zum entfernen von kondensierbaren verbindungen aus einem gasstrom |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904001710 DE4001710A1 (de) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Verfahren zum entfernen von kondensierbaren verbindungen aus einem gasstrom |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4001710A1 true DE4001710A1 (de) | 1991-07-25 |
Family
ID=6398510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904001710 Withdrawn DE4001710A1 (de) | 1990-01-22 | 1990-01-22 | Verfahren zum entfernen von kondensierbaren verbindungen aus einem gasstrom |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4001710A1 (de) |
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8181 | Inventor (new situation) |
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