DE102016113557A1

DE102016113557A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom

Info

Publication number: DE102016113557A1
Application number: DE102016113557.7A
Authority: DE
Inventors: Marcel Brouns; Matthias Böckling
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Abscheiden mindestens eines Stoffs (2) aus einem Gasstrom (3) als ein Kondensat, ein Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs (2) aus einem Gasstrom (3) sowie eine Verwendung der Vorrichtung zum Reinigen eines in einem Labor zu verwendenden Gasstroms (3). Die Vorrichtung (1) umfasst zumindest: – einen Plattenwärmetauscher (4) mit einem ersten Einlass (5), einem zweiten Einlass (6), einem ersten Auslass (7) und einem zweiten Auslass (8), wobei in dem Plattenwärmetauscher (4) von dem ersten Einlass (5) hin zu dem ersten Auslass (7) ein erster Strömungsweg (9) für ein Wärmetransfermedium (10) und von dem zweiten Einlass (6) hin zu dem zweiten Auslass (8) ein zweiter Strömungsweg (11) für ein Kühlmedium (12) gebildet sind; – einen Kryokondensator (13) mit einem Wärmetransfermedium-Einlass (14), einem Wärmetransfermedium-Auslass (15), einem Gasstrom-Einlass (16), einem Gasstrom-Auslass (17) und einem Kondensat-Auslass (18); wobei der Wärmetransfermedium-Einlass (14) des Kryokondensators (13) mit dem ersten Auslass (7) des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch verbunden ist. Die Vorrichtung sowie das Verfahren ermöglichen ein effizientes Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom mit geringem anlagen- und regelungstechnischen Aufwand und vorzugsweise unter nahezu vollständiger Vermeidung einer Aerosolbildung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom sowie eine Verwendung der Vorrichtung zum Reinigen eines in einem Labor verwendeten und/oder zu verwendenden Gasstroms.
Es ist bekannt, Verunreinigungen, wie beispielsweise Schadstoffe, Lösemittel und/oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs) aus einem Gasstrom durch Kondensieren oder Ausfrieren abzuscheiden. So ist es beispielsweise bekannt, mit Lösemitteln beladene Abluftströme, die beispielsweise bei Prozessen in der Chemie oder als Abgase aus Tanklagern entstehen können mittels Kondensieren oder Ausfrieren zu reinigen. Hierbei werden im Rahmen von industriellen Anwendungen insbesondere solche Stoffe beziehungsweise Verunreinigungen abgeschieden, die als Wertstoffe einer weiteren Verwendung zugeführt werden können.
Hierzu werden üblicherweise Wärmetauscher beziehungsweise Kondensatoren eingesetzt, in denen der zu reinigende Gasstrom mittels eines Kühlmediums gekühlt wird. Wird dabei der Taupunkt des im Gasstrom vorhandenen, abzuscheidenden Stoffs unterschritten, verflüssigt oder verfestigt sich zumindest ein Teil dieses Stoffs und kann vom Gasstrom abgetrennt werden.
Der Anteil der aus dem Gasstrom abgetrennten Stoffmenge des abzuscheidenden Stoffs gegenüber der insgesamt im Gasstrom vorhandenen Stoffmenge dieses Stoffs ist in erster Linie vom Grad der Taupunktunterschreitung abhängig. Beim Abkühlprozess kommt es jedoch in der Regel zu einer Übersättigung des Gasstroms und zur Bildung von Aerosolen. Da die Aerosole im Wärmetauscher beziehungsweise Kondensator nur zu einem sehr kleinen Teil abgeschieden werden, ist die tatsächlich vom Gasstrom abtrennbare Stoffmenge kleiner als die aufgrund der temperaturabhängigen Dampfdrücke der Stoffe theoretisch erreichbare Abscheidung. Demnach bilden die Aerosole Verunreinigungen, die den Wärmetauscher beziehungsweise Kondensator mit dem gereinigten Gasstrom verlassen. Daher ist eine Aerosolbildung während des Abscheideprozesses möglichst zu vermeiden.
Bekannte Anlagen zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom durch Kondensieren oder Ausfrieren sind jeweils für den industriellen Maßstab konzipiert und kommen beispielsweise in der chemischen Industrie, insbesondere in der Petrochemie zum Einsatz. Diese, im industriellen Maßstab konzipierten Anlagen erfordern einen hohen anlagentechnischen Aufwand, der sich für eine kleinere Anlage, die beispielsweise für eine Laboranwendung genutzt werden könnte, nicht rechnen würde. Beispielsweise umfassen die industriellen Anlagen regelmäßig eine Vielzahl miteinander zusammenwirkender Wärmetauscher, um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu optimieren und insbesondere eine unerwünschte Aerosolbildung zu vermeiden. Zudem erfordern die bekannten, industriellen Anlagen zur Regelung aller Prozessparameter und insbesondere zur Aerosolvermeidung eine aufwändige, regelmäßig übergeordnete Prozessregelung, die einen hohen rechentechnischen Aufwand erfordert. Entsprechend dimensionierte Steuergeräte und/oder Regler sind für eine kleine Anlage, die in einem Labor zur Anwendung kommen soll, zu kostenaufwändig.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom angegeben werden, die mit geringem anlagen- und regelungstechnischen Aufwand und vorzugsweise unter nahezu vollständiger Vermeidung einer Aerosolbildung ein möglichst effizientes Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom erlauben. Zudem soll die Vorrichtung möglichst kostenschonend und platzsparend herstellbar sein.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom als ein Kondensat umfasst zumindest:

– einen Plattenwärmetauscher mit einem ersten Einlass, einem zweiten Einlass, einem ersten Auslass und einem zweiten Auslass, wobei in dem Plattenwärmetauscher von dem ersten Einlass hin zu dem ersten Auslass ein erster Strömungsweg für ein insbesondere zu kühlendes Wärmetransfermedium und von dem zweiten Einlass hin zu dem zweiten Auslass ein zweiter Strömungsweg für ein Kühlmedium gebildet sind;
– einen Kryokondensator mit einem Wärmetransfermedium-Einlass, einem Wärmetransfermedium-Auslass, einem Gasstrom-Einlass, einem Gasstrom-Auslass und einem Kondensat-Auslass;

Bei dem Gasstrom kann es sich beispielsweise um einen Abluft-, Abgas- und/oder Prozessgasstrom handeln, der mindestens ein Gas, mindestens einen dampfförmigen Stoff und/oder Dampf umfassen kann. Bevorzugt ist der Gasstrom ein insbesondere mit mindestens einem Lösemittel und/oder einer flüchtigen organischen Verbindung (VOC) beladener Abluftstrom. Bei dem aus dem Gasstrom abzuscheidenden Stoff kann es sich beispielsweise um eine Verunreinigung, wie zum Beispiel einen das Gas verunreinigenden und zu entsorgenden Schadstoff, ein Lösemittel und/oder eine flüchtige organische Verbindung (VOC) handeln.
Unter einem „Kryokondensator" ist eine Einrichtung zu verstehen, die die Übertragung von Wärmeenergie von einem mit einem zu kondensierenden und/oder auszufrierenden Stoff beladenen Gasstrom auf ein kaltes (fluides) Wärmetransfermedium erlaubt. Das kalte Wärmetransfermedium weist hierbei in dem Kryokondensator und/oder an einem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators beispielsweise eine Wärmetransfermedium-Temperatur beziehungsweise Prozesstemperatur im Bereich von –150°C bis +50°C, bevorzugt von –120°C bis +20°C auf. Die Wärmetransfermedium-Temperatur beziehungsweise Prozesstemperatur kann weiterhin im Bereich von –120°C bis –50°C liegen. Vorzugsweise werden der Gasstrom und das Wärmetransfermedium getrennt voneinander, jedoch im Wärmeaustauch miteinander innerhalb des Kryokondensators und/oder durch den Kryokondensator geführt. Bevorzugt ist der Kryokondensator als Rohrbündelkondensator gebildet, wobei besonders bevorzugt mindestens ein Rohrbündel in dem Kryokondensator horizontal ausgerichtet ist.
Der Plattenwärmetauscher umfasst insbesondere mindestens zwei zumindest teilweise aneinander anliegende, profilierte Platten, die zwischen sich durchströmbare Kanäle ausbilden. Die Kanäle bilden den ersten Strömungsweg und den zweiten Strömungsweg durch den Plattenwärmetauscher. Der erste Strömungsweg und der zweite Strömungsweg erstrecken sich getrennt voneinander durch die Kanäle beziehungsweise durch den Plattenwärmetauscher, wobei der erste Strömungsweg und der zweite Strömungsweg durch die Platten voneinander getrennt sind. Der erste Strömungsweg und/oder der zweite Strömungsweg können innerhalb des Plattenwärmetauschers jeweils mindestens eine Verzweigung und mindestens eine Zusammenführung aufweisen, wobei die Anzahl der Verzweigungen und Zusammenführung insbesondere von der Anzahl der Platten des Plattenwärmetauschers abhängt. Der Plattenwärmetauscher kann als geschraubter oder gelöteter Plattenwärmetauscher ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist der erste Strömungsweg durch den Plattenwärmetauscher zum Führen eines Wärmetransfermediums vorgesehen und eingerichtet. Hierzu kann zumindest der erste Einlass und/oder der erste Auslass des Plattenwärmetauschers mit einem Verbindungselement, insbesondere einem Anschlussstück beziehungsweise einem Rohrleitungsanschluss, versehen sein, das ausschließlich dem (jeweiligen) zu verwendenden Wärmetransfermedium zugeordnet ist. Wenn beispielsweise gasförmiger Stickstoff (GAN) als Wärmetransfermedium durch den ersten Strömungsweg geführt werden soll, so kann zumindest der erste Einlass und/oder der erste Auslass des Plattenwärmetauschers mit einem Außengewinde als Verbindungselement versehen sein, wobei das Außengewinde mit einem bestimmten, beispielsweise normierten, Außendurchmesser ausgeführt ist, der ausschließlich zum Anschließen einer GAN-Quelle oder eines GAN-Verbrauchers vorgesehen ist. Dadurch kann verhindert werden, dass an den ersten Einlass eine Medium-Quelle eines Mediums angeschlossen wird, für das der erste Strömungsweg nicht vorgesehen und eingerichtet ist. Zudem kann verhindert werden, dass ein Verbraucher an den ersten Auslass angeschlossen wird, der für das in dem ersten Strömungsweg geführte Medium nicht vorgesehen und eingerichtet ist oder sogar durch dieses Medium beschädigt werden könnte.
Vorzugsweise ist der zweite Strömungsweg zum Führen eines Kühlmediums vorgesehen und eingerichtet. Hierzu kann zumindest der zweite Einlass und/oder der zweite Auslass des Plattenwärmetauschers mit einem Verbindungselement versehen sein, das ausschließlich dem (jeweiligen) Kühlmedium zugeordnet ist. Wenn beispielsweise flüssiger Stickstoff (LIN) als Kühlmedium durch den zweiten Strömungsweg geführt werden soll, so kann zumindest der zweite Einlass und/oder der zweite Auslass des Plattenwärmetauschers mit einem Außengewinde als Verbindungselement versehen sein, wobei das Außengewinde mit einem bestimmten, beispielsweise normierten, Außendurchmesser ausgeführt ist, der ausschließlich zum Anschließen einer LIN-Quelle oder eines LIN-Verbrauchers vorgesehen ist. Dadurch kann verhindert werden, dass an den zweiten Einlass eine Medium-Quelle eines Mediums angeschlossen wird, für das der zweite Strömungsweg nicht vorgesehen und eingerichtet ist. Zudem kann verhindert werden, dass ein Verbraucher an den zweiten Auslass angeschlossen wird, der für das in dem zweiten Strömungsweg geführte Medium nicht vorgesehen und eingerichtet ist oder sogar durch dieses Medium beschädigt werden könnte.
Die vorgeschlagene Vorrichtung dient insbesondere zum Reinigen eines in einem Labor verwendeten und/oder zu verwendenden Gasstroms. Die Vorrichtung ist insbesondere für einen Labormaßstab konzipiert. Bevorzugt dient die Vorrichtung zum Reinigen eines Labor-Abluftstroms. Unter einem „Labor“ wird vorliegend ein Raum beziehungsweise eine Arbeitsstätte verstanden, in dem beziehungsweise an der (natur-)wissenschaftliche, insbesondere chemische, physikalische und/oder biologische, pharmazeutische oder medizinische Experimente, Untersuchungen, Entwicklungen oder Tests stattfinden. Eine Laboranwendung ist vorliegend insbesondere dadurch von einer industriellen Anwendung zu unterscheiden, dass in einem Labor bzw. bei einer Laboranwendung um ein Vielfaches geringere Gasstrom-Volumenströme, insbesondere Abluft-Volumenströme auftreten.
Besonders bevorzugt dient die Vorrichtung zum Reinigen eines Labor-Abluftstroms mit einem Volumenstrom im Beriech von 5 m³/h [Kubikmeter pro Stunde] bis 50 m³/h. Eine für den industriellen Maßstab konzipierte Abluft-Reinigungsanlage könnte nicht effizient zur Reinigung eines Labor-Abluftstroms verwendet werden, insbesondere im Hinblick auf den anlagen- und regelungstechnischen Aufwand einer für den industriellen Maßstab konzipierten Abluft-Reinigungsanlage.
Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das vorgestellte Verfahren erlauben in vorteilhafter Weise, dass vergleichsweise einfach, insbesondere ohne hohen anlagen- und regelungstechnischen Aufwand, ein Gasstrom, wie beispielsweise ein Abluftstrom insbesondere von Lösemitteln und/oder flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) gereinigt werden kann. In diesem Zusammenhang erlaubt die Verwendung eines Plattenwärmetauschers als Kaltgasgenerator das Einstellen und Einhalten einer vorbestimmten Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums mit einfachen Mitteln und ohne großen regelungstechnischen Aufwand.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste Einlass des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch mit einer ersten Zuleitung verbunden ist und wobei in der ersten Zuleitung stromauf des ersten Einlasses ein erstes Einstellmittel zum Einstellen eines Wärmetransfermedium-Volumenstroms vorgesehen ist. Bevorzugt weist das erste Einstellmittel mindestens eine Drossel und/oder mindestens ein Ventil auf. Besonders bevorzugt ist das erste Einstellmittel mit einem (sensorgesteuerten beziehungsweise steuerbaren) Ventil gebildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das erste Einstellmittel dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Wärmetransfermedium-Volumenstrom in Abhängigkeit von einem stromauf des Gasstrom-Einlasses des Kryokondensators gemessenen Gasstrom-Volumenstrom und einem zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators gemessenen Wärmetransfermedium-Volumenstrom einzustellen. Bevorzugt weist das erste Einstellmittel mindestens einen Volumenstrom-Regler und/oder mindestens einen Volumenstrom-Sensor auf. Alternativ oder zusätzlich ist das erste Einstellmittel mit mindestens einem Volumenstrom-Regler und/oder mindestens einem Volumenstrom-Sensor (signaltechnisch) verbunden. Besonders bevorzugt ist das erste Einstellmittel als eine Baueinheit oder Funktionseinheit, zumindest umfassend mindestens ein (steuerbares) Ventil und mindestens einen Volumenstrom-Regler und/oder mindestens einen Volumenstrom-Sensor gebildet. Insbesondere wenn das erste Einstellmittel als eine mehrere Komponenten umfassende Baueinheit oder Funktionseinheit gebildet ist, muss das erste Einstellmittel nicht vollständig in und/oder im Bereich der ersten Zuleitung angeordnet sein.
Vorzugsweise weist das erste Einstellmittel ein in der ersten Zuleitung stromauf des ersten Einlasses des Plattenwärmetauschers angeordnetes, steuerbares Ventil auf, wobei das Ventil mit einem Volumenstrom-Regler und mindestens einem Volumenstrom-Sensor (signaltechnisch) verbunden ist. Hierbei ist besonders bevorzugt mindestens ein Volumenstrom-Sensor zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators und/oder im Bereich des ersten Auslasses des Plattenwärmetauschers angeordnet, der besonders bevorzugt mit dem Ventil und/oder dem Volumenstrom-Regler signaltechnisch verbunden ist. Weiter bevorzugt ist der Volumenstrom-Regler messtechnisch, gegebenenfalls mittels eines weiteren, stromauf und/oder im Bereich des Gasstrom-Einlasses des Kryokondensators angeordneten Volumenstrom-Sensors mit dem Gasstrom-Einlass des Kryokondesators verbunden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der zweite Einlass des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch mit einer zweiten Zuleitung verbunden ist, wobei in der zweiten Zuleitung stromauf des zweiten Einlasses ein zweites Einstellmittel zum Einstellen eines Kühlmedium-Volumenstroms vorgesehen ist. Bevorzugt weist das zweite Einstellmittel mindestens eine Drossel und/oder mindestens ein Ventil auf. Besonders bevorzugt ist das zweite Einstellmittel mit einem (sensorgesteuerten beziehungsweise steuerbaren) Ventil gebildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das zweite Einstellmittel dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Kühlmedium-Volumenstrom in Abhängigkeit von einer zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators gemessenen Wärmetransfermedium-Temperatur einzustellen. Bevorzugt weist das zweite Einstellmittel mindestens einen Temperatur-Regler und/oder mindestens einen Temperatur-Sensor auf. Alternativ oder zusätzlich ist das zweite Einstellmittel mit mindestens einem Temperatur-Regler und/oder mindestens einem Temperatur-Sensor (signaltechnisch) verbunden. Besonders bevorzugt ist das zweite Einstellmittel als eine Baueinheit oder Funktionseinheit, zumindest umfassend mindestens ein (steuerbares) Ventil und mindestens einen Temperatur-Regler und/oder mindestens einen Temperatur-Sensor gebildet. Insbesondere wenn das zweite Einstellmittel als eine mehrere Komponenten umfassende Baueinheit oder Funktionseinheit gebildet ist, muss das zweite Einstellmittel nicht vollständig in und/oder im Bereich der zweiten Zuleitung angeordnet sein.
Vorzugsweise weist das zweite Einstellmittel ein in der zweiten Zuleitung stromauf des zweiten Einlasses des Plattenwärmetauschers angeordnetes, steuerbares Ventil auf, wobei das Ventil mit einem Temperatur-Regler (signaltechnisch) verbunden ist. Bevorzugt ist der Temperatur-Regler messtechnisch, gegebenenfalls mittels eines zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators und/oder im Bereich des ersten Auslasses des Plattenwärmetauschers angeordneten Volumenstrom-Sensors mit dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers verbunden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste Einlass des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch mit einer ersten Zuleitung verbunden ist, wobei in der ersten Zuleitung stromauf des ersten Einlasses ein (zusätzlicher bzw. Hilfs-)Wärmetauscher zum Erwärmen des Wärmetransfermediums vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Wärmetauscher in der ersten Zuleitung stromauf des ersten Einlasses und stromauf des ersten Einstellmittels angeordnet. Der Wärmetauscher ist insbesondere als ein Luftverdampfer ausgeführt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste Einlass und der zweite Einlass des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch mit einem gemeinsamen Tank, insbesondere einem Flüssigkeitstank, verbunden sind. Bevorzugt handelt es sich um einen Tank, in dem flüssiger Stickstoff gelagert ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in dem Plattenwärmetauscher (insgesamt) eine Wärmetauscher-Fläche von weniger als 10 m² [Quadratmeter] gebildet ist. Bevorzugt liegt die Wärmetauscher-Fläche zwischen 1 m² und 5 m². Die vergleichsweise geringe Wärmetauscher-Fläche des Plattenwärmetauschers unterscheidet diesen insbesondere von industriellen Kaltgasgeneratoren.
Bevorzugt ist der Kondensat-Auslass fluidtechnisch mit einem Dewar-Gefäß verbunden. Unter einem Dewar-Gefäß wird insbesondere ein verspiegeltes, doppelwandiges und evakuiertes Glas- oder Edelstahlgefäß verstanden. Das Dewar-Gefäß kann zum Auffangen und/oder Sammeln des Kondensats dienen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Wärmetransfermedium gasförmiger Stickstoff ist, wobei das Kühlmedium flüssiger Stickstoff ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom vorgeschlagen, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Kühlen eines Wärmetransfermediums in einem Plattenwärmetauscher durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium, wobei das Wärmetransfermedium und das Kühlmedium den Plattenwärmetauscher vorzugsweise getrennt voneinander durchströmen;
b) Einleiten des Wärmetransfermediums in einen Kryokondensator,
c) Kondensieren und/oder Ausfrieren des Stoffs aus dem mit dem zu kondensierenden und/oder auszufrierenden Stoff beladenen Gasstrom in dem Kryokondensator durch Wärmeaustausch mit dem Wärmetransfermedium, wobei das Wärmetransfermedium und der Gasstrom den Kryokondensator vorzugsweise getrennt voneinander durchströmen.

Bevorzugt wird das Verfahren mit einer hier vorgestellten Vorrichtung durchgeführt. Die angedeutete Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) ergibt sich bei einem regulären Ablauf des Verfahrens. Einzelne oder alle Verfahrensschritte können zeitgleich, nacheinander und/oder zumindest teilweise parallel durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Wärmetransfermedium in Schritt a) auf eine (vorbestimmte) Prozesstemperatur im Bereich von –150°C bis +50°C, bevorzugt von –120°C bis +50°C, weiter bevorzugt von –120°C bis +20°C und besonders bevorzugt von –80°C bis +20°C gekühlt. Das Wärmetransfermedium kann in Schritt a) weiterhin auf eine (vorbestimmte) Prozesstemperatur im Bereich von –120°C bis –50°C gekühlt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Wärmetransfermedium insbesondere allein beziehungsweise ausschließlich durch ein Druckgefälle in den Kryokondensator geführt wird, so dass beispielsweise keine Gebläse, Pumpen, Verdichter oder dergleichen benötigt werden, die in einer industriellen Kryoanlage üblich sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass insbesondere einzig bzw. ausschließlich eine an dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers beziehungsweise zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators gemessene Wärmetransfermedium-Temperatur und ein Wärmetransfermedium-Volumenstrom geregelt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Wärmetransfermedium-Temperatur beziehungsweise der Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums und dem Wärmetransfermedium-Volumenstrom um die einzigen Regelgrößen des Verfahrens. Diese Regelgrößen können in Abhängigkeit eines stromauf oder im Bereich des Gasstrom-Einlasses des Krokondensators gemessenen Gasstrom-Volumenstroms, eines zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators und/oder im Bereich des ersten Auslasses des Plattenwärmetauschers gemessenen (Ist-)Wärmetransfermedium-Volumenstroms und/oder einer zwischen dem ersten Auslass des Plattenwärmetauschers und dem Wärmetransfermedium-Einlass des Kryokondensators und/oder im Bereich des ersten Auslasses des Plattenwärmetauschers gemessenen (Ist-)Wärmetransfermedium-Temperatur beziehungsweise (Ist-)Prozesstemperatur geregelt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Wärmetransfermediums und das Kühlmedium in einem gemeinsamen Tank, insbesondere einem gemeinsamen Flüssigkeitstank, gelagert werden und wobei das Wärmetransfermedium zwischen dem Tank und dem Plattenwärmetauscher in einem (zusätzlichen bzw. Hilfs-)Wärmetauscher erwärmt wird.
Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung einer hier vorgestellten Vorrichtung zum Reinigen eines in einem Labor verwendeten und/oder zu verwendenden Gasstroms vorgeschlagen. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gasstrom um einen Labor-Abluftstrom, der insbesondere mit mindestens einem Lösemittel und/oder mindestens einer flüchtigen organischen Verbindung beladen ist. Weiterhin wird eine Verwendung einer hier vorgestellten Vorrichtung zum Reinigen eines in einer vergleichsweise kleinen Produktionsanlage oder in einem Tanklager verwendeten und/oder zu verwendenden Gasstroms vorgeschlagen.
Die vorstehend im Zusammenhang mit der Vorrichtung und/oder dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
1: ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt schematisch ein Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 dient zum Abscheiden mindestens eines Stoffs 2 aus einem Gasstrom 3. Hierzu umfasst die Vorrichtung 1 einen Kryokondensator 13 mit einem Wärmetransfermedium-Einlass 14, einem Wärmetransfermedium-Auslass 15, einem Gasstrom-Einlass 16, einem Gasstrom-Auslass 17 und einem Kondensat-Auslass 18. Der Gasstrom 3 kann über den Gasstrom-Einlass 16 in den Kryokondensator 13 eintreten. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 einen Plattenwärmetauscher 4 mit einem ersten Einlass 5, einem zweiten Einlass 6, einem ersten Auslass 7 und einem zweiten Auslass 8. In dem Plattenwärmetauscher 4 sind von dem ersten Einlass 5 hin zu dem ersten Auslass 7 ein erster Strömungsweg 9 für ein Wärmetransfermedium 10 und von dem zweiten Einlass 6 hin zu dem zweiten Auslass 8 ein zweiter Strömungsweg 11 für ein Kühlmedium 12 gebildet. Die Strömungswege 9, 11 sind hier nur schematisch veranschaulicht.
In 1 ist zudem gezeigt, dass der erste Einlass 5 des Plattenwärmetauschers 4 fluidtechnisch mit einer ersten Zuleitung 19 verbunden ist. In der ersten Zuleitung 19 ist stromauf des ersten Einlasses 5 ein erstes Einstellmittel 20 zum Einstellen eines Wärmetransfermedium-Volumenstroms vorgesehen. Das erste Einstellmittel 20 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, den Wärmetransfermedium-Volumenstrom, der durch die erste Zuleitung 19 hin zum ersten Einlass 5 des Plattenwärmetauschers 4 strömt in Abhängigkeit von einem stromauf des Gasstrom-Einlasses 16 des Kryokondensators 13 gemessenen Gasstrom-Volumenstroms und einem zwischen dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 und dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 gemessenen Wärmetransfermedium-Volumenstroms einzustellen. Hierzu weist das erste Einstellmittel 20 ein in der ersten Zuleitung 19 stromauf des ersten Einlasses 5 des Plattenwärmetauschers 4 angeordnetes, steuerbares Ventil auf, wobei das Ventil mit einem Volumenstrom-Regler 26 und mindestens einem Volumenstrom-Sensor 27 signaltechnisch verbunden ist.
Gemäß der Darstellung nach 1 ist der Volumenstrom-Sensor 27 zum Messen des aus dem Plattenwärmetauscher 4 austretenden und in den Kryokondensator 13 eintretenden Wärmetransfermedium-Volumenstroms zwischen dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 und dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 angeordnet. Der Volumenstrom-Sensor 27 ist mit dem Ventil des ersten Einstellmittels 20 und mit dem Volumenstrom-Regler 26 signaltechnisch verbunden. Der Volumenstrom-Regler 26 ist messtechnisch mit dem Gasstrom-Einlass 16 des Kryokondesators 13 verbunden. Hierzu weist der Volumenstrom-Regler 26 zum Messen des in den Kryokondensator 13 eintretenden Gasstrom-Volumenstroms beispielhaft einen weiteren, stromauf des Gasstrom-Einlasses 16 des Kryokondensators 13 angeordneten Volumenstrom-Sensors (hier nicht dargestellt) auf. Der Volumenstrom-Regler 26 ist vorliegend mit diesem weiteren Volumenstrom-Sensor (hier nicht dargestellt) beispielhaft zu einer Baueinheit zusammengefasst. Das Ventil des ersten Einstellmittels 20, der Volumenstrom-Sensor 27 und der Volumenstrom-Regler 26 bilden hier eine, das erste Einstellmittel 20 darstellende Funktionseinheit.
Der Volumenstrom-Regler 26 und der Volumenstrom-Sensor 27 sind beispielhaft jeweils mit einer Signalleitung, die in der Darstellung gemäß 1 jeweils gestrichelt angedeutet ist mit dem steuerbaren Ventil des ersten Einstellmittels 20 verbunden, wobei die Signalleitungen beispielhaft derart ausgeführt sind, dass der Volumenstrom-Regler 26 die Messdaten des Volumenstrom-Sensors 27 auslesen kann. Alternativ oder zusätzlich zu den hier angedeuteten Signalleitungen kann zwischen dem Volumenstrom-Regler 26 und dem steuerbaren Ventil des ersten Einstellmittels 20 und/oder zwischen dem Volumenstrom-Sensor 27 und dem steuerbaren Ventil des ersten Einstellmittels 20 und/oder dem Volumenstrom-Regler 26 eine Funkverbindung vorgesehen sein.
In 1 ist zudem gezeigt, dass der zweite Einlass 6 des Plattenwärmetauschers 4 fluidtechnisch mit einer zweiten Zuleitung 21 verbunden ist, wobei in der zweiten Zuleitung 21 stromauf des zweiten Einlasses 6 ein zweites Einstellmittel 22 zum Einstellen eines Kühlmedium-Volumenstroms vorgesehen ist. Das zweite Einstellmittel 22 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, den Kühlmedium-Volumenstrom, der durch die zweite Zuleitung 21 hin zu dem zweiten Einlass 6 strömt in Abhängigkeit von einer zwischen dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 und dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 gemessenen Wärmetransfermedium-Temperatur einzustellen. Hierzu weist das zweite Einstellmittel 22 ein in der zweiten Zuleitung 21 stromauf des zweiten Einlasses 6 des Plattenwärmetauschers 4 angeordnetes, steuerbares Ventil auf, wobei das Ventil mit einem Temperatur-Regler 28 signaltechnisch verbunden ist.
Gemäß der Darstellung nach 1 ist der Temperatur-Regler 28 messtechnisch mit dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 verbunden. Hierzu weist der Temperatur-Regler 28 zum Messen der Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 beziehungsweise der Wärmetransfermedium-Temperatur des aus dem Plattenwärmetauscher 4 austretenden und in den Kryokondensator 13 eintretenden Wärmetransfermediums 10 einen zwischen dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 und dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 und/oder im Bereich des ersten Auslasses 7 des Plattenwärmetauschers 4 angeordneten Temperatur-Sensor (hier nicht dargestellt) auf. Der Temperatur-Regler 28 ist hier mit diesem Temperatur-Sensor (hier nicht dargestellt) beispielhaft zu einer Baueinheit zusammengefasst. Das Ventil des zweiten Einstellmittels 22 und der Temperatur-Regler 28 bilden hier eine das zweite Einstellmittel 22 darstellende Funktionseinheit.
Der Temperatur-Regler 28 ist hier beispielhaft mit einer Signalleitung, die in der Darstellung gemäß 1 gestrichelt angedeutet ist mit dem steuerbaren Ventil des zweiten Einstellmittels 22 verbunden. Alternativ oder zusätzlich zu der angedeuteten Signalleitungen kann zwischen dem Temperatur-Regler 28 und dem steuerbaren Ventil des zweiten Einstellmittels 22 eine Funkverbindung vorgesehen sein.
Gemäß der Darstellung nach 1 ist in der ersten Zuleitung 19 stromauf des ersten Einlasses 5 des Plattenwärmetauschers 4 ein Wärmetauscher 23 zum Erwärmen des Wärmetransfermediums 10 vorgesehen. Der Wärmetauscher 23 ist zusätzlich zu dem Plattenwärmetauscher 4 vorhanden und ist hier beispielhaft als ein Luftverdampfer ausgebildet. In dem Wärmetauscher 23 wird das aus einer Wärmetransfermedium-Quelle, wie z. B. einem Tank oder einem Versorgungsnetz, kommende Wärmetransfermedium 10 durch Wärmeaustausch mit einer Umgebungsluft (hier nicht dargestellt) erwärmt. Wenn das Wärmetransfermedium 10 stromauf des Wärmetauschers 23 beispielsweise im flüssigen Zustand vorliegt, kann es in dem Wärmetauscher 23 durch den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu einem zumindest anteiligen Verdampfen des Wärmetransfermediums 10 kommen, so dass das Wärmetransfermedium 10 stromab des Wärmetauschers 23 zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch nahezu vollständig im gasförmigen Zustand vorliegt.
In 1 ist darüber hinaus veranschaulicht, dass der erste Einlass 5 und der zweite Einlass 6 des Plattenwärmetauschers 4 fluidtechnisch mit einem gemeinsamen Tank 24 verbunden sind. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden als Wärmetransfermedium 10 gasförmiger Stickstoff und als Kühlmedium 12 flüssiger Stickstoff verwendet, wobei die Aggregatzustände sich hierbei auf den Zustand des jeweiligen Mediums unmittelbar vor Eintritt in den Plattenwärmetauscher 4 beziehen. Der Tank 24 ist hier beispielhaft als Flüssiggastank gebildet, in dem flüssiger Stickstoff gelagert ist. Der Tank 24 dient hierbei sowohl als Wärmetransfermedium-Quelle als auch als Kühlmedium-Quelle, wobei sowohl das Wärmetransfermedium 10 als auch das Kühlmedium 12 in dem Tank 24 im flüssigen Zustand bevorratet sind. Damit das Wärmetransfermedium 10 am ersten Einlass 5 des Plattenwärmetauchers 4 im gasförmigen Zustand vorliegen kann, wird der flüssige Stickstoff mittels des Wärmetauschers 23, der in der ersten Zuleitung 19 angeordnet ist verdampft. Die Lagerung der beiden Medien in einem gemeinsamen Tank ist insbesondere für die hier im Fokus stehende Laboranwendung besonders geeignet, da sich für ein Labor ein eigener Netzanschluss an ein Stickstoff-Leitungsnetz regelmäßig nicht lohnt. Zudem kann die Lagerung des Wärmetransfermediums 10 in dem Tank 24 ermöglichen, dass das Wärmetransfermediums 10 mit einem derart hohen Druck bereitgestellt wird, dass es allein aufgrund eines Druckgefälles in den Kryokondensator 13 geführt wird.
Innerhalb des Plattenwärmetauschers 4, der hier als sogenannter Kaltgasgenerator dient, wird das entlang des ersten Strömungswegs 9 strömende, hier mit gasförmigem Stickstoff (GAN) gebildete Wärmetransfermedium 10 durch Wärmeaustauch mit dem entlang des zweiten Strömungswegs 11 strömenden, hier mit flüssigem Stickstoff (LIN) gebildeten Kühlmedium 12 gekühlt. Dadurch wird das Wärmetransfermedium 10 am ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4, der unmittelbar mit dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 verbunden ist mit einer vorbestimmten Prozesstemperatur bereitgestellt.
Diese Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 wird in Abhängigkeit des in dem Kryokondensators 13 zu reinigenden Gasstroms 3 bestimmt. Hierbei wird die Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 derart ausgelegt, dass eine Aerosolbildung in dem Kryokondensators 13 möglichst vermieden wird. Hierzu ist zu berücksichtigen, dass zum Vermeiden einer Aerosolbildung in dem Kryokondensator 13 eine möglichst niedrige Temperaturdifferenz zwischen dem Gasstrom 3 und dem Wärmetransfermediums 10 vorliegen sollte. Die Ist-Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 kann zwischen dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 und dem Wärmetransfermedium-Einlass 14 des Kryokondensators 13 sensortechnisch erfasst und von dem Temperatur-Regler 28 hin zu einer vorbestimmten Soll-Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 geregelt werden. Hierzu sendet der Temperatur-Regler 28 in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs generierte Steuersignale an das steuerbare Ventil des zweiten Einstellmittels 22, das den zur Kühlung des Wärmetransfermediums 10 durch den Plattenwärmetauscher 4 strömenden Kühlmedium-Volumenstrom bestimmt.
Gemäß der Darstellung nach 1 kann der zu reinigende Gasstrom 3 über den Gasstrom-Einlass 16 des Kryokondensators 13 in den Kryokondensator 13 eintreten und der gereinigte Gasstrom 3 über den Gasstrom-Auslass 17 wieder aus dem Kryokondensator 13 austreten. Das mittels des Plattenwärmetauschers 4 mit einer vorbestimmten Prozesstemperatur bereitgestellte Wärmetransfermedium 10 kann über den Wärmetransfermedium-Einlass 14 in den Kryokondensator 13 eintreten und über den Wärmetransfermedium-Auslass 15 wieder aus dem Kryokondensator 13 austreten. Innerhalb des Kryokondensators 13 werden der Gasstrom 3 und das Wärmetransfermedium 10 getrennt voneinander, jedoch im Wärmeaustauch miteinander geführt. Hierbei kühlt das Wärmetransfermedium 10 den Gasstrom 3 innerhalb des Kryokondensators 13 derart, dass der Taupunkt des im Gasstrom 3 vorhandenen, abzuscheidenden Stoffs 2 unterschritten wird, so dass sich der Stoff 2 zumindest teilweise verflüssigt und/oder verfestigt. Das dabei entstehende Kondensat kann innerhalb des Kryokondensators 13 von dem Gasstrom 3 abgetrennt und über den Kondensat-Auslass 18 des Kryokondensators 13 abgeführt werden. Der Kondensat-Auslass 18 ist hier beispielhaft fluidtechnisch mit einem Dewar-Gefäß 25 verbunden, in dem das abgeführte Kondensat beziehungsweise der auskondensierte und abgeschiedene Stoff 2 aufbewahrt werden kann.
Ferner ist in der 1 lediglich beispielhaft dargestellt, dass sowohl der zweite Auslass 8 des Plattenkondensators 4 als auch der Wärmetransfermedium-Auslass 15 des Kryokondensators 13 mit einer Netzeinspeisung 29 fluidtechnisch verbunden sind. Dadurch kann das in dem Plattenkondensator 4 verwendete Kühlmedium 12 sowie das in dem Kryokondensator 13 verwendete Wärmetransfermedium 10 anderen Verbrauchsstellen zur Verfügung gestellt werden. Wenn sowohl das Kühlmedium 12 als auch das Wärmetransfermedium 10 mit Stickstoff gebildet sind, kann eine gemeinsame Einspeisung in ein Stickstoff-Netz erfolgen. Wenn ein Labor nicht über einen entsprechenden Netzanschluss verfügt, können die gebrauchten Medien beispielsweise gezielt an nachfolgende Verbrauchsstellen abgegeben werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielhaft bei dem Wärmetransfermedium 10 um gasförmigen Stickstoff (GAN), bei dem Kühlmedium 12 um flüssigen Stickstoff (LIN), bei dem Gasstrom 3 um einen mit einer flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) beladenen Stickstoff-Gasstrom und bei dem Stoff 2 um die aus dem Gasstrom 3 zu kondensierende, flüchtige organische Verbindungen (VOC), die als flüssiges Kondensat abgeschieden werden soll.
Nachfolgend wird ein beispielhafter Betrieb der Vorrichtung 1 in einem Labor beschrieben. Ein Labor-Abluftstrom hat regelmäßig einen im Vergleich zu einer industriellen Anlage um ein Vielfaches kleineren Volumenstrom. Der Volumenstrom des Labor-Abluftstroms liegt beispielsweise im Beriech von 5 m³/h [Kubikmeter pro Stunde] bis 50 m³/h. Dieser Labor-Abluftstrom kann jedoch ebenfalls mit Verunreinigungen, wie z. B. Lösemitteln und/oder flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) beladen sein, die aus dem Labor-Abluftstrom entfernt werden müssen, bevor dieser an die Umgebung abgegeben werden kann. Zur Reinigung des Labor-Abluftstroms würde sich aufgrund des vergleichsweise kleinen Volumenstroms ein hoher anlagentechnischer Aufwand, wie dieser zur Realisierung einer großen, im industriellen Maßstab konzipierten Kryoanlage erforderlich ist, jedoch nicht rechnen.
Um trotzdem eine effiziente Reinigung des Labor-Abluftstroms zu ermöglich, die zudem eine Aerosolbildung während des Abscheidens der Verunreinigung weitestgehend vermeidet, wird zum Abscheiden der Verunreinigung (die hier den Stoff 2 darstellt) aus dem Labor-Abluftstrom (der hier den Gasstrom 3 darstellt) die hier vorgestellte Vorrichtung 1 sowie das hier vorgestellte Verfahren verwendet. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die Vorrichtung 1 und das Verfahren regelmäßig nicht zur Durchführung eines in einem Labor durchgeführten Versuchs beziehungsweise einem Versuchszweck als solchem dienen, sondern lediglich der Reinigung der bei dem Versuch entstehenden Labor-Abluft.
Die Temperatur eines Labor-Abluftstroms ist regelmäßig, beispielsweise aufgrund der vorhandenen Versuchsparameter, bekannt oder kann mit einfachen Mitteln gemessen werden. Auf Basis der bekannten oder gemessenen Temperatur des Labor-Abluftstroms wird beispielsweise durch einen Labor-Mitarbeiter eine (Soll-)Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10, mit dem der Labor-Abluftstrom in dem Kryokondensator 13 zum Abscheiden der Verunreinigungen gekühlt werden soll berechnet. Bei der Berechnung der (Soll-)Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 wird zur Vermeidung einer Aerosolbildung in dem Labor-Abluftstrom während des Reinigungsprozesses in dem Kryokondensator 13 eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Labor-Abluftstrom und dem Wärmetransfermediums 10 angestrebt, die jedoch zum gewünschten Auskondensieren der Verunreinigungen aus dem Labor-Abluftstrom ausreichend ist. Vorzugsweise liegt diese Temperaturdifferenz im Bereich von 0,5°C bis 20°C [Grad Celsius].
Um die Prozesstemperatur zu erreichen, wird das Wärmetransfermedium 10 in dem Plattenwärmetauscher 4 durch Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium 12 gekühlt. Anschließend wird das so gekühlte Wärmetransfermedium 10 in den Kryokondensator 13 eingeleitet, in dem es zum Kondensieren der Verunreinigungen aus dem Labor-Abluftstrom durch Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetransfermedium 10 und dem Labor-Abluftstrom beiträgt. Hierbei gelangt das gekühlte Wärmetransfermedium 10 allein durch das Druckgefälle zwischen dem Tank 24, der in oder benachbart dem Labor angeordnet sein kann, und dem Wärmetransfermedium-Auslass 15 in den Kryokondensator 13. Zusätzliche Gebläse, Pumpen, Verdichter oder dergleichen sind zum Einleiten des Wärmetransfermediums 10 in den Kryokondensator 13 nicht erforderlich, wodurch der anlagentechnische Aufwand erheblich reduziert werden kann.
Die Verwendung des Plattenwärmetauschers 4 als Kaltgasgenerator erlaubt zudem, das Einstellen und Einhalten der berechneten (Soll-)Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 mit vergleichsweise einfachen Mitteln und ohne großen regelungstechnischen Aufwand. Zur Einhaltung der Soll-Prozesstemperatur des Wärmetransfermediums 10 ist es lediglich erforderlich, die an dem ersten Auslass 7 des Plattenwärmetauschers 4 gemessene Wärmetransfermedium-Temperatur, die die Ist-Prozesstemperatur darstellt zu regeln. Hierzu wird die gemessene Ist-Prozesstemperatur an das zweite Einstellmittel 22 zurückgeführt, das den Kühlmittel-Volumenstrom, der innerhalb des Plattenwärmetauschers 4 die Kühlung des Wärmetransfermediums bestimmt, einstellt. Um den in den Kryokondensator 13 eintretenden Wärmetransfermedium-Volumenstrom an den gegebenenfalls veränderlichen Volumenstrom der Labor-Abluft anpassen zu können, werden diese beiden Volumenströme gemessen und an das erste Einstellmittel 20 zurückgeführt, das den Wärmetransfermedium-Volumenstrom einstellt. Somit müssen hier einzig die Austrittstemperatur des Wärmetransfermediums aus dem Plattenwärmetauscher sowie der Volumenstrom des Wärmetransfermediums geregelt werden. Eine übergeordnete Prozessregelung, die eine Vielzahl von Prozessparametern der gesamten Vorrichtung erfasst und regelt, wie diese bei Kryoanlagen im industriellen Maßstab üblich ist, ist zum Betrieb der hier vorgestellten Vorrichtung nicht erforderlich.
Zur Verdeutlichung, dass die hier vorgestellte Vorrichtung sowie das hier vorgestellte Verfahren insbesondere für einen Labormaßstab konzipiert sind, kann einer oder können mehrere der nachfolgenden Parameterangabe(n) dienen:

– Tankvolumen des Tanks 24: 0,4 bis 50 m³ [Kubikmeter]
– Gesamt-Wärmetauscher-Fläche des Plattenwärmetauschers 4: 1 bis 10 m² [Quadratmeter]
– Gesamt-Wärmetauscher-Fläche des Kryokondensators 13: 1 bis 15 m² [Quadratmeter]
– Gasstrom-Volumenstrom am Gasstrom-Einlass 16: 5 bis 50 m³/h [Kubikmeter pro Stunde]
– Gasstrom-Temperatur am Gasstrom-Einlass 16: –20 bis 80°Celsius [Grad Celsius]
– Wärmetransfermedium-Volumenstrom am ersten Auslass 7: 5 bis 100 m³/h [Kubikmeter pro Stunde]
– Wärmetransfermedium-Temperatur am ersten Auslass 7: –120 bis –50°Celsius [Grad Celsius]

Es werden hier eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom angegeben, die die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglichen die Vorrichtung sowie das Verfahren ein effizientes Abscheiden mindestens eines Stoffs aus einem Gasstrom mit geringem anlagen- und regelungstechnischen Aufwand und vorzugsweise unter nahezu vollständiger Vermeidung einer Aerosolbildung. Zudem kann die Vorrichtung kostenschonend und platzsparend herstellgestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Stoff
3: Gasstrom
4: Plattenwärmetauscher
5: Erster Einlass
6: Zweiter Einlass
7: Erster Auslass
8: Zweiter Auslass
9: Erster Strömungsweg
10: Wärmetransfermedium
11: Zweiter Strömungsweg
12: Kühlmedium
13: Kryokondensator
14: Wärmetransfermedium-Einlass
15: Wärmetransfermedium-Auslass
16: Gasstrom-Einlass
17: Gasstrom-Auslass
18: Kondensat-Auslass
19: Ersten Zuleitung
20: Erstes Einstellmittel
21: Zweite Zuleitung
22: Zweites Einstellmittel
23: Wärmetauscher
24: Tank
25: Dewar-Gefäß
26: Volumenstrom-Regler
27: Zweiter Volumenstrom-Sensor
28: Temperatur-Regler
29: Netzeinspeisung

Claims

Vorrichtung (1) zum Abscheiden mindestens eines Stoffs (2) aus einem Gasstrom (3) als ein Kondensat, zumindest umfassend: – einen Plattenwärmetauscher (4) mit einem ersten Einlass (5), einem zweiten Einlass (6), einem ersten Auslass (7) und einem zweiten Auslass (8), wobei in dem Plattenwärmetauscher (4) von dem ersten Einlass (5) hin zu dem ersten Auslass (7) ein erster Strömungsweg (9) für ein Wärmetransfermedium (10) und von dem zweiten Einlass (6) hin zu dem zweiten Auslass (8) ein zweiter Strömungsweg (11) für ein Kühlmedium (12) gebildet sind; – einen Kryokondensator (13) mit einem Wärmetransfermedium-Einlass (14), einem Wärmetransfermedium-Auslass (15), einem Gasstrom-Einlass (16), einem Gasstrom-Auslass (17) und einem Kondensat-Auslass (18); wobei der Wärmetransfermedium-Einlass (14) des Kryokondensators (13) mit dem ersten Auslass (7) des Plattenwärmetauschers fluidtechnisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei der erste Einlass (5) des Plattenwärmetauschers (4) fluidtechnisch mit einer ersten Zuleitung (19) verbunden ist und wobei in der ersten Zuleitung (19) stromauf des ersten Einlasses (5) ein erstes Einstellmittel (20) zum Einstellen eines Wärmetransfermedium-Volumenstroms vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 2, wobei das erste Einstellmittel (20) dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Wärmetransfermedium-Volumenstrom in Abhängigkeit von einem stromauf des Gasstrom-Einlasses (16) des Kryokondensators (13) gemessenen Gasstrom-Volumenstrom und von einem zwischen dem ersten Auslass (7) des Plattenwärmetauschers (4) und dem Wärmetransfermedium-Einlass (14) des Kryokondensators (13) gemessenen Wärmetransfermedium-Volumenstrom einzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der zweite Einlass (6) des Plattenwärmetauschers (4) fluidtechnisch mit einer zweiten Zuleitung (21) verbunden ist und wobei in der zweiten Zuleitung (21) stromauf des zweiten Einlasses (6) ein zweites Einstellmittel (22) zum Einstellen eines Kühlmedium-Volumenstroms vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, wobei das zweite Einstellmittel (22) dazu vorgesehen und eingerichtet ist, den Kühlmedium-Volumenstrom in Abhängigkeit von einer zwischen dem ersten Auslass (7) des Plattenwärmetauschers (4) und dem Wärmetransfermedium-Einlass (14) des Kryokondensators (13) gemessenen Wärmetransfermedium-Temperatur einzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Einlass (5) des Plattenwärmetauschers (4) fluidtechnisch mit einer ersten Zuleitung (19) verbunden ist und wobei in der ersten Zuleitung (19) stromauf des ersten Einlasses (5) ein Wärmetauscher (23) zum Erwärmen des Wärmetransfermediums (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Einlass (5) und der zweite Einlass (6) des Plattenwärmetauschers (4) fluidtechnisch mit einem gemeinsamen Tank (24) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in dem Plattenwärmetauscher (4) eine Wärmetauscher-Fläche von weniger als 10 m² gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Wärmetransfermedium (10) gasförmiger Stickstoff ist und wobei das Kühlmedium (12) flüssiger Stickstoff ist.
Verfahren zum Abscheiden mindestens eines Stoffs (2) aus einem Gasstrom (3), zumindest umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Kühlen eines Wärmetransfermediums (10) in einem Plattenwärmetauscher (4) durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium (12), b) Einleiten des Wärmetransfermediums (10) in einen Kryokondensator (13), c) Kondensieren und/oder Ausfrieren des Stoffs (2) aus dem mit dem zu kondensierenden und/oder auszufrierenden Stoff (2) beladenen Gasstrom (2) in dem Kryokondensator (13) durch Wärmeaustausch mit dem Wärmetransfermedium (10).
Verfahren nach Patentanspruch 10, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 10 oder 11, wobei das Wärmetransfermedium (10) durch ein Druckgefälle in den Kryokondensator (13) geführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, wobei eine an dem ersten Auslass (7) des Plattenwärmetauschers (4) gemessene Wärmetransfermedium-Temperatur und ein Wärmetransfermedium-Volumenstrom geregelt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 10 bis 13, wobei das Wärmetransfermediums (10) und das Kühlmedium (12) in einem gemeinsamen Tank (24) gelagert werden und wobei das Wärmetransfermedium (10) zwischen dem Tank (24) und dem Plattenwärmetauscher (4) in einem Wärmetauscher (23) erwärmt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 zum Reinigen eines in einem Labor verwendeten und/oder zu verwendenden Gasstroms (3).