DE102017007031B3

DE102017007031B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Dämpfen aus einem Gasstrom

Info

Publication number: DE102017007031B3
Application number: DE102017007031.8A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Herzog; Thomas Kutz; Stefan Terkatz
Original assignee: Messer Group GmbH; Messer Industriegase GmbH
Current assignee: Messer Industriegase De GmbH; Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2037-07-26

Abstract

Bekannte Vorrichtungen zum Abscheiden von Dämpfen aus einem Gasstrom umfassen zwei in Reihe geschaltete, als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildete Kondensatoren, in denen ein zu reinigender Gasstrom mit einem Kühlmittel in thermischen Kontakt gebracht wird. Dadurch kann ein im Gasstrom enthaltener dampfförmiger Stoff zur Kondensation gebracht und abgeschieden werden.Um eine hohe Reinigungseffizienz zu ermöglichen und gleichzeitig ein rasches Einfrieren der Apparatur durch zu Eis kondensiertem Stoff zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein Rohrbündel eines ersten Kondensators mit dem Mantelraum eines zweiten Kondensators strömungsverbunden. Ein zu reinigender Gasstrom wird zunächst durch das Rohrbündel des ersten Kondensators geführt und in Wärmekontakt mit einem durch dessen Mantelraum geführten Kühlmittel gebracht. Anschließend wird der Gasstrom durch den Mantelraum des zweiten Kondensators geführt, wo er in Wärmekontakt mit einem durch ein Rohrbündel des zweiten Kondensators geführten Kühlmittel gebracht wird. Die Temperaturverhältnisse werden so eingestellt, dass ein im Gasstrom enthaltender dampfförmiger Stoff im ersten Kondensator in flüssiger Form auskondensiert und abgeführt wird, und die noch vorhandene Restbeladung im zweiten Kondensator zum Ausfrieren gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden eines dampfförmigen Stoffes aus einem Gasstrom, mit einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator, die jeweils als Rohr- oder Rohrbündelwärmetauscher mit einem sich innerhalb eines Mantelraums erstreckenden Rohrbündel ausgebildet sind, wobei der Mantelraum des ersten Kondensators mit einer Zuführung und mit einer Ableitung für ein Kühlmittel strömungsverbunden ist und ein Einlass des Rohrbündels des ersten Kondensators mit einer Zuführung für den zu reinigenden Gasstrom strömungsverbunden ist. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zum Reinigen eines mit einem Stoff beladenen Gasstroms unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Für die Abscheidung von Dämpfen aus Gasströmen, wie beispielsweise zum Abscheiden von Wasserdampf oder Lösemitteln aus einem Prozessgas, kommen insbesondere Kondensationsverfahren zum Einsatz. Hierbei werden die mit Dämpfen beladenen Gasströme in Wärmeaustauschern, sogenannten Kondensatoren, durch indirekten Kontakt mit einem Kühlmittel auf Temperaturen unterhalb des Taupunktes der Dämpfe abgekühlt. Dadurch verflüssigt sich ein Teil der Dämpfe, und das so entstehende Kondensat kann vom Gasstrom abgetrennt werden. Dieser Vorgang wird auch als „Partialkondensation“ bezeichnet. Um die Effizienz des Reinigungsvorgangs zu erhöhen, können dabei auch zwei oder mehrere Kondensatoren hintereinandergeschaltet werden, die jeweils vom Gasstrom und dem Kühlmittel im Gleich- oder Gegenstrom durchlaufen werden. Vorrichtungen dieser Art zum Abscheiden von Verunreinigungen aus Gasströmen mittels Partialkondensation sind beispielsweise aus der DE 195 17 273 C1 , der EP 1 602 401 B1 , der EP 1 736 229 A1 oder der EP 1 992 392 A2 bekannt.
Um eine ausreichende Reduzierung des Dampfgehaltes im Gasstrom zu erreichen ist es oftmals erforderlich, die Apparate bei Temperaturen unterhalb der Schmelzpunkte der abzuscheidenden Dämpfe zu betreiben. Dadurch friert ein gewisser Teil der Dämpfe in den Apparaten aus, was zu Verstopfungen führt, sodass die Apparate nach einer gewissen Betriebszeit abgetaut werden müssen.
Die Kondensatoren werden üblicherweise als Rohr- oder Rohrbündel-Apparate ausgeführt, bei denen ein erstes Medium durch wenigstens ein Rohr geführt wird, das bzw. die die innerhalb eines Mantelraums angeordnet ist/sind, in welchem ein zweites Medium vorliegt. Die Wärmeübertragung zwischen beiden Medien erfolgt dabei indirekt an den Wänden des Rohrs bzw. der Rohre. Führt man dabei den dampfbeladenen Gasstrom durch das Rohr bzw. die Rohre und das Kühlmittel durch den Mantelraum, so erreicht man deutlich höhere Wärmeübergangskoeffizenten als umgekehrt und man kann die Kondensatoren entsprechend kleiner auslegen. Allerdings sind die Strömungsquerschnitte im Rohr bzw. in den Rohren normalerweise geringer als im Mantelraum. Eine Betriebstemperatur unter dem Schmelzpunkt des abzuscheidenden Dampfes kann daher rasch zu einem Einfrieren der Apparatur führen. Insbesondere Kondensatoren zur Kältetrocknung können aus diesem Grund nicht, oder nur bei sehr geringer Wasserbeladung, bei Temperaturen unter 0°C betrieben werden. Sind Betriebstemperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des abzuscheidenden Dampfes erforderlich, muss somit in vielen Fällen der beladene Gasstrom durch den Mantelraum geführt werden. Dies zwingt aus den oben genannten Gründen dazu, die Apparate groß auszulegen, was zu entsprechenden Kosten führt.
Aus der US 2005/0066668 A1 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasserdampf aus einem Luftstrom bekannt, die aus zwei über Rohrleitungen miteinander verbundene Rohrbündelwärmetauschern besteht. Dabei wird ein zu trocknender Luftstrom im ersten Wärmetauscher durch ein Rohrbündel und anschließend im zweiten Wärmetauscher durch den Mantelraum geführt und dort in Wärmekontakt mit einem durch das Rohrbündel geführten Kühlmedium gebracht. Die auf diese Weise gekühlte und getrocknete Luft wird sodann durch in den Mantelraum des ersten Wärmetauschers geleitet und dort zur Vorkühlung des Luftstroms eingesetzt.
Die DE 34 28 335 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kältetrocknung von unter Druck stehendem Gas, insbesondere Druckluft, die koaxial zueinander angeordnete Wärmetauscher umfasst. Der zu trocknende Gasstrom wird zunächst durch den äußeren Wärmetauscher geführt und dort vorgekühlt. Die vorgekühlte Luft wird anschließend dem inneren Wärmetauscher zugeführt und dort in indirekten thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht. Die gekühlte Luft dient wiederum als Kühlmedium im äußeren Wärmetauscher.
Die DD 287 989 A5 betrifft einen Rohrbündel-Wärmeübertrager zur Kühlung und Kondensation gasförmiger Medien, insbesondere zur Luftentfeuchtung. Die dort beschriebene Anordnung umfasst zwei als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildete Kondensatoren, die nacheinander vom zu entfeuchtenden Luftstrom durchlaufen werden, wobei er im ersten Kondensator durch den Mantelraum und im zweiten Kondensator durch das Rohrbündel geführt wird. Durch das Rohrbündel des ersten Kondensators wird ein erstes Kühlmedium geführt, dessen Temperatur so gewählt ist, dass ein Teil des im Luftstrom enthaltenen Wasserdampfs bereits dort kondensiert und somit die Gefahr eines Vereisens im zweiten Wärmetauscher deutlich reduziert.
Ein weiteres Problem von Kondensatoren besteht in der Ausbildung von Aerosolen, die auftritt, wenn dampfbeladene Gasströme auf kalte Oberflächen treffen. Dies führt zu einer höheren Restbeladung der Gasströme, als man aufgrund der im Kondensator erreichten Gastemperatur erwarten würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zum Abscheiden eines dampfförmigen Stoffes aus einem Gasstrom mittels Partialkondensation zu schaffen, bei der die Effizienz gegenüber Vorrichtungen nach dem Stande der Technik verbessert und die Gefahr von Störungen aufgrund des Einfrierens von aus dem Gasstrom auskondensiertem Stoff minimiert ist.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, dass der Mantelraum des zweiten Kondensators mit einem Auslass des Rohrs oder des Rohrbündels des ersten Kondensators strömungsverbunden ist und eine Ableitung für den gereinigten Gasstrom aufweist, und das Rohrbündel des zweiten Kondensators mit einer Zuführung und mit einer Ableitung für ein Kühlmittel ausgerüstet ist, und der erste Kondensator und der zweite Kondensator zwecks Verdampfung von im Gasstrom enthaltenen Aerosolen eine gemeinsame, thermisch gut leitende Trennwand aufweisen, die so ausgebildet ist, dass das Kühlmittel des ersten Kondensators und der Gasstrom im zweiten Kondensator miteinander in thermischen Kontakt gebracht werden.
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit soll hier und im Folgenden der Begriff des „Rohrbündels“ auch den Fall eines einzelnen durch den Mantelraum des jeweiligen Kondensators geführten Rohrs (Rohrwärmetauscher) mit umfassen.
Erfindungsgemäß ist also der Auslass des ersten Rohrbündels des ersten Kondensators mit dem Mantelraum des zweiten Kondensators strömungsverbunden; der im ersten Kondensator durch das Rohrbündel geführte und im Wärmekontakt mit dem durch den Mantelraum des ersten Kondensators strömenden Kühlmittel gereinigte Gasstrom wird also im zweiten Kondensator durch dessen Mantelraum geführt und in Wärmekontakt mit dem Kühlmittel des zweiten Kondensators gebracht. Um im ersten Kondensator ein Ausfrieren des Stoffes aus dem Gasstrom zu vermeiden, wird dieser beim Wärmekontakt mit dem Kühlmittel bevorzugt so gekühlt, dass während des Transports durch das Rohrbündel zwar zumindest abschnittsweise der Taupunkt des dampfförmigen Stoffes, an keiner Stelle jedoch dessen Schmelzpunkt unterschritten wird. Beim Durchlaufen des ersten Kondensators kondensiert der Stoff also in flüssiger Form aus und wird an einem Kondensatauslass aufgefangen und abgeführt. Der dadurch vom Stoff bereits weitgehend gereinigte Gasstrom durchläuft anschließend den zweiten Kondensator in dessen Mantelraum und wird dort durch Wärmekontakt mit dem durch das Rohrbündel des zweiten Kondensators geführten Kühlmittel gekühlt. Die Temperatur des Kühlmittels im zweiten Kondensator ist bevorzugt so gewählt, dass der Schmelzpunkt des Stoffes zumindest abschnittsweise unterschritten wird. Der Stoff gefriert also auf der Außenoberfläche des Rohrs oder der Rohre des Rohrbündels zumindest teilweise aus. Da jedoch der Gasstrom im Bereich des zweiten Kondensators nur noch wenig mit dem Stoff beladen ist, genügt es, den zweiten Kondensator in größeren Zeitabständen abzutauen, um die Betriebsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dauerhaft zu erhalten.
Im zweiten Kondensator sich bildendes flüssiges Kondensat fließt, ebenso wie bei einem Abtauvorgang geschmolzenes Kondensat, in einen unteren Bereich des zweiten Kondensators ab. Da der im ersten Kondensator abgekühlte Gasstrom beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscher mit dem dampfförmigem Strom gesättigt ist, kommt es in beiden Fällen nicht zu einer wesentlichen Rückkondensation des Stoffen in den Gasstrom. Daher kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eingeschränkt auch während des Abtauens zur Reinigung des Gasstroms verwendet werden. Sind beide Kondensatoren im gleichen Gehäuse angeordnet oder durch ein U-förmiges Rohr miteinander verbunden, kann zum Abführen des Kondensats für beide Kondensatoren ein gemeinsamer Kondensatauslass vorgesehen sein.
Bevorzugt sind die Rohrbündel und die Mantelräume der Kondensatoren derart mit den Zuführungen und den Ableitungen für die Kühlmittel bzw. für den Gasstrom strömungsverbunden, das Gasstrom und Kühlmittel in zumindest einem der Kondensatoren im Gegenstrom geführt werden. Dadurch wird eine besonders hohe Wärmeübertragung auf das bzw. die Kühlmittel bewirkt.
Zweckmäßigerweise sind im ersten und/oder im zweiten Kondensator Strömungsleitbleche vorgesehen, die im jeweiligen Mantelraum abschnittsweise eine zumindest annähernd quer zur Längserstreckung der Rohre verlaufende Strömung gewährleisten. Durch solche Strömungsleitbleche, auch „Baffles“ genannt, wird der Wärmeübergang verbessert, zudem kann durch Anzahl und Aufbau der Strömungsleitbleiche der jeweilige Kondensator in Bezug auf Druckverlust und Wärmeübergang optimiert werden. Strömungsleitbleche im zweiten Kondensator tragen dazu bei, das entstehende Eis gleichmäßiger im Kondensator zu verteilen und somit die Zeitdauer bis zum nächsten Abtauvorgang zu verlängern.
Die Erfindung sieht vor, dass der erste Kondensator und der zweite Kondensator eine gemeinsame, thermisch gut leitende Trennwand aufweisen. Die Trennwand der aneinander gebauten Kondensatoren ist so ausgebildet, dass das Kühlmittel des ersten Kondensators und der Gasstrom im zweiten Kondensator an der Trennwand miteinander in thermischen Kontakt gebracht werden. Die Trennwand ist bevorzugt so ausgelegt, dass aufgrund des thermischen Kontakts mit dem Kühlmittel des ersten Kondensators die Temperatur auf der im zweiten Kondensator vorliegenden Oberfläche der Trennwand höher ist als die Temperatur des Gasstroms im zweiten Kondensator. Dadurch wird der Gasstrom beim Kontakt mit der wärmeren Trennwand so weit erwärmt, dass Aerosole, die sich im Gasstrom gebildet haben, zumindest teilweise verdampfen und nachfolgend an den kälteren Oberflächen des zweiten Kondensators abgeschieden werden können. Bevorzugt wird dabei mittels einer geeigneten Strömungsführung, beispielsweise unter Verwendung der vorgenannten Strömungsleitbleche, erreicht, dass der Gasstrom im zweiten Kondensator ein- oder mehrmals im wesentlichen senkrecht auf die Trennwand auftrifft, wodurch die Rückbildung von Aerosolen weiter begünstigt wird. Gleichzeitig wird die Trennwand durch den Kontakt mit dem Gasstrom im zweiten Kondensator abgekühlt. Die dadurch dort vergleichsweise kühle Trennwand trägt zur Kühlung des Gasstroms im ersten Kondensator bei und verbessert so die Effizienz des Kühlvorgangs.
Vorteilhafterweise sind der erste Kondensator und der zweite Kondensator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Kondensatoren dabei nebeneinander angeordnet, wobei der mit dem dampfförmigen Stoff beladene Gasstrom im einem - von etwaigen Umlenkungen durch die vorgenannten Strömungsleibleche abgesehen - u-förmigem Strömungsweg durch das Gehäuse geführt wird. Dabei strömt der Gasstrom bevorzugt in einem oberen Bereich des gemeinsamen Gehäuses in den ersten Kondensator ein, durchläuft diesen von oben nach unten, wird in einem unteren Bereich des Gehäuses in den zweiten Kondensator eingeleitet, durchläuft diesen von unten nach oben und tritt in einem oberen Bereich des Gehäuses aus dem zweiten Kondensator aus. Zwischen den beiden Kondensatoren besteht innerhalb des Gehäuses nur eine Trennfläche, die bevorzugt zumindest abschnittsweise wärmeleitend ausgebildet ist.
In einer besonders kompakten Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Kondensator konzentrisch zueinander, der erste Kondensator innerhalb des zweiten Kondensators, oder umgekehrt, der zweite Kondensator innerhalb des ersten Kondensators, angeordnet. Die Außenwand des innen angeordneten Kondensators dient dabei als bevorzugt wärmeleitend ausgebildete Trennfläche.
Bevorzugt ist in der Zuführung für das Kühlmittel zum ersten Kondensator und/oder in der Zuführung für das Kühlmittel zum zweiten Kondensator eine Einrichtung zum Temperieren des Kühlmittels vorgesehen. Dadurch lässt sich die Temperatur des Kühlmittels den jeweiligen Anforderungen anpassen und beispielsweise auch in Abhängigkeit einer im ersten und/oder im zweiten Kondensator gemessenen Temperatur regeln. Bei der Einrichtung zum Temperieren handelt es sich jeweils beispielsweise um eine elektrische Heizeinrichtung, um einem Wärmetauscher oder um einen Mischer, mit welchem Kühlmittel einer anderen Temperatur, beispielsweise vom Rücklauf eines der Kondensatoren, zugemischt werden.
Eine Heizeinrichtung kann im Übrigen auch im Strömungsweg des Gasstroms zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet werden, um Aerosole, die sich beim Durchlaufen des ersten Kondensators im Gasstrom gebildet haben, rückbilden zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren zum Entfernen eines dampfförmigen Stoffes aus einem Gasstrom unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelöst, bei dem der zu reinigende Gasstrom durch das Rohr bzw. die Rohre des ersten Kondensators geführt und dabei in Wärmekontakt mit einem im Mantelraum des ersten Kondensators bevorzugt im Gegenstrom geführten Kühlmittel gebracht wird, der gekühlte Gasstrom anschließend in den Mantelraum des zweiten Kondensators eingebracht und dort in Wärmekontakt mit einem durch das Rohr bzw. die Rohre des zweiten Kondensators bevorzugt im Gegenstrom geführten Kühlmittel gebracht und anschließend abgeführt wird, wobei das Kühlmittel im ersten und/oder im zweiten Kondensator temperiert wird und die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kondensator so gewählt wird, dass der durch das Rohr oder die Rohre des ersten Kondensators geführte Gasstrom unter den Taupunkt, jedoch nicht unter die Schmelztemperatur des dampfförmigen Stoffes abfällt, und die Temperatur des Kühlmittels so gewählt wird, dass der durch den Mantelraum des zweiten Kondensators geführte Gasstrom unter die Schmelztemperatur des dampfförmigen Stoffes abgekühlt wird.
Durch die Kühlung des Gasstroms im ersten Kondensator kondensiert der Stoff an den Innenwänden des Rohrs oder der Rohre des Rohrbündels in flüssiger Form aus und wird in einem unteren Bereich des ersten Kondensators aufgefangen. Bevorzugt strömen Kühlmittel und Gasstrom im ersten Kondensator im Gegenstrom zueinander. Die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kondensator ist bevorzugt so eingestellt, dass das Kühlmittel im Bereich des Austritts des Gasstroms aus dem Rohrbündel eine Temperatur besitzt, die am Schmelzpunkt des aus dem Gasstrom zu entfernenden Stoffs liegt.
Beim Durchlaufen des zweiten Kondensators, dessen Kühlmittel bei einer wesentlich tieferen Temperatur als das im ersten Kondensator vorliegt, fällt der noch im Gasstrom befindliche Teil des Stoffes zumindest teilweise in fester Form aus und lagert sich als Eis auf den Außenoberflächen des Rohrs oder der Rohre des Rohrbündels an. Da jedoch der größte Teil des ursprünglich im Gasstrom enthaltenen Stoffs bereits im ersten Kondensator aus diesem entfernt wurde, wächst die sich bildende Eisschicht nur langsam, und die Vorrichtung kann für einen langen Zeitraum betrieben werden, ohne dass es erforderlich ist, sie abzutauen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur Verwendung als Kältetrockner. Bevorzugt handelt es sich bei dem zu reinigenden Gasstrom also um einen mit Wasserdampf beladenen Gasstrom.
Als Kühlmittel im ersten Kondensator kommt bevorzugt eine Flüssigkeit wie beispielsweise Kühlsole, Thermalöl oder ein Glykolgemisch zum Einsatz. Im zweiten Kondensator kommt ebenfalls ein solches flüssiges Kühlmittel, oder ein kryogenes Medium, beispielsweise kalter gasförmiger oder verflüssigter Stickstoff zum Einsatz kommt. Für beide Kondensatoren ist auch eine Kühlung mit unter Druck stehendem flüssigem Kohlendioxid denkbar.
Bein den Kühlmitteln im ersten Kondensator und im zweiten Kondensator handelt es sich also nicht notwendigerweise um das gleiche, durch beide Kondensatoren geführte Medium, oder auch nur um die gleiche chemische Substanz, wenngleich dies bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind. Da beide Kondensatoren bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen gefahren werden, kann es vorteilhaft sein, ein der jeweiligen Betriebstemperatur angepasstes Kühlmittel in jedem der Kondensatoren zu wählen. Es ist jedoch auch möglich, das gleiche Kühlmittel in beiden Kondensatoren zu verwenden und es vor dem Durchlauf durch den jeweiligen Kondensator den Anforderungen entsprechend zu temperieren. Beispielsweise wird das Kühlmittel aus dem zweiten Kondensator dem ersten Kondensator als Kühlmittel zugeführt, nachdem seine Temperatur mit einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise einer elektrischen Heizeinrichtung, einem Wärmetauscher oder einer Mischeinrichtung entsprechend angepasst wurde.
Um Aerosole aus dem Gasstrom verdampfen zu können, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Gasstrom gegen eine zwischen den Mantelräumen der Kondensatoren vorgesehene, thermisch gut leitende Trennwand geführt wird, deren Temperatur über der Temperatur des Gasstroms im Mantelraum des zweiten Kondensators gehalten wird. Die Beheizung der Trennwand erfolgt dabei bevorzugt mittels des gegenüber dem Gasstrom im zweiten Kondensator wärmeren Kühlmittels des ersten Kondensators.
Ist der Gasstrom mit mehreren dampfförmigen Stoffen beladen, erfolgt bevorzugt im ersten Kondensator eine Entfernung zunächst desjenigen Stoffes, der den höchsten Schmelzpunkt besitzt.
Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Die Zeichnung (1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Partialkondensation.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Kondensator 2 und einen zweiten Kondensator 3, die in einem gemeinsamen, mit thermisch gut isolierten Wänden ausgestatteten Gehäuse 4 angeordnet sind. Die beiden Kondensatoren 2, 3 sind jeweils als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet, bei denen ein erstes Medium durch ein Rohr oder eine Mehrzahl von Rohren geführt wird, die innerhalb eines Mantelraums angeordnet sind, durch den ein zweites Medium geführt wird, wobei es an den Wänden des Rohrs oder der Rohre zu einem indirekten thermischen Kontakt zwischen den beiden Medien kommt. Demzufolge umfasst der erste Kondensator 2 ein aus senkrecht verlaufenden Rohren 5 aufgebautes Rohrbündel 6, das zwischen einem oberen Rohrboden 7 und einem unteren Rohrboden 8 aufgenommen ist. Die Rohrböden 7, 8 trennen gasdicht einen um die Rohre des Rohrbündels herum vorliegenden, hier als Mantelraum 9 bezeichneten Raumbereich von einem Kopfraum 11 und einem Bodenraum 12 des ersten Kondensators 2 ab. In den Mantelraum 9 mündet oberhalb des unteren Rohrbodens 8 eine Zuführung 14 und unterhalb des oberen Rohrbodens eine Ausleitung 15 für ein Kühlmittel ein. In den Kopfraum 11 mündet eine Zuführung 16 für einen zu reinigenden Gasstrom ein. Die Rohre 5 münden an ihrem oberen Ende in den Kopfraum 11 des Rohrbündels 6 und an ihrem unteren Ende in den Bodenraum 12 aus. Weiterhin mündet aus dem Bodenraum 12 ein Kondensatauslass 17 aus.
Der zweite Kondensator 3 umfasst gleichfalls ein aus senkrecht verlaufenden Rohren 18 ausgebautes Rohrbündel 19. Die Rohre 18 sind an einem oberen Rohrboden 21 befestigt und münden in einem Kopfraum 22 des zweiten Kondensators 3 aus. Der Rohrboden 21 trennt zugleich den Kopfraum 22 von einem unterhalb des oberen Rohrbodens 21 gelegenen Mantelraum 23 gasdicht ab. Die Rohre 18 des Rohrbündels 19 münden an ihrem jeweils unteren Ende an einem unteren Rohrboden 25 in einen Sammler 26 ein, der keine Strömungsverbindung mit dem Mantelraum 23 oder dem Bodenraum 12 aufweist. Vom Boden des Sammlers 26 führt eine Ausleitung 27 ab.
Der Mantelraum 23 des zweiten Kondensators 3 weist im Bereich unterhalb des oberen Rohrbodens 21 eine Ausleitung 29 für den gereinigten Gasstrom auf. In den Kopfraum 22 des zweiten Kondensators 3 mündet eine Zuleitung 31 für ein Kühlmittel ein. Im Bereich der Kopfräume 11, 22 ist eine Trennwand 32 vorgesehen, die eine thermische und strömungstechnische Trennung zwischen den Kopfräumen 11, 22 bewirkt. Dagegen ist der Mantelraum 9 des ersten Kondensators 2 vom Mantelraum 23 des zweiten Kondensators 3 durch eine Trennwand 33 aus einem gut wärmeleitenden Material getrennt. Die Trennwand 33 endet in einem unteren Bereich des Gehäuses 4, sodass eine Strömungsverbindung zwischen dem Bodenraum 12 des ersten Kondensators 2 und dem Mantelraum 23 des zweiten Kondensators 3 besteht. Zum Umlenken der Gasströme in den Kondensatoren 2, 3 sind in beiden Mantelräumen 9, 23 Umlenkbleche 35, sogenannte „Baffles“ angeordnet, die innerhalb der Mantelräume 9, 23 einen mäanderförmigen Strömungsverlauf des jeweils durch den Mantelraum 9, 23 geführten Mediums erzwingen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur ein Teil der Umlenkbleche 35 mit einem Bezugszeichen versehen.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird ein mit einem dampfförmigem Stoff beladener Gasstrom über die Zuleitung 16 in den Kopfraum 11 des ersten Kondensators 2 und von dort durch die Rohre 5 des Rohrbündels 6 zum Bodenraum 12 geleitet, wie durch die schraffierten Pfeile 36 angedeutet.
Beim dampfförmigen Stoff, mit dem der Gasstrom beladen ist, handelt es sich beispielsweise um Wasserdampf; die Vorrichtung 1 dient in diesem Fall also als Kältetrockner. Die Vorrichtung 1 kann jedoch auch zur Reinigung von Gasströmen eingesetzt werden, die mit anderen Dämpfen beladen sind, beispielsweise mit Lösemitteln oder flüchtigen organischen Verbindungen (VOC).
Über die Zuleitung 14 strömt ein Kühlmittel in den Mantelraum 9 ein und verlässt diesen über die Ausleitung 15, wird also im Gegenstrom zum Gasstrom durch den Kondensator 1 geführt, wie durch die punktierten Pfeile 37 angedeutet. Die Umlenkbleche 35 sorgen dabei dafür, dass das Kühlmittel immer wieder quer zur Längserstreckung der Rohre 5 geführt wird. Hierdurch erfolgt ein wirkungsvoller Wärmeübergang über die Wände der Rohre 5. Die Temperatur des Kühlmittels wird dabei so eingestellt, dass die Temperatur der Innenwände der Rohre 5 den Schmelzpunkt des Stoffs (im Fall von Wasserdampf also 0°C) an keinem Punkt unterschreitet, wohl aber bereits in den oberen Abschnitten der Rohre den Taupunkt des Stoffes. Durch den Wärmekontakt mit dem Kühlmittel kondensiert so ein großer Teil des im Gasstrom enthaltenen dampfförmigen Stoffes an den Innenwänden der Rohre 5 aus und strömt anschließend in flüssiger Form zu den unteren Mündungsöffnungen der Rohre 5. Von dort tropft der kondensierte Stoff in den Bodenraum 12 und wird über den Kondensatauslass 17 abgeführt.
Der bereits teilweise vom Stoff befreite Gasstrom strömt, wie durch die schraffierten Pfeile 38 angedeutet, durch den Bodenraum 12 in den Mantelraum 23 des zweiten Kondensators 3 ein und wird über die Ausleitung 29 aus dem zweiten Kondensator 3 abgeführt (Pfeil 39). Gleichzeitig wird ein Kühlmittel über die Zuleitung 31 in den Kopfraum 22 des zweiten Kondensators 3 eingebracht, durchläuft anschließend die Rohre 18 des Rohrbündels 19 und im Sammler 26 aufgefangen. Von dort fließt das Kühlmittel über die Ausleitung 27 ab, wie durch die Pfeile 40 angedeutet. Auch im zweiten Kondensator 3 wird also das Kühlmittel im Gegenstrom zum Gasstrom geführt. An den Wänden der Rohre 18 kommt es zum indirekten Wärmekontakt des Kühlmittels mit dem durch den Mantelraum 23 geführten Gasstrom. Die Temperatur des Kühlmittels im zweiten Kondensator 3 ist tiefer als die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kondensator 2 und so gewählt, dass im Gasstrom noch enthaltener Stoff zumindest teilweise ausfriert. Im Falle, dass es sich beim Stoff um Wasserdampf handelt, weisen die Außenwände der Rohre 18 also eine Temperatur von unter 0°C auf. Der ausfrierende Stoff (z.B. Wassereis) schlägt sich als Eisschicht auf den Außenwänden der Rohre 18 nieder, sodass die Vorrichtung 1 von Zeit zu Zeit, beispielsweise nach Ablauf von 3 bis 8 Stunden, abgetaut werden muss. Beim Abtauen fließt der geschmolzene Stoff zum Kondensatauslass 17 und wird abgeleitet. Im Unterschied zu Vorrichtungen mit zwei Kondensatoren nach dem Stande der Technik weist die Vorrichtung 1 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel also einen gemeinsamen Kondensatauslass 17 für beide Kondensatoren 2, 3 aus.
Bei der Vorrichtung 1 strömt somit das Kondensat im ersten Kondensator 2 unter der Wirkung der Schwerkraft aus einem oberen, wärmeren Bereich in einen unteren, kälteren Bereich, hier kommt es also nicht zu einer Rückverdampfung des Kondensats. Beim Betrieb des zweiten Kondensators 3 fließt der Teil des Kondensats, das nicht gefroren ist, bzw. das beim Abtauen des Kondensators 3 schmilzt, dagegen aufgrund der Strömungsführung des Kühlmittels aus einem oberen, kälteren Bereich in einen unteren wärmeren Bereich. Hier kann es jedoch auch nicht zu einer Rückverdampfung des kondensierten Stoffes kommen, da der Gasstrom bereits gesättigt in den zweiten Kondensator 3 eintritt.
Durch den Kontakt des Gasstroms mit dem kälteren Kühlmittel im ersten Kondensator 2 kommt es fast unweigerlich dazu, dass ein Teil des Stoffs nicht an den Wänden der Rohre 5 kondensiert, sondern als Aerosol in Form von feinen Nebeltröpfchen im Gasstrom verbleibt. Auch innerhalb des zweiten Kondensators 3 ist eine Aerosolbildung zu erwarten. Beim Durchlaufen des zweiten Kondensators 3 kommt der Gasstrom jedoch mit der Trennwand 33 in Kontakt. Aufgrund der Ausbildung aus einem thermisch gut leitenden Material und des Kontakts mit dem Kühlmittel im ersten Kondensator 2 liegt die Trennwand 33 an ihrer zum Mantelraum 23 des zweiten Kondensators 3 zugewandten Seite bei einer höheren Temperatur vor, als es der Temperatur des Gasstroms im Mantelraum 23 entspricht. Dadurch wird dieser beim Kontakt mit der Trennwand 33 aufgewärmt, und ein Teil des als Aerosol vorliegenden Stoffs verdampft und kann im Folgenden an den Rohren 18 kondensieren bzw. ausfrieren. Durch diese Reduktion des Aerosolgehalts im Gasstrom wird die Effizienz der Vorrichtung 1 weiter verbessert.
Durch die Wahl eines großen Wärmeübergangskoeffizienten im Rohrbündel 6 des ersten Kondensators 2 kann die Vorrichtung 1 in einer Weise ausgelegt werden, dass zwischen Gasstrom und Wänden der Rohre 5 an deren unteren („kalten“) Ende eine nur minimale Temperaturdifferenz besteht. Dies führt zu maximaler Abscheidung des zu entfernenden Stoffs. Je mehr Stoff hier abgeschieden wird, desto weniger Stoff kann im zweiten Kondensator ausfrieren, und desto seltener muss dieser abgetaut werden.
Die 1 zeigte beispielhaft eine senkrecht stehende Vorrichtung 1. Eine solche senkrecht stehende Anordnung der Vorrichtung als Ganzes oder der beiden Kondensatoren ist erfindungsgemäß jedoch nicht zwingend erforderlich; die Kondensatoren können auch schräg oder im wesentlichen liegend angeordnet sein, wobei jedoch innerhalb der Kondensatoren ein Gefälle vorhanden sein sollte, das es dem flüssigen Kondensat ermöglicht, zu den Kondensatauslässen oder zu einem gemeinsamen Kondensatauslass beider Kondensatoren zu strömen.
Bezugszeichenliste

1.: Vorrichtung
2.: Kondensator
3.: Kondensator
4.: Gehäuse
5.: Rohr
6.: Rohrbündel
7.: Oberer Rohrboden (des ersten Kondensators)
8.: Unterer Rohrboden (des ersten Kondensators)
9.: Mantelraum
10.: -
11.: Kopfraum (des ersten Kondensators)
12.: Bodenraum (des ersten Kondensators)
13.: -
14.: Zuführung (für Kühlmittel)
15.: Ausleitung (für Kühlmittel)
16.: Zuführung (für den Gasstrom)
17.: Kondensatauslass
18.: Rohr
19.: Rohrbündel
20.: -
21.: Oberer Rohrboden (des zweiten Kondensators)
22.: Kopfraum (des zweiten Kondensators)
23.: Mantelraum (des zweiten Kondensators)
24.: -
25.: Unterer Rohrboden (des zweiten Kondensators)
26.: Sammler
27.: Ausleitung (für Kühlmittel)
28.: -
29.: Ausleitung (für den Gasstrom)
30.: -
31.: Zuleitung (für Kühlmittel)
32.: Trennwand
33.: Trennwand
34.: -
35.: Umlenkblech
36.: Pfeil
37.: Pfeil (Strömungsweg des Kühlmittels im ersten Kondensator)
38.: Pfeil
39.: Pfeil
40.: Pfeil (Strömungsweg des Kühlmittels im zweiten Kondensator)

Claims

Vorrichtung (1) zum Abscheiden eines dampfförmigen Stoffes aus einem Gasstrom, mit einem ersten Kondensator (2) und einem zweiten Kondensator (3), die jeweils als Rohr- oder Rohrbündelwärmetauscher mit einem sich innerhalb eines Mantelraums (9, 23) erstreckenden Rohr (5, 18) oder Rohrbündel (6, 19) ausgebildet sind, wobei der Mantelraum (9) des ersten Kondensators (2) mit einer Zuführung (14) und mit einer Ableitung (15) für ein Kühlmittel strömungsverbunden ist und ein Einlass des Rohrs (5) oder des Rohrbündels (6) des ersten Kondensators (2) mit einer Zuführung (16) für den zu reinigenden Gasstrom strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelraum (23) des zweiten Kondensators (3) mit einem Auslass des Rohrs (5) oder des Rohrbündels (6) des ersten Kondensators (2) strömungsverbunden ist und eine Ableitung (29) für den gereinigten Gasstrom aufweist, und das Rohr (18) oder das Rohrbündel (19) des zweiten Kondensators (3) mit einer Zuführung (31) und mit einer Ableitung (27) für ein Kühlmittel ausgerüstet ist und der erste Kondensator (2) und der zweite Kondensator (3) zwecks Verdampfung von im Gasstrom enthaltenen Aerosolen eine gemeinsame, thermisch gut leitende Trennwand (33) aufweisen, die so ausgebildet ist, dass das Kühlmittel des ersten Kondensators (2) und der Gasstrom im zweiten Kondensator (3) miteinander in thermischen Kontakt gebracht werden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rohrbündel (6, 19) und die Mantelräume (9, 23) der Kondensatoren (2, 3) derart mit den Zuführungen (14, 16, 31) und den Ableitungen (15, 27, 29) für die Kühlmittel bzw. für den Gasstrom verbunden sind, das die Gasströme und die Kühlmittel im ersten Kondensator (2) und/oder im zweiten Kondensator (3) im Gegenstrom geführt werden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kondensator (2) und/oder im zweiten Kondensator (3) Strömungsleitbleche (35) vorgesehen sind, die im jeweiligen Mantelraum (9, 23) eine zumindest annähernd quer zur Längserstreckung der Rohrbündel (6, 19) verlaufende Strömung gewährleisten.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (2) und der zweite Kondensator (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (2) und der zweite Kondensator (3) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das in die Zuführung (14) für das Kühlmittel zum ersten Kondensator (2) und/oder in der Zuführung (31) für das Kühlmittel zum zweiten Kondensator (3) eine Einrichtung zum Temperieren des Kühlmittel vorgesehen ist.
Verfahren zum Abscheiden eines dampfförmigen Stoffes aus einem Gasstrom unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zu reinigende Gasstrom durch das Rohr (5) oder Rohrbündel (6) des ersten Kondensators (2) geführt und dabei in Wärmekontakt mit einem im Mantelraum (9) des ersten Kondensators (2) geführten Kühlmittel gebracht wird, der gekühlte Gasstrom anschließend in den Mantelraum (23) des zweiten Kondensators (3) eingebracht und dort in Wärmekontakt mit einem durch das Rohr (18) oder die Rohre (18, 19) des zweiten Kondensators (3) geführten Kühlmittel gebracht und anschließend abgeführt wird, wobei das Kühlmittel im ersten Kondensator (2) und/oder im zweiten Kondensator (3) temperiert wird und die Temperatur des Kühlmittels im ersten Kondensator (2) so gewählt wird, dass der durch das das Rohrbündel (6) des ersten Kondensators (2) geführte Gasstrom unter den Taupunkt, jedoch nicht unter die Schmelztemperatur des dampfförmigen Stoffes abfällt, und die Temperatur des Kühlmittels so gewählt wird, dass der durch den Mantelraum (23) des zweiten Kondensators (3) geführte Gasstrom unter die Schmelztemperatur des dampfförmigen Stoffes abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom gegen eine zwischen den Mantelräumen (9, 23) der Kondensatoren (2, 3) vorgesehene, thermisch gut leitende Trennwand (33) geführt wird, deren Temperatur über der Temperatur des Gasstroms im Mantelraum (23) des zweiten Kondensators (3) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dass als zu reinigender Gasstrom ein mit Wasserdampf beladener Gasstrom vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel im ersten Kondensator (2) und/oder im zweiten Kondensator (3) jeweils eine Kühlflüssigkeit, wie Kühlsole oder Thermalöl, oder ein kryogenes Medium, beispielsweise kalter gasförmiger oder verflüssigter Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Gasstrom und Kühlmittel im ersten Kondensator (2) und/oder im zweiten Kondensator (3) im Gegenstrom geführt werden.