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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen von Amin, welches zusammen mit einem Trägergas als Katalysator bei der Herstellung von Kernen für Gießprozesse anfällt, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Ein Prozessschritt in Gießereien umfasst die Herstellung von Kernen. In Gießverfahren haben Kerne die Aufgabe Hohlräume und teilweise auch Außenkonturen in Gussstücken abzubilden. Für die Kernherstellung können organische und anorganische Binder eingesetzt werden. Während im Bereich Leichtmetallguss vorwiegend anorganische Binder verwendet werden, kommen aus technischen Gründen im Eisenguss weiterhin organische Binder zur Kernherstellung zum Einsatz.
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In der Serienfertigung von Eisengussbauteilen, ist das sogenannte PUR-Cold Box Verfahren das am meisten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Kernen. Beim Kernherstellungsprozess mit dem PUR-Cold Box Verfahren erfolgt der Aushärtungsprozess durch eine Polyaddition von Phenol-Formaldehyd-Harz als erste Komponente 1 und Isocyanat als zweite Komponente 2 zu Polyurethan; diese Reaktion wird durch eine, insbesondere basische, Katalyse hervorgerufen, welche durch die Begasung mit einem Gemisch aus Amin und einem Transportgas, z.B. einem Amin-Luftgemisch, erfolgt. Nach Einschießen des mit Harz und Härter umhüllten Kernformstoffes, typischerweise Sand, in ein Kernformwerkzeug, erfolgt im geschlossenen Werkzeug die Durchströmung mit dem Amin-Luftgemisch (z.B. Dimethylpropylamin und getrocknete Druckluft. Hierfür wird in einem Begasungsgerät das flüssige Amin verdampft und in Form eines Amin-Luftgemisches in das geschlossene und mit Kernformstoff gefüllte Werkzeug eingebracht. Nach dem Begasungsvorgang erfolgt eine Durchspülung mit Spülluft, um eine bestmögliche Verteilung des Amins im Kern und anschließend dessen Austrag sicherzustellen. Die aminhaltige Abluft wird während des Vorganges aus dem Werkzeug abgesaugt und mit aufwändigen Abgasnachbehandlungen gereinigt. Dazu kommen beispielsweise Aminwäscher oder thermische Abgasnachbehandlungsverfahren zum Einsatz. Bei den thermischen Abgasnachbehandlungsverfahren gehen die Amine bei der Abluftreinigung restlos verloren, während bei Einsatz von Aminwäschern eine Rückgewinnung von Aminen durch Aufarbeitung dort ausgefällter Salze möglich ist. Ein Beispiel des Auswaschens von Aminen, hier mit einer Phosphorsäure enthaltenden Waschlösung, ist beispielsweise in der
DE 31 04 343 A1 beschrieben. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das gesammelte Ergebnis dieses Waschens, nämlich eine Ammoniumphosphat-Lösung mit Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid erwärmt und das dabei freiwerdende gasförmige Amin wird abgeführt und zurückgewonnen.
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Sowohl die thermische Abgasnachbehandlung als auch der Aminwäscher sind dabei mit relativ hohem Aufwand verbunden, insbesondere auch durch die beim Aminwäscher anfallende Aufbereitung der entstehenden Stoffe bzw. Salze. Häufig erfolgt dieser Prozess örtlich getrennt von dem Herstellen der Gießkerne, sodass einerseits ein Transport der Salze und andererseits ein Transport des abgeschiedenen Amins zurück zum Einsatzort notwendig ist, wie es letztlich auch in der genannten Schrift beschrieben ist. Der Aufwand hierfür ist erheblich. Bei der thermischen Abgasnachbehandlung wird das Amin zu 100% umgesetzt, was hinsichtlich des Verbrauchs von Amin insgesamt ebenfalls ein erheblicher Nachteil ist.
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Da das für den Aushärtungsprozess erforderliche Amin ausschließlich als Katalysator dient und somit während des Prozesses nicht verbraucht wird, liegt dieses - bis auf die während des Prozesses im Kernformstoff kondensierte und nicht ausgespülte Aminrestmenge - weiterhin unverbraucht im Abgasstrom vor. Ziel der
DE 27 47 109 A1 ist es einen Großteil der in der Abluft des Kernschießprozesses befindlichen Amine rückzugewinnen und wieder direkt dem Prozess zuzuführen. Hierdurch ergeben sich neben einer Verbesserung der Umwelt- und Abfallbilanz auch direkte Kostenvorteile im Prozess. Das in der genannten Schrift beschriebene Verfahren ist dabei relativ aufwändig. Zuerst wird das Amin gasförmig als Katalysator eingesetzt, um möglichst vollständig die Materialien zur Kernherstellung zu durchdringen und damit die Kerne schnell auszuhärten. Im Anschluss muss durch eine Veränderung des Systemdrucks dieser auf einen Druck oberhalb des Dampfdrucks erhöht werden, wozu der Amindampf komprimiert werden muss. Durch diese Komprimierung kondensiert er und das kondensierte flüssige Amin lässt sich dann zurückgewinnen. Dies ist hinsichtlich des materiellen Aufwands relativ nachteilig, da entsprechende Kompressoren vorgesehen werden müssen, um in dem System an verschiedenen Stellen die jeweils erforderlichen Drücke bereitzustellen. Außerdem sind Ventileinrichtungen notwendig, um die Bereiche unterschiedlichen Drucks gegeneinander abzusichern. All diese Komponenten sind mit dem giftigen Amin in Kontakt und müssen im Falle einer Wartung oder eines Austauschs erst aufwändig gereinigt werden, bevor sie gewartet und/oder ausgetauscht werden können. Dies ist ein erheblicher Nachteil, zusätzlich zu dem relativ großen Aufwand hinsichtlich der erforderlichen Maschinerie.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, das Verfahren gemäß dem zuletzt genannten gattungsgemäßen Stand der Technik weiter zu verbessern und in seiner Anwendung einfacher und weniger störanfällig zu gestalten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Wie im gattungsgemäßen Stand der Technik macht man sich zur Rückgewinnung des Amins aus einem Gemisch von Amin und Trägergas, welches als Katalysator bei der Herstellung von Kernen für den Gießprozess Verwendung gefunden hat, eine Änderung des Aggregatszustands von Aminen zunutze, um diese auszukondensieren und flüssig zurückzugewinnen. Dies erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ansatz jedoch zu weitgehend isobaren Bedingungen, wie sie in dem Abgasstrom herrschen. Diese Bedingungen sind typischerweise ein gegenüber dem Atmosphärendruck leichter Unterdruck in dem Abgasstrom, welcher, abgesehen von Reibungsverlusten an den Wandungen der Rohre, während des Abströmens des Abgases gleichbleibend ist. Es liegen also im Wesentlichen isobare Bedingungen vor. Die Auskondensation erfolgt erfindungsgemäß dann durch einen Entzug von Enthalpie, um das Amin aus der Mischung aus Transportgas und gasförmigen Amin zu kondensieren und das anfallende Amin flüssig abzuscheiden. Dies ist einfach und hinsichtlich der Bauteile sehr effizient und wartungsarm.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dies mittels eines Luft- und/oder Flüssigkeitswärmetauschers erfolgen, welcher sich effizient als Kondensator einsetzen lässt, um beim Unterschreiten des Kondensationspunktes des jeweiligen Amins dieses vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zu kondensieren und damit aus dem Trägergas abzureichern. Durch eine gezielte Führung der beim Kernherstellungsprozess anfallenden aminhaltigen Abgase, also einer Abführung des Amin-Transportgas-Gemischs am Absauganschluss des Kernformwerkzeuges und einer Gasführung über den Kondensator, wird durch den Entzug der Enthalpie der Taupunkt des Amins unterschritten und dieses im flüssigen Aggregatzustand abgeschieden. Beispielsweise wird bei Dimethylpropylamin bei der Abkühlung unterhalb des Siedepunkts von 63 bis 66° C bei 1013 hPa das Amin kondensiert und lässt sich somit im flüssigen Zustand zurückgewinnen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Kühlleistung für den Enthalpieentzug so gesteuert oder geregelt wird, dass das Amin kondensiert wird, ohne dass eventuell vorhandener Wasserdampf in dem Transportgas kondensiert. Der Kondensationspunkt für das jeweilige Amin lässt sich durch eine Steuerung oder Regelung der Kühlleistung am Kondensator also einstellen und wird so gewählt, dass ein Ausscheiden von Amin im flüssigen Zustand erfolgt. Gleichzeitig wird der Kondensationspunkt für den in dem Transportgas gegebenenfalls befindlichen Wasserdampf jedoch nicht unterschritten. Im Enthalpie-Wasserbeladungs-Diagramm ist dieser Kondensationspunkt also im ungesättigten Bereich einzustellen. Hierdurch kann eine Verunreinigung des Amins mit Wasser weitgehend vermieden werden. Das zurückgewonnene Amin kann in flüssiger Form dann direkt in einen Prozesskreislauf zurückgeführt werden, ohne dass eine weitere Ausbereitung oder Transport über größere Strecken notwendig ist.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann dabei Luft als Transportgas verwendet werden. Insbesondere bei einer solchen Mischung von Luft und Amin als Katalysator bzw. Katalysator und Transportgas besteht prinzipiell immer die Gefahr, dass Wasserdampf in der Luft vorhanden ist. Dem kann jedoch durch die zuvor beschriebene Ausführungsvariante des Verfahrens in der Art begegnet werden, dass eine Verunreinigung des Amins mit aus dem Transportgas, also der Luft, auskondensiertem Wasser unterbleibt. Häufig ist es dabei auch so, dass die für das Verfahren verwendete Luft als Transportgas getrocknete Druckluft ist, beispielsweise kältegetrocknete Druckluft. Dann ist der allgemeine Einfluss von dampfförmigem Restwasser bereits weitgehend vernachlässigbar.
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Das durch den Enthalpieentzug aus dem Abgas kondensierte Amin kann anschließend in einem geschlossenen Behälter Zwischengespeichert werden. Das zurückgewonnen Amin lässt sich aus diesem Vorrats- bzw. Pufferbehälter entnehmen und dem Prozess direkt wieder zuführen, wobei gegebenenfalls ein Filtern zum Abscheiden von Feststoffen sinnvoll sein kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass das zurückgewonnene flüssige Amin einem Begasungsgerät zur Herstellung des gasförmigen Katalysators aus dem Amin in dem Transportgas zugeführt wird. Bei vielen Prozessen zur Kernherstellung werden Begasungsgeräte eingesetzt. In diesen wird das Amin verdampft und mit dem Transportgas, beispielsweise kältegetrockneter Druckluft, wie es oben beschrieben worden ist, vermischt. Auch andere Transportgase wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder eine Mischung hieraus, wie es auch im gattungsgemäßen Stand der Technik beschrieben ist, ist selbstverständlich denkbar. Durch die Rückführung des flüssigen Amins in das Begasungsgerät wird dieses unmittelbar wiederverwendet, ohne einen großen Aufbereitungs- und/oder Transportaufwand zu verursachen. Es reicht vielmehr aus, das auskondensierte flüssige Amin in einem Behälter zu zwischenzuspeichern und über eine Leitung dem Begasungsgerät zuzuführen.
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Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorsehen, dass das zurückgewonnene flüssige Amin einer Verdüsung zugeführt wird. Eine solche Verdüsung, bevorzugt eine Hochdruckverdüsung, kann das flüssige Amin fein in dem Transportgas zerstäuben und kann dadurch die Mischung aus dem Amin und dem Transportgas herstellen oder hinsichtlich der Konzentration des Amins verändern.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es daher vorgesehen sein, dass die Verdüsung in das Gemisch aus Amin und Transportgas erfolgt, um die erforderliche Aminkonzentration zu erreichen. In diesem Fall wird das Gemisch aus Transportgas und Amin beispielsweise in einem Begasungsgerät in der oben beschriebenen Art aus frischem Amin oder zurückgewonnenem Amin und dem Transportgas, beispielsweise getrockneter Druckluft, hergestellt. Dieses Gemisch ist hinsichtlich seiner Aminkonzentration jedoch so ausgebildet, dass diese noch zu gering ist. Über die Verdüsung wird in dieses Gemisch dann weiteres zurückgewonnenes Amin eingedüst, um die gewünschte Konzentration zu erreichen.
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Eine Alternative hierzu kann es auch sein, die Verdüsung anstatt in das Gemisch aus dem Begasungsgerät direkt in das Transportgas vorzunehmen. In diesem Fall wird das zurückgewonnene Amin, vorzugsweise vermischt mit frischem Amin um die Verluste aus dem Verfahren auszugleichen, über die Verdüsung direkt in dem Transportgas verdüst, sodass durch die Verdüsung in dem Transportgas das gewünschte Gemisch zur Verwendung des Amins als Katalysator in der Kernherstellung bereitgestellt wird. Dafür kann des Transportgas insbesondere vorgewärmt werden.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es sich bei dem Transportgas um getrocknete vorgewärmte Luft handeln, welche dazu eingesetzt wird, dass Amin in dem Transportgas zu verdampfen und in das Kernformwerkzeug zu transportieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine erste Verfahrensvariante zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von Amin bei der Kernherstellung für Gießprozesse und der hierfür erforderliche Aufbau;
- 2 eine alternative Verfahrensvariante und der hierfür erforderliche Aufbau; und
- 3 eine weitere alternative Verfahrensvariante und der hierfür erforderliche Aufbau.
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In den Darstellungen aller drei Figuren ist ein entsprechender Aufbau gezeigt, über welchen Kerne für einen Gießprozess in der eingangs geschilderten Art und Weise hergestellt werden können. Dafür zeigen alle drei Figuren im Zentrum eine sogenannte Kernschießmaschine 1 zur Realisierung eines Kernherstellungsprozesses im PUR-Cold Box Verfahren. Dabei erfolgt, wie eingangs bereits erwähnt, eine Polyaddition von Phenol-Formaldehyd-Harz und Isocyanat zu Polyurethan. Diese Reaktion wird dabei durch eine (basische) Katalyse hervorgerufen, welche durch die Begasung mit einem Gemisch aus Amin und einem Transportgas, hier nachfolgend jeweils Luft, erfolgt. Beim bzw. nach dem Einschießen des mit Harz und Härter umhüllten Kernformwerkstoffes, typischerweise einem Sand, in ein Kernformwerkzeug 2 erfolgt dann im geschlossenen Werkzeug 2 die Durchströmung des Kernformwerkstoffes mit dem Amin-Luftgemisch, wofür beispielsweise Dimethylpropylamin zum Einsatz kommt. Das Amin-Luftgemisch wird dann über eine Absaugleitung 3 aus dem Kernformwerkzeug 2 abgesaugt und gelangt zu einem Kondensator 4, welcher beispielsweise als Luftwärmetauscher und/oder Flüssigkeitswärmetauschers ausgebildet ist. In ihm wird dem Amin-Luftgemisch Enthalpie entzogen und bei weitgehend gleichem Druck wird Amin auskondensiert. Idealerweise wird die Kühlleistung für den Kondensator 4 dabei so eingestellt, dass lediglich das Amin seinen Aggregatszustand wechselt und eventuell in der Luft als Transportgas enthaltenes Wasser dampfförmig bleibt. Die vom Amin ganz oder zumindest weitgehend befreite Abluft gelangt dann über eine Abluftleitung 5 zu einem prinzipiell bekannten Abluftreinigung 6, auf welche hier nicht näher eingegangen werden muss. Das auskondensierte flüssige Amin gelangt über eine Rückgewinnungsleitung 7 zu einem Auffangbehälter 8 für das kondensierte flüssige Amin.
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Soweit entspricht sich der Aufbau in allen dargestellten Ausführungsvarianten.
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In der Darstellung der 1 ist es nun so, dass zum Erzeugen des Amin-Luftgemischs ein Begasungsgerät 9 zum Einsatz kommt, in welchem Amin verdampft und mit trockener Druckluft, welche durch eine Luftleitung 10 zugeführt wird, vermischt wird. Das flüssige Amin gelangt über eine Rückführleitung 11 und einen nicht dargestellten Filter vom Auffangbehälter 8 in das Begasungsgerät 9 und kann zusätzlich mit frischem Amin aus einer Zufuhrleitung 12 ergänzt werden, um die Teile des Amins zu ersetzen, welche bei der Rückgewinnung nicht auskondensiert werden konnten, beispielsweise weil sie in flüssiger Form in dem Kern verblieben sind oder dergleichen. Das gasförmige Amin-Luftgemisches wird dann dem Prozess bzw. der Kernschießmaschine 1 erneut zugeführt.
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Eine Alternative dazu ist die Verdüsung des aus der Abluft zurückgewonnenen Amins. Eine solche Verdüsung des flüssigen Amins lässt sich auf verschiedene Arten einsetzen. In der Darstellung der 2 ist ein entsprechender Aufbau zu erkennen. Die Rückführleitung 11 führt dabei zu einer Verdüsung 13 in eine Mischkammer 14, welche in Strömungsrichtung nach dem Begasungsgerät 9 und vor der Kernschießmaschine 1 angeordnet ist. Hierbei wird im Begasungsgerät 9, vergleichbar wie oben beschrieben, frisches Amin verdampft und in Form eines untersättigten Amin-Luftgemisches aus dem Begasungsgerät 9 abgeführt. Die Differenzmenge des Amins zur Erreichung der gewünschten Konzentration, wird anschließend in der Mischkammer 14 durch Verdüsung 13 in den Amin-Luftstrom injiziert. Die Enthalpie muss hierbei ausreichend sein, um das injizierte und bei der Verdüsung 13 fein verteilte Amin in einen gasförmigen Zustand zu versetzten. Anschließend wird das angereicherte Amin-Luftgemisch dem Prozess zugeführt.
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Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz der Verdüsung 13 ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Dabei erfolgt eine Mischung des zurückgewonnen flüssigen Amins mit flüssigem Amin aus der Zufuhrleitung 12 unmittelbar vor der Verdüsung 13, wonach das Gemisch aus frischem und zurückgewonnenem Amin in flüssiger Form fein zerstäubt in einen Warmluftstrom eingespritzt wird. Dieser Warmluftstrom wird in Strömungsrichtung vor der Mischkammer 14 in einer Heiz- und Luftsteuereinheit 15 aus der über die Zuluftleitung 10 zugeführten trockenen Druckluft erzeugt. Die Enthalpie des Warmluftstroms muss dabei ausreichend sein, um das injizierte Amin von seinem fein zerstäubten Zustand nach der Verdüsung 13 in den gasförmigen Zustand zu überführen. Auch hier wird dann das Amin-Luftgemisch in die Kernschießmaschine 1 und letztlich in das Kernformwerkzeug 2 eingeleitet und in der bereits beschriebenen Art und Weise nach der Verwendung über die Absaugleitung 3 wieder abgesaugt.
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Allen drei Verfahrensvarianten liegt zugrunde, dass es ohne qualitativen Verlust möglich ist, Amin dauerhaft wiederzuverwenden, da diese nicht verändert oder aufgebraucht wird, abgesehen von prozessualen Verlusten durch Kondensation im Kernformstoff oder Verlusten in der Abluft. Diese können jedoch durch einen kontinuierlicher Ausgleich mit frischen Aminen leicht kompensiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3104343 A1 [0003]
- DE 2747109 A1 [0005]
