DE10349070B3

DE10349070B3 - Vorrichtung zur Entfernung unerwünschter dampfförmiger Verunreinigungen aus einem Prozessgasgemisch

Info

Publication number: DE10349070B3
Application number: DE2003149070
Authority: DE
Inventors: Ronald Stehling
Original assignee: Smart Reflow GmbH
Current assignee: Smart Reflow GmbH
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-10-15

Abstract

Eine Kühlfalle für dampfbeladene Gase, mit einer Kühlstrecke (Wärmetauscher) mit Ein- und Auslaufzone für das zu reinigende Gas und mindestens einer Auffangvorrichtung für das aufzufangende Kondensat ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu reinigende Gasstrom die Kühlstrecke wahlweise in wechselnder Richtung durchfließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlfalle gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Solche Kühlfallen sind beispielsweise aus DE 34 04 802 A1 und aus US 4 726 418 bekannt. Sie werden verwendet, um aus einem Gas störende Dämpfe auszukondensieren. Ein Gas-Dampfgemisch wird hierzu über eine kalte Oberfläche geleitet, an der sich alle Bestandteile niederschlagen, die mit dieser in Berührung kommen und sich unterhalb ihres Taupunkts befinden. Destillationsapparate arbeiten nach demselben Prinzip.

In Kühlfallen werden die kalten Oberflächen üblicherweise senkrecht gestellt, damit das Kondensat daran herunterlaufen kann. Wenn die Dämpfe bei der Betriebstemperatur des Kühlers fest oder klebrig sind, baut sich an der Oberfläche allmählich eine Schicht auf, die meist den Wärmeübergang und damit die Funktion behindert. Außerdem wächst der freie Strömungsquerschnitt langsam zu und behindert so den weiteren Gasdurchfluß.

Besteht das Gas-Dampfgemisch aus mehreren Komponenten, so schlagen sich am Einlauf des Kühlers bei höheren Temperaturen die höhersiedenden und später bei fortgeschrittener Abkühlung die niedrigersiedenden Komponenten nieder. Es findet also eine fraktionierte Destillation statt, wie sie in der Verfahrenstechnik häufig angewendet wird, um Stoffgemische in ihre Bestandteile zu zerlegen.

Immer wenn ein flüssiges Stoffgemisch mit verschiedenen, gelösten festen Komponenten verdampft und in der Kühlfalle niedergeschlagen wird, kann diese zuwachsen, weil sich feste und flüssige Komponenten meist räumlich voneinander getrennt niederschlagen. Besonders ausgeprägt ist diese Stofftrennung dann, wenn die Abkühlung allmählich stattfindet, d.h. bei Kühlung im Gegenstrom zum Kühlmittel oder bei einem Kühlmittel niedriger Wärmekapazität wie z.B. Luft.

Bei der Kühlfalle ist diese sonst erwünschte Zerlegung des Dampfes in seine Einzelkomponenten meist nachteilig. Besonders bei organischen Dampfgemischen sind die niedrigersiedenden, längerkettigen Komponenten oft zähflüssig bis fest. Sie setzen sich am Anfang des Wärmetauschers fest, während die kürzerkettigen, niedrigsiedenden Bestandteile erst an anderer Stelle im weiteren Verlauf des Kühlers niedergeschlagen werden und ablaufen. Der Kühler muß dann periodisch stillgesetzt und gereinigt werden.

Reinigungsmittel und Rückstände vermischen sich zu flüssigem Abfall, der häufig als Sondermüll entsorgt werden muss.

Die obige Konstellation – ein Gemisch von teils flüssigen, teils festen ineinander löslichen organischen Substanzen – finden sich in der Schutzgasatmosphäre von Lötanlagen. Die in solchen Lötanlagen häufig eingesetzten Kühlfallen setzen sich mit festen oder zähfüssigen Kondensatbestandteilen zu und müssen dann periodisch gereinigt werden. Dies kostet nicht nur Arbeitszeit, sondern auch Fertigungsstillstand, den Betrieb von Reinigungsanlagen sowie Beschaffung und Entsorgung der erforderlichen Reinigungsflüssigkeiten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Kühlfalle der oben genannten Art zu schaffen, die automatisch gereinigt werden kann.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Viele organische Stoffgemische bestehen aus Komponenten, die im flüssigen Zustand ineinander löslich sind. Insbesondere gilt das für Lösemittelreste und unvernetzte Polymerbestandteile, die beim Erwärmen von Vergussmassen, von lackierten Oberflächen und Lotpasten verdunsten. Es ist daher möglich, die anfangs niedergeschlagenen langkettigen Niederschläge mit den kurzkettigen auszuspülen, wenn das im selben Prozeß an anderer Stelle niedergeschlagene Lösemittel über die angebackene Schicht geführt wird. Damit sind zwar die vormals getrennten Bestandteile wieder miteinander vermischt. Das ist bei der Kühlfalle aber ohne Bedeutung, denn es geht ja nur darum, ein dampfbeladenes Gas zu reinigen.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme schlagen sich kurzkettige Bestandteile auf den festen oder zähflüssigen Kondensaten nieder, wodurch diese ausgewaschen werden können. Spätestens, wenn die Schicht am Wärmetauschereinlauf so dick aufgewachsen ist, dass sie die Funktion behindert, wird die Durchflussrichtung des Dampfgemisches umgekehrt, wodurch eine Selbstreinigung erzielt wird. Kürzere Zyklen bringen keinen Vorteil, stören aber auch nicht. Das Kondensatgemisch wird nach dem Verlassen des Kühler in einem Sammelbehälter aufgefangen. Besonders bei einer hohen Leistungsdichte des Wärmetauschers schlägt sich ohnehin nur ein Teil des Kondensats an den Oberflächen des Wärmetauschers nieder, während der größere Teil zunächst als Aerosol im Gas verbleibt. Die Aerosoltröpfchen müssen in einem separaten Prozessschritt abgeschieden werden. Das kann beispielsweise durch einen Zyklon oder auch durch ein Patronenfilter erfolgen. Die Trennvorrichtung hält auch abgelöste Tropfen und Schmutzpartikel zurück.

Im kontinuierlichen Betrieb werden statt zweier Kühler, die abwechselnd betrieben werden müssen, wegen periodischer Stillstände zur Reinigung, nur einer benötigt. Es werden auch keine Reinigungsmittel benötigt, da der Prozeß die erforderlichen Reinigungsmittel selbst erzeugt.

Die periodische Umkehrung der Duchflußrichtung kann durch Umsteuerventile erfolgen und lässt sich damit auch automatisieren. Es ist aber auch möglich, den Kühler achsensymmetrisch zu gestalten, sodass er von Hand um 180° gedreht eingebaut werden kann. Bei bisherigen Versuchen hat sich ein Umkehrzyklus von einigen Wochen als ausreichend erwiesen.

Durch eine geeignete geometrische Gestaltung des Kühlers lässt sich erreichen, dass das Lösemittel die festen Kondensatbestandteile überströmt und in einen Sammelbehälter auswäscht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik sind:

1. kontinuierlicher Betrieb der Kühlfalle ist mit nur einem Wärmetauscher möglich;
2. Vorrichtung ist selbstreinigend; personeller wie maschineller Aufwand für Reinigung entfällt vollständig;
3. es werden keine Reinigungsmittel benötigt, und es müssen auch keine entsorgt werden;
4. in einer einfachen Variante der Vorrichtung (manuell umsetzbarer Wärmetauscher) ist ein quasikontinuierlicher Betrieb mit minimalem apparativen Aufwand (keine Ventile, keine Ansteuerschaltung) und auf kleinstem Raum möglich.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 Explosionsdarstellung einer Kühlfalle gemäß vorliegender Erfindung;
2 schematische Darstellung der Führung eines Gasstroms durch die erfindungsgemäße Kühlfalle.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Wärmetauscher 1, einem Umsteuerventil 2, zwei Zyklonabscheidern als Trennvorrichtung 3 und zwei Auffangbehältern als Sammelvorrichtung 4, die funktionsgerecht in an sich üblicher Weise miteinander wirkverbunden sind.
2 zeigt einen Schnitt durch den Wärmetauscher 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Wärmetauscher 1 hat senkrecht stehende Wärmetauscherflächen 1a. Flüssige Kondensatbestandteile laufen an diesen senkrechten Wärmetauscherflächen 1a herab und tropfen in das darunterliegende Gehäuse. Sie werden dort von einem Gasstrom bis zu einer stromabwärts gelegenen Abscheidevorrichtung (nicht dargestellt) mitgerissen, wo sie zurückbleiben. Eine strichpunktierte Linie zeigt schematisch die Führung des zu reinigenden Gastroms. Der Gasstrom durchströmt den Wärmetauscher 1 in 2 zunächst in der linken Hälfte von unten nach oben, wird dort umgelenkt und strömt in der rechten Hälfte wieder von oben nach unten. In der dargestellten Ausführungsform ist ein linker Einströmstutzen 5 und ein rechter Einströmstutzen 6 zu sehen, die jeweils mit dem Wärmetauscher 1 verbunden sind. Der rechte Einströmstutzen 6 ist in einem ersten, im Bild dargestellten Betriebszustand durch eine Ventilplatte 2a des Umsteuerventils 2 verschlossen. Gleichzeitig verschließt ein Flügel 2b des Umsteuerventils 2 den linken Ausgang des Wärmetauschers 1. Durch Umsteuern wird der rechte Einströmstutzen 5 freigegeben und der linke Stutzen 6 verschlossen. In diesem neuen Betriebszustand verschließt der Flügel 2b den rechten Ausgang des Wärmetauschers 1. Dadurch wird die Durchströmungsrichtung des Wärmetauschers 1 umgekehrt.
Die beschriebene Funktionsweise ist alternativ – bei aufwendigerem Aufbau – auch durch ein handelsübliches 4/2-Wegeventil realisierbar.
Derselbe Effekt wird in einer weiteren, einfacheren Ausführungsform auch ganz ohne Umsteuerventil 2 erreicht, wenn der achsensymmetrisch aufgebaute Wärmetauscher 1 im Rahmen z.B. einer turnusmäßigen Wartung ausgebaut und um 180° um die Hochachse verdreht eingebaut wird (siehe auch 1). Auch in diesem Fall kehrt sich die Durchströmungsrichtung relativ zum Wärmetauscher 1 um, und die verschmutzten Wärmetauscherflächen 1a reinigen sich im weiteren Betrieb selbst. In dieser Ausführungsform wäre nur ein Einströmstutzen 5 oder 6 erforderlich.

Claims

Kühlfalle für dampfbeladene Gase, mit einer Kühlstrecke (Wärmetauscher) mit Ein- und Auslaufzone für das zu reinigende Gas und mindestens einer Auffangvorrichtung für das aufzufangende Kondensat, dadurch gekennzeichnet, daß der zu reinigende Gasstrom die Kühlstrecke (1) wahlweise in wechselnder Richtung durchfließt.
Kühlfalle für dampfbeladene Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu reinigende Gasstrom die Kühlstrecke (1) in periodisch wechselnder Richtung durchfließt.
Kühlfalle für dampfbeladene Gase nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umsteuerventil (2) den Richtungswechsel des Gasstroms bewirkt.
Kühlfalle für dampfbeladene Gase nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsteuerventil (2) manuell betätigbar ist.
Kühlfalle für dampfbeladene Gase nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungswechsel des Gasstroms durch manuelles oder automatisches Umdrehen der achsensymmetrisch ausgeführten Kühlstrecke (1) vorgenommen wird.
Kühlfalle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) wenigstens eine Wärmetauscherfläche (1a) aufweist, die für ein niederzuschlagendes Kondensat vertikal angeordnet ist.
Kühlfalle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflussrichtung für das Gas und das niederzuschlagende Kondensat vertikal ausgerichtet ist.
Kühlfalle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) luftgekühlt ist.
Kühlfalle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (1) eine Trennvorrichtung (3) nachgeschaltet ist, die die flüssigen oder festen Bestandteile aus der Gasphase abscheidet.
Prozeßgasfilter mit einer Kühlfalle für Reflow-Lötanlagen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche.