DE19623894C2 - Verfahren und Einrichtung zur Aufbereitung eines Probengases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Probengases, bei welchem ein mit H₂O beladenes Probengas durch Kondensation vom H₂O Anteil befreit wird.

Bei einem Verfahren dieser Art wird das Gasgemisch bestehend, aus der/den Meßkomponente und Begleitkomponenten sowie einem H₂O-Anteil, bei einer Temperatur von etwa 150°C einem Prozeß entnommen. Die Leitungen, welche das Gasgemisch heranführen, sind darüber hinaus beheizt, um Adsorptionen auf den Wänden der Leitungen zum Kühler hin zu vermindern. Bekannte Kühlanordnungen, wie sie beispielsweise aus der DE 35 28 268 A1 bekannt sind, bestehen aus einem Glaskolben mit Ein- und Auslaß. Die Kühlung erfolgt im Gegenstromverfahren und durch herangeführtes Kühlmittel. Im Stand der Technik ist bekannt, dass ein durch Abkühlung des gesamten Gasgemisches gebildetes Kondensat auch einen sogenannten Auswascheffekt bewirkt. Mit Auswaschung ist gemeint, dass bei der Kondensatbildung der niedergeschlagene Wasseranteil auch die löslichen Gaskomponenten bindet. Angestrebt ist ein letztendlicher Taupunkt in der Größenordnung von 2 bis 5°C. Es ist ferner bekannt, dass Kondensat bereits relativ früh, d. h. auch vor Erreichen dieses genannten Taupunktes, anfällt. Im Stand der Technik, insbesondere in der DE 35 28 268 A1, ist angestrebt, nur eine geringe Kontaktstrecke oder Kontaktzeit des zu kühlenden Meßgases mit dem relativ früh ausfallenden Kondensat herbeizuführen, um damit eine Verringerung des Auswascheffektes zu erzielen.

Darüber hinaus ist bekannt, dass die Löslichkeit der Meßkomponenten in der kondensierten bzw. zu kondensierenden H₂O-Menge bei den niedrigen Temperaturen nahe 0°C maximal ist. Eine maximale Löslichkeit bewirkt somit auch eine im Effekt maximale Auswaschung. Im übrigen wird im Stand der Technik auch angestrebt, eine möglichst schnelle Abkühlung von der Prozeßentnahmetemperatur in Richtung Taupunkt zu erreichen. Betrachtet man jedoch in diesem Zusammenhang auch die Löslichkeit, so stehen diese Maßnahmen aufgrund dieses konkurrierenden Effektes in Kontradiktion.

Aus dem DE 93 02 840 U1 ist eine Rauchgasaufbereitung bekannt, wobei bei dem dort angewendeten Verfahren die Aufbereitung eines Probengases dadurch erfolgt, dass eine H₂O beladene Gasprobe durch Kondensation vom H₂O- Anteil befreit wird, wobei das Gasgemisch nahe dem sich bei einem ersten Taupunkt einstellenden Kondensatspiegel eingebracht wird, es oberhalb des Kondensatspiegels entlang einer Kühlstrecke auf einen zweiten Taupunkt gekühlt wird, das dort entstehende Kondensat zum Kondensatspiegel rückgeführt und die freiwerdende Gaskomponente dem Meßgasablaß zugeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem durch geeignete Maßnahmen der Auswascheffekt weiter deutlich minimiert wird.

Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass entgegen der bisherigen Meinung Gaseinlaß und Kondensat nicht mehr möglichst schnell voneinander getrennt werden, sondern dass im Bereich des Kondensatspiegels der Gaseinlass stattfindet und dort sogar eine innige Berührung mit dem Kondensat erreicht wird.

Dies hat die Wirkung, dass bei diesem ersten Taupunkt das dort ausfallende Kondensat in flüssiger Form eine mit hohem Gradienten wirkende Abkühlung des Meßgases erzielt. Dieser Taupunkt, welcher temperaturmäßig wesentlich höher liegt als der übliche Taupunkt von 2 bis 5°C, der sich im anderen Teil der Anordnung einstellt, liegt darin begründet, dass bei einer relativ hohen Temperatur bereits der volumenmäßig größte Anteil an H₂O kondensiert. Von diesem Flüssigkeitsspiegel aus steigt das übrige Gasgemisch weiter in den Kühlbereich auf, welcher entlang der durchgeführten Strecke auf 2 bis 5°C abkühlt. Hier findet bei diesem zweiten Taupunkt T2, wobei T2 wesentlich kleiner als T1 ist, wiederum bei den sich dort einstellenden gasdynamischen Parametern eine Kondensation statt. Wie oben bereits ausgeführt, ist die Löslichkeit der Meßgaßkomponente in H₂O bei dieser Temperatur jedoch maximal. Das heißt, derjenige kleinere H₂O-Anteil der nach der ersten bei T1 durchgeführten Kondensation noch verbleibt, bewirkt aufgrund seiner hohen Löslichkeit einen entsprechenden Auswascheffekt. Das Kondensat, welches bei diesem Taupunkt T2 entsteht, wird jedoch beispielsweise durch einfache vertikale Anordnung dem Kondensatspiegel bei der Temperatur T2 zugeführt. Bei der Temperatur T2 ist die Löslichkeit der Meßgaskomponente jedoch erheblich kleiner. Das heißt, wenn das 2 bis 5°C kalte Kondensat den Kondensatspiegel bei einer Temperatur von beispielsweise 75°C erreicht, bei der eine Verdampfung des H₂O noch nicht gegeben ist, gibt das sich dabei erwärmende Kondensat aufgrund der erheblich kleineren Löslichkeit bei dieser Temperatur die reine Meßgaskomponente wieder frei, die dann in der entsprechenden vertikalen Anordnung gemeinsam mit dem übrigen Gas zum Gasausgang aufsteigen kann. Insofern ist der übliche Taupunkt zwischen 2 und 5°C erhalten, wobei jedoch bedingt durch die hohe Löslichkeit der hohe Auswascheffekt dadurch geheilt wird, dass das abfließende Kondensat auf eine solche Temperatur hochgeheizt wird, auf der aufgrund einer erheblich geringeren Löslichkeit die Gaskomponente wieder freigegeben wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Die bildliche Darstellung enthält eine vertikale Anordnung eines Kühlsystems. Am unteren Ende befindet sich ein Gaseingang GE, der in den Hauptkühlkolben 10 einmündet. Zum weiteren Verständnis wird zusätzlich zu den technischen Angabe auch die Wärmebilanz der gesamten Anordnung angegeben.

Das am Eingang GE zugeführte Probengas, bestehend aus Meßkomponente und H₂O, in diesem Falle N₂ als Meßkomponente, wird mit einem Wärmeinhalt von 31 kj/Stunde zugeführt. Die gasdynamischen Parameter im Zuführungsbereich liegen bei 50 l/Stunde und 15 ml H₂O/Stunde. Hieraus errechnet sich der erste Taupunkt T1 in Höhe von 75°C. Der Eingang des Meßgases in die Kühleranordnung bzw. in den Kühlerinnenraum erfolgt derart, dass das zugeführte Gasgemisch nahe dem sich erwartungsgemäß mit der Zeit einstellenden Kondensatspiegel KS zugeführt wird. Ist dieser Kondensatspiegel vorhanden, und zwar in Höhe der Eintrittsöffnung GE, dann arbeitet der Kühler optimal. Hierbei ist gegenüber dem Stand der Technik ein inniger Kontakt mit dem Kondensat nicht vermieden, sondern sogar gewünscht. In diesem Sinne kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Gasgemisch auch unterhalb, aber immer noch nahe dem Kondensatspiegel KS, in das Kondensat hinein eingeperlt wird. Dies führt zu einem innigen Kontakt und einem entsprechend kurzzeitigen Abkühlen auf den gewünschten Taupunkt aufgrund der stark unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten von Kondensat und Gasgemisch in Verbindung mit der dort hergestellten innigen Berührung beider Medien. Das Kondensat wird nach unten abgezogen, derart, dass der Kondensatspiegel KS dauerhaft nahe der Eintrittsöffnung GE, des Gasgemisches liegt. Mit dem Kondensat wird natürlich auch dem System Wärme entzogen, in diesem Falle 11 kj/Stunde. Im Bereich des Kondensates ist des weiteren eine Heizung 1 mit etwa den Leistungsdaten 15 Watt mit etwa einer erreichbaren maximalen Temperatur von 90°C angeordnet. Über diese Heizung wird bei den bisher dargestellten Prozeßparametern eine Leistung von 54 kj/Stunde zugeführt, um den Prozeß aufrechtzuerhalten. Vertikal erstreckt sich nun die weitergehende Kühlstrecke in Form eines Gaskolbens 2, der von einem weiteren Kolben ummantelt ist. Dort ist ein Zwischenraum gebildet, wobei die Kühlleitungsführung durch den Gaskolben hindurchgeführt ist. Der Eintritt des Kühlmediums erfolgt in den Außenmantel und der Austritt erfolgt durch ein entsprechendes Rohr durch den Innenraum, durch welches das Gasgemisch geführt wird. Die entlang dieser Strecke zu entnehmende Wärmemenge entspricht bei den bisherigen Daten etwa 74 kj/Stunde, das entspricht einer Permanentleistung von 20 Watt. Dies gilt bei der Annahme, dass das oben austretende Meßgas nur noch einen gegenüber den übrigen Daten vernachlässigbaren Wärmeinhalt hat.

Im unteren Teil des sich als Flüssigkeitsspiegel einstellenden Kondentatspiegels herrscht wie gesagt die Temperatur T1 vor, wobei dieser Taupunkt T1 bei den dargestellten Parametern etwa 75°C entspricht. Bei dieser Temperatur wird aus dem Gasgemisch bereits der größte Anteil an H₂O auskondensiert. Wesentlich ist hierbei anzumerken, dass zwar dieser Taupunkt relativ hoch liegt, jedoch hierbei zu berücksichtigen ist, dass bei dieser Temperatur die Löslichkeit der Meßgaskomponente in H₂O minimal ist. Das heißt, dass sich bei dieser relativ hohen Temperatur die Meßgaskomponente sehr leicht vom H₂O trennt.

Wichtig ist hierbei zu erwähnen, dass es sich bei der Trennung zwischen Meßgaskomponente und H₂O nicht nur um die Überwindung einer physikalischen Affinität handelt, sondern durchaus auch eine chemische Affinität überwunden werden muß. Mit anderen Worten heißt dies, dass die Meßgaskomponente nicht nur mit H₂O befrachtet sein kann, sondern durchaus in derselben, zumindest zu einem Teil, gelöst sein kann. Dies betrifft beispielsweise die Reaktion von Schwefeldioxid, SO₂, als Meßgaskomponente. Wichtig ist hierbei auch zu bemerken, dass die eigentliche Meßgasprobe, d. h. das Probengas, die Meßgaskomponenten sowie die genannte Feuchte als H₂O enthält. Ist eine der Meßgaskomponenten SO₂, so geht dies zumindest zu einem Teil mit H₂O auch in chemische Lösung, nämlich unter Bildung von schwefliger Säure H₂SO₃. Bei dieser Reaktion entsteht Reaktionswärme, die in die gesamte Wärmebilanz des Kühlers als abzuführende Wärme mit eingeht. Durch die vorgesehene Rückführung des Kondensates auf den oben beschriebenen Kondensatspiegel, kommt es in der beschrieben Weise wieder dazu, dass dem Kondensat und somit auch dem unter Bildung von schwefliger Säure in Lösung gegangenen SO₂-Anteil wieder Wärmeenergie zugeführt wird. Die chemische Reaktion ist dann reversibel, so dass aus dem H₂SO₄ unter Zuführung von Wärme wieder SO₂ freigesetzt wird. Wichtig ist hierbei auch noch zu erwähnen, dass zwischen den beiden Temperaturen bzw. Taupunkten T1 und T2 ein stetiger Temperaturgradient entlang der Kühlstrecke existiert. Die beiden Tau- oder besser gesagt Kondensationszonen sind nicht unstetig voneinander isoliert, sondern hinsichtlich der Temperatur über einen stetigen Temperaturgradienten verbunden.

Das so nach oben weiter aufsteigende Gasgemisch, welches nun bereits wesentlich ärmer an H₂O ist, kondensiert im oberen Bereich beim Taupunkt T2, welcher wesentlich kleiner als T1 ist, nämlich in der Größenordnung von 2 bis 5°C. Wichtig ist hierbei auch anzumerken, dass zwar in diesem Bereich des Kühlers die H₂O-Fracht wesentlich kleiner ist, jedoch aufgrund der maximalen Löslichkeit der Meßgaskomponente in H₂O bei dieser niedrigen Temperatur jedoch einen hohen Auswascheffekt bewirkt. Aus diesem Grund wird bewirkt, dass das sich dort bildende Kondensat nach unten in Richtung des auf der Temperatur T1 befindlichen Kondensatspiegels absinkt. Bei Erreichen des Kondensatspiegels nimmt das zuvor 2 bis 5°C kalte Kondensat wieder die Temperatur T1, nämlich im Bereich von 75°C an. Wie oben bereits ausgeführt, ist die Löslichkeit auf diesem Temperaturniveau wieder minimal, so dass durch Aufheizung des 2 bis 5°C kalten Kondensates wiederum auf den Taupunkt T1, etwa 75°C, die mitgerissene bzw. ausgewaschene Meßgaskomponente freigegeben wird, weil bei dieser Temperatur die Löslichkeit der Meßgaskomponente in H₂O minimal ist. Die freigegebene Meßgaskomponente steigt im Kühler wieder auf, erreicht den Gasausgang und wird dem Analysesystem zugeführt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Aufbereitung eines Probengases, bei welchem ein mit H₂O beladenes Gasgemisch durch Kondensation vom H₂O-Anteil befreit wird, indem das Gasgemisch nahe dem sich bei einem Taupunkt T1 einstellenden Kondensatspiegel eingebracht wird, wobei der Kondensatspiegel (KS) zu einer Gaseintrittsöffnung (GE) so festgelegt ist, dass sich der Kondensatspiegel (KS) im Betriebsfalle in diese Öffnung (GE) hinein erstreckt, das Gasgemisch oberhalb des Kondensatspiegels entlang einer Kühlstrecke auf einen zweiten Taupunkt T2, wobei T2 wesentlich kleiner als T1 ist, zwischen 2 bis 5°C gekühlt wird und das dort entstehende Kondensat zum Kondensatspiegel der Temperatur T1 rückgeführt und die frei werdende Gaskomponente einem Meßgasauslass zugeführt wird.

2. Verfahren zur Aufbereitung eines Probengases nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des sich beim ersten Taupunkt T1 einstellenden Kondensatspiegels Heizleistung zugeführt wird.

3. Verfahren zur Aufbereitung eines Probengases nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Kondensates temperaturabhängig geregelt erfolgt.

4. Verfahren zur Aufbereitung eines Probengases nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des sich beim zweiten Taupunkt T2 einstellenden Kondensates zum Kondensatspiegel bei der Temperatur T1 dadurch erfolgt, dass das Kondensat unter Wirkung der Gravitationskraft in Richtung des Kondensatspiegels abläuft.