DE19749963A1

DE19749963A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Gasen

Info

Publication number: DE19749963A1
Application number: DE19749963A
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Stach; Hans-Juergen Dr Bachert; Hartmut Welke
Original assignee: PNEUMATIK BERLIN GmbH
Current assignee: PNEUMATIK BERLIN GmbH
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Gasen. Anwendungsgebiete sind die in der Human- und Veterinärmedizin verwendeten Narkosegase sowie die Rückgewinnung von Gasen aus Abluft. Die Vorrichtung ermöglicht die Zwischenspeicherung der Gase in geeigneten Zeolithen und die vollständige Rückgewinnung der Gase aus den während der Anwendung entstehenden Gasgemischen durch thermisch induzierte Austreibung aus diesen Zeolithen.

Bekannt sind Vorrichtungen, mit deren Hilfe Gasgemische durch ihr Einleiten in definierte chemische Stoffe derart aufgespalten werden, daß die gewünschte Abtrennung durch zumeist chemische Reaktion erfolgt. In dieser Weise entstehen neue Verbindungen, die entweder in der vorliegenden Form entsorgt oder langzeitgelagert werden, in den meisten Fällen jedoch nur sehr schwer zurückzugewinnen sind. Beispiele für absorptive Gasreiniger, die auf dem Prinzip des Durchströmens einer geeigneten chemisch aktiven Flüssigkeit beruhen, sind sogenannte Scrubber, wie sie in der Halbleiterindustrie für hochtoxische Prozeßgase Verwendung finden oder auch verschiedene Trockenbettabsorber, deren aktive Komponenten für die verschiedensten abzutrennenden Gase optimiert werden können. Alle diese Anlagen weisen den gemeinsamen Nachteil auf, daß sie nicht für eine wirtschaftliche Rückgewinnung der in ihnen sorbierten Gase ausgelegt sind.

Es ist ebenfalls allgemein bekannt, daß neben der genannten Absorption in geeigneten Flüssigkeiten und Feststoffen, mikroporöse Festkörper wie Zeolithe, Aktivkohle u. a. bestimmte Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbieren können. Ähnliche Prozesse laufen auch bei physikalischen Zustandsänderungen (z. B. Eis-Wasser-Dampf) ab.

Der Stand der Technik weist eine Vielzahl von Veröffentlichungen zur Sorption der verschiedensten Gase in Flüssigkeiten, festen Absorbern aber auch Zeolithen und anderen mikroporösen Festkörpern auf. Gasmaskenfilter absorbieren und adsorbieren Schadstoffe bis zum Erreichen einer Sättigungsgrenze ebenfalls vollständig, jenseits der, relativ leicht kontrollierbar, die Stoffe praktisch unbeeinflußt durchgelassen werden. Dies bedeutet, daß sich stets ein Grenzwert für die adsorbierten Gase - z. B. Narkosegase - einstellt, bei dem sich die Sorbentien und die Sorptive im Gleichgewicht befinden. Dieser Punkt ist im wesentlichen von Druck und Temperatur der Komponenten abhängig.

Die technischen, physikalischen und chemischen Voraussetzungen für eine möglichst hohe Sorptionskapazität, verbunden mit einer optimalen Regenerierbarkeit der Sorptionsanlagen sind in den Patentschriften DE 37 31 688, DE 36 28 858 und DD 239947 beschrieben.

In den Schriften DE 195 49 271, DE 40 03 668 und DE 37 13 346 wird über die Entfernung von halogenierten Kohlenwasserstoffen mittels Zeolithen berichtet. Zeolithe eignen sich ebenfalls zum Entfernen von Stoffen aus wäßrigen Lösungen (DE 44 06 766 und DE 195 31 933). In der letzten Zeit finden vor allem aluminiumarme und dealuminierte Zeolithe als Adsorptionsmittel Verwendung, wie der Patentschrift DE 195 32 500 zu entnehmen ist. Die Sorption von halogenierten Kohlenwasserstoffen an dealuminierten Zeolithen wird in der DE 42 33 577 beschrieben.

Die bekannten kommerziell genutzten Anordnungen weisen die Gemeinsamkeit auf, daß entweder die beim Sorptionsprozeß abgeschiedenen Stoffe dort gebunden bleiben und mit den Sorbentien gemeinsam, beispielsweise in geeigneten Verbrennungsanlagen, entsorgt oder auch auf chemischem Wege in relativ unschädliche Produkte umgewandelt und anschließend deponiert werden. So sind u. a. bestimmte Gasmasken mit zumeist aus modifizierter Aktivkohle bestehenden Sorbentien gefüllt.

Über die Rückgewinnung von Narkosegas mit absorbierendem Material wird im US-Patent 3,592,191 berichtet. Dabei wird der Wasserdampf mittels eines hygroskopischen Materials gebunden.

Im Patent EP 0 284227 sind eine Apparatur und ein Verfahren beschrieben, bei der Silikalite bis zu 15 Gew.-% von bestimmten Narkosegasen mit relativ kleinen Moleküldurchmessern aufnehmen können. Bei dem dort vorgestellten Verfahren wird auch eine Rückgewinnung derart vorgeschlagen, daß ein erhitztes Trägergas den gefüllten Adsorber durchströmt, einen größeren Teil des adsorbierten Gases zur Desorption bringt und bei nachfolgender Abkühlung auf tiefe Temperaturen, die aus verdampfendem flüssigen Stickstoff gewonnen werden, in einem geeigneten Behälter wieder kondensieren und somit einer Wiederverwendung zugeführt werden können. Der Rückgewinnungsgrad liegt bei diesem Verfahren deutlich unter 50%; eine Aussage über die Qualität der rückgewonnenen Gase wird nicht gegeben. Sevofluran wird nach diesem Verfahren nicht abgetrennt. Da die in diesem Patent verwendeten Silikalite jedoch einen relativ hohen Anteil an Aluminium aufweisen, das für seine katalytische Aktivität bei den in Frage stehenden Narkosegasen, die sämtlich halogenierte Kohlenwasserstoffe darstellen, bekannt ist, erscheint eine direkte Wiederverwendung wegen der zu erwartenden katalytischen Folgeprodukte nicht möglich. Die notwendigerweise hohen Temperaturen zur Desorption mittels heißen Trägergases verstärken diesen Effekt noch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sorption vornehmlich gasförmiger Stoffe, beispielsweise Narkosegase, zur Verfügung zu stellen, die es gestatten, die nahezu vollständige Rückgewinnung dieser Stoffe beispielsweise aus der vom Patienten ausgeatmeten ruft zwecks Kostenersparnis oder zur Entlastung der Umwelt bei möglichst geringem Energieaufwand und minimaler Beeinflussung der Zusammensetzung der Narkosegase zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung gelöst, indem unter Ausnutzung von in geeigneter Weise angepaßten Desorptionsprozessen einzelne Komponenten der Gemische oberhalb einer stoffspezifischen Temperatur in adsorbierenden Zeolithen gebunden werden, während andere Komponenten diese passieren, wobei man das sorbierte Gas mittels Erwärmen der sorbierenden Stoffe desorbiert, in einem anschließenden Kondensator verflüssigt und einer Wiederverwendung zuführt.

Als Adsorptionsmittel werden Si-reiche Zeolithe, die ein Si/Al-Verhältnis größer 180 und einen Porendurchmesser um 0,7 nm haben, hydrophoben und organophilen Charakter besitzen, ein geringes oder kein elektrostatisches Feld in den Poren und Hohlräumen aufweisen und einen einheitlichen Porendurchmesser besitzen, der durch die Synthese- bzw. Modifizierungsbedingungen dem Moleküldurchmesser der zu sorbierenden Gase angepaßt werden kann und in seinen Abmessungen etwa dem Gasmoleküldurchmesser entspricht bzw. größer als dieser ist, eingesetzt.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Lösung eine katalytische Reaktion mit dem Narkosegas nahezu ausschließt und seine Wiederverwendung bzw. Neukonfektionierung ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung haben folgende Vorteile:

- keine oder nur geringe oder durch einfache Spülvorgänge zu beseitigende Adsorption von Luft, Lachgas, Kohlendioxid, Wasserdampf,
- großes Aufnahmevermögen für die bekannten Narkosegase, insbesondere Halothan, Isofluran, Sevofluran, Desfluran und Enfluran,
- möglichst geringe katalytische Reaktion mit fluorierten Kohlenwasserstoffen, um eine entweder direkte Wiederverwendbarkeit oder eine kostengünstige Aufarbeitung und Neukonfektionierung zu erreichen,
- energetisch günstiger Betrieb durch Verzicht auf Transportgase, deren Masse ein Vielfaches der rückzugewinnenden Gase beträgt,
- Verwendung eines Kühlsystems, das keine anderen Anschlüsse als elektrische benötigt.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die vollständige Rückgewinnung der entsprechenden Gase.

Die Vorrichtung zur Sorption und Rückgewinnung besteht aus einem Adsorber 1 mit integrierten Heizelementen 2, in dem das zu entsorgende Gasgemisch durch geeignete gastechnische Verbindung mit dem vorhandenen Abluftsystem gesammelt wird. Über die Verbindungsleitung 3 und das Ventil 4 wird im Falle der Rückgewinnung der durch die Heizer 2 erwärmte, im Adsorber befindliche Zeolith mit Hilfe der Chemievakuumpumpe 9 bei geringem Druck desorbiert. Eventuelle geringe höhersiedende Komponenten des Gases, zumeist Wasser, werden im Vorabscheider 10 aufgefangen.

Der erforderliche Druck, der durch die Leistungsfähigkeit der Pumpe 9, die Temperatur der Heizelemente 2, die Masse des Zeoliths im Adsorber 1 und seine Beschaffenheit sowie den aktuellen Grad seiner Beladung mit einem gegebenen Narkosegas bestimmt ist, wird durch den Drucksensor 11 erfaßt und durch geeignete Stellung der Ventile 5 und 6 in Verbindung mit einer elektronischen Regelung so geführt, daß eine optimale Kondensation im Kondensator 13, dem das desorbierte Gas über das Ventil 7 zugeführt wird, möglich ist. Die erforderliche Temperatur des Kondensators 13 wird von einem Kühlaggregat 12 mit luftgekühlten Peltierelementen bereitgestellt und auf die je nach Narkosegas optimale Temperatur zwischen -5 und +10°C geregelt. Die Rückschlagventile 15 und 16 gestatten die vollständige Abtrennung der Apparatur und der Druckregelung von der umgebenden Atmosphäre, so daß eine nahezu 100%ige Kondensation der desorbierten Gase möglich wird. Durch geeignete Stellung der Ventile 4 bis 8 ist es darüber hinaus möglich, etwaige Kondensatrückstände oder auch geringe Mengen Wasser, die aus vorhergehenden Prozessen stammen, mit Hilfe der Vakuumpumpe 9 zu verdampfen und somit das Gesamtsystem zu reinigen. Der Kondensatauffangbehälter 14 sammelt das rückgewonnene Narkosegas und kann zur Vermeidung von Verwechslungen der vom Hersteller des Narkosegases verwendete Behälter sein. Temperaturmeßvorrichtungen, Gasmengenregulierung und Steuerelektronik für Ventile, Temperaturen und Druck sind nicht dargestellt.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise zur Abtrennung und Wiedergewinnung von Narkosegasen aus Abluftsystemen in der medizinischen Anästhesie vorgesehen.

Zu diesem Zweck können Adsorber 1 auch wechselseitig zur Sorption (Abscheidung) des Narkosegases oder mit Hilfe eines geeigneten Temperatur/Zeitzyklus zur Desorption bei Temperaturen bis maximal 150°C benutzt werden, wobei auf an sich bekannte Weise das adsorbierte Gas wieder ausgetrieben und bei geöffneten Ventilen 4 und 7 im Kondensator 13 kondensiert und im Kondensatbehälter 14 gelagert wird.

Nach Unterbrechung der externen Energiezufuhr ist die Vorrichtung bei dann geschlossenen Ventilen auf einen neuen Prozeßdurchlauf vorbereitet und kann bis auf Umgebungstemperatur abkühlen, wonach der Adsorber abgetrennt und wieder zur Sorption von Narkosegas verwendet sowie bei Bedarf nunmehr ein zweiter Adsorber desorbiert werden kann.

Die zur genannten Zwischenspeicherung verwendeten, mit Zeolith gefüllten Adsorber sind dabei nicht notwendig in die eigentliche Rückgewinnungsapparatur integriert, sondern frei beweglich einsetzbar, so daß eine Apparatur bei entsprechender Dimensionierung auch mit mehreren Adsorbern zusammenwirken kann.

Die beschriebene Vorrichtung kann stationär oder auch mobil, neben der Narkosegasrückgewinnung auch zur Wiedergewinnung von anderen entweder umweltschädigenden und/oder teuren Gasen verwendet werden.

Die Funktionsweise der Vorrichtung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Zum Zwecke der Nutzung in Verbindung mit einem Anästhesiegerät wird eine stationäre Vorrichtung beschrieben. Unter der Annahme, daß während eines Operationszyklus von maximal 8 h ein Narkosegasgemisch, beispielsweise aus Lachgas und Sauerstoff (2/1, Vol./Vol.) mit einem Durchsatz von 1,5 l/min, worin 6 Vol.-% Desfluran enthalten sind, eingesetzt wird, ist bei dem verwendeten speziellen Zeolith, z. B. dealuminierte Faujasite, eine Masse von etwa 3 kg erforderlich, um die genannte Desfluranmenge von etwa 0,33 kg bei Zimmertemperatur im Adsorber 1 zu binden. Da diese Masse etwa der in einer üblichen in der Anästhesie zur Anwendung kommenden Desfluranflasche enthaltenen Menge entspricht und je nach angewendetem Anästhesieverfahren eine mehr oder weniger große Menge vom Patienten mittelfristig aufgenommen wird, kann der Adsorber etwa die Kapazität einer Desfluranflasche aufnehmen und wird nach dieser Annahme an die Leitung 3 der Vorrichtung zur Einleitung des Rückgewinnungsprozesses angeschlossen. Da alle Komponenten der Vorrichtung vakuumdicht ausgeführt sind, wird nach einseitigem Verschließen des Adsorbers der folgende Prozeß ablaufen (Fig. 1):
Zunächst werden etwaige Rückstände des vorherigen Prozesses durch Anschalten der Pumpe 9 und Öffnen der Ventile 6 und 8 aus dem Kondensator 13, dem Kondensatauffangbehälter 14 und den Leitungen verdampft und über das Rückschlagventil 16 aus der Anlage entfernt. Nachdem das Kühlaggregat 12 den Kondensator 13 auf die erforderliche Kondensationstemperatur abgekühlt hat, werden die Ventile 6 und 8 geschlossen und die Ventile 4 und 7 geöffnet. Dadurch entsteht ein mit dem Drucksensor 11 auswertbares Vakuum im Adsorber 1, das dazu führt, daß die Desorption einsetzt und eine entsprechende Masse im Behälter 14 aufgefangen werden kann. Da die Geschwindigkeit der Kondensation auch vom Massentransport durch die Pumpe 9 und damit vom Narkosegaspartialdruck im Adsorber 1 abhängt, wird dieser Druck im weiteren Verlauf des Rückgewinnungsprozesses durch allmähliche Temperaturerhöhung des Zeoliths mit Hilfe der Heizer 2 solange konstant gehalten, bis die maximale Temperatur erreicht ist und der Partialdruck über dem Zeolith mit fortschreitender Desorption abnimmt. Das Ende des Prozesses ist erreicht, wenn trotz hoher Temperatur der Druck im Adsorber 1 über längere Zeit bei etwa 10 mbar auch ohne die mit Hilfe des Drucksensors 11 geregelte Pumpe 9 verharrt. Die im Adsorber 1 verbleibende Restmasse Narkosegas liegt unter diesen Bedingungen bei unter 1 g, also etwa 0,1 Gew.-%.

Durchschnittlich werden mehr als 95% des vom Patienten emittierten Narkosegases adsorbiert und zu ebenfalls 95% zurückgewonnen. Je nachdem, ob der Anästhesist höhere oder niedrigere Narkosegaskonzentrationen anwendet, ist allerdings der Anteil des während einer Narkose vom Patienten emittierten und damit adsorbierbaren Narkosegases unterschiedlich. In jedem hier untersuchten Fall lag jedoch die Rückgewinnungsrate, gemessen am Gesamteinsatz des Narkosegase, bei über 60% und damit doppelt so hoch wie bei Silikalit. Gaschromatographische Untersuchungen zur Reinheit der rückgewonnenen Gase ergaben Reinheiten zwischen 98,0 und 99,7%. Die Resultate zeigten, daß eher noch nicht optimierte Gasführungselemente als Hauptkomponenten für die geringen Restverunreinigungen verantwortlich sind.

Bei Einsatz von Isofluran ergibt sich wegen der dort typischerweise angewendeten geringeren Konzentration bei gleicher Adsorptionskapazität eine etwa 6-fach höhere Einsatzdauer der Adsorber bis zur Desorption.

Bezugszeichenliste

1

Adsorber

2

Heizer

3

Gasleitung

4

Ventil

5

Ventil

6

Ventil

7

Ventil

8

Ventil

9

Chemievakuumpumpe

10

Vorabscheider

11

Drücksensor

12

Peltier-Kühlaggregat

13

Kondensator

14

Kondensatauffangbehälter

15

Rückschlagventil

16

Rückschlagventil

Claims

1. Verfahren zur Entfernung und Rückgewinnung von Gasen unterschiedlichen Dampfdrucks aus Gasgemischen, bei dem einzelne Komponenten der Gemische oberhalb einer stoffspezifischen Temperatur in adsorbierenden Zeolithen gebunden werden, während andere Komponenten diese passieren, wobei man das sorbierte Gas mittels Erwärmen der sorbierenden Stoffe desorbiert, in einem anschließenden Kondensator verflüssigt und einer Wiederverwendung zuführt, dadurch gekennzeichnet daß die Zeolithe Si-reiche Zeolithe sind, die ein Si/Al-Verhältnis größer 180 und einen Porendurchmessern um 0,7 nm besitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeolithe hydrophoben und organophilen Charakter besitzen, ein geringes oder kein elektrostatisches Feld in den Poren und Hohlräumen aufweisen und einen einheitlichen Porendurchmesser besitzen, der durch die Synthese- bzw. Modifizierungsbedingungen dem Moleküldurchmesser der zu sorbierenden Gase angepaßt werden kann und in seinen Abmessungen etwa dem Gasmoleküldurchmesser entspricht oder größer als dieser ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Adsorber (1) zur Sammlung des emittierten Gases besteht, der über eine Leitung (3) und Ventile (4) und (7) mit einer Chemievakuumpumpe (9) verbunden ist, die ihrerseits das durch Unterdruck und Erwärmung mittels der Heizer (2) desorbierende Gas in den von einem Kühlaggregat (12) geeignet temperierten Kondensator (13) leitet, wodurch sich das Gas verflüssigt und im Kondensatauffangbehälter (14) gesammelt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorabscheider (10) mit Material aus hydrophilem Zeolith gefüllt ist, dessen Porendurchmesser kleiner ist als der in Frage kommenden rückzugewinnenden Gase und das Zeolith entweder außerhalb oder innerhalb der Apparatur thermisch unterstützt desorbiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des durch einen Drucksensor (11) gesteuerten Ventils (5) und der geeigneten Anordnung der Rückschlagventile (15) und (16) nicht kondensiertes Gas wieder zum Kondensator zurückgeführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kühlaggregat (12) um einen Peltierkühler handelt.

7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6 in der Anästhesie.