DE2902391A1

DE2902391A1 - Verfahren zum abscheiden von bestimmten komponenten aus einem gasgemisch, verwendung dieses verfahrens und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2902391A1
Application number: DE19792902391
Authority: DE
Inventors: Werner Malburg; Martin Dipl Ing Mueller; Guenther Dr Ing Schmidt; Holm Schubert-Klempnauer; Albert Dipl Ing Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1979-01-23
Filing date: 1979-01-23
Publication date: 1980-07-24
Also published as: DE2902391C2

Description

Verfahren zum Abscheiden von bestimmten Komponenten aus einem
Gasgemisch, Verwendung dieses Verfahrens und Vorrichtung zur Ihlrchführung dieses Verfahrens Re schreibunz Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von bestiintnten Komponenten aus einem Gasgemisch, wobei das Gasgemisc'n gekühlt wird und bestimmte Komponenten in flüssiger oder fester Form abgeschieden werden.
Bisher erfolgte im allgemeinen die Abscheidung von bestimmten unerwünschten Bestandteilen aus einem Gasgemisch dadurch, daß die abzuscheidende Komponente auf naß-chemischem Wege, d.h.
chemische Umsetzung im flüssigen Zustand abgeschieden wurde.
Weiterhin war es bekannt, die abzuscheidenden Komponenten auf gekühlten Flächen, z.B. Wärmeaustauschern, abLaihlen zu lassen.
wodurch sie sich in flüssigem oder in festem Zustand abschieden.
Von diesen gekühlten Flächen mußte die Abscheidung dann d7' S-kontinuierlich durch Abschaben oder Abtauen entfernt werden.
Nachteilig sind hierbei insbesondere die mit zunehmender Schicht abnehmende Wirsamkeit der Abscheidung und die Unterbrechung zur Entfernung der abgeschiedenen Komponente, sowie die damit verbundenen Verluste an Kälteenergie. Im übrigen waren auch alle bekannten Verfahren apparativ recht aufwendig und daher kostspielig.
Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Abscheidungsverfahren und die dazu gehörige Vorrichtung zu schaffen, bei denen aufwendige Apparaturen und insbesondere Wärmeaustauschvorrichtungen vermieden werden und wobei direkt die abzuschei dende Komponente in fester Form abgeschieden wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Abseiden von bestimmten Komponenten aus einem Gasgemisch, wobei das Gasgemisch gekühlt wird und bestimmte Komponenten in flüssiger oder in fester Form abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch in einen Abscheidebehälter eingleitet wird, in diesem Behälter ein Kühlmittel wie ein flüssiges er kaltes Inertgas eingedüst wird, eine Komponente hierbei in fester Form abgeschieden und dann in einem Auffangbehälter zur flüssigen Form aufgeschmolzen wird.
Hierbei gefriert die höhergefrierende abzuscheidende Komponente zu schneeflockenartigen Gebilden und wird vom Gasgemisch in einem Zentrifugalfeld grob getrennt. Eine Feintrennung erfolgt durch eine rotierende Absaugöffnung. Der abgeschiedene Flocken schnee sinkt zum Boden des Abscheidegefäßes, wird durch dosierte Wärmezufuhr geschmolzen und kann dann wieder dem eigentlichen Verweudungsprozess zugeführt werden.
Insbesondere dient das Verfahren dazu, Komponenten aus einem Gasgemisch abzutrennen, in denen die Komponente in höherer Konzentration vorliegt. Beispiele, wo das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung besonders eingesetzt werden können, sind die Abtrennung von Schwefeldioxid aus einem Schwefeldioxid/iuft-Gemisch, wobei dieses Gemisch ann Sterilisation (Schwe felung) vcninder Getränkeindusirje eingesetzten Flaschen #ein oder Bier) verwendet wurde. Ein weiteres B#ispie1, wo das erfindurgsgemäße Verfahren und die Vorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden können, ist die Abscheidung von Äthylenoxid aus einem Äthylenoxid/Luft-Gemisch, wobei das Äthylenoxid zur Sterilisation von medizinischen Kunststoffgeräten verwendet wurde. Es wird darauf hingewiesen, daß Schwefeldioxid und insbesondere Äthylenoxid hochgiftige Substanzen sind, deren Abscheidung aus dem Gemisch daher mit hoher Effektivität notwendig ist. Das gleiche gilt auch für Kohlenmonoxid, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Kohlenmonoxid/#uft-Gemischen abgeschieden werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Abtrennung von organischen Gasen aus Luftgemischen eingesetzt werden, wie z.B. zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen aus Abgasen der Lackiererei, chemischen Reinigungen und Prozessen, in denen Lösungsmittel frei werden.
Als Kühlmittel wird vorzugsweise flüssiger Stickstoff eingesetzt, der in ausreichender Menge als Nebenprodukt bei der Abtrennung von Luft anfällt. Es sei noch bemerkt, daß unter flüssigem inertem Gas verflüssigtes inertes Gas verstanden werden soll, das unter Normalbedingungen gasförmig ist.
Zur Steigerung der Effektivität des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist es möglich, daß das von einer bestimmten Komponente zu befreiende Gasgemisch entlang der Innenseite der Außenwand des Abscheidebehälters eingeführt wird, wodurch der Aufwand für eine Behälterisolierung reduziert wird und wobei sich das eingeführte Gasgemisch bereits abkühlt.
Weiterhin ist es möglich, in den Innenraum des Abscheidebhälters ein Adsorptionsmittel einzuführen, wobei die Menge an erforderlichem flüssigen Inertgas wesentlich herabgesetzt wird. Als Adsorptionsmittel kommt insbesondere in Frage Aktivkohle, Graphit, Silikate wie Bentonit oder Montmorillonit, Ionenaustauscher etc.
Die Innenseite der Außenwand des Abscheidebehälters kann auch mit einem zusätzlichen Innenschild versehen sein, um so die Kälteverluste durch die Behälterwand zu reduzieren. Außerdem werden hierdurch Schneeablagerungen, die durch leichtes Anschmelzen der Flocken bedingt sind, vermieden.
Im allgemeinen sollte das vorhandene Gasgemisch eine größere Konzentration an abzutrennender Komponente, vorzugsweise etwa 1 #, enthalten.
Falls kein gekühltes Adsorptionsmittel in den Abscheidebehälter eingeführt wird, ist es bei der Abscheidung von SO, im allgemeinen notwendig, das Gasgemisch auf eine Temperatur von mindestens -75 Cc durch Einführung des Kühlmittels insbesondere von flüssigem Stickstoff, herunterzukühlen. Es wird normalerweise angestrebt, das eingeführte Luftgemisch auf eine Temperatur von -110 bis -1200C beim Normalverfahren, d.h. ohne Einführung von Adsorptionsmitteln und Einführung eines Wärmeaustauschers abzukühlen.
Wie bereits ausgeführt, ist das Verfahren insbesamt wesentlich effektiver und apparativ nicht so aufwendig wie die Verfahren nach dem Stand der Technik. Insbesondere hat man zur Abscheidung von unerwünschten Gasen, wie SO, aus Luft, die Gase über einem Gaswäscher abgeschieden und über Ozon nachoxidiert.
Demgegenüber kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die abzuscheidende Komponente zu 95 aus einem Gasgemisch abgetrennt und wiedergewonnen werden.
Die Erfindung in ihrer Ursprungsform soll nun anhand der folgenden Zeichnungen, wobei als Beisniel die Abtrennung von S02 aus einem SO2/Luft-Getnisch mittels flüssigem Stickstoff gewählt wurde, näher erläutert werden.
figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der gesamten Abscheideeinrichtung.
Die mit S02 vermischte Luftiritt oben bei (1) in das Gerät ein, passiert den Gleichrichter (4), um einen gleichmäßig absinkenden Luftstrom zu erzielen und wird dann mit fein zerstäubtem flüssigen Stickstoff vermischt, der über die Düsen (3) in den Behälter eingeführt wird. Die starke Temperatursenkung bewirkt, daß sich S02-Schneeflocken bilden und mit dem Luftstrom absinken. Dieser wird zunehmend durch den Rotor (6), der über einen Elektromotor (12) angetrieben wird, in Drehung versetzt, so daß die schwereren S02-Schneeflocken durch die Zentrifugalkraftzudffl isolierten Behälterwand (5) fliegen und dort als rotierender llantelstrom in den isolierten Auffangbehälter (10) gelangen. In der gezeigten Ausführungsform wind der S02-Schnee über einem Trichter aufgefangen, dessen Wände elektrisch mittels der von einer Isolierung (9) umgebenen Heizwicklungen (8) beheizt sind, um den Schnee in Flüssigkeit überzuführen.
Der Auffangbehälter(10) kann gegen einen leeren ausgetauscht werden, wenn die Trichterheizung vorübergehend abgeschaltet wird, bzw. die Flüssigkeit kann mittels Pumpe abgezogen werden.
Die im Abscheidebehälter befindliche rotierende Luft strömt zum zentralen Absaugrohr (7), das die Rotorwelle umgibt und wird dort durch den Rotor (6) in ihrer Rotation weiter verstärkt, bevor sie in die IDabe des Absaugrohres (7) einströmt und wird dann über das Sauggebläse (11) abgesaugt. So wird eine nochmalige Feinabscheidung von S02-Schnee erreicht.
Figur 2 zeigt eine verfeinerte Ausführungsform mit höherer Effektivität der Stickseoffälte.
Die mit S02 beladene Zuluft wird über den Einlaß (1) an der isolierten Behälteraußenwand (5) entlang über die Führung (13) geführt und kühlt sich dabei nur geringfügig ab. Dadurch wird der Wärmeeinfall durch die Behälterisolierung erheblich rereduziert bzw. die Isolierung weniger aufwendig.
An der Behälterinnenwand (14) wird durch diese Luftführung der S02-Schnee geschmolzen und diese "Kälte" an die Zuluft übertragen.
Die unter dem Behälterdeckel (15) durch radiale Öffnungen (16) einströmende Zuluft wird über eine Wärmeaustauscherschlange (17) (innen kalte Abluft) weiter abgekühlt, durchströmt den Gleichrichter (4) und wird mit flüssigem Stickstoff besprüht. Auf diese Weise wird weniger flüssiger Stickstoff benötigt.
SO2-Schnee bildet sich und wird - wie vorher beschrieben - an die Behälterinnenwand (14) geschleudert. Dort schmilzt er und rutscht als "Schneematsch" an der wärmeren Wand (14) herunter bis indenAuffangbeh##ter(1O). Durch Luftgeschwindigkeit und Luftführung im Mantelraum (13) kann dieser "Schneematsch-Prozess" optimal gesteuert werden.
Der Auffangbehälter (10) ist z.B. mit dem oberen Abscheidebehälter über eine Johnson-Kupplung (18), durch die die Auswechslung möglich ist, verbunden, wobei die Absperrung bzw.
die Öffnung des Auffanggefäßes durch die Handventile (19 u. 20) bewirkt werden kann.
Die kalte S02-Blüssigkeit kann so durch Behälterwechsel oder axr uber eine Bodenpumpe wieder in den Prozeß zurückgeführt werden, bei dem das S02, wie z.B. bei der Flaschenreinigung, zur Sterilisation benötigt wird.
Die Abluft wird wie vorangehend beschrieben, durch den Rotor (6) in weitere Rotation versetzt und über das zentrale Absaugrohr (7) mittels des Sauggebläses (11) entfernt. Die Abluft hat in diesem Ball ihre llKälte;? an die Zuluft abgegeben und verläßt die Anlage mit nur geringem "Erälteverlust".
##r 3 zeigt einen Abscheidebehälter mit zusätzlichem Innenschild (21).
Dieser reduziert einerseits die llKälteverlust'e? durch die Behälterwand (5), da im Spaltraum keine Turbulenz besteht. Andererseits nimmt dieser Innenschild (21) eine relativ tiefe Temperatur an und vermeidet so Schneeablagerungen, die durch leichtes Anschmelzen bedingt sind.
Aus dem Auffangbehälter (10) kann das gewonnene flüssige S02 mittels einer Pumpe zu dem gewünschten Verfahrensprozeß oder in ein Vorratsgefäß geführt werden.
Der Rotor (6) im Abscheidebehälter kann verschieden ausgestaltet sein.
So kann der Rotor auf langer fliegender Welle mit einfachen radialen Schaufeln ("Quirl") angebracht sein. Der Rotor kann auch mit nach oben verlängerten Schaufeln ausgestattet sein, um das Einsaugen von Luft durch den Spalt zu verhindern.
Außer diesen verlängerten Schaufeln kann der Rotor ein konisches Gehäuse besitzen. Diese konische Formgebung soll den Abfluß von Pestteilchen begünstigen, die innerhalb des Konus noch abgeschieden werden. Der Rotor kann neben den 1,Quirlschaufeln" über eine ausgeprägte Pumpenbeschaufelung verfügen.
Diese Pumpenstufen saugen die Rand strömung ab und bewirken eine intensive Nachabscheidung der in die Nabenmündung des zentralen Absaugrohres (7) eingeströmten Abluft.
Im folgenden soll ein spezielles Zahlenbeispiel gegeben werden, um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erläutern.
Rohgasmenge (S02 + Luft): 50 m3 davon SO#: 1,8 m³ zugeführte Menge Stickstoff (Ln2): ca. 30 kg rückgewonnene Menge SO#: ca. 95 Vo Temperatur im Abscheider: 165 K (-108°C) Falls erforderlich, können auch mehrere Abscheidevorrichtungen nach der Erfindung hintereinander geschaltet werden.

Claims

Patentansprüche 1.) Verfahren zum Abscheiden von bestimmten Komponenten aus einem Gasgemisch, wobei das Gasgemisch gekühlt wird und bestimmte Komponenten in flüssiger oder fester Form abgeschieden werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gasgemisch in einen Abscheidebehälter eingeleitet wird, in diesem Behälter ein Kühlmittel wie ein flüssiges oder kaltes Inertgas eingedüst wird, eine Komponente hierbei in fester Form abgeschieden und dann in einem Auffangbehälter zur flüssigen Form aufgeschmolzen wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abscheidebehälter das Gasgemisch oben eingeführt, durch einen Gleichrichter ein gleichmäßig absinkender Gasgemischstrom erzielt und dieser mit dem fein zerstäubten Kühlmittel, wie einem flüssigen oder kalten Inertgas vermischt wird, wobei die durch die starke Temperatursenkung gebildeten Flocken einer Komponente des Gasgemisches mit dem Gasstrom absinken, der durch die Zentrifugalkraft eines Rotors zunehmend in Drehung versetzt wird, so daß die schwereren Flocken zur Behälterwand fliegen und dort als rotierender Mantelstrom in den Auffangbehälter gelangen, während das in dem Abscheidebehälter befindliche Gas zu einem oberhalb des Rotors befindlichen zentralen Absaugrohr strömt, durch den Rotor in seiner Rotation verstärkt wird, wobei eine nochmalige Feintrennung von Flocken und Gas erfolgt, und durch das Absaugrohr nach oben abgeführt wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch unter geringerer Abkühlung an der Behälterwand entlanggeführt wird, wodurch der Wärmeeinfall durch die wärmeisolier te Behälterwand erheblich reduziert wird und bereits an der Behälterinnenwand die entstandenen Flocken der abgeschiedenen Gaskomponente geschmolzen werden, das abgekühlte Gasgemisch radial unter den Behälterdeckel in den Behälter eingeführt, über eine durch kalte Abluft durchströmte Wärineaustauscherschlange weiter abgekühlt, durch den Gleichrichter geführt und mit flüssigem Inertgas besprüht wird, wobei die gegen die Innenwand geschleudes ten Flocken als aufsohmelzender Schnee an der wärmeren Wand herunter in das Sammelgefäß rutschen.
4.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidebehälter mit einem Innenschild versehen ist, der die Kälteverluste durch die Behälterwand verringert und die Ablagerungen angeschmolzener Flocken verhindert.
5.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil der abgetrennten Komponente aus dem Auffanggefäß in flüssiger Form in den Abscheidebehälter zur Beschleunigung der Flockenbildung zurückgeführt und eingesprüht wird.
6.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reaktionsraum des Abscheidebehälters zur Herabsetzung der erforderlichen Menge an flüssigem Inertgas Adsorptionsmittel eingebracht werden.
7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Adsorptionsmittel Aktivkohle, Graphit, Molekularsiebe, Bentonit, Montmorillonit oder Ionenaustauscher eingesetzt werden.
8.) Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel flüssiger oder kalter Stickstoff eingesetzt wird.
9.) Verwendung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen zur Abscheidung von S02 aus SO2/Luft-Gemischen, wie sie bei der Sterilisation von Flaschen in der Getränkeindustrie anfallen oder zur Abscheidung von Äthylenoxid/Luft-Gemischen, wie sie bei der Sterilisation von medizinischen Geräten aus Kunststoffen anfallen.
10.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidebehälter aus einem Einlaß (1) für das die abzuscheidende Komponente enthaltende Gasgemisch, einer Einlaßleitung (2) für das Kühlmittel, Düsen ()) zum Einsprühen des flüssigen Inertgases, einem Gleichrichter (4) zur Erzielung eines gleichmäßig absinkenden Stromes des Gasgemisches, einer isolierten Außenwand (5), einem Rotor (6) zur Konzentration der Flocken an der Außenwand, einem zentralen Absaugrohr (7), in dem das von der abgetrennten Komponente befreite rotierende Gas durch ein Sauggebläse (11) nach außen abgeführt wird, einer Heizvorrichtung (8) mit Isolierung (9) zum Aufschmelzen des angesammelten Flockenschnees und einem Auffangbehälter (10) zur Aufnahme der geschmolzenen abgetrennten Komponente besteht.
11.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der isolierten Außenwand (5) des Abscheidebehälters eine Führung (Ringspalt) (13) ausgebildet ist, durch die das Gasgemisch entlang der Außenwand (5) eingeführt wird und daß eine Wärmeaustauscherschlange (17) vorgesehen ist, durch die innen kaltes Abgas strömt.
12.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierte Behälteraußenwand (5) mit einem zusätzlichen Innenschild (21) zur Vermeidung von Kälteverlusten und Vermeidung von Ablagerungen aus angeschmolzenen Flocken versehen ist.