DE3824046A1 - Kontinuierliches verfahren zur reinigung loesungsmittelhaltiger abluft mit rueckgewinnung des loesungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden und Rückgewinnen von Lösungsmitteln aus der Abluft von Anlagen zur Metallentfettung, Reinigung von Leiterplatten, chemischen Kleiderreinigung, von Anlagen der Beschich­ tungsindustrie und von ähnlichen Anlagen, bei denen flüchtige Lösungsmittel in hohen Konzentrationen in der Abluft enthalten sind, durch Kühlung der lösungsmittelhaltigen Abluft und damit Kondensation des größten Teils des Lösungsmittels, einer anschließenden Adsorption des Lösungsmittels in einem Absorber zur Absenkung der Lösungsmittelkonzentration in der gereinigten Abluft auf die gewünschten Werte, einer Desorption des beladenen Adsorbers und einer anschließenden Abkühlung des lösungsmittelhaltigen Desorptions­ mittels zur Kondensation und damit Wiedergewinnung des desorbierten Lösungs­ mittels.

Zur Wiedergewinnung eines großen Anteils des Lösungsmittels durch Kondensa­ tion ist in der Regel auch bei hohen Konzentrationen des Lösungsmittels in der Abluft eine Abkühlung auf Raumtemperatur nicht ausreichend; es ist meist eine weitergehende Abkühlung unter Einsatz einer Kältemaschine erfor­ derlich. Zur Desorption wird ferner ein Wärmeträger bei höherer Temperatur benötigt. Da nicht nur das Lösungsmittel sondern auch der gesamte Abluft­ strom gekühlt und zur Desorption der gesamte Desorptionsmittelstrom er­ wärmt werden muß, ist dieses Verfahren mit hohen Energiekosten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Absenkung der Energiekosten bei der Reinigung lösungsmittelhaltiger Abluft mit Lösungsmittelrückgewinnung nach dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Verfahren.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Kälteleistung einer Wärmepumpe wird zur Abkühlung des Abluftstroms und zur Kondensation des Lösungsmittels verwendet, während die Heizleistung derselben Wärmepumpe zur Erwärmung des zur Desorption verwendeten Wärmeträgerstroms dient. Je kleiner die Differenz zwischen der Kondensations- und der Verdampfungstem­ peratur des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe ist, desto geringer ist der Energiebedarf und desto höher ist die Leistungsziffer der Wärmepumpe. Bei der Reinigung lösungsmittelhaltiger Abluft nach dem im Oberbegriff des An­ spruchs 1 beschriebenen Verfahren beträgt die Differenz zwischen der Tem­ peratur der zur Kondensation von Lösungsmittel abgekühlten Abluft typi­ scherweise ca. 80 bis 100 K. Bei entsprechend hohen Differenzen zwischen der Kondensations- und der Verdampfungstemperatur des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe können nur relativ niedrige Leistungsziffern von ca. 2 bis 2,5 erzielt werden, d. h. die Kälteleistung ist etwa gleich groß wie die Lei­ stungsaufnahme der Wärmepumpe und etwa halb so groß wie die Heizleistung der Wärmepumpe. Eine wesentliche Verbesserung wird bei Verwendung einer Kompressionswärmepumpe durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführte Merkmal der Ausnutzung der Überhitzung des Arbeitsstoffes im Wärmepumpen­ verdichter erreicht. Bei der Verdichtung des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe in einem ungekühlten Verdichter werden Temperaturen erreicht, die erheblich über der Kondensationstemperatur des Arbeitsstoffes im Wärmepumpenkonden­ sator liegen. Eine Erhöhung der Überhitzung kann nach Anspruch 2 ohne Ver­ schlechterung der Leistungsziffer der Wärmepumpe erreicht werden durch einen Wärmetauscher, in dem das Sauggas vor dem Eintritt in den Wärmepum­ penverdichter erhitzt und gleichzeitig der aus dem Wärmepumpenkondensator austretende flüssige Arbeitsstoff gekühlt wird. Eine Sauggasüberhitzung kann auch mit betrieblicher Abwärme durchgeführt werden; die Abkühlung des flüssigen Arbeitsstoffes ist aber wegen der damit verbundenen Erhöhung der Kälteleistung vorteilhaft. Die Heizleistung der Wärmepumpe setzt sich zusammen aus der Wärme, die bei der Abkühlung des Arbeitsstoffes auf die Kondensationstemperatur übertragen wird und der bei der Kondensationstem­ peratur übertragenen Kondensationswärme. Der Beitrag zur Heizleistung durch die Abkühlung des Arbeitsstoffes auf die Kondensationstemperatur ist be­ trächtlich: bei ungekühlten Hubkolbenverdichtern und bei Druckverhältnissen zwischen Kondensations- und Verdampfungsdruck im Bereich von 3 bis 10 liegt dieser Beitrag bei Verwendung der üblichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe als Arbeitsstoff bereits ohne Sauggasüberhitzung typischerweise im Bereich von 15 bis 35% der gesamten Heizleistung. Die bei der Abkühlung des Ar­ beitsstoffes der Wärmepumpe auf die Kondensationstemperatur übertragene Wärmeleistung reicht daher aus, um den zur Desorption verwendeten Wärme­ trägerstrom auf Temperaturen zu erwärmen, die erheblich über der Kondensa­ tionstemperatur des Arbeitsstoffes im Wärmepumpenkondensator liegen. Wegen der damit verbundenen Verringerung des erforderlichen Temperaturhubes von der Verdampfungstemperatur auf die Kondensationstemperatur führt das zu einer entsprechenden Verbesserung der Leistungsziffer der Wärmepumpe und damit zu einer weiteren wesentlichen Energieeinsparung. Besonders gering wird der benötigte Temperaturhub zwischen Kondensations- und Verdampfungs­ temperatur, wenn gemäß Anspruch 3 ein Arbeitsstoff mit einem hohen Isen­ tropenexponenten, wie Ammoniak, verwendet wird, da dann bei der Verdichtung eine besonders hohe Überhitzung erreicht werden kann.

Bei Verwendung einer Absorptionswärmepumpe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführte Merkmal der Ausnutzung der Abgaswärme des Aus­ treibers der zur Desorption verwendete Wärmeträgerstrom auf Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur im Wärmepumpenkondensator erwärmt.

Weiterbildungen und besondere Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sind in den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen 2 bis 18 dargelegt. Sie beziehen sich auf die Art des Lösungsmittels und des zur Desorption ver­ wendeten Wärmeträgermediums, auf die Art des zur Reinigung der Abluft ver­ wendeten Adsorptionsmittels und auf die Art der Verfahrensführung zur Reali­ sierung einer kontinuierlichen, energiesparenden Betriebsweise.

Durch die Begrenzung der Vorkühlung der lösungsmittelhaltigen Abluft nach Anspruch 12 auf Temperaturen oberhalb von 0 Grad Celsius wird eine Verei­ sung des Vorkühlers vermieden. Enthält die Abluft viel Feuchtigkeit, so kondensiert diese Feuchtigkeit zum großen Teil im Vorkühler aus, und die Vereisung des Wärmepumpenverdampfers wird verzögert.

Die Abtauung des Wärmepumpenverdampfers wird nach Anspruch 16 in einfacher Weise durch Abschalten der Wärmepumpe durchgeführt. Während der Abtauung wird die schadstoffhaltige Abluft durch das schmelzende Eis gekühlt; die Adsorption des Schadstoffes im Adsorber kann daher auch während des Abtau­ vorganges unbehindert weitergeführt werden.

Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, stark durch Lösungsmittel verunreinigte Abluft auf energiesparende Weise zu reinigen und den größten Teil des Lösungsmittels zurückzugewinnen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Abluft mit unbrennbaren Lösungsmitteln wie Perchlorethylen belastet ist, da in diesen Fällen eine thermische Nachverbrennung zur Abluftreinigung nicht möglich ist. Aber auch bei einer Belastung der Abluft mit brennbaren Lö­ sungsmitteln ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, wenn bei der Verbrennung andere Schadstoffe in zu hohen Konzentrationen entstehen, so daß durch eine thermische Nachverbrennung allein die Abluft nicht gereinigt werden kann. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer Verunreinigung der Abluft mit brennbaren Lösungsmitteln, die verbrannt wer­ den können, ohne daß dabei Schadstoffe in zu hohen Konzentrationen ent­ stehen, von Vorteil, wenn eine thermische Nachverbrennung mit sehr hohen Energiekosten verbunden ist, weil z.B. sehr hohe Temperaturen benötigt werden, während die Abluft bei niedrigen Temperaturen anfällt oder weil der Heizwert der lösungsmittelhaltigen Abluft sehr gering ist.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer in Fig. 1 dargestellten speziellen Variante näher erläutert. Die lösungsmittelhal­ tige Abluft wird über das Ventil 1 der Reinigungsanlage zugeführt. In einem Vorkühler 2 wird die Abluft abgekühlt. Dabei wird Wärme von der Abluft auf die den Adsorber 3 verlassende kalte gereinigte Abluft übertragen. Das sich dabei eventuell bildende Kondensat wird in einen Sammelbehälter 4 geleitet. Das Kondensat kann Wasser und Lösungsmittel enthalten. Sind beide Flüssig­ keiten nicht miteinander mischbar, wie es bei Perchlorethylen und Wasser der Fall ist, so können beide Flüssigkeiten wie in Fig. 1 dargestellt auf­ grund der Schwerkraft voneinander getrennt werden. Im Verdampfer 5 der Wär­ mepumpe wird die lösungsmittelhaltige Abluft weiter abgekühlt. Das sich da­ bei bildende Kondensat wird in den Sammelbehälter 4 geleitet. Wird über das Ventil 1 der Reinigungsanlage eine mit Perchlorethylen gesättigte Abluft von ca. 20 bis 30 Grad Celsius zugeführt und diese Abluft auf vorzugsweise ca. -20 Grad Celsius abgekühlt, so enthält die abgekühlte Abluft nach dem Wärmepumpenverdampfer nur noch ca. 10% des Eingangswertes an Perchlorethy­ len; ca. 90% sind bereits kondensiert. Die kalte Abluft wird über das Dreiwegeventil 6 in den Adsorber 3 geleitet. In diesem Adsorber wird das Lösungsmittel adsorbiert, so daß die den Adsorber verlassende gereinigte Abluft nur noch Lösungsmittelkonzentrationen unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte enthält. Als Adsorber kann wie in Fig. 1 dargestellt ein senk­ recht stehender Behälter von vorzugsweise zylindrischem Querschnitt dienen. Zur Adsorption von Perchlorethylen wird vorzugsweise Aktivkohle eingesetzt. Über das Dreiwegeventil 7 wird die den Adsorber 3 verlassende gereinigte kalte Abluft zum Vorkühler 2 geleitet, in dem es Wärme von der ungereinigten Abluft aufnimmt. Über ein Gebläse 8 und ein Auslaßventil 9 gelangt die ge­ reinigte Abluft ins Freie. Ist die Abluft nur mit unbrennbaren Lösungsmit­ teln belastet, so kann als Desorptionsmittel heiße Luft eingesetzt werden. Zur Erzeugung der heißen Luft kann entweder Frischluft oder wie in Fig. 1 dargestellt ein Teilstrom der gereinigten Abluft herangezogen werden. Im Wärmetauscher 10 wird die gereinigte Abluft vorgewärmt. Dabei wird dem heißen aus dem Desorber 11 kommenden Luftstrom Wärme entzogen.

Das sich eventuell im Wärmetauscher 10 bildende Kondensat wird in den Sam­ melbehälter 4 geleitet. Durch den Wärmepumpenkondensator 12 wird der zur Desorption dienende Luftstrom auf die benötigte Temperatur erwärmt. Für den Fall, daß Perchlorethylen von Aktivkohle desorbiert werden soll, wird der zur Desorption eingesetzte Luftstrom vorzugsweise auf ca. 80 Grad Cel­ sius erwärmt. Durch Führung des Luftstroms und des Arbeitsstoffes der Wärme­ pumpe im Gegenstrom durch den Kondensator 12 kann unter Ausnutzung der Über­ hitzung des den Wärmepumpenverdichter verlassenden Arbeitsstoffstroms der zur Desorption eingesetzte Luftstrom auf die erwähnten ca. 80 Grad Celsius aufgeheizt werden, während der Arbeitsstoff der Wärmepumpe bei erheblich niedrigeren Temperaturen von ca. 40 bis 50 Grad Celsius kondensiert. Die überschüssige Heizleistung der Wärmepumpe wird von einem zweiten mit Luft gekühlten Wärmepumpenkondensator 18 aufgenommen. Der auf ca. 80 Grad Celsius aufgeheizte Luftstrom wird über das Dreiwegeventil 15 in den Desorber 11 geleitet. Der Desorber 11 ist baugleich mit dem Adsorber 3. Der mit dem desorbierten Lösungsmittel beladene Luftstrom wird über das Drei­ wegeventil 16 in den Wärmetauscher 10 geleitet und gekühlt. Nach dem Wärme­ tauscher 10 wird der aus dem Desorber kommende Luftstrom bei 13 in die Leitung mit der lösungsmittelhaltigen Abluft eingespeist. Sobald im Adsor­ ber 3 nicht mehr genügend Lösungsmittel adsorbiert wird, wird die Bypass­ leitung 17 geöffnet. Der durch den Wärmepumpenkondensator 12 geleitete Luftstrom kühlt den Desorber, solange die Bypassleitung 17 geöffnet bleibt. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die zur Abkühlung des Desorbers auf die gewünschte Temperatur ausreicht, wird die Bypassleitung 17 wieder ge­ schlossen und die vier Dreiwegeventile 6, 7, 15 und 16 werden umgeschaltet. Dabei vertauschen Adsorber und Desorber ihre Funktion und die Durchströ­ mungsrichtung wird umgekehrt.

Enthält die zu reinigende Abluft ein brennbares Lösungsmittel, so wird zur Desorption über das Ventil 14 Wasserdampf in den Desorber 11 geleitet. Der den Desorber verlassende lösungsmittelhaltige Wasserdampf wird im Wärme­ tauscher 10 gekühlt und bei 13 der zu reinigenden Abluft zugemischt. Mit Wasserdampf kann die Desorption in kurzer Zeit durchgeführt werden. Nach Beendigung der Desorption wird das Ventil 14 geschlossen und der Desorber mit heißer Luft getrocknet wie bei der Betriebsweise zur Reinigung von mit unbrennbaren Lösungsmitteln belasteter Abluft.

Claims (18)

1. Verfahren zur Reinigung lösungsmittelhaltiger Abluft, bei dem in konti­ nuierlicher Betriebsweise die Abluft entweder direkt oder nach einer Vorreinigung einer Adsorbereinheit zur Adsorption des Lösungsmittels bzw. des Lösungsmittelgemisches zugeführt wird und bei dem das mit Lösungsmittel beladene Adsorptionsmittel zur Desorption von einem gas­ förmigen Wärmeträgermedium mit höherer Temperatur durchströmt wird und bei dem ein großer Teil des desorbierten Lösungsmittels durch Kondensa­ tion bei tieferer Temperatur wiedergewonnen wird dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung einer Wärmepumpe zur Kühlung der Abluft und des aus dem Desorber kommenden Wärmeträgerstroms und daß die Heizleistung derselben Wärmepumpe zur Erwärmung des zur Desorption verwendeten Wärme­ trägerstroms eingesetzt wird, wobei bei Verwendung einer Kompressions­ wärmepumpe durch Ausnutzung der Überhitzung des Arbeitsstoffes der Wärme­ pumpe im Wärmepumpenverdichter und bei Verwendung einer Absorptionswär­ mepumpe durch Ausnutzung der Abgaswärme des Austreibers der zur Desorption verwendete Wärmeträgerstrom auf Temperaturen oberhalb der Kondensations­ temperatur im Wärmepumpenkondensator erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauggasüberhitzung durch den aus dem Wärmepumpenkondensator austretenden flüssigen Arbeitsstoff durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsstoff für die Wärmepumpe ein Stoff mit einem hohen Isen­ tropenexponenten wie Ammoniak eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche mit Adsorptionsmittel gefüllte Einheiten eingesetzt werden, wobei in der ersten das Lösungsmittel adsorbiert und gleichzeitig in der zweiten das Lösungsmittel desorbiert wird und wobei nach Beladung der ersten Einheit eine Umschaltung durchgeführt wird, so daß diese erste Einheit desorbiert wird und gleichzeitig in der zweiten Einheit Lösungsmittel adsorbiert wird, bis nach erfolgter Beladung dieser zwei­ ten Einheit wieder in den ursprünglichen Zustand umgeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Aktivkohle als Adsorptionsmittel eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Molekularsiebe als Adsorptionsmittel eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Bleicherden oder Zeolithe als Adsorptionsmittel eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche für un­ brennbare Lösungsmittel und unbrennbare Lösungsmittelgemische dadurch gekennzeichnet, daß Luft als Wärmeträgermedium zur Desorption verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche für brennbare Lösungsmittel und brennbare Lösungsmittelgemische dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf als Wärmeträgermedium zur Desorption verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Desorption ein Teilstrom der gereinigten Abluft verwendet wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Adsorber kommende gereinigte kalte Abluft zur Vorkühlung der zu reinigenden lösungsmittelhaltigen Abluft verwendet wird, bevor diese durch den Wärmepumpenverdampfer weiter gekühlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende lösungsmittelhaltige Abluft durch die gereinigte Abluft auf eine Temperatur zwischen 0 Grad und 5 Grad Celsius vorgekühlt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in einem Wärmetauscher Wärme von dem warmen aus dem Desorber kommen­ den lösungsmittelhaltigen Wärmeträgerstrom auf den zur Desorption einge­ setzten Wärmeträgerstrom übertragen wird, dessen Temperatur anschließend durch die Wärmepumpe weiter angehoben wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kühlung der lösungsmittelhaltigen Abluft durch den Wärme­ pumpenverdampfer und gegebenenfalls durch einen Vorkühler der größte Teil des Lösungsmittels, vorzugsweise 90 Prozent oder mehr, als Konden­ sat abgeschieden wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Desorption bei einer um mindestens 80 K höheren Temperatur durch­ geführt wird als die Adsorption.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepumpenverdampfer durch Abschalten der Wärmepumpe abgetaut wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtauung des Wärmepumpenverdampfers eingeleitet wird, wenn der Verdampfungsdruck des Kältemittels im Wärmepumpenverdampfer länger als eine vorgegebene Zeit, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 10 Minu­ ten, kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und daß die Abtauung beendet wird, wenn die Temperatur der Abluft am Austritt des Wärmepumpenver­ dampfers einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 5 Grad Celsius, überschreitet.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß vor der Umschaltung des Desorbers auf Adsorptionsbetrieb der Arbeits­ stoff der Wärmepumpe über die Bypassleitung 17 am Wärmepumpenkondensator 12 vorbeigeführt wird, und daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer die Bypassleitung 17 geschlossen und der Desorber auf Adsorptionsbetrieb umgeschaltet wird.