DE4230485A1 - Anlage zur Reinigung mit verflüssigten oder überkritischen Gasen - Google Patents
Anlage zur Reinigung mit verflüssigten oder überkritischen GasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Reinigung von Gegenständen mit verflüssigten oder über
kritischen Gasen als Reinigungsfluide.
Aus der PCT-Anmeldung PCT/EP/92/00322 sind eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Reinigung von Werkstücken mit
organischen Rückständen wie Öle, Fette und dergleichen,
bekannt, wobei verflüssigte Gase wie Kohlendioxid als
Reinigungsfluid verwendet werden. Hierzu wird das
Reinigungsfluid in einen mit den Werkstücken beladenen
zylindrischen Druckbehälter geleitet und dort mittels eines
Laufrades umgewälzt. Nach Beendigung des Reinigungsvorganges
wird ein Teil des mit den organischen Rückständen beladenen
Fluids aus dem Druckbehälter zusammen mit frischem
Reinigungsfluid in einen weiteren Druckbehälter geleitet. Der
andere Teil des mit den organischen Rückständen beladenen
Fluids wird über eine Turbine entspannt, wodurch die
Verunreinigungen ausfallen. Aus dem entleerten Druckbehälter
werden nun die gereinigten Werkstücke entnommen, während
weitere Werkstücke in dem zweiten Druckbehälter gereinigt
werden können.
Diese in der PCT/EP/92/00322 vorgeschlagene
Reinigungsvorrichtung ist speziell auf die Reinigung von
Metallrohren angepaßt. Kleinere Maschinenbauteile oder
elektronische Bauelemente lassen sich nur schlecht reinigen.
Außerdem ist nur ein diskontinuierlicher Betrieb mit jeweils
vollständiger Belüftung eines der beiden Druckbehälter bei den
Beladungs- und Entnahmevorgängen möglich.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine
Reinigungsvorrichtung zu entwickeln, mit der auf
umweltfreundliche Art kleinere Werkstücke beliebiger Form
mittels verflüssigter oder überkritischer Gase als
Reinigungsfluid gereinigt werden können. Durch diese
Reinigungsvorrichtung soll außerdem ein dem kontinuierlichen
Betrieb nahekommender Verfahrensablauf ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in
einem druckfesten Behälter eine Trommel dreh- und/oder
schwenkbar angeordnet ist, daß die Trommel an eine Antriebs
einrichtung angeschlossen ist, und daß der Behälter mit einer
Versorgungsanlage für das Reinigungsfluid verbunden ist.
Form und Größe der Trommel können je nach Art und Anzahl der
zu reinigenden Gegenstände vorher einmal festgelegt werden.
Durch die Rotation der Trommel werden sowohl das Reinigungs
fluid in dem druckfesten Behälter als auch die in der Trommel
befindlichen Gegenstände in turbulente Bewegung versetzt,
wodurch die Reinigungswirkung erhöht wird. Es kommt zu einer
vollständigen allseitigen Benetzung der Gegenstände mit dem
Reinigungsfluid, das die Verunreinigungen von den Gegenständen
löst.
Um einen quasi-kontinuierlichen Reinigungsvorgang zu
ermöglichen, weist der druckfeste Behälter mindestens eine
druckfeste Schleuse zur Beschickung und Entnahme der
Gegenstände auf. Diese Schleusen machen eine vollständige
Belüftung des druckfesten Behälters zur Entnahme der
Gegenstände oder zum Beladen unnötig. Beispielsweise können
zwei Schleusen derart am druckfesten Behälter angeordnet sein,
daß eine Schleuse zum Beladen der Trommel eingesetzt werden
kann und eine zweite zur Entleerung dieser Trommel. Dazu kann
die offene Stirnseite der Trommel jeweils zu einer der beiden
Schleusen geschwenkt werden. Der Reinigungsvorgang wird dann
nur kurzzeitig bei der Beschickung und Entleerung unterbrochen.
Die Versorgungsanlage für verflüssigte Gase besteht in einer
günstigen Ausgestaltung im wesentlichen aus einem Vorrats
behälter sowie einem Vorlagebehälter für das Reinigungsfluid,
wobei der Vorratsbehälter und der Vorlagebehälter sowohl mit
dem druckfesten Behälter als auch untereinander über Leitungen
verbunden sind. Damit kann dann Gas aus dem Vorlagebehälter in
den druckfesten Behälter und in den Vorratsbehälter geleitet
werden, um diese vorzuspannen. Verflüssigtes Gas kann über
eine Pumpe vom Vorlagebehälter ebenfalls in den druckfesten
Behälter wie in den Vorratsbehälter gepumpt werden. Außerdem
kann eine Pumpleitung vom Vorratsbehälter zum druckfesten
Behälter vorgesehen sein. Schließlich kann mit den Verun
reinigungen beladenes Reinigungsfluid über eine Pumpe
umgekehrt in den Vorratsbehälter geleert werden.
Vorteilhaft ist, wenn der Vorratsbehälter und/oder der
Vorlagebehälter und/oder der druckfeste Behälter mit einem
Wärmereservoir und/oder einem Kältereservoir in Verbindung
stehen. Dadurch lassen sich die Temperaturen in den drei
Behältern regeln. Beispielsweise kann verflüssigtes Gas vom
Vorlagebehälter in den druckfesten Behälter geleitet werden
und dort mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem
Wärmereservoir auf eine überkritische Temperatur erwärmt
werden.
Zur Reinigung von Gegenständen unter Verwendung der erfindungs
gemäßen Vorrichtung werden die zu reinigenden Gegenstände in
die Trommel eingebracht, der druckfeste Behälter wird über die
Versorgungsanlage mit einem Reinigungsfluid gefüllt, in dem
druckfesten Behälter werden vorgewählte Druck- und Temperatur
werte eingestellt und anschließend wird die Trommel von der
Antriebseinrichtung in Bewegung gesetzt.
Als Reinigungsfluide sind zur Entfernung organischer
Rückstände beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie Methan,
Ethan, Propan, Ethen, Propen etc., sowie halogenierte
Kohlenwasserstoffe wie Trifluormethan, Kohlendioxid,
Distickstoffmonoxid und Schwefelhexafluorid geeignet. Unter
Normalbedingungen gasförmige Fluide werden zur Steigerung
ihres Lösungsvermögens bis zur flüssigen oder überkritischen
Phase verdichtet.
Kohlendioxid hat sich beim erfindungsgemäßen Verfahren als
besonders geeignetes Fluid erwiesen, da es folgende Vorteile
aufweist:
Kohlendioxid ist nicht brennbar oder explosiv, Kohlendioxid
steht in großen Mengen als Nebenprodukt industrieller
Verfahren kostengünstig zur Verfügung, Kohlendioxid ist im
Vergleich zu anderen Lösungsmitteln wenig umweltbelastend und
Kohlendioxid verhält sich chemisch inert. Außerdem kommen die
thermodynamischen Eigenschaften von Kohlendioxid dem
erfindungsgemäßen Verfahren entgegen.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Reinigungsverfahrens werden dem Reinigungsfluid ein chemisches
Lösungsmittel und/oder ein mechanisches Scheuermittel
zugegeben.
Chemische Lösungsmittel, wie HCl, Alkohole, wasserfreie
Seifen, Tenside etc., erhöhen das Lösungsvermögen des als
Reinigungsfluid eingesetzten verflüssigten oder überkritischen
Gases. Mechanische Scheuermittel wie Plastikgranulat,
Stahlschrot oder Schlackensand bewirken zusätzlich einen
mechanischen Abtrag der Oberflächenschichten der zu lösenden
Substanz.
Zusätzlich können auch Gase niedrigerer Dichte im Vergleich
zum Reinigungsfluid in den druckfesten Behälter eingeleitet
werden. Je nach Art des Gases (beispielsweise N2, Ne, CO2,
Ar oder HCl) wird durch die einströmenden Gasblasen eine
mechanische Wirkung entfaltet und zusätzlich eventuell eine
das Lösungsvermögen steigernde.
Die Trommel wird während des Reinigungsprozesses von der
Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung versetzt, wobei die
Drehzahl der Trommel auf einen Wert zwischen 1 und 200
Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise zwischen 10 und 30
Umdrehungen pro Minute, eingestellt wird. Im allgemeinen wird
die Umdrehungszahl der Stabilität und der Verschmutzung der zu
reinigenden Gegenstände angepaßt sein müssen.
Um einen nahezu kontinuierlichen Betrieb mit möglichst wenigen
Unterbrechungen und ohne Belüftung des druckfesten Behälters
zu ermöglichen, werden die zu reinigenden Gegenstände über
eine oder mehrere Schleusen in das Innere der Trommel
eingebracht und aus der Trommel entnommen. Die Trommel muß
dann mit ihrer offenen Stirnseite beispielsweise zur Öffnung
der Ein- und Ausgangsschleusen geschwenkt werden können.
Vorteilhaft wirkt sich aus, wenn in einem Vorlagebehälter ein
Vielfaches der zur Befüllung des druckfesten Behälters nötigen
Menge an Reinigungsfluid gefüllt werden kann.
Bei Verwendung von verflüssigten Gasen als Reinigungsfluide
können dann bereits im Vorlagebehälter die bei der Reinigung
benötigten Druck- und Temperaturwerte eingestellt werden.
Damit erhält man ein Reservoir an Reinigungsfluid mit den
geeigneten Druck- und Temperaturwerten, auf das schnell
zugegriffen werden kann. Kohlendioxid liegt beispielsweise in
diesem Vorlagebehälter entsprechend den Gleichgewichtswerten
in flüssiger und gasförmiger Phase vor. Die gasförmige Phase
eignet sich zum Vorspannen des druckfesten Behälters, in den
anschließend das verflüssigte Gas eingeleitet werden kann.
Nach Abschluß des Reinigungsvorganges wird in geeigneter
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die im
druckfesten Behälter befindliche Menge an Reinigungsfluid in
einen Vorratsbehälter geleitet. Dieser Vorratsbehälter weist
etwa das Ein- bis Zweifache des Volumens des druckfesten
Behälters auf. Das die Verunreinigungen in Lösungen
enthaltende Reinigungsfluid kann dann, falls noch nicht
gesättigt, zum Teil wieder zusammen mit Reinigungsfluid aus
dem Vorlagebehälter in den druckfesten Behälter geleitet
werden. Der andere Teil oder aber mit Verunreinigungen
vollständig gesättigtes Gas aus dem Vorratsbehälter wird
entsorgt. Diese Entsorgung kann beispielsweise durch
Entspannung des unter Druck stehenden Gases bewerkstelligt
werden, wodurch die Verunreinigungen ausfallen, und durch
anschließende Wiederrückgewinnung der gasförmigen Phase. Die
Entspannungsenergie kann außerdem zum Betreiben einer Turbine
oder ähnlichem verwendet werden.
Als geeignet erweist sich, wenn die Temperatur des
verflüssigten Gases in dem druckfesten Behälter und/oder dem
Vorlagebehälter und/oder dem Vorratsbehälter mittels
indirektem Wärmeaustausch mit Hilfe eines Wärmereservoirs
und/oder eines Kältereservoirs eingestellt wird.
Damit lassen sich z. B. im druckfesten Behälter die
Temperaturwerte einstellen, die bei verwendeter Gasart und
vor liegender Verunreinigung ein optimales Lösungsverhalten
sicherstellen. Es kann ein Temperaturintervall durchlaufen
oder eine bestimmte Temperatur konstant gehalten werden.
Geeignet sind Temperaturen in dem druckfesten Behälter
zwischen -20 und +60°C, vorzugsweise zwischen 15 und 30°C,
wenn flüssiges Kohlendioxid als Reinigungsfluid verwendet
wird. Beispielsweise läßt sich bei üblicherweise zwischen 50
und 60 bar verflüssigtes Kohlendioxid bei Raumtemperatur aus
dem Vorlagebehälter in den druckfesten Behälter zur Reinigung
leiten. Bei diesem Druck bleibt das Kohlendioxid bis zu
Temperaturen von etwa 30°C flüssig, darüberhinaus wird es
gasförmig.
Der druckfeste Behälter wird auf Druckwerte bis maximal 200
bar ausgelegt. Verwendet man bei Raumtemperatur verflüssigtes
Kohlendioxid als Reinigungsfluid, liegt der Arbeitsdruck bei
ca. 50 bar. Um mit überkritischem Kohlendioxid arbeiten zu
können, muß die Temperatur im druckfesten Behälter auf über
31°C und der Druck auf über 74 bar erhöht werden.
Anhand der Zeichnung soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel
die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung näher beschreiben.
Die Zeichnung stellt schematisch die wesentlichsten
Bestandteile einer erfindungsgemäßen Anlage zur Reinigung von
Gegenständen mit verflüssigten oder überkritischen Gasen dar.
Leitung 7 dient der Förderung gasförmigen Kohlendioxids aus
einem nicht dargestellten CO2-Tank. Durch Leitung 8 strömt
verflüssigtes Kohlendioxid, das mit Hilfe der Pumpe 4 aus dem
nicht dargestellten CO2-Tank gefördert wird. Durch Leitungen
mit Kugelhähnen sind ein druckfester Behälter 1, ein
Vorlagebehälter 6 sowie ein Vorratsbehälter 5 untereinander
verbunden. Die drei Behälter sind in der Zeichnung nicht
maßstabsgerecht dargestellt.
Der druckfeste Behälter 1 enthält in seinem unteren Teil, der
Vorlage 6 und Vorratsbehälter 5 enthalten an ihren rechten
Stirnseiten jeweils einen Wärmetauscher 9, die mit nicht
dargestellten Kälte- und Wärmereservoiren verbunden sind.
Mit der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage sollen
Aluminiumstanzteile, die mit Stanzöl verunreinigt sind,
gesäubert werden. Der Verschmutzungsgrad der Stanzteile
beträgt etwa 150 mg/m2. Die Aluminiumstanzteile werden in
die Trommel 2 des druckfesten Behälters 1 eingeführt. Das
Trommelvolumen beträgt etwa 0,5 m3. In einem Reinigungs
vorgang werden etwa 25 kg Aluminiumstanzteile gesäubert.
Schlackensand mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa
2 mm wird den Stanzteilen zugegeben, um das Entfernen der
Ölschichten durch mechanische Einwirkung zu beschleunigen.
Aus einem CO2-Tank, in dem bei Raumtemperatur und einem
Druck von ca. 65 bar gasförmiges und verflüssigtes
Kohlendioxid im Gleichgewicht vorliegen, wird nach Schließen
des druckfesten Behälters 1 gasförmiges Kohlendioxid über
Leitung 7 in den druckfesten Behälter 1, den Vorratsbehälter 5
und den Vorlagebehälter 6 geleitet, um diese vorzuspannen.
Anschließend wird flüssiges Kohlendioxid über Leitung 8
mittels der Pumpe 4 aus dem CO2-Tank in den Vorlagebehälter
6 gefüllt. Der Wärmetauscher 9 hält dort die Temperatur auf
etwa 20°C. Der Vorlagebehälter 6 besitzt etwa das 5-fache
Volumen des druckfesten Behälters 1.
Vom Vorlagebehälter 6 aus wird nun wieder über die Pumpe 4 und
bei entsprechend geschlossenen Kugelhähnen der druckfeste
Behälter 1 mit flüssigem Kohlendioxid gefüllt. Die eingefüllte
Menge beträgt etwa 250 l. Von der Antriebseinrichtung 3 wird
die Trommel 2 in Rotation versetzt, wobei eine Rotations
geschwindigkeit von 10 U/min eingestellt wird. Die Temperatur
im druckfesten Behälter läßt sich problemlos über den
Wärmetauscher 9 regeln. Durch Variation der Temperatur läßt
sich eine Variation des Lösungsvermögens erzielen.
Nach etwa 20 min hat sich der Hauptteil des anhaftenden Öls
von den Stanzteilen gelöst. Die Restverschmutzung beträgt nur
noch 20 mg/m2.
Der Inhalt an mit Öl beladenem Kohlendioxid aus dem
druckfesten Behälter 1 wird von diesem in den Vorratsbehälter
5 geleitet, der das 1,5-fache des Volumens des druckfesten
Behälters 1 aufweist.
Die gesäuberten Aluminiumstanzteile werden nun aus dem
Behälter 1 entnommen. Je nach Sättigungsgrad der Lösung
Öl/Reinigungsfluid kann für die nachfolgenden Reinigungen ein
Teil des Reinigungsfluids aus dem Vorratsbehälter 5 zusammen
mit reinem Reinigungsfluid aus dem Vorlagebehälter 6 in den
druckfesten Behälter 1 geleitet werden. Ist das Kohlendioxid
im Vorratsbehälter 5 mit Öl gesättigt, so kann dieses über
eine Turbine entspannt werden, wodurch die Druckenergie des
Fluids genutzt wird und gleichzeitig flüssige Verunreinigungen
(Öl) ausfallen. Das nunmehr gasförmige Kohlendioxid kann
gesammelt und für den Reinigungsvorgang wiederverwendet werden.
Das durch die erfindungsgemäße Anlage ermöglichte
Reinigungsverfahren stellt eine sparsame, gründliche und
umweltfreundliche Reinigungsmethode
dar.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Reinigung von Gegenständen mit
verflüssigten oder überkritischen Gasen als Reinigungs
fluide, dadurch gekennzeichnet, daß in einem druckfesten
Behälter (1) eine Trommel (2) dreh- und/oder schwenkbar
angeordnet ist, daß die Trommel (2) an eine Antriebs
einrichtung (3) angeschlossen ist, und daß der Behälter
(1) mit einer Versorgungsanlage für das Reinigungsfluid
verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der druckfeste Behälter (1) mindestens eine druckfeste
Schleuse zur Beschickung und Entnahme der Gegenstände
aufweist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Versorgungsanlage für das
Reinigungsfluid im wesentlichen aus einem Vorratsbehälter
(5) und einem Vorlagebehälter (6) für das Reinigungsfluid
besteht, wobei der Vorlagebehälter (6) und der Vorrats
behälter (5) sowohl mit dem druckfesten Behälter (1) als
auch untereinander über Leitungen verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (5) und/oder der
Vorlagebehälter (6) und/oder der druckfeste Behälter (1)
mit einem Wärmereservoir und/oder einem Kältereservoir in
Verbindung stehen.
5. Verfahren zum Reinigen von Gegenständen unter Verwendung
einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu reinigenden Gegenstände in die Trommel (2)
eingebracht werden, der druckfeste Behälter (1) über die
Versorgungsanlage mit einem Reinigungsfluid gefüllt wird,
in dem druckfesten Behälter (1) vorgewählte Druck- und
Temperaturwerte eingestellt werden und anschließend die
Trommel (2) von der Antriebseinrichtung (3) in Bewegung
gesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Reinigungsfluid chemische Lösungsmittel und/oder
mechanische Scheuermittel zugegeben werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Trommel (2) von der Antriebs
einrichtung (3) in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei
die Drehzahl der Trommel (2) auf einen Wert zwischen 1 und
200 U/min, vorzugsweise zwischen 10 und 30 U/min,
eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu reinigenden Gegenstände über
eine oder mehrere Schleusen in das Innere der Trommel (2)
eingebracht und aus der Trommel (2) entnommen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß in einen Vorlagebehälter (6) ein
Vielfaches der zur Befüllung des druckfesten Behälters (1)
nötigen Menge an Reinigungsfluid gefüllt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß nach Abschluß des Reinigungsvorganges
die im druckfesten Behälter (1) befindliche Menge an
Reinigungsfluid in einen Vorratsbehälter (5) geleitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reinigungsfluids in
dem druckfesten Behälter (1) und/oder dem Vorlagebehälter
(6) und/oder dem Vorratsbehälter (5) mittels indirektem
Wärmeaustausch mit Hilfe eines Wärmereservoirs und/oder
eines Kältereservoirs eingestellt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reinigungsfluids in
dem druckfesten Behälter (1) auf einen Wert zwischen -20
und +60°C, vorzugsweise zwischen 15 und 30°C, eingestellt
wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck des Reinigungsfluids in dem
druckfesten Behälter (1) auf einen Wert zwischen 1 und 200
bar, vorzugsweise zwischen 50 und 100 bar, eingestellt
wird.
Priority Applications (4)
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