DE4303670A1 - Verfahren zur Abscheidung von dampfförmigen Inhaltsstoffen aus Luft und technischen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung dampf­ förmiger Inhaltsstoffe aus Luft und technischen Gasen. Dampf­ förmige Bestandteile können sowohl organische Verbindungen (z. B. Benzin oder Lösungsmittel wie Aceton) als auch anorganische Substanzen (z. B. Wasserdampf) sein. Mit diesem Verfahren ist es auch möglich, Luft und technische Gase als getrockneten und für spezielle Anwendungen aufbereiteten Wertstoff zu gewinnen.

Es ist bekannt, daß die bisher verwendeten Verfahren zur Benzin­ abscheidung aus Luft die TA-Luft nur dann erfüllen, wenn sie zweistufig gestaltet sind Einstufige Anlagen der bisher einge­ führten Verfahren erfüllen diesen Anspruch nicht. Außerdem hat bisher keine zweistufige Anlage im Dauerbetrieb die TA-Luft eingehalten. Trotz der hohen Kosten und Investitionsaufwände zweistufiger Verfahren werden in vielen Fällen andere Umwelt­ probleme, wie z. B. Abwasserprobleme geschaffen (Rüttinger J.: Erdöl, Erdgas, Kohle Jahrgang 107 (1991), H. 11, S. 479).

Es sind bereits folgende allgemein geläufige Verfahren bekannt:

• - Kaltwäsche zwischen -30°C und -80°C mit nachgeschaltetem Gasmotor oder Aktivkohle-Adsorption oder Membrantechnik oder katalytischer Oxidation;
• - Druckkondensation mit einer Tieftemperatur- und einer Tiefst­ temperaturstufe durch Anwendung von flüssigem Stickstoff oder mit Membrantechnik oder katalytischer Oxidation.

Durch die Nachschaltung eines Gasmotors wird nicht nur der Rest­ gehalt an Benzin in der Luft vernichtet, sondern auch das vorher abgeschiedene Benzin für den Betrieb des Gasmotors verbraucht.

Die Inhaltsstoffe der Luft, die bevorzugt vollständig zurückge­ wonnen werden sollen, werden damit aufgezehrt und stehen als Wertstoff nicht mehr zur Verfügung.

In gleicher Weise wird durch eine katalytische Oxidation der in der Luft enthaltene Wertstoff energetisch umgesetzt und ist damit verloren.

Bei allen Anlagen mit Aktivkohle-Adsorption besteht das Problem der Desorption der Adsorber, wobei hier die bereits erwähnten unerwünschten Sekundärfolgen eintreten.

Anlagen für die Kondensation der dampfförmigen Inhaltsstoffe durch Anwendung von Kompressionskälte-Kaskaden mit mehreren Kältemitteln und mit dem Einsatz von Flüssigstickstoff für die Tiefsttemperaturkondensation sind energetisch und aus der Sicht der Betriebs- und Investitionskosten keine vertretbare Lösung. Durch Kondensation allein können leichtsiedende Komponenten wie C₁ und C₂ nicht aus Luft abgetrennt werden. Auch die Druck­ kondensation und die Membrantechnik erfüllen nicht oder bisher nicht die in sie gesetzten Hoffnungen bezüglich der Einhaltung der TA-Luft bei vertretbarem Kostenaufwand.

Für die Erzeugung tiefer Temperaturen in Luft (Kälteerzeugung) ist weiter das in DE 41 27 224 A1 veröffentlichte Verfahren bekannt. Durch Einsatz der gesamten erzeugten Kälte in umschalt­ baren Wärmeüberträgern kann dieses Verfahren auch zur Ab­ trennung von dampfförmigen Inhaltsstoffen aus Luft und technischen Gasen verwendet werden. Wegen des Ausfrierens von Wasser als Eis ist dann jedoch eine unerwünschte diskonti­ nuierliche Prozeßführung durch umschaltbare Wärmeaustauscher erforderlich und die Abscheidung schwer kondensierbarer Komponenten wie C₁ und C₂ nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einstufiges Verfahren zu ent­ wickeln, das eine Rückgewinnung aller Wertstoffe - organische Kondensate und aufbereitete, getrocknete Luft oder Gas - ermög­ licht, wobei die TA-Luft im Dauerbetrieb bei geringem Energie- und Investitionsaufwand erfüllt wird.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die komprimierte Luft bzw. das komprimierte technische Gas auf der Druckseite eines Verdichters mit Kühlwasser durch Direktkontakt oder durch indirekten Wärmetausch vorgekühlt wird und anschließend eine weitere Direktkühlung mit einem vorgekühlten, flüssig-um­ laufenden Teil der Inhaltsstoffe im Gegenstrom zur Luft oder zum technischen Gas unter 0°C gekühlt wird, und zwar vom abzu­ scheidenden Inhaltsstoff abhängig unterschiedlich weit unter 0°C, wobei sich die größte Menge der dampfförmigen Inhaltsstoffe einschließlich Wasser durch Direktkondensation und Absorption abscheidet und die verbleibende Gasphase mit sehr geringer Beladung an dampfförmigen Inhaltsstoffen in der Entspannungs­ stufe der Kälteanlage entspannt wird, so daß eine weitere Er­ niedrigung der Lufttemperatur um 40 bis 100 K erfolgt und in einem auf der Niederdruckseite angeordneten Kaltabscheider die entstehenden Restkondensate ausfallen, während die noch ver­ bleibende Gasphase den Kaltabscheider oben verläßt, in einem indirekten Wärmeaustauscher Wärme aufnimmt und dabei das im Kreislauf geführte Waschmittel abkühlt, das am Kopf der Kaltwäsche erneut aufgegeben wird. Die flüssig zurückgewonnenen Inhaltsstoffe der Luft bzw. des technischen Gases fallen teil­ weise mit der Vorkühlung, hauptsächlich aber am Sumpf der Kalt­ wäsche und zu einem weiteren Teil im Kaltabscheider nach der Entspannung in der Entspannungsmaschine an. Das in der Luft bzw. im technischen Gas enthaltene und ggf. zur Vorkühlung im Kreislauf geführte Wasser wird in einer Trenneinrichtung abge­ schieden und ausgekreist bzw. zur Vorkühlung wieder zurückge­ führt. Die Trenneinrichtung besteht bei wasserunlöslichen Kondensaten der Luft bzw. des technischen Gases in einer Zwei­ schichttrennung, bei wasserlöslichen Kondensaten in einer thermischen Trennstufe. Zur Sicherung der Abscheidung schwer kondensierbarer, besonders leichter Komponenten kann eine Abtrennung dieser leichten Komponenten vom Kreislaufwaschmittel (Kälteträger) erforderlich werden. Deshalb ist in diesen Fällen eine Stabilisation des im Kreislauf geführten Waschmittels notwendig.

Die Regelung des Prozesses im Hinblick auf extreme Leistungsschwankungen erfolgt einerseits mit den üblichen Regelungsmethoden der verwendeten Maschinen, wobei der Regel­ bereich bis auf 0% Leistung durch einen Anlagenbypass zwischen der eintretenden beladenen Luft (Gas) und der austretenden gereinigten Luft (Gas) erweitert werden kann. Die Verdichtung kann sowohl isotherm unter Verwendung eines Schraubenverdichters mit Wassereinspritzung als auch adiabat mit einem ungekühlten Verdichter erfolgen, wobei letzterer einen erhöhten Leistungs­ bedarf des Prozesses nach sich zieht und im Druckverhältnis stärker begrenzt ist.

Das Verfahren wird an Hand von drei schematischen Zeichnungen und an Hand typischer Parameter beschrieben und charakterisiert.

Fig. 1 zeigt das Verfahren mit einem isothermen Verdichter und Wassereinspritzung sowie mit Vorkühlung der Luft durch Direkt­ wärmeaustausch mit Wasser.

Fig. 2 zeigt das Verfahren mit adiabatem Verdichter sowie mit Vorkühlung der Luft durch Direktwärmeaustausch mit Wasser.

Fig. 3 zeigt das Verfahren mit adiabatem Verdichter und Vor­ kühlung der Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit Kühlwasser.

Luft oder ein technisches Gas 11, beladen mit kondensierbaren Inhaltsstoffen, wird im Verdichter 1 komprimiert, im Direkt­ kühler 2, der mit im Wärmeaustauscher 8 zurückgekühltem Kreislaufwasser arbeitet, oder im Oberflächenkühler 15 vor­ gekühlt und in einer Kaltwäsche 3 durch einen umlaufenden Strom von Kondensaten der Luft/Gasinhaltsstoffe durch Direktkühlung gekühlt. Dabei wird der größte Teil der Gasinhaltsstoffe durch Kondensation und Absorption abgeschieden. Die stark abgekühlte Gasphase wird am Kopf der Kaltwäsche 3 abgenommen und in einer Entspannungsmaschine 5 um weitere 40 bis 100 K abgekühlt. Dabei fallen im Kaltabscheider 6 weitere kondensierbare Anteile aus. Die von Kondensaten praktisch vollständig befreite Gasphase wird am Kaltabscheider 6 oben abgenommen, nimmt im Wärmeaustauscher 4 Wärme auf und verläßt die Anlage als gereinigte und kondi­ tionierte Luft bzw. als gereinigtes technisches Gas und damit als Wertstoff 12 die Anlage. Zur Regelung des Prozesses bis auf 0% Leistung wird ein Teil oder die gesamte Menge zur Saug­ leitung des Verdichters 1 über eine Drei-Wege-Armatur zurück­ geführt. Durch die kalte Gasphase wird das kursierende Wasch­ mittel der Kaltwäsche 3, das über die Waschmittelpumpe 7 im Kreislauf geführt wird, im Wärmeaustauscher 4 abgekühlt, so daß immer kaltes Waschmittel zur Kaltwäsche 3 zurückgeführt wird. Der mit der Luft bzw. dem Gas 11 eingebrachte Wasserdampf und der ggf. durch Direktkühlung umlaufende Wasserinhalt wird von den organischen, kondensierten Inhaltsstoffen in einer Trenn­ stufe 9 abgeschieden und ggf. Wasser zur Direktkühlung über eine Wasserpumpe 10 zum Direktkühler 2 zurückgeführt. In der Trenn­ stufe 9 fallen durch mechanische Zweischicht-Trennung oder durch thermische Trennung leichte organische Kondensate 13 und Über­ schußwasser 14 an.

Für Beladungen der Luft oder des technischen Gases mit hohen Anteilen sehr leichter Komponenten ist die Auskreisung dieser leichten Bestandteile erforderlich. In diesem Fall fördert die Waschmittelpumpe 7 das Kreislaufwaschmittel in einen Stabili­ sationsteil der Anlage, in dem leichte Komponenten abgetrennt und zurückgewonnen werden.

Die Parameter des Verfahrens sollen am Beispiel der Rückge­ winnung von organischen Dämpfen aus Luftströmen erläutert werden. Je nach verfügbarem Wasser ist die Temperatur

Die Parameter im Kälteteil des Verfahrens sind stark abhängig von der Siede- und Schmelztemperatur der Inhaltsstoffe:

Bezugszeichenliste

 1 Verdichter
 2 Direktkühler
 3 Kaltwäsche
 4 Wärmeaustauscher
 5 Entspannungsmaschine
 6 Kaltabscheider
 7 Waschmittelpumpe
 8 Wärmeaustauscher
 9 Trennstufe
10 Wasserpumpe
11 Luft/technisches Gas
12 Wertstoff
13 organisches Kondensat
14 Überschußwasser
15 Oberflächenkühler

Claims (2)

1. Verfahren zur Abscheidung von dampfförmigen Inhaltsstoffen aus Luft und technischen Gasen und deren getrennte Gewinnung und Aufbereitung als Wertstoff durch Kondensation und Absorp­ tion mit Kälteanwendung in einem einstufigen Verfahren, da­ durch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft bzw. das komprimierte technische Gas auf der Druckseite eines Ver­ dichters (1) mit Kühlwasser durch Direktkontakt in einem Direktkühler (2) oder durch indirekten Wärmetausch in einem Oberflächenkühler (15) vorgekühlt, anschließend in einer Kaltwäsche (3) durch einen vorgekühlten, flüssig-umlaufenden Teil der Inhaltsstoffe im Gegenstrom zur Gasphase unter 0°C gekühlt wird, und zwar vom abzuscheidenden Inhaltsstoff ab­ hängig unterschiedlich weit unter 0°C, wobei sich die größte Menge der dampfförmigen Inhaltsstoffe durch Direktkondensation und Absorption abscheidet und die verbleibende Gasphase mit sehr geringer Beladung an dampfförmigen Inhaltsstoffen in der Entspannungsmaschine (5) der Kälteanlage entspannt wird, die durch die Entspannung bedingte weitere Abkühlung zur Abschei­ dung weiterer kondensierbarer Inhaltsstoffe führt, die im Kaltabscheider (6) ausfallen, während die gasförmig verblei­ benden Anteile am oberen Ende des Kaltabscheiders (6) abgenommen werden und im Wärmeaustauscher (4) Wärme aus dem umlaufenden Waschmittel aufnehmen, das als Kälteträger und Absorbens in die Kaltwäsche (3) zurückgeführt wird, während die Gasphase auf Umgebungstemperatur vorgewärmt und von den Begleitstoffen befreit einer Nutzung zugeführt und die ent­ stehenden Kondensate in einer Trennstufe (9) mechanisch oder thermisch in Überschußwasser (14) und organische Konden­ sate (13) getrennt, wobei ggf. Kreislaufwasser zur Direkt­ kühlung über die Wasserpumpe (10) in den Prozeß zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem im Sumpf der Kaltwäsche (3) anfallenden flüssigen Produkt vor seiner Kreislaufführung als Waschmittel die leichten Komponenten thermisch abgetrennt und zurückgewonnen werden.