DE4437892A1

DE4437892A1 - Sepn. of organic vapour from air streams by permeation through a membrane

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Publication number: DE4437892A1
Application number: DE19944437892
Authority: DE
Original assignee: NUMRICH REINER DR
Current assignee: NUMRICH REINER DR
Priority date: 1994-10-22
Filing date: 1994-10-22
Publication date: 1996-04-25

Abstract

In a system for removing organic vapours from an air stream (A) by selective permeation through a membrane (m), the air is delivered to one side of the membrane by a compressor (V) and led away in cross-flow via a throttling device (D). A permeate stream is removed by a vacuum pump via a condenser (TK) and separator (KA), from which the organic component is removed as a condensate. The compressor and the vacuum pump are in the form of a jet ejector driven by the condensate as a propellant from a drive pump (P). The propellant stream is added to the air stream which enters via a throttle (ED). The outlet from the ejector is connected to the inlet to the separator, whose outlet is in turn connected to the inlet to the membrane chamber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtrennen organischer Dämpfe aus einem damit beladenen Abluftstrom durch selektive Permeation durch eine Membranstufe, der einerseits der Abluftstrom über einen Verdichter verdichtet zugeführt und querstrommäßig über eine Drossel als Reinluftstrom abgeführt wird und wobei ein durch die Membranstufe anderseits mit organischem Dampf angereicherter Teilstrom (Permeat) durch eine Vakuumpumpe abgesaugt wird, der andererseits ein Kondensator mit Abscheider nachgeschaltet ist, von dem der abgetrennte organische Dampf als Kondensat abgezogen wird, sowie ein Verfahren zum sicheren Betrieb der Vorrichtung. Eine derartige Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik 63 (1991) Nr. 8, S. 819-830 bekannt.The invention relates to a device for separating organic vapors from an exhaust air stream loaded with it by selective permeation a membrane stage, on the one hand, the exhaust air flow through a compressor compressed and supplied as a cross-flow via a throttle Clean air flow is discharged and being through the membrane stage on the other hand, partial stream enriched with organic steam (permeate) is sucked off by a vacuum pump, which on the other hand Capacitor with a separator is connected, from which the separated organic steam is withdrawn as condensate, and a process for safe operation of the device. Such a device and a such processes are from the journal Chemie-Ingenieur-Technik 63 (1991) No. 8, pp. 819-830.

Bei der Reinigung von Abluftströmen aus Prozessen in Industrie, Haushalt und Verkehr kommt neben der Reinhaltung der Luft auch der wirtschaftlichen Rückgewinnung der Schadstoffe immer größere Bedeutung zu. Dies gilt insbesondere für organische Lösungsmittel und leicht flüchtige Verbindungen. Zur Rückgewinnung dieser Stoffe stellt die selektive Gas- oder Dampfpermeation durch die Entwicklung neuer leistungsfähiger Membranen eine Alternative zu den klassischen Verfahren der Tieftemperaturkondensation, Absorption und Adsorption dar. Das Hauptanwendungsgebiet bisher ausgeführter Anlagen liegt im Bereich von Abluftströmen bis 1000 m³/h. Hierfür liegen Betriebserfahrungen speziell bei Benzin-Tanklagern vor.When cleaning exhaust air flows from processes in industry, household and traffic comes along with keeping the air clean economic recovery of pollutants is becoming increasingly important to. This is especially true for organic solvents and volatile ones Links. To recover these substances, the selective gas or steam permeation by developing new more powerful ones Membranes an alternative to the classic processes of Low temperature condensation, absorption and adsorption The main area of application for previously implemented systems is in the range of Exhaust air flows up to 1000 m³ / h. Operational experience is special for this at petrol tank farms.

Der mit organischem Dampf beladene Abluftstrom wird in eine Membranstufe mit einem Verdichter gefördert. Aufgrund des vorhandenen Überdrucks und des durch die Vakuumpumpe auf der Permeatseite erzeugten Unterdruckes kommt es zur Permeation, wobei die verwendete Membran eine hohe Permeabilität gegenüber organischen Dämpfen aufweist. Es ergibt sich eine so hohe Dampfkonzentration auf der Permeatseite, daß es möglich wird, den organischen Dampf in einem nachgeschalteten Kondensator auszukondensieren. Der Restgasstrom aus dem Kondensator wird als Teilstrom dem zu reinigenden Abluftstrom zugemischt und verdichtet. Der für die Trenngüte kennzeichnende Permeationskoeffizient hängt von der verwendeten Membran und dem abzutrennenden organischen Dampf ab und muß in der Regel experimentell bestimmt werden. Der wesentliche Prozeßparameter zur Beeinflussung des Trennvorgangs ist das Druckverhältnis zwischen der Retentat- und Permeatseite, welches bei ausgeführten Anlagen etwa zwischen 4 und 20 liegt, um eine effektive Trennung zu erreichen. Eine ausgeführte Anlage ist in der Zeitschrift Filtrieren und Separieren 6 (1992) Nr. 2, S. 67-75 dargestellt.The exhaust air stream loaded with organic steam is converted into a Membrane stage promoted with a compressor. Because of the existing Overpressure and by the vacuum pump on the permeate side generated negative pressure there is permeation, the used Membrane has a high permeability to organic vapors having. There is such a high vapor concentration on the Permeate side that it becomes possible to use the organic vapor in one to condense downstream capacitor. The residual gas flow from the condenser is the partial flow of the exhaust air flow to be cleaned admixed and compacted. The characteristic of the separation quality Permeation coefficient depends on the membrane used and the organic steam to be separated and must generally be experimental be determined. The main process parameter for influencing the Separation process is the pressure ratio between the retentate and Permeate side, which is approximately between 4 and 20 lies in order to achieve an effective separation. A running facility is in the magazine Filtrieren und Separieren 6 (1992) No. 2, pp. 67-75 shown.

Bei der Verdichtung des beladenen Abluftstroms sind zusätzlich sicherheitstechnische Aspekte zu berücksichtigen. Um einer möglichen Explosion im Verdichter vorzubeugen, muß die Konzentration der organischen Dämpfe in der Abluft immer oberhalb der oberen Zündgrenze liegen. Da dieser Wert mit zunehmenden Druck größer wird, muß der Abluftstrom zusätzlich mit organischem Dampf angefettet werden, um eine Explosionsgefahr auszuschließen. Hierdurch ergibt sich eine Begrenzung des maximal möglichen Verdichtungsdruckes und somit eine erhebliche Einschränkung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten. Um das oben angegebene Druckverhältnis zu erreichen, wird außerdem zusätzlich eine Vakuumpumpe eingesetzt. Weiterhin müssen alle Ströme hinsichtlich der Konzentrationen überwacht werden, um bei Unterschreiten der oberen Zündgrenze gegebenenfalls die Anlage stillzusetzen. Diese geschilderten Maßnahmen erfordern einen vergleichsweise hohen apparativen Aufwand. Die in einer Firmenschrift der Fa. Preussag Anlagenbau GmbH geschätzten Gesamtkosten pro 1000 l rückverflüssigtem Dampf liegen zwischen 150 bis 300 DM, wobei nur ca. 20 DM auf den reinen Energieverbrauch für Verdichter und Hilfsaggregate entfallen.When compressing the laden exhaust air flow are additional consider safety-related aspects. To a possible one To prevent an explosion in the compressor, the concentration of the organic vapors in the exhaust air always above the upper ignition limit lie. Since this value increases with increasing pressure, the Exhaust air flow can also be enriched with organic steam to create a Exclude the risk of explosion. This results in a limitation of maximum possible compression pressure and thus a considerable one Limitation of procedural possibilities. About that above to achieve the specified pressure ratio, an additional Vacuum pump used. Furthermore, all currents with regard to Concentrations are monitored to fall below the upper Ignition limit to shut down the system if necessary. These described Measures require a comparatively high expenditure on equipment. Those valued in a company font from Preussag Anlagenbau GmbH Total costs per 1000 l of reliquefied steam are between 150 to 300 DM, with only about 20 DM on the pure energy consumption for Compressors and auxiliary units are not required.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine sichere und zuverlässige Abscheidevorrichtung zu offenbaren, die keine Zündquellen innerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches und somit keine Beschränkungen hinsichtlich betriebstechnischer Bedingungen aufweist.It is an object of the invention to be safe and reliable Separator to disclose that no ignition sources within the potentially explosive area and therefore no restrictions with regard to operational conditions.

Die Lösung besteht darin, daß der Verdichter und die Vakuumpumpe ein Strahlverdichter sind, der mit dem Kondensat über eine Treibmittelpumpe betrieben wird und dem Abluftstrom über eine Eingangsdrossel zusammen mit dem Teilstrom zugeführt wird und der ausgangseitig an den Kondensatabscheider angeschlossen ist, dessen Abscheidestufe der Membranstufe eingangseitig zugeführt ist sowie in dem Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Erfindungsgemäß ist nur eine einzige Pumpvorrichtung und zwar außerhalb des explosionsgefährdeten Abluftstromes vorhanden.The solution is that the compressor and the vacuum pump are one Jet compressors are the one with the condensate via a propellant pump is operated and the exhaust air flow together via an input throttle is supplied with the partial flow and the output side to the Condensate separator is connected, the separation stage of which Membrane stage is supplied on the input side as well as in the process the characterizing part of claim 5. Advantageous embodiments are shown in specified in the subclaims. According to the invention there is only one Pumping device and that outside of the potentially explosive atmosphere Exhaust air flow available.

Mit einer Kreiselpumpe oder einer ähnlich arbeitenden Arbeitsmaschinen wird mit aus dem abzutrennenden Dampf bestehende Flüssigkeit oder mit Wasser der erforderliche Treibdruck im Strahlverdichter erzeugt. Der Permeatstrom und der über ein Reduzierventil angesaugte Abluftstrom werden auf Retentatdruck verdichtet. Aufgrund der Entspannung kühlt sich die Treibflüssigkeit ab, und der organische Dampf wird auskondensiert. Der verbleibende Gasstrom gelangt in die Membranstufe und wird dort abgereichert.With a centrifugal pump or a similar working machine with liquid consisting of the steam to be separated or with Water generates the required driving pressure in the jet compressor. Of the Permeate flow and the exhaust air flow sucked in via a reducing valve are compressed to retentate pressure. Cools due to relaxation the propellant liquid drains off and the organic vapor is condensed out. The remaining gas flow reaches the membrane stage and is there depleted.

Um den Entspannungseffekt im Strahlverdichter auszunutzen und eine Erwärmung der Flüssigkeit zu vermeiden, ist zwischen der Treibmittelpumpe und dem Strahlverdichter eine Zwischenkühlung bei Umgebungstemperatur vorgesehen, also mit geringem Aufwand.To take advantage of the relaxation effect in the jet compressor and one Avoid heating the liquid is between the Propellant pump and the jet compressor with intermediate cooling Ambient temperature provided, so with little effort.

Die Betriebscharakteristik der Strahlverdichter ermöglicht die Einstellung der gleichen Prozeßbedingungen wie bei vorbekannten Vorrichtungen. Der apparative Aufwand ist jedoch um vieles geringer als bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung.The operating characteristics of the jet compressor enable the setting the same process conditions as in previously known devices. Of the However, the outlay in terms of equipment is much less than in the beginning described device.

Ein zusätzlicher Vorteil ist die geringe Wartungsanfälligkeit von Strahlverdichtern aufgrund fehlender bewegter Teile. In sicherheitstechnischer Hinsicht bietet diese neue Lösung erhebliche Vorteile, da hierbei keine Überwachung und evtl. Abschaltungen beim Überschreiten von Explosions-Grenzwerten erforderlich ist. Bis auf die Treibmittelpumpe, die zu 100% mit Flüssigkeit gefüllt ist, befinden sich keine bewegten Teile und somit keine potentiellen Zündquellen in der Anlage.An additional advantage is the low maintenance requirement of Jet compressors due to missing moving parts. In from a safety point of view, this new solution offers considerable advantages, since there is no monitoring and possible shutdowns when exceeded of explosion limits is required. Except for the propellant pump, 100% filled with liquid, there are no moving parts and therefore no potential ignition sources in the system.

Anhand der Fig. 1 wird eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung beschrieben. Fig. 1 ist ein Verfahrensfließbild der Vorrichtung. Kernstück der Vorrichtung ist die Membranstufe (M), deren Membran passend, also absorbierend für den aus dem Abluftstrom (A) abzutrennenden Dampf gewählt ist. Der Membran wird einerseits im Querstrom das abzureichernde Luft-Dampfgemisch zugeführt und die abgereicherte Luft über eine Drossel (D) als Reinluftstrom (R) in die Umgebung abgeführt. Andererseits der Membran wird ein mit dem organischen Dampf angereicherter Teilstrom (T) durch Unterdruck abgesaugt.A preferred embodiment of the device is described with reference to FIG. 1. 1 is a process flow diagram of the device. The heart of the device is the membrane stage (M), the membrane of which is selected to be suitable, that is to say absorbent, for the steam to be separated from the exhaust air stream (A). On the one hand, the air-steam mixture to be depleted is fed to the membrane in a cross flow and the depleted air is discharged into the environment via a throttle (D) as a clean air flow (R). On the other hand, a partial stream (T) enriched with the organic vapor is sucked off by the vacuum.

In einer ersten Ausführung wird der Teilstrom (T) zusammen mit dem Abluftstrom (A), der über eine Eingangsdrossel (ED) auf den Unterdruck reduziert wird, eingangsseitig einem Strahlverdichter (V) zugeführt. Dieser wird mit aus dem organischen Dampf bestehenden Kondensat bzw. Treibmittel (K) über eine Treibmittelpumpe (P) gespeist. Das Treibmittel ist über einen Wärmetauscher (TK) etwa auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Am Ausgang des Strahlverdichters tritt im Diffusor durch die Entspannung des Treibmittels eine Temperaturabsenkung auf, die zur Kondensation des organischen Dampfes genutzt wird. Entstandenes Kondensat und das Treibmittel werden in einem Abscheider (KA) von der restlichen Abluft (AA) getrennt und druckseitig der Membranstufe (M) zugeführt. Der auskondensierte organische Dampf und die vorhandene Treibmittelmenge (K) wird in den Treibmittelkreislauf zur Treibmittelpumpe (P) rückgeführt. Über eine Niveauregelung (AV) wird der kondensierte überschüssige organische Dampf abgeleitet. In einer weiteren Ausführung wird die Vorrichtung in der Weise betrieben, daß der Druck in der Membranstufe (M) so weit erhöht wird, daß auf der Permeatseite kein Unterdruck mehr erforderlich ist und somit der zu reinigende Abluftstrom (A) und der Teilstrom (T) ohne zusätzliche Maßnahmen dem Strahlverdichter zugemischt werden können.In a first embodiment, the partial stream (T) together with the Exhaust air flow (A) via an input throttle (ED) to the negative pressure is reduced, fed to a jet compressor (V) on the input side. This is used with condensate or Propellant (K) fed via a propellant pump (P). The blowing agent is about to ambient temperature via a heat exchanger (TC) cooled down. At the outlet of the jet compressor passes through the diffuser Relaxation of the blowing agent to a temperature reduction, which is to Condensation of the organic steam is used. Created Condensate and the blowing agent are in a separator (KA) from the remaining exhaust air (AA) separated and on the pressure side of the membrane stage (M) fed. The condensed organic steam and the existing one The amount of blowing agent (K) becomes in the blowing agent circuit Propellant pump (P) returned. Via a level control (AV) the condensed excess organic vapor is discharged. In a another embodiment, the device is operated in such a way that the Pressure in the membrane stage (M) is increased so far that on the Permeate side no longer requires a vacuum and therefore too cleaning exhaust air flow (A) and the partial flow (T) without additional Measures can be added to the jet compressor.

Claims

1.Device for separating organic vapors from an exhaust air stream (A) loaded with them by selective permeation through a membrane stage (M), which compresses the exhaust air stream via a compressor (V) and cross-flows via a throttle (D) as a clean air stream (R) is discharged and where a partial flow (permeate) enriched with organic vapor on the other hand through the membrane stage (M) is sucked off by a vacuum pump, which on the other hand is followed by a condenser with a separator (KA) from which the separated organic steam is removed as condensate (K) is characterized in that the compressor (V) and the vacuum pump are a jet compressor which is operated with the condensate (K) via a propellant pump (P) and the exhaust air flow (A) via an input throttle (ED) together with the partial flow ( T) is supplied and the output side is connected to the condensate separator (KA), the separation stage (AA) of the membrane stage (M) is supplied on the downstream side.

2. Device according to claim 1, characterized in that the Propellant pump (P) is connected to a propellant cooler (TK).

3. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the propellant cooler with ambient air, for example Ambient temperature cooled, or with cooling water or with Tap water is operated.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the operating pressure in the membrane stage (M) is so high is that vacuum is no longer required and thus mixing about from the partial flow (T) and the exhaust air flow (A) to be cleaned Normal pressure takes place, which eliminates the input throttle (ED).

5. Process for separating organic vapors around them laden exhaust air flow (A) by selective permeation through a Membrane stage (M) through which the exhaust air flow is guided and on the other hand, a partial stream enriched with organic steam (T) is subtracted with the permeate, the cooled Condensate is withdrawn, characterized in that the partial flow (T) and the exhaust air stream (A) are passed through a jet compressor (V) which is operated with the organic vapor in the liquid state and the a condensate separator (KA) is arranged on the output side.

6. The method according to claim 5, characterized in that the liquid (K) is fed under pressure and cooled to the jet compressor.

7. The method according to claim 5 and 6, characterized in that the Pressure in the membrane stage is selected so high that the partial flow (T) is mixed into the exhaust air flow (A) at about normal pressure.