-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfangen, Rückgewinnen
von Dämpfen,
insbesondere in Abgasen enthaltenen organischen Dämpfen.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
-
In
zahlreichen industriellen Verfahren werden organische Verbindungen
benutzt oder erzeugt, die im Laufe des Verfahrens Gasform annehmen
können.
Es kann sich zum Beispiel um Lösungsmittel
in der chemischen, pharmazeutischen oder elektronischen Industrie
oder in Farben usw. handeln, oder um Kühl- oder Heizfluid zum Beispiel
bei den Verfahren zur Herstellung von elektronischen Bauteilen oder
in den thermischen Kreisläufen,
usw.
-
Diese
organischen Verbindungen – im
Allgemeinen flüchtig
bis sehr flüchtig – müssen generell
in geschlossene Kreisläufe
eingeschlossen sein. Jedoch sind bei den industriellen Verfahren,
die im "Batch"-Betrieb arbeiten,
das heißt
mit unterbrochenen Umwandlungsoperationen, die Kreisläufe, welche
die Fluids enthalten, offen oder teilweise offen.
-
Das
Emittieren organischer Dämpfe
in die Umgebung ist also üblich.
-
Diese
Emissionen mit Dämpfen
von flüchtigen
organischen Verbindungen müssen
jedoch so kanalisiert und behandelt werden, dass die Restdampf-Ausstoß sehr gering
ist. Zwei starke Gründen
verpflichten die Industrieunternehmen nämlich, diesen Ausstoß in die
Atmosphäre
zu reduzieren:
- – wirtschaftliche Gründe, denn
die organischen Produkte sind sehr teuer und ihre Rückgewinnung
ist ein Gebot der Rentabilität;
- – Reglementierungen,
gebildet durch neue Vorschriften mit dem Bestreben, alle industriellen
Sektoren zu erfassen, wobei die Verwendung von Lösungsmitteln und ihre Emission
in die Atmosphäre
sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene gesetzlich geregelt
ist.
-
Insbesondere
kommt ab 2004 eine europäische
Direktive bezüglich
der Vorbeugung und Reduzierung von Umweltverschmutzungen zu Anwendung,
während
ab 2005 eine weitere europäische
Direktive bezüglich der
durch Lösungsmittel
verursachten Emissionen von flüchtigen
organischen Verbindungen noch direkter die Verfahren betrifft, in
denen Lösungsmittel
benutzt werden.
-
Außerdem sind
in Frankreich die Unternehmen abgabepflichtig, deren Emissionen
von flüchtigen
organischen Verbindungen, Kohlenwasserstoffen, usw. 150 t/Jahr überschreiten,
egal ob es sich um einen kanalisierten oder diffusen Ausstoß handelt.
-
Schließlich betreffen
die Reglementierungen bezüglich
der flüchtigen
organischen Verbindungen auch die bei diesen Substanzen einzuhaltenden
Maximalschwellenwerte, insbesondere in den Werkstätten, sowie die
Sicherheit, wenn die Fluide explosiv oder feuergefährlich sind.
-
Die
Verfahren zur Behandlung von Abgasen hinsichtlich des Rückgewinnens,
Einfangens oder Eliminierens der Dämpfe von flüchtigen organischen Verbindungen
können
in zwei große
Gruppen eingeteilt werden, nämlich
einerseits die Abbauverfahren und andererseits die Rückgewinnungsverfahren.
-
Die
Abbauverfahren können
als Verfahren definiert werden, in denen die in den zu behandelnden
Abgasen vorhandenen Verbindungen während oder nach der Reinigungsbehandlung
der Fluide abgebaut werden. Diese Abbautechniken sind insbesondere
die biologische Behandlung, die thermische Oxidation oder Verbrennung
und die katalytische Oxidation.
-
Die
Rückgewinnungsverfahren
sind Verfahren, welche die Rückgewinnung
des nach Behandlung der Abgase gesammelten Stoffs ermöglichen.
Sie bieten eine große
Auswahl an Realisierungsmöglichkeiten,
wie das Recycling in dasselbe Verfahren oder in ein anderes Verfahren,
oder auch den Verkauf der zurückgewonnenen
Produkte. Es gibt im Wesentlichen vier große Gruppen sogenannter "Rückgewinnungs"-Behandlungsverfahren:
Adsorption, Absorption, Kondensation und Membranbenutzung.
-
Aus
Gründen
der Wirtschaftlichkeit und der Umweltschonung sind die Rückgewinnungsverfahren
zu bevorzugen.
-
Jedoch
weisen die gegenwärtig
verfügbaren
Verfahren zahlreiche technische Grenzen auf.
-
Das
Anwendungsverfahren jedes dieser Verfahren ist äußerst beschränkt, wie
die folgende Tabelle zeigt, welche die Rückgewinnungsmöglichkeiten
zusammenfasst, welche jedes dieser Behandlungsverfahren zulässt.
-
-
Daraus
resultiert, dass zahlreiche Anwendungen durch diese Verfahren nicht
richtig abgedeckt werden.
-
Die
Adsorptions- und Absorptionsverfahren, welche bezüglich Abgase
die besten Leistungen aufweisen, nämlich mit Werten unter 50 mg/m3, sind im Allgemeinen sehr selektiv und
bestimmte flüchtige
Verbindungen, wie zum Beispiel Lösungsmittel,
können
durch die festen und flüssigen
Substrate, mit denen sie Kontakt haben, nicht eingefangen werden.
Die Behandlung der Mischungen ist oft problematisch, denn sie können für jeden
der einzufangenden Dämpfe
ein spezifisches Substrat erforderlich machen.
-
Die
Adsorptions- und Absorptionsverfahren erfordern außerdem eine
zusätzliche
Vorrichtung, um die Regeneration des festen Substrats für die Adsorption
und des flüssigen
Substrats für
die Absorption zu ermöglichen.
-
Das
Kondensationsverfahren ermöglicht
im Allgemeinen nur dann die vorgeschriebenen Werte zu erreichen,
wenn man eine sehr niedrige Betriebstemperatur wählt, generell unter –70 °C, die man
zu akzeptablen Investitionskosten nur mit flüssigem Stickstoff erreicht.
-
Die
industriellen Erfahrungen beim Einfangen von Lösungsmittel in großen Industrieanlagen
sind typisch für
die realen Probleme, nämlich:
- – mangelnde
Leistung, insbesondere bezüglich
des Kryokondensationsverfahrens;
- – mangelde
Zuverlässsigkeit
der Verbrennungsöfen,
schnelle Verstopfung der Trenner bzw. Abscheider, Aktivkohlenfeuer,
usw.:
- – Investitions-
und Betriebskosten.
-
Ein
Verfahren zum Einfangen von Dämpfen,
zum Beispiel der Dämpfe
von flüchtigen
organischen Verbindungen, enthalten in einem Abgas, muss außerdem eine
bestimmte Anzahl von Anforderungen erfüllen, um es günstig anwenden
zu können.
-
So
muss insbesondere ein Recycling der den Dampf bildenden Verbindung
in das Herstellungsverfahren, aus dem der Dampf stammt, möglich sein,
was generell die Reinheit dieser Verbindung am Ende der Einfang-
oder Rückgewinnungsbehandlung
erforderlich macht, wobei die in Zukunft vorgeschriebenen Werte
sehr niedrigen Konzentrationen entsprechen. Die Betriebsbedingungen
der industriellen Verfahren sind gekennzeichnet durch Betriebsparameter-Schwankungen,
durch von Verfahren zu Verfahren variierende Lösungsmittel und durch innerhalb
ein und desselben Verfahrens variierende Lösungsmittel. Schließlich gibt
es für
die Anlagen zur Anwendung des Verfahrens noch Zuverlässigkeits-,
Kosten- und Wartungsauflagen.
-
Es
besteht also ein Bedarf an einem Verfahren zum Einfangen von in
Abgasen enthaltenen Dämpfen, das
den oben genannten Kriterien entspricht und das außerdem ein
sehr breites Anwendungsfeld abdeckt, unabhängig von den in den Abgasen
enthaltenen Dämpfen,
und das auf jeden Fall ermöglicht,
die vorgeschriebenen Werte zu erreichen, das einfach, zuverlässig und
kostengünstig
ist und das eine begrenzte Anzahl Schritt umfasst.
-
Es
besteht auch noch ein Bedarf an einem Verfahren zum Einfangen von
in Abgasen enthaltenen Dämpfen,
das nicht die Nachteile, Mängel
und Beschränkungen
der Verfahren aus dem Stand der Technik aufweist, sondern die Probleme
der Verfahren aus dem Stand der Technik löst.
-
Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht dann, ein Verfahren zum
Einfangen von in Abgasen enthaltenen Dämpfen zu tiefem, das u.a. diesem
Bedarf entspricht und die weiter oben genannten Kriterien und Anforderungen
erfüllt.
-
Dieser
Zweck und weitere werden erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Einfangen
von in Abgasen enthaltenen Dämpfen
erreicht, bei dem in einem ersten Schritt das mit Dämpfen belastete
Abgas zunächst
einen von einem Kühlfluid
durchströmten
ersten Kondensator passiert, in dem ein Teil des Dampfes kondensiert
wird, dann in ein erstes Adsorptionsbett strömt, gekühlt durch das Kühlfluid,
das durch erste Wärmetauscheinrichtungen
fließt,
um den Rest der Dämpfe
zu adsorbieren, woraufhin der Rest des gereinigten Gases ausgeschieden
wird; sodann, in einem zweiten Schritt, wenn das erste Adsorptionsbett
durch die adsorbierten Dämpfe
gesättigt
ist, das die Dämpfe
enthaltende Abgas einen zweiten mit Kühlfluid gespeisten Kondensator
passiert und dann in ein zweites Adsorptionsbett strömt, gekühlt durch
das Kühlfluid,
das durch zweite Wärmetauscheinrichtungen
fließt,
und dann als gereinigtes Abgas ausgeschieden wird, während simultan
das erste Adsorptionsbett regeneriert wird durch Erwärmung mit
einem Heizfluid, das durch die ersten Wärmetauscheinrichtungen fließt, woraufhin
die desorbierten Dämpfe
des ersten Adsorptionsbetts in den zweiten Kondensator geleitet
werden, der dann mit Kühlfluid
gespeist wird und wo diese desorbierten Dämpfe des ersten Adsorptionsbetts
kondensieren, wobei dann, wenn das zweite Adsorptionsbett gesättigt ist,
das die Dämpfe
enthaltende Abgas wieder in den mit Kühlfluid gespeisten ersten Kondensator
und das erste Adsorptionsbett geleitet wird, das gekühlt wird
durch das Kühlfluid,
das durch die ersten Wärmetauscheinrichtungen
fließt,
und das zweite Bett regeneriert wird, und so weiter, und dabei das
erste und das zweite Adsorptionsbett sich abwechselnd in der Adsorptionsphase
und der Regenerationsphase befinden; wobei in diesem Verfahren das Kühlfluid
das Fluid des Verdampfers einer Umkehrwärmepumpe ist, und das Heizfluid
das aus dem Kondensator der Umkehrwärmepumpe stammende Fluid ist.
-
Vorteilhafterweise
werden die von dem ersten Adsorptionsbetts beziehungsweise dem zweiten
Adsorptionsbetts desorbierten Dämpfe
in der Regenerationsphase durch ein Gas befördert, das vorzugsweise gebildet
wird durch das in dem zweiten Kondensator, beziehungsweise dem ersten
Kondensator, dann in dem ersten Kondensator, beziehungsweise dem
zweiten Kondensator, wo die Dämpfe
kondensieren, gereinigte Abgas, und das Gas wird in der Regenerationsphase
in das erste Adsorptionsbett beziehungsweise das zweite Adsorptionsbett
zurückgeleitet.
-
Dieses
Verfahren arbeitet in "geschlossener
Schleife" bzw. als
geschlossener Kreislauf, kann aber auch in "offener Schleife" bzw. als offener Kreislauf arbeiten.
-
Es
ist dann möglich,
die zum Beispiel mittels einer Pumpe eingespeiste Umgebungsluft
zu benützen, um
in der Desorptionsphase das erste Adsorptionsbett beziehungsweise
das zweite Adsorptionsbett zu regenerieren. In diesem Fall wird
diese mit dem Dampf der flüchtigen
organischen Verbindung belastete Luft in der Adsorptionsphase mit
dem Abgas in den zweiten bzw. den ersten Kondensator und dann in
das zweite bzw. das erste Adsorptionsbett geleitet.
-
Grundsätzlich besteht
das erfindungsgemäße Verfahren
darin, einerseits zwei Prinzipien des Einfangens von Dämpfen zu
vereinigen, nämlich
die Adsorption und die Kondensation, die fundamental verschieden sind,
und andererseits eine sehr übliche
industrielle Vorrichtung zu benutzen, nämlich eine Umkehr-Wärmepumpe,
damit diese Vereinigung einen realen synergetischen Effekt erzielt,
indem insbesondere die Leistungen und der Wirkungsgrad des gesamten
Verfahrens optimiert werden.
-
Die
Wärmepumpe
ermöglicht
nämlich,
den ersten Kondenstor oder den zweiten Kondensator mit Kühlfluid
oder Niedrig- bzw. Tieftemperatur-Fluid zu versorgen, um die in dem
Abgas enthaltenen Dämpfe
sowie die bei der Regeneration des ersten oder des zweiten Adsorptionsbetts
freigewordenen Dämpfe
partiell zu kondensieren, das heißt des in der Regenerations-,
Desorptionsphase befindlichen Betts.
-
Die
Wärmepumpe
ermöglicht
auch die Abkühlung
des ersten oder des zweiten Adsorptionsbetts, nämlich des in der Einfang-,
Adsorptionsphase befindlichen Betts, um so die Dampfeinfangleistungen
durch Adsorption deutlich zu steigern. Das genannte Adsorptionsbett
(Bett in der Adsorptionsphase) befindet sich generell in der Abgasleitung
stromabwärts
von dem jeweiligen Kondensator, welcher der gekühlte Kondensator ist.
-
Die
Wärmepumpe
ermöglicht
auch das Heizen des gerade in der Regenerationsphase befindlichen Adsorptionsbetts,
das heißt
des zweiten oder des ersten Adsorptionsbetts, durch das von der
Kompression der Wärmepumpe
stammende Heizfluid oder Hochtemperatur-Fluid, wobei dieses Heizen
die Regeneration des fraglichen Adsorptionsbetts bewirkt. Das erste
oder zweite während
dieser Regenerationsphase derart geheizte Bett setzt konzentrierte
Dämpfe
frei, zum Beispiel Dämpfe
von konzentrierten Lösungsmitteln,
die sich leicht verflüssigen
lassen in dem mit Kühlfluid
versorgten ersten oder zweiten Kondensator.
-
Mit
anderen Worten besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen
darin, zwei Adsorptionsbette, zwei Kondensatoren (die abwechselnd
jeweils die Rolle des Kondensators spielen, wenn sie mit Kühlfluid
versorgt werden, oder des Verdampfers, wenn sie mit Heizfluid versorgt
werden) sowie eine Wärmepumpe
zu verbinden, deren jeweilige Funktionen in der Folge beschrieben
werden:
- – die
Adsorptionsbette fixieren die in den durchströmenden Abgasen enthaltenen
Dämpfe;
- – die
Wärmepumpe
ermöglicht – in Höhe ihrer
kalten Quelle – die
Kondensation der in den Abgasen enthaltenen Dämpfe, zum Beispiel flüchtige organische
Verbindungen, ehe sie das erste Adsorptionsbett (bzw. das zweite
Adsorptionsbett) passieren, die Kondensation der aus dem in der
Regenerationsphase befindlichen zweiten aktiven Bett (bzw. ersten
aktiven Bett) stammenden Dämpfe,
und schließlich
die Kühlung
des ersten Adsorptionsbetts (bzw. des zweiten Adsorptionsbetts),
das dann als Adsorber arbeitet, und bewirkt derart eine Verbesserung
der Adsorptionskapazität
von diesem. In Höhe
ihrer warmen Quelle ermöglicht die
Wärmepumpe
durch Zuführung
der von dem Kondensator der Wärmepumpe
abgegebenen Wärme
die Regeneration des gesättigten
Adsorptionsbetts.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
entspricht dank der Kombination und Verbindung von zwei spezifischen
Verfahren der Adsorption und der Kondensation sowie einer Wärmepumpe
dem weiter oben angegebenen Bedarf, befriedigt die Kriterien und
Anforderungen und liefert eine Lösung
für die
Probleme des Stands der Technik.
-
Mit
anderen Worten passiert das zu behandelnde Abgas, das die Dämpfe enthält, die
man einfangen und zurückgewinnen
will, zunächst
einen mit Kühlfluid
versorgten ersten oder zweiten Kondensator, dann ein erstes oder
zweites Adsorptionsbett, nämlich
das in der Adsorptionsphase befindliche gekühlte Bett, ehe es zum Beispiel
in die Atmosphäre
ausgeschieden wird.
-
Die
Abkühlung
zur Kondensation und Adsorption – das heißt, um die Wärmeaustauscheinrichtungen mit
Kühlfluid
zu versorgen, mit denen das in der Adsorptionsphase befindliche
Adsorptionsbett ausgerüstet
ist – erfolgt
durch den Verdampfer der Wärmepumpe,
wobei dieser Verdampfer in Wirklichkeit zugleich den genannten Kondensator
und die genannten Wärmeaustauscheinrichtungen
bildet, die alle beide mit Kühlfluid
versorgt werden.
-
Außerdem wird
der Kondensator der Wärmepumpe
erfindungsgemäß auf eine
neuartige Weise als Wärmequelle
für die
Regeneration eines zweiten Adsorptionsbetts benutzt. Die Rückgewinnung
der aus dieser Desorption stammenden Dämpfe erfolgt durch den ersten
Kondensator stromaufwärts
von dem ersten in der Adsorptionsphase befindlichen Adsorptionsbett.
Das System wird invertiert, wenn das genannte Adsorptionsbett gesättigt ist
und das Desorptionsbett regeneriert wird.
-
In
Bezug auf die existierenden Rückgewinnungsverfahren
durch das Einfangen von Dämpfen
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
zahlreiche Vorteile.
-
So
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren,
Abgase unabhängig
von der Art der in ihnen enthaltenen einzufangenden Dämpfe zu
behandeln.
-
Die
einzufangenden Dämpfe
werden im Allgemeinen durch Dämpfe
von organischen Verbindungen gebildet, insbesondere flüchtigen
organischen Verbindungen, die meist als Lösungsmittel verwendet werden.
-
Diese
organischen Verbindungen oder ihre Mischungen werden im Allgemeinen
aufgrund ihrer Fähigkeit
ausgewählt,
sich vom Adsorber adsorbieren zu lassen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine exzellente Rückgewinnung
der Dämpfe,
unabhängig
von der Anzahl der sie bildenden Verbindungen, und dies sogar auch
dann, wenn diese Verbindungen sehr unterschiedliche Strukturen und
Konzentrationen aufweisen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht,
komplexe Dämpfe
zu behandeln, die eine unbegrenzte Anzahl von Verbindungen enthalten,
während
die Verfahren nach dem Stand der Technik nur die Behandlung von
Dämpfen
ermöglichen,
die eine geringe Anzahl von Verbindungen – zum Beispiel weniger als
4 – und eventuell
nur eine einzige Verbindung umfassen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
also das Einfangen und Regenerieren von Dämpfen unabhängig von ihrer Konzentration.
-
Der
durch das erfindungsgemäße Verfahren
tolerierte Konzentrationsbereich von Dämpfen reicht von sehr schwachen
Konzentrationen, für
die im Extremfall nur das Adsorptionsbett aktiv ist, bis zu sehr
starken Konzentrationen, für
die die Kondensation im Kondensator oder Kältetauscher einen großen Teil
des Einfangprozesses darstellt und die Adsorption eine Nachbehandlung
ist, die das Erreichen der vorgeschriebenen Ausstoßwerte ermöglicht.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann sich also quasi-momentan anpassen, um Abgase zu behandeln,
deren Dampfkonzentration sehr unterschiedlich ist.
-
Dies
ist mit den Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich, die
eine einzige Dampf-Einfangart benutzen.
-
Dieser
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist besonders interessant, wenn die Dampfarten des Industrieunternehmens
zeitlich stark variieren und ihre Konzentrationen dabei stark schwanken.
Das erfindungsgemäße Verfahren
beherrscht diese Schwierigkeit, die einer in der Industrie sehr
häufig
angetroffenen Realität
entspricht.
-
Die
Gesamtkonzentration der in den Abgasen enthaltenen einzufangenden
und durch das erfindungsgemäße Verfahren
zu behandelnden Dämpfe
kann generell von einigen hundert mg/m3 bis
einige kg/m3 gehen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann eine sehr große
Abgas-Durchsatzmenge behandeln. Tatsächlich gibt es keine realen
Grenzen für
die Durchsatzmenge des zu behandelnden Abgases, da nämlich die
Größe der Adsorptionsbette
sehr variabel ist, denn es können
problemlos kleine oder große
Bette realisiert werden, und die Leistungsbreite der auf dem Markt
verfügbaren
Wärmepumpen
ist sehr groß und
geht zum Beispiel von einigen kW bis mehrere zehn MW.
-
Die
Abgasmengen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren behandelt werden
können,
gehen von einigen zehn m3/h bis mehr als
100 000 m3/h.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht,
ein Problem zu lösen,
dem man beim Einfangen durch Kondensation oft begegnet, nämlich der
Nebelbildung am Ausgang des Kondensers durch die den Dampf bildenden
Verbindungen wie zum Beispiel den flüchtigen organischen Verbindungen.
Bei dem vorliegenden Verfahren befindet sich das erste Adsorptionsbett
(als das in der Adsorptionsphase befindliche) stromabwärts von dem
Dampfkondensator und kann die Rolle des Trenners bzw. Abscheiders
spielen und den negativen Einfluss dieses Vorhandenseins von sehr
feinen flüssigen
Bläschen
in dem Abgas annullieren.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
löst außerdem auf
wirksame und wirtschaftliche Weise das Problem der Regeneration
des Adsorptionsbetts, das sich in der Regenerationsphase befindet
und das entweder das erste oder das zweite Adsorptionsbett sein
kann.
-
Die
durch die Wärmepumpe
abgegebene Wärme
wird dank ihrer spezifischen Integration in das erfindungsgemäße Verfahren
verwertet, und das Zurückgreifen
auf zusätzliche
komplexe und teure Prozeduren wird überflüssig. Es ist insbesondere nicht
mehr nötig,
einen zusätzlichen
Heizkessel oder eine elektrische Heizung zu benützen.
-
Dies
wirkt sich vorteilhaft auf die Investitions- und Energiekosten aus.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung des oben
beschriebenen Verfahrens.
-
Die
Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen
ersten Kondensator, abwechselnd mit Kühlfluid und Heizfluid gespeist,
ein erstes Absorptionsbett mit ersten Wärmetauscheinrichtungen, abwechselnd
mit Kühlfluid
und Heizfluid gespeist, einen zweiten Kondensator, abwechselnd mit Kühlfluid
und Heizfluid gespeist, und ein zweites Absorptionsbett mit zweiten
Wärmetauscheinrichtungen,
abwechselnd mit Kühlfluid
und Heizfluid gespeist, Einrichtungen zum Fördern eines Dämpfe enthaltenden
Abgasstroms in den mit Kühlfluid
gespeisten ersten Kondensator und dann in das erste Adsorptionsbett,
gekühlt durch
das in den ersten Wärmetauscheinrichtungen
fließende
Kühlfluid,
oder in den mit Kühlfluid
gespeisten zweiten Kondensator und dann in das zweite Adsorptionsbett,
gekühlt
durch das in den zweiten Wärrnetauscheinrichtungen
fließende
Kühlfluid,
wobei zum Ausscheiden des gereinigten Abgases der andere Kondensator
simultan mit einem Heizfluid gespeist wird und das andere Adsorptionsbett
simultan regeneriert wird durch Heizen mit dem Heizfluid, das durch
die Wärmetauscheinrichtungen
fließt,
mit denen es ausgestattet ist, und der erste oder zweite Kondensator
und die ersten oder zweiten Wärmtauscheinrichtungen,
gespeist mit Kühlfluid,
abwechselnd jeweils durch den Verdampfer einer Umkehr-Wärmepumpe
gebildet werden, und der andere Kondensator und die anderen Wärmtauscheinrichtungen,
gespeist mit Kühlfluid,
abwechselnd jeweils durch den Kondensator einer Umkehr-Wärmepumpe
gebildet werden.
-
Vorteilhafterweise
umfasst die Vorrichtung außerdem
Einrichtungen zur Herstellung eines geschlossenen Kreislaufs, um
in einem Gas, vorzugsweise gebildet durch das gereinigte Abgas,
die in der Regenerationsphase desorbierten Dämpfe des Betts in den mit Heizfluid
gespeisten ersten beziehungsweise zweiten Kondensator und dann in
den mit Kühlfluid
gespeisten zweiten beziehungsweise ersten Kondensator zu befördern, wo
die Dämpfe
kondensieren, und dann das Gas in das Bett in der Regenerationsphase
zu leiten.
-
Vorteilhafterweise
umfasst die Vorrichtung außerdem
Einrichtungen zur Herstellung eines offenen Kreislaufs, um in der
Umgebungsluft die in der Regenerationsphase desorbierten Dämpfe des
Betts in den mit Heizfluid gespeisten ersten beziehungsweise zweiten
Kondensator und dann in der Adsorptionsphase mit dem Abgas in das
zweite Bett beziehungsweise das erste Bett zu befördern, und
um die Luft mit dem gereinigten Abgas auszuscheiden.
-
Vorteilhafterweise
werden der erste und der zweite Kondensator in zwei Teile getrennt,
wobei der erste dieser Teile sich in der Nähe von jeweils dem ersten oder
zweiten Absorptionsbett befindet und der erste und der zweite Teil
des mit Kühlfluid
gespeisten Kondensators jeweils das die einzufangenden Dämpfe enthaltende Abgas
und das die in der Regenerationsphase desorbierten Dämpfe des
Adsorptionsbetts befördernde
Gas empfängt.
-
Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung außerdem
Einrichtungen zur Aufnahme der aus dem ersten und zweiten Teil des
mit Kühlfluid
gespeisten Kondensators stammenden kondensierten Dämpfe.
-
Vorteilhafterweise
befinden der erste Kondensator und das erste Adsorptionsbett in
der Vorrichtung in einer ersten Kammer und der zweite Kondensator
und das zweite Adsorptionsbett in einer zweiten Kammer, wobei die
erste und die zweite Kammer jeweils abwechselnd die Kammer des Verdampfers
und des Kondensators der Wärmepumpe
bilden.
-
Die
Nutzeffekte und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind schon
weiter oben in der Beschreibung des Verfahrens detailliert worden.
-
In
der Folge wird die Erfindung genauer beschrieben, wobei diese erläutemde und
nicht einschränkende
Beschreibung sich auf die 1 bezieht,
die eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist.
-
Die
in der 1 dargestellte
Vorrichtung umfasst ein erstes Adsorptionsbett 1, das sich
in der 1 in der Adsorptionsphase
befindet, und ein zweites Adsorptionsbett 2, das sich in
der Figur in der Desorptions- oder Regenerationsphase befindet.
-
Diese
Vorrichtung umfasst auch zwei Abgaskreise, zum Beispiel ausgerüstet mit
einem Ventilator, nämlich:
- – einen
offenen Kreis (in der 1 mit
fetten Pfeilen dargestellt) für
das dampfbelastete Abgase 5, zum Beispiel aus einem industriellen
Verfahren stammend, in dem sich der Verdampfer 6 der Wärmepumpe
befindet, der zugleich die Rolle des ersten Kondenstators 9 und
des Kühlgeräts (oder
einer mit Kühlfluid
gespeisten Wärmetauscheinrichtung)
des ersten Adsorptionsbetts 1 spielt, welches dasjenige
ist, das sich in der Adsorptionsphase befindet;
- – einen
geschlossenen Kreis im Falle der 1 (dargestellt
durch die gestrichelten fetten Pfeile), in dem ein gereinigtes Gas
in den zweiten Kondensator 7 der Wärmepumpe strömt und dann,
belastet mit den Dämpfen,
die aus der Desorption des zweiten Betts stammen, in den Verdampfer
der Wärmepumpe
(erster Kondensator), so dass sich die Dämpfe verflüssigen, zum Beispiel die Dämpfe von
desorbierten flüchtigen organischen
Verbindungen. Dieser Kreis kann auch als offene Schleife realisiert
werden, indem die Umgebungsluft zur Desorption benützt wird.
-
Das
zweite desorbierende Bett kann mittels einer klassischen Vakuumpumpe
(nicht dargestellt) auf einem Druck gehalten werden, der knapp unter
dem atmosphärischen
Druck liegt, um den Desorptionsvorgang zu intensivieren.
-
Die
beiden Adsorptionsbetten 1 und 2 werden abwechselnd – zum Beispiel
mit einer Periode von 1 bis 10 Stunden – in der Weise benutzt, dass
das eine sich in einer Einfang- oder Adsorptionsphase befindet (in der 1 linkes Bett 1 der
Dämpfe
mit niedriger Temperatur von zum Beispiel –20 °C bis +10 °C, und das andere (2) in einer
Desorptions- oder
Regenerationsphase mit hoher Temperatur, zum Beispiel 50 °C bis 70 °C.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst folglich auch ein entsprechendes Leitungssystem sowie einen
Satz Ventile in den Leitungen des Wärmepumpe-Kältemittels und des Abgases,
so dass man problemlos von einem Bett zum andern umschalten kann
und dabei gleichzeitig die ursprünglich
als Verdampfer arbeitete Wärmepumpe
als Kondenser arbeiten lassen kann und ebenso den ursprünglich als
Kondenser arbeitenden Wärmetauscher
als Verdampfer. Aus diesem Grund wird die Wärmepumpe als "Umkehr"-Wärmepumpe
bezeichnet.
-
Die
Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist praktisch
gekennzeichnet durch die Kopplung der Wärmepumpe und der beiden Adsorptionsbetten
in den folgenden Anordnungen der Hauptbestandteile des Systems:
-
Der
Kältemittel-Verdampfer 6 der
Wärmepumpe
(Kältepunkt
der Anlage) kann zum Beispiel durch drei Teile gebildet werden:
- 1. einem Teil 8, enthalten in dem
ersten Adsorptionsbett (Teil A1), um die
Dämpfe
(zum Beispiel flüchtige organische
Verbindungen) zu kondensieren, die aus dem in der Regenerationsphase
befindlichen Bett 2 (zweites Bett) stammen und die sich
mit der Verdampfungstemperatur der Wärmepumpe verflüssigen lassen;
- 2. einem ebenfalls in dem ersten Adsorptionsbett (Teil B1) (von dem vorhergehenden Teil A1 in der Gasleitung dicht abgetrennt) enthaltenen
Teil 10, der die Kondensation der aus dem Abgas stammenden
Dämpfe (zum
Beispiel flüchtige
organische Dämpfe)
ermöglicht,
die zum Beispiel aus einem industriellen Verfahren stammen;
- 3. einem in dem ersten Adsorptionsbett 1 enthaltenen
Teil 10 (Teil C1) (stromabwärts von
dem vorhergehenden Teil in dem Kreis der zum Beispiel aus einem
industriellen Verfahren stammenden Verfahren), in dem die restlichen
Dämpfe
(zum Beispiel in dem vorhergehenden Teil 9 nicht kondensierte
Dämpfe
von flüchtigen
organischen Verbindungen) von klassischen Adsorbern wie zum Beispiel
Aktivkohle oder Zeolith adsorbiert werden, ehe das gereinigte Abgas 11 ohne
Dämpfe
definitiv in die Atmosphäre
ausgeschieden wird.
Der Kältemittelkondensator 7 der
Wärmepumpe
(Hitzepunkt der Anlage) wird ebenfalls durch drei Teile gebildet
(es sei daran erinnert, dass der Kondensator in der zweiten Phase
des Zyklus zum Verdampfer wird):
- 4. einem in dem zweiten Adsorptionsbett 2 (Teil A)
enthaltenen Teil 12, neutralisiert während dieser Desorptions- oder
Regenerationsphase des zweiten Betts 2;
- 5. einem in dem zweiten Adsorptionsbett 2 (Teil B)
enthaltenen Teil 13, um das gereinigte Gas zu erhitzen und
die Desorption der Dämpfe
des zweiten Betts 2 im Laufe der Regeneration zu begünstigen;
- 6. einem in dem Adsorptionsbett (Teil C) enthaltenen Teil 14 (stromabwärts von
dem vorhergehenden Teil in der Abgasleitung), der durch Zuführung von
Wärme,
die aus den Kondenserrohren und der vorgeheizten gereinigten Luft
stammt, die Regeneration der Adsorber ermöglicht, zum Beispiel der Aktivkohle
oder des Zeoliths, die den Adsorber bilden.
-
In
der Folge wird mit Hilfe der 1 die
Zirkulation der Fluide in einer der Betriebsphasen der Vorrichtung
oder des Systems zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:
- – das
erste Adsorptionsbett 1, auf der linken Seite der Figur
befindlich, ist in der Adsorptionsphase, und das zweite Bett 2,
auf der rechten Seite der Figur befindlich, ist in der Regenerationsphase
(Dampf-Desorption);
- – die
Vorrichtung, in der sich das Bett in der Adsorptionsphase befindet,
wird durch einen Wärmetauscher 6 gebildet,
der drei Teile (A1, B1 und
C1) umfasst. Durch die Teile B1 und
C1 strömt
zu behandelndes Abgas (fetter Pfeil), das zum Beispiel aus einem
industriellen Verfahren stammt. Der Teil C1,
der das eigentliche Adsorptionsbett ist, wird durch einen Wärmetauscher 10 gebildet,
enthalten in einem Bett 1, zum Beispiel aus Aktivkohle
oder Zeolith, mit einer Zirkulation von verdampfendem Kältemittel,
das von dem Drosselventil 16 der Wärmepumpe kommt, um die Abkühlung des
Betts und die dem Adsorptionsvorgang entsprechende Wärme zu ermöglichen.
Der Teil B1(9) des Wärmetauschers
umfasst kein Adsorptionsbett: in diesem Teil wird das Abgas durch
Kondensation der Dämpfe
auf der kalten Wand des Wärmetauschers 9 partiell
gereinigt.
Man stellt fest, dass das Abgas von B1 nach
C1 strömt,
während
das Kältemittel
vorzugsweise von C1 nach A1 strömt, wobei
es B in einem Rohr- oder Plattensystem passiert, welche die drei
Zonen durchqueren. Der dicht von den Teilen B1 und
C1 abgetrennte Teil A erhält im Falle
einer geschlossenen Desorptionsschleife das aus dem regenerierenden
anderen Bett 2 stammende Abgas. Die kondensierten Dämpfe werden
im unteren Teil der Abteile B1 und A1 gesammelt und fließen (17, 18)
durch Schwerkraft in einen Speicherbehälter 19.
- – die
Vorrichtung des in der Regenerationsphase befindlichen Betts 2 entspricht
geometrisch vollkommen der des in der Adsorptionsphase befindlichen
Betts 1. Jedoch sind die durch diese Vorrichtung ausgeübten Funktionen
völlig
anders dank einer Zirkulation und anderen Fluidtemperaturen, nämlich des
Abgases und des Kältemittels.
Das Kältemittel
wird am Ausgang des Verdichters 15 der Wärmepumpe
in den Teil A der Vorrichtung eingespeist: der Dampf dieses Kältemittels
wird abgekühlt
und kondensiert, wobei er die notwendige Wärme abgibt, um den Absorber,
zum Beispiel Aktivkohle oder Zeolith, zu regenerieren.
-
Die
Regeneration des Absorbers, zum Beispiel Aktivkohle, erfolgt in
klassischer Weise durch die kombinierte Wirkung des vorgeheizten
gereinigten Gases und des Beitrags von Wärme des Tauschers 14 in
diesem rechten Teil der Figur der Vorrichtung. Um diese Regenerationsphase
zu begünstigen,
ist die Herstellung eines Teilvakuums vorteilhaft. Dies erfolgt
dank einer Absaugung eines Teils des in den Leitungen enthaltenen Gases
durch eine Vakuumpumpe. Das Abgas, welches das zu regenerierende
Bett 2 verlässt,
ist stark mit Dampf belastet: sobald es den Niedertemperatur-Tauscher 8 passiert
(Teil A1), wird es erneut gereinigt und kann
im Falle einer geschlossenen Schleife wieder in das zu regenerierende
Bett 2 eingespeist werden.
-
Die
beschriebene Betriebsart kann mehrere Stunden dauern: die Dauer
dieser Periode hängt
ab von den Konzentrationen des Abgases, das zum Beispiel aus einem
industriellen Verfahren stammt, von der Art der zu behandelnden
organischen Dämpfe
und von dem Volumen des Adsorptionsbetts.
-
Sobald
sich das Bett einem Sättigungszustand
nähert,
muss der Wechsel zu einer Betriebsart erfolgen, bei der die Funktionsweise
der Adsorptionsbette umgekehrt ist: das mit Dampf, insbesondere
organischem Dampf gesättigte
Bett (links in der Figur) muss dann geheizt werden, um zu regenerieren,
und das Bett rechts in der Figur muss gekühlt werden, um das Einfangen
von Dämpfen,
zum Beispiel organischen, zu ermöglichen.
Diese Wechsel erfolgt dank entsprechender Leitung der Gasfluide
und des Kältemittels.
Gesteuerte Ventile (nicht dargestellt) vervollständigen die Vorrichtung, um
eine automatische Umkehrung des Betriebs zu gewährleisten.
-
Die
Einleitung der Wechselphase kann gesteuert werden:
- – aufgrund
von Informationen über
die Qualität
des Ausstoßes
in die Atmosphäre,
die von einem Sensor stammen, der stromabwärts von den Betten in dem Ausscheidungskamin
der Abgase angeordnet ist;
- – noch
einfacher aufgrund eines Zeitwerts, der einer vorher für jede der
Phasen festgelegten Dauer entspricht;
- – oder
aufgrund einer Kombination dieser beiden Techniken.
-
In
der Folge wird die Erfindung mit Bezug auf erläuternde und nicht einschränkende Beispiele
beschrieben.
-
Diese
beiden Beispiele betreffen erfindungsgemäße Anlagen und beziehen sich
auf die Behandlung von Abgasen, welche die Dämpfe von zum Beispiel flüchtigen
organischen Verbindungen mit unterschiedlichen Charakteristik enthalten.
-
Beispiel 1
-
Dieses
Beispiel betrifft die Behandlung von Abgasen, die Isopropanol enthalten.
Ein Betrieb der Feinchemie (chimie fine) war mit einer Anlage ausgerüstet, die
nach dem Prinzip einer Tieftemperatur-Kondensation arbeitet (Flüssigstickstoff).
Die Investitionskosten dieser Anlage betrugen 3 Millionen Francs.
Die den gegenwärtigen
Vorschriften entsprechenden, zufriedenstellenden Leistungen dieser
Anlage im Nominalbetrieb erwiesen sich als sehr unbefriedigend,
wenn plötzliche
Konzentrationsveränderungen
eintraten. Außerdem entsprachen
die Leistungen dieser Anlage nicht den zukünftigen Vorschriften.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ausstattung dieses Betriebs entsprechen diesen neuen Anforderungen
mit niedrigeren Investitions- und Betriebskosten.
-
Der
Ausstoß dieses
Betriebs beträgt
200 Nm3/h bei 293 K und enthält 100 g
Isoprolanol/Nm3 und 10 g Wasser/kg trockener
Luft. Das Ziel ist, den zukünftigen
europäischen
Vorschriften zu entsprechen. Dazu muss der Ausstoß in die
Atmosphäre
130 mg/m3 betragen, mit einer kleinen Sicherheitsmarge.
Das Isopropanol ist eine ziemlich flüchtige Verbindung, also schwer
nur durch Kondensation zu behandeln (die Kondensationstemperatur
muss nämlich
unter –80°C liegen),
aber leicht adsorbierbar. Eine parametrische Untersuchung hat ermöglicht,
die optimalen Dimensionierungsbedingungen zu finden und für den Verdampfer
der Wärmepumpe eine
Temperatur von –15°C festzulegen.
-
Es
wurden also für
die Adsorptionsbetten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei Kästen mit
quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 55 cm und einer Höhe von 1,1
m vorgesehen, von denen jeder 96,3 kg Aktivkohle enthält.
-
Die
nötige
Kälteleistung
beträgt
7 500 W für
die kalte Gruppe (mit der Temperatur – 15°C). Die Wärmetauscher jedes Betts haben
eine Austauschfläche
von 20,5 m2 für das Abgas des Verfahrens
(C, C1 und B, B1)
und von 3 m2 zur Rückgewinnung der Dämpfe, die
von der Desorption stammen (Teil A, A1).
-
Die
Investitionskosten für
diese Anlage überschreiten
nicht 500 000 Francs und der mittlere Energieverbrauch beträgt 6 kWh.
-
Bei
diesen beiden Posten ermöglicht
die erfindungsgemäße Anlage
in Bezug auf die existierende Anlage eine große Kostenreduzierung.
-
Beispiel 2
-
Dieses
Beispiel hat den Zweck, den Einfluss der Änderung der zu behandelnden
Dämpfe
auf die Dimensionierung der Anlage zu ermitteln.
-
Es
betrifft die Behandlung Ethanol enthaltender Abgase.
-
Das
Ethanol ist eine leichtere Verbindung als das Isopropanol und ist
auch schwerer kondensierbar. Außerdem
ist seine Adsorption durchschnittlich. Die Ausstoßbedingungen
entsprechen den vorhergehenden. Die nötige Kälteleistung steigt auf 8 760
W, aber für
eine kalte Temperatur von –20°C. die Austauschflächen betragen
22,7 m2 für den Ausstoß bzw. das
Abgas des Verfahrens und 2,6 m2 zur Rückgewinnung
der aus der Regeneration stammenden Lösungsmittel. Unter bestimmten
Bedingungen erhalten wir zwei Kästen
mit 55 cm Seitenlänge
und 1,2 m Höhe,
von denen jeder 112 kg Aktivkohle enthält.
-
Wir
stellen also nur einen sehr geringen Unterschied zwischen den beiden
vorhergehenden Dimensionierungen fest, obwohl diese sich auf Substanzen
mit sehr unterschiedlichen Charakteristika beziehen. Mit unserem
Verfahren ist es also möglich,
zahlreiche Abgase zu behandeln und jedesmal effiziente Lösungen anzubieten.