WO2023139127A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden eines stoffes aus einem trägergasstrom durch partialkondensation - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abscheiden eines stoffes aus einem trägergasstrom durch partialkondensation Download PDF

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WO2023139127A1
WO2023139127A1 PCT/EP2023/051134 EP2023051134W WO2023139127A1 WO 2023139127 A1 WO2023139127 A1 WO 2023139127A1 EP 2023051134 W EP2023051134 W EP 2023051134W WO 2023139127 A1 WO2023139127 A1 WO 2023139127A1
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heat exchanger
carrier gas
transfer medium
evaporation
heat transfer
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Friedhelm Herzog
Roberto TALLUTO
Thomas Kutz
Steven Powell
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Messer Se & Co. Kgaa
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions

Definitions

  • the invention relates to a method for separating a gaseous or vaporous substance from a carrier gas flow by partial condensation according to the preamble of patent claim 1 . Furthermore, the invention relates to a corresponding device.
  • Such methods and devices are known. They are characterized in that a carrier gas loaded with a substance to be separated is cooled to a temperature below the dew point of the substance and the substance condensing in the process is then removed from the carrier gas stream.
  • the carrier gas which does not condense itself during the course of the process is, for example, air, nitrogen, hydrogen or an inert gas or a mixture of two or more of these gases.
  • the carrier gas is often a gas stream from an industrial process (process gas) that is loaded with the gases or vapors to be separated.
  • process gas and carrier gas
  • carrier gas stream loaded with substances to be separated is also referred to below as “carrier gas stream to be treated” or “process gas stream to be treated” and the carrier gas stream that has at least partially been freed from the substances to be separated is referred to as “treated carrier gas stream” or “treated process gas stream”.
  • the gases or vapors to be separated from the carrier gas by condensation are, in particular, so-called VOCs (Volatile Organic Compounds) or other substances whose condensation temperature is above that of the carrier gas, such as water, for example. It is irrelevant whether the substances to be separated are liquid or gaseous under ambient conditions. Furthermore, a carrier gas flow to be treated can also be loaded with several substances, not all of which are to be separated, or which are to be separated in successive method steps. Condensation processes known from the prior art make use of one or more devices which are referred to as condensers.
  • a condenser has a mostly thermally well-insulated housing, through which the carrier gas flow to be treated is guided along a flow path and brought into indirect contact there with a cold heat transfer medium on heat exchanger surfaces.
  • the carrier gas is cooled to a temperature below the dew point of the gaseous or vaporous substance to be separated from the process gas.
  • the substance condenses or at least partially freezes, and the resulting condensate can be separated from the gas flow.
  • the heat transfer medium is, for example, a cryogenic cooling medium such as liquid nitrogen.
  • Such condensation apparatuses are widely used and are described, for example, in EP 1 743 688 A1, EP 0275472 A2, EP 0 988 879 A1, or DE 19645487 C1.
  • aerosols are problematic in many known condensation processes. If a carrier gas flow loaded with a substance meets a surface whose temperature is significantly below the dew point temperature of the substance, aerosols are formed in the area surrounding the surface that contain the substance to be condensed and which can no longer be separated from the carrier gas flow in the condensers themselves. This leads to a higher residual loading of the treated carrier gas streams than one would expect based on the carrier gas temperature reached in the condenser.
  • a method and a device for low-aerosol partial condensation are known from EP 1 602 401 A2.
  • a carrier gas flow to be treated is passed through two condensers connected in series, in each of which it is indirectly mixed with a cryogenic heat transfer medium thermal contact is brought.
  • a heating device is arranged between the condensers, by means of which the carrier gas stream is brought to a temperature above the condensation temperature of a substance to be removed from the carrier gas. This causes the aerosols that have formed in the first condenser to evaporate.
  • another cooling below the dew point of the substance in the carrier gas takes place, whereby at least a significant part of the substance to be separated can be separated from the former aerosols.
  • the proportion of aerosols in the treated carrier gas stream is drastically minimized in this way.
  • the method described there has proven its worth, but is comparatively complex in terms of construction and maintenance.
  • the object of the present invention is therefore to provide a way of separating vaporous or gaseous substances from a carrier gas stream by partial condensation, in which the loading of the treated carrier gas stream with aerosols is reduced compared to condensation processes according to the prior art and which can be implemented with comparatively simple means.
  • the carrier gas thus runs through a flow path within the housing of a condenser, along which it is successively brought into indirect thermal contact with a heat transfer medium, for example liquid or cold gaseous nitrogen, on at least two heat exchanger surfaces.
  • a heat transfer medium for example liquid or cold gaseous nitrogen
  • On a first heat exchanger surface it is cooled to a first temperature Ti below the dew point temperature TTi of the substance to be condensed in the region of the first heat exchanger surface.
  • At least a first part of the amount of substance contained in the carrier gas stream condenses out and is discharged as liquid condensate and collected, for example, in a condensate tank or inside the condenser housing as a condensate bath.
  • the carrier gas then passes through an evaporation zone in the flow path, in which a temperature T2 is maintained which is above the dew point temperature TT2 of the substance is in this range.
  • the aerosols present in the carrier gas flow evaporate at least partially.
  • the carrier gas is cooled again on a second heat exchanger surface following the evaporation area in the flow path, this time to a third temperature T3 below the dew point temperature TT3 of the substance to be condensed out in the area of the second heat exchanger surface.
  • T3 below the dew point temperature TT3 of the substance to be condensed out in the area of the second heat exchanger surface.
  • TS ⁇ TI ⁇ T2 applies, ie the temperature of the carrier gas on the second heat exchanger surface is lower than the temperature of the carrier gas on the first heat exchanger surface.
  • the temperature of the heat transfer media in the first and second heat exchanger can be the same or different; However, it is essential for the invention that the carrier gas in the region of both heat exchangers is brought to a temperature below the respective dew point temperature.
  • the arrangement of the first and second heat exchanger surfaces and the evaporation area within the same condenser housing means that the carrier gas flowing through is very quickly successively cooled and reheated within a comparatively short distance.
  • aerosol droplets that have formed during the condensation of the substance in the area surrounding the first heat exchanger, there is therefore only little time available to coagulate into larger and more stable droplets; they evaporate very quickly due to their comparatively small diameter in the evaporation area.
  • the method can also be carried out in several stages, in that the carrier gas is cooled several times in succession as it passes through the flow path on a first heat exchanger surface or a group of first heat exchanger surfaces, then heated in an evaporation area and cooled again on a second heat exchanger surface or a group of second heat exchanger surfaces.
  • the flow guidance can also be selected in such a way that a second heat exchanger surface (or a group of second heat exchanger surfaces) arranged downstream of an evaporation region acts as the first heat exchanger surface (or Group of first heat exchanger surfaces) acts for a subsequent evaporation area.
  • Such a configuration can be implemented in a particularly simple manner, for example, by the carrier gas in the condenser housing being forced into a meandering path by conventional flow baffle plates, and thereby repeatedly flowing around several tube bundles arranged in a straight line and serving as first and/or second heat exchanger surfaces, which are cooled by the heat transfer media guided through them. Evaporation areas are provided between two such heat exchanger surfaces or between two groups of heat exchanger surfaces, which are equipped with means for heating the carrier gas; these are, for example, a further heat exchanger, such as a tube bundle, through which a correspondingly warmer heat transfer medium flows.
  • the temperature of the carrier gas in the evaporation area can be controlled in particular by means of, for example, an electrical heating device and/or by heat from a radiation source.
  • the carrier gas is heated in the evaporation area by means of a heat exchanger surface (evaporation heat exchanger surface), on which the carrier gas is brought into indirect thermal contact with a heat transfer medium whose temperature is above the dew point temperature of the substance to be condensed in the carrier gas.
  • a heat exchanger surface evaporation heat exchanger surface
  • the temperature in the evaporation area is controlled by suitable means as a function of measured parameters, such as a residual charge of the treated carrier gas.
  • the heat transfer medium used on such an evaporation heat exchanger surface can be a different or the same heat transfer medium that is also used on the first and/or the second Heat exchanger surface is used. For the heating of the carrier gas in the evaporation area on the evaporation heat exchanger surface, it must be tempered accordingly.
  • the temperature of a heat transfer medium used on the evaporation heat exchanger surface can be controlled, for example, by means of an electrical or other type of heating device.
  • a preferred embodiment provides that at least a partial flow of the heat transfer medium used on the first and/or second heat exchanger surface is brought into thermal contact with the collected condensate in the condensate bath after passing through this heat exchanger surface and is then fed to the evaporation heat exchanger surface.
  • the condensate is at a temperature that is naturally above the required dew point temperature.
  • the condensate collected on the first and/or the second and/or a following heat exchanger surface is temporarily stored in a condensate container, which can be arranged inside or outside the condenser housing.
  • a heat exchanger is preferably arranged in this condensate container, on which the heat transfer medium removed from the first and/or second heat exchanger surface is brought into indirect thermal contact with the condensate.
  • This configuration is particularly advantageous when the method according to the invention is used in a device in which the condensate is collected inside the condenser housing, for example a sump of the housing, forming a condensate bath, in which there is no fluidic separation of the collected condensate from the carrier gas stream.
  • the condensate due to thermal fluctuations or heat input from the outside, fully or partially re-evaporates and gets back into the carrier gas.
  • the temperature is preferably reduced so far below its boiling point that the probability of re-evaporation even with any existing thermal fluctuations in the Carrier gas flow or heat input through the walls of the apparatus is at least reduced or re-evaporation is prevented entirely.
  • active cooling of the condensate by means of a cooling device can be dispensed with, or such a device can at least be designed to be smaller.
  • the condensate and/or the heat transfer medium conducted to the heat exchanger in the condensate bath can also prove expedient to heat the condensate and/or the heat transfer medium conducted to the heat exchanger in the condensate bath, for example by means of an electrical heating device.
  • the heating prevents excessive cooling or even freezing of the condensate, particularly when a large volume flow of heat transfer medium is routed through the heat exchanger in the condensate tank.
  • the heat transfer media used on the first, the second and/or optionally further heat exchanger surfaces can be taken entirely or partially from different sources, for example they can be different materials or media kept at different temperatures.
  • the cooling medium used on the first heat exchanger surface and on the second heat exchanger surface come from a common source, which is, for example, a tank for liquid nitrogen. If the evaporation area is heated by means of a heat transfer medium on an evaporation heat exchanger surface, it is advantageous, especially for economic reasons, to use the same heat transfer medium, for example nitrogen, from the same source as the other heat transfer media.
  • a method is particularly advantageous in which a liquefied gas, such as liquid nitrogen (LIN), liquid oxygen (LOX) or liquefied natural gas (LNG), is used as the heat transfer medium, which at least partially evaporates on the first and/or the second heat exchanger surface due to the thermal contact with the carrier gas.
  • a cryogenic heat transfer medium for example liquid nitrogen (LIN) or another cryogenically liquefied gas, is preferably used as the heat transfer medium on the first and/or the second heat exchanger surface.
  • other liquid or gaseous heat transfer media can also be used which can be brought to a temperature suitable for condensing out the selected substances to be separated in the carrier gas flow, such as brine, cooling water or thermal oil.
  • the treated carrier gas is at a sometimes very low temperature after thermal contact with the heat transfer medium on the second or a later heat exchanger surface, it proves to be advantageous in many cases if at least a partial flow of the treated carrier gas is brought into thermal contact with the untreated carrier gas in order to use any residual cold to cool the untreated carrier gas.
  • This is done, for example, by means of an additional heat exchanger surface (recuperator), for example in the form of a tube bundle, which is arranged inside or outside the condenser housing and at which at least a partial flow of the treated carrier gas is brought into indirect thermal contact with the untreated carrier gas flow.
  • the method according to the invention also allows the treatment of carrier gas streams loaded with several substances, not all of which are to be separated, or which are to be separated simultaneously or in successive steps in the manner described above.
  • the object of the invention is also achieved by a device having the features of claim 9.
  • a device thus has a capacitor housing through which a flow path extends from a process gas inlet to a process gas outlet, through which a carrier gas loaded with a substance to be condensed is guided when the device is in use.
  • the flow path is not necessarily a straight path; rather, the flow path can also be designed in such a way that the carrier gas enters the housing or deflected several times and/or forced into a meandering path by means of suitable aids, such as flow guide bleaching.
  • two or more heat exchanger surfaces are arranged one behind the other for cooling the carrier gas to a temperature below the dew point temperature of a substance in the carrier gas that is to be condensed out, each of which is, for example, a tube, a tube bundle or a cooling coil or a section of a tube, tube bundle or cooling coil.
  • the first and second heat exchanger surfaces - there is an evaporation area in which the carrier gas flow can be heated by suitable means to a temperature which is above the dew point temperature of the substance to be condensed in this evaporation area.
  • the means for heating the carrier gas in the evaporation area is, for example, an electric heater or a heat exchanger (evaporation heat exchanger) through which an appropriately temperature-controlled heat transfer medium flows.
  • the device is also equipped with a device for collecting and removing liquid condensate.
  • This preferably has one or more condensate tanks, which are assigned to one or more heat exchangers and in which the condensate collected on the respective heat exchanger is at least temporarily stored; the condensate tank or tanks can be arranged inside or outside the housing; the condensate container can in particular be the sump of the capacitor housing.
  • the carrier gas is successively brought into indirect thermal contact with a heat transfer medium on the two heat exchanger surfaces and is thereby cooled to a temperature below the respective dew point temperature of the substance to be condensed.
  • the carrier gas is heated to a temperature above the dew point temperature of the substance to be condensed there.
  • aerosols present in the carrier gas that contain the substance to be condensed evaporate.
  • the substance which is thus again in gaseous form, condenses again when the carrier gas cools down on the second or a subsequent heat exchanger surface and is then at least partially discharged in the form of liquid condensate.
  • the device according to the invention is characterized by a compact and comparatively simple structure and is suitable for effectively reducing aerosols in the treated carrier gas.
  • the device is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • more than two heat exchanger surfaces for cooling the carrier gas are arranged one behind the other in the flow path of the carrier gas, and the carrier gas flows against them one after the other, with evaporation areas being provided at least between some of the heat exchanger surfaces for intermittent heating of the carrier gas.
  • a group consisting of two or more first heat exchanger surfaces arranged one behind the other in the flow path can be arranged in the flow path in front of an evaporation area equipped with means for heating the carrier gas, and/or a group of two or more second heat exchanger surfaces arranged one behind the other in the flow path can be arranged in the flow path after such an evaporation area, cooling taking place on each of the heat exchanger surfaces and heating of the previously cooled carrier gas taking place in the evaporation area.
  • a sequence of two or more evaporation areas with means for heating the carrier gas can also be provided in the flow path, in front of which (seen in the direction of flow of the carrier gas) a first heat exchanger surface or a group of first heat exchanger surfaces is provided, and behind which a second heat exchanger surface or a group of second heat exchanger surfaces is provided.
  • the second heat exchanger surface or the group of second heat exchanger surfaces can also be arranged directly upstream of an evaporation area, so that it acts as a first heat exchanger or group of first heat exchangers in relation to this evaporation area.
  • first heat exchanger surface(s) should be understood to mean (one) such that is/are arranged in the flow path of the carrier gas in front of an evaporation area and the second Heat exchange surfaces (one) those which is/are arranged in the flow path behind an evaporation area.
  • the first heat exchanger and/or the second heat exchanger is expediently designed as a tube bundle heat exchanger through which a heat transfer medium flows.
  • the first heat exchanger surface and/or the second heat exchanger surface and/or possibly one or more further heat exchanger surfaces are therefore in each case a tube bundle or a section of a tube bundle through which a heat transfer medium flows.
  • the same or different heat transfer media can be used on the two heat exchanger surfaces.
  • a particularly advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the flow path of the carrier gas is routed in a meandering manner around tube bundles of the first and second heat exchangers arranged parallel to one another and functioning as heat exchanger surfaces.
  • a meandering flow path can be created in a conventional manner, for example by means of suitable flow guide plates, so-called
  • “Baffles” can be realized. With each change in direction of the flow path, sections of the respective tube bundles are flown by the carrier gas and lead to a cooling of the carrier gas. Evaporation areas are provided between at least some of the sections, in which means for heating the carrier gas are arranged. When passing through the flow path, the carrier gas is thus repeatedly cooled, heated and cooled again in succession. With such a multi-stage arrangement, aerosols present in the carrier gas and consisting of the substance can be almost completely eliminated.
  • the tube bundles of all the heat exchangers mentioned can also be U-shaped and/or connected to deflection chambers located in a head space of the condenser housing in order to increase the flow path of the respective heat transfer medium in the condenser housing and the contact surface with the carrier gas.
  • the means for heating the carrier gas in the evaporation region preferably have an evaporation heat exchanger equipped with an inlet and an outlet for a heat transfer medium and an evaporation heat exchanger surface. Structurally, in this case it is actually a third heat exchange surface, which is arranged in the flow path between the other two heat exchange surfaces, but is operated at a higher temperature compared to these.
  • the supply line for the heat transfer medium of the evaporation heat exchanger is flow-connected to the outlet line for the heat transfer medium of the first and/or the second heat exchanger, with means for heating the heat transfer medium being provided in the outlet line for the heat transfer medium of the first and/or second heat exchanger, upstream of the evaporation heat exchanger.
  • the first and/or the second heat exchanger and the evaporation heat exchanger are therefore operated with the same heat transfer medium, which, however, is heated after passing through the first and/or the second heat exchanger and before passing through the evaporation heat exchanger.
  • the aforementioned means for heating the heat transfer medium preferably have a condensate bath for the liquid condensate separated in the device and a heat exchanger surface arranged in the condensate bath, which is preferably also a tube bundle or a section of a tube bundle.
  • the heat transfer medium flowing out of the first and/or second heat exchanger can be brought into thermal contact with the condensed substance on the heat exchanger surface before it is fed to the evaporation heat exchanger.
  • the condensate bath is preferably accommodated inside the capacitor housing, for example in a collection container or in the sump of the capacitor housing.
  • one or more tube bundles bent in a U-shape are provided as heat exchanger surfaces, the curved section of which dips into a condensate bath arranged within the condenser housing.
  • the heat transfer medium is preferably heated to such an extent that its temperature is above the dew point temperature of the substance to be condensed in the carrier gas flow and can therefore be used as a heat transfer medium for heating the carrier gas in the evaporation region.
  • the condensate bath is cooled, which reduces the risk of the condensate re-evaporating from the condensate bath.
  • Means for tempering the condensate are preferably provided in the condensate bath. Depending on the respective task, this can be a heating device and/or a cooling device.
  • An equally advantageous development of the invention provides that—seen in the direction of flow of the carrier gas—another heat exchanger, referred to here as a deep-freeze heat exchanger, is arranged downstream of the second heat exchanger.
  • the process gas is further cooled at the deep-freeze heat exchanger, preferably to a temperature that is lower than the temperature of the process gas at the second heat exchanger.
  • any remaining residual load of substance to be condensed out is at least largely eliminated. Since downstream of the second heat exchanger (or a subsequent heat exchanger) aerosols are only present in the carrier gas to a very small extent, there is no longer any need for an evaporation area in the area of the low-temperature heat exchanger.
  • the low-temperature heat exchanger is preferably designed as a tube bundle heat exchanger, on which the carrier gas is brought into thermal contact with a heat transfer medium that is supplied as a liquefied gas and that vaporizes in the process.
  • the evaporated heat transfer medium is then used, for example, as a gaseous heat transfer medium in the first and/or the second heat exchanger and/or the evaporation heat exchanger.
  • the heat exchanger surfaces of the first and/or second heat exchanger and the evaporation heat exchanger are designed as tube bundles which run concentrically to one another in at least one section of the condenser housing, the tube bundles of the first and/or the second heat exchanger being at least partially radially inside the tube bundle of the evaporation heat exchanger are arranged.
  • the evaporation heat exchanger through which the relatively warmer heat transfer medium flows acts as a cooling shield for shielding the first and/or the second heat exchanger.
  • Fig. 1 A device according to the invention in a first embodiment in a longitudinal section
  • Fig. 2 A device according to the invention in a second embodiment in a longitudinal section
  • Fig. 3 A device according to the invention in a third embodiment in a longitudinal section and
  • Fig. 4 A device according to the invention in a fourth embodiment in a longitudinal section.
  • the device 1 shown in FIG. 1 for separating a gaseous or vaporous substance from a carrier gas stream by partial condensation has a condenser housing 2 which is equipped with thermally well-insulating walls.
  • the condenser housing 2 comprises a cylindrical central section 3, a headspace 5 which is fluidically separated from this by a tube plate 4 and a sump 6.
  • a carrier gas inlet 7 opens into the central section 3 in a geodetically viewed lower section and a carrier gas outlet 8 in a geodetically upper section.
  • the head space 5 is divided by a vertical partition 9 into two partial spaces 11 , 12 which are separated from one another in terms of flow.
  • a feed line 13 for a liquid or gaseous heat transfer medium opens into the partial space 12
  • a discharge line 14 for a heat transfer medium opens into the partial space 11 .
  • the sump 6 intended for receiving a liquid condensate is equipped with an overflow 15, to which a gas barrier 16 for preventing an undesired passage of gas, for example a siphon or the like, is connected.
  • the partial spaces 11, 12 of the head space 5 are flow-connected to one another via two U-shaped tube bundles 17, 18, which are only indicated in the exemplary embodiments shown here for reasons of clarity by individual tubes, but actually consist of a plurality of parallel tubes.
  • the tube bundles 17, 18 each have vertical tube bundle sections 17a, 17b; 18a, 18b, which are flow-connected to one another at their lower end via a curved tube bundle section 17c, 18c or by tube sheets (not shown here).
  • the tube bundles 17, 18 reach different depths down into the condenser housing 2; whereas the tube bundle 17 extends no further than a level just above the weir 15, the tube bundle 18 descends deep into the sump 6 below the level of the weir 15.
  • a plurality of flow baffles 19 are arranged in the central section 3 of the capacitor housing 2, which force a gas flowing from the carrier gas inlet 7 to the carrier gas outlet 8 within the central section 3 into a meandering flow path 20 (indicated here by a dot-dash line).
  • a carrier gas (process gas) loaded with a substance to be condensed flows into the condenser housing 2 via the carrier gas inlet 7 and leaves the same at the carrier gas outlet 8.
  • the gas barrier 16 prevents the process gas from flowing out via the overflow 15.
  • the flow path 20 of the process gas runs in a meandering manner, with the process gas successively coming into contact with the tube bundle section 18b, 17b, 17a, 18a (in the case of a flow direction from left to right) or 18a, 17a, 17b, 18b (in the case of a flow direction from right to left) after each direction deflection.
  • a heat transfer medium that is cold compared to the process gas is fed via the partial space 12 of the head space 5, from where it flows into the tube bundles 17, 18.
  • a liquefied gas such as liquid nitrogen
  • the flow of the heat transfer medium guided through the tube bundles 17, 18 is preferably adjusted in such a way that the heat transfer medium still evaporates in the tube bundle sections 17a, 18a as a result of the thermal contact with the process gas.
  • the heat transfer medium flows in parallel through the tube bundles 17, 18 to the partial space 11 and is discharged via the outlet line 14.
  • the process gas Due to the thermal contact of the process gas with the heat transfer medium in the tube bundles 17, 18, the process gas is cooled at least at some points in the flow path 20 to a temperature below the dew point of a gaseous or vaporous substance contained in the process gas (hereinafter also referred to as the “substance to be condensed out”).
  • a liquid condensate forms on the surfaces of the tube bundles 17 , 18 and subsequently collects in the sump 6 to form a condensate bath 22 .
  • the condensate bath 22 rises to a maximum level 21, which is defined by the position of the overflow 15. As soon as its height is reached, the condensate that continues to flow in is discharged via the overflow 15 and disposed of or fed to further utilization.
  • the heat transfer medium guided through the tube bundle 18 comes into thermal contact with the liquid condensate bath 22 and is thereby heated; at the same time the condensate bath 22 in the sump 6 is cooled.
  • the heat transfer medium routed through tube bundle section 18b is therefore at a higher temperature than that routed through tube bundle section 17a, 17b and 18a.
  • the process gas flows around the tube bundle sections 18a, 17a and 17b in succession. Due to the low temperatures prevailing in the tube bundle sections 18a, 17a, 17b, the process gas is cooled to a temperature below the dew point of the substance to be condensed out. In addition to the liquid condensate, undesirable aerosols are also formed, which contain the substance to be condensed and which are entrained by the carrier gas flow.
  • the flow path 20 of the process gas then crosses the tube bundle section 18b twice in succession, which due to the preceding thermal contact with the condensate in the sump 6 is at a comparatively higher temperature.
  • the process gas is thereby heated above the dew point temperature of the substance to be condensed out.
  • the process gas then flows around the tube bundle sections 17b, 17a and 18a again (but in a different loop of the meandering flow path), where it is again cooled to a temperature below the dew point temperature of the substance and the substance again condenses on the surface of the tube bundle sections 17a, 17b, 18a.
  • the tube bundle sections 17a, 17b, 18a thus serve twice as heat exchanger surfaces for cooling the process gas, once before and once after this has passed through the evaporation region 23. A large part of the substance contained in the previously evaporated aerosols can be separated from the process gas in this way and fed to the condensate in the sump 6 .
  • An optionally available, for example electrically operated heating device 24 enables the temperature of the condensate to be controlled if required, in particular to prevent the condensate from cooling down too much or freezing due to thermal contact with the heat transfer medium at the tube bundle section 18c.
  • the heat transfer medium can also be heated before passing through the tube bundle section 18c, or warmer heat transfer medium can be mixed with the heat transfer medium in the tube bundle section 18c.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 is distinguished from the exemplary embodiment described above by a longer flow path for the process gas and thus by improved utilization of the coldness of the heat transfer medium.
  • the device 101 shown in FIG. 2 has a vertically arranged, thermally well-insulated capacitor housing 102.
  • the condenser housing 102 is provided with a central section 103, a head section 105 which is fluidically separated from this by a tube sheet 104 and equipped with a sump 106.
  • a carrier gas inlet 107 and a carrier gas outlet 108 open into it.
  • the head space 105 is divided by a vertical partition 109 into two fluidically separate subspaces 111 and 112, with a supply line 113 for a heat transfer medium opening into the subspace 112 and a discharge line 114 for a heat transfer medium opening into the subspace 111.
  • the sump 106 is equipped with an overflow 115 and a gas lock 116 .
  • the partial spaces 111, 112 of the head space 105 are flow-connected to one another via two U-shaped tube bundles 117, 118, which are also only indicated here by individual tubes.
  • the tube bundles 117, 118 each have vertical tube bundle sections 117a, 117b; 118a, 118b, which are flow-connected to one another at their lower end via a curved tube bundle section 117c, 118c (as shown here) or by tube plates.
  • the tube bundles 117, 118 reach different depths down into the condenser housing 102; whereas tube bundle 117 extends no further than a level just above weir 115, tube bundle 118 descends deep into sump 106 below the level of weir 115.
  • the central section 103 of the capacitor housing 103 is divided by a partition 119 into two sections 120, 121 which are partially separated from one another in terms of flow.
  • the dividing wall 119 extends vertically from the tube sheet 104 down to just above the sump 106 and forces a process gas supplied via the carrier gas inlet 107 to follow a downward flow path in section 120 and an upward flow path in section 121, i.e. in countercurrent to the heat exchanger medium flowing from the inlet line 113 to the outlet line 114 through the tube bundles 117, 118.
  • flow guide plates 122 are provided in both sections 120, 121, which impose a meandering course on the process gas.
  • Section 120 serves in particular to cool the process gas to a temperature below the dew point temperature of a substance to be condensed and to remove aerosols that have formed.
  • the process gas in section 120 flows around the tube bundle sections 117b and 118b of the tube bundles 117, 118 in alternation.
  • the process gas is cooled to a temperature below the dew point temperature of the substance to be condensed out.
  • the liquid condensate that accumulates on the surface of the tube bundle section 117b flows via the flow guide plates 122 to the sump 106 and collects there to form a condensate bath 123.
  • the heat exchanger medium of tube bundle 118 immersed in tube bundle section 118c in condensate bath 123 and heated there in thermal contact with the condensate is at a higher temperature in tube bundle section 118b than the heat transfer medium in tube bundle section 117b. Therefore, the process gas previously cooled at the tube bundle section 117b is heated during thermal contact with the heat transfer medium in the tube bundle section 118b, specifically to a temperature that is above the dew point temperature of the substance to be condensed out. The heat is transferred here by contact of the process gas with the tube bundle section 118b and/or by thermal radiation emanating from the tube bundle section 118b.
  • the process gas flows from section 120 into section 121 of central section 103 .
  • the process gas is constantly cooled to a low temperature in thermal contact with the tube bundle sections 117a, 118a, which in this respect function as deep-freeze heat exchangers.
  • the tube bundle sections 117a, 118a are also preferably used for evaporating the liquid heat transfer medium supplied via the feed line 113.
  • a condenser housing 202 which is also arranged vertically and is provided with thermal insulation, which is divided into a cylindrical central section 203, a head section 205, which is fluidically separated from it by a tube plate 204, and a sump 206.
  • the head space 205 is divided by two vertical partitions 209, 210 into three fluidically separate subspaces 211a, 211b, 212, with a supply line 213 for a heat transfer medium opening into the subspace 212 and an outlet line 214 for a heat transfer medium opening into the subspace 211a.
  • the partial space 211b has no line connection to the outside of the housing 202.
  • the sump 206 is equipped with an overflow 215 and a gas lock 216, as in the previous exemplary embodiments.
  • a tube bundle 222 extends through the section 221 and fluidically connects the two partial spaces 212 and 211b to one another.
  • the tube bundle 222 comprises two tube bundle sections 222a, 222b running essentially perpendicularly and parallel to one another, as well as a tube sheet 223 connecting them at their ends opposite the tube sheet 204.
  • the tube sheet 223 hangs freely on the tube bundle sections 222a, 222b and is arranged above the condensate bath 219.
  • a U-shaped tube bundle section (similar to tube bundle 226c) can also be provided.
  • two U-shaped tube bundles 225, 226 are arranged, which fluidically connect the partial spaces 211a and 211b of the head space 205 with one another.
  • the tube bundles 225, 226 each have vertical tube bundle sections 225a, 225b; 226a, 226b, which are flow-connected to one another at their lower end by a tube plate 225c or via a curved tube bundle section 226c.
  • the tube bundles 225, 226 extend down to different depths into the condenser housing 202; while the tube bundle 225 does not reach deeper than a height above the overflow 215, the tube bundle 226 is immersed in the liquid condensate bath 219 with the tube base section 226c.
  • a plurality of flow guide plates 227 are provided, which in sections 220, 221 in each case forces a gas flowing from the carrier gas inlet 207 to the carrier gas outlet 208 within the central section 203 into a meandering flow path running downwards in section 220 and upwards in section 221.
  • a process gas loaded with a substance to be condensed flows via the carrier gas inlet 207 into the condenser housing 202 and leaves the same at the carrier gas outlet 208.
  • the gas barrier 216 prevents process gas from flowing out via the overflow 215.
  • the process gas is forced into a meandering flow path by the flow guide plates 227, with the process gas successively coming into contact with the tube bundle section 226b, 225b, 225a, 226a (in the case of a flow direction from left to right) or 226a, 225a, 225b, 226b (in the case of a flow direction from right to left) after each change in direction.
  • a cold heat transfer medium present in partial space 211b is fed into tube bundle sections 225a, 226a.
  • the heat transfer medium flows in parallel through the tube bundles 225, 226 to the partial space 211a and is discharged via the outlet line 214.
  • the process gas is cooled to a temperature below the dew point temperature of the substance to be condensed.
  • a liquid condensate forms on the surface of the tube bundle sections 226a, 225a, 225b, which flows to the sump 206 and forms the condensate bath 219 there.
  • the heat transfer medium guided through the tube bundle 226 comes into thermal contact with the liquid condensate and heats up in the process; at the same time the condensate in the sump 206 is cooled.
  • the heat transfer medium routed through tube bundle section 226b is therefore at a higher temperature than that routed through tube bundle section 225a, 225b and 226a.
  • the process gas previously cooled in the pipe sections 225a, 225b and 226a is heated, and aerosols of the substance to be condensed that have previously formed evaporate again.
  • the heat transfer medium routed through the pipeline sections 225b, 226b is then discharged via the partial space 211a and the outlet line 214.
  • the process gas then flows into the section 221 and is cooled there due to the thermal contact with the heat transfer medium supplied via the feed line 213 and fed into the tube bundle section 222a via the partial space 212 and guided through the tube bundle 222 .
  • the heat transfer medium is, for example, a cryogenically liquefied gas that evaporates when it comes into thermal contact with the process gas at the tube bundle 222 .
  • the tube bundle 222 thus corresponds to a low-temperature heat exchanger, on which the process gas is further cooled in order to eliminate as far as possible any remaining residual load with the substance to be condensed out by condensation.
  • the substance or substances can also freeze out on the tubes of the tube bundle sections 222a, 222b in this area; in this case the device 201 must be defrosted from time to time in order to maintain its full efficiency. Since there are virtually no more aerosols in the process gas in section 221, there is no need to provide an evaporation area there.
  • the heat transfer medium which heats up during thermal contact with the process gas on the tubes of the tube bundle 222 and possibly evaporates, flows into the subspace 211b. There it then serves as a heat transfer medium for cooling the process gas in section 220 by being guided through tube bundle heat exchangers 225, 226, as described above. Overall, the operating temperature is therefore higher in section 220 than in section 221 .
  • the condenser housing 202 is divided not only into two sections 220, 221, but into three or more sections, in each of which tube bundles are arranged, which are successively passed through by the heat exchanger medium in the manner described and thereby bring about thermal contact of the heat exchanger medium with the process gas.
  • Such sections can also be arranged one above the other in the capacitor housing.
  • the residual coldness of the treated process gas can be used to cool the untreated process gas in section 220.
  • at least a partial flow of the process gas exiting at the carrier gas outlet 208 is fed via a line 228, which is only indicated here by a dashed line, to a tube bundle arranged in section 220, which tube bundle functions as a recuperator 230, in that the comparatively cold, treated process gas is brought into indirect thermal contact there with the comparatively warm, untreated process gas.
  • a recuperator can also be arranged elsewhere, for example upstream of the carrier gas inlet 207.
  • the device 301 shown in FIG. 4 is characterized by a concentric arrangement of the tube bundles used as heat exchanger surfaces. Similar to the exemplary embodiments shown above, the device 301 comprises a vertically arranged, thermally well-insulated condenser housing 302, which has a cylindrical central section 303, a head section 305 which is fluidically separated therefrom by a tube plate 304, and a sump 306.
  • a carrier gas inlet 307 opens out laterally at the central section 303 .
  • a process outlet 308 is guided through the head section 305 and the tube sheet 304 and opens into the central section 303 approximately in the middle of the tube sheet 304 .
  • the head space 305 is divided by cylindrical partitions 309a, 309b arranged coaxially to one another into subspaces 310, 311, 312, which are separated from one another in terms of flow and are arranged concentrically to one another, namely an inner subspace 310, a middle subspace 311 and an outer subspace 312.
  • a feed line 313 for a heat transfer medium opens into the inner subspace 310; nitrogen (LIN), and a discharge line 314 for the heat transfer medium heated during operation of the device 301 and possibly evaporated in the process, gaseous nitrogen (GAN) in the exemplary embodiment shown here, opens into the outer partial space 312 .
  • the middle partial space 311 has no line connection to the outside of the condenser housing 302.
  • the sump 306 is equipped with an overflow 315 and a gas barrier 316, as in the exemplary embodiments shown above.
  • a separating tube 318 is arranged concentrically to a longitudinal axis 317 of the central section 303 and extends within the central section 303 from the tube sheet 304 down to a height just above the overflow 315 and thus above a condensate bath 319 located in the sump 306 when the device 301 is in operation.
  • the separating tube 318 divides the central section 303 into two functional sections, an inner section 320 and an outer section 321 of which - similar to the devices 101, 201 - a section (here section 320) is used to remove the aerosols from the process gas, while in a second section (here section 321) any remaining residual load in the process gas is reduced.
  • a tube bundle 322 is arranged in the inner section 320 and fluidically connects the inner subspace 310 to the central subspace 311 of the head space 305 .
  • the tube bundle 322 has vertical tube bundle sections 322a, 322b which are flow-connected to one another at their lower end by a tube plate 323 or via curved tube bundle sections (not shown here).
  • the tube bundle 322 only extends so far down inside the central section 303 that it is not wetted by the condensate bath 319 during operation of the device 301 ; the tube plate 323 is therefore arranged vertically above the overflow 315 .
  • Two tube bundles 325, 326 are arranged in the outer section 321, via which the middle partial space 311 and the outer partial space 312 of the head space 305 are flow-connected to one another.
  • the tube bundles 325, 326 each have vertical tube bundle sections 325a, 325b; 326a, 326b, which are flow-connected to one another at their lower end via a tube plate 325c or via tube bundle sections 326c curved in a U-shape.
  • the tube bundles 325, 326 reach down into the condenser housing 302 at different depths; while tube bundle 325 extends no further than a level just above sump 306, outer tube bundle 326 with tube sheet portion 326c descends deep into sump 306 below the level of overflow 315.
  • the tube bundles 322, 325, 324 each made up of a plurality of tubes guided parallel to one another, are also only indicated in Fig. 4 by individual tubes; in particular, the tube bundles 322, 325, 326 extend with a large number of tubes over the entire circumferential direction of the central section 303.
  • a plurality of crescent-shaped or annular flow guide plates 327 are arranged both in the inner section 320 and in the outer section 321 of the central section 303 .
  • the flow guide plates 327 force a process gas guided through the respective section 320, 321 into a meandering flow path, the process gas being guided downwards in the outer section 321 and upwards in the inner section 320.
  • a process gas loaded with a substance to be condensed flows via the carrier gas inlet 307 into the condenser housing 302 and leaves the same at the carrier gas outlet 308.
  • the gas barrier 316 prevents process gas from flowing out via the overflow 315.
  • the process gas is forced by the flow baffle plates 327 in a radial direction into a meandering flow path. With each flow reversal, it successively comes into contact with the tube bundle sections 326a, 325a, 325b, 326b (in the case of a radial outward flow) or the tube bundle sections 326b, 325b, 325a, 326a (in the case of a radial inward flow).
  • the process gas is cooled to below the condensation temperature of the loaded substance. This results in the tube bundle sections 326a, 325a, 325b, which subsequently flows into the condensate bath 319 in the sump 306.
  • undesired aerosols containing the substance to be condensed form in the vicinity of the tube bundle sections 326a, 325a, 325b.
  • the heat transfer medium flows in parallel through the tube bundles 325, 326 to the partial space 312 and is discharged via the outlet line 314. Since the curved tube bundle section 326c of the tube bundle 326 runs through the condensate bath 319, the heat transfer medium guided through the tube bundle 326 comes into thermal contact with the liquid condensate and is thereby heated; at the same time, the condensate in the sump 306 is cooled.
  • the heat transfer medium routed through tube bundle section 326b is therefore at a higher temperature than that routed through tube bundle section 325a, 325b and 326a.
  • the process gas flows into the inner section 320, in which it is cooled to a very low temperature at the tube bundle 322, which acts as a low-temperature heat exchanger. It is again forced into a meandering course by flow baffles 327, with it coming into contact with the tube bundle sections 322a, 322b after each direction deflection.
  • a cryogenic, preferably liquefied heat transfer medium for example liquid nitrogen, is fed into the tube bundle section 322a via the inner partial space 310 of the head space 305, passes through the tube bundle section 322b and thus reaches the central partial space 311 of the head space 305.
  • the process gas is cooled at the tube bundle 322 to a temperature which is lower than the temperature of the process gas at the heat exchanger surfaces 325a, 3 25b and 326a in the outer section 321.
  • the heat transfer medium in the tube bundle 322 evaporates as a result of the thermal contact with the process gas. Because located in the inner section 320 as well as there are no more aerosols in the process gas, there is no need to provide an evaporation area.
  • the treated process gas finally flows out via the process gas outlet 308 . Because it is still at a low temperature, it is also optionally possible here to connect a recuperator (not shown here) upstream of the device 301 or to integrate a recuperator into the apparatus in which the treated process gas is brought into thermal contact with the untreated process gas.
  • the device 301 enables particularly efficient operation since the tube bundle 322 operated at the lowest temperature is arranged radially on the inside and the tube bundle section 326b operated at the highest temperature is arranged radially on the outside. As a result, cold losses due to the unavoidable introduction of heat through the wall of the condenser housing 302 are reduced. In the case of certain tasks, thermal insulation of the capacitor housing 302 can even be dispensed with.
  • the radially symmetrical arrangement of the tube bundles 322, 325, 326 also simplifies the flow path of the process gas and enables a better approximation of an equilibrium loading, which increases the degree of separation.
  • the vertical structure shown in the exemplary embodiments shown here is by no means mandatory within the scope of the invention; other arrangements are also conceivable, for example capacitors with a horizontal housing.
  • the devices 1, 101, 201 and 301 can each be equipped with a device for process control, not shown here, by means of which the supplied quantity flows of process gas and heat transfer medium can be regulated according to the respective task.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird im Gehäuse eines Kondensators ein mit einem auszukondensierenden Stoff beladenes Trägergas nacheinander einer ersten und einer zweiten Wärmetauscherfläche zugeführt, in dem es in indirektem Kontakt mit einem Wärmeträgermedium auf eine Temperatur unterhalb der jeweiligen Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes gebracht wird. Zwischen der ersten und der zweiten Wärmetauscherfläche ist im Strömungsweg des Trägergases einen Verdunstungsbereich vorgesehen, in der geeignete Heizmittel sicherstellen, dass das Trägergas auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkttemperatur erwärmt wird. Dadurch verdunsten Aerosole des auszukondensierenden Stoffs, die sich an der ersten Wärmetauscherfläche gebildet haben, und werden an der zweiten Wärmetauscherfläche zumindest teilweise auskondensiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden eines Stoffes aus einem Trägergasstrom durch Partialkondensation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines gas- oder dampfförmigen Stoffes aus einem Trägergasstrom durch Partialkondensation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen sind bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ein mit einem abzuscheidenden Stoff beladenes Trägergas auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts des Stoffs gekühlt und der dabei kondensierende Stoff anschließend aus dem Trägergasstrom entfernt wird. Bei dem im Verlauf des Verfahrens selbst nicht kondensierenden Trägergas handelt es sich beispielsweise um Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder ein Edelgas oder ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Gasen. Häufig handelt es sich beim Trägergas um einen mit den abzuscheidenden Gasen oder Dämpfen beladenen Gasstrom aus einem industriellen Prozess (Prozessgas). Im Folgenden werden die Begriffe „Prozessgas“ und „Trägergas“ synonym verwendet. Der mit abzuscheidenden Stoffen beladene Trägergasstrom wird im Folgenden auch als „zu behandelnder Trägergasstrom“ bzw. „zu behandelnder Prozessgasstrom“ und der von den abzuscheidenden Stoffen zumindest teilweise befreite Trägergasstrom als „behandelter Trägergasstrom“ bzw. „behandelter Prozessgasstrom“ bezeichnet.
Bei den durch Kondensation aus dem Trägergas abzuscheidenden Gasen oder Dämpfen handelt es sich insbesondere um sogenannte VOCs (Volatile Organic Compounds), oder um andere Stoffe, deren Kondensationstemperatur über der des Trägergases liegt, wie beispielsweise Wasser. Dabei ist es unerheblich, ob die abzuscheidenden Stoffe bei Umgebungsbedingungen flüssig oder gasförmig sind. Im Übrigen kann ein zu behandelnder Trägergasstrom auch mit mehreren Stoffen beladen sein, von denen nicht alle abzuscheiden sind, oder die in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten abgeschieden werden sollen. Aus dem Stand der Technik bekannte Kondensationsverfahren bedienen sich eines oder mehrerer Apparate, die als Kondensatoren bezeichnet werden. Ein Kondensator weist ein meist thermisch gut isoliertes Gehäuse auf, durch das der zu behandelnde Trägergasstrom entlang eines Strömungswegs geführt und dort an Wärmetauscherflächen in indirekten Kontakt mit einem kalten Wärmeträgermedium gebracht wird. Dabei wird das Trägergas auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts des aus dem Prozessgas abzuscheidenden gas- oder dampfförmigen Stoffes abgekühlt. Der Stoff kondensiert oder gefriert zumindest teilweise, und das entstehende Kondensat kann vom Gasstrom abgetrennt werden. Bei dem Wärmeträgermedium handelt es sich beispielsweise um ein kryogenes Kühlmedium, wie flüssiger Stickstoff. Derartige Kondensationsapparate sind vielfach im Einsatz und werden beispielsweise in der EP 1 743 688 A1 , der EP 0275472 A2, der EP 0 988 879 A1 , oder der DE 19645487 C1 beschrieben.
Problematisch bei vielen bekannten Kondensationsverfahren ist die Ausbildung von Aerosolen. Wenn ein mit einem Stoff beladener Trägergasstrom auf eine Oberfläche trifft, deren Temperatur deutlich unterhalb der Taupunkttemperatur des Stoffes ist, entstehen im Umgebungsbereich der Oberfläche Aerosole, die auszukondensierenden Stoff enthalten und die sich in den Kondensatoren selbst nicht mehr aus dem Trägergasstrom abscheiden lassen. Dies führt zu einer höheren Restbeladung der behandelten Trägergasströme als man aufgrund der im Kondensator erreichten Trägergastemperatur erwarten würde.
Zur Vermeidung oder Reduzierung der Aerosolbildung ist bekannt, Kondensationsverfahren so zu konzipieren, dass im Strömungsweg des Kondensators nur möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen Trägergas und Kühloberflächen auftreten. Dies führt allerdings entweder zu sehr großen und aufwändigen Apparaten, oder es müssen Einbußen bei der Effizienz des Verfahrens hingenommen werden.
Weiterhin ist aus der EP 1 602 401 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aerosolarmen Partialkondensation bekannt. Dabei wird ein zu behandelnder Trägergasstrom durch zwei hintereinander geschaltete Kondensatoren geführt, in denen er jeweils mit einem kryogenen Wärmeträgermedium in indirekten thermischen Kontakt gebracht wird. Zwischen den Kondensatoren ist eine Heizeinrichtung angeordnet, mittels der der Trägergasstrom auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur eines aus dem Trägergas zu entfernenden Stoffes gebracht wird. Dadurch verdampfen die Aerosole, die sich im ersten Kondensator gebildet haben. Im nachfolgenden Kondensator findet eine erneute Abkühlung unter den Taupunkt des Stoffes im Trägergas statt, wodurch zumindest ein erheblicher Teil des abzuscheidenden Stoffs aus den vormaligen Aerosolen abgeschieden werden kann. Der Aerosolanteil im behandelten Trägergasstrom wird auf diese Weise drastisch minimiert. Das dort beschriebene Verfahren hat sich bewährt, ist aber vergleichsweise aufwändig in Aufbau und Wartung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Möglichkeit zur Abscheidung von dampf- oder gasförmigen Stoffen aus einem Trägergasstrom durch Partialkondensation anzugeben, bei der die Beladung des behandelten Trägergasstroms mit Aerosolen gegenüber Kondensationsverfahren nach dem Stand der Technik reduziert ist und das mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisierbar ist.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Erfindungsgemäß durchläuft das Trägergas also innerhalb des Gehäuses eines Kondensators einen Strömungsweg, an dem es nacheinander an wenigstens zwei Wärmetauscherflächen in indirekten thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium, beispielsweise flüssiger oder kalter gasförmiger Stickstoff, gebracht wird. An einer ersten Wärmetauscherfläche wird es dabei auf eine erste Temperatur Ti unterhalb der Taupunkttemperatur TTi des auszukondensierenden Stoffes im Bereich der ersten Wärmetauscherfläche gekühlt. Dabei kondensiert zumindest ein erster Teil der im Trägergasstrom enthaltenen Menge des Stoffes aus und wird als flüssiges Kondensat abgeführt und beispielsweise in einem Kondensatbehälter oder innerhalb des Kondensatorgehäuses als Kondensatbad gesammelt. Anschließend durchläuft das Trägergas im Strömungsweg einen Verdunstungsbereich, in dem eine Temperatur T2 aufrecht erhalten wird, die über der Taupunkttemperatur TT2 des Stoffes in diesem Bereich liegt. Dabei verdunsten die im Trägergasstrom vorliegenden Aerosole zumindest teilweise. An einer im Strömungsweg dem Verdunstungsbereich nachfolgenden zweiten Wärmetauscherfläche wird das Trägergas erneut gekühlt, diesmal auf eine dritte Temperatur T3 unterhalb der Taupunkttemperatur TT3 des auszukondensierenden Stoffes im Bereich der zweiten Wärmetauscherfläche. An der zweiten Wärmetauscherfläche schlägt sich dadurch ein wesentlicher Teil des Stoffs aus den zuvor verdunsteten Aerosolen als flüssiges Kondensat nieder und wird ebenfalls, beispielsweise in das Kondensatbad, abgeführt. In der Regel gilt also TS<TI<T2, d.h. die Temperatur des Trägergases an der zweiten Wärmetauscherfläche ist niedriger als die Temperatur des Trägergases an der ersten Wärmetauscherfläche. Die Temperatur der Wärmeträgermedien im ersten und zweiten Wärmetauscher kann dabei auf gleicher Höhe liegen oder unterschiedlich sein; wesentlich für die Erfindung ist jedoch, das Trägergas im Bereich beider Wärmetauscher jeweils auf eine Temperatur unterhalb der jeweiligen Taupunkttemperatur gebracht wird.
Die Anordnung der ersten und zweiten Wärmetauscherflächen und des Verdunstungsbereiches innerhalb des gleichen Kondensatorgehäuses führt dazu, dass das durchströmende Trägergas innerhalb einer vergleichsweise kurzen Wegstrecke sehr rasch nacheinander abgekühlt und wieder erwärmt wird. Für Aerosoltröpfchen, die sich bei der Kondensation des Stoffes in der Umgebung des ersten Wärmetauschers gebildet haben, steht daher nur wenig Zeit zur Verfügung, zu größeren und stabileren Tröpfchen zu koagulieren; sie verdunsten aufgrund ihres vergleichsweise kleinen Durchmessers im Verdunstungsbereich sehr rasch.
In vorteilhafter Weise kann das Verfahren auch mehrstufig durchgeführt werden, indem das Trägergas beim Durchlaufen des Strömungswegs mehrfach nacheinander an einer ersten Wärmetauscherfläche oder einer Gruppe von ersten Wärmetauscherflächen abgekühlt, anschließend in einem Verdunstungsbereich aufgewärmt und an einer zweiten Wärmetauscherfläche oder einer Gruppe von zweiten Wärmetauscherflächen erneut abgekühlt wird. Dabei kann die Strömungsführung auch so gewählt werden, dass eine stromab zu einem Verdunstungsbereich angeordnete zweite Wärmetauscherfläche (oder eine Gruppe von zweiten Wärmetauscherflächen) zugleich als erste Wärmetauscherfläche (oder Gruppe von ersten Wärmetauscherflächen) für einen darauffolgenden Verdunstungsbereich fungiert. Eine solche Ausgestaltung kann in besonders einfacher Weise beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Trägergas im Kondensatorgehäuse durch übliche Strömungsleitbleche in eine mäanderförmige Bahn gezwungen wird und dabei wiederkehrend mehrere geradlinig angeordnete, als erste und/oder zweite Wärmetauscherflächen dienende Rohrbündel umströmt, die von den durch sie geführten Wärmeträgermedien gekühlt werden. Zwischen zwei solcher Wärmetauscherflächen oder zwischen zwei Gruppen von Wärmetauscherflächen sind Verdunstungsbereiche vorgesehen, die mit Mitteln zum Erwärmen des Trägergases ausgerüstet sind; bei diesen handelt es sich beispielsweise um einen weiteren Wärmetauscher, etwa ein Rohrbündel, das von einem entsprechend wärmeren Wärmeträgermedium durchströmt wird. Bei einer mehrstufigen Verfahrensführung können auch große Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeträgermedien an den Wärmetauscherflächen und dem Trägergas zugelassen werden, da die sich anfangs in einem vergleichsweise hohem Umfang bildenden Aerosole in den nachfolgenden Verfahrensstufen zumindest weitgehend beseitigt werden. Dies erhöht die Effizienz des Verfahrens und ermöglicht eine kompakte Bauweise einer entsprechenden Kondensationsvorrichtung.
Die Temperatur des Trägergases im Verdunstungsbereich kann insbesondere mittels einer beispielsweise elektrische Heizeinrichtung und/oder durch Wärme aus einer Strahlungsquelle gesteuert werden. Besonders bevorzugt ist jedoch, dass das Trägergas im Verdunstungsbereich mittels einer Wärmetauscherfläche (Verdunstungswärmetauscherfläche) erwärmt wird, an der das Trägergas in indirekten thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium gebracht wird, dessen Temperatur über der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffs im Trägergas liegt. Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur im Verdunstungsbereich mittels geeigneter Mittel in Abhängigkeit gemessener Parameter, wie beispielsweise einer Restbeladung des behandelten Trägergases, geregelt wird.
Bei dem an einer solchen Verdunstungswärmetauscherfläche zum Einsatz kommenden Wärmeträgermedium kann es sich um ein anderes oder um das gleiche Wärmeträgermedium handeln, das auch an der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherfläche zum Einsatz kommt. Für die Erwärmung des Trägergases im Verdunstungsbereich an der Verdunstungswärmetauscherfläche muss es entsprechend temperiert werden.
Die Temperierung eines an der Verdunstungswärmetauscherfläche zum Einsatz kommenden Wärmeträgermediums kann beispielsweise mittels einer elektrischen oder anderweitig betriebenen Heizeinrichtung erfolgen. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht jedoch vor, dass zumindest ein Teilstrom des an der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherfläche eingesetzten Wärmeträgermediums nach Durchlaufen dieser Wärmetauscherfläche/n in thermischen Kontakt mit dem aufgefangenen Kondensat im Kondensatbad gebracht und anschließend der Verdunstungswärmetauscherfläche zugeführt wird. Das Kondensat liegt bei einer Temperatur vor, die naturgemäß über der geforderten Taupunkttemperatur liegt. Beispielsweise wird das an der ersten und/oder der zweiten und/oder einer folgenden Wärmetauscherfläche aufgefangene Kondensat in einem Kondensatbehälter zwischengelagert, der innerhalb oder außerhalb des Kondensatorgehäuses angeordnet sein kann. In diesem Kondensatbehälter ist bevorzugt ein Wärmetauscher angeordnet, an dem das von der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherfläche abgeführte Wärmeträgermedium in indirekten thermischen Kontakt mit dem Kondensat gebracht wird.
Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einer Vorrichtung zum Einsatz kommt, bei der das Kondensat innerhalb des Kondensatorgehäuses, beispielsweise einem Sumpf des Gehäuses unter Ausbildung eines Kondensatbades aufgefangen wird, bei dem also keine strömungstechnische Trennung des aufgefangenen Kondensats zum Trägergasstrom besteht. Bei derartigen Anordnungen besteht, insbesondere bei leicht siedenden Stoffen, das Problem, dass das Kondensat aufgrund einer thermischen Fluktuation oder eines Wärmeeintrags von außen ganz oder teilweise rückverdampft und wieder in das Trägergas gelangt. Durch den Wärmekontakt des Wärmeträgermediums aus dem ersten und/oder dem zweiten Wärmetauscher mit dem Kondensat im Kondensatbad wird dessen Temperatur bevorzugt so weit unterhalb seiner Siedetemperatur herabgesetzt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Rückverdampfung auch bei etwaigen vorhandenen thermischen Fluktuationen im Trägergasstrom oder Wärmeeinträgen über die Wände der Apparatur zumindest reduziert oder eine Rückverdampfung ganz verhindert wird. Auf diese Weise kann insbesondere auf eine aktive Kühlung des Kondensats mittels einer Kühleinrichtung verzichtet oder eine solche zumindest kleiner ausgelegt werden.
Fallweise kann es sich dabei jedoch auch als zweckmäßig erweisen, das Kondensat und/oder das zum Wärmetauscher im Kondensatbad geführte Wärmeträgermedium zu beheizen, beispielsweise mittels einer elektrischen Heizeinrichtung. Die Heizung verhindert insbesondere dann, wenn ein großer Mengenstrom an Wärmeträgermedium durch den Wärmetauscher im Kondensatbehälter geführt wird, eine zu starke Abkühlung oder gar ein Einfrieren des Kondensats.
Die an der ersten, der zweiten und/oder ggf. weiteren Wärmetauscherflächen zum Einsatz kommenden Wärmeträgermedien können ganz oder teilweise unterschiedlichen Quellen entnommen sein, beispielsweise kann es sich um stofflich unterschiedliche oder auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltene Medien handeln. Bevorzugt entstammen jedoch das an der ersten Wärmetauscherfläche und das an der zweiten Wärmetauscherfläche zum Einsatz kommende Kühlmedium einer gemeinsamen Quelle, bei der es sich beispielsweise um einen Tank für flüssigen Stickstoff handelt. Erfolgt die Beheizung des Verdunstungsbereiches mittels eines Wärmeträgermediums an einer Verdunstungswärmetauscherfläche, so ist es, besonders aus wirtschaftlichen Gründen, vorteilhaft, auch dafür das gleiche Wärmeträgermedium, also beispielsweise Stickstoff, zu verwenden, der gleichen Quelle entstammt wie die übrigen Wärmeträgermedien.
Besonders vorteilhaft ist eine Verfahrensführung, bei der ein verflüssigtes Gas, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff (LIN), flüssiger Sauerstoff (LOX) oder Flüssigerdgas (LNG), als Wärmeträgermedium zum Einsatz kommt, das an der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherfläche durch den thermischen Kontakt mit dem Trägergas zumindest teilweise verdampft. Dadurch wird zusätzlich die Verdampfungsenthalpie des Wärmeträgermediums zur Kühlung des Trägergases genutzt. Als Wärmeträgermedium kommt an der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherfläche bevorzugt ein kryogenes Wärmeträgermedium, beispielsweise flüssiger Stickstoff (LIN) oder ein anderes tiefkalt verflüssigtes Gas zum Einsatz. Es sind aber auch andere flüssige oder gasförmige Wärmeträgermedien einsetzbar, die auf eine zum Auskondensieren der jeweils gewählten abzuscheidenden Stoffe im Trägergasstrom geeignete Temperatur gebracht werden können, wie beispielsweise Sole, Kühlwasser oder Thermalöl.
Da das behandelte Trägergas nach dem thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgermedium an der zweiten oder einer späteren Wärmetauscherfläche auf einer mitunter sehr tiefen Temperatur vorliegt, erweist es sich in vielen Fällen als vorteilhaft, wenn zumindest ein Teilstrom des behandelten Trägergases mit dem unbehandelten Trägergas in thermischen Kontakt gebracht wird, um eine noch vorhandene Restkälte zur Kühlung des unbehandelten Trägergases zu nutzen. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer zusätzlichen Wärmetauscherfläche (Rekuperator), beispielsweise in Gestalt eines Rohrbündels, das innerhalb oder außerhalb des Kondensatorgehäuses angeordnet ist und an der zumindest ein Teilstrom des behandelten Trägergases mit dem unbehandelten Trägergasstrom in indirekten thermischen Kontakt gebracht wird.
Im Übrigen ermöglicht das erfindungsgemäßen Verfahren auch die Behandlung von Trägergasströmen, die mit mehreren Stoffen beladen sind, von denen nicht alle abzuscheiden sind, oder die gleichzeitig oder in aufeinanderfolgenden Schritten in der oben beschriebenen Weise abgeschieden werden sollen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist also ein Kondensatorgehäuse auf, durch das sich von einem Prozessgaseingang zu einem Prozessgasausgang ein Strömungsweg erstreckt, durch den im Einsatz der Vorrichtung ein mit einem auszukondensierenden Stoff beladenes Trägergas geführt wird. Beim Strömungsweg handelt es sich nicht notwendigerweise um einen geradlinigen Weg; vielmehr kann der Strömungsweg auch so ausgebildet sein, dass das Trägergas im Gehäuse ein- oder mehrfach umgelenkt und/oder mittels geeigneter Hilfsmittel, wie etwa Strömungsleitbleiche, in eine mäandernde Bahn gezwungen wird. In diesem Strömungsweg sind hintereinander zwei oder mehr Wärmetauscherflächen zum Kühlen des Trägergases auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur eines im Trägergas befindlichen, auszukondensierenden Stoffes angeordnet, bei denen es sich jeweils beispielsweise um ein Rohr, ein Rohrbündel oder um eine Kühlschlange oder um einen Abschnitt eines Rohrs, Rohrbündels oder Kühlschlange handelt. Zwischen zumindest zwei der Wärmetauscherflächen - hier erste und zweite Wärmetauscherfläche genannt - ist ein Verdunstungsbereich vorgesehen, in dem der Trägergasstrom mit geeigneten Mitteln auf eine Temperatur erwärmbar ist, die über der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes in diesem Verdunstungsbereich liegt. Bei den Mitteln zum Erwärmen des Trägergases im Verdunstungsbereich handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Heizung oder um einen von einem entsprechend temperierten Wärmeträgermedium durchströmten Wärmetauscher (Verdunstungswärmetauscher). Die Vorrichtung ist zudem mit einer Einrichtung zum Auffangen und Abführen flüssigen Kondensats ausgerüstet. Diese weist bevorzugt einen oder mehrere Kondensatbehälter auf, die einem oder mehreren Wärmetauschern zugeordnet sind und in denen das an dem jeweiligen Wärmetauscher aufgefangene Kondensat zumindest vorübergehend gespeichert wird; der oder die Kondensatbehälter kann/können innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein; beim Kondensatbehälter kann es sich insbesondere um den Sumpf des Kondensatorgehäuses handeln.
Im Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Trägergas nacheinander an den beiden Wärmetauscherflächen in indirekten thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium gebracht und dabei auf eine Temperatur unterhalb der jeweiligen Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffs gekühlt. Durch die Erwärmung des Trägergases in dem zwischen zwei Wärmetauscherflächen befindlichen Verdunstungsbereich wird das Trägergas auf eine Temperatur oberhalb der dort bestehenden Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffs erwärmt. Dadurch verdunsten im Trägergas vorhandene Aerosole, die den auszukondensierenden Stoff enthalten. Der somit wieder in Gasform vorliegende Stoff kondensiert erneut bei der Abkühlung des Trägergases an der zweiten, bzw. einer nachfolgenden Wärmetauscherfläche und wird anschließend zumindest teilweise in Form von flüssigem Kondensat abgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen kompakten und vergleichsweise einfachen Aufbau aus und ist geeignet, Aerosole im behandelten Trägergas wirksam zu reduzieren. Die Vorrichtung eignet sich somit insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im Strömungsweg des Trägergases mehr als zwei Wärmetauscherflächen zum Kühlen des Trägergases hintereinander angeordnet, die nacheinander vom Trägergas angeströmt werden, wobei zumindest zwischen einigen der Wärmetauscherflächen Verdunstungsbereiche zum zwischenzeitlichen Erwärmen des Trägergases vorgesehen sind. Beispielsweise kann eine Gruppe, bestehend aus zwei oder mehr im Strömungsweg hintereinander angeordneten ersten Wärmetauscherflächen im Strömungsweg vor einem mit Mitteln zum Erwärmen des Trägergases ausgerüsteten Verdunstungsbereich angeordnet sein, und/oder es kann eine Gruppe aus zwei oder mehr im Strömungsweg hintereinander angeordneten zweiten Wärmetauscherflächen im Strömungsweg nach einem solchen Verdunstungsbereich angeordnet sein, wobei an den Wärmetauscherflächen jeweils eine Kühlung und im Verdunstungsberiech eine Erwärmung des zuvor gekühlten Trägergases erfolgt. Ebenso kann im Strömungsweg eine Abfolge aus zwei oder mehr Verdunstungsbereichen mit Mitteln zum Erwärmen des Trägergases vorgesehen sein, vor denen (in Strömungsrichtung des Trägergases gesehen) jeweils eine erste Wärmetauscherfläche oder eine Gruppe von ersten Wärmetauscherflächen vorgesehen ist, und hinter denen jeweils eine zweite Wärmetauscherfläche oder eine Gruppe von zweiten Wärmetauscherflächen vorgesehen ist. Dabei kann die zweite Wärmetauscherfläche oder die Gruppe von zweiten Wärmetauscherflächen auch unmittelbar stromauf zu einem Verdunstungsbereich angeordnet sein, sodass er bzw. sie in Bezug auf diesen Verdunstungsbereich als erster Wärmetauscher bzw. Gruppe von ersten Wärmetauschern fungiert. Allgemein sollen hier als erste Wärmetauscherfläche(n) (eine) solche verstanden werden, die im Strömungsweg des Trägergases vor einem Verdunstungsbereich angeordnet ist/sind und als zweite Wärmetauscherflächen (eine) solche, die im Strömungsweg hinter einem Verdunstungsbereich angeordnet ist/sind.
Zweckmäßigerweise ist der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird, Bei der ersten Wärmetauscherfläche und/oder der zweite Wärmetauscherfläche und/oder ggf. einer oder mehreren weiteren Wärmetauscherflächen handelt es sich somit jeweils um Rohrbündel oder um einen Abschnitt eines Rohrbündels, das von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Dabei kann das gleiche oder es können unterschiedliche Wärmeträgermedien an den beiden Wärmetauscherflächen zum Einsatz kommen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Strömungsweg des Trägergases mäanderförmig um jeweils parallel zueinander angeordnete, als Wärmetauscherflächen fungierende Rohrbündel des ersten und des zweiten Wärmetauschers geführt ist. Ein mäanderförmiger Strömungsweg kann in an sich üblicher weise beispielsweise durch geeignete, innerhalb des Kondensatorgehäuses angeordnete Strömungsleitbleche, sog.
„Baffles“ realisiert werden. Mit jeder Richtungsänderung des Strömungswegs werden dabei Abschnitte der jeweiligen Rohrbündel vom Trägergas angeströmt und führen jeweils zu einer Abkühlung des Trägergases. Zwischen zumindest einigen der Abschnitte sind Verdunstungsbereiche vorgesehen, in denen Mittel zum Erwärmen des Trägergases angeordnet sind. Beim Durchlaufen des Strömungswegs wird das Trägergas also mehrfach nacheinander gekühlt, erwärmt und wieder gekühlt. Mit einer solchen, mehrstufige Anordnung können im Trägergas vorhandene, aus dem Stoff bestehende Aerosole fast vollständig beseitigt werden.
Im Übrigen können die Rohrbündel aller genannten Wärmetauscher auch U-förmig ausgebildet sein und/oder an Umlenkkammern angeschlossen sein, die sich in einem Kopfraum des Kondensatorgehäuses befinden, um den Strömungsweg des jeweiligen Wärmeträgermediums im Kondensatorgehäuse und die Kontaktfläche mit dem Trägergas zu vergrößern. Bevorzugt weisen die Mittel zum Erwärmen des Trägergases im Verdunstungsbereich einen mit einer Zuleitung und einer Ausleitung für ein Wärmeträgermedium sowie einer Verdunstungswärmetauscherfläche ausgerüsteten Verdunstungswärmetauscher auf. Strukturell handelt es sich in diesem Fall eigentlich um eine dritte Wärmetauscherfläche, der im Strömungsweg zwischen den beiden anderen Wärmetauscherflächen angeordnet ist, jedoch bei einer im Vergleich zu diesen höheren Temperatur betrieben wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die Zuleitung für das Wärmeträgermedium des Verdunstungswärmetauschers mit der Ausleitung für das Wärmeträgermedium des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers strömungsverbunden, wobei in der der Ausleitung für das Wärmeträgermedium des ersten und/oder zweiten Wärmetauschers, stromauf zum Verdunstungswärmtauscher, Mittel zum Erwärmen des Wärmeträgermediums vorgesehen sind. Der erste und/oder der zweite Wärmetauscher und der Verdunstungswärmetauscher werden also mit dem gleichen Wärmeträgermedium betrieben, das jedoch nach Durchlaufen des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers und vor Durchlaufen des Verdunstungswärmetauschers erwärmt wird.
Die vorgenannten Mittel zum Erwärmen des Wärmeträgermediums weisen bevorzugt ein Kondensatbad für das in der Vorrichtung abgeschiedene flüssige Kondensat und eine im Kondensatbad angeordnete Wärmetauscherfläche auf, bei der es sich bevorzugt gleichfalls um ein Rohrbündel oder um den Abschnitt eines Rohrbündels handelt. An der Wärmetauscherfläche ist das aus dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscher abströmende Wärmeträgermedium vor seiner Zuführung an den Verdunstungswärmetauscher in thermischen Kontakt mit dem auskondensierten Stoff bringbar. Das Kondensatbad ist bevorzugt innerhalb des Kondensatorgehäuses, beispielsweise in einem Auffangbehälter oder im Sumpf des Kondensatorgehäuses aufgenommen. Beispielsweise sind als Wärmetauscherflächen ein oder mehrere U-förmig gebogene Rohrbündel vorgesehen, die mit seinem/ihrem gekrümmten Abschnitt in ein innerhalb des Kondensatorgehäuses angeordnetes Kondensatbad eintauchen. Durch den Wärmekontakt mit dem Kondensatbad an dem oder den U-förmigen Rohrbündelabschnitt(en) wird bevorzugt das Wärmeträgermedium soweit erwärmt, dass seine Temperatur über der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes im Trägergasstrom liegt und somit als Wärmeträgermedium zur Beheizung des Trägergases im Verdunstungsbereich einsetzbar ist. Gleichzeitig wird das Kondensatbat gekühlt, wodurch die Gefahr einer Rückverdampfung des Kondensats aus dem Kondensatbad reduziert wird.
Bevorzugt sind dabei im Kondensatbad Mittel zum Temperieren des Kondensats vorgesehen. Abhängig von der jeweiligen Aufgabenstellung kann es sich dabei um eine Heizeinrichtung und/oder um eine Kühleinrichtung handeln.
Eine gleichfalls vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass - in Strömungsrichtung des Trägergases gesehen - stromab zum zweiten Wärmetauscher ein weiterer, hier als Tiefkühlwärmetauscher bezeichneter Wärmetauscher angeordnet ist. Am Tiefkühlwärmetauscher wird das Prozessgas weiter abgekühlt, bevorzugt auf eine Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur des Prozessgases am zweiten Wärmetauscher. Dadurch wird eine noch vorhandene Restbeladung an auszukondensierendem Stoff zumindest weitgehend beseitigt. Da stromab zum zweiten Wärmetauscher (bzw. zu einem nachfolgenden Wärmetauscher) Aerosole im Trägergas in nur noch sehr geringem Umfang vorhanden sind, ist in Bereich des Tiefkühlwärmetauschers kein Verdunstungsbereich mehr erforderlich. Der Tiefkühlwärmetauscher ist bevorzugt als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet, an dem das Trägergas mit einem als verflüssigtes Gas zugeführten Wärmeträgermedium in thermischen Kontakt gebracht wird, das dabei verdampft. Das verdampfte Wärmeträgermedium kommt nachfolgend beispielsweise als gasförmiges Wärmeträgermedium im ersten und/oder dem zweiten Wärmetauscher und/oder dem Verdunstungswärmetauscher zum Einsatz.
Eine abermals vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmetauscherflächen des ersten und/oder zweiten Wärmetauschers und des Verdunstungswärmetauschers als Rohrbündel ausgebildet sind, die zumindest in einem Abschnitt des Kondensatorgehäuses konzentrisch zueinander verlaufen, wobei die Rohrbündel des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers zumindest abschnittsweise radial innerhalb des Rohrbündels des Verdunstungswärmetauschers angeordnet sind. In diesem Falle fungiert der von relativ wärmerem Wärmeträgermedium durchströmte Verdunstungswärmetauscher als Kühlschild zum Abschirmen des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers.
Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform in einem Längsschnitt,
Fig. 2: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform in einem Längsschnitt,
Fig. 3: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform in einem Längsschnitt und
Fig. 4: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vierten Ausführungsform in einem Längsschnitt.
Bei den im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Abscheiden eines gas- oder dampfförmigen Stoffes aus einem Trägergasstrom durch partielle Kondensation weist ein Kondensatorgehäuse 2 auf, das mit thermisch gut isolierenden Wänden ausgerüstet ist. Das Kondensatorgehäuse 2 umfasst einen zylinderförmigen Zentralabschnitt 3, einen von diesem durch einen Rohrboden 4 strömungstechnisch getrennten Kopfraum 5 und einen Sumpf 6. In den Zentralabschnitt 3 mündet in einem geodätisch gesehen unteren Abschnitt ein Trägergaseingang 7 und in einem geodätisch oberen Abschnitt ein Trägergasausgang 8 ein. Der Kopfraum 5 ist durch eine vertikale Trennwand 9 in zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Teilräume 11 , 12 unterteilt. In den Teilraum 12 mündet eine Zuleitung 13 für ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeträgermedium ein, während in den Teilraum 11 eine Ausleitung 14 für Wärmeträgermedium einmündet. Der zur Aufnahme eines flüssigen Kondensats bestimmte Sumpf 6 ist mit einem Überlauf 15 ausgestattet, an den sich eine Gassperre 16 zum Verhindern eines unerwünschten Gasdurchtritts, beispielsweise ein Siphon o.ä., anschließt. Die Teilräume 11 , 12 des Kopfraums 5 sind über zwei U-förmige Rohrbündel 17, 18 miteinander strömungsverbunden, die in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen aus Gründen der Übersichtlichkeit durch einzelne Rohre nur angedeutet sind, tatsächlich jedoch aus einer Mehrzahl an parallel geführten Rohren bestehen. Die Rohrbündel 17, 18 weisen jeweils senkrechte Rohrbündelabschnitte 17a, 17b; 18a, 18b auf, die an ihrem unteren Ende über einen gekrümmten Rohrbündelabschnitt 17c, 18c oder durch Rohrböden (hier nicht gezeigt) miteinander strömungsverbunden sind. Die Rohrbündel 17, 18 reichen unterschiedlich tief in das Kondensatorgehäuse 2 hinab; während das Rohrbündel 17 nicht tiefer als bis zu einer Höhe knapp oberhalb des Überlaufs 15 reicht, führt das Rohrbündel 18 tief in den Sumpf 6 unterhalb der Höhe des Überlaufs 15 hinab. Weiterhin sind im Zentralabschnitt 3 des Kondensatorgehäuses 2 eine Mehrzahl von Strömungsleitblechen 19 (sog. „Baffles“) angeordnet, die ein vom Trägergaseingang 7 zum Trägergasausgang 8 strömendes Gas innerhalb des Zentralabschnitts 3 in einen mäanderförmigen Strömungsweg 20 (hier angedeutet durch eine strichpunktiere Linie) zwingen.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 strömt ein mit einem auszukondensierenden Stoff beladenes Trägergas (Prozessgas) über den Trägergaseingang 7 in das Kondensatorgehäuse 2 ein und verlässt dasselbe am Trägergasausgang 8. Durch die Gassperre 16 wird verhindert, dass Prozessgas über den Überlauf 15 abströmt. Im Zentralabschnitt 3 verläuft der Strömungsweg 20 des Prozessgases mäanderförmig, wobei das Prozessgas nach jeder Richtungsumlenkung nacheinander mit den Rohrbündelabschnitt 18b, 17b, 17a, 18a (bei einer Strömungsrichtung von links nach rechts) bzw. 18a, 17a, 17b, 18b (bei einer Strömungsrichtung von rechts nach links) in Kontakt kommt. Zugleich wird ein im Vergleich zum Prozessgas kaltes Wärmeträgermedium über den Teilraum 12 des Kopfraums 5 zugeführt, von dem aus es in die Rohrbündel 17, 18 einströmt. Kommt ein verflüssigtes Gas als Wärmeträgermedium zum Einsatz, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, wird bevorzugt der Strom des durch die Rohrbündel 17, 18 geführten Wärmeträgermediums so eingestellt, dass das Wärmeträgermedium durch den thermischen Kontakt mit dem Prozessgas noch in den Rohrbündelabschnitten 17a, 18a verdampft. Das Wärmeträgermedium strömt parallel durch die Rohrbündel 17, 18 zum Teilraum 11 und wird über die Ausleitung 14 abgeführt. Durch den Wärmekontakt des Prozessgases mit dem Wärmeträgermedium in den Rohrbündeln 17, 18 wird das Prozessgas an zumindest einigen Stellen im Strömungsweg 20 auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts eines im Prozessgas enthaltenen gas- oder dampfförmigen Stoffes (im folgenden auch „auszukondensierender Stoff“ genannt) abgekühlt. Es bildet sich an den Oberflächen der Rohrbündel 17, 18 ein flüssiges Kondensat, das sich in der Folge im Sumpf 6 zu einem Kondensatbad 22 sammelt. Das Kondensatbad 22 steigt bis zur Höhe eines maximalen Pegels 21 an, der durch die Lage des Überlaufs 15 festgelegt ist. Sobald dessen Höhe erreicht ist, wird weiter zulaufendes Kondensat über den Überlauf 15 abgeführt und entsorgt oder einer weiteren Verwertung zugeführt.
Da der gekrümmte Rohrbündelabschnitt 18c des Rohrbündels 18 unterhalb des Pegels 21 verläuft, kommt dort das durch das Rohrbündel 18 geführte Wärmeträgermedium mit dem flüssigen Kondensatbad 22 in thermischen Kontakt und erwärmt sich dadurch; gleichzeitig wird das Kondensatbad 22 im Sumpf 6 abgekühlt. Das durch den Rohrbündelabschnitt 18b geführte Wärmeträgermedium liegt daher bei einer höheren Temperatur vor, als das durch die Rohrbündelabschnitt 17a, 17b und 18a geführte.
In einem von rechts nach links verlaufenden Abschnitt des Strömungswegs 20 umströmt das Prozessgas nacheinander die Rohrbündelabschnitte 18a, 17a und 17b. Durch die in den Rohrbündelabschnitten 18a, 17a, 17b vorherrschenden tiefen Temperaturen wird das Prozessgas dabei auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts des auszukondensierenden Stoffs abgekühlt. Dabei bilden sich neben dem flüssigen Kondensat auch unerwünschte Aerosole, die den auszukondensierenden Stoff enthalten und die vom Trägergasstrom mitgerissen werden. Der Strömungsweg 20 des Prozessgases kreuzt anschließend zweimal hintereinander den Rohrbündelabschnitt 18b, der aufgrund des vorhergehenden Wärmekontakts mit dem Kondensat im Sumpf 6 auf einer vergleichsweise höheren Temperatur liegt. In einem Verdunstungsbereich 23 um den Rohrbündelabschnitt 18b herum (hier durch eine graue Fläche angedeutet) wird dadurch das Prozessgas über die Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes hinaus erwärmt. Die Aerosole, die sich zuvor gebildet haben, verdunsten dort zumindest weitgehend und der dabei wieder in Gasform übergehende auszukondensierende Stoff bildet mit dem Prozessgas erneut ein homogenes Gasgemisch. Im Anschluss daran umströmt das Prozessgas erneut die Rohrbündelabschnitte 17b, 17a und 18a (jedoch in einer anderen Schleife des mäanderförmigen Strömungswegs), wobei es wiederum auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des Stoffes abgekühlt wird und der Stoff erneut an der Oberfläche der Rohrbündelabschnitte 17a, 17b, 18a kondensiert. Die Rohrbündelabschnitte 17a, 17b, 18a dienen also zweimal als Wärmetauscherflächen zum Kühlen des Prozessgases, einmal bevor und einmal nachdem dieses den Verdunstungsbereich 23 durchlaufen hat. Ein großer Teil des in den zuvor verdunsteten Aerosolen enthaltenen Stoffs kann auf diese Weise vom Prozessgas getrennt und dem Kondensat im Sumpf 6 zugeführt werden.
Eine optional vorhandene, beispielsweise elektrisch betriebene Heizeinrichtung 24 ermöglicht bei Bedarf die Temperierung des Kondensats, um insbesondere zu verhindern, dass das Kondensat durch den Wärmekontakt mit dem Wärmeträgermedium am Rohrbündelabschnitt 18c zu stark abkühlt oder gefriert. Alternativ oder ergänzend dazu, hier jedoch nicht gezeigt, kann auch das Wärmeträgermedium vor Durchlaufen des Rohrbündelabschnitts 18c beheizt werden, öder es kann dem Wärmeträgermedium im Rohrbündelabschnitt 18c wärmeres Wärmeträgermedium beigemischt werden. Anstelle oder ergänzend zur Heizeinrichtung 24 kann auch eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Kondensats vorhanden sein, um, beispielsweise im Falle eines Wärmeeintrags von außen und/oder einer nur geringen Kühlung durch das Wärmeträgermedium, zu verhindern, dass das Kondensat rückverdampft.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeichnet sich gegenüber dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen längeren Strömungsweg des Prozessgases und damit durch eine verbesserte Ausnutzung der Kälte des Wärmeträgermediums aus.
Ähnlich der Vorrichtung 1 weist die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 101 ein vertikal angeordnetes, thermisch gut isoliertes Kondensatorgehäuse 102 auf. Das Kondensatorgehäuse 102 ist mit einem Zentralabschnitt 103, einen von diesem durch einen Rohrboden 104 strömungstechnisch getrennten Kopfabschnitt 105 und einem Sumpf 106 ausgerüstet. In einem oberen, d.h. dem Rohrboden 104 benachbarten Bereich des Zentralabschnitts 103 münden in diesen ein Trägergaseingang 107 und ein Trägergasausgang 108 ein. Der Kopfraum 105 ist durch eine vertikale Trennwand 109 in zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Teilräume 111 und 112 geteilt, wobei in den Teilraum 112 eine Zuleitung 113 für ein Wärmeträgermedium und in den Teilraum 111 eine Ausleitung 114 für ein Wärmeträgermedium einmündet. Der Sumpf 106 ist mit einem Überlauf 115 und mit einer Gassperre 116 ausgerüstet.
Die Teilräume 111 , 112 des Kopfraums 105 sind über zwei U-förmige Rohrbündel 117, 118, die auch hier durch einzelne Rohre nur angedeutet sind, miteinander strömungsverbunden. Die Rohrbündel 117, 118 weisen jeweils senkrechte Rohrbündelabschnitte 117a, 117b; 118a, 118b auf, die an ihrem unteren Ende über einen gekrümmten Rohrbündelabschnitt 117c, 118c (wie hier gezeigt) oder durch Rohrböden miteinander strömungsverbunden sind. Die Rohrbündel 117, 118 reichen unterschiedlich tief in das Kondensatorgehäuse 102 hinab; während das Rohrbündel 117 nicht tiefer als bis zu einer Höhe knapp oberhalb des Überlaufs 115 reicht, führt das Rohrbündel 118 tief in den Sumpf 106 unterhalb der Höhe des Überlaufs 115 hinab.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 ist der Zentralabschnitt 103 des Kondensatorgehäuses 103 durch eine Trennwand 119 in zwei strömungstechnisch teilweise voneinander getrennte Abschnitte 120, 121 unterteilt. Die Trennwand 119 reicht in vertikaler Hinsicht vom Rohrboden 104 bis knapp über den Sumpf 106 hinab und zwingt einem über den Trägergaseingang 107 zugeführten Prozessgas im Abschnitt 120 einen nach unten, im Abschnitt 121 dagegen einen nach oben gerichteten Strömungsweg auf, also jeweils im Gegenstrom zu dem von der Zuleitung 113 zur Ausleitung 114 durch die Rohrbündel 117, 118 strömenden Wärmetauschermedium. Zudem sind in beiden Abschnitten 120, 121 Strömungsleitbleche 122 vorgesehen, die dem Prozessgas jeweils einen mäanderförmigen Verlauf aufzwingen.
Der Abschnitt 120 dient insbesondere zum Abkühlen des Prozessgases auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur eines auszukondensierenden Stoffes und zur Entfernen von Aerosolen, die sich dabei gebildet haben. Hierzu umströmt das Prozessgas im Abschnitt 120 nacheinander immer im Wechsel die Rohrbündelabschnitte 117b und 118b der Rohrbündel 117, 118. Beim Kontakt mit dem Wärmetauschermedium im Rohrbündelabschnitt 117b wird das Prozessgas auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes abgekühlt. Das dabei an der Oberfläche des Rohrbündelabschnitts 117b anfallende flüssige Kondensat fließt über die Strömungsleitbleche 122 zum Sumpf 106 und sammelt sich dort zu einem Kondensatbad 123.
Das im Rohrbündelabschnitt 118c in das Kondensatbad 123 eintauchende und dort in thermischen Kontakt mit dem Kondensat erwärmte Wärmetauschermedium des Rohrbündels 118 liegt im Rohrbündelabschnitt 118b auf einer höheren Temperatur vor als das Wärmeträgermedium im Rohrbündelabschnitt 117b. Daher wird das zuvor am Rohrbündelabschnitt 117b gekühlte Prozessgas beim thermischen Kontakt mit dem Wärmeträgermedium im Rohrbündelabschnitt 118b erwärmt, und zwar auf eine Temperatur, die über der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes liegt. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei durch Kontakt des Prozessgases mit dem Rohrbündelabschnitt 118b und/oder durch eine vom Rohrbündelabschnitt 118b ausgehende Wärmestrahlung. Jeweils radial um die Rohre des Rohrbündelabschnitts 118b herum liegt auf diese Weise ein Verdunstungsbereich 124 vor, im dem bei der vorherigen Abkühlung des Prozessgases entstandene, den auszukondensierenden Stoff enthaltende Aerosole verdunsten. Der so wieder in Gasform übergehende Stoff kondensiert beim nachfolgenden erneuten Kontakt mit dem Rohrbündelabschnitt 117b wenigstens teilweise in flüssiger Form aus.
Aus dem Abschnitt 120 strömt das Prozessgas in den Abschnitt 121 des Zentralabschnitts 103 ein. In diesem Bereich findet keine zwischenzeitliche Erwärmung mehr statt, sondern das Prozessgas wird im thermischen Kontakt mit den Rohrbündelabschnitten 117a, 118a, die insoweit als Tiefkühlwärmetauscher fungieren, beständig auf eine tiefe Temperatur gekühlt. Im Falle des Einsatzes eines verflüssigten Gases als Wärmeträgermedium dienen die Rohrbündelabschnitte 117a, 118a zudem bevorzugt zum Verdampfen des über die Zuführung 113 zugeführten flüssigen Wärmeträgermediums. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 201 weist ein gleichfalls vertikal angeordnetes und mit einer Wärmeisolation versehenes Kondensatorgehäuse 202 auf, das in einen zylinderförmigen Zentralabschnitt 203, einen von diesem durch einen Rohrboden 204 strömungstechnisch getrennten Kopfabschnitt 205 und einen Sumpf 206 unterteilt ist.
In einen oberen Abschnitt des Zentralabschnitts 203 mündet ein Trägergaseingang 207 und ein Trägergasausgang 208 ein. Der Kopfraum 205 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch zwei vertikale Trennwände 209, 210 in drei strömungstechnisch voneinander getrennte Teilräume 211a, 211 b, 212 unterteilt, wobei in den Teilraum 212 eine Zuleitung 213 für ein Wärmeträgermedium und in den Teilraum 211a eine Ausleitung 214 für ein Wärmeträgermedium einmündet. Der Teilraum 211b besitzt keine Leitungsverbindung nach außerhalb des Gehäuses 202. Der Sumpf 206 ist - wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen - mit einem Überlauf 215 und einer Gassperre 216 ausgerüstet.
Eine Trennwand 218, die sich innerhalb des Zentralabschnitts 203 vom Rohrboden 204 bis knapp über den Sumpf 206 und einem im Sumpf 206 im Betrieb der Vorrichtung 201 anwesenden Kondensatbad 219 erstreckt, teilt den Zentralabschnitt 203 in zwei funktionale Abschnitte 220, 221 ein, wobei der Abschnitt 220 zum Entfernen der Aerosole aus dem Prozessgas dient, während im Abschnitt 221 , in dem nur noch wenige Aerosole im Prozessgas vorhanden sind, eine noch vorhandene Restbeladung im Prozessgas zumindest weitestgehend beseitigt wird.
Durch den Abschnitt 221 erstreckt sich ein Rohrbündel 222, das die beiden Teilräume 212 und 211 b strömungstechnisch miteinander verbindet. Das Rohrbündel 222 umfasst zwei im Wesentlichen senkrecht und parallel zueinander verlaufende Rohrbündelabschnitte 222a, 222b, sowie einen diese an ihren vom Rohrboden 204 entgegengesetzten Ende verbindenden Rohrboden 223. Der Rohrboden 223 hängt frei an den Rohbündelabschnitten 222a, 222b und ist oberhalb des Kondensatbades 219 angeordnet. Alternativ zum hier gezeigten schwebenden Rohrboden 223 kann auch ein U-förmiger Rohrbündelabschnitt (ähnlich Rohrbündel 226c) vorgesehen sein. Im Abschnitt 220 sind zwei U-förmige Rohrbündel 225, 226 angeordnet, die die Teilräume 211 a und 211 b des Kopfraums 205 strömungstechnisch miteinander verbinden. Die Rohrbündel 225, 226 weisen jeweils senkrechte Rohrbündelabschnitte 225a, 225b; 226a, 226b auf, die an ihrem unteren Ende durch einen Rohrboden 225c bzw. über einen gekrümmten Rohrbündelabschnitt 226c miteinander strömungsverbunden sind. Die Rohrbündel 225, 226 reichen unterschiedlich tief in das Kondensatorgehäuse 202 hinab; während das Rohrbündel 225 nicht tiefer als bis zu einer Höhe oberhalb des Überlaufs 215 reicht, taucht das Rohrbündel 226 mit dem Rohrbodenabschnitt 226c in das flüssige Kondensatbad 219 ein.
Weiterhin sind sowohl in Abschnitt 220 als auch in Abschnitt 221 eine Mehrzahl von Strömungsleitblechen 227 vorgesehen, die in den Abschnitten 220, 221 jeweils ein vom Trägergaseingang 207 zum Trägergasausgang 208 strömendes Gas innerhalb des Zentralabschnitts 203 in einen im Abschnitt 220 abwärts, in Abschnitt 221 aufwärts verlaufenden mäanderförmigen Strömungsweg zwingt.
Im Betrieb der Vorrichtung 201 strömt ein mit einem auszukondensierenden Stoff beladenes Prozessgas über den Trägergaseingang 207 in das Kondensatorgehäuse 202 ein und verlässt dasselbe am Trägergasausgang 208. Durch die Gassperre 216 wird verhindert, dass Prozessgas über den Überlauf 215 abströmt. Im Abschnitt 220 wird das Prozessgas durch die Strömungsleitbleche 227 in einen mäanderförmigen Strömungsweg gezwungen, wobei das Prozessgas nach jeder Richtungsum lenkung nacheinander mit den Rohrbündelabschnitt 226b, 225b, 225a, 226a (bei einer Strömungsrichtung von links nach rechts) bzw. 226a, 225a, 225b, 226b (bei einer Strömungsrichtung von rechts nach links) in Kontakt kommt. Zugleich wird ein im Teilraum 211b vorliegendes kaltes Wärmeträgermedium in die Rohrbündelabschnitte 225a, 226a eingespeist. Das Wärmeträgermedium strömt parallel durch die Rohrbündel 225, 226 zum Teilraum 211 a und wird über die Ausleitung 214 abgeführt. Beim thermischen Kontakt mit den Rohrbündelabschnitten 226a, 225a, 225b wird das Prozessgas auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffs abgekühlt. Dabei entsteht auf der Oberfläche der Rohrbündelabschnitte 226a, 225a, 225b ein flüssiges Kondensat, das zum Sumpf 206 abfließt und dort das Kondensatbad 219 ausbildet. Da der gekrümmte Rohrbündelabschnitt 226c des Rohrbündels 226 durch das Kondensatbad 219 verläuft, kommt dort das durch das Rohrbündel 226 geführte Wärmeträgermedium mit dem flüssigen Kondensat in thermischen Kontakt und erwärmt sich dabei; gleichzeitig wird das Kondensat im Sumpf 206 abgekühlt. Das durch den Rohrbündelabschnitt 226b geführte Wärmeträgermedium liegt daher bei einer höheren Temperatur vor, als das durch die Rohrbündelabschnitt 225a, 225b und 226a geführte. Dadurch kommt es nach jeder Richtungsumkehr des Prozessgases im Bereich des Rohrbündelabschnitts 226b zu einer Erwärmung des zuvor an den Rohrleitungsabschnitten 225a, 225b und 226a abgekühlten Prozessgases, und Aerosole des auszukondensierenden Stoffs, die sich zuvor gebildet haben, verdunsten wieder. Das durch die Rohrleitungsabschnitten 225b, 226b geführte Wärmeträgermedium wird anschließend über den Teilraum 211a und die Ausleitung 214 abgeführt.
Das Prozessgas strömt im Anschluss in den Abschnitt 221 ein und wird dort aufgrund des thermischen Kontakts mit dem über die Zuleitung 213 zugeführten und über den Teilraum 212 in den Rohrbündelabschnitt 222a eingespeisten und durch das Rohrbündel 222 geführten Wärmeträgermedium gekühlt. Beim Wärmeträgermedium handelt es sich beispielsweise um ein tiefkalt verflüssigtes Gas, das beim thermischen Kontakt mit dem Prozessgas am Rohrbündel 222 verdampft. Das Rohrbündel 222 entspricht somit einem Tiefkühlwärmetauscher, an dem das Prozessgas weiter abgekühlt wird, um eine noch vorhandene Restbeladung mit dem auszukondensierenden Stoff so weit wie möglich durch Auskondensation zu beseitigen. Je nach Taupunkt und Schmelzpunkt des oder der auszukondensierenden Stoffe(s) kann es in diesem Bereich auch zu einem Ausfrieren des Stoffes oder der Stoffe an den Rohren der Rohrbündelabschnitte 222a, 222b kommen; in diesem Fall muss die Vorrichtung 201 von Zeit zu Zeit abgetaut werden, um ihre volle Leistungsfähigkeit zu erhalten. Da sich in Abschnitt 221 so gut wie keine Aerosole mehr im Prozessgas befinden, erübrigt sich dort das Vorsehen eines Verdunstungsbereiches.
Das Wärmeträgermedium, das sich beim Wärmekontakt mit dem Prozessgas an den Rohren des Rohrbündels 222 erwärmt und gegebenenfalls verdampft, strömt in den Teilraum 211b ein. Dort dient es anschließend als Wärmeträgermedium zum Kühlen des Prozessgases im Abschnitt 220, indem es, wie oben beschrieben, durch die Rohrbündelwärmetauscher 225, 226 geführt wird. Insgesamt ist die Betriebstemperatur somit im Abschnitt 220 höher als in Abschnitt 221 .
Im Übrigen ist es vorstellbar (hier nicht gezeigt), dass das Kondensatorgehäuse 202 nicht nur in zwei Abschnitte 220, 221 , sondern in drei oder mehr Abschnitte unterteilt ist, in denen jeweils Rohrbündel angeordnet sind, die in der beschriebenen Weise nacheinander vom Wärmetauschermedium durchlaufen werden und dabei einen thermischen Kontakt des Wärmetauschermediums mit dem Prozessgas herbeiführen. Derartige Abschnitte können dabei auch übereinander im Kondensatorgehäuse angeordnet sein.
Aufgrund der starken Kühlung des Prozessgases im Abschnitt 221 kann die Restkälte des behandelten Prozessgases dazu genutzt werden, das unbehandelte Prozessgas im Abschnitt 220 zu kühlen. Dazu wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 über eine hier nur durch eine gestrichelte Linie angedeutete Leitung 228 zumindest ein Teilstrom des am Trägergasausgang 208 austretenden Prozessgases einem im Abschnitt 220 angeordneten Rohrbündel zugeführt, das als Rekuperator 230 fungiert, indem dort das vergleichsweise kalte, behandelte Prozessgas mit dem vergleichsweise warmen, unbehandelten Prozessgas in indirekten thermischen Kontakt gebracht wird. Im Übrigen kann ein solcher Rekuperator auch andernorts angeordnet werden, beispielsweise stromauf zum Trägergaseingang 207.
Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung 301 zeichnet sich durch eine konzentrische Anordnung der als Wärmetauscherflächen eingesetzten Rohrbündel aus. Ähnlich den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung 301 ein vertikal angeordnetes, thermisch gut isoliertes Kondensatorgehäuse 302, das einen zylinderförmigen Zentralabschnitt 303, einen von diesem durch einen Rohrboden 304 strömungstechnisch getrennten Kopfabschnitt 305 und einen Sumpf 306 aufweist. Seitlich am Zentralabschnitt 303 mündet ein Trägergaseingang 307 ein. Durch den Kopfabschnitt 305 und den Rohrboden 304 ist ein Prozessausgang 308 hindurchgeführt, der etwa mittig im Rohrboden 304 in den Zentralabschnitt 303 einmündet. Der Kopfraum 305 ist durch zylindrische und koaxial zueinander angeordnete Trennwände 309a, 309b in strömungstechnisch voneinander getrennte, konzentrisch zueinander angeordnete Teilräume 310, 311 , 312 unterteilt, nämlich einen inneren Teilraum 310, einen mittleren Teilraum 311 und einen äußeren Teilraum 312. In den inneren Teilraum 310 mündet eine Zuleitung 313 für ein Wärmeträgermedium, im hier gezeigten Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff (LIN), ein, und in den äußeren Teilraum 312 mündet eine Ausleitung 314 für das im Betrieb der Vorrichtung 301 erwärmte und dabei ggf. verdampfte Wärmeträgermedium, im hier gezeigten Ausführungsbeispiel gasförmiger Stickstoff (GAN) ein. Der mittlere Teilraum 311 besitzt keine Leitungsverbindung nach außerhalb des Kondensatorgehäuses 302. Der Sumpf 306 ist, wie bei den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen, mit einem Überlauf 315 und einer Gassperre 316 ausgerüstet.
Konzentrisch zu einer Längsachse 317 des Zentralabschnitts 303 ist ein Trennrohr 318 angeordnet, das sich innerhalb des Zentralabschnitts 303 vom Rohrboden 304 hinab bis zu einer Höhe knapp über dem Überlauf 315 und somit oberhalb eines im Betrieb der Vorrichtung 301 im Sumpf 306 befindlichen Kondensatbades 319 erstreckt. Das Trennrohr 318 unterteilt den Zentralabschnitt 303 in zwei funktionale Abschnitte, einem inneren Abschnitt 320 und einem äußeren Abschnitt 321 von denen - ähnlich wie bei den Vorrichtungen 101 , 201 - ein Abschnitt (hier Abschnitt 320) zum Entfernen der Aerosole aus dem Prozessgas dient, während in einem zweiten Abschnitt (hier Abschnitt 321 ) eine noch vorhandene Restbeladung im Prozessgas reduziert wird.
Im inneren Abschnitt 320 ist ein Rohrbündel 322 angeordnet, das den inneren Teilraum 310 mit dem mittleren Teilraum 311 des Kopfraums 305 strömungstechnisch verbindet. Das Rohrbündel 322 weist senkrechte Rohrbündelabschnitte 322a, 322b auf, die an ihrem unteren Ende durch einen Rohrboden 323 oder über gekrümmte Rohrbündelabschnitte (hier nicht gezeigt) miteinander strömungsverbunden sind. Das Rohrbündel 322 reicht nur so tief innerhalb des Zentralabschnitts 303 hinab, dass es im Betrieb der Vorrichtung 301 nicht vom Kondensatbad 319 benetzt wird, der Rohrboden 323 ist also vertikal oberhalb des Überlaufs 315 angeordnet. Im äußeren Abschnitt 321 sind zwei Rohrbündel 325, 326 angeordnet, über die der mittlere Teilraum 311 und der äußere Teilraum 312 des Kopfraums 305 miteinander strömungsverbunden sind. Die Rohrbündel 325, 326 weisen jeweils senkrechte Rohrbündelabschnitte 325a, 325b; 326a, 326b auf, die an ihrem unteren Ende über einen Rohrboden 325c oder über U-förmig gekrümmte Rohrbündelabschnitte 326c miteinander strömungsverbunden sind. Die Rohrbündel 325, 326 reichen unterschiedlich tief in das Kondensatorgehäuse 302 hinab; während das Rohrbündel 325 nicht tiefer als bis zu einer Höhe knapp oberhalb des Sumpfes 306 reicht, führt das äußere Rohrbündel 326 mit dem Rohrbodenabschnitt 326c tief in den Sumpf 306 unterhalb der Höhe des Überlaufs 315 hinab. Im Übrigen sind auch in Fig. 4 die jeweils aus einer Mehrzahl von parallel zueinander geführten Rohren aufgebauten Rohrbündel 322, 325, 324 durch einzelne Rohre nur angedeutet, insbesondere erstrecken sich die Rohrbündel 322, 325, 326 mit einer Vielzahl an Rohren über die gesamte Umlaufrichtung des Zentralabschnitts 303 herum.
Weiterhin sind sowohl in inneren Abschnitt 320 als auch in äußeren Abschnitt 321 des Zentralabschnitts 303 eine Mehrzahl von halbmondförmigen bzw. kreisringförmigen Strömungsleitblechen 327 angeordnet. Die Strömungsleitbleche 327 zwingen ein durch den jeweiligen Abschnitt 320, 321 geführtes Prozessgas in einen mäanderförmigen Strömungsweg, wobei das Prozessgas im äußeren Abschnitt 321 nach unten, im inneren Abschnitt 320 nach oben geführt wird.
Im Betrieb der Vorrichtung 301 strömt ein mit einem auszukondensierenden Stoff beladenes Prozessgas über den Trägergaseingang 307 in das Kondensatorgehäuse 302 ein und verlässt dasselbe am Trägergasausgang 308. Durch die Gassperre 316 wird verhindert, dass Prozessgas über den Überlauf 315 abströmt.
Im äußeren Abschnitt 321 wird das Prozessgas durch die Strömungsleitbleche 327 in radialer Hinsicht in einen mäanderförmigen Strömungsweg gezwungen. Dabei kommt es bei jeder Strömungsumkehr nacheinander mit den Rohrbündelabschnitten 326a, 325a, 325b, 326b (bei einer Strömung radial nach außen), bzw. den Rohrbündelabschnitten 326b, 325b, 325a, 326a (bei einer Strömung radial nach innen) in Kontakt. Beim Wärmekontakt an den Rohrbündelabschnitten 326a, 325a, 325b wird das Prozessgas bis unterhalb der Kondensationstemperatur des beladenen Stoffes abgekühlt. Dadurch fällt an den Rohrbündelabschnitten 326a, 325a, 325b an, das in der Folge in das Kondensatbad 319 im Sumpf 306 abströmt. Gleichzeitig bilden sich im Umfeld der Rohrbündelabschnitte 326a, 325a, 325b unerwünschte Aerosole, die den auszukondensierenden Stoff enthalten.
Das Wärmeträgermedium strömt indes parallel durch die Rohrbündel 325, 326 zum Teilraum 312 und wird über die Ausleitung 314 abgeführt. Da der gekrümmte Rohrbündelabschnitt 326c des Rohrbündels 326 durch das Kondensatbad 319 verläuft, kommt dort das durch das Rohrbündel 326 geführte Wärmeträgermedium mit dem flüssigen Kondensat in thermischen Kontakt und erwärmt sich dadurch; gleichzeitig wird das Kondensat im Sumpf 306 abgekühlt. Das durch den Rohrbündelabschnitt 326b geführte Wärmeträgermedium liegt daher bei einer höheren Temperatur vor, als das durch die Rohrbündelabschnitt 325a, 325b und 326a geführte. Dadurch kommt es nach jeder Richtungsumkehr des Prozessgases im Bereich des Rohrbündelabschnitts 326b zu einer Erwärmung des zuvor an den Rohrleitungsabschnitten 325a, 325b und 326a abgekühlten Prozessgases, und Aerosole, die sich zuvor gebildet haben, verdunsten und werden erneut der Kondensation zugeführt.
Nach Durchlaufen des äußeren Abschnitts 321 strömt das Prozessgas in den inneren Abschnitt 320 ein, in dem es am Rohrbündel 322, der als Tiefkühlwärmetauscher fungiert, auf eine sehr tiefe Temperatur abgekühlt. Dabei wird es erneut durch Strömungsleitbleiche 327 in einen mäanderförmigen Verlauf gezwungen wird, wobei es nach jeder Richtungsumlenkung mit den Rohrbündelabschnitten 322a, 322b in Kontakt kommt. Zugleich wird ein tiefkaltes, bevorzugt verflüssigtes Wärmeträgermedium, beispielsweise flüssiger Stickstoff, über den inneren Teilraum 310 des Kopfraums 305 in den Rohrbündelabschnitt 322a eingespeist, durchläuft den Rohrbündelabschnitt 322b und gelangt so in den mittleren Teilraum 311 des Kopfraums 305. Das Prozessgas wird dabei am Rohrbündel 322 auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger ist als die Temperatur des Prozessgases an den Wärmetauscherflächen 325a, 325b und 326a im äußeren Abschnitt 321. Gleichzeitig verdampft das Wärmeträgermedium im Rohrbündel 322 durch den thermischen Kontakt mit dem Prozessgas. Da sich im inneren Abschnitt 320 so gut wie keine Aerosole mehr im Prozessgas befinden, erübrigt sich dort das Vorsehen eines Verdunstungsbereiches.
Das behandelte Prozessgas strömt schließlich über den Prozessgasauslass 308 ab. Weil es noch auf einer tiefen Temperatur vorliegt, ist es auch hier optional möglich, der Vorrichtung 301 einen (hier nicht gezeigten) Rekuperator vorzuschalten oder einen Rekuperator in den Apparat zu integrieren, in dem das behandelte Prozessgas mit dem unbehandelten Prozessgas in thermischen Kontakt gebracht wird.
Die Vorrichtung 301 ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb, da das bei der niedrigsten Temperatur betriebene Rohrbündel 322 radial innenseitig und der bei der höchsten Temperatur betriebene Rohrbündelabschnitt 326b radial außenseitig angeordnet ist. Dadurch werden Kälteverluste durch den unvermeidlichen Eintrag von Wärme durch die Wand des Kondensatorgehäuses 302 vermindert. Bei bestimmten Aufgabestellungen kann so sogar auf eine Wärmeisolation des Kondensatorgehäuses 302 verzichtet werden. Die radialsymmetrische Anordnung der Rohrbündel 322, 325, 326 vereinfacht zudem den Strömungsweg des Prozessgases und ermöglicht eine bessere Annäherung an eine Gleichgewichtsbeladung, wodurch sich der Abscheidegrad erhöht.
Im Übrigen ist der in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen gezeigte vertikale Aufbau im Rahmen der Erfindung keinesfalls zwingend; es sind auch andere Anordnungen denkbar, beispielsweise Kondensatoren mit einem liegenden Gehäuse. Weiterhin können die Vorrichtungen 1 , 101 , 201 und 301 jeweils mit einer hier nicht gezeigten Einrichtung zur Prozesssteuerung ausgerüstet sein, mittels der die zugeführten Mengenströme an Prozessgas und Wärmeträgermedium entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung geregelt werden können. Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung 106 Sumpf
2 Kondensatorgehäuse 107 Trägergaseingang
3 Zentralabschnitt 108 Trägergasausgang
4 Rohrboden 109 Trennwand
5 Kopfraum 110 -
6 Sumpf 111 Teilraum
7 Trägergaseingang 112 Teilraum
8 Trägergasausgang 113 Zuleitung
9 Trennwand 114 Ausleitung
10 - 115 Überlauf
11 Teilraum 116 Gassperre
12 Teilraum 117 Rohrbündel
13 Zuleitung 117a, 117b, 117c
14 Ausleitung Rohrbündelabschnitte
15 Überlauf 118 Rohrbündel
16 Gassperre 118a, 118b, 118c
17 Rohrbündel Rohrbündelabschnitte
17a, 17b, 17c Rohrbündelabschnitte 119 Trennwand
18 Rohrbündel 120 Abschnitt
18a, 18b, 18c Rohrbündelabschnitte 121 Abschnitt
19 Strömungsleitbleich 122 Strömungsleitblech
20 Strömungsweg 123 Kondensatbad
21 Pegel 124 Verdunstungsbereich
22 Kondensatbad
23 Verdunstungsbereich 201 Vorrichtung
24 Heizeinrichtung 202 Kondensatorgehäuse
203 Zentralabschnitt
101 Vorrichtung 204 Rohrboden
102 Kondensatorgehäuse 205 Kopfraum
103 Zentralabschnitt 206 Sumpf
104 Rohrboden 207 Trägergaseingang
105 Kopfraum 208 Trägergasausgang Trennwand 303 Zentralabschnitt Trennwand 304 Rohrboden a, 211b Teilraum 305 Kopfraum Teilraum 306 Sumpf Zuleitung 307 Trägergaseingang Ausleitung 308 Trägergasausgang Überlauf 309 a, 309b Trennwand Gassperre 310 Innerer Teilraum - 311 Mittlerer Teilraum Trennwand 312 Äußerer Teilraum Kondensatbad 313 Zuleitung Abschnitt 314 Ausleitung Abschnitt 315 Überlauf Rohrbündel 316 Gassperre a, 222b Rohrbündelabschnitt 317 Längsachse Rohrboden 318 Trennrohr - 319 Kondensatbad Rohrbündel 320 Innerer Abschnitt a, 225b, 225c Rohrbündelabschnitt 321 Äußerer Abschnitt Rohrbündel 322 Rohrbündel a, 226b, 226c Rohrbündelabschnitt 322a, 322b Rohrbündelabschnitt Strömungsleitblech 323 Rohrboden Leitung 324 - - 325 Rohrbündel Rekuperator 325a, 325b, 325c Rohrbündelabschnitt
326 Rohrbündel Vorrichtung 326a, 326b, 326c Rohrbündelabschnitt Kondensatorgehäuse 327 Strömungsleitblech

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abscheiden eines gas- oder dampfförmigen Stoffes aus einem Trägergasstrom durch Partialkondensation, bei dem ein mit wenigstens einem auszukondensierenden Stoff beladenes Trägergas durch einen sich in im Gehäuse (2, 102, 202, 302) eines Kondensators von einem Trägergaseingang (7, 107, 207, 307) zu einem Trägergasausgang (8, 108, 208, 308) erstreckenden Strömungsweg (20) geführt wird, innerhalb dessen es an einer ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) in indirekten thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium gebracht und dabei auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes gekühlt wird, wobei sich der Stoff an der Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118a; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) zumindest teilweise in Form von flüssigem Kondensat niederschlägt, das anschließend aufgefangen und abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas nach dem Kontakt mit der ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) einen Verdunstungsbereich (23, 124) im Strömungsweg (20) durchläuft, in dem eine Temperatur herrscht, die höher als die Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes ist, und das Trägergas anschließend an einer zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) im Strömungsweg (20) in indirektem thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium auf eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffes gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dass das Trägergas beim Durchlaufen des Strömungswegs (20) mehrfach nacheinander an einer ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) oder einer Gruppe von ersten Wärmetauscherflächen (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) abgekühlt, anschließend in einem Verdunstungsbereich (23, 124) aufgewärmt und an einer zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) oder einer Gruppe von zweiten Wärmetauscherflächen (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) erneut abgekühlt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Verdunstungsbereich (23, 124) durch eine im Verdunstungsbereich (23, 124) angeordnete Verdunstungswärmetauscherfläche (18b, 118b, 226b, 326b) aufrecht erhalten wird, an der das Trägergas in indirekten thermischen Kontakt mit einem Wärmeträgermedium gebracht wird, dessen Temperatur über der Taupunkttemperatur des auszukondensierenden Stoffs im Trägergas liegt. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des an der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) zum Einsatz kommende Wärmeträgermediums in thermischen Kontakt mit dem aufgefangenen Kondensat gebracht und anschließend der Verdunstungswärmetauscherfläche (18b, 118b, 226b, 326b) zum indirekten Wärmetausch mit dem Trägergas im Verdunstungsbereich zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgefangene Kondensat beim thermischen Kontakt mit dem Wärmetauschermedium auf einer Temperatur gekühlt wird, bei dem eine Rückverdampfung des Kondensats vermieden wird. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat und/oder das der Verdunstungswärmetauscherfläche (18b, 118b, 226b, 326b) zugeführte Wärmeträgermedium beheizt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das an der ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) und das an der zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) zum Einsatz kommende Kühlmedium einer gemeinsamen Quelle entnommen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium an zumindest einer der Wärmetauscherflächen (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) ein verflüssigtes Gas, wie flüssiger Stickstoff, zum Einsatz kommt, das durch den indirekten thermischen Kontakt mit dem Trägergas zumindest teilweise verdampft. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des behandelten Trägergases mit dem unbehandelten Trägergas an einem Rekuperator (230) in thermischen Kontakt gebracht wird. Vorrichtung zum Abscheiden eines gas- oder dampfförmigen Stoffes aus einem Trägergasstrom durch Partialkondensation, mit einem Kondensator, der ein Gehäuse (2, 102, 202, 302) aufweist, durch das sich zwischen einem Trägergaseingang (7, 107, 207, 307) und einem Trägergasausgang (8, 108, 208, 308) ein Strömungsweg (20) für ein mit wenigstens einem auszukondensierenden Stoff beladenes Trägergas erstreckt, im welchem Strömungsweg (20) eine Mehrzahl von Wärmetauschern angeordnet sind, die jeweils mit einer Zuführung und einer Ausleitung für ein Wärmeträgermedium und mit einer Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) zum indirekten thermischen Kontaktieren des Trägergases mit einem Wärmeträgermedium ausgerüstet sind, und mit einer Einrichtung zum Auffangen und Abführen des beim indirekten Wärmetausch anfallenden Kondensats aus auskondensiertem Stoff, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Trägergases - in dessen Strömungsrichtung gesehen - ein erster Wärmetauscher mit einer ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) und ein zweiter Wärmetauscher mit einer zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) beabstandet hintereinander angeordnet sind, und in einem zwischen der ersten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) und der zweiten Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) angeordneten Verdunstungsbereich (23, 124) Mittel zum Erwärmen des Trägergases vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg (20) des Trägergases mehr als zwei Wärmetauscherflächen (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) hintereinander angeordnet sind, die nacheinander vom Trägergas angeströmt werden, wobei zumindest zwischen einigen der Wärmetauscherflächen (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) Verdunstungsbereiche (23, 124) angeordnet sind, in denen Mittel zum Erwärmen des Trägergases angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher als ein von einem Wärmeträgermedium durchströmtes Rohrbündel (17, 18; 117, 118; 225, 226; 325, 326) ausgebildet ist/sind. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (20) des Trägergases mäanderförmig um jeweils parallel zueinander angeordnete Rohrbündel (17, 18; 117, 118; 225, 226; 325, 326) des ersten und des zweiten Wärmetauschers geführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erwärmen des Trägergases im Verdunstungsbereich einen mit einer Zuleitung und einer Ausleitung für ein Wärmeträgermedium sowie einer Verdunstungswärmetauscherfläche (18b, 118b, 226b, 326b) ausgerüsteter Verdunstungswärmetauscher aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für das Wärmeträgermedium des Verdunstungswärmetauschers mit der Ausleitung für das Wärmeträgermedium des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers strömungsverbunden ist, wobei stromab zur Wärmetauscherfläche (17a, 17b, 18a; 117a, 117b, 118; 225a, 225b, 226a; 325a, 325b, 326a) des Wärmetauschers, jedoch stromauf zur Verdunstungswärmetauscherfläche (18b, 118b, 226b, 326b), Mittel zum Erwärmen des Wärmeträgermediums vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erwärmen des Wärmeträgermediums ein Kondensatbad (22, 123, 219, 319) umfassen, in dem eine Wärmetauscherfläche (18c, 118c, 226c, 326c) zum Erwärmen des Wärmeträgermediums angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Kondensatbad (22, 123, 219, 319) Mittel zum Temperieren des Kondensats vorgesehen sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg (20) des Trägergases, stromab zum zweiten Wärmetauscher, ein Tiefkühlwärmetauscher angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (325a, 325b, 326a) des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers und des Verdunstungswärmetauschers als Rohrbündel (325a, 325b, 326a, 326b) ausgebildet sind, die zumindest in einem Abschnitt des Kondensatorgehäuses (302) konzentrisch zueinander verlaufen, wobei die Rohrbündel (325a, 325b, 326a) des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmetauschers radial innerhalb des Rohrbündels (326b) des Verdunstungswärmetauschers angeordnet sind.
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0275472A2 (de) 1987-01-21 1988-07-27 Messer Griesheim Gmbh Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus Abgasen
DE19645487C1 (de) 1996-11-05 1998-04-09 Messer Griesheim Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Gasen mit Wärmetauschern
EP0988879A1 (de) 1998-09-04 2000-03-29 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Verfahren und Vorrichtung zur Gasreinigung
DE19917115A1 (de) * 1999-04-15 2000-10-19 Messer Griesheim Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Gasstroms
EP1602401A1 (de) 2004-06-01 2005-12-07 Messer Group GmbH Verfahren und Vorrichtung zur aerosolarmen Partialkondensation
EP1743688A1 (de) 2005-07-15 2007-01-17 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Kryokondensation
DE102007054772A1 (de) * 2007-05-18 2008-11-20 Messer Group Gmbh Vorrichtung zum Kühlen von Stoffströmen
US20110030421A1 (en) * 2006-11-10 2011-02-10 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method and Device for Gas Purification by Means of Partial Condensation, and Method for Operating the Device
DE102010055086A1 (de) * 2010-12-18 2012-06-21 Messer Group Gmbh Vorrichtung zum Kühlen von Stoffströmen
US20130047661A1 (en) * 2010-05-11 2013-02-28 Stijn Jozef Rita Johanna Janssens Device for compressing and drying gas
DE102017007031B3 (de) * 2017-07-25 2018-12-20 Messer Group Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Dämpfen aus einem Gasstrom

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0275472A2 (de) 1987-01-21 1988-07-27 Messer Griesheim Gmbh Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus Abgasen
DE19645487C1 (de) 1996-11-05 1998-04-09 Messer Griesheim Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Gasen mit Wärmetauschern
EP0988879A1 (de) 1998-09-04 2000-03-29 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Verfahren und Vorrichtung zur Gasreinigung
DE19917115A1 (de) * 1999-04-15 2000-10-19 Messer Griesheim Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Gasstroms
EP1602401A1 (de) 2004-06-01 2005-12-07 Messer Group GmbH Verfahren und Vorrichtung zur aerosolarmen Partialkondensation
EP1743688A1 (de) 2005-07-15 2007-01-17 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Kryokondensation
US20110030421A1 (en) * 2006-11-10 2011-02-10 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method and Device for Gas Purification by Means of Partial Condensation, and Method for Operating the Device
DE102007054772A1 (de) * 2007-05-18 2008-11-20 Messer Group Gmbh Vorrichtung zum Kühlen von Stoffströmen
US20130047661A1 (en) * 2010-05-11 2013-02-28 Stijn Jozef Rita Johanna Janssens Device for compressing and drying gas
DE102010055086A1 (de) * 2010-12-18 2012-06-21 Messer Group Gmbh Vorrichtung zum Kühlen von Stoffströmen
DE102017007031B3 (de) * 2017-07-25 2018-12-20 Messer Group Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Dämpfen aus einem Gasstrom

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