DE19625153A1

DE19625153A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Anteils flüchtiger Stoffe in Luft oder anderen Gasen

Info

Publication number: DE19625153A1
Application number: DE1996125153
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 1998-01-08

Description

Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang im turbulenten Zentrifugalströmungsfeld besonders intensiv ist (F. Schultz-Grunow, Zeitschrift "Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens", Jahrgang 1951, Band 17, Heft 3, Seiten 65ff). Dieser Effekt sorgt in einem Wirbelrohr (R. Hilsch, Zeitschrift "Zeitschrift für Naturforschung", Jahrgang 1946, Band 1, Seiten 208ff) dafür, daß die mit Umgebungstemperatur ein tretende Luft aufgetrennt wird in zwei Luftströme, von denen der eine deutlich kälter (bis < 230K), der andere deutlich wärmer (bis < 470K) als die eintretende Luft ist. Die erreichbaren Temperaturen hängen dabei, bei gegebender Geometrie, von dem Verhältnis der austretenden warmen und kalten Luftmenge ab.

Weiter ist bekannt, daß der Partialdruck, und damit der Anteil flüchtiger Stoffe wie z. B. organische Lösungsmittel. exponentiell von der Temperatur abhängt (Bezie hung nach Clausius-Clapeyron). Diese Abhängigkeit wird technisch genutzt um den Anteil solcher, häufig stark toxischer oder klimagefährdender Stoffe herabzusetzen, indem das verunreinigte Gasgemisch so stark abgekühlt wird, bis die unerwünschte Substanz zum überwiegenden Teil auskondensiert. Dabei ist häufig eine Abkühlung bis knapp unterhalb des Gefrierpunktes ausreichend für eine fast vollständige Reini gung des Gases. Zur Reinigung größerer Gasmengen, wie sie z. B. in chemischen Rei nigungen, Lackierbetrieben oder Betankungsanlagen anfallen, ist aber der apparative Aufwand für die erforderliche Kältemaschine und den Wärmetauscher erheblich.

Wünschenswert ist deshalb eine einfache und zuverlässige Vorrichtung, die die Abkühlung einer großen Gasmenge ohne großen apparativen und regelungstechni schen Aufwand erlaubt. Wegen der damit verbundenen geringen Investitions- und Betriebskosten könnte eine solche Anlage auch dort eingesetzt werden, wo bisher eine Gasreinigung aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist.

Der angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den apparativen Auf wand zur Reinigung eines Gases, das eine unerwünschte flüchtige Substanz enthält, zu reduzieren. Damit soll die Reinigung verunreinigter Luft so vereinfacht werden, daß die Anwendung des Reinigungsverfahrens selbst in kleinem Maßstab wirtschaft lich sinnvoll wird. Dies soll zu einer Verringerung der Emissionen toxischer und klimaschädlicher Substanzen führen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß das verunreinigte Gas verdichtet, und in ein Wirbelrohr geleitet wird. Weil der Partialdruck der verunreinigenden flüchtigen Substanz exponentiell von der Temperatur abhängt, wird der kalte Gasstrom aus dem kalten Ende des Wirbelrohres nur noch einen sehr geringen gasförmigen Anteil dieser Substanz enthalten. Der überwiegende Anteil der verunreinigenden Substanz wird

a.) entweder mit dem warmen Gasstrom das Wirbelrohr am warmen Ende verlas sen, oder
b.) in Form kleiner Tröpfchen oder Partikel im kalten Gasstrom auskondensieren.

Im Fall a.) kann der Gasstrom aus dem warmen Ende des Wirbelrohres entspre chend Patentanspruch 2. zurückgeführt, und mit dem zu reinigenden Gas vermischt werden. Um das zu reinigende Gas nicht durch den zurückgeführten Gasstrom zu erwärmen. Wird der Gasstrom aus dem warmen Ende des Wirbelrohres zunächst durch einen Wärmetauscher geleitet. Wo Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei der anschließenden Drosselung auf das Druckniveau des zu reinigenden Gases kühlt sich das zurückgeführte Gas weiter ab.

Vorteilhaft ist die Rückführung wegen der Anreicherung des zu reinigenden Gases mit der verunreinigenden Substanz. Eine solche Anreicherung erlaubt eine effektivere Reinigung, bei starker Anreicherung ist es sogar möglich, daß ein Teil der verunreini genden Substanz nach der Verdichtung in flüssiger Form ausfällt, und dem Kreislauf entzogen werden kann.

Im Fall b.) kann die verunreinigende Substanz gemäß Patentanspruch 3. in kon densierter Form (flüssig oder fest) durch Filter von dem Gasstrom aus dem kalten Ende des Wirbelrohres getrennt werden. Abhängig von der Größe der kondensier ten Partikel kommen dafür verschiedene Filterausführungen wie z. B. Zyklon oder Feinfilter in Betracht.

Wenn die Reinigung durch das beschriebene Verfahren im konkreten Anwen dungsfall nicht ausreichend sein sollte, kann durch Kühlung einzelner Komponenten der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4. eine weitere Absenkung der Temperatur des kalten Gasstromes, und damit auch eine weitere Reduzierung des Anteils der un erwünschten Substanz erreicht werden. Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Reinigungswirkung ist die Hintereinanderschaltung mehrerer Vorrichtungen gemäß Patentanspruch 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abb. 1 dargestellt, und wird im Folgenden näher beschrieben. Das zu reinigende Gas wird im Verdichter (3) komprimiert und gelangt in den Druckbehälter (2). Von dort strömt das unter hohem Druck stehende Gas (typ. 6 bar) tangential, möglichst nahe an der Rohrwand, in das Wirbelrohr (1). Eine mögliche Dosierung des Gasstromes durch ein Ventil erscheint nicht notwendig, weil der Gasstrom bestimmt wird durch den Zustand am Eintritt in das Wirbelrohr (engster Querschnitt), wo typischerweise der kritische Zustand (Ma = 1) erreicht wird. Besonders hohe Temperaturdifferenzen zwischen den beiden En den des Wirbelrohres ergeben sich offenbar wenn der Gaseintritt möglichst nahe am kalten Ende (1b) liegt. Die turbulente Strömung im Wirbelrohr sorgt dafür, daß in der Nähe der Rohrachse ein Teil des Gases zur Blendenöffnung am kalten Ende (1b) strömt, und dabei noch Wärme abgibt. Wenn das kalte Gas aus dem Wirbelrohr austritt, enthält es nur noch einen geringen gasförmigen Anteil der unerwünsch ten Substanz. Außerdem wird der kalte Gasstrom Tröpfchen oder feste Partikel der Substanz enthalten. Die erreichte Temperatur am kalten Rohrende, sowie die ther modynamischen Eigenschaften der verunreinigenden Substanz bestimmen dabei den Aggregatzustand und die Größe der kondensierten Partikel. Diese Partikel werden in einem Filter (5) von dem kalten Gasstrom getrennt. Bei ausreichender Größe ( < 1 µm) kann eine Zyklon verwendet werden, der kontinuierlich ohne Reinigung betrieben werden kann. Das gefilterte Gas kann in die Umgebung abgeleitet werden, die Partikel müssen in einem geschlossenen Gefäß zurückgehalten werden. Die so gewonnene Substanz kann später entsorgt oder verarbeitet werden.

Weil der Gasstrom aus dem warmen Ende des Wirbelrohres einen gasförmigen Anteil der unerwünschten Substanz enthält, der mindestens so hoch ist, wie der Anteil in dem zu reinigenden Gas, ist es sinnvoll, diesen Strom nochmals dem Wir belrohr zuzuführen. Um das zu reinigende Gas nicht zu erwärmen, wird der Strom aus dem warmen Ende des Wirbelrohres durch einen Wärmetauscher (4) geleitet. Dieser kann wegen der höheren Temperatur und des höheren Drucks erheblich klei ner sein, als ein Wärmetauscher einer herkömmlichen Gasreinigungsanlage, wie sie oben beschrieben wurde. Um den warmen Gasstrom mit dem zu reinigenden Gas mischen zu können, muß der Gasstrom noch in der Drossel (6) auf das Druckniveau der Umgebung entspannt werden. Ein positiver Effekt dieses Verfahrensschrittes ist die weitere Abkühlung des zurückgeführten Gasstromes. Wie oben erwähnt, führt die Rückführung des Gasstromes aus dem warmen Ende des Wirbelrohres zu einer Anreicherung des zu reinigenden Gases mit der unerwünschten Substanz. Diese An reicherung ist vorteilhaft, weil sie eine effektivere Reinigung erlaubt. Der Anteil der nicht zurückhaltbaren Menge der unerwünschten Substanz hängt nur von der Tempe ratur am kalten Ende des Wirbelrohres ab, der zurückgehaltene Anteil der Substanz steigt folglich mit dem Anteil den die Substanz vor der Verdichtung besitzt. Wenn der Partialdruck der verunreinigenden Substanz vor der Verdichtung schon nahe am Partialdruck dieser Substanz bei Umgebungstemperatur liegt, ist es sogar möglich, daß ein Teil der Substanz nach der Verdichtung in flüssiger Form ausfällt. Der Druck behälter könnte dann mit einer Einrichtung versehen werden, die die Entnahme der flüssigen Phase erlaubt.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Anteils flüchtiger Stoffe, ins besondere organischer Lösungsmittel, in Luft oder anderen Gasen, das eine Einrichtung zum Abkühlen des Gases und somit zur Verflüssigung bzw. Ver festigung der flüchtigen Substanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des gasförmigen Gemisches im turbulenten Zentrifugal strömungsfeld eines Wirbelrohres stattfindet.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom aus dem warmen Ende des Wirbelrohres über einen Wärme tauscher und eine Drossel zurückgeführt und dem zu reinigenden Gas zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt am kalten Ende des Wirbelrohres eine Vorrichtung aufweist, die die verflüssigte bzw. verfestigte Substanz von dem Trägergas trennt und zurückhält.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß Teile der Vorrichtung (z. B. Druckkessel, Wirbelrohr) gekühlt werden um eine stärkere Reinigungswirkung zu erzielen.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen hintereinander geschaltet werden um eine stärkere Reinigungswirkung zu erzielen.