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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Extraktion von Verunreinigungen aus Schüttungen
wie von Ölen
aus Metallbearbeitungsrückständen wie
Schleifschlämmen
oder Spänen
mittels überkritischer
Fluide, wie überkritischem
CO2, bei welchem das zu reinigende Gut mit
dem überkritischen
Fluid in Kontakt gebracht und dieses anschließend unter Druckabsenkung in
einen Abscheider geleitet wird, wodurch die Trennung des mit den
abzutrennenden Stoffen beladenen Fluides von dem Schüttgut erfolgt,
sowie eine Vorrichtung zur Ausübung
des Verfahrens.
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Bei den bekannten Verfahren der überkritischen
Extraktion mittels Fluiden tritt insbesondere bei der Extraktion
von Materialien mit hohem Feinkornanteil eine Verschleppung der
Feinstpartikel in das abzutrennende Oel ein. Zusätzlich kann eine Verdichtung
der Schüttung
bis hin zum Verbacken beobachtet werden, die die Effizienz des Extraktionprozeßes signifikant
verschlechtert. Ursache dafür
ist die Anfahrweise der Verfahren z. B. mit CO2 als
Extraktionsmittel, bei der bereits komprimiertes CO2 höherer Viskosität in den
Extraktionsbehälter
geleitet wird, d. h., der Waschprozeß wird direkt mit überkritischem
CO2 angefahren, wobei die Schleifschlamm-Schüttung mehr
oder weniger schlagartig mit dem überkritischen CO2 in
Kontakt gebracht wird. Das CO2, mit seiner
unter diesen Bedingungen niedrigen Kompressibilität wirkt
wie ein mechanischer Stempel, was zur Verdichtung der Schüttung und
zu einem Auspreßen
des abzutrennenden Öls
führt. Dieses
Auspreßen
durch den sich im System ausbildenden Druckstoß bewirkt einerseits das bereits
erwähnte
Verbacken der Schüttung
und anderer seits bewirkt der Preßdruck ein teilweises Auspreßen des um
die Partkel verteilten, verunreinigten Schleiföls, ohne daß das Öl durch den Löseprozess
von den Verunreinigungen befreit worden ist. So kann es sein, daß man bei
der Entölung
eines Gußmateriales
mit hohem Kohlenstoffanteil ein Öl
erhält,
das wegen seines hohen Feststoffgehaltes nicht wieder einsetzbar ist.
Das Verbacken und Zusammenpressen der Schüttung führt zu einer schlechteren Durchströmung und
Verteilung des überkritischen
CO2 und damit letztendlich auch zu einer
Verschlechterung der Entölung.
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Verfahren dieser Art sind aus: Chemie-Ingenieur-Technik
67 (1995) 1501-4 und der
DE-AS
1 493 190 bekannt geworden. Bei den zugehörigen Anlagen
sind jedoch jeweils nur einfache auf/zu Hochdruckventile vor dem
Extraktionsbehälter
vorgesehen, wie sie in Labor und Technik zum Abschluß von Apparaten
verwendet werden und welche beim Öffnen sofort den vollen Druck
auf den Extraktionsbehälter
freigeben. Das heisst, daß hier
stets direkt mit überkritischem
Fluid extrahiert wird. Beim Öffnen
der Absperrorgane würde
das am Ventil anstehende überkritische
Fluid mehr oder weniger unkontrolliert in den Extraktionsbehälter abfließen, es
kann kein anderer Lösemechanismus
eingestellt werden, wie praktische Versuch gezeigt haben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, diese Situatio n durch einen
anderen Lösemechanismus
zu verbessern und ein neues, effizienteres Verfahren der überkritischen
Extraktion duch Fluide anzugeben, bei welchem durch die Extraktion
ein qualitativ hochwertiges Produkt erzeugt wird, welches die vorstehend
aufgezeigten schlechten Eigenschaften nicht mehr aufweist und möglichst
frei von Feststoffen ist.
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Zur Lösung dieser Ausgabe schlägt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist,
sowie eine Vorrichtung zur Ausübung
des Verfahrens nach dem Anspruch 2 vor.
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Die Neuheit und Besonderheit dieses
Verfahrens besteht nun darin, daß zum Anfahren einer überkritischen
Reaktion, speziell bei hochviskosen, pastösen bzw sehr feinkörnigen Schleifschlämmen hoher
Schüttdichte,
die Viskositätserniedrigung
der Öle
durch das anfängliche
Lösen des
CO2-Gases im Öl gezielt ausgenutzt wird,
um ein Verpacken und Zusammenpressen der Schüttung bzw.ein Auspressen der Öle durch
Ausbilden einer größeren Druckdifferenz
(Druckgradient) über
die Schüttung
durch das relativ inkompressible überkritische Fluid zu vermeiden.
Eine solche Verfahrensführung
ist mit Hilfe der bei dem Stand der Technik verwendeten auf/zu Ventile
bzw. mit einfachen Nadelventilen nicht zu realisieren.
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Durch die neue und besondere Fahrweise des
Verfahrens bzw. des Löseprozesses
nach der Erfindung mit einer neuartigen Dosierung gegenüber der
herkömmlichen
wird nun in vorteilhafter weise ein qualitativ besonders hochwertiges
Produkt erzielt. Zum Beispiel können
die zurückgewonnenen
Schleiföle
in einer nachgewiesenen, hohen Produktqualität auch aus sehr dichten Schüttungen
kleinster Partikel mit hohem Ölgehalt
sowie aus dichten Packungen von Schleifschlämmen und Spänen mit bis zu etwa 70% der
theoretischen Dichte der Metalle herausgelöst werden. Die dichten Schüttungen
können
Erodier-, Hon- oder Läppschlämme mit
bis zu etwa 60 Gew.% Öl
oder sogar Feststoff-Öl-Suspensionen sein.
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Einzelheiten des neuen Verfahrens
werden im folgenden und anhand der 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen: die l das Verfahrensschema einer bekannten
Anlage zur Durchführung
des Grundprizps eines Verfahrens zur Teilereinigung und die 2 das Vorrichtungsschema
zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist
das Verfahrensschema einer Anlage nach dem Stand der Technik anhand
eines Extraktionsprozesses mit überkritischem
CO2 als beispielhaftem Extraktionsmittel
dargestellt. In einem Vorratstank 1 vorliegendes flüssiges CO2 wird durch eine Hochdruck-Membranpumpe 2,
die es aus dem Tank 1 entnimmt, auf einen Druck bis zu
500 bar gebracht. In dem Wärmetauscher 3 kann
danach das CO2 erwärmt, damit in den überkritischen
Zustand überführt und
danach durch Öffnen
eines einfachen auf/zu Ventiles 12 direkt in den Extraktionsbehälter 4 geleitet
werden. Dieser ist mit einer Schüttung
des Reinigungsgutes beladen, das überkritische CO2 löst die Fette
und Öle
von dessen Oberfläche.
Dabei belädt
sich das CO2 mit den Ölen oder Fetten und wird danach über einen
einstufigen Entspannungsschritt mittels des Drosselventiles 5 in
den Abscheider 6 geleitet. Hier spaltet es sich in eine
flüssige
und eine gasförmige
Phase auf, wobei das Öl
als flüssige
Phase und CO2 freies Produkt erhalten wird.
Das ölfreie, gasförmige CO2 verlässt
den Abscheider 6, wird im anschließenden Kühler 7 wieder verflüssigt und über den
Vorratstank 1 der Pumpe 2 im Kreislauf zugeführt. Am
Ende des Entölungszyklus
werden Extraktionsbehälter 4 und
Abscheider 6 vom Druck entlastet, das Reinigungsgut und
das zurückgewonnene Ö1 können aus
dem Behälter 4 bzw. über die
Leitung 8 aus dem Abscheider 6 entnommen werden.
Nach einer erneuten Beladung kann der nächste Entölungszyklus beginnen. Dieser
Prozeß nach
dem Stand der Technik ist jedoch mit den eingangs erwähnten Nachteilen
behaftet.
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Das neue Verfahren besteht nun gemäß der 2 darin, daß das überkritische Fluid, z.B. CO2, nicht mehr direkt im überkritischen Zustand in den Extraktionsbehälter 4 geleitet
wird. Es wird über
den Wärmetauscher 3 in
den Leitungsteil 9 gefördert.
Das Fluid steht an dem Druckhalteventil 10 an und wird von
diesem auf einem vorgegeben Druck gehalten, der mittels einer Druckmesseinrichtung 13 kontrolliert wird.
Im Leitungsteil 11 nach dem Druckhalteventil 10 bis
in den mit Extraktionsgut, z.B. Schleifschlamm beladenen Extraktionsbehälter 4 herrscht
noch Normaldruck. Dieser rührt
aus dem Beladevorgang des Extraktionsbehälters 4 her. Während des
Beladevorganges war dieser Behälter 4 aus
sicherheitstechnischen Gründen
durch Schließen
des auf/zu Ventiles 12 vom übrigen Hoch-. drucksystem abgekoppelt. Wird
jetzt von der Pumpe 2 weiteres Fluid gefördert, so
wird am Druckhalteventil 10 der vorgewählte Druck überschritten, das nachgeförderte überkritische
Fluid wird das Druckhalteventil 10 passieren, sich dabei
entspannen und in den gasförmigen
Zustand übergehen.
Das gasförmige
Fluid gelangt dann in den Leitungsteil 11 hinter dem Druckhalteventil 10 und über das
jetzt geöffnete
auf/zu Ventil 12 in den beladenen Extraktionsbehälter 4.
In diesen Apparateteilen wird sich bei weiterer Fluidförderung
durch die Pumpe 2 langsam wieder ein Gasdruck aufbauen,
der mit andauernder Fluid-Förderung
weiter ansteigt. Der Gradient, mit dem sich der Gasdruck in dem
Leitungsteil 11 zum und im Behälter 4 selbst aufbauen
kann, wird dabei in einfacher Weise durch die Förderleistung der Pumpe 2 geregelt.
Erst wenn der Gasdruck im Behälter 4 den
kritischen Druck erreicht hat, wird die Fluidfüllung vom gasförmigen in
den überkritischen
Zustand übergehen
und die überkritische
Extraktion einsetzen.
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Ganz wesentlich bei dem neuen Verfahren ist
daher, wie bereits ausgeführt,
daß der überkritische
Druck im CO2 zunächst nur in der Leitung 9,
die von der Pumpe 2 zu dem Behälter 4 führt, aufgebaut wird
und diese dazu gegenüber
dem Behälter 4 mittels
des Druckhalteventiles 10 abgesperrt ist. Dies solang,
bis der gewünschte
Extraktionsdruck gegen das Ventil 10 aufgebaut ist. Erst
bei Erreichen des vorgegebenen Druckes, kontrolliert durch die Drucküberwachung 13,
wird der Extraktionsbehälter 4 durch Öffnen des
Ventiles 10 unter allmählicher Drucksteigerung
zunächst
mit CO2 Gas niedriger Viskosität und hoher
Kompressibilität
gefüllt.
Dadurch wird die Schüttung
im Behälter 4 zunächst ohne
Verdichtung von dem COZ durchströmt. Bei
der weiteren Drucksteigerung erreicht dann das CO2 den überkritischen
Zustand im Behälter
4 , das heißt es wird vom gasförmigen in
den überkritischen
Zustand überführt und
der eigentliche Extraktionsprozeß in der Schüttung des
Reinigungsgutes beginnt, wie anhand der 1 beschrieben. Dabei wird jedoch das Öl jetzt nicht
o mehr abgepreßt,
wie dort ausgeführt,
sondern als Ergebnis ein qualitativ hochwertiges Produkt erhalten.
Durch die allmähliche
Zustandsänderung
erhöht
sich die Viskositätdes
Lösemittels
CO2 um den Faktor 3 bis 4 während sich
die Lösekraft
für Schleiföle um den
Faktor 100 oder mehr erhöht.
Als überkritisches
CO2 weist das Fluid jetzt die guten Lösungseigenschaften
für z.
B. Schleiföle
auf, die deren einfaches Auswaschen durch einen kontinuierlichen Strom
von komprimiertem überkritischen
CO2 ermöglichen.
Das neue Verfahren ist dabei jedoch nicht nur bei der Extraktion
mittels überkritischem
CO2 anwendbar, vielmehr ist es auch bei
der Verwendung andersartiger Fluide, die für eine solche Extraktion benützt werden
können,
geeignet. Ganz wesentlich für
das neue Verfahren ist jedenfalls, daß beim Anfahren der Extraktion
niemals überkritisches
Fluid direkt in den Extraktionsbehälter 4 gelangt und
daß dazu
ein geeignetes Regel- bzw. Absperrorgan vorhanden sein muß.
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Das dem Lösemechanismus zugrundeliegende
Prinzip ist dabei wie folgt:
Durch die Zuführung des CO2 als
Gas in den mit z.B. mit ölhaltigem
Schleifschlamm beladenen Extraktionsbehälters wird mit steigendem Gasdruck
erreicht, daß sich
zuerst das CO2 Gas im Öl löst. Bei diesem Lösevorgang
wird die Viskosität
um Größenordnungen
abgesenkt. Das CO2 Gas selbst kann auf Grund seiner
geringen Viskosität
leicht in die gesamte Schüttung
eindringen, ohne dabei innerhalb der Schüttung einen größeren Druckgradienten
aufzubauen. Beim Übergang
des Fluides von dem gasförmigen
in den überkritischen
Zustand ändern
sich die gegenseitigen Löslichkeiten
und der Lösemechanismus:
Das im Öl
gelöste
Gas wird jetzt als überkritisches
Fluid selbst zum Lösemittel
und löst
seinerseits das umgebende Öl,
in dem es bisher als Gas gelöst
war. Durch diesen besonderen Lösemechanismus
wird das eingangs beschriebene Auspressen der Öle aus den Schleifschlämmen bzw.
das Verbacken und Zusammenpressen der Schüttung verhindert und dadurch
die effektive Extraktion der Schleiföle gewährleistet.
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Die 2 zeigt
schematisch die dazu nötige Modifikation
der Anlage. In den Leitungsteil 9 zwischen der Hochdruck-Pumpe 2 und
dem Extraktionsbehälter 4 ist
ein Druckhalteventil 10 eingeschaltet, welches erst bei
einem vorgegebenen Druck (Pi) in der Leitung
(9) vor dem Ventil (10) öffnet. Der Druck in der Leitung
wird dabei mittels einer Drucküberwachungseinrichtung 13 kontrolliert.
In den Leitungsteil 11 hinter dem Druckhalteventil 10 ist
weiterhin ein sogenanntes auf/zu Ventil 12 als reines Absperrorgan geschaltet,
dessen Funktion vorstehend beschrieben wurde. Bei einem bestimmten
und durch die Extraktionsbedingungen vorgegebenen Druck Pi in der Leitung 9 hinter der Pumpe 2 öffnet das
Ventil 10 und die vorstehend beschriebene Extraktion mit
anfänglich sehr
geringer Viskosität
des Extraktionsmediums beginnt.