Abluftreinigung mit kryogenen Wärmetauschern

Abb. 1 Cirrus-VEC-System bei Diosynth in den Niederlanden, bestehend aus sechs Cirrus-M50-Modulen, zwei Economisern und einem Kondensatsammelsystem

Abb. 2 Das Cirrus-M150-Modul ist für eine nominale Durchflussleistung von 150 m³/h und eine Nennkälteleistung von 25 kW ausgelegt

Abb. 3 Das Cirrus-M50/M150-Tankmodul ist mit einer Pumpe und einem Füllstandsmesser ausgestattet

Emittierte Lösemittel müssen von der Abluft abgetrennt werden. Die Cryo-Kondensation mit Cirrus Vapour Emission Control-Systemen unter Einsatz von flüssigem Stickstoff ermöglicht eine ökonomische Entfernung der Lösemittel. Der speziell gestaltete Wärmetauscher nutzt gasförmigen Stickstoff als Wärmeträgermedium und vermeidet so die Gefahr des Anfrierens von Prozessmedium an der Wärmetauscheroberfläche.

Lösemittel sind für eine Reihe von industriellen Prozessen unverzichtbar. Nach Erfüllung ihrer Funktion müssen sie allerdings in geeigneter Weise isoliert und von der umgebenden Atmosphäre ferngehalten werden – die TA Luft setzt hier enge Emissionsgrenzwerte. Typische Quellen für lösemittelhaltige Abluft sind in der verfahrenstechnischen Industrie beispielsweise Trockner und Reaktoren. Mit Hilfe der Cryo-Kondensation unter Einsatz von tiefkaltem, flüssigen Stickstoff (-196 °C) lassen sich ohne größeren baulichen Aufwand emittierte Lösemittel effektiv vom Trägergasstrom trennen. Häufig bietet dieses Kondensationsverfahren sogar die Möglichkeit einer stofflichen Wiederverwendung des Lösemittels. Zudem wird nicht selten der gasförmige Stickstoff zum Inertisieren genutzt.

Das Prinzip der Cryo-Kondensation ist einfach. In Wärmetauschern wird die mit leichtflüchtigen organischen Verbindungen (VOC) beladene Abluft unter Nutzung der Kälteenergie von flüssigem Stickstoff (LIN) unter den Taupunkt abgekühlt. Die Leichtsieder kondensieren dort und lassen sich auffangen. Je tiefer die eingestellte Temperatur, desto geringer ist die in der Abluft verbleibende VOC-Konzentration. Da der als Kühlmittel dienende flüssige Stickstoff bei den indirekt betriebenen Anlagen nicht mit der Abluft in Kontakt kommt, lassen sich sowohl der freiwerdende gasförmige Stickstoff als auch die kondensierten Lösemittel in der Produktion weiterverwenden. Dadurch ergeben sich niedrige Betriebskosten. Die Cryo-Kondensation ist besonders effektiv bei Abluftströmen mit hohen Beladungen über 30 g/m3; in der Praxis werden Abreinigungsraten von bis zu 99% erreicht. Wegen des meist geringen baulichen Aufwands solcher Anlagen bleiben auch die Investitionskosten, verglichen mit einer mechanischen Kälteerzeugung oder einer thermischen Entsorgung, gering.

Die kryogenen Wärmetauscher gibt es in verschiedenen Größen. Das Cirrus-M50-Modul zeichnet sich durch seine kompakte Bauart, Robustheit und einfache Bedienbarkeit aus. Ausgelegt ist das Modul für eine nominale Durchflussleistung von 50 m³/h und eine Nennkälteleistung von 6 kW (Abb. 1). Für Anwender die einen höheren Leistungsbedarf haben, gibt es das Cirrus M150-Modul. Es ist ausgelegt für eine nominale Durchflussleistung von 150 m³/h und eine Nennkälteleistung von 25 kW (Abb. 2). Das Cirrus M150 ist nicht nur ein Scale-up des kleineren M50-Moduls. Es sind zusätzlich Teile der Cumulus FTC-Technologie integriert. Sie dient dem Abführen von Überschusswärme bei stark exothermen Reaktionen im Tieftemperaturbereich (T -30 °C) und erhöht damit die Prozesssicherheit. Beide Systeme nutzen eine spezielle Technik, um Tiefsttemperaturen auf der Wärmetauscheroberfläche und damit die Gefahr des Anfrierens von Prozessmedium zu vermeiden. Es ist kein zusätzliches Wärmeträgermedium erforderlich. Aufgrund des speziell gestalteten Wärmetauschersystems dient gasförmiger Stickstoff als Wärmeträger und puffert die Extremtemperatur des flüssigen Stickstoffs ab.

Um zu testen, ob sich diese Technik auch in Abluftreinigungssystemen umsetzen lässt, wurden vorab umfangreiche Versuche mit einer Pilotanlage durchgeführt. Ziel der Vorversuche war, die Einsetzbarkeit der Cumulus-FTC-Technik in Cirrus Vapour Emission Control (VEC)-Systemen unter Beweis zu stellen und verschiedene Methoden der Enteisung zu untersuchen. Alle relevanten Prozessgrößen wurden mit Hilfe einer umfangreichen Messtechnik erfasst. Ein weiteres Teilziel war dabei, die im Serienprodukt installierte Messtechnik weitestgehend zu reduzieren, ohne die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit einzuschränken.

Als Lösemittel kamen Methanol, Aceton und Diethylether zum Einsatz. Diese wurden teilweise mit Wasser versetzt, um den Einfluss des Anfrierens unter verschiedenen Bedingungen testen zu können. Dieses Wasser in den Abgasen friert im Cryo-Kondensator aus und akkumuliert mit der Zeit. Die Akkumulations-Geschwindigkeit ist abhängig vom Wassergehalt und dem Stoffsystem. Im Versuchsprogramm wurden nun unterschiedliche Formen der Enteisung getestet. So konnten die optimalen Enteisungsmaßnahmen bestimmt und die jeweiligen Kenndaten Enteisungszeit und Energieaufwand definiert werden. Ziel war es kundenspezifisch unterschiedliche Formen der Enteisung anzubieten.

Die ersten erfolgreichen Installationen des Cirrus-M150-Moduls erfolgten in Schweden. Sowohl im Vopak Terminal Göteborg als auch bei der DuPont Conoco Nordic AB werden Cirrus-M150-Module zur Rückgewinnung von Benzinabgasen bei der Verladung von Benzinzügen eingesetzt. Bei beiden Unternehmen ist auch das Cirrus- M50/M150-Tankmodul im Einsatz. Dieses ist mit einer Pumpe und einem Füllstandsmesser ausgestattet und in die Steuerung der VEC-Module integriert (Abb. 3).

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Falls nicht anders angegeben, entsprechen die Kondensatoren den schwedischen Bestimmungen für Druckbehälter. Diese sind in den meisten europäischen Ländern anerkannt. Ein Sicherheitsventil auf der Stickstoffseite öffnet sich bei einem Druck von 1 bar unterhalb des zulässigen Betriebsdrucks. Alle Teile, die mit dem Kondensat in Berührung kommen, bestehen aus nichtrostendem Stahl oder PTFE. Das Gestell ist ebenfalls aus nichtrostendem Stahl gefertigt. Die Kondensatoren sind mit Polyurethanschaum und Armaflex isoliert. Das Isolationsmaterial enthält kein FCKW.

In der Standardversion ist die elektrische Anlage des Cirrus-VEC-Moduls entsprechend EEx ia (ib) IIC T4 oder in den Zündschutzarten EEx d oder EEx e ausgelegt. Das Steuerungssystem ist in das Steuerungssystem der Cirrus-VEC-Module integriert. Die Steuerung der Cirrus-VEC-Module besteht derzeit aus einer Siemens Simatic S5-95U mit einem Bedienpult. Die Umrüstung der Module auf Siemens Simatic S7 ist vorgesehen.

Wolfgang Wyborny