Mit flüssigem Stickstoff auf Lösemittelfang

Neue Gesetze und ein neues Bewusstsein für den Schutz der Umwelt haben in den vergangenen Jahren zu einer Herabsetzung der Grenzwerte bei der Emission flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile Orga-nic Compounds, VOC) geführt. Anfang 1999 wurde vom Europäischen Parlament die Richtlinie „Über die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen“ (kurz EU-VOC-RL) verabschiedet und im August 2001 als 31. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes in deutsches Recht umgesetzt. Mit dieser Gesetzeslage wächst der Druck auf die Industrie. Bis zum Oktober 2007 sind nahezu alle Altanlagen auf die neuen Grenzwerte umzustellen.

Durch Kondensation mit Hilfe von Flüssigstickstoff lassen sich VOC äußerst umweltfreundlich aus Abgasströmen entfernen. Auch in puncto Kosten und Effektivität ist die kryogene Kondensation der thermischen Oxidation oder der Aktivkohleadsorption überlegen. Durch den Einsatz von Flüssigstickstoff bei einer Temperatur von -196 °C kann sie die VOC-Konzentration in den meisten Fällen auf weniger als 1 ppmv senken. Dennoch werden die Emissionsgrenzwerte mit herkömmlichen kryogenen Kondensationssystemen im praktischen Einsatz häufig überschritten. Dies ist in der Regel auf Tröpfchen kondensierter VOC oder VOC-Schnee zurückzuführen, die sich beim Gefrieren im Kondensator sammeln und wegen ihrer geringen Dichte vom Gasstrom mitgerissen werden. Erwärmt sich das Gas wieder, so schmilzt der Schnee und kontaminiert erneut das zuvor gereinigte Gas. Selbst wenn diese Verunreinigungen noch im Rahmen der Grenzwerte liegen, so beeinträchtigt die Schneebildung auf den Rohrleitungen dennoch die Effektivität des Kondensators. Aus diesem Grund sind herkömmliche kryogene Kondensationssysteme mit zwei Kondensatoren ausgerüstet, die abwechselnd zum Einsatz kommen. Ist ein Kondensator betriebsbereit, so wird der andere abgeschaltet, damit die gefrorenen VOC schmelzen können. Während dieser Phase kann zudem VOC-Dampf durch die Eingangsöffnungen der Kondensatoren in den Prozessstrom zurückgelangen und damit zu einer Erhöhung der VOC-Konzentrationen im einströmenden Gas führen. Um der Mitnahmeproblematik beim Durchgang durch die Kondensatoren entgegenzuwirken, enthalten die meisten kryogenen Kondensationssysteme für geringe VOC-Austrittskonzentrationen ein sekundäres Abtrennungssystem wie einen Tropfenabscheider, der VOC-Schnee und flüssige Tröpfchen aus dem Gasstrom abscheidet. Die komplette Baugruppe besteht somit aus zwei Kondensatoren und den Ventilen und Timern, die zur Zyklussteuerung der Kondensatoren und des Tropfenabscheiders benötigt werden. Für kryogene Kondensatoren ist darüber hinaus eine sorgfältige anwendungsspezifische Konstruktion notwendig, wodurch sich die Kosten weiter erhöhen. Bei kleineren Anlagen mit Volumenströmen bis zu 300 Nm3/h sprengt dies häufig den Rahmen.

Diese Lücke soll der CryoCondap ExStream schließen. Hier wird flüssiger Stickstoff in die Abluft gesprüht und diese so weit abgekühlt, bis die enthaltenen Lösemittel gefrieren. Filter aus rostfreiem Stahl scheiden die gefrorenen VOC im gleichen Arbeitsschritt ab. Das gereinigte Gas wird an der Behälteroberseite abgelassen. Der anhaftende VOC-Schnee wird anschließend durch einen Stickstoff-Rückstoß von den Filtereinsätzen entfernt und fällt auf den Boden des Behälters. Hier wird er von einem elektrischen Heizelement zum Schmelzen gebracht und die daraus gewonnenen flüssigen organischen Verbindungen anschließend in einen Tank für rückgewonnene Lösemittel abgelassen. Der Reinigungszyklus kann durch Messung des Gegendrucks auf den Filterelementen oder durch einen Timer gesteuert werden. Die Filter werden im Verbund oder einzeln gereinigt, um einen kontinuierlichen Strom aufrechtzuerhalten. Bei einer typischen Anlage wird jedes Filterelement alle fünf Minuten gereinigt.

Im Unterschied zu kleinen Adsorptionssystemen, bei denen das Recycling der Aktivkohlefilter üblicherweise externen Unternehmen überlassen werden muss, ist CryoCondap ExStream ein in sich geschlossenes System. Es kann eigenständig oder als sekundäre VOC-Abtrennphase nach einer herkömmlichen kryogenen Kondensationsanlage oder einem anderen Abtrennsystem eingesetzt werden. Letzteres empfiehlt sich beispielsweise dann, wenn eine Anlage aufgerüstet werden soll, weil sie den geltenden Umweltauflagen nicht mehr genügt.

Da CryoCondap ExStream nicht auf einen fest stehenden Kondensatorenbereich angewiesen ist, ist es in Bezug auf Durchsatz und Betriebstemperaturen äußerst flexibel. Durch Erhöhung des Flüssigstickstoff-Volumenstroms kann die Anlage höhere Durchsätze von kontaminiertem Gas und problematischere VOC mit niedrigeren Gefriertemperaturen bewältigen. In Feldversuchen wurde nachgewiesen, dass CryoCondap ExStream VOC auch dann effektiv abtrennen kann, wenn Art und Konzentration der VOC nicht bekannt sind. Das System bewältigt auch problematische VOC wie Benzol, Xylol und Acetonitril. Diese Substanzen haben im Festzustand so hohe Dampfdrücke, dass sie direkt vom festen in den dampfförmigen Zustand wechseln. Wird ein Kondensator zur Aufwärmung ausgeschaltet, so schmelzen sie nicht, sondern bilden große Dampfmengen, die den eintretenden Gasstrom kontaminieren. Bei CryoCondap ExStream werden die gefrorenen VOC daher mit einem Drehschieber am Boden des Filtergehäuses entfernt.

Der erste deutsche Anwender für die Cryo-Condap-ExStream-Technologie ist der Chlorverbund LII im Industriepark Frankfurt-Höchst. LII nutzt das System, um schwierige Lösemittel wie Methylenchlorid, Chloroform oder Tetrachlorkohlenstoff aus den Abgasströmen zu entfernen. Der Auftrag umfasst die Installation der Anlage und die Lieferung von jährlich 1300 t Stickstoff.

Der seit 1998 bestehende Chlorverbund LII Europe produziert Basis-Chemikalien für unterschiedlichste Anwendungen. Chlor, Natronlauge, Salzsäure, Methanchlorierungsprodukte, Wasserstoff und Calciumchlorid dienen unter anderem als Bausteine für Arzneimittel, Kosmetika, Kunststoffe, Oberflächenbeschichtungen oder Solarzellen. Mit der CryoCondap-ExStream-Anlage will LII die bei der Produktion freigesetzten VOC zurückgewinnen.

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