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Kryokondensation – theoretische Grundlagen

Die kryogene Abluftreinigung und Lösemittelrückgewinnung basiert auf dem Prinzip, dass flüchtige organische Verbindungen (VOC) bei niedrigen Temperaturen kondensieren. Indem man die Abluft auf Temperaturen unterhalb des Taupunktes kühlt, kondensiert der Lösemitteldampf auf der Kühlfläche und kann als Flüssigkeit abgeleitet werden. Je niedriger die Temperatur, desto geringer die verbleibende Beladung im Gasstrom. Dieser Prozess kann theoretisch auf der Grundlage des Dampfdruckdiagramms der jeweiligen Verbindung z.B. mit Hilfe der Antoine-Gleichung beschrieben werden.

Dampfdrücke und Beladung

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Beladung von Luft mit Dichlormethan und Methylchlorid (und Wasser zum Vergleich) in Abhängigkeit von der Temperatur.

Abluftquellen (Produktionsreaktoren, Lagertanks usw.) produzieren eine Atmosphäre mit typischen VOC-Konzentrationen im Bereich von 10 bis über 1.000 g/m³ und Temperaturen zwischen Umgebungstemperatur und recht warm (beispielsweise 80 °C). Zur Reduzierung der Beladung auf die für die Einhaltung der von der TA Luft geforderten Grenzwerte ist eine Abkühlung meist bis weit unter -100°C erforderlich.

Im Falle der Entfernung eines Gemischs organischer Verbindungen aus der Abluft wird die Mindest-Betriebstemperatur durch den flüchtigsten Bestandteil vorgegeben. Flüssiger Stickstoff mit einem Siedepunkt von -196°C ist als Kältequelle für solche Aufgaben gut geeignet. Dichlormethan ist ein Lösemittel mit einem Schmelzpunkt (Gefrierpunkt) von -96°C. Zum Erreichen der Grenzwerte der TA Luft ist jedoch eine Reinigungstemperatur von circa -120°C erforderlich. Das bedeutet, dass dieser Stoff nicht nur in flüssiger Form kondensiert werden kann, er muss teilweise auch ausgefroren werden. Dadurch belegt sich die Kühloberfläche mit (Lösemittel-) Eis oder Schnee. Dies führt letztlich zu einer Verstopfung der freien Querschnitte in den Kondensatoren und die Apparate müssen nach einigen Stunden Betriebszeit abgetaut werden, um das Eis zu schmelzen.

Einige Stoffdaten

Die folgende Tabelle zeigt einige relevante Stoffdaten sowie die zur Einhaltung der TA Luft mindestens erforderlichen Reinigungstemperaturen für zahlreiche VOC und Wasser. Die tatsächlich erforderlichen Reingastemperaturen liegen normalerweise um 10 bis 20°C unter diesen theoretischen Werten, so dass für gebräuchliche VOC wie Alkane, Aromate, Ether und Alkohole meistens Temperaturen von unter -100°C notwendig sind.