Webcontent-Anzeige

Kryokondensation – Verfahrenstechnik

Kryokondensation ist eine sehr wirtschaftliche Methode und ideal geeignet für die Behandlung hoher oder mittlerer Lösemittelkonzentrationen (in der Regel 50 bis 1.000 g/m³) und geringer Volumendurchsätze (10 bis 2.000 Nm³/h). Der für das Verfahren erforderliche Flüssigstickstoff wird im System nicht verbraucht, sondern lediglich seine Kälte wird genutzt, und nach der Verdampfung im Kondensator wird das Gas häufig vom Kunden wiederverwendet (z.B. zur Inertisierung).

Wenn die zurückgewonnenen VOCs für eine erneute Verwendung benötigt werden, schneidet die Kondensation als Verfahren im Vergleich mit Adsorption und Absorption gut ab, da diese beiden Technologien eine zusätzliche Regeneration des Sorptionsmittels erfordern und Verunreinigungen einbringen, wohingegen durch Kondensation die reinen VOCs direkt und ohne Rückstände rückgewinnbar sind. Auch wenn keine Rückgewinnung erforderlich ist, kann die Kondensation aufgrund ihrer verglichen mit anderen Methoden niedrigen Betriebskosten (bei Wiederverwendung des Flüssigstickstoffs als gasförmiger Stickstoff in anderen Prozessen), der hohen Reinigungswirkung und des geringen Investitionsaufwands die beste Wahl sein.

Die einfachste Kryokondensationsanlage stellt der Gegenstrom-Flüssigstickstoff-/Abluftwärme-tauscher dar, der unmittelbar mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

Dieser Prozess kann normalerweise für die Entfernung und Rückgewinnung von VOC-Verbindungen aus Trägergas eingesetzt werden, hat jedoch viele Nachteile. Eine niedrige Betriebstemperatur mit minimalen Steuerungsmöglichkeiten und großen Temperaturgradienten (Temperaturunterschiede zwischen Prozessgas und Kondensatoroberfläche) führen zu schneller Verstopfung des Wärmetauschers, geringer Reinigungswirkung und hohem Flüssigstickstoffverbrauch. Das Verhältnis von Betriebs- zu Abtauzeit ist verglichen mit modernen Methoden sehr schlecht.

Um bis zum Zufrieren eine möglichst lange Betriebszeit (Reinigungszeit) zu erreichen, muss eine Kondensationsanlage so ausgelegt sein, dass so viel flüssiges Kondensat wie möglich entsteht und nur ein kleiner Teil der Lösemitteldämpfe gefriert. Dies kann sichergestellt werden, indem im Kryokondensator kleine Temperaturgradienten (geringe Temperaturunterschiede zwischen Prozessgas und Kondensatoroberfläche) geschaffen werden, wodurch sich auch die Nebelbildung reduziert.

Bei Kühlung des Kryokondensators mit flüssigem Stickstoff sind diese Voraussetzungen nicht gegeben, da wegen der Verdampfung des Stickstoffs im Apparat die Wärmetauscheroberflächen lokal viel zu stark unterkühlt werden. Bei Kühlung mit kaltem gasförmigen Stickstoff stellen sich die gewünschten Bedingungen jedoch ein. Verfahrenstechnisch ist eine Kaltgaskühlung einfach zu realisieren, wenn man vor dem Kondensator einen Teilstrom des Flüssigstickstoffs verdampft und überhitzt und diesen angewärmten Gasstrom in einem Kaltgasmischer mit flüssigem Stickstoff so vermischt, dass dann ein Kaltgasstrom mit frei wählbarer Temperatur entsteht.

Der Kälteinhalt des durch den Stickstoffverdampfer geführten Teilstroms geht dabei zwar verloren, verfahrenstechnisch kann der Kryokondensator aber durch die so realisierte Kaltgaskühlung optimal arbeiten. Die Bildung von Eis und die damit einhergehende Verstopfung des Apparates ist bei dieser Betriebsweise sehr viel geringer als beim unmittelbar mit Flüssigstickstoff gekühlten Apparat, weil die Temperaturdifferenz zwischen Prozessgas (Abluft) und Kühlmedium (kalter gasförmiger Stickstoff) überall im Apparat relativ gering ist.

Die folgende Abbildung zeigt thermodynamischen Verhältnisse in einem unmittelbar mit Flüssigstickstoff gekühlten Kryokondensator im Vergleich zu einem gasgekühlten Apparat. Für beide Fälle wurde ein mit Dichlormethan beladenes Prozessgas (Beladung: 360 g/m³, das entspricht einem Taupunkt von -15°C) zugrunde gelegt.

Wie in den Diagrammen erkennbar wächst die Kondensationszone bei Kühlung mit gasförmigem Stickstoff gegenüber der Ausfrierzone an, und so bildet sich (verglichen mit der Flüssigstickstoffkühlung) 15mal weniger Eis (lediglich 8 statt 120 g/m³ Dichlormethan frieren aus). Die Verringerung der Temperaturgradienten zwischen Prozessgas und Kältemedium wird durch die Gaskühlung (anstelle von Kühlung mit Flüssigstickstoff) möglich.

Dadurch ist auch eine unabhängige Steuerung von Kühltemperatur und Reinigungsleistung möglich, und die Temperatur ist nicht mehr an den Siedepunkt des Stickstoffs gebunden, sondern sie ist frei wählbar. Dadurch kann die Kondensationsleistung der Anlage unabhängig von ihrer Kühltemperatur über die Kaltgasmenge reguliert werden. Somit kann die Anlage auch bei Schwankungen der Konzentration und der Durchsatzrate immer optimal betrieben werden.

Ein weiterer sehr bedeutender Effekt der Gaskühlung ist die verminderte Nebelbildung und die Möglichkeit, sehr geringe Austritts-Lösemittelkonzentrationen und somit auch die strengen Grenzwerte der TA-Luft zu erreichen. Bei der Kühlung mit Flüssigstickstoff trifft das Prozessgas im Kondensator auf sehr kalte Oberflächen, wobei dann Aerosole (kleinste Nebeltröpfchen) entstehen, die nicht abgeschieden werden können. Dann ist die Reingasbeladung deutlich höher als die Gleichgewichtsbeladung bei der entsprechenden Reingastemperatur.