Coole Technik eliminiert VOC

Cryo-Kondensation ermöglicht effektive Abluftreinigung

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05.12.2018 VOC wirtschaftlich abzuscheiden, ist alles andere als einfach. Die flüchtigen organischen Verbindungen müssen aus dem Abluftstrom chemischer und pharmazeutischer Prozesse entfernt werden, um die TA-Luft-Anforderungen an zulässige Emissionen zu erfüllen. Die Cryo-Kondensationstechnologie kommt dabei auch mit schwankenden Belastungen zurecht.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Das Abscheiden von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) aus Abluft wird immer dann zum Problem, wenn Abluftstrom und Beladung stark schwanken.
  • Mit der Cryo-Kondensation ist es möglich, VOC effizient und zuverlässig zu entfernen.
  • Per Kreisgas lässt sich eine prozessspezifische Temperatur zur Kondensation präzise einstellen und die Aerosolbildung wirksam verhindern.

Eiszapfen beim Tauen

Bild: Thaut Images – AdobeStock

In der Chemie- und Pharmaindustrie sind flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) häufig Bestandteil der Prozessabluft. Unternehmen dieser Branchen müssen anfallende Abluftströme so reinigen, dass die Beladung der Abluft mit umweltschädlichen Substanzen die gesetzlichen Grenzwerte unterschreitet. Die wohl wichtigste regulatorische Vorgabe in diesem Kontext ist die sogenannte „TA-Luft“, die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft. Sie ist Teil des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, an deren Maßstab sich viele europäische Länder orientiert haben.

Cryo-Kondensation löst Abluftprobleme

Bei der Cryo-Kondensation wird tiefkalter, flüssiger Stickstoff als Kältequelle eingesetzt. Während des Prozesses verdampft der Stickstoff und kühlt das zu reinigende Rohgas soweit ab, dass die gesetzlichen vorgeschriebenen Grenzwerte zuverlässig eingehalten werden. Durch Abkühlen der Abluft wird der Taupunkt der Lösemittel unterschritten, sodass diese vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen. Die leicht flüchtigen, organischen Komponenten im Abluftstrom liegen nach dem Prozess als flüssiges Kondensat vor und können entweder in den Produktionsprozess zurückgeführt, aufgereinigt oder entsorgt werden. Das Cryo-Kondensationsverfahren wird typischerweise zum Abscheiden von Alkoholen, Alkanen, chlorierten Kohlenwasserstoffen oder Aromaten eingesetzt.

Prozessdiagramm

Fließbild des Cryo-Kondensationsverfahrens. Die Kreisgas-Regelung spart Stickstoff und verhindert, dass schädliche Aerosole entstehen. Bild: Air Liquide

Der flüssige Stickstoff wird bei der Technik von Air Liquide nur indirekt zur Kühlung in der Kondensationsanlage eingesetzt. Das verhindert eine für kryothermische Prozesse durchaus übliche – aber für die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte schwierige – Aerosolbildung durch eine kleine verfahrenstechnische Besonderheit.

Das Stichwort lautet „Kreisgas“: Mit Hilfe des flüssigen Stickstoffs wird ein zirkulierender Strom aus gasförmigem Stickstoff über einen speziellen Wärmeübergrager gekühlt. Dadurch werden besonders große Temperaturdifferenzen zwischen Rohgas und Kühlmedium mit einer ausgeklügelten Regelung vermieden. So lässt sich eine prozessspezifische Temperatur zur Kondensation präzise einstellen und die Aerosolbildung wirksam verhindern. Kleine, fein disperse Tröpfchen (Aerosole) würden dazu führen, dass Grenzwerte nicht zuverlässig eingehalten werden können.

Cryo-Kondensation tolerant gegenüber Schwankungen

Am Markt etablierte Technologien können auf Schwankungen in Beladung und Volumenstrom nur schwer reagieren, wobei besonders hohe Beladungen ein großes Problem darstellen. Dabei muss zwischen ,volatil‘ und ,hoch beladen‘ unterschieden werden. Für beide Herausforderungen bietet die Cryo-Kondensation eine effiziente Lösung. Die Cryo-Kondensationsanlage kann auch bei volatilen Abluftströmen bedenkenlos eingesetzt werden. Um die Anlage stets hinreichend „kalt“ zu halten, wird druckgesteuert die notwendige Menge Reingas im Kreis gefahren. Eine zuverlässige Abluftreinigung ist so auch bei stark schwankenden Abluftströmen möglich, weil die Anlage umgehend auf die veränderten Bedingungen reagieren kann.

Hoch beladene Abluftströme stellen für konventionelle Technologien, zum Beispiel der thermischen Nachverbrennung, häufig ein besonderes Problem dar, denn es kann zum Überschreiten der sogenannten „Unteren Explosionsgrenze (UEG)“ kommen. Bei der Cryo-Kondensation spielt das nur eine untergeordnete Rolle, da die Anlage keine Zündquelle besitzt.

Auch mit Blick auf die laufenden Betriebskosten, macht die Technologie Sinn: Durch einen Rekuperations-Wärmeübertrager wird das kalte Reingas genutzt, um das zirkulierende Kreisgas zu kühlen. Durch diesen Schritt wird eine außergewöhnliche hohe Energieeffizienz erreicht und der Verbrauch an flüssigem Stickstoff deutlich reduziert. Innerhalb des Prozesses kommt der Stickstoff zu keiner Zeit mit den leicht flüchtigen Komponenten in Kontakt, sodass der nicht kontaminierte, gasförmige Stickstoff weiterverwendet werden kann, was die Betriebskosten erheblich senkt.

Integration in bestehende Anlagen

Für Unternehmen mit einer bereits existierenden Infrastruktur ist die Frage nach der Integration der neuen Technologie aus praktischer wie auch wirtschaftlicher Sicht sehr wichtig. Die Implementierung der Air-Liquide-Technik ist darauf ausgerichtet und läuft vergleichsweise unkompliziert ab. Die Cryo-Kondensationsanlagen werden als sogenannte „Package-Unit-Systeme“ gebaut. Das bedeutet, die Anlage wird fertig verrohrt und angeschlossen auf einem soliden Rahmengestell (Skid) ausgeliefert. Alle notwendigen Apparate und Wärmetauscher sowie Gebläse und Pumpen befinden sich innerhalb dieses Gestells und sind mit einer speziellen Isolierung versehen. Vor Ort wird die Anlage nur noch an den Kundenprozess angeschlossen. Diese Plug-and-Produce-Lösung reduziert den Arbeitsaufwand bei der Implementierung erheblich.

Zur Technik: Cryo-Kondensation

Das Verfahren der Cryo-Kondensation kann für Volumenströme zwischen 30 und 2.000 m³/h eingesetzt werden und eignet sich für nahezu alle Konzentrationen von VOC. Die zuverlässige Abluftreinigung vermeidet, dass die Produktion in Chemie- oder Pharmabetrieben gedrosselt werden muss. Der eingesetzte Stickstoff wird doppelt genutzt, was sich in niedrigen Betriebskosten auszahlt. Das Verfahren lässt sich präzise regeln, und der Prozess ist sehr zuverlässig und sorgt dafür, dass die Anforderungen der TA-Luft eingehalten werden. Es sind keine Adsorptionsmittel nötig, und die Anlage kann als vormontierte Package-Unit installiert werden.

 

Heftausgabe: Dezember/2018

Über den Autor

Matthias Böckling ist Projekt Manager Industrial Cryogenics, Jürgen Flach ist Market Manager, Air Liquide Central-West-Europe
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