DE4040390A1 - Loesungsmittelkondensator fuer eine anlage zur rueckgewinnung von loesungsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lösungsmittelkondensator für eine Anlage zur Rückgewinnung des Lösungsmittels aus einem Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch.

Bei vielen industriellen Prozessen, beispielsweise beim Beschichten und Trocknen von Bändern, Folien usw. wie Audio- oder Videobänder entstehen Lösungsmitteldämpfe, die aufgefangen und rückgewonnen werden müssen, da sie meist in Mischung mit Luft explosibel und fast immer auch gesundheitsschäd­ lich sind. In der Regel werden daher die Trockner, oft auch die Beschichter gekapselt, gegen den Zutritt von Luft abgeschirmt und unter einer inerten Atmosphäre z. B. Stickstoff gehalten. Gleichzeitig werden die Schleusen mit Inertgas versorgt. Hierdurch wird die Möglichkeit einer Explosion vermieden und der Austritt gesundheitsschädlicher Dämpfe verhindert.

Eine moderne Lösungsmittelrückgewinnungsanlage, wie sie beispielsweise aus der älteren europäischen Patentanmeldung 9 01 16 885.5 hervorgeht, hat des­ halb in der Regel zwei zum Teil voneinander unabhängige Kreisläufe, nämlich

• - einen Trägergaskreislauf, aus dem das Lösungsmittel auskondensiert wird, und
• - einen Tieftemperaturteil, mit dem die Schleusen der Fabrikationsanlage, beispielsweise eines Trockners, versorgt werden.

Der Grundaufbau einer solchen Rückgewinnungsanlage für die Entsorgung bzw. Versorgung eines Trockners 1 ist aus Fig. 1 ersichtlich. Der dort dargestellte Trockner 1 wird kontinuierlich oder chargenweise mit den zu trocknenden Artikeln, beispielsweise Video- oder Audio-Bändern, beschickt und weist an seinem Einlaß und seinem Auslaß Schleusen 1a, 1b auf, die mit Stickstoff versorgt werden und deshalb einen Schutzvorhang zwischen der Lösungsmittelatmosphäre im Innern des Trockners 1 und der Umgebungsluft bilden.

Der im Trockner 1 anfallende, lösungsmittelbeladene Stickstoff wird einem Wärmetauscher 2 der Lösungsmittelrückgewinnungsanlage zugeführt, wo dieses Gemisch vorgekühlt wird. Hochsiedende Komponenten werden in dem Wärme­ tauscher 2 entsprechend der Dampfdruckkurve kondensiert. Außerdem dient der Wärmetauscher 2 noch zur Wärmerückgewinnung.

Das vorgekühlte und von hochsiedenden Komponenten befreite Gemisch Lö­ sungsmittel/Stickstoff gelangt von dem Wärmetauscher 2 in einen Lösungsmit­ telkondensator 3, in dem der Hauptanteil des Lösungsmittels gegen Fremdkälte kondensiert wird. Die Fremdkälte wird hierbei von dem Verdampfer 3 einer Kältemaschine mit Kältemittelkondensator 4 geliefert.

Von dem Verdampfer 3 gelangt das Zweiphasengemisch flüssiges Lösungsmit­ tel/gasförmiger Stickstoff in einen Lösungsmittelabscheider 5, wo das Lösungs­ mittel von dem Stickstoff getrennt wird; der vorgereinigte Stickstoff strömt von dem Abscheider 5 zurück in den Wärmetauscher 2 und wird dort im Wär­ metausch mit dem aus dem Trockner 1 abgezogenen Gemisch Lösungsmit­ tel/Stickstoff erwärmt. Ein Ventilator 6 saugt den Stickstoff aus dem Wärme­ tauscher 2 ab und führt ihn zurück in den Trockner 1.

Das im Abscheider 5 angefallene, zurückgewonnene Lösungsmittel wird in einem Behälter zwischengelagert und in der Regel mit einer Pumpe zum Tanklager für das Lösungsmittel zurückgepumpt (nicht dargestellt).

Damit in den Trockner 1 kein Sauerstoff einbrechen und das Lösungsmittel den Trockner 1 auch nicht verlassen kann, werden die Schleusen 1a, 1b des Trockners mit Stickstoff beaufschlagt, um in beiden Richtungen nach draußen vor die Schleusen und nach innen in den Trockner 1 einen positiven Fluß zu erzeugen.

Der hierzu erforderliche Spülstickstoff wird, um einen positiven Fluß von den Schleusen 1a, 1b in den Trockner 1 zu gewährleisten, dem Stickstoff-Kreis­ lauf ständig hinter dem Abscheider 5 entzogen; dieser Entnahmestickstoff enthält jedoch entsprechend der Dampfdruckkurve noch soviel Lösungsmittel, daß dieses Gasgemisch noch nicht in die Umgebung abgeleitet werden darf.

Deshalb wird dieses Gasgemisch in einem Tieftemperaturteil 9 stark unterkühlt und damit soweit vom Lösungsmittel gereinigt, bis der Lösungsmittelanteil dieses Gasgemisches unterhalb der gesetzlichen Werte liegt. Die hierzu erfor­ derliche Kälte wird durch flüssigen Stickstoff, der dem Tank 8 entnommen wird, zur Verfügung gestellt.

Der dem Tank 8 entnommene, nunmehr verdampfte Stickstoff wird gemeinsam mit dem gereinigten Entnahmestickstoff nach Erwärmung in einem weiteren Wärmetauscher 10 zu den Schleusen 1a, 1b geführt.

Wird ein Lösungsmittelkondensator 3 eingesetzt, der kältemittelseitig als Ein­ spritzverdampfer ausgebildet ist, bei dem also das Kältemittel in den Rohren des Verdampfers vollständig verdampft und das zu kühlende Fluid um die Rohre geführt wird, dann kann zwar die Menge des umlaufenden Kältemittels klein gehalten werden, nachteilig wirkt sich hingegen bei dieser Verdampfer­ bauart die ungleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die Rohre und in den Rohren aus, mit der Folge, daß deren Oberflächentemperatur ebenso un­ gleichmäßig verteilt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lösungsmittelkondensator zu schaffen, bei dem diese Nachteile nicht auftreten; insbesondere soll eine mög­ lichst gleichmäßige Temperaturverteilung auf den Wärmeaustauschflächen zwi­ schen dem Kältemittel und dem Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch hergestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen im wesentlichen darauf, daß das in den Rohren des Verdampfers geführte Gemisch aus Trägergas und Lö­ sungsmittel gleichmäßig vom flüssigen Kältemittel umgeben ist. So werden von allen vom Gemisch durchströmten Rohren die gleichen Wärmemengen übertragen. Dadurch wird erreicht, daß sich in allen Rohren in Strömungsrichtung die gleiche Temperaturverteilung einstellt, das Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch also insbesondere an allen Rohrenden, bei deren Zusammenführung, die gleiche Temperatur aufweist. Beim Einspritzverdampfer hingegen übertragen die das Kältemittel führenden Rohre, die als erste vom warmen Gemischstrom umflutet werden, größere Wärmemengen als die weiter stromauf liegenden Rohre, mit der Folge, daß an ihnen auch mehr Lösungsmittel kondensiert, wodurch sich im Raum des Gemisches wiederum eine nur ungenau vorhersagbare Temperatur­ verteilung ergibt.

Durch die Ausbildung des Kondensators als überfluteter Verdampfer wird somit die Regelbarkeit des Kältemittelkreislaufs bei kleinsten Temperatur- und Druckschwankungen verbessert und eine erhöhte Berechnungs- und Ein­ stellgenauigkeit der Austrittsbeladung des Lösungsmittelkondensators erzielt.

Um das Zuwachsen des Lösungsmittelkondensators durch Ausfrieren des Lö­ sungsmittels oder des darin enthaltenen Wassers zu verhindern, wird in der deutschen Patentanmeldung P 39 30 239.3 bereits vorgeschlagen, eine Lö­ sungsmittelkondensator-Anordnung zur Rückgewinnung des Lösungsmittels aus einem Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch einzusetzen, bei der jeweils einer von zwei Kondensatoren betrieben und der andere abgetaut wird, um Betriebsstö­ rungen durch Zuwachsen des Lösungsmittelkreislaufs auszuschließen.

Dem Einsatz von überfluteten Verdampfern im Wechselbetrieb stand bisher die lange Umschaltzeit von einem Verdampfer auf den anderen entgegen, was auf die im Vergleich zum Einspritzverdampfer große Kältemittelmenge im überflu­ teten Verdampfer zurückzuführen ist, die beim Übergang vom Betriebs- in den Abtauzustand vollständig verdampft werden muß. Die Umschaltzeiten müssen jedoch möglichst kurz gehalten werden, da während des Umschaltens das Lö­ sungsmittel nicht ausreichend abgeschieden wird.

In einer besonders zweckmäßigen Form der Erfindung wird ein überfluteter Doppelverdampfer im Wechselbetrieb eingesetzt. Das Problem, das Kältemittel beim Umschalten der Kondensatoren innerhalb kürzester Zeit von dem einen Verdampfer in den anderen zu verlagern, wird erfindungsgemäß unter Ausnut­ zung der im Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch enthaltenen Enthalpie durch eine zweckmäßige Anordnung und Steuerung der Ventile des Kondensa­ tors/Verdampfers gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be­ zugnahme auf die beiliegende Fig. 2 näher erläutert, die schematisch den Aufbau einer solchen Lösungsmittelrückgewinnungsanlage zeigt. Dabei werden, soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, so daß die entsprechenden Komponenten nicht nochmals beschrieben werden müssen. Der Trockner 1 mit den Schleusen 1a, 1b und der Stickstoffzuführung ist in Fig. 2 nicht nochmals dargestellt.

Bei der Anlage nach Fig. 2 gelangt das Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch mit vorzugsweise Stickstoff als Trägergas über den Wärmetauscher 2 in den Ge­ mischkreislauf und passiert über geöffnete Ventile 3.13 und 3.14 bei ge­ schlossenen Ventilen 3.23 und 3.24 nacheinander die Kälte­ mittelverdampfer/Lösungsmittelkondensatoren 3.1 und 3.2 oder bei geöffneten Ventilen 3.23 und 3.24 und geschlossenen Ventilen 3.13 und 3.14 nacheinander die Kältemittelverdampfer 3.2 und 3.1. Diese Verdampfer 3.1, 3.2 sind als überflutete Verdampfer ausgebildet.

Zwischen den beiden Lösungsmittelkondensatoren 3.1 und 3.2 ist ein in beiden Strömungsrichtungen des Gasgemisches wirksamer Flüssigkeitsabscheider 3.3 zum Abfangen des auskondensierenden Lösungsmittels und Wassers vorgesehen.

Der Kondensator 4 einer Kältemaschine versorgt über ein Schwimmerventil 4.1 und wahlweise ein Ventil 3.12 bzw. 3.22 den jeweils in Betrieb befindlichen Verdampfer 3.1 bzw. 3.2 mit Kältemittel, vorzugsweise Frigen. Nach der Ver­ dampfung wird das Kältemittel über die Ventile 3.11 bzw. 3.21 von einem Verdichter 4.2 angesaugt und wieder dem Kondensator 4 zugeführt.

Nachfolgend wird ein Betriebs- und Abtauzyklus beschrieben.

Zu Beginn des Zyklus ist der überflutete Verdampfer 3.1 auf Abtauen und der überflutete Verdampfer 3.2 auf Betrieb geschaltet.

Im Trägergas/Lösungsmittelkreislauf sind dann die Ventile 3.13, 3.14 geöffnet und die Ventile 3.23 und 3.24 geschlossen.

Der Weg des Gemisches Stickstoff/Lösungsmittel führt vom Wärmetauscher 2, wo es vorgekühlt und von hochsiedenden Lösungsmittelkomponenten bereits befreit wird, über die Leitungen 200 und 301, den Kondensator/Verdampfer 3.1, die Leitung 302, Lösungsmittelabscheider 3.3 und die Leitung 303 in den in Be­ trieb befindlichen Kondensator/Verdampfer 3.2, aus dem es als Zweiphasenge­ misch aus gasförmigem Stickstoff und flüssigem Lösungsmittel austritt und über die Leitungen 304 und 305 zum Lösungsmittelabscheider 5 gelangt.

Im Kältemittelkreislauf sind die Ventile 3.11, 3.21, 3.22 geöffnet und das Ventil 3.12 geschlossen. Der überflutete Verdampfer 3.2 ist mit Kältemittel gefüllt, der Verdampfer 3.1 leer. Aus dem Kondensator/Verdampfer 4 einer Kältemaschine wird der Kondensator/Verdampfer 3.2 über Leitung 401, das Schwimmerventil 4.1 und Leitung 402 mit flüssigem Frigen versorgt. Das im Kondensator/Verdampfer 3.2 verdampfte Frigen wird über Leitung 403 vom Verdichter 4.2 angesaugt und wieder dem Kondensator 4 zur Verflüssigung des Frigens zugeführt.

Beim Umschalten werden im Stickstoff/Lösungsmittelkreislauf die Ventile 3.13 und 3.14 geschlossen sowie 3.23 und 3.24 geöffnet. Hierdurch wird die Fließ­ richtung des Stickstoff/Lösungsmittel-Gemisches durch die Verdampfer von "3.1 nach 3.2" auf "3.2 nach 3.1" umgekehrt. Nun gelangt das Stick­ stoff/Lösungsmittel-Gemisch vom Wärmetauscher 2 über die Leitungen 200, 306 und 304 zuerst zum Kondensator/Verdampfer 3.2. Trotz Vorkühlung durch Wär­ metauscher 2, ist das Gemisch noch so warm, daß damit die während des vor­ hergehenden Betriebszustandes des Kondensators/Verdampfers 3.2 ausgefrorenen Lösungsmittelbestandteile und Wasseranteile aufgetaut werden. Diese werden dann mit dem Stickstoff/Lösungsmittel-Gemisch über die Leitung 303 dem Lö­ sungsmittelabscheider 3.3 zugeführt und dort vom gasförmigen Stick­ stoff/Lösungsmittel-Gemisch getrennt. Das gasförmige Gemisch gelangt über die Leitung 302 zum nun in Betrieb befindlichen Kondensator/Verdampfer 3.1. Das austretende Zweiphasengemisch aus gasförmigem Stickstoff und flüssigem Lösungsmittel wird schließlich über die Leitung 307 zum Lösungsmittel­ abscheider 5 geführt.

Im Kältemittelkreislauf wird beim Umschalten das Ventil 3.21 geschlossen und das Ventil 3.12 geöffnet. Da der Verdampfer 3.2 nun als erster in Wärme­ tausch mit dem noch warmen Stickstoff/Lösungsmittel-Gemisch tritt, steigt dort der Dampfdruck des Kältemittels an und schiebt das flüssige Frigen über die geöffneten Ventile 3.22 und 3.12 in den Verdampfer 3.1. Sobald dieser Vorgang beendet ist, wird durch den Schalter 3.25, der den Flüssigkeitsspiegel des Frigens im Verdampfer 3.2 kontrolliert, das Ventil 3.22 geschlossen und das Ventil 3.21 geöffnet. Das noch im Verdampfer 3.2 verbliebene, verdampfte Frigen wird zusammen mit dem im Verdampfer 3.1 verdampfenden Frigen vom Verdichter 4.2 angesaugt und dem Kondensator 4 zugeführt. Vom Kondensator 4 über das Schwimmerventil 4.1 und die Leitung 405 wird nun der Verdampfer 3.1 mit flüssigem Frigen versorgt. Damit ist die Umschaltphase beendet und somit der Verdampfer 3.1 in Betrieb während 3.2 abtaut.

Bei der nächsten Umschaltphase werden die Ventile 3.13 und 3.14 geöffnet so­ wie 3.23 und 3.24 geschlossen. Dadurch wird die Fließrichtung des Träger­ gas/Lösungsmittel-Gemisches umgekehrt. Gleichzeitig wird im Kältemittelkreis­ lauf das Ventil 3.11 geschlossen und 3.22 geöffnet. Durch den damit verbun­ denen Druckanstieg des Kältemittels im Verdampfer 3.1 wird das Kältemittel über die geöffneten Ventile 3.12 und 3.22 in den Verdampfer 3.2 gedrückt. Nachdem der Verdampfer 3.1 von flüssigem Kältemittel entleert ist, wird kon­ trolliert durch den Schalter 3.15 das Ventil 3.12 geschlossen und das Ventil 3.11 geöffnet. Damit ist ein voller Zyklus abgeschlossen.

Claims (11)

1. Lösungsmittelkondensator für eine Anlage zur Rückgewinnung des Lösungs­ mittels aus einem Trägergas/Lösungsmittel-Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungsmittelkondensator (3) durch mindestens einen überfluteten Verdampfer gebildet ist.

2. Lösungsmittelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei überflutete Verdampfer (3.1, 3.2) vorgesehen sind, von denen sich jeweils mindestens einer im Betriebs- und ein anderer im Abtauzustand befindet.

3. Lösungsmittelkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel eines überfluteten Verdampfers (3.1) beim Umschalten vom Be­ triebs- in den Abtauzustand aufgrund des Druckanstiegs im Kältemittelraum, der durch die Beaufschlagung mit dem noch warmen Trägergas/Lösungsmittel- Gemisch hervorgerufen wird, in den anderen überfluteten Verdampfer (3.2) verlagert wird.

4. Lösungsmittelkondensator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Betriebszustand befindlicher überfluteter Verdampfer (3.1, 3.2) über ein Schwimmerventil (4.1) von einem Kondensator (4) einer Kältemaschine mit Kältemittel versorgt wird.

5. Lösungsmittelkondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder überflutete Verdampfer (3.1, 3.2) sowohl auf der Seite des flüssigen als auch auf der Seite des verdampften Kältemittels durch Ven­ tile (3.11 bzw. 3.21, 3.12 bzw. 3.22) absperrbar ist.

6. Lösungsmittelkondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Stellen der Ventile (3.11 bzw. 3.21, 3.12 bzw. 3.22) ein in Abhängigkeit vom Füllstand des Verdampfers (3.1, 3.2) betätigbares Schaltelement (3.15, 3.25) vorgesehen ist.

7. Lösungsmittelkondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umschalten eines Verdampfers (3.1 bzw. 3.2) vom Betriebs- in den Ab­ tauzustand

• a) zuerst der Auslaß für das verdampfende Kältemittel durch das Ventil (3.11 bzw. 3.21) abgesperrt wird und der Einlaß/Auslaß für das flüssige Kältemittel geöffnet ist; und daß
• b) durch das Schaltelement (3.15 bzw. 3.25) die Seite des flüssigen Kältemit­ tels durch das Ventil (3.12 bzw. 3.22) geschlossen und die Dampfseite durch das Ventil (3.11 bzw. 3.21) geöffnet wird, sobald der Verdampfer (3.1 bzw. 3.2) von flüssigem Kältemittel entleert ist.

8. Lösungsmittelkondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des mit Lösungsmittel beladenen Trä­ gergases durch die Lösungsmittelkondensatoren (3.1, 3.2) gleichzeitig mit dem Wechsel zwischen Abtauen und Kondensieren umgeschaltet wird.

9. Lösungsmittelkondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Gemisches durch die aus einem abtauenden und einem betriebenen Lösungsmittelkondensator bestehende An­ ordnung (3.1 und 3.2) mittels zweier Ventilgruppen gesteuert wird, die jeweils durch ein Einlaßventil (3.13 oder 3.23) und ein Auslaßventil (3.14 oder 3.24) der Anordnung (3.1 und 3.2) gebildet und in Wechselschaltung zueinander be­ trieben werden.

10. Lösungsmittelkondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Lösungsmittelkondensatoren (3.1, 3.2) ein in beiden Strömungsrichtungen wirksamer Flüssigkeitsabscheider (3.3) angeordnet ist.

11. Lösungsmittelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor der Einleitung in den Lö­ sungsmittelkondensator (3 bzw. 3.1, 3.2) in einem Wärmetauscher (2) vorge­ kühlt wird.