DE3935898A1 - Verfahren zur kuehlung von heissen abgasen aus der katalytischen oxidation von ethylenoxid oder von formaldehyd, sowie vorrichtung hierzu - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von heißen Abgasen aus der katalytischen Oxidation von Ethylenoxid oder von Formaldehyd, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche bei der Gas-Sterilisation entstehen.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Bei der Gas-Sterilisation im Krankenhaus oder einschlägigen industriellen Einrichtungen werden Gas-Sterilisatoren mit Katalysator verwendet, die eine katalytische Nachverbrennung aufweisen. Dabei sind für die Nachverbrennung Oxidationsanlagen bekannt, die das Wirkgas bei niedrigeren Temperaturen an einem Katalysator zu CO₂ und Wasserdampf oxidieren. Insbesondere bei der offenen Verbrennung, aber auch bei der katalytischen Oxidation ist nach der eigentlichen Entsorgung ein heißes Abgas handzuhaben. Die Abgastemperatur bei der katalytischen Oxidation liegt bei ca. 300°C. Die Bedingungen in Krankenhäusern sind jedoch so, daß nahezu kaum noch Kamine verfügbar sind, was dazu führt, daß diese heißen Abgase unbedingt einer Kühlung unterworfen werden müssen.

Zur Abkühlung der heißen Abgase sind Wärmetauscher des Rekuperationstyps vorgeschlagen worden. Diese Wärmetauscher weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie, bedingt durch den schlechten gasseitigen Wärmeübergang große Wärmeaustauschoberflächen zur Verfügung stellen müssen, was dazu führt, daß erhebliche Baugrößen notwendig sind, was zu beträchtlichen Kosten führt. Weiterhin besteht bei derartigen Wärmetauschern in Rohrleitungssystemen der Nachteil, daß sie große Druckverluste mit sich bringen. Dies führt wiederum nachteilig dazu, daß größere Ventilatorleistungen notwendig sind, was insgesamt wiederum das System verteuert.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung von heißen Abgasen aus der katalytischen Oxidation von Ethylenoxid oder von Formaldehyd, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das eine wirtschaftliche Kühlung der bei der Gassterilisation anfallenden Abgase ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 gelöst.

Dadurch, daß die Abgase in direktem Kontakt mit Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, gebracht werden, ergibt sich die Möglichkeit einer einfachen und platzsparenden Abkühlung mit entsprechend hohem Wirkungsgrad, da durch den direkten Kontakt des Kühlmediums mit dem Gas eine entsprechend große Wärme- und Stoffaustauschoberfläche zur Verfügung steht.

Vorteilhafterweise ergeben sich weiterhin nur geringe Druckverluste während des Abkühlens.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist einen Behälter auf, in den die Abgase eingeleitet werden, und zeichnet sich dadurch aus, daß das Abgas zumindest teilweise im Behälter in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

In einer ersten alternativen Verfahrensweise wird das Abgas mit dem Kühlmittel besprüht. Dies stellt eine sehr einfache und wirksame Vorgehensweise dar.

Alternativ hierzu kann das Abgas durch eine Kühlmittelsäule oder ein Kühlmittelbett geleitet werden, so daß sich ein Perlen von Gasblasen durch die Kühlmittelflüssigkeit ergibt.

Wird der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip durchgeführt, so ergibt sich vorteilhafterweise sowohl eine wirksame Abkühlung insgesamt als auch eine geringe Bauhöhe der Vorrichtung.

Darüberhinaus kann der Wirkungsgrad noch erhöht werden, wenn sich der Wärmeaustausch zumindest teilweise im Gleichstromprinzip vollzieht.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß das gebrauchte Wasser bzw. Kühlmittel im Umlaufbetrieb zumindest teilweise erneut zur Kühlung eingesetzt wird, wodurch sich hieraus eine besondere Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt, da das bereits einmal verwendete Kühlmittel erneut bzw. in wiederholtem Male zur Kühlung eingesetzt werden kann.

Zur exakten Einstellung der optimalen Abkühlungswirkung, wird das Mischverhältnis zwischen abgeführtem Kühlmittel und Frischwasser bzw. frischem Kühlmittel über ein Steuerventil bestimmt.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann vorteilhafterweise in einer bevorzugten Ausführungsform als Sprühturm ausgebildet sein. Hierbei wird auf einfache Weise die Abkühlung dadurch erzeugt, daß wenigstens eine Sprüheinrichtung im Sprühturm angeordnet ist. Hierbei haben sich Vollkegeldüsen als besonders vorteilhaft aufgrund der gleichmäßigen Tropfenverteilung erwiesen.

Alternativ hierzu kann das Kühlmittel auch auf einfachste Weise über ein Lochblech verteilt werden, was die gesamte Vorrichtung entsprechend preisgünstig macht.

Andererseits ergibt sich bei der Verwendung einer Vollkegeldüse insbesondere bei deren Anordnung im wesentlichen unterhalb der Behältermitte ein besonders guter Abkühleffekt, da sich im unteren Bereich ein echter Gegenstrom, im oberen Bereich ein Mitstrom kleinerer Tropfen ergibt, wodurch sich eine zusätzliche Nutzung des Kühlwassers nach dem Gleichstromprinzip ergibt.

Zur Sammlung des für die Kühlung verwendeten Kühlmittels wird vorteilhafterweise ein Auffangbehälter beispielsweise eine Auffangwanne vorgesehen. Diese weist vorteilhafterweise wenigstens einen Überlauf auf, der das Kühlmittel in eine Abwasserleitung führt. Dies ermöglicht eine kontrollierte Ableitung des Kühlmittels.

Wird weiterhin die Abwasserleitung mit einer Einlaßleitung des Kühlmittels in den Behälter verbunden, so ergibt sich die Möglichkeit eines Umlaufbetriebs und einer mehrfachen Verwendung des gleichen Kühlwassers, das mit einem entsprechenden Anteil an Frischwasser versetzt wird, wenn die Einlaßleitung des Kühlwassers oder -mittels mit einem Zulauf von frischem Kühlmittel verbunden ist.

Um exakt beispielsweise die optimale Kühlmitteltemperatur einzustellen, weist der Zulauf ein Steuerventil auf.

Weiterhin ist in der Abwasserleitung eine Förder- oder Druckerhöhungspumpe vorgesehen, die einen entsprechenden Durchsatz des Abwassers bzw. die Zurückführung zum Kühlmitteleinlaß ermöglicht. Diese ist dabei so angeordnet, daß die Einlaßleitung von frischem Kühlmittel auf der Saugseite der Pumpe mündet.

Wird ein zweiter Überlauf über dem ersten Überlauf vorgesehen, so wird verhindert, daß beispielsweise bei kurzzeitiger Erhöhung des Durchsatzes an Kühlmittel, das Rückführsystem nicht überlastet wird, und andererseits wird vorteilhafterweise erreicht, daß eine gewisse Menge an verbrauchter Kühlflüssigkeit separat abgeführt werden kann.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch noch erhöht, daß über der Kühlmittelzuführeinrichtung eine Abscheidevorrichtung für mitgerissene Tropfen vorgesehen ist, so daß das zu kühlende Abgas wieder von der Kühlflüssigkeit weitestgehend befreit wird.

In einer einfachen Ausbildung kann die Abscheidevorrichtung aus Drahtgeflecht ausgebildet sein, daß als Prallabscheider wirkt.

Alternativ zur Ausführung als Sprühturm oder dergleichen kann der Behälter eine Kühlmittelsäule oder ein Kühlmittelbett aufweisen, durch die bzw. das das Abgas geleitet wird. Hierbei kann in einfacher Weise das Kühlmittel im wesentlichen stehend angeordnet sein, was zu einer besonders einfachen Ausführungsform der Kühlvorrichtung führt. Andererseits muß jedoch das Abgas unter einem entsprechenden Druck in den Behälter eingeführt werden, um den Wasserdruck zu überwinden, was wiederum entsprechende Fördervorrichtungen notwendig macht. Darüberhinaus ist eine entsprechende Flüssigkeitshöhe notwendig, um eine ausreichende Abkühlung zu erzielen.

Zur Verringerung dieser notwendigen Durchströmhöhe durch das Kühlmittel kann dieses entgegen der Abgasströmrichtung umgewälzt werden, so daß sich die Abkühlung im Gegenstromprinzip befindet, was wiederum zu einer Reduzierung der Bauhöhe führt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zur Durchführung des Kühlverfahrens;

Fig. 2 eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einer Rückführung und einem zweiten Überlauf;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Kühlvorrichtung mit einem im wesentlichen stehenden Kühlmittelbett; und

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 mit bewegtem Kühlmittelbett.

In Fig. 1 ist prinzipiell der Aufbau einer Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Kühlvorrichtung weist einen Behälter 1 auf, der im wesentlichen senkrecht angeordnet ist. Über eine Kühlmittelzuführung 3 wird das Kühlwasser bzw. Kühlmittel 5 in den Behälter 1 eingeführt und mit einer Sprüheinrichtung 7 annähernd gleichmäßig im Behälter 1 verteilt.

Ein zu kühlendes Abgas wird gemäß Pfeil 9 über eine Leitung 11 von unten in den Behälter 1 eingeführt und strömt entgegen der Fallrichtung des Kühlwassers 5 nach oben. Somit ergibt sich eine Abkühlung im Gegenstromprinzip.

Die Sprüheinrichtung 7 erzeugt in einem einfachen Fall einen einzigen Sprühkegel, wobei vorteilhafterweise zu dessen Erzeugung eine Vollkegeldüse verwendet wird. Es ist jedoch auch möglich mehrere Sprüheinrichtungen 7 in Längsrichtung des strömenden Abgases anzuordnen.

Weiterhin ist eine Einrichtung 13 zum Ablassen des Kühlwassers 5 vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel mit einer Sprüheinrichtung 7 wird diese vorzugsweise nicht am oberen Ende des Sprühturms oder Behälters 1, sondern etwas unterhalb der Mitte des Behälters 1 angeordnet. Dadurch ergibt sich unterhalb der Sprüheinrichtung eine Abkühlung nach dem Gegenstromprinzip und oberhalb der Sprüheinrichtung 7 eine Abkühlung nach dem Gleich- oder Mitstromprinzip.

Um zu verhindern, daß Tröpfchen allzuweit nach oben mittransportiert werden, weist der Behälter 1 eine Abscheidevorrichtung 15 auf, die beispielsweise in Form eines Drahtgeflechts ausgebildet sein kann, das als Prallabscheider arbeitet.

In Fig. 2 ist eine weitere einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung dargestellt. Unterhalb des Behälters 1 ist eine Kühlmittelauffangwanne 17 angeordnet, durch die im oberen Bereich das Abgas gemäß Pfeil 9 von der Leitung 11 kommend hindurchgeleitet wird, um in den Behälter 1 geleitet zu werden. Im unteren Bereich der Auffangwanne 17 bildet sich ein Tropfsumpf 19, der über einen Überlauf 22 in seiner Höhe 20 festgelegt ist. Dies geschieht auf einfache Weise dadurch, daß der Überlauf 22 nach oben gekrümmt ist, so daß erst ab einer bestimmten Höhe 20 das Kühlmittel 5 über dem Überlauf 22 in eine Abwasserleitung 21 abfließen kann.

Weiterhin ist an der Verbindungsstelle zwischen Auffangwanne 17 und Behälter 1 eine Tropfenkante 23 vorgesehen.

Damit ein gesichertes Abtropfen erfolgen kann, wird der Querschnitt der Auffangwanne 17 erheblich größer bemessen als die Querschnitte der Leitung 11 und auch des Behälters 1. Dies führt zu einer Strömungsberuhigung und verhindert ein Zerstäuben der von der Tropfkante 23 herabfallenden Tropfen.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach Sprühturmprinzip dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen beziffert sind.

Als wesentliches Element weist die Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine Rückführung des über die Abwasserleitung 21 abgeführten Kühlmittels 5 auf. Zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Rückführung ist hierzu eine Pumpe 25 vorgesehen, die das Kühlmittel 5 zur Kühlmittelzuführung 3 zurückpumpt. Weiterhin ist eine Zuführung 27 von frischem Kühlmittel vorgesehen und ein Ventil 29 ist in der angeschlossenen Zuführung 27 vorgesehen, um die Zufuhr von frischem Kühlmittel zu steuern. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß mittels geeigneter Einrichtungen die Temperatur des Kühlmittels 5 in der Abwasserleitung 21 gemessen wird und mit einem entsprechenden Sollwert verglichen wird, wonach die Frischwasserzufuhr entsprechend gesteuert wird bzw. die Förderleistung der Pumpe 25 entsprechend angepaßt wird. Derartige Steuersysteme sind prinzipiell bekannt. Vorzugsweise erfolgt die Einleitung des frischen Kühlmittels auf der Saugseite der Pumpe 25, die entweder als einfache Förderpumpe oder als Druckerhöhungspumpe ausgebildet sein kann.

Weiterhin weist die Ausführungsform gemäß Fig. 3 einen zweiten Überlauf 31 oberhalb des ersten Überlaufs 21 auf, um zu verhindern, daß der Tropfsumpf 19 eine bestimmte Höhe übersteigt und beispielsweise in die Leitung 11 des Abgases eindringen kann. Die Ableitung aus dem zweiten Überlauf 31 kann wiederum durch ein Ventil 33 gesteuert werden.

Zur verstärkten Kühlung kann weiterhin am Behälter 1 ein Kühlmantel 34 vorgesehen sein, der beispielsweise eine Kühlleistung in Abhängigkeit der Abgastemperatur einerseits und der Kühlmitteltemperatur andererseits bietet.

Die Zufuhr von Frischwasser bzw. frischem Kühlmittel über die Frischwasserzuführung 27 kann mit dem Ventil 29 so gesteuert werden, daß sie entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.

In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung dargestellt. Das Abgas wird gemäß Pfeil 35 über eine Zuführleitung 37 in einen Behälter 39 geführt, der mit Kühlwasser bzw. Kühlmittel 5 gefüllt ist, wodurch sich ein Kühlmittelbett 40 ergibt. Das Abgas strömt von einer Düse 41 in das Kühlmittel ein und perlt an die Oberfläche des Kühlmittels 5. Hierbei ist zu beachten, daß in Abhängigkeit von der Kühlleistung bzw. der Abgastemperatur einerseits und der Kühlmitteltemperatur andererseits eine Höhe H erforderlich ist, damit eine ausreichende Kühlung des Abgases erreicht wird. Diese Höhe H ist somit umso größer, je größer die Abgastemperatur ist. Allerdings ist es andererseits erforderlich, den Wasserdruck zum Einblasen des Abgases zu überwinden, der wiederum von der Höhe H abhängt.

Sollte deshalb aus baulichen Gründen die erforderliche Höhe H nicht erreicht werden können, so kann gemäß der Ausführungsform von Fig. 5 auch eine Umwälzung des Kühlmittels 5 in einem entsprechend hierfür angepaßten Behälter 43 erfolgen, wozu beispielsweise eine einfache Turbine 45 vorgesehen ist.

Die Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsform von Fig. 5 arbeitet nach dem Gegenstromprinzip, d. h., das eingeblasene Abgas perlt entgegen der Strömungsrichtung 47 des Kühlmittels 5 nach oben, wobei zur notwendigen Abkühlung eine Höhe h erforderlich ist, die entsprechend geringer ist als die Höhe H. Die Abkühlleistung des Kühlmittels kann somit in Abhängigkeit von der Kühlmittelgeschwindigkeit eingestellt werden, d. h. in Abhängigkeit der Pumpleistung durch die Turbine oder Pumpe 45.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich somit besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens, mit welchem auf wirtschaftliche Weise eine rasche Abkühlung des bei der katalytischen Oxidation von Ethylenoxid bzw. Formaldehyd entstehenden Abgases, wobei je nach entweder bereits vorhandener Anlage oder entsprechendem Platzangebot und abzukühlender Abgasmenge, die eine oder andere Ausführungsform die entsprechende vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlvorrichtung darstellt.

Claims (28)

1. Verfahren zur Kühlung von heißen Abgasen aus der katalytischen Oxidation von Ethylenoxid oder von Formaldehyd, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase in direkten Kontakt mit einem Kühlmittel (5), vorzugweise Wasser, gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas mit dem Kühlmittel (5) besprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch eine Kühlmittelsäule oder ein Kühlmittelbett (40) geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch weiterhin partiell im Gleitstromprinzip erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gebrauchte Kühlmittel (5) im Umlaufbetrieb teilweise oder zumindest teilweise vollständig erneut zur Kühlung eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen rückgeführtem Kühlmittel (5) und frischem Kühlmittel mittels eines Stahlventils (29) bestimmt wird, das auf Parameter, wie Temperatur des Abgases, des Kühlmittels, des frischen Kühlmittels, reagiert.

8. Kühlvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Behälter in den die Abgase eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas im Behälter (1, 39, 43) in direkten Kontakt mit einem Kühlmittel (5) steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) als Sprühturm ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Besprühung der Abgase durch wenigstens eine Sprüheinrichtung (7) erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (7) aus einer Düse gebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (7) aus einer Vollkegeldüse gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (5) über ein Lochblech verteilt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzuführeinrichtung (Sprüheinrichtung 7) im wesentlichen etwas unterhalb der Behältermitte angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittelauffangbehälter (Kühlmittelauffangwanne 17) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserauffangbehälter (17) wenigstens einen Überlauf (22) aufweist, der das Kühlmittel (5) in eine Abwasserleitung (21) führt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (21) mit einer Einlaßleitung bzw. Kühlmittelzuführung (3) in den Behälter (1) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführung (3) mit einer Zuführung (27) von frischem Kühlmittel verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr (27) ein Steuerventil (29) aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung (21) eine Förder- oder Druckerhöhungspumpe (25) aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Überlauf (31) über dem ersten Überlauf (22) vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich des Behälters (1) über der Sprüheinrichtung (7) eine Abscheidevorrichtung (15) für mitgerissene Tropfen vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidevorrichtung (15) als Drahtgeflecht ausgebildet ist, das als Prallabscheider wirkt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitung (11) und des Behälters (1) geringer ist als der Querschnitt der Auffangwanne (17).

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tropfkante (23) vorgesehen ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Kühlmittelsäule oder ein Kühlmittelbett (40) aufweist, durch die bzw. das das Abgas geleitet wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (5) im wesentlichen stehend ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (5) sich im Umlauf vorzugsweise entgegen der Aufsteigerichtung der Abgasblasen befindet.