Projekt 15611/01

Entwicklung eines Feststoffeintragsystems für Prozesse, bei denen flüssige Lösemittel durch überkritisches CO2 ersetzt werden

Projektträger

Siegfried Kempe GmbHApparate- und Maschinenbau
Steinhäldenstr. 5 - 9
74193 Schwaigern
Telefon: 07138/9881-12

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In den letzten Jahren wird vermehrt versucht, flüssige Lösemittel, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Lösemittel, durch überkritisches CO2 zu ersetzen. Vorteile sind hierbei besonders in der Regenerierbar-keit sowie in der physiologischen und ökologischen Unbedenklichkeit des CO2 als Lösemittel zu sehen. Sollen bei solchen Prozessen nun Feststoffe zugegeben werden, so war dies bislang nur im Batchpro-zess möglich, was sich in der Handhabung schwierig gestaltet. Ein signifikantes Beispiel ist das Einbringen von pulverförmigen Dispersionsfarbstoffen in den Hochdruckraum bei der Färbung von Polyester mit überkritischem CO2. Dabei ist eine genaue Farbstoffdosierung bisher nur unzureichend möglich. Es sollte ein Feststoffeintragsystem für Hochdruckanlagen entwickelt werden, welches den kontinuierlichen Eintrag und damit eine genaue Dosierung von pulverförmigen Feststoffen in den Hochdruckraum ermöglicht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Umsetzung des genannten Ziels musste ein hydraulisch betriebenes Vorschubsystem mit Aufnahmebohrungen für den Feststoff entworfen und gebaut werden. Dabei müssen die Vorschubgeschwindig-keiten und der Inhalt der Hochdruckkammer so aufeinander abgestimmt sein, dass die Verweilzeiten des überkritischen Mediums ausreichen, um eine Lösung des stellmittelhaltigen Farbstoffes bis zur Sättigungsgrenze (binäres Gleichgewicht) ständig zu gewährleisten. Die Art der Hochdruckabdichtung ist aus der Kolbenabdichtung von oszillierenden Hochdruckpumpen bekannt, muss für den speziellen Fall eines Feststoffeintrags allerdings angepasst werden.
Das Eintragsystem wurde in einer ersten Stufe im Labormaßstab gebaut, um es an einer vorhandenen Laboranlage (TUHH) zu erproben. Wesentliche Arbeitsschritte dabei waren:
- Verfahrenstechnische Auslegung (TUHH),
- Konstruktive Auslegung (Kempe),
- Dichtungsauswahl (Test verschiedener Materialien in einer Hochdrucksichtzelle) und
- anschließende Funktionsprüfung der Laborapparatur durch Integration in die Laboranlage der TUHH.
Parallel dazu wurden Grundlagenuntersuchungen zur Farbstoffauflösung durchgeführt. Nach erfolgreicher Umsetzung der ersten Stufe folgte in einer zweiten Stufe der Bau des Eintragsystems in der Dimension der Pilot-Färbeanlage der Fa. Amann. Die konstruktive Auslegung erfolgte durch Fa. Kempe. Die Funktionsprüfung durch Integration in die Pilot-Färbeanlage unterstütze JVS Engineering.


Ergebnisse und Diskussion

Von der Firma Siegfried Kempe GmbH, Apparate- und Maschinenbau, Schwaigern, Württemberg wurde in Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg, Arbeitsbereich Verfahrenstechnik II (Prof. R. Eggers) ein Feststoffeintragsystem für Hochdruckanlagen konstruiert und gefertigt, welches den kontinuierlichen Eintrag und damit eine genaue Dosierung von pulverförmigen Feststoffen in den Hochdruckraum ermöglicht. Dabei können Farbstoffe in Pulver- oder Partikelform in einem Behälter bei Umgebungsdruck vorgelegt werden. Von dort werden sie mit Hilfe von Transportbohrungen in einem verschiebbaren Kolben quasi-kontinuierlich in einen Hochdruckbehälter gefördert.
In der 1. Phase (Labormaßstab) des Projektes wurde für die Abdichtung des Kolbens, der horizontal durch den Hochdruckbehälter (vertikaler Zylinder) bewegt wird, ein Dichtungssystem entwickelt. Dieses muss einerseits einen Gasverlust von innen (max. 300 bar) verhindern und andererseits eine Beweglichkeit des Kolbens ohne zu großen Reibungswiderstand gewährleisten. Zudem wurden in dieser Phase der Feststofftransport in einem kleineren Maßstab getestet und Grundlagen zur Farbstofflöslichkeit erarbeitet.
In der 2. Phase des Projekts (Pilotmaßstab) wurde das Feststoffeintragssystem in einem realen Prozess an einer Hochdruckversuchsanlage getestet. Hierbei wurden die Ergebnisse aus der Laborphase in der Praxis verifiziert und ein scale up der Technik in den technischen Maßstab durchgeführt. Insbesondere der Verschleiß des Dichtungssystems und der reibungslose Transport der Feststoffe wurden hierbei im Langzeitbetrieb getestet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Dichtungssystem sowohl günstige Dichteigenschaften als auch eine hohe Standfestigkeit (lange Betriebszeiten) besitzt. Weitere Anwendungen sollen 2004 im Zuge der Fortsetzung der Kooperation zwischen der Siegfried Kempe GmbH, der TU Hamburg-Harburg (Herr Prof. Eggers) und der JVS Engineering (Herr Dr.-Ing. von Schnitzler) getestet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ausstellung auf der ACHEMA 2003, Frankfurt;Vortrag im Rahmen der 23. Osnabrücker Umweltgespräche Prozessnahe Maßnahmen zum integrierten Umweltschutz in der Textilveredlung, am 05.02.2004, Zentrum für Umweltkommunikation, Osnabrück;
Posterpräsentation im Rahmen des XX. Meeting on Supercritical Fluids, Juni 2004, Triest, Italien.


Fazit

Das Ziel des Entwicklungsprojektes wurde erreicht: Es wurde ein Feststoffeintragsystem entwickelt und gebaut, welches einen quasi-kontinuierlichen Eintrag von pulverförmigen Feststoffen in einen Hochdruckbehälter ermöglicht. Die beiden Hauptschwierigkeiten, die Entwicklung eines Dichtungssystems, welches dauerhaft den hohen Belastungen standhält, und die Be- und Entladung der Transportbohrun-gen konnten gelöst werden. Dadurch steht jetzt eine Technik zur Verfügung, die z. B. für die Färbung von Textilien mit überkritischem CO2 eine deutlich bessere Farbstoffausnutzung ermöglicht und gleichzeitig die Prozesszeiten verkürzt. Zwei Faktoren, die eine vielversprechende und ökologisch günstige Technik auch ökonomisch positiv beeinflussen.

Übersicht

Fördersumme

80.147,05 €

Förderzeitraum

01.01.2001 - 31.12.2003

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik