eSorb – ein neuer Baustein zur effizienten ... · Aktivkohle einen katalytischen Effekt auf die Reaktion ausübt. Bei der Desorption in realen Anlagen wird erwartungsgemäß der

AWS Group AG

Inselwiesenstraße 4

74076 Heilbronn

eSorb –

ein neuer Baustein zur

effizienten Stoffrückgewinnung aus der Gasphase

Abschlussbericht zur ersten Phase eines Entwicklungsprojekts,

gefördert unter dem Az: 30932-21/29 von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt

von

Matthias Pfutterer, Otto Carlowitz,

Sven Meyer, Jens Altmann, Matthias Napp, Sven Gutperl,

Bernd Benker, Annett Wollmann, Nils Muschkalski

Oktober 2014

Herausgeber und Bezugsmöglichkeit

AWS Group AG

Inselwiesenstraße. 4

74076 Heilbronn Tel.: +49 7131-797 88 -0

Fax: +49 7131-797 88 -99

Internet: www.aws-systems.com

eMail: [email protected]

TU Clausthal

Institut für Umweltwissenschaften

Agricolastraße 4

38678 Clausthal-Zellerfeld

Tel.: +49 5323 - 72-3582

Fax: +49 5323 - 72-3534

Internet: www.iuw.tu-clausthal.de

eMail: [email protected]

CUTEC-Institut GmbH

Leibnizstraße 21+23

D-38678 Clausthal-Zellerfeld

Tel.: +49 5323 933-0

Fax: +49 5323 933-100

Internet: www.cutec.de eMail: [email protected]

1. 1. 1. 1. ProjektkProjektkProjektkProjektkennblattennblattennblattennblatt 06/02

Projektkennblatt

der Deutschen Bundesstiftung Umwelt

Az 30932 Referat 21/2 Fördersumme 123.677,00 € Antragstitel e-Sorb – ein neuer Baustein zur effizi enten Stoffrückgewinnung aus der

Gasphase Stichworte Sorption, Stoffrückgewinnung, Lösemittel, Flexo-Druck

Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n)

18 Monate 28.02.2013 27.08.2014 1 / 1

Zwischenberichte alle 6 Monate Kurzbericht Bewilligungsempfänger AWS Group AG Tel 07131 - 79788217 Im Zukunftspark 1 Fax 07131 - 7978888 74076 Heilbronn Projektleitung Dipl.-Ing. M. Pfutterer Bearbeiter Dipl.-Ing. M. Pfutterer Kooperationspartner TU Clausthal, Institut für Umweltwissenschaften (IUW)

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Sven Meyer, Tel.: 05323 – 72-2157/3582 Agricolastr. 4 38678 Clausthal-Zellerfeld

Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH (CUTEC-Institut GmbH) Ansprechpartner: Dr.-Ing. Bernd Benker; Tel.: 05323 – 933-245 Leibnizstr. 21 + 23 38678 Clausthal-Zellerfeld Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Bereich des Verpackungsdrucks werden aus Qualitätsanforderungen an Farbtiefe und -brillanz vor-wiegend organische Lösemittel eingesetzt, darunter Ethylacetat, Ethanol, N-Propylacetat und Ethoxy-propanol. Diese Lösemittel werden bei der Trocknung in Form von VOC-haltigen Abgasen freigesetzt und erfordern – entsprechend den gesetzlichen Vorgaben (z. B. 31. BImSchV]) – eine Abgasreinigung. Vielfach sind regenerative Nachverbrennungsanlagen, die die Lösemittel oxidativ umsetzen, implemen-tiert. Ab einem Lösemitteleinsatz von ca. 1 t/h ist bereits heute der Einsatz von adsorptiven Verfahren zur Aufkonzentration der Abluft und Kondensation des Desorbates mit dem Ziel der wirtschaftlichen Rück-gewinnung möglich. Die Desorption erfolgt dabei mittels Wasserdampf bei relativ niedrigen Temperatu-ren. Allerdings sind die im Flexo-Verpackungsdruck eingesetzten Lösemittel teilweise wasserlöslich, so dass sich eine aufwändige thermische Aufarbeitung anschließt. Alternativ könnte eine Inertgasdesorption bei Temperaturen von bis zu 210 °C erwogen werden. Allerdings reagiert dann das Ethylacetat mit dem ebenfalls adsorbierten Wasserdampf aus der Abluft teilweise zu Essigsäure, wobei möglicherweise die Aktivkohle einen katalytischen Effekt auf die Reaktion ausübt. Bei der Desorption in realen Anlagen wird erwartungsgemäß der Gleichgewichtszustand nicht erreicht, jedoch ist auch bei geringeren Anteilen von gebildeter Essigsäure eine aufwändige und energieintensive Aufbereitung unabdingbar. Als Folge ist dieses Rückgewinnungsverfahren für kleinere Lösemittelmassenströme (100…500) kg/h nicht wirtschaft-lich darstellbar. Für geringere Lösemitteleinsätze (100…500 kg/h) kann als alternatives Verfahren ein Absorptionsverfah-ren mit Hochsiedern eingesetzt werden, das eine schonendere Rückgewinnung der Lösemittel ermög-licht. Bei der Desorption mit z. B. Stickstoff genügen niedrigere Temperaturen (bis 130 °C), katalytis che Begleiteffekte sind weitestgehend ausgeschlossen. Das Verfahren war in diesem Kontext nicht erprobt, dies gilt insbesondere für die Absorptionsstufe in Verbindung mit den im Flexoverpackungsdruck auftre-tenden Abluftbeladungen mit Lösemitteln und dem Nachweis, dass die organischen Lösemittel den ho-hen Anforderungen des Wiedereinsatzes genügen.

Deutsche Bundesstiftung Umwelt � An der Bornau 2 � 49090 Osnabrück � Tel 0541/9633-0 � Fax 0541/9633-190 � http://www.dbu.de

eSorb – ein neuer Baustein zur effizienten Stoffrückgewinnung - Projektbericht

4 1. Projektkennblatt

Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Die Aufgabenstellung für dieses Vorhaben bestand darin, den Schritt der Absorption im Einzelnen zu un-tersuchen, woraus ein leistungsfähiger Absorber hervorgehen sollte. Die Idee, das Absorbens (Hochsie-der) zu zerstäuben, hatte das Ziel, eine große Stoffübergangsfläche zu erzeugen. Anschließend sind Tröpfchen mit einem Hochleistungsdemister (Trägheitsabscheider) zu entfernen, ggf. sollte zusätzlich ein elektrischer Abscheider nachgeschaltet werden. Daher erfolgte im ersten Schritt die Konzipierung und Planung einer Versuchsanlage zur Absorption. Um die Absorption kontinuierlich betreiben zu können, war die versuchstechnische Darstellung des gesamten Kreislaufes Absorption-Desorption notwendig. Diese Versuchsanlage wurde in einem weiteren Arbeitsschritt in Betrieb genommen und hinsichtlich der Abscheidung der Lösemittel aus dem Luftstrom sowie der anschließenden Abscheidung von Tröpfchen untersucht und optimiert. Abschließend erfolgte die Dokumentation der Versuchsergebnisse.

Ergebnisse und Diskussion Die in dieser ersten Projektphase durchgeführten Versuche haben folgende Ergebnisse hervorgebracht: • Der Absorber ist einfach aufgebaut und lässt sich ohne Schwierigkeiten handhaben, er liefert gute

Abscheidegrade (eine Stufe bis zu etwa 60 %). Er lässt sich relativ einfach durch das Produkt aus Stoffübergangskoeffizient und stoffübertragender Fläche charakterisieren, so dass die Stufenzahl ei-ner Kaskade bis zum Unterschreiten des Emissionsgrenzwertes abschätzbar ist.

• Der Demister (Trägheitseffekte) erweist sich als derart effizient, dass auf weitere Abscheidestufen (elektrisch) verzichtet werden kann. Dies kommt dem späteren Ziel möglichst niedriger Investitions-kosten entgegen.

• Für reproduzierbare Ergebnisse ist die Konstanz der Temperatur im System bedeutsam. Insgesamt konnten alle gesetzten Ziele des Vorhabens erreicht werden.

Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Ergebnisse wurden durch Vorträge vor einschlägigem Fachpublikum und zugehörige Veröffentli-chungen publiziert (u.a. VDI-Tagung Emissionsminderung 2014). Das Projekt „eSorb – ein neuer Bau-stein zur Stoffrückgewinnung in der Druckindustrie“ konnte auf dem Gemeinschaftsstand Niedersächsi-scher Hochschulen „Innovationsland Niedersachsen: Kooperationen für nachhaltiges Wachstum“ wäh-rend der Hannover Messe 2014 vom 07. bis 11. April 2014 vorgestellt werden. Zahlreiche Besucher ha-ben sich am Stand über die Ergebnisse informiert. Das Projekt ist am 09. April 2014 mit dem »nachhaltige PRODUKTION Award 2014« in der Kategorie „Forschung & Entwicklung“ ausgezeichnet worden. In der Laudatio sind dabei der innovative Ansatz des Verfahrens und die Ökobilanz im Anwendungsfall herausgestellt worden. Zusätzlich fließen die Erkenntnisse über den Projektpartner TU Clausthal, Institut für Umweltwissen-schaften und CUTEC Institut GmbH in die Lehre der TU Clausthal ein.

Fazit Durch die erste F&E-Phase des Vorhabens konnte ein zielführend arbeitender Absorber konzipiert und erfolgreich erprobt werden. In einer zweiten Phase ist in einem produzierenden Betrieb (Bypassfahr-weise) nachzuweisen, dass die rückgewonnenen organischen Lösemittel den gesetzten Qualitätsanfor-derungen entsprechen und sich damit der kreislaufwirtschaftliche Ansatz wirtschaftlich tragfähig realisie-ren lässt.

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5 2. Inhaltsverzeichnis

2. 2. 2. 2. InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis

1. Projektkennblatt __________________________________________________________ 3

2. Inhaltsverzeichnis _________________________________________________________ 5

3. Verzeichnisse von Bildern, Fotos und Tabellen __________________________________ 6

3.1 Bilderverzeichnis __________________________________________________________ 6

3.2 Fotoverzeichnis ___________________________________________________________ 6

3.3 Tabellenverzeichnis _______________________________________________________ 6

4. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, Definitionen ____________________________ 7

4.1. Abkürzungsverzeichnis _____________________________________________________ 7

4.2. Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes _____________________________________ 7

4.2.1 Lateinische Symbole ______________________________________________________________ 7 4.2.2 Griechische Symbole ______________________________________________________________ 7 4.2.3 Diakritische Zeichen ______________________________________________________________ 7 4.2.4 Indizes _________________________________________________________________________ 7

5. Zusammenfassung ________________________________________________________ 9

6. Hauptteil _______________________________________________________________ 10

6.1 Einführung und Aufgabenstellung ___________________________________________ 10

6.2 Versuchsanlagentechnik ___________________________________________________ 11

6.2.1 Konzeption und Ausführung der Absorptionsstufe _____________________________________ 12 6.2.2 Aufbau der gesamten Technikumsanlage ____________________________________________ 14 6.2.3 Versuche ______________________________________________________________________ 20

6.2.3.1 Charakterisierung des Absorbers _________________________________________________ 20 6.2.3.2 Bestimmung des Henry-Koeffizienten (für Ethylacetat) ________________________________ 22 6.2.3.3 Funktion des Demisters _________________________________________________________ 22 6.2.3.4 Abscheidegrad der Absorberstufen________________________________________________ 24

6.3 Schlussfolgerungen aus den Versuchen _______________________________________ 29

6.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Gesamtverfahrens __________________________ 31

6.5 Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse _________________________ 33

6.5.1 Hannover Messe 2014 ___________________________________________________________ 33 6.5.2 Nachhaltige Produktion AWARD 2014 _______________________________________________ 34 6.5.3 Emissionsminderung 2014 ________________________________________________________ 35 6.5.4 Weitere Maßnahmen ____________________________________________________________ 35

7. Fazit und Ausblick ________________________________________________________ 36

8. Literaturverzeichnis ______________________________________________________ 37

9. Anhänge _______________________________________________________________ 39


6 3. Verzeichnisse von Bildern, Fotos und Tabellen

3. 3. 3. 3. Verzeichnisse von Bildern, Fotos und TabellenVerzeichnisse von Bildern, Fotos und TabellenVerzeichnisse von Bildern, Fotos und TabellenVerzeichnisse von Bildern, Fotos und Tabellen

3.1 Bilderverzeichnis

Bild 1 Gleichgewichtsberechnung zum Zerfall von Ethylacetat in Gegenwart von Wasser

mittels CHEMCAD 10

Bild 2 Verfahrensansatz „eSorb“ 11

Bild 3 Prinzipskizze des Absorbers 12

Bild 4 Vereinfachtes Verfahrensschema der Technikumsanlage 14

Bild 5 Erfassung und Visualisierung der Messdaten 17

Bild 6 Aufstellung der Technikumsanlage 18

Bild 7 Anordnung der Messstellen 19

Bild 8 Kaskadenschaltung von Absorptionsstufen 20

Bild 9 Bestimmung des Genosorbaustrages aus dem Demister mittels FID 23

Bild 10 Abhängigkeit des Henry-Koeffizienten von der Temperatur 25

Bild 11 Stoffübergangsparameter „β∙A“ im Vergleich 26

Bild 12 Stoffübergangsparameter „β∙A“ als Funktion der Temperatur 27

Bild 13 Abhängigkeit des Abscheidegrades von Eintrittsbeladung und Austauschvolumen-

strom 27

Bild 14 Konzentrationsverläufe auf der Gas- und Flüssigkeitsseite für eine Kaskadenschal-

tung von 8 Absorbern 29

Bild 15 Absorber mit zwei Stufen 29

Bild 16 Verfahrensansatz für eine Absorberkaskade (Hauptausführung) 30

Bild 17 Gegenüberstellung der Betriebsmittelkosten einer RTO und der Lösemittelrückge-

winnung (LMR) für den Referenzfall

32

Bild 18 Vergleich der Investitionssummen und Betriebsmittelkosten für eine RTO und eine

Lösemittelrückgewinnungsanlage (LMR) mit eSorb-Modul

32

3.2 Fotoverzeichnis

Foto 1 Im Technikum installierter Absorber 12

Foto 2 Verdampfereinheit im Technikum mit entsprechendem Ausschnitt aus dem

Fließbild 15

Foto 3 Im Technikum installierte Absorber mit entsprechendem Ausschnitt aus dem

Fließbild 16

Foto 4 Aufstellung der Desorptionseinheit mit entsprechendem Ausschnitt aus dem

Fließbild 17

Foto 5 Schaltschrank 18 Foto 6 Bedienpanel des Schaltschranks 18

3.3 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Auslegungs- und Bemessungsdaten des Absorbers 13

Tabelle 2 Kenndaten von Genosorb 1843 15

Tabelle 3 Genosorb-Analytik 21

Tabelle 4 Versuche mit dem Stoffpaar Ethylacetat / Genosorb 1843 25


7 4. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, Definitionen

4. 4. 4. 4. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, DefinitionenVerzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, DefinitionenVerzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, DefinitionenVerzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, Definitionen

4.1. Abkürzungsverzeichnis

BHKW Blockheizkraftwerk

EA Ethylacetat

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

LMR Lösemittelrückgewinnung

Lsm Lösemittel

PÄ Propanäquivalente

RTO Regenerative Thermische Oxidation

UNIFAC Universal Quasichemical Functional Group Activity Coefficients

VOC Volatile Organic Compounds, flüchtige organische Verbindungen

4.2. Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes

4.2.1 Lateinische Symbole

� Stoffübergangsfläche ��

� Konstante �

� Enthalpie �/�, �/��

� Henry-Koeffizient /��

� Masse ��, �

� Druck �� universelle Gaskonstante �/(� ∙ �) � Absolute Temperatur �

� Volumen ��

� Lösemittelkonzentration im Absorbens �/

� Lösemittelkonzentration im Abgas �/��

Ø Durchschnitt

4.2.2 Griechische Symbole

� Stoffübergangskoeffizient /(�� ∙ ℎ) Δ Differenz

� Abscheidegrad %

! Celsius-Temperatur °�

4.2.3 Diakritische Zeichen

�# Strom (hier: Volumenstrom) ��/ℎ

4.2.4 Indizes

0 Bezugszustand

� Austritt

�� abfließend

��% Absorbens

& Eintritt

&� Ethylacetat

' Genosorb (Absorbens)


8 4. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen, Definitionen

'' Gleichgewicht

��ß groß

�)*+ klein

, Lösemittel (organisch)

� mittlere, Mittelwert

-, + im Normzustand, unter Normbedingungen

+ in der n-ten Stufe

%/ Lösungs-, Löslichkeits-

� bei Temperatur �

�0 bei Bezugstempertur �0


9 5. Zusammenfassung

5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung Im Flexoverpackungsdruck werden aus Qualitätsanforderungen an das Druckerzeugnis organische

Lösemittel (vorwiegend Ethylacetat und Ethanol) eingesetzt. Diese verdampfen beim Trocknungspro-

zess, gelangen in die Abluft und anschließend in eine Abgasreinigungsanlage. Bei Lösemittelmassen-

strömen von 1 t/h und mehr ist hierbei heute eine Lösemittelrückgewinnungsanlage auf adsorptiver

Basis (Aktivkohle, Zeolithe) und anschließender Wasserdampfdesorption sowie aufwändiger Konden-

sataufarbeitung wirtschaftlich tragfähig darstellbar. Für Lösemittelmassenströme unterhalb der be-

nannten Schwelle ist der Einsatz von regenerativen Nachverbrennungsanlagen Stand der Technik, die

Lösemittel oxidieren und wandeln sich in die nichttoxischen Substanzen CO2 und H2O um.

Zur Erhöhung der Ressourceneffizienz und Senkung des Kohlendioxidausstoßes ist im Rahmen dieses

Vorhabens der Ansatz gewählt worden, kein ad- sondern ein absorptives Aufkonzentrationsverfahren

auf der Basis von Hochsiedern (Genosorb) sowie eine Inertgasdesorption (Stickstoff) mit dem Ziel zu

erproben, die wirtschaftliche Tragfähigkeit einer Lösemittelrückgewinnung auch schon bei niedrige-

ren Lösemittelmassenströmen nachzuweisen. Der besondere Vorteil dieses Verfahrensansatzes liegt

in der niedrigen Desorptionstemperatur (100...130) °C. Im Fall von Adsorbentien würde hierfür eine

deutlich erhöhte Desorptionstemperatur (> 200 °C) vonnöten sein, so dass in Verbindung mit dem

Wasser im Luftstrom und der großen, ggf. katalytisch unterstützenden Oberfläche des Adsorbens

eine Zersetzung vorwiegend von Ethylacetat zu Essigsäure auftreten würde.

Da jedoch das Hochsiederabsorptionsverfahren für im Flexoverpackungsdruck auftretende Lösemit-

telbeladungen der Abluft ((6...11) g/mn³) nicht erprobt war, stellte sich zunächst die Frage nach einer

leistungsfähigen Abscheideeinheit für die Lösemittel, die – ggf. als Kaskadenschaltung – gesetzte

Emissionsbegrenzungen einhält. Hierzu wurde im Rahmen des Vorhabens eine leistungsfähige Ab-

sorberstufe konzipiert und versuchstechnisch erprobt (Technikumsmaßstab), in der das Absorbens

(Genosorb) zerstäubt und damit eine große Stoffübergangsfläche erzeugt wird. Eine sich anschlie-

ßende Demistereinheit, bestehend aus einem geschwindigkeitserhöhendem Ringspalt und einer

Edelstahlwollepackung (Trägheitsabscheidung von Tröpfchen), hat sich als derart effizient erwiesen,

dass auf eine zunächst geplante, zusätzliche elektrische Abscheidestufe verzichtet werden kann.

Die entwickelte Absorberstufe hat sich bei den im Flexoverpackungsdruck vorhandenen Abluftbela-

dungen bezüglich des Abscheidegrades als sehr leistungsstark im Vergleich zur bisher eingesetzten

Technologie erwiesen. Dies wurde insbesondere für das Lösemittel Ethylacetat nachgewiesen, aber

auch ein Lösemittelmix (abgeleitet aus der Lösemittelerklärung eines einschlägigen Betriebes) zeigt

ein etwa vergleichbares Verhalten. Weiter ist zu vermerken, dass der entwickelte Absorber mit Hilfe

eines sehr einfachen mathematischen Modells charakterisiert werden kann, so dass die voraussicht-

lich benötigte Stufenanzahl einer Absorberkaskade zum Erreichen bzw. Unterschreiten des Emissi-

onsgrenzwertes realistisch abschätzbar ist. Besonders zu beachten ist die Gewährleistung einer Tem-

peraturkonstanz im Absorptionsprozess auf niedrigem Niveau (20 °C).

Damit konnte die Aufgabenstellung für dieses Vorhaben im vollen Umfang erfüllt werden, eine leis-

tungsfähige Absorptionsstufe steht zur Verfügung. Nunmehr kann der nächsten Herausforderung

begegnet werden, im Rahmen derer herauszufinden ist, ob mit Hilfe des Hochsiederaufkonzentrati-

onsverfahrens die organischen Lösemittel qualitativ derart hochwertig zurückgewonnen werden

können, dass ein Wiedereinsatz ohne Vorbehalte möglich wird.

Abschließend soll vermerkt werden, dass die Kooperation der Partner AWS, IUW sowie CUTEC im

Rahmen des Vorhabens als bestmöglich zu bezeichnen ist. Dies betrifft nicht nur die Konzeption, den

Aufbau und die Inbetriebnahme der technologisch komplexen Technikumsanlage, sondern auch die

Durchführung der Versuche sowie deren Auswertung. Auftretenden Herausforderungen wurde un-

bürokratisch und zielführend begegnet.


10 6. Hauptteil

6666. . . . HauptteilHauptteilHauptteilHauptteil

6.1 Einführung und Aufgabenstellung

Aus Klimaschutzgründen gibt es die gesellschaftlichen und politischen Vorgaben zur Reduzierung von

Kohlendioxid-Emissionen. Die erste internationale Vereinbarung wurde durch das Kyoto-Protokoll

erzielt, wobei sich Deutschland zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen bis Ende 2012 um 21% ge-

genüber 1990 verpflichtet hatte [Uni14]. Aktuelle Entwicklungen stellen z.B. die Vorgabe des EU-

Kommissionschefs Juncker mit einer 30%igen Energieeinsparung bis 2030 dar [Sch14]. Um diese Ziele

zu erreichen, sind sowohl Maßnahmen der querschnittsorientierten als auch der prozessspezifischen

Energieeinsparung notwendig.

Das Projekt „eSorb“ untersucht die Möglichkeiten zur Rückgewinnung von organischen Lösemitteln

im Flexoverpackungsdruck, die bislang vielfach oxidativ als Folge fehlender Wirtschaftlichkeit umge-

setzt werden und aufgrund unterschiedlicher Ursachen (Oxidation der Lösemittel, Notwendigkeit der

Herstellung neuer Lösemittel etc.) zu den Kohlendioxid-Emissionen beitragen.

Im Bereich des Verpackungsdrucks werden aus Qualitätsanforderungen an Farbtiefe und -brillanz

überwiegend organische Lösemittel eingesetzt, darunter Ethylacetat, Ethanol, N-Propylacetat und

Ethoxypropanol. Diese Lösemittel werden bei der Trocknung in Form von VOC1-haltigen Abgasen

freigesetzt und erfordern – entsprechend den gesetzlichen Vorgaben (z. B. 31. BImSchV [Bun13]) –

eine Abgasreinigung. Vielfach sind regenerative Nachverbrennungsanlagen implementiert.

Ab einem Lösemitteleinsatz von ca. 1 t/h ist bereits heute der Einsatz von adsorptiven Verfahren zur

Aufkonzentration der Abluft und Kondensation des Desorbates mit dem Ziel der wirtschaftlichen

Rückgewinnung möglich. Die Desorption erfolgt dabei mittels Wasserdampf bei relativ niedrigen

Temperaturen (bis ca. 130 °C). Allerdings sind die im Flexo-Verpackungsdruck eingesetzten Lösemit-

tel teilweise wasserlöslich, so dass sich eine aufwändige thermische Aufarbeitung anschließt. Alterna-

tiv könnte eine Inertgasdesorption bei Temperaturen von bis zu ca. 210 °C erwogen werden. Aller-

dings reagiert dann das Ethylacetat mit dem ebenfalls adsorbierten Wasserdampf aus der Abluft

teilweise zu Essigsäure, wobei möglicherweise die Aktivkohle einen katalytischen Effekt auf die Reak-

tion ausübt. Der grundlegende Effekt wird unter Verwendung des UNIFAC2-Modells in Bild 1 darge-

stellt, wobei anzumerken ist, dass es sich um eine Gleichgewichtsbetrachtung handelt, die mit

CHEMCAD3 berechnet wurde. Bei der

Desorption in realen Anlagen wird erwar-

tungsgemäß dieser Gleichgewichtszustand

nicht erreicht, jedoch ist auch bei geringe-

ren Anteilen von gebildeter Essigsäure

eine aufwändige und energieintensive

Aufbereitung unabdingbar. Als Folge ist

dieses Rückgewinnungsverfahren für klei-

nere Lösemittelmassenströme (100…500)

kg/h – wie bereits angedeutet – nicht wirt-

schaftlich darstellbar.

1 VOC: Volatile Organic Compounds 2 UNIFAC: (Abkürzung für Universal Quasichemical Functional Group Activity Coefficients) ist ein Verfahren zur Abschätzung

von Aktivitätskoeffizienten, das in der Verfahrenstechnik und der Technischen Chemie häufig eingesetzt wird. 3 CHEMCAD Prozess-Simulation der Firma Chemstations Europe GmbH

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 50 100 150 200

An

teil

Eth

ylac

eta

t

ϑ [°C]

Bild 1: Gleichgewichtsberechnung zum Zerfall von Ethylacetat

in Gegenwart von Wasser mittels CHEMCAD (Stoffpaar: Ethyl-

acetat / Wasser)


11 6. Hauptteil

Für geringere Lösemitteleinsätze (100…500 kg/h) kann als alternatives Verfahren eine Absorption mit

Hochsiedern (z. B. Genosorb 1843 der Fa. Clariant [Cla02], im Folgenden als Genosorb bezeichnet)

eingesetzt werden, das eine schonendere Rückgewinnung der Lösemittel ermöglicht [PC14]. Bei der

Desorption mit z. B. Stickstoff genügen niedrigere Temperaturen (von ca. 100 °C bis 130 °C), katalyti-

sche Begleiteffekte sind weitestgehend ausgeschlossen.

Das Modul „eSorb“ ist eine Komponente für die absorptive Abscheidung der Lösemittel. Durch eine

Zerstäubung des Hochsieders wird dabei eine große Stoffübergangsfläche erzeugt. Die Abscheidung

von Tröpfchen soll gemäß ursprünglicher Planung durch eine Kombination aus statischen Demis-

terelementen und einem Nass-Elektrofilter (daher die Bezeichnung eSorb) gelingen. Bild 2 verdeut-

licht diese Anlagenschaltung.

Bild 2: Verfahrensansatz „eSorb“

Durch dieses Forschungsvorhaben sollten insbesondere folgende Fragestellung beantwortet werden

[AWS12]:

1. Wie verbessert sich die Abscheidung verschiedener zurückzugewinnender Stoffe durch zu-

sätzliche Verdüsung des Absorbens im Vergleich zum herkömmlichen AWS-Modul?

2. Welchen Einfluss haben die Eigenschaften der abzuscheidenden Stoffe (niedrig siedende org.

Lösemittel, insbesondere Ethylacetat) auf das Abscheideergebnis?

3. Wird der Emissionsgrenzwert im Fall niedrig siedender organischer Lösemittel auch bei höhe-

ren Konzentrationen im gereinigten Abgas sicher erreicht bzw. deutlich unterschritten?

Es war von vorn herein geplant, die Fragestellungen anhand von Experimenten an einer Technikums-

anlage zu beantworten, so dass im Folgenden zunächst deren Konzeption und Aufbau im Vorder-

grund stehen. Es schließen sich die Darstellung der Versuche und die Interpretation der erhaltenden

Ergebnisse an.

6.2 Versuchsanlagentechnik

Der Fokus der Versuche liegt auf der absorptiven Abscheidung der sich in der Abluft befindlichen,

gasförmigen Lösemittel. Daher wird der zugehörige Apparat vor allen weiteren Komponenten in sei-

ner Konzeption und apparativen Ausführung beschrieben.


12 6. Hauptteil

6.2.1 Konzeption und Ausführung der Absorptionsstufe

Es sind aus verfahrenstechnischer Sicht zwei Randbedingungen, die die Konzeption der Absorptions-

stufe bestimmen:

1. Durch die Zerstäubung des Absor-

bens soll – wie vermerkt – eine mög-

lichst große Oberfläche erzeugt

werden, damit ein großer Stoffstrom

an Lösemitteln übertragen werden

kann.

2. Das erzeugte Tröpfchengrößen-

spektrum darf nicht soweit in den

Feinstpartikelbereich hineinreichen,

dass ein zu hoher Absorbens-

massenstrom im Reingas verbleibt.

Einerseits entsteht dadurch eine zu-

sätzliche, unerwünschte Emission,

andererseits verringert der Ab-

sorbensverlust die wirtschaftliche

Tragfähigkeit des Verfahrensansat-

zes, zumal das hier verwendete Ab-

sorbens Kosten in Höhe von ca. 15 €

pro Liter verursacht.

Es wurde daher eine Druckzerstäubung,

d.h. eine Zerstäubung ohne Sekundär-

medium, gewählt. Weiter sollte eine

Trägheitsabscheidung der mit dem ab-

strömenden Gasstrom mitgerissenen

Partikel im Demister realisiert werden.

Hierzu ist i.d.R. eine Beschleunigung des

Gases aus der Wäscherstufe (hier auf ca.

10 m/s) notwendig, so dass die Tröpf-

chen bei Umlenkung nicht mehr der

Strömung folgen können und abgeschie-

den werden.

Um eine möglichst hohe Aufkonzentra-

tion des Absorbens erzielen zu können,

ist eine Gegenstromführung von Abluft

und Absorbens realisiert worden. Das

Ergebnis dieser Überlegungen zeigt die

in Bild 3 dargestellte Prinzipskizze des Absorbers, wobei Foto 1 einen Eindruck des aus austeniti-

schem Stahl gefertigten Absorbers vermittelt.

Es ist bewusst etwas von der im Antrag angedeuteten apparativen Konfiguration abgewichen wor-

den. Dort war als Grundprinzip ebenfalls die Zerstäubung des Absorbens vorgesehen (Erzeugung

einer großen Oberfläche), jedoch als Tröpfchenabscheider eine Art verändertes AWS-

Absorptionsmodul mit elektrischer Abscheidefunktion gewählt worden. Dieser Ansatz wurde im

Rahmen dieses Projektes nicht weiter verfolgt, weil durch den modifizierten Elektroabscheider höhe-

re Apparatekosten entstanden wären. Der implementierte Demister bewirkt – wie weiter unten noch

Bild 3: Prinzipskizze des Absorbers

Foto 1: Im Technikum installierter Absorber


13 6. Hauptteil

dargestellt wird – eine hinreichende Tröpfchenabscheidung. Auch die Betriebsmittelkosten der Kon-

figuration aus Bild 3 sind relativ gering, wie die folgende Betrachtung zeigt:

• Unabhängig, wie viele Stufen gemäß Bild 3 benötigt werden, es wird am Ende der Absorberstre-

cke (z.B. Kaskade) lediglich ein Demister benötigt. Der Druckverlust beträgt nach eigenen Unter-

suchungen max. etwa 7 mbar bei 300 m3/h Abluft. Hieraus resultiert bei einer Fördertemperatur

des Abgases von 20 °C4 eine elektrische Ventilatorleistung von 0,20 bis 0,25 kWh je 1000 mn³.

• In der VDI 3678 Blatt 1 [VDI98] wird als Energiebedarf ein Wert von (0,1 bis 0,5) kWh / 1000 m³

als Richtgröße für Elektroabscheider angegeben.

Somit liegt der Elektroenergieeinsatz für den Demister eher im unteren Bereich des für Elektrofilter

angegebenen und ist daher als relativ gering einzustufen.

Bild 3 verdeutlicht weiter den relativ einfachen Aufbau des Absorbers. Das Rohgas tritt zunächst in

einen Ringspalt ein und strömt nach unten, wo es umgelenkt wird, so dass eine Gegenstromführung

zum Absorbens, welches durch eine Vollkegeldüse zerstäubt wird, entsteht. Am oberen Ende der

zylindrischen Stoffübergangszone erfolgt die bereits angedeutete starke Beschleunigung der Abluft

nach einer 180°-Umlenkung in die Demisterpackung. Die dort abgeschiedene Flüssigkeit läuft in den

Vorlagetank (Demisterablauf) ab. In den Vorlagetank wird frisches Absorbens eingespeist und ent-

sprechend beladenes Absorbat abgeführt. Die Auslegungs- und Bemessungsdaten des Absorbers

enthält Tabelle 1.

Tabelle 1: Auslegungs- und Bemessungsdaten des Absorbers

Nr. Bauteil / Daten Eigenschaften

1 Stoffübergangszone • zylindrisch

• Ø 0,3 m

• Länge 1,1 m

• Gasgeschwindigkeit (1,2…1,3) m/s bei 300 m3/h Abluft

2 Zerstäuber • Druckzerstäuber

• 4,7 bar

• Durchfluss ca. 800 L/h

• Typ: Schlick, Mod. 553, Gr. 3, G ½“ AG, kreisf. Streukegel 45°

3 Demister • Ringspalt

• AußenØ 0,5 m

• InnenØ 0,3 m

• Beschleunigung des Gases auf 10 m/s

• Höhe 0,4 m

• Füllung: Edelstahlwolle

4 Designdurchfluss • 300 mn³/h 5 Manteldurchmesser • 0,5 m

6 Gesamthöhe • 2,4 m

Der Vollständigkeit halber wird vermerkt, dass die Möglichkeit besteht, auch frisch desorbiertes Ab-

sorbens der (i.d.R. letzten) Absorberstufe direkt zuzuführen.

4 Das Abgas ist vor Eintritt in den Absorber ggf. zu kühlen, um den Verlust an Genosorb im Reingas so klein wie möglich zu

halten. Auch der Lösemittelabscheidegrad vergrößert sich mit fallender Temperatur.


14 6. Hauptteil

6.2.2 Aufbau der gesamten Technikumsanlage

Das vereinfachte Verfahrensschema der Technikumsanlage zeigt Bild 4, ein ausführliches R&I-

Fließbild findet sich im Anhang, wobei die Bezeichnungen der Apparate- und Anlagenteile in Bild 4

übernommen worden sind. Der Vollständigkeit halber wird vermerkt, dass der Behälter B5 im R&I-

Fließbild nicht dargestellt ist, weil er für die dort praktizierte Fahrweise nicht verwendet wurde.

Bild 4: Vereinfachtes Verfahrensschema der Technikumsanlage (gestrichelt: Alternativfahrweise B)

Zunächst ist es gemäß Bild 4 notwendig, einen mit Lösemitteln beladenen Abgasmengenstrom bereit

zu stellen. Hierzu wird Außenluft durch den Ventilator VU-1 angesaugt und anschließend über den

Wärmeübertrager W-1 temperiert, weil der Absorptionsgrad stark von der Temperatur abhängig ist

und weitestgehend reproduzierbare Verhältnisse gewährleistet werden sollen5. Im Lösemittelver-

5 Im Zuge der durchgeführten Versuche hat sich gezeigt, dass die Umgebungstemperatur dennoch einen (allerdings nicht ent-

scheidenden) Einfluss hat, weil die Absorptionsapparate nicht isoliert sind und bei z.B. hohen Außentemperaturen Wärme an

das Absorbens übertragen wird. Auch die Pumpen P1 bis P3 bringen Dissipationsenergie in die Absorber Y2 und Y3 ein.


15 6. Hauptteil

dampfer Y-1 wird ein definierter Lösemittelmassenstrom mittels Druckluft zerstäubt. Der Vordruck

für die (zunächst flüssigen) Lösemittel entsteht, indem ein Druckluftpolster im Vorlagebehälter B-1A

erzeugt wird. Im Übrigen ist der Lösemittelverdampfer identisch mit den Absorbern aufgebaut, so

dass er für später vorgesehene Versuchskampagnen, in denen beladene Abluft aus einer Produktion

genutzt wird, nach Umrüstung als zusätzliche Absorberstufe arbeiten kann. Foto 2 zeigt die Ver-

dampfereinheit.

Foto 2: Verdapmfereinheit im Technikum (links) mit entsprechendem Ausschnitt aus dem Fließbild (rechts; 1:

Druckluft, 2: erwärmtes Kühlwasser, 3: Kühlwasser, 4: Frischluft, 5: Lösemittel, 6: Rohgas)

Die mit Lösemitteln beladene Abluft tritt anschließend in zwei in Reihe geschaltete Absorber (Y-2 und

Y-3) ein. Gemäß Bild 3 erfolgt darin der Stoffübergang der gasförmigen Kohlenwasserstoffe in das

Absorbens, wofür Genosorb 1843 genutzt wird (siehe hierzu auch Tabelle 2). Weitere Kenndaten

insbesondere zu den Löslichkeiten der hier im Vordergrund stehenden Stoffe Ethylacetat und Ethanol

finden sich in [Cla02].

Tabelle 2: Kenndaten von Genosorb 1843 [Cla02]

Merkmal Einheit Wert

Molare Masse g/mol 270

Aussehen - dunkel

Siedebereich bei 1013 mbar °C >250

Dampfdruck bei 20 °C mbar <0,002 Dichte bei 20 °C (DIN 51757) g/cm³ 0,93

Stockpunkt °C -44

Wasseraufnahme Ma.-% 3

Löslichkeit in Wasser bei 20 °C Ma.-% 1,5

Viskosität bei 20 °C mm²/s 4-5

Elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C S/m 1,10∙10-9

Spez. Wärme bei 50 °C J/g∙K 2,20

Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C W/m∙K 0,1493

Es wird vermerkt, dass die Absorber zwei Fahrweisen ermöglichen:


16 6. Hauptteil

1. Die sogenannte „Teilstrom-Fahrweise“ (Fahrweise A), bei der das Absorbens aus einem Fuß-

behälter B-2 bzw. B-3 entnommen, dort Frischlösung zugeführt und beladene Flüssigkeit aus-

geschleust wird.

2. Die sogenannte „direkte Fahrweise“ (Fahrweise B), bei der Frischlösung unmittelbar zer-

stäubt wird.

Foto 3 vermittelt einen Eindruck zu den installierten Absorbern.

Foto 3: Im Technikum installierte Absorber (links) mit entsprechendem Ausschnitt aus dem Fließbild (rechts; 1:

Rohgas, 2: Absorbat, 3: Reingas, 4: Absorbens)

Das beladene Absorbens wird zunächst im Behälter B-5 zwischengespeichert. Von dort gelangt es mit

Hilfe der Pumpe P-5 nach zweistufiger Aufheizung in W-4 (Wärmeübertrager zur Wärmerückgewin-

nung) und W-5 (Erwärmung auf die Solltemperatur von (100…130) °C) in die Desorptionskolonne Y-5,

in die ebenfalls, jedoch im Gegenstrom zum Absorbat, das in W-6 erhitzte Desorptionsgas eingespeist

wird. Die frisch regenerierte Waschlösung kühlt sich in W-4 und W-3 ab, bevor sie in dem Behälter B-

4 zwischengespeichert wird. Von dort gelangt sie erneut zur Absorptionseinheit. Das Desorbat selbst

wird in W-7 abgekühlt, wobei auch Genosorb kondensiert, das wieder dem Behälter B-5 vorgelegt

wird (Rücklauf nicht eingezeichnet in Bild 4). Das Desorbat selbst wurde im Rahmen der hier durchge-

führten Versuche bzw. der hier zu bearbeitenden Aufgabenstellung keiner weiteren Verwendung

zugeführt. Foto 4 zeigt die Aufstellung der Desorptionseinheit.

An dieser Stelle wird auch der signifikante Vorteil dieses Aufkonzentrationsverfahrens im Vergleich

z.B. zum Adsorptionsrad deutlich. Durch die Möglichkeit der relativ einfachen Fortleitung einer Flüs-

sigkeit (Genosorb) und die Möglichkeit der Flüssigkeitspufferung kann in vielen Fällen eine relativ

einfache Entkopplung von Absorption und Desorption gelingen, was insbesondere für den anzustre-

benden kontinuierlichen Betrieb der Desorption und den Verbleib des Desorbates in einer Kondensa-

tions- oder Oxidationseinheit6 vorteilhaft ist.

6 Im Rahmen dieses Vorhabens ist die Zielsetzung die Kondensation und damit die Lösemittelrückgewinnung. Gleichwohl gibt

es Anwendungsfälle, in denen eine Kondensation z.B. bei einer Vielzahl von Lösemitteln oder dem Vorhandensein von pro-

zessbedingten Crackverbindungen nicht sinnvoll ist. Dann empfiehlt sich eine oxidative Weiterbehandlung.


17 6. Hauptteil

Foto 4: Aufstellung der Desorptionseinheit (links) mit entsprechendem Ausschnitt aus dem Fließbild (rechts; 1:

Absorbat, 2: Desorbens, 3: desorbiertes Absorbens, 4: Desorbat, 5: Kühlwasser, 6: erwärmtes Kühlwasser)

Bild 6 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die Aufstellung der gesamten Technikumsanlage.

Es wird vermerkt, dass die Desorptionskolonne und weitere Anlagenteile bis in eine Grube hineinrei-

chen und daher nicht vollständig sichtbar sind (siehe auch Foto 4).

Bild 5: Erfassung und Visualisierung der Messdaten


18 6. Hauptteil

Bild 6: Aufstellung der Technikumsanlage

Foto 5: Schaltschrank

Foto 6: Bedienpanel des Schaltschranks (Screenshot

während der ersten Ausbaustufe mit einem Absorber)

Die Technikumsanlage ist mit einer systemprogrammierbaren Steuerung ausgerüstet, die im Schalt-

schrank verbaut ist. Foto 5 vermittelt einen Eindruck zur Aufstellung des Schaltschrankes, Foto 6

stellt einen Screenshot des Schaltschrankdisplays dar.


19 6. Hauptteil

Die Anlage ist weitestgehend automatisiert, ein großer Teil der aufgenommenen Messsignale (für

Temperaturen, Drücke und Durchflüsse) gelangt in den Schaltschrank und dann gemäß Bild 6 in den

Datenlogger, wobei die Messsignale der Flammenionisationsdetektoren (FID) unmittelbar dem Da-

tenlogger zugeführt werden7.

Bild 7: Anordnung der Messstellen

7 Da die FID’s mobil sind und zeitweise an unterschiedlichen Einsatzorten Verwendung finden, wurde diese Art der Anbindung

gewählt.


20 6. Hauptteil

Die Visualisierung der Messsignale erfolgt mit Hilfe eines Laptops, der die zugehörigen Verläufe an-

zeigt, daraus Rechengrößen bildet (z.B. Wirkungsgrad der Lösemittelabscheidung) und damit einen

schnellen Überblick liefert.

Als Flammenionisationsdetektoren (FID) wurden Geräte der Firma Bernath-Atomic, Typ 3006 mit

zugehörigen Heizschläuchen für die Messgasleitungen verwendet. Bild 7 dokumentiert die Lage der

Messstellen, die in das Schema aus Bild 4 eingezeichnet wurden.

6.2.3 Versuche

Es ist grundsätzlich plausibel, dass bei sehr hohen Eintrittskonzentrationen an Lösemitteln von max.

ca. 10 g/mn³ eine einstufige Absorption trotz Zerstäubung des Absorbens und damit der Erzeugung

einer großen Stoffübergangsfläche nicht ausreichen wird. Insofern muss bei der anlagentechnischen

Umsetzung der Projektergebnisse auf eine Reihen- bzw. Kaskadenschaltung zurückgegriffen werden.

Um eine solche jedoch bezüglich ihrer Wirkung mit Blick auf den Abscheidegrad abschätzen zu kön-

nen, wird im Folgenden zunächst versucht, den Apparat gemäß Bild 3 zumindest vereinfacht zu cha-

rakterisieren, bevor die Versuchsergebnisse im Einzelnen dargestellt und bewertet werden.

6.2.3.1 Charakterisierung des Absorbers

Die im vorangegangenen Abschnitt beschriebene Druckzerstäubung (siehe Tabelle 1) soll – auf diese

Weise wird auch die gleichbleibende Zerstäubungsqualität gewährleistet – mit konstantem Geno-

sorbmassenstrom (800 L/h) beaufschlagt werden. Auch der gasseitige Durchfluss (300 m³/h) soll er-

halten bleiben. Setzt man weiter voraus, dass die Temperatur gleich bleibt (Lösungswärmen vernach-

lässigt) und die Viskosität des Absorbens sich durch die Aufnahme von Lösemitteln und ggf. Wasser

nur vernachlässigbar verändert, kann im stationären Fall formuliert werden:

�# 12 = � ∙ � ∙ 4�5 , Gl. (1)

mit

�# : Massenstrom

�: Stoffübergangskoeffizient

�: stoffübertragende Fläche

�: Lösemittelkonzentration im Absorbens

IndexLM: Lösemittel (organisch)

Indexm: mittlere

wobei die Größe

„� ∙ �“ Gl. (2)

eine weitgehend konstante Größe darstellt. In Analogie zur Wärmeübertragung lässt sich eine mittle-

re Konzentrationsdifferenz mit

4�5 = >?@ABßC>?DEFGHIJKLM@ABßLMDEFGHN

Gl. (3)

berechnen. Δ� beschreibt jeweils (am Ein- und Austritt des Gegenstromstoffübertragers) den Ab-

stand zum Gleichgewicht. Hier stellt sich die Frage, wie das Gleichgewicht beschrieben werden kann.

Da zu erwarten ist – wie Erfahrungswerte gezeigt haben [Pfu14] und weiter unten noch belegt wird –,

dass Genosorb 1843 im praktizierten Applikationsbereich lediglich bis etwa 10 g/L an Lösemitteln


21 6. Hauptteil

aufnimmt, ist von einer praktisch unendlichen Verdünnung auszugehen, so dass das Henry’sche Ge-

setz (vereinfachend) angesetzt werden kann:

� = � ∙ � Gl. (4)

mit

�: Henry-Koeffizient

�: Lösemittelkonzentration im Abgas (in der Abluft)

Vergibt man für den Eintritt eines Mediums in den Stoffübertrager den Index E, für den Austritt A und

für das Gleichgewicht GG, gilt

∆�P 3 �P,QQ R �P Gl. (5)

mit

�P,QQ 3ST

U Gl. (4a)

und

∆�V 3 �V,QQ R �V Gl. (6)

mit

�V,QQ 3SW

U Gl. (4b)

Weiter ist auf der stoffab- und stoffaufnehmenden Seite folgende Massenbilanz gültig:

�# 12 3 �#PX,J ∙ ��V R �P� Gl. (7)

�# 12 3 �#Q,J ∙ ��P R �V� Gl. (8)

mit

IndexG: Genosorb

Das vorstehende Gleichungssystem ermöglicht eine vereinfachte Ermittlung von Austrittskonzentra-

tionen bzw. Abscheidegraden, sofern die Größe „� ∙ �“ bekannt ist. Dies gilt ebenso für die Kaska-

denschaltungen von absorptiven Abscheidestufen gemäß Bild 8.

Bild 8: Kaskadenschaltung von Absorptionsstufen


22 6. Hauptteil

6.2.3.2 Bestimmung des Henry-Koeffizienten (für Ethylacetat)

Zur Bestimmung des Henry-Koeffizienten wurde eine der in der Technikumsanlage vorhandenen

Absorberstufen gemäß Bild 3 genutzt. In den Vorlagetank ist vor Beginn frisch regeneriertes Absor-

bens eingefüllt worden. Anschließend erfolgte die Beladung des Rohgases (temperiert auf knapp

20 °C, damit die sich als Temperaturerhöhung im Genosorb wiederfindende Dissipationsenergie so-

wie Lösungswärmen ausgeglichen werden) mit dem hier hauptsächlich verwendeten Lösemittel

Ethylacetat auf 2,77 g (Ethylacetat)/mn³ (1000 mg C Propanäquivalent PÄ/mn³). Die Kreislaufpumpe

der Absorberstufe wurde in Betrieb gesetzt. Der Versuch endete, als die Ethylacetatbeladung vor und

nach der Absorberstufe gleich hoch war, also sich ein Gleichgewicht zwischen Abgas und Absorbens

eingestellt hatte. Anschließend ist frisch regeneriertes sowie mit Ethylacetat beladenes Absorbens

durch den Projektpartner CUTEC-Institut GmbH analysiert worden. Das Ergebnis zeigt Tabelle 3, wo-

bei neben dem frisch regenerierten Genosorb noch zu Vergleichszwecken eine Probe bislang unbe-

nutzten Genosorbs analysiert worden ist.

Tabelle 3: Genosorb-Analytik

Probe Genosorb neu Genosorb

aus Vorlagetank

Genosorb

gesättigt mit Ethylacetat

verdünnt mit Schwefelkohlenstoff Schwefelkohlenstoff Schwefelkohlenstoff

Messgerät GC-FID von Shimadzu GC-FID von Shimadzu GC-FID von Shimadzu

Kalibrierung Interner Standard Interner Standard Interner Standard

Einheit [g/L] [g/L] [g/L]

Ethylacetat < 0,010 0,077 2,00

Hieraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Die als Gleichgewichtsbeladung zu bezeichnende Konzentration im Genosorb von 2,00 g/L

bei einer Gaskonzentration von 2,77 Ethylacetat g/mn³ ist als relativ gering anzusehen. Der

vorstehend gewählte Ansatz des Henry-Gesetzes wird als zutreffend bewertet.

2. Die Desorptionstemperatur von 120 °C erweist sich zunächst als ausreichend, denn die Bela-

dung des Absorbens mit Ethylacetat nach Regeneration beläuft sich mit 0,077 g/L auf einen

relativ geringen Wert.

3. Der Henry-Koeffizient errechnet sich zu

�VP 3S

?ZZ3

�,[[∙\∙1�,00∙5³∙\ = 1,385

15³

mit

IndexEA: Ethylacetat

6.2.3.3 Funktion des Demisters

Als Folge der Zerstäubung des Genosorbs zwecks Erzeugung einer möglichst großen Stoffübergangs-

fläche stellt sich die Frage, welche Beeinflussung des Reingasergebnisses durch das Absorbens

• in gasförmiger

• in partikulärer

Form zu erwarten ist. In diesem Zusammenhang ist zunächst festzustellen, welcher Emissionswert

durch den Gesetzgeber für diese Art von Abgasbehandlungsanlagen anzusetzen ist. Gemäß 31. Bun-


23 6. Hauptteil

des-Immissionsschutzverordnung (Lösemittelverordnung) [Bun13] kommen prinzipiell drei Emissi-

onsgrenzwerte in Betracht:

1. 20 mg/mn³ Gesamtkohlenstoff



Die Emissionskonzentration von 20 mg/m³ ist vorwiegend an thermische Abgasreinigungsanlagen

gebunden. Der Wert von 50 mg/m³ gilt allgemein und ist auch in der TA Luft [Bun02] fixiert. Die Kon-

zentration von 75 mg/m³ wird in der 31. BImSchV im Kontext mit Lösemittelrückgewinnungsanlagen

genannt. Die v.g. Konzentrationen werden üblicherweise mit dem FID bestimmt, sie stellen Propan-

äquivalente dar, weil das FID i.A. mit Propan (C3H8) kalibriert wird. Allerdings ist Abschnitt 5.3.2.3 der

TA Luft zu beachten [Bun02]. Dort heißt es:

„…Die Kalibrierung der eingesetzten Messeinrichtung ist bei Emissionen von definier-

ten Stoffen oder Stoffgemischen mit den Stoffen oder Stoffgemischen durchzuführen

oder auf Grund zu bestimmender Responsefaktoren auf der Grundlage einer Kalibrie-

rung mit Propan rechnerisch vorzunehmen. Bei komplexen Stoffgemischen ist ein re-

präsentativer Responsefaktor heranzuziehen. …“

Im Fall von Ethylacetat als Lösemittel ist nach [The00] ein Responsefaktor von 0,66 anzusetzen. Es

ergeben sich dann folgende Realemissionswerte

für 2.: 50 ∙ 0,66 mg/mn³ = 33,0 mg C PÄ/mn³

für 3.: 75 ∙ 0,66 mg/mn³ = 49,5 mg C PÄ/mn³

an organisch gebundenem Kohlenstoff. Bezogen auf die Substanz Ethylacetat sind diese Werte noch

mit dem Faktor gVP = 2,779 zu multiplizieren, so dass man erhält:

für 2.: 33,0 mg C PÄ/mn³ ∙ 2,779 = 91,7 mg Ethylacetat/mn³

für 3.: 49,5 mg C PÄ/mn³ ∙ 2,779 = 137,6 mg Ethylacetat/mn³

Die Aufgabe des Demisters besteht nun darin, die von der Düse erzeugten Tropfen des Absorbens

möglichst vollständig wieder aus dem Luftstrom abzuscheiden, damit durch den Reinigungsvorgang

keine zusätzlichen Kohlenwasserstoffemissionen entstehen. Zudem ist das Absorbens – wie ver-

merkt – wertvoll.

Einen Hinweis auf die Höhe der unerwünschten Emissionen liefern „Leerlaufmessungen“ mit dem

FID, also bei einem Anlagenbetrieb mit abgeschalteter Lösemitteldosierung.

Gemäß Bild 9 (Beispielmessung) ist dieser Messwert mit 1,56 mg C PÄ / mn³ sehr gering. Er umfasst

sowohl den gas- als auch tröpfchenförmigen Austrag des Genosorb 1843.


24 6. Hauptteil

Bild 9: Bestimmung des Genosorbaustrages aus dem Demister mittels FID (PÄ: Propanäquivalent)

Die Sonde des FID ist allerdings nicht dafür ausgelegt, Tröpfchen isokinetisch zu sammeln. Dies ist bei

Partikeln im Unterschied zu Atomen bzw. Molekülen aber notwendig, um Fehlmessungen auszu-

schließen.

Eine Filtermessung mit isokinetischer Probenahme ergab auf dem Filter eine Massenzunahme, die

einer Abgasbeladung von 1,8 mg/mn³ entspricht (Mittelwert aus 3 Messungen). Ablagerungen in der

Sonde waren gering und konnten nicht bestimmt werden.

FID- und Filtermessungen ergaben also, dass der Austrag aus dem Demister nur wenige mg/mn³ be-

trägt. Die Eigenemission (gas- und tropfenförmig) gefährdet also in keiner Weise das Erreichen der

für das Abgas angestrebten Emissionswerte.

6.2.3.4 Abscheidegrad der Absorberstufen

Zunächst ist vorauszuschicken, dass die nachfolgenden Versuche das Ziel hatten, ein Gefühl für das

Verhalten der Absorberstufe(n) zu bekommen, um den apparativen Aufwand für eine Kaskadenschal-

tung bis zum Erreichen des Emissionsgrenzwertes abschätzen zu können. Dabei basierten die Erstein-

stellungen zunächst auf Erfahrungen mit gebauten Anlagen bei AWS, bei denen ein Verhältnis von

Absorbensmassenstrom zu Abgasmassenstrom von bis zu Eins erfolgreich gefahren wurde. Im Falle

des Designdurchflusses von Abgas von �#PX,J = 300��/ℎ(=k 388��/ℎ) ergibt sich dann ein Absor-

bensmengenstrom von ca. �#PXl = 400 /ℎ(=k 372��/ℎ)8. Als Parameter für die Untersuchungen

standen zunächst

• die Abgasbeladung mit Lösemitteln

• der Austauschmengenstrom an Genosorb in den Stufen

im Vordergrund. Als Lösemittel für die Versuche wurde (zunächst) Ethylacetat ausgewählt. Einerseits

waren die Erfahrungen bislang mit diesem Lösemittel auf Grund des hohen Dampfdruckes nicht

durchgehend positiv, so dass der Stoff eine „gewisse Herausforderung“ darstellte, andererseits ist

Ethylacetat die Hauptkomponente im Verpackungsdruck; bei Kaschiermaschinen wird vielfach aus-

schließlich dieses Lösemittel eingesetzt [Loe13]. Um jedoch auch Erfahrungen mit einem Lösemittel-

8 Für eine Dichte bei 20 °C (siehe Tabelle 2)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

11:55:00 12:00:00 12:05:00

mg

C P

Ä /

mN³

Uhrzeit

Rohgas

Reingas

11:58:30 - 12:05:00

Mittelwert

1,56 mg C PÄ / mN³


25 6. Hauptteil

gemisch zu gewinnen, sind vergleichende Versuche gemäß der Lösemittelbilanz eines Unternehmens

des Verpackungsdruckes gefahren worden [Car14]:

• Ethylacetat: 59 Ma.-%

• Ethanol: 37 Ma.-%

• Ethoxipropanol: 4 Ma.-%

Weiter ist zu vermerken, dass es nicht bei allen Versuchen gelungen ist, die Temperatur im gesamten

System konstant (angestrebt waren 20 °C) zu halten. Es wurde eine Temperiereinheit für das Abgas

(Rohgas) im Zuge der Untersuchungen implementiert, auch in den Bevorratungsbehältern für das

regenerierte Absorbens (B-4 gemäß Bild 4) ist eine Kühlung nachgerüstet worden. Dies hat sicherlich

einen Beitrag geleistet, allerdings waren die Absorber selbst nicht isoliert, so dass insbesondere an

warmen Tagen von einer Transmission von außen nach innen auszugehen ist. Darüber hinaus ist bei

geringen Feedmengenströmen (Austauschmengenströmen) an Genosorb davon auszugehen, dass

sich das Absorbens im Wäscher infolge von Reibung verstärkt aufheizt.

Die Temperaturabhängigkeit des Henry-Koeffizienten wird in unterschiedlichen Quellen (z. B. [SH07])

mit

�m 3 �mn ∙ )opqrC

qrns, Gl. (9)

wobei

T: Absorbenstemperatur (in K)

Tu: Bezugstemperatur (in K)

angegeben. Für die Konstante C gilt

� = vwBExUy Gl. (10)

mit

ΔlzI{�: Löslichkeitsenthalpie

�: universelle Gaskonstante

Unter der Voraussetzung, dass ΔlzI{� im betrachteten Temperaturbereich (praktisch) unabhängig

von der Temperatur ist, erhält man unter Verwendung von Tabellenwerten aus [Cla02] für C einen

Wert für das Stoffpaar Ethylacetat / Genosorb 1843 von

� = −1316�,

so dass sich die Temperaturabhängigkeit des Henry-Koeffizienten gemäß Gl. (9) quantifizieren lässt

(Bild 10). Bereits bei Temperaturunterschieden von 5 K ist eine Veränderung des Henry-Koeffizienten

von (7…8) % festzustellen.9

9 Ob dieser Ansatz sich auch in der Praxis als zutreffend erweist, müsste im Einzelnen weitergehend evaluiert werden, denn

eine Abschätzung mittels des Dampfdruckes von Ethylacetat lässt eine noch höhere Veränderung des Henry-Koeffizienten

erwarten.


26 6. Hauptteil

Bild 10: Abhängigkeit des Henry-Koeffizienten von der Temperatur nach Gl. (9), Stoffpaar: Ethylacetat / Geno-

sorb 1843

Tabelle 4 gibt nun die wesentlichen Parameter und Ergebnisse der mit Ethylacetat gefahrenen Versu-

che wieder. Demnach sind variiert worden:

• die Abgasbeladung

• die Fahrweise

• der Austauschvolumenstrom an Genosorb (im Fall der Fahrweise A)

Tabelle 4: Versuche mit dem Stoffpaar Ethylacetat / Genosorb 1843

Nr.

Ab

gasv

ol.

Ab

gasb

el.

Ab

-

gast

em

p.

Au

ße

n-

tem

p.

Fah

rwe

ise

Um

lau

fvo

l.

Au

s-

tau

sch

vol.

Ab

sch

ei-

de

grad

Ab

gesc

h.

Löse

mit

tel

|∙}

mn³/h g/mn³ °C °C - L/h L/h % kg/h L/h

1 W

äsch

er

1

300

0,554

20

15,9

A 800

400

47 0,078 592

2 0,831 15,9 50 0,125 573

3 1,110 15,9 52 0,173 580

4 1,385 15,9 52,5 0,218 562

5 2,770 15,9…24 53,0…58,7 0,410…0,458 578

6 5,540 <16 59,2 0,984 674

7 11,080 <16 59,3 1,971 638

8 2,770 20 200 35,6 0,296 387

9 2,770 20 300 44,4 0,369 432

10 2,770 15,9…24 400 53,0…58,7 0,410…0,458 578

11 2,770 20 800 58,3 0,484 478

12 5,540 20 800 58,7 0,976 468

13 2,770 20

B -

800 63,5 0,528 571

14 5,540 20 800 64,9 1,079 583

15 5,540 20 900 66,6 1,107 587

2 W

ä-

sch

er 16

300

2,770 20 >20

A 800

400 66 (27/53) 0,548 951

17 2,770 24 >20 800 75 (50/50) 0,623 860

18 5,540 17…20 >20 800 80 (56/56) 1,330 986

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

280 285 290 295 300 305 310

HT/H

T0

[-]

T [K]


27 6. Hauptteil

Als Ergebnisse sind enthalten:

• der Abscheidegrad �

� 3STCSW

ST Gl. (11)

• der abgeschiedene Lösemittelmassenstrom und

• die den Stoffübergang charakterisierende Größe „� ∙ �“.

Vom Grundsatz her hätte erwartet werden dürfen, dass die letztgenannte Größe praktisch konstant

bleibt. Dies kann gemäß Bild 11 bei der überwiegenden Anzahl der Versuche auch konstatiert wer-

den. Es sind jedoch auch abweichende Werte festzustellen (Versuchsnummern 6, 7: zu hoch; Ver-

suchsnummern 8, 9, 11, 12: zu niedrig), die auf Temperatureinflüsse zurückzuführen sein dürften.

Bild 11: Stoffübergangsparameter „� ∙ �“ im Vergleich

Im Fall der Versuchsnummer 8 soll dies näher ausgeführt werden. Bild 12 zeigt die Abhängigkeit des

„� ∙ �“-Wertes als Funktion der zur Berechnung des Henry-Koeffizienten angesetzten Temperatur.

Dabei bleiben alle Messwerte erhalten, lediglich für die Bestimmung der Gleichgewichtskonzentrati-

onen �QQ wird der veränderte Henry-Koeffizient verwendet. Es wird deutlich, dass schon sehr gerin-

ge Temperaturänderung zu deutlich veränderten Stoffübergangsparametern „� ∙ �“ führen.10

Dass sich höhere Temperaturen gerade in diesem Fall eingestellt haben, ist durch den deutlich gerin-

geren Austauschmengenstrom von 200 L/h erklärlich, so dass mehr dissipative Energie (Genosorb-

pumpe / Drosselung) im System verbleibt. Die notwendige Konsequenz besteht nun darin, für weiter-

führende Versuche einen Kühler (temperaturgeregelt) in Strömungsrichtung hinter der Umlaufpum-

pe einzubauen und den Absorber zu isolieren, so dass auch Umgebungseinflüsse weitestgehend aus-

geschlossen werden können.

Weiter sind in Tabelle 4 die Wertereihen

• Abscheidegrad als Funktion der Eintrittsbeladung

• Abscheidegrad als Funktion des Austauschvolumenstromes

zu hinterfragen. Dabei fällt auf – wie auch aus Bild 13 hervorgeht –, dass der Abscheidegrad bei Ver-

ringerung der Eintrittsbeladung und des Austauschvolumenstromes fällt.

10 Durch einen Temperaturanstieg vergrößert sich der Henry-Koeffizient. Belässt man die Messwerte, resultiert daraus eine

verringerte wirksame Konzentrationsdifferenz Δ�5, so dass „� ∙ �“ ansteigt.

[l/h

]


28 6. Hauptteil

Bild 12: Stoffübergangsparameter „� ∙ �“ als Funktion der Temperatur am Beispiel von Versuch 8

Bild 13: Abhängigkeit des Abscheidegrades von Eintrittsbeladung und Austauschvolumenstrom

(oben: Messwerte (Ablufttemperatur 20 °C); unten: Berechnungen für � ∙ � = 500 /ℎ)

300

350

400

450

500

550

600

650

700

292 294 296 298 300 302 304

β∙A

[L/

h]

T [K]

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15

Ab

sch

eid

egr

ad [

%]

Eintrittsbeladung der Abluft [g/mn³]

Fahrweise: A

Abluftvolumenstrom: 300mn³/h

Umlaufvolumenstrom: 800 L/h

Austauschvolumenstrom: 400 L/h

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Ab

sch

eid

egr

ad [

%]

Austauschvolumenstrom [L/h]

Fahrweise: A

Abluftvolumenstrom: 300mn³/h

Umlaufvolumenstrom: 800 L/h

Eintrittsbeladung: 2,77 g/mn³

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15

Ab

sch

eid

egr

ad [

%]

Eintrittsbeladung der Abluft [g/mn³]

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Ab

sch

eid

egr

ad [

%]

Austauschvolumenstrom [L/h]


29 6. Hauptteil

Beide Phänomene sind jedoch plausibel:

• Bei sehr kleinen Eintrittsbeladungen sinkt die zur Verfügung stehende Konzentrationsdiffe-

renz Δ�, so dass bei gleich bleibendem Parameter „� ∙ �“ der Abscheidegrad fallen muss.

• Bei fallendem Austauschvolumenstrom sinkt zwangsläufig die absolute Aufnahmefähigkeit

des Absorbens, so dass sich auch der Abscheidegrad verringert.

Abschließend wird vermerkt, dass die Versuche mit dem vorstehend bezeichneten Lösemittelmix

(Ethylacetat: 59 Ma.-%, Ethanol: 37 Ma.-%, Ethoxypropanol: 4 Ma.-%) bezüglich der erzielten Ab-

scheidegrade keine relevanten Unterschiede zu denen mit Ethylacetat ergaben.11

6.3 Schlussfolgerungen aus den Versuchen

Zunächst kann konstatiert werden, dass die – als erste, orientierende Phase eines Gesamtvorhabens

zu bezeichnenden – F&E-Anstrengungen erfolgreich verlaufen sind:

• Die Abscheideleistung der erprobten Absorberstufen ist als gut zu bezeichnen.

• Die Demisterkonzeption erweist sich als zielführend, durch den Wegfall des Elektrofilters sin-

ken die später bei Hauptausführungen zu erwartenden Investitionskosten.

• Der Absorber ist apparativ einfach aufgebaut.

• Der Absorber hat sich als „charakterisierbar“ erwiesen, so dass eine vereinfachte Dimensio-

nierung möglich wird.

Allerdings bestehen noch zu bewältigende Herausforderungen, denen künftig zu begegnen ist:

• Die Desorption ist noch etwas zu verbessern. Mit einer Konzentration von

� = 0,077�/ an Ethylacetat im regenerierten Absorbens kann bei einem Henry-Koeffizienten von

� = 1,385 /��(20°�) bestenfalls eine Reingaskonzentration von

� = 1,385 ∙ 0,077 \5~ = 0,107�/�³ erreicht werden. Es sind insbesondere Anstrengungen zur Erhöhung der Desorptionsleistung

zu bewerkstelligen, wenn ein Wert von 91,7��/�³ an Ethylacetat zu erzielen ist.

• Die Temperierung des Absorptionsprozesses ist zu verbessern, so dass eine (noch) gesteiger-

te Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erzielt werden kann. Folgende Maßnahmen sind zu er-

greifen:

o Isolierung der Absorber sowie der abluft- und absorbensseitigen Anschlüsse

o Implementation von geregelten Kühlern auf der Abströmseite der Förder- und Kreis-

laufpumpen für das Absorbens

o Temperaturüberwachung der Vorlagetanks.

11 Hierbei handelt es sich um einen orientierenden Versuch, weitergehende Versuche mit unterschiedlichen Komponenten und

Zusammensetzungen (z.B. aus der industriellen Praxis) werden als notwendig erachtet.


30 6. Hauptteil

• Postuliert man einen Wert für das

Produkt „Stoffübergang und Flä-

che“ „� ∙ �“ von 500 /� (bezo-

gen auf die Flüssigkeitsseite) je

Absorberstufe, senkt die Eintritts-

konzentration des Genosorbs auf

�V 3 0,015�/ ab (bessere

Desorption) und berechnet eine

Kaskadenschaltung von Absor-

bern, sind insgesamt 7 Einheiten

notwendig, um den niedrigsten

Grenzwert von 91,7��/�J� an

Ethylacetat (entsprechend

33��/�J� an Gesamtkohlen-

stoff) im Reingas (�P) zu unter-

schreiten. Es ergibt sich dann der

Konzentrationsverlauf gemäß Bild

14 bei einer Eintrittskonzentrati-

on des Abgases von beispielhaft

8�/�J� .

Bild 14: Konzentrationsverläufe auf der Gas- und Flüssigkeitsseite für eine Kaskadenschaltung von 8 Absorbern

Acht Einzelapparate stellen jedoch einen hohen anlagentechnischen Aufwand dar. Daher wurde der

Gedanke entwickelt, zwei Absorberstufen in einem Apparat unterzubringen (Bild 15). Versuchstech-

nisch lässt sich dies realisieren, weil der Innenzylinder hoch genug ist, um die Ausbildung von zwei

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8

X [

g/L]

Y [g

/m³]

Stufe

Gasbeladung

Flüssigkeitsbeladung

β ∙ A = 500 L/h (je Stufe)

Bild 15: Absorber mit zwei Stufen


31 6. Hauptteil

übereinander liegenden Sprühkegeln zuzulassen. Eine solche apparatetechnische Ausprägung müsste

realisiert und versuchstechnisch validiert werden. Für eine Hauptausführung sind auch mehrere

übereinanderliegende Stufen möglich. Eine Schaltung gemäß Bild 16 hat für � ∙ � 3 500 /� und

eine Eintrittsbeladung von 8�/�J� Ethylacetat bei einem Massenstromverhältnis von

�# PXlz�X�Jl

�# PXI�� 2

einen Abscheidegrad von insgesamt 99,6 % ergeben. Damit würde der geforderte Emissionsgrenz-

wert (�V 3 0,015�/ für das gewählte Absorbens vorausgesetzt) deutlich unterschritten.

Bild 16: Verfahrensansatz für eine Absorberkaskade (Hauptausführung)

Den vorstehend formulierten Herausforderungen wird jedoch durch gezielte Eingriffe in die Ver-

suchsanlagentechnik erfolgreich zu begegnen sein.

6.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Gesamtverfahrens

Im Rahmen des Projektantrags zum durchgeführten Vorhaben ist eine erste Wirtschaftlichkeitsbe-

trachtung durchgeführt worden. Diese wurde mit den erzielten Ergebnissen aus dem Projekt und

zugehörigen Erkenntnissen aktualisiert.

Der betrachtete Beispielfall geht von einer Abluftmenge von 60.000 m³/h und einem Lösemittelmas-

senstrom von 250 kg/h aus. Es werden 6.000 Betriebsstunden pro Jahr angesetzt. Als Referenzver-

fahren nach dem Stand der Technik wird eine RTO12 betrachtet. Hierfür sind eine Investitionssumme

von etwa 900.000 € und Betriebsmittelkosten von rund 2 Mio. € pro Jahr anzusetzen. Pro Stunde

werden hier CO2-Emissionen von 1.054 kg erzeugt.

12 RTO: Regenerative Thermische Oxidation


32 6. Hauptteil

Das eSorb-Verfahren ist nach den o.g. Erkenntnissen mit einer 9stufigen Wäsche projektiert worden,

so dass der Reingaswert auch für Maximalbeladungen von 8�/�J� sicher eingehalten werden kann.

Zur Bereitstellung von Prozesswärme ist in das Verfahrensschema ein BHKW13 als KWK14-Anlage vor-

gesehen. Diese Kosten

sind bereits bei der In-

vestitionssumme und den

Betriebsmittelkosten be-

rücksichtigt. Für die Löse-

mittelrückgewinnung ist

zwar die Investitions-

summe mit ca.

3,65 Mio. € erheblich

größer als bei der RTO,

jedoch sind die Betriebs-

mittelkosten mit ca.

1 Mio. € pro Jahr deutlich

niedriger. Eine Zusam-

menstellung der Betriebs-

mittelkosten ergibt sich

aus Bild 17.

In Bild 18 sind die Investi-

tionssummen sowie jähr-

lichen Kosten für 6 Jahre

zusammengestellt. Hier

wird ebenfalls deutlich,

dass die Lösemittelrückgewinnung bei längerer Nutzungsdauer mit einem deutlichen Wettbewerbs-

vorteil verbunden ist. Die Amortisationsdauer liegt bei 3,0…3,5 Jahren.

Bild 18: Vergleich der Investitionssummen und Betriebsmittelkosten für eine RTO und eine Lösemittelrückgewin-

nungsanlage (LMR) mit eSorb-Modul

13 BHKW: Blockheizkraftwerk 14 KWK: Kraft-Wärme-Kopplung

0 €

2.000.000 €

4.000.000 €

6.000.000 €

8.000.000 €

10.000.000 €

12.000.000 €

14.000.000 €

Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3 Jahr 4 Jahr 5 Jahr 6

RTO-Invest RTO-Betrieb RTO-Summe

eSorb-LMR-Invest eSorb-LMR-Betrieb eSorb-LMR-Summe

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

RTO eSorb-LMR

Be

trie

bsm

itte

lko

ste

n [

€/h

]

Nutzung: Erzeugung elektrischer Energie Nutzung: Wärmeauskopplung

Entsorgungskosten Einsatz: Absorbens

Einsatz: Technische Kälte Einsatz: Erdgas

Einsatz: Elektrische Energie Einsatz: Lösemittel

Bild 17: Gegenüberstellung der Betriebsmittelkosten einer RTO und der Lösemit-

telrückgewinnung (LMR) für den Referenzfall


33 6. Hauptteil

6.5 Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse

Nachfolgend sind die Maßnahmen beschrieben, die zur Verbreitung der Ergebnisse bereits erfolgt

sind.

6.5.1 Hannover Messe 2014

Das Projekt „eSorb – ein neuer Baustein zur Stoffrückgewinnung in der Druckindustrie“ konnte auf

dem Gemeinschaftsstand Niedersächsischer Hochschulen „Innovationsland Niedersachsen: Koopera-

tionen für nachhaltiges Wachstum“ während der Hannover Messe 2014 vom 07. bis 11. April 2014

vorgestellt werden.

Während der Ausstellungswoche wurde das Exponat zahlreich besucht, es erfolgte ein intensiver

inhaltlicher Austausch.

Ministerin Prof. Dr. Wanka (BMBF) am Messestand

Ministerin Dr. Heinen-Kljajić (MWK, Nieder-

sachsen) im Gespräch mit Prof. Carlowitz

Dr. Bottermann (DBU Generalsekretär) lässt sich das Projekt

von Prof. Carlowitz erläutern

Prof. Hanschke (Präsident der TU Clausthal)

lässt sich das eSorb-Verfahren erklären


34 6. Hauptteil

Dr. Schroeder (Aufsichtsratsvorsitzender des Projektpartners

CUTEC Institut GmbH) in einer Diskussion mit Dr. Meyer

Jens Altmann (AWS Group AG) mit

Firmenkunden (Dr. M. Schottler, AVEREM

Verfahrenstechnik GmbH) am eSorb-Stand

6.5.2 Nachhaltige Produktion AWARD 2014

Der Verlag Vogel Business Media hatte den »nachhaltige PRODUKTION Award 2014« ausgeschrieben,

um Projekte, die durch Ressourceneinsparung, Umweltverträglichkeit, Grad der technischen Innova-

tion und Wirtschaftlichkeit geprägt sind, auf der Hannover Messe 2014 auszuzeichnen.

Das Projekt „eSorb – ein neuer Baustein zur Stoffrückgewinnung in der Druckindustrie“ ist am 09.

April 2014 in der Kategorie „Forschung & Entwicklung“ als Preisträger ausgezeichnet worden. In der

Laudatio sind dabei der innovative Ansatz des Verfahrens und die Ökobilanz im Anwendungsfall her-

ausgestellt worden. In den Medien erfolgte anschließend eine Berichterstattung.

Dr. Meyer, Dipl.-Ing. Pfutterer, Prof. Carlowitz bei der

Preisverleihung

Urkunde des Awards


35 6. Hauptteil

Berichterstattung in der Messezeitung (10.04.14)

Berichterstattung in der Messezeitung (09.04.14)

6.5.3 Emissionsminderung 2014

Auf der VDI-Tagung „Emissionsminderung 2014“ wurde das Projekt eSorb als Poster vorgestellt. Im

Tagungsband ist die zugehörige Veröffentlichung abgedruckt:

• S. Meyer, M. Pfutterer, J. Altmann, M. Napp, B. Benker, A. Wollmann:

eSorb – ein neuer Baustein zur effizienten Stoffrückgewinnung aus der Gasphase. VDI-Bericht

2214: „Emissionsminderung 2014“ Nürnberg, 20./21.05.2014, VDI-Verlag, Düsseldorf, ISBN

978-3-18-092214-0, S. 215-222.

6.5.4 Weitere Maßnahmen

Auf der Jahrestagung der TU Clausthal am 18.07.2014 zum Thema „Energiewende: Chancen und Her-

ausforderungen aus Sicht der TU Clausthal“ stellte das Institut für Umweltwissenschaften das Projekt

eSorb als Beispiel für prozessspezifische Einsparmöglichkeiten von Ressourcen vor. Die Teilnehmer

der Veranstaltung hatten die Möglichkeit, am Posterstand über das Thema zu diskutieren.


36 7. Fazit und Ausblick

7777. . . . Fazit und AusblickFazit und AusblickFazit und AusblickFazit und Ausblick Die Grundidee des Vorhabens besteht darin, im Bereich des Flexoverpackungsdruckes auch für klei-

nere Lösemittelmassenströme unter 1�/ℎ eine wirtschaftliche Lösemittelrückgewinnung zu realisie-

ren. Hierdurch sollen der CO2-Ausstoß verringert und die finanzielle Situation der Unternehmen auf

Dauer verbessert werden.

Um eine Lösemittelrückgewinnung zu etablieren, wird ein Aufkonzentrationsverfahren benötigt.

Hierzu ist der Einsatz von Hochsiedern (Genosorb) vorgesehen, weil die Desorption mit Inertgas

(nicht Wasserdampf wie im Falle der Adsorption auf Aktivkohle, der die Lösemittelaufarbeitung er-

schwert) schon bei relativ niedrigen Temperaturen (100 °C bis 130 °C) realisierbar ist und eine Essig-

säurebildung aus dem vorwiegend eingesetzten Lösemittel Ethylacetat weitestgehend vermieden

werden kann. Bislang liegen jedoch noch keine Erfahrungen mit hohen Beladungen des zu behan-

delnden Abgases (Abluft) von �6…10��/�J� vor. Um eine effiziente Abscheidung der organischen

Lösemittel aus der Abluft zu gewährleisten, sollte der Hochsieder zerstäubt werden (Erzeugung einer

möglichst großen Stoffübergangsfläche), wobei die noch im Abgas mitgerissenen Tröpfchen mittels

eines (mechanischen) Demisters (Trägheitseffekte) und – sofern notwendig – zusätzlich mit Hilfe

eines Abscheiders auf elektrischer Basis zu entfernen waren. Bei den Untersuchungen im Rahmen

dieses Vorhabens hat sich dabei herausgestellt, dass

• der mechanische Demister ausreicht (der elektrische Abscheider wird nicht benötigt)

• hohe Abgasbeladungen gut handhabbar sind

• mit Hilfe einer Kaskade aus der entwickelten Abscheiderstufe die geforderten Emissionswer-

te erreichbar sind.

Damit sind die Ziele des Vorhabens im vollen Umfang erreicht worden. Der erste Schritt hin zu einer

zielführenden Lösemittelrückgewinnung im Flexoverpackungsdruck ist vollzogen. Jetzt stellt sich ins-

besondere die Frage, ob die Lösemittel ausreichend rein zurückgewonnen werden können, damit ein

– für den Flexoverpackungsdrucker – risikoloser Wiedereinsatz möglich ist. Hierzu sind folgende

technologisch orientierte Schritte notwendig:

• Verbesserung der bestehenden Versuchsanlage auf der Basis bisheriger Versuche (z. B. Tem-

peraturkonstanz, verbesserte Desorption) mit zugehörigen Versuchsreihen

• Nachrüstung einer Kondensation für das Desorbat (mehrstufig: Abscheidung Genosorb, Was-

ser, org. Lösemittel)

• Implementation der Versuchsanlagentechnik in Containern und Transport derselben in einen

Betrieb des Flexoverpackungsdruckes (z. B. Fa. Löseke, Hildesheim)

• Untersuchung der Abscheideleistung bei den anfallenden Lösemittelzusammensetzungen

und –konzentrationen

• Gewinnung des Kondensates und Aufbereitung desselben unter Mitwirkung eines erfahrenen

Lösemittelaufbereiters. Prüfung der Wiedereinsetzbarkeit der Lösemittel durch den Betrieb

des Flexoverpackungsdruckes.

Am Ende steht die Projektierung einer Hauptausführung (mit und ohne stationärer Lösemittelaufar-

beitung), so dass eine neue Produktgruppe für den Antragsteller geschaffen wird. Es bietet sich an,

die v. g. Schritte im Rahmen eines Folgevorhabens durchzuführen.


37 8. Literaturverzeichnis

8888. . . . LiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnis [Uni14] UNITED NATIONS: Kyoto Protocol base year data [online]. Herausgegeben von United

Nations Framework Convention on Climate Change. 2014 [Zugriff am: 12. September

2014]. Verfügbar unter:

http://unfccc.int/ghg_data/kp_data_unfccc/base_year_data/items/4354.php

[Sch14] SCHULTZ, S.: Künftiger EU-Kommissionschef Juncker: Klimaretter wider Willen [online]. Herausgegeben von Spiegel Online Wirtschaft. Juli 2014 [Zugriff am 2. Oktober 2014].

Verfügbar unter: http://www.spiegel.de/wirtschaft/soziales/energieeffizienz-

klimaschuetzer-hoffen-auf-jean-claude-juncker-a-982548.html

[Bun13] BUNDESMINISTERIUM DER JUSTIZ: 31. Verordnung zur Durchführung des Bundes-

Immissionsschutzgesetzes (Verordnung zur Begrenzung der Emissionen flüchtiger organi-

scher Verbindungen bei der Verwendung organischer Lösemittel in bestimmten Anlagen -

31. BImSchV) [online]. Herausgegeben von juris GmbH. Mai 2013 [Zugriff am: 2. Septem-

ber 2014]. Verfügbar unter:

http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/bimschv_31/gesamt.pdf

[PC14] PFUTTERER, M. und CARLOWITZ, O.: Neues Aufkonzentrationsverfahren für VOC-Ablüfte

mittels Absorption. VDI-Bericht 2214, Emissionsminderung 2014 Nürnberg,

20./21.05.2014. Düsseldorf, VDI-Verlag, 2014

[AWS12] AWS GROUP AG: Förderantrag Deutsche Bundesstiftung Umwelt – eSorb - ein neuer Bau-

stein zur effizienten Stoffrückgewinnung aus der Gasphase, Heilbronn, 2012.

[VDI98] VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE: VDI-Richtlinie VDI 3678 Blatt 1 – Elektrofilter, Berlin,

Beuth-Verlag, 1998.

[Cla02] CLARITANT: Reinigung Reinigung von Abluft- und Gasströmen [online]. Herausgegeben

von Clariant , Division Functional Chemicals. August 2002 [Zugriff am 8. September 2014].

Verfügbar unter: http://www.clariant.de/C12575E4001FB2B8/vwLookupDownloads/

2002_AbsorptionFluidsForGasTreatment_Newsroom_Brochures_Genosorb_d.pdf/$FILE/

2002_AbsorptionFluidsForGasTreatment_Newsroom_Brochures_Genosorb_d.pdf.

[Pfu14] PFUTTERER, M., persönliche Mitteilung, 20.05.2014

[Bun02] BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT: Erste

Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (Technische Anlei-

tung zur Reinhaltung der Luft - TA Luft) [online]. Juli 2002 [Zugriff am 4. September 2014].

Verfügbar unter:

http://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Luft/taluft.pdf.

[The00] THERMO ENVIRONMENTAL INSTRUMENTS INC.: Response Factors [online]. Franklin, Mas-

sachusetts. August, 2000 [Zugriff am 10. September 2014]. Verfügbar unter:

http://www.petersonenvironmental.com/ThermoTVA1000ResponseFactors.pdf

[Loe13] Löseke, A. (Arwed Löseke Papierverarbeitung und Druckerei GmbH) [persönliche Mittei-

lung]. Hildesheim, 19.12.2013

[Car14] Carlowitz, O.: Einschätzung zur Veränderung der Emissionssituation bei der Firma Löseke,

Hildesheim durch Überführung der (neuen) Kaschiermaschine in den regulären Produkti-

onsbetrieb. Clausthal-Zellerfeld, 2014.


38 8. Literaturverzeichnis

[SH07] SMITH, F. L. UND HARVEY, A. H.: Avoid Common Pitfalls When Using Henry’s Law. AIChE

CEP Magazine, S. 33–39 [online]. Sep. 2007 [Zugriff am: 20. September 2014]. Verfügbar

unter: http://people.clarkson.edu/~wwilcox/Design/HenryLaw.pdf.


39 9. Anhänge

9999. . . . AnhängeAnhängeAnhängeAnhänge

B-3

120 Liter

Arbeitstank

Y-3

B-2

120 Liter

Arbeitstank

H-2

5

H-19

H-1

7

H-3

0

H-21

V-3

V-2

H-27

Reingas

Wasser + Lösemittel

3

Desorptionsluft-Rückführung

Z-4

X-4

Y-4

Y-6

Y-5

H-36

H-3

7

V-6

V-5

W-5

Y-1

Frischluft

max. 500 m³/h

ma

x.

2 k

g/h

K-1

1

FI

F01

Druckluft

~ 2 kg/h

2

Kühlwasser

erwärmtes Kühlwasser

5

4

H-32

W-6

KSKondensation

bel. Desorptionsfluid

Über Dach

B-150 Liter

Lösemittel

DSDesorption

7,5

kW

15

kW

1,5 kW

120 °C

11

0°C

30

°C

20 °C 100 °C

0,65 m³/h

K-2

H-20

Genosorb

erwärmtes Kühlwasser

Kühlwasser

7

6

Druckluft/N

30 Nm³/h

H-34

H-3

5

P2Prozesstank

20

°C

30

°C

15 °C

25 °C

DN25

DN25

DN25

DN25

DN

25

DN25

DN32DN25

DN25 DN25

DN25

DN

25

DN25

DN

25

DN80

B-5

DN80

DN

80Øi=4mm

DN50

ma

x. 1

20

0kg

/h

ma

x.

12

00kg

/h

max. 1200kg/h

max. 1200kg/h

V-4

DN25

H-3

1

H-1

8

X-1 X-3

VU-1H

-8

Druckluft

H-6

Wartungseinheit

PDA

PW2

Wartungseinheit

PDA

PW1

9

F2Filterstufe 02

Legende

Sprühwäscher

B-

x m³

Tank

Tank / Behälter (allg.)

Pumpe (allg.)

Ventilator (allg.)

Klappe (händisch regelbar)

Sensor (Anzeige lokal)

Sensor (Signal am Schaltschrank)

(Regel-)Ventil

Kugelhahn / Absperrventil

Wärmetauscher (allg.)

Kondensatableiter

Erhitzer (allg.)

Kolonne mit Einbauten

(Packung und Veteilerboden)

Rückschlagklappe

Wartungseinheit

PDA

PW1

Druckluftwartungseinheit

Verantwortl. Abtlg. Technische Referenz Erstellt durch Genehmigt von

Dokumentenart Dokumentenstatus

ZeichnungsnummerTitel, Zusätzlicher Titel

Änd. Ausgabedatum Spr. BlattAWS Group AG

Schutzvermerk ISO 16016 beachten

AWS-VT Matthias Pfutterer Jens Altmann

Verfahrensfließschema

Versuchsanlage e-Sorb10449000_001

2014-10-02 de 1/1

T

U

Aktualisierung gemäß derzeit umgesetzten Anlagenstand, Bezeichnungen P03 und H-43 korrigiert, Entfall Stoffströme (10) und (11) sgut1020.07.2014

Anordnung von Verrohrung optimiert / Kreuzungen entfernt sgut1002.10.2014

Rev. Änderungen Änderungsdatum Kürzel

Rev. Änderungen Änderungsdatum Kürzel

U

AWAuffangwanne

W-4

W-3

P-4

MSC

P-5

MSC

P-3

MSC

P-2

MSC

P-1

MSC

Øi=

4m

mØ

i=4

mm

H-33

Prüfung

DEDosiereinheit

H-28LIRCL02

TIR

T02

QIR

Q03

TIR

T01

QIR

Q02

TIRCT05

LIRCL01

PI

P03

FIC

F02

B-4

1000 Liter

Prozesstank/

Vorlagetank

H-29

Sip

ho

n 6

3 c

m,

DN

25

Sip

ho

n 6

0 c

m

DN

40

FIC

F03

TIR

T08

TIR

T07

TIR

T03

TIR

T04

TIR

T06

LICL03

TIRCT09

Wartungseinheit

PDA

PW3

TZHTE02

TZHTE03

H-1

H-4

H-5

H-7

H-2

2

H-2

3H

-24

H-39

H-38

H-43

TIR

T10

TIR

T11

TIR

T12

H-2

6

PI

P01

Messstutzen

Flansch

Packung

8

½“ ½“ 1“ 1“1“

½“

½“ ½“ ½“ 1“ ½“ 1“1“ 1“ 1“

1“

½“

H-4

1

H-40

FI

F04

V-7

H-4

2

H-2

Z-1 Z-3

F-2

Z-5

Y-2

max. 1200kg/h

X-2

PI

P02

½“ ½“ ½“

Z-2

F-1

F1Filterstufe 01

V-1

H-3

QIR

Q01

½“

H-9

H-11H-10

S-1 S-2

H-1

2

H-1

4

H-1

5H

-16

Schauglas

Druck

Temperatur

Menge

Spezifikation

Bezeichnung

Nr.

Umgebungsdruck

Umgebungstemp.

max. 500 Nm³/h

Frischluft für LM-

Beladung

Frischluft

1

20 °C

ca. 2 kg/h

Druckluft für LM-

Zerstäubung

Druckluft

22

Umgebungsdruck

n/a

max. 500 Nm³/h

gereinigte Abluft

Reingas

3

n/a

15 °C

0,65 m³/h

Kühlwasser

Prozesswasser

4

1,8 bar (abs.)

20 °C

30 Nm³/h

Desorptionsfluid

Druckluft

6

Umgebungsdruck

25 °C

0,65 m³/h

erwärmtes

Kühlwasser

Abwasser

5

n/a

n/a

variabel

Kühlwasser

Prozesswasser

7

Umgebungsdruck

n/a

variabel

erwärmtes

Kühlwasser

Abwasser

8

3 bar (abs.)

20 °C

n/a

Druckluft für LM-

Förderung

Druckluft

9

H-1

3

TICTE01

W-7

W-1

Sip

ho

n 8

2 c

m

DN

40

max. 5 bar (abs.)

Sip

ho

n 1

00

cm

, D

N2

5

W-2

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eSorb – ein neuer Baustein zur effizienten ... · Aktivkohle einen katalytischen Effekt auf die Reaktion ausübt. Bei der Desorption in realen Anlagen wird erwartungsgemäß der