DE19509573C2 - Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Gegenständen in einem Druck­ behälter mit verflüssigtem Kohlendioxid.

Aus der Patentanmeldung WO 92/14558 ist ein derartiges Verfahren zur Reinigung von Werkstücken, insbesondere Metallrohren, mit organischen Rückständen, wie Ölen und Fetten, bekannt, wobei verflüssigte Gase wie Kohlendioxid als Reinigungsfluid verwendet werden. Das Reinigungsfluid wird in einen mit den Werkstücken beladenen Druckbehälter geleitet und dort mittels eines Laufrades umgewälzt. Nach Beendigung des Reinigungsvorgangs wird ein Teil des mit den organischen Rückständen beladenen Fluids aus dem Druckbehälter zusammen mit frischem Reinigungsfluid in einen weiteren Druckbehälter geleitet. Der andere Teil des mit den Verunreinigungen beladenen Fluids wird über eine Turbine entspannt, wodurch die Verunreinigungen ausfallen. Aus dem entleerten Druckbehälter werden nun die gereinigten Werkstücke entnommen, während weitere Werkstücke in dem zweiten Druckbehälter gereinigt werden können.

Weiterhin ist aus der DE-42 30 485 A1 eine Reinigungsvorrichtung für kleinere Werk­ stücke mit Verwendung verflüssigter Gase bekannt, wobei in einem druckfesten Be­ hälter eine Trommel dreh- und/oder schwenkbar angeordnet und an eine Antriebs­ einrichtung angeschlossen ist. Durch Rotation der Trommel werden sowohl das Reini­ gungsfluid in dem druckfesten Behälter als auch die in der Trommel befindlichen Gegenstände in turbulente Bewegung versetzt, wodurch die Reinigungswirkung er­ höht wird. Chemische Lösungsmittel, mechanische Scheuermittel und auch einströ­ mende Inertgase können zusätzlich den Reinigungserfolg erhöhen. Um einen quasi­ kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen, ist am druckfesten Behälter mindestens eine Schleuse zur Beschickung und Entnahme der Gegenstände vorgesehen. Diese Schleusen machen eine vollständige Belüftung des druckfesten Behälters zur Ent­ nahme der Gegenstände oder zum Beladen unnötig.

Für die Verfahren der beiden genannten Schriften wird flüssiges Kohlendioxid bei Temperaturen zwischen 20 und etwa 30°C verwendet mit den Dampfdruckwerten entsprechenden Drücken.

Weiterhin ist aus der WO 94/01613 ein Verfahren zur Reinigung von Textilien mittels verflüssigten oder überkritischen Kohlendioxid bekannt, das bei Temperaturen zwi­ schen 20 und 100°C und entsprechenden Drücken zwischen 62 und 350 bar in einen mit den Textilien beladenen Druckbehälter eingeleitet wird. Nach dem Waschen der Textilien erfolgt eine Verdrängungsspülung mit einem zweiten Fluid, wiederum ein verdichtetes Gas, wie Luft oder Stickstoff.

Aus der WO 90/06189 ist ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen von einem Substrat bekannt, indem das Substrat mittels eines verdichteten Gases mit flüssigkeitsähnlicher Dichte bei kritischem oder überkritischem Druck in Kontakt ge­ bracht wird, wobei die Phase des Gases zwischen Flüssigzustand und überkritischem Zustand durch Variation der Temperatur des Gases in einer Reihe von Stufen zwischen überkritischen Temperaturen und unterkritischen Temperaturen verschoben wird.

Diese bekannten Reinigungsverfahren nutzen das Lösungsvermögen verdichteter Fluide, das im überkritischen Bereich drastisch zunimmt. Überkritisches Kohlendioxid mit Temperaturen oberhalb 31°C und Drücken oberhalb 73,7 bar weist eine mit der flüssigen Phase vergleichbare Dichte auf und ein gutes Lösungsvermögen, das mit steigender Temperatur noch zunimmt. Selbstverständlich sind auch die Wechselwir­ kungen des Fluids mit der zu lösenden Substanz (Verunreinigungen) für den Reini­ gungserfolg bedeutsam.

In der praktischen Anwendung zeigen die genannten Reinigungsverfahren einen wesentlichen Nachteil, der in der Verwendung der hohen (überkritischen) Drücke begründet liegt, die wiederum den Einsatz kostspieliger Druckbehälter mit hohen Energie- und Anlagenkosten notwendig macht.

Aus der EP-0 583 653 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung eines ein ungewolltes Mate­ rial enthaltenden Substrates mit einem verflüssigten Gas wie insbesondere Kohlen­ dioxid bei einem über- oder unterkritischen Druck von weniger als etwa 100 bar und bei einer unterkritischen Temperatur von ungefähr 50°C oder weniger bekannt. Die Reinigung basiert dabei auf der Erzeugung von Kavitation beispielsweise mittels Ultra­ schall, weshalb das Kohlendioxid ausschließlich in der flüssigen Phase vorliegen darf. Die Erzeugung von Kavitation erhöht den apparativen Aufwand.

Aufgabe folgender Erfindung ist es deshalb, ein Reinigungsverfahren mit verflüssig­ tem Kohlendioxid zu entwickeln, bei dem mit geringerem Aufwand gleiche Reini­ gungsergebnisse erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das unter Druck verflüs­ sigte Kohlendioxid in den Druckbehälter eingeleitet wird und daß anschließend oder bereits vorher die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids unterhalb seiner kritischen Temperatur abgesenkt wird, daß die Reinigung unterhalb der kritischen Temperatur und unterhalb des kritischen Druckes des Kohlendioxids durchgeführt wird, wobei bei Drücken von bis unterhalb 60 bar verflüssigtes Kohlendioxid im Gleichgewicht der flüssigen und der gasförmigen Phase mit Temperaturen zwischen - 20 und +20°C verwendet wird.

Überraschenderweise zeigt sich, daß die Dichte und Viskosität von bis zur flüssigen Phase verdichtetem Kohlendioxid durch Absenken der Temperatur genügend weit unterhalb seiner kritischen Temperatur derart erhöht werden können, daß die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Reinigungsfluid (Kohlendioxid) und den Verunreinigungen den Reinigungserfolg garantieren, obwohl das Lösungsvermögen des verflüssigten Kohlendioxids bei diesen physikalischen Parametern im Vergleich zu bisherigen Verfahren drastisch verringert ist.

Die erhöhte mechanische Wechselwirkung liegt in einem höheren Massentransport von Fluid an die zu reinigende Oberfläche aufgrund der erhöhten Dichte sowie in den größeren Scherkräften zwischen Fluid und Substratoberfläche aufgrund der erhöhten Viskosität des Fluids begründet. Die Viskosität steigt hierbei exponentiell mit dem Kehrwert der Temperatur.

Zur Reinigung wird das verflüssigte Kohlendioxid in den Druckbehälter gefüllt, bis es einen Teil desselbigen ausfüllt. Das verflüssigte Kohlendioxid liegt dann im Gleich­ gewicht mit seiner gasförmigen Phase vor. Es kann - eventuell nach einer bestimm­ ten Reinigungszeit - der Druckbehälter weiter mit verflüssigtem Gas gefüllt werden, bis dieses ausschließlich in flüssiger Phase vorliegt. Dann können Dichte und Visko­ sität der Flüssigkeit noch weiter erhöht werden, wenn bei konstant gehaltener Tempe­ ratur der Druck im Druckbehälter vergrößert wird.

Erfindungsgemäß wird Kohlendioxid für das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren verwendet und Edelgasen wie Helium oder Argon, Kohlenwasserstoffen wie Methan, Äthan, Propan, Äthen oder Propen, sowie Trifluormethan, Distickstoffmonoxid und Schwefelhexafluorid als Reinigungsfluid vorgezogen.

In unerwarteter Weise überwiegen im Parameterbereich bei Drücken von bis unter­ halb 60 bar im Gleichgewicht von flüssiger und gasförmiger Phase mit Temperaturen zwischen -20 und +20°C die mechanischen Wechselwirkungen des verflüssigten Kohlendioxids mit hoher Dichte und Viskosität das herabgesetzte Lösungsvermögen.

Während der Reinigung oder zu Beginn derselbigen kann der Druckbehälter voll­ ständig mit flüssigem Kohlendioxid gefüllt werden, wobei dann die Temperatur auf einem Wert zwischen -20 und +20°C konstant gehalten wird und der Druck auf einen Wert oberhalb des entsprechenden Werts auf der Dampfdruckkurve erhöht wird.

Die mechanischen Wechselwirkungen lassen sich erhöhen, wenn in dem Druckbehäl­ ter das verflüssigte Gas und/oder die zu reinigenden Gegenstände umgewälzt wer­ den. Dies geschieht in bekannter Weise mittels eines Laufrades oder einer drehbaren Trommel in dem Druckbehälter.

Ist der Druckbehälter nur zum Teil mit verflüssigtem Gas gefüllt, erfolgt bei Umwäl­ zung der zu reinigenden Gegenstände eine zusätzliche Reibungswirkung auf die Oberfläche der verschmutzten Gegenstände durch beständiges Auf- und Eintauchen aus der bzw. in die flüssige Phase.

Bei Verwendung einer Drehtrommel kann die mechanische Wechselwirkung erhöht werden, wenn diese intermittierend und/oder mit wechselnder Drehrichtung betrieben wird.

Besonders gute Reinigungsergebnisse für Verschmutzungen mit organischen Rück­ ständen, wie Öle und Fette, erhält man bei Verwendung von Kohlendioxid bei Temperaturen von 5 bis 15°C, vorzugsweise bei 10°C.

Besonders vorteilhaft sind bei dieser Art der Reinigung die im Vergleich zu den bekannten Verfahren geringeren Druckwerte, einhergehend mit einer Temperatur­ absenkung im Gegensatz zu der notwendigen Temperaturerhöhung bei früheren Reinigungsverfahren. Dies bedeutet zum einen einen geringeren Energieaufwand, zum anderen geringere Anlagenkosten für hochdruckbeständige Anlagenkompo­ nenten. Für das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren wird beispielsweise bei Raumtemperatur vorliegendes verflüssigtes Kohlendioxid (25°C; 67 bar) auf 10°C abgekühlt und in einen Druckbehälter, der auf etwa 100 bar ausgelegt ist, eingeleitet. Der Zusatz von beispielsweise für verflüssigtes Kohlendioxid geeigneten Enzymen, Emulgatoren und/oder Tensiden (Detergenzien) kann den Reinigungserfolg weiter erhöhen. Geeignete Zusatzstoffe entnimmt der Fachmann aus einschlägigen Literaturstellen beispielsweise in der Beschreibung zur EP-0 530 949 A1.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere zur Reinigung von Textilien in vielen Versuchen als wirkungsvoll erwiesen. Es ist außerdem geeignet, metallische Oberflächen oder elektronische Baugruppen wie Platinen von Verunreinigungen, die meist organische Rückstände enthalten, zu reinigen.

In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden verunreinigte Test­ gewebe, die mit verschiedenen Fetten angeschmutzt sind, in einem Druckbehälter, in den verflüssigtes Kohlendioxid eingeleitet wird, gereinigt. Der Druckbehälter enthält eine Trommel, die im Druckbehälter rotiert, wodurch die Textilien und das verflüssigte Gas relativ zueinander bewegt werden. Das Gas wird aus einem Vorlagebehälter, in dem unter Druck verflüssigtes Kohlendioxid bei Umgebungstemperatur vorliegt, ent­ nommen und der Druckbehälter zum Teil gefüllt. Anschließend wird die Temperatur im Druckbehälter auf ca. 10°C abgesenkt, während die Trommel in Rotation versetzt wird.

Während der Reinigung vermischen sich flüssige und gasförmige Phase, durch die die Testgewebe transportiert werden, wodurch wiederum reinigungsunterstützende Reibungseffekte eintreten. Bedarfsweise kann nach einer bestimmten Reinigungszeit der Druckbehälter weiter vollständig gefüllt werden, wobei dann die Temperatur des flüssigen Kohlendioxids bei etwa 10°C konstant gehalten wird, während der Druck auf über 45 bar erhöht wird. Die Druckerhöhung kann beispielsweise bis auf 70 bar erfolgen (unterhalb kritischem Druck). Die Reinigungsergebnisse sind jedoch schon bei geringeren Druckerhöhungen vollständig ausreichend, so daß Betriebs- und Anlagekosten im Vergleich zu bisherigen Reinigungsmethoden deutlich gesenkt werden können.

Je nach Art der Verschmutzung wird man die Verfahrensführung und einen evtl. Zusatz von Tensiden wählen. Nach der Reinigung wird das verunreinigte Kohlendioxid entnommen und kann nach Entspannung, bei der die Verunreinigungen ausfallen, wiederverwendet werden Dies trägt zum Umweltschutz bei und senkt weiter die Kosten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Reinigung von Gegenständen in einem Druckbehälter mit verflüssig­ tem Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck verflüssigte Kohlendioxid in den Druckbehälter eingeleitet wird und daß anschließend oder bereits vorher die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids unterhalb seiner kritischen Temperatur abgesenkt wird, daß die Reinigung unterhalb der kritischen Temperatur und unterhalb des kritischen Druckes des Kohlendioxids durchgeführt wird, wobei bei Drücken von bis unterhalb 60 bar verflüssigtes Kohlendioxid im Gleichgewicht der flüssigen und der gasförmigen Phase mit Temperaturen zwischen -20 und +20°C verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter nur zum Teil mit verflüssigtem Kohlendioxid gefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehäl­ ter vollständig mit verflüssigtem Kohlendioxid gefüllt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlendioxid in flüssiger Phase verwendet wird, wobei die Temperatur auf einen Wert zwischen -20 und +20°C konstant gehalten wird und der Druck auf einen Wert oberhalb des entsprechenden Dampfdrucks erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckbehälter das verflüssigte Kohlendioxid und/oder die zu reinigenden Gegenstände umgewälzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwälzung eine im Druckbehälter dreh- und/oder schwenkbar angeordnete Trommel verwendet wird, die intermittierend und/oder mit wechselnder Drehrichtung betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlendioxid bei Temperaturen von 5 bis 15°C, vorzugsweise bei 10°C, verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem verflüssigten Kohlendioxid Enzyme, Emulgatoren und/oder Tenside und Detergen­ zien zugesetzt werden.

9. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Reinigung von Textilien.

10. Verwendung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Reinigung von Bauteilen.