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Rektifiziersäule
Die Erfindung bezieht sich auf eine Rektifi- ziersäule (Gasscheidtingssäule) zum Scheiden von Gasgemischen, welche Säule mit einem Kochgefäss für die Komponente mit dem höchsten Siedepunkt versehen ist, welchem Kochgefäss durch einen Wärmeaustauscher Wärme zugeführt wird, während durch diesen Wärmeaustauscher ausserdem dem zu schneidenden Gasgemisch Wärme entzogen wird.
Bei einer solchen Rektifiziersäule hat der Wärmeaustauscher erfindungsgemäss einen Teil, der im Kochgefäss liegt und durch den der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt Wärme zugeführt wird, wobei ein weiterer Teil vorgesehen ist, der ausserhalb des Kochgefässes liegt, mit dem ein zu scheidendes Gasgemisch in thermischer Berührung steht, welche Teile durch ein Element, das zweckmässig als Träger für wärmeaustauschende Teile ausgebildet ist, in wärmeleitender Verbindung miteinander stehen.
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und durch das das zu scheidende Gasgemisch geführt wird.
In diesem Fall ist es erforderlich, etwaige sich beim Kühlen des Gasgemisches abscheidende Verunreinigungen zu entfernen, bevor das Gasgemisch dem Wärmeaustauscher zugeführt wird, da, wenn diese Verunreinigungen im Wärmeaustauscher abgetrennt würden, der Wärmeaustauscher sich verhältnismässig schnell verstopfen könnte. Die Reinigung eines solchen, im Kochgefäss untergebrachten Wärmeaustauschers bereitet verhältnismässig grosse Schwierigkeiten.
Bei dem Wärmeaustauscher nach der Erfindung setzen sich etwaige Verunreinigungen in dem Teil ab, der aus dem Kochgefäss hervorragt, so dass eine etwaige Reinigung auf einfachere Weise durchführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der ausserhalb des Kochgefässes liegende Trägerteil mit einer Anzahl von Ansätzen versehen, mit denen ein zu scheidendes Gasgemisch in thermischer Berührung steht und die Ansätze und der Träger derart bemessen sind, dass die den Ansätzen vom Frisch- gas zugeführte Wärmemenge mindestens zu 20fiv durch Leitfähigkeit über das als Träger fungierende Element dem Teil des Wärmeaustauschers, der im Kochgefäss liegt, zugeführt wird.
Der bei der Rektifiziersäule verwendete Wärmeaustauscher nach der Erfindung ist erfolgreich als Eisabscheider verwendbar. Es wird dabei meist erforderlich sein, das Gasgemisch vor der Zufuhr Zum Wärmeaustauscher zu reinigen, z. : 13. indem es durch die Verunreinigungeh bindende Chemikalien hindurchgeführt wird. Die Rektifiziersäule nach der Erfindung hat dabei das Merkmal, dass die ausserhalb des Kochgefässes liegenden Ansätze des Wärmeaustauschers als Führung für das zu scheidende Gasgemisch ausgebildet sind.
Mit einer solchen Rektifiziersäule können durch Kühlung eine oder mehrere Komponenten aus einem Gasgemisch abgeschieden werden, wobei sich die Komponenten an den Ansätzen absetzen, indem zweckmässig im Betrieb die mittlere Temperatur jedes der Ansätze maximal 200 C, vorzugsweise maximal 100 C höher ist als die Temperatur des auf einen Ansatz nächstfolgenden Ansatzes und bei normalem Betrieb des Wärmeaustauschers die mittlere Temperatur des Ansatzes, an dem die Abscheidung anfängt, maximal 200 C, vorzugsweise 100 C, niedriger ist als der Abscheidungspunkt der Komponenten im frisch zugeführten Gasgemisch.
Es hat sich ergeben, dass es wünschenswert ist, die Temperatur des zu kühlenden Gasgemisches allmählich zu erniedrigen, wobei das Gasgemisch derart in Turbulenz versetzt werden soll, dass alle Teilchen möglichst häufig mit den Wänden des Wärmeaustauschers in Berührung kommen, da sonst die Möglichkeit besteht, dass sich bereits im Gas Eisteilchen bilden, also schon bevor es die Ansätze berührt hat ; diese Eisteilchen lassen sich nur schwer alle im Eisabscheider auffangen und werden mit dem durchströmenden Gas mitgeführt.
Bei den vorstehend geschilderten Wärmeaustauscher wird sich erst nach längerer Zeit eine solche Menge festen Stoffes auf den Ansätzen
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abgesetzt haben, dass es notwendig wird, den festen Stoff zu entfernen. Letzteres kann z.
B. durch Erhitzung des Wärmeaustauschers be. werkstelligt werden : der feste Stoff wird sich dabei verflüchtigen oder er wird flüssig. Damit die Ansätze des ausserhalb des Kochgefässes liegenden Trägerteiles die gewünschte Temperatur annehmen, besitzt bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des als Träger fungierenden Elementes Teile mit verschiedenen Wärmewiderständen. Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung lässt sich nicht nur zum Ausfrieren von Verunreinigungen, sondern auch zur weiteren Kühlung des Gemisches benützen. aus dem die Komponenten abgeschieden sind.
Der Wärmeaustauscher hit dazu das Merkmal. dass der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des als Träger fungierenden Elementes hinter den Ansätzen, an denen die Abscheidung der Komponenten stattfindet, mit einer weiteren Anzahl von Ansätzen versehen ist, durch die das gereinigte Gasgemisch noch weiter gekühlt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, wenn der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des Wärmeaustauschers während des normalen Betriebes von einem Gasgemisch durchströmt wird, das mehrere Komponenten mit verschiedenen Abscheidungstemperaturintervallen enthält, der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des als Träger fungierenden Elementes mit mindestens zwei Gruppen von Ansätzen versehen, die zum räumlich getrennten Abscheiden von einer oder mehreren der Komponenten dienen. Hiebei wird (werden) auf der einen Gruppe von Ansätzen im wesentlichen die Komponente (n) des einen Abscheidungstemperaturintervalls und auf der andern Gruppe von Ansätzen im wesentlichen die Komponente (n) des andern Abscheidungstemperaturintervalls abgesetzt.
Die Ansätze einer selben Gruppe haben in Reihenfolge einen Temperaturunterschied von maximal 200 C, vorzugsweise maximal 100 C.
Da im allgemeinen die Abscheidungstemperaturintervalle verhältnismässig gross sind, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, dass zwischen zwei Gruppen von Ansätzen eine dritte Gruppe von Ansätzen vorhanden ist, die im wesentlichen zum Kühlen des Gasgemisches dient. Bei dieser weiteren Gruppe von Ansätzen brauchen, da sich auf diesen Ansätzen kein oder nur wenig Eis absetzt, die vorstehend angegebenen Temperaturunterschiede zwischen den Ansätzen nicht berücksichtigt zu werden. Weiter können die Ansätze aus demselben Grunde verhältnismässig nahe zueinander angeordnet sein, so dass dieser Teil verhältnismässig wenig Raum beansprucht. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Ansätze der verschiedenen Gruppen in einer geschlossenen Reihe hinterein- ander angeordnet.
Auf Weise sind die Temperaturen des Wärmeaustauschers wenig von der durchströmenden Menge des zu reinigenden Gases abhängig.
Die erwünschten Temperaturen der Ansatze lassen sich dadurch erzielen, dass das als Träger fungierende Elemente derart ausgebildet wird, dass die Teile einen erforderlichen Wärmewider- stand haben. Dieser Wärmewiderstand kann erzielt werden, indem das als Träger fungierende Element in bezug auf Stärke und Länge ent- sprechend bemessen wird oder in dem Trägerteile aus einem Sondenmaterial angefertigt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch wenigstens einige der Ansätze einen verschiedenen Wärmewider- stand haben. In diesem Falle braucht der Wärmewiderstand des als Trager fungierenden
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zu genügen.
Der Wärmeaustauscher kann auf verschie- dene Weise ausgebildet werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des als Träger fungierenden Elementes mit Ansätzen versehen, die a ! s Querwände ausgebildet sind und im Temperaturgefälle hintereinanderlie ! zende Räume begrenzen, die miteinander in Verbindung stehen. Damit das durch den Wärmeaustauscher strömende G. lsgemisch in T1Ubu- lenz versetzt wird, wodurch es häufig und intensiv mit den Ansätzen in Berührung kommt, sind zweckmässigerweise zwischen den Ansätzen und einer umgebenden Wand oder in den die Querwände bildenden Ansätzen Öffnungen vorgesehen.
Vorzugsweise sind bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Öffnungen der Querwände versetzt angebracht. Auf diese Weise wird eine besonders intensive Turbulenz gesichert.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht der ausserhalb des Kochgefässcs liegende Teil des Wärmeaustauschers ausserdem in thermischer Berührung mit einer der dampfförmigen Komponenten, die aus der Rektifiziersäule abgeführt wird. Diese kann also z. B. auch die Komponente mit den niedrigsten Siedepunkt sein.
Wird mittels der Säule Stickstoff erzeugt, so steht bei einer Ausführungsform der Erfindung der betreffende Teil des Wärmeaustauschers in thermischer Berührung mit wenigstens einem Teil der aus der Säule abgeführten, dampfförmigen Komponente mit dem höchsten Siedepunkt.
Eine baulich einfache Anlage ergibt sich, wenn bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das als Träger fungierende Element aus einem an beiden Enden offenen Rohr besteht, das durch den Boden des Kochgefässes hindurchgeführt ist, wobei das Ende des Rohres, das sich im Kochgefäss befindet, über den nor-
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malen Flüssigkeitspegel vorsteht.
Die Erfindung wird an Hand einer Anzahl schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Gasabscheidungsanlage mit einer Rektifiziersäule. Dabei zeigt Fig. 2 einen Querschnitt durch die Linie lI-lI der Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen Teil des bei der Rektifiziersäule angewandten Wärmeaustauschers, wobei das als Träger fungierende Element von einer Wand umgeben ist, und zwischen den Enden der Ansätze und der Wand Öffnungen vorhanden sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 haben einige der Ansätze dieses Wärmeaustauschers einen verschiedenen Wärmewiderstand.
Die Anlage nach Fig. 1 hat eine Rektifiziersäule 1 ; diese Säule umschliesst mit ihrer Wandung 3 eine Füllung 2, die z. B. aus sogenann- ten Raschig"-Ringen besteht, und ist auf der unteren Seite mit einem Kochgefäss versehen, das in flüssiger Form eine Menge der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt enthält.
Das Kochgefäss hat einen Boden 4, durch den ein rohrförmiger Träger 5 hindurchgeführt ist. Dieser Träger ist thermisch leitend am Boden des Kochgefässes befestigt und hat Wandteile 6. 7 und 8 mit verschiedenen Stärken. Er ist sowohl auf der Innenseite als auch auf der Aussenseite mit Ansätzen, z. B. Rippen, versehen. Auf der Innenseite liegen die Ansätze 9, die mit Öffnungen 10 und 11 versehen sind. Am Wandteil 6 des Trägers sind auf der Aussenseilte di Ansätze 12 angebracht, auf dem Wandteil 7 die Ansätze 13 und auf dem Wandteil 8 die Ansätze 14. All diese Ansätze sind mit Öffnungen 15 versehen, die jeweils in aufeinanderfolgenden Ansätzen versetzt angebracht sind. Der Boden des Kochgefässes ist mit konzentrisch um den Träger angebrachten Ansätzen 16 versehen.
An den Träger 5 schliesst sich auf der unteren Seite eine Leitung 17 an.
Auf der oberen Seite ragt der Träger 5 so weit in das Kochgefäss hinein, dass er über den normalen Flüssigkeitspegel in diesem Gefäss vorsteht. Die ausserhalb des Kochgefässes liegenden Teile sind von einer Wand 18 mit wärmeisolierenden Eigenschaften umgeben. Diese Wand ist mit zwei Zuführungsöffnungen 19, die sich an eine Leitung 20 anschliessen, und mit einer Abführungsöffnung 21 versehen, die sich an eine Leitung 22 anschliesst ; letztere Leitung führt zu dem Gasabscheidungsteil der Säule. Die Leitung 20 enthält eine Pumpe 23.
Die Säule ist oben mittels der Leitungen 24 und 26 mit einer Kaltgaskältemaschine 25 verbunden. Die Kaltgaskältemaschine hat eine Ab- fuhrleitung 27 und wird durch einen Elektromotor 28 angetrieben.
Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende.
Das zu scheidende Gasgemisch, z. B. Luft wird mit Hilfe der Pumpe 23 durch die Leitung 20 den Räumen zwischen den Ansätzen 14, 13 und 12 in dieser Reihenfolge zugeführt. Infolge des häufigen Kontaktes des Gasgemisches (z. B. der Luft) mit den Ansätzen 14, friert an diesen Ansätzen der z. B. in der Luft enthaltene Wasserdampf aus. Die Scheidungsstrecke erstreckt sich bis etwa-600 C. An den Ansätzen 13 wird das Gemisch weiter in der Temperatur herabgemindert, z. B. bis zu-1400 C, während es im Teil 12 von-1400 C auf z. B.-1820 C gekühlt wird. Dabei setzt sich an den Ansätzen 12 die z. B. in der Luft enthaltene Kohlensäure ab.
Die Ansätze der Teile 14 und 12 sind verhältnismässig weit voneinander entfernt, und zwischen den aufeinanderfolgenden Ansätzen jeder Gruppe herrscht ein verhältnismässig kleiner Temperaturunterschied von z. B. 80 C vor. Dieser Temperaturunterschied ergibt sich, indem das als Träger fungierende Element in Teilen mit einem bestimmten Wärmewiderstand ausgebildet wird.
Das in der Temperatur herabgesetzte, gereinigte Gasgemisch, z. B. Luft, wird durch die Leitung 22 der Säule 1 zugeführt. Diese Säule ist z. B. als eine sogenannte einfache Säule ausgebildet und wirkt unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischen Druck. In der Säule wird das Gasgemisch in Komponenten zerlegt.
Im Kochgefäss der Säule entsteht eine praktisch konstante Menge der flüssigen Komponente mit dem höchsten Siedepunkt, im Falle von Luft also Sauerstoff. Aus der Säule fliesst flüssiger Sauerstoff herunter, der wieder im Kochgefäss verdampft ; ein Teil des Dampfes steigt in der Säule auf und ein anderer Teil wird durch den rohrförmigen Träger 5 und die Leitung 17 abgeführt. Im Träger 5 ist der Sauerstoff dampfförmig und in thermischer Berührung mit der ausserhalb des Trägers aufsteigenden, zu scheidenden Luft. In dieser Ausführungsform dienen etwa 70% der der Luft entzogenen Kälte zur Erwärmung dieses Sauerstoffes, während 30suc durch das als Träger fungierende Element dem flüssigen Sauerstoff im Kochgefäss zugeführt wird, der infolgedessen verdampft.
Oben in der Säule befindet sich im Dampfzustand die Komponente mit dem niedrigsten Siedepunkt, im Falle von Luft der Stickstoff.
Der Dampf wird durch die Leitung 24 einer Kaltgaskältemaschine 25 zugeführt. Mittels der Kälte, welche diese Kaltgaskältemaschine erzeugt, wird der Stickstoff kondensiert ; das Kondensat wird teilweise als Rückfluss durch die Leitung 26 der Säule zugeführt und teilweise durch die Leitung 27 abgenommen. Die vorstehend erwähnte Kaltgaskältemaschine arbeitet nach dem umgekehrten Prinzip der Heissgaskolbenmaschinen. Mit Hilfe einer solchen Maschine können in einer einzigen Stufe sehr niedrige Temperaturen von z. B.-2000 C und darüber hinaus erreicht werden.
Der geschilderte Wärmeaustauscher, bei dem also das zu kühlende und zu scheidende Gas-
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gemisch nicht durch das Kochgefäss hindurchströmt, kann auch bei Säulen anderer Art z. B. bei den sogenannten Doppelsäulen, angewandt werden.
Sollte der Wärmeaustauscher nach gewisser Zeit ganz mit abgeschiedenen Verunreinigungen gefüllt sein, so kann durch Entfernen der Wand 18 das Eis auf einfache Weise durch Abschaben entfernt werden. Das Eis kann auch durch Erwärmung des Austauschers entfernt werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht der ausserhalb des Kochgefässes liegende Teil des Wärmeaustauschers aus einem als Träger fungierenden Element 30, das mit ringförmigen Ansätzen 31 versehen ist. Diese Ansätze sind durch eine Wand 32 umgeben, die wärmeisolierende Eigenschaften hat. Die Ansätze 31 erstrecken sich nicht ganz bis zur Wand 32, so dass öffnungen 33 entstehen. Das zu kühlende Gasgemisch wird auf der unteren Seite durch die öffnungen 34 zugeführt und das gekühlte Gasgemisch wird auf der oberen Seite durch die Leitung 35 abgeführt. Der Träger 30 ist mit dem Kochgefäss einer Rektifiziersäule verbunden. Von dem längs der Ansätze strömenden Gasgemisch wird Wärme durch die Ansätze und das als Träger fungierende Element an dieses Kochgefäss abgeführt.
Auf der Innenseite des Elementes 30 sind Rippen 36 vorgesehen, durch die die aus dem Kochgefäss ausströmende, gasförmige Komponente mit dem höchsten Siedepunkt in thermischer Berührung steht. Die Wirkungsweise dieses Wärmeaustauschers entspricht ganz der des vorstehend geschilderten Wärmeaustauschers.
Fig. 4 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei dem die Ansätze einen verschiedenen Wärmewiderstand haben. Bei dieser Ausführungsform hat ein als Träger fungierendes Element 40 eine konstante Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmeaustauscher ist in zwei Gruppen aufgeteilt. Die Gruppe 41 mit den Ansätzen 42 dient zum Abscheiden einer Komponente, während die Gruppe 43 mit den Ansätzen 44 ausschliesslich zur weiteren Kühlung des Gasgemisches verwendet wird. Die Ansätze 42 bzw. 44 sind mit öffnungen 45 bzw. 46 und mit einem Teil 47 bzw. 48 versehen, der einen bestimmten Wärmewiderstand hat. Dieser Wärmewiderstand ist derart, dass die Temperaturunterschiede der Ansätze 42 verhältnismässig gering sind. Die Teile 47 und 48 befinden sich in einer am Träger 40 angebrachten Schicht 49 aus Wärmeisoliermaterial.
Die Ansätze sind von einem Mantel 50 mit Wärmeisoliereigenschaften umgeben.
Das zu kühlende und zu reinigende Gasgemisch wird durch die Öffnungen 51 dem Wärmeaustauscher zugeführt und verlässt diesen durch die Leitung 52.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rektifiziersäule zum Scheiden von Gasgemischen, welche Säule mit einem Kochgefäss für die Komponente mit dem höchsten Siedepunkt versehen ist, welchem Kochgefäss durch einen Wärmeaustauscher Wärme zugeführt wird, während durch diesen Wärmeaustauscher ausserdem dem zu scheidenden Gasgemisch Wärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Wärmeaustauscher einen Teil (6) hat, der im Kochgefäss liegt und durch den der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt Wärme zugeführt wird, und ein weiterer Teil (9, 12, 13.
14) vorgesehen ist, der ausserhalb des Kochgefässes liegt, mit dem ein zu scheidendes Gasgemisch in thermischer Berührung steht, welche Teile durch ein Element ( ?, S), das zweckmässig als Träger für wärmeaustauschende Teile ausgebildet ist, in rmeleitender Verbindung miteinander stehen.