CH408863A - Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten oder Dämpfen aus einem Verarbeitungsgasstrom durch Ausfrieren - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten oder Dämpfen aus einem
Verarbeitungsgasstrom durch Ausfrieren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten oder Dämpfen aus einem Verarbeitungsgasstrom durch Ausfrieren und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.



   Das Verfahren kann eine Stufe der Reinigung eines Gasstromes bilden, der Verunreinigungen enthält, die durch Ausfrieren entfernbar sind. Die Reinigung kann einen fortlaufenden Prozess darstellen, wobei im Verlauf der Reinigung eines Verarbeitungsgasstromes eine Verminderung der Temperatur unter die Sättigungstemperatur der zu trennenden Flüssigkeiten oder Dämpfe erforderlich ist, zu welchem Zweck der Gasstrom zum Wärmeaustausch über eine kühle Oberfläche geleitet wird, auf der sich Niederschläge in gefrorenem Zustand bilden.



   Wenn jedoch im Gasstrom feste Körperteilchen oder Ionen enthalten sind, können sie Kernmittelpunkte bilden, um die sich gefrorene Flüssigkeiten bzw. Dämpfe in Form von Schnee absetzen können. Diese leichteren Niederschläge werden vom Gasstrom mitgerissen, weshalb zu deren Entfernung andere Mittel notwendig sind. Sind die Niederschlagsteilchen gross genug, um von einem Filter zurückgehalten zu werden, so wird dieser nach einiger Zeit verstopft, und sind sie klein, so schlüpfen sie durch den Filter, wodurch die Wirksamkeit der Trennung herabgesetzt wird.



   Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung war daher, ein Verfahren zu finden, um auch diese vom Verarbeitungsgasstrom mitgerissenen Niederschlagsteilchen aus demselben zu entfernen.



   Erfindungsgemäss wird das bei einem Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten oder Dämpfen aus einem Verarbeitungsgasstrom durch Ausfrieren dadurch erreicht, dass der Verarbeitungsgasstrom Wärme mit einem Kühlmittel in einer Anzahl von Gefrierstufen austauscht, wobei die Temperatur des Verarbeitungsgasstroms unter die Sättigungstemperatur der abzuscheidenden Flüssigkeit fällt, die Flüssigkeit bzw. der Dampf sich auf einer festen Oberfläche als Eis abscheidet und die mitgerissenen Schneeteilchen durch Verdunsten in zwischen die Gefrierstufen geschalteten Erwärmungsstufen entfernt werden.



   Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch eine Anzahl Gefrierstufen und mindestens eine zwischen zwei Gefrierstufen angeordnete Erwärmungsstufe zur Verdunstung von Schneeteilchen.



   Vorteilhaft können ferner in der Anlage zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens Mittel zur Verlängerung des Verweilens der Schneeteilchen in der Erwärmungsstufe vorgesehen sein. Diese Mittel können zweckmässig aus einem am Auslass der Erwärmungsstufe angeordneten Fänger bestehen.



   Mit besonderem Vorteil kann die Anlage zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens so ausgebildet sein, dass eine Kühlmittelleitung und eine vom Verarbeitungsgasstrom durchströmte Hauptleitung vorgesehen ist, die jeweils über Gefrierstufen bildende erste Leitungsabschnitte mit der Kühlmittelleitung und über an die ersten Abschnitte angeschlossene, Erwärmungsstufen bildende zweite Leitungsabschnitte mit dem jeweils vorangehenden ersten   Leitungsabschnitt zwecks Wärmeaustausch in wärmeleitender Verbindung steht, und bei der erste und zweite Leitungsabschnitte abwechselnd aufeinander folgen.

   Dabei können vorteilhaft eine zentrale Kühlmittelleitung, diese jeweils über Teilstücke umgebende erste Leitungsabschnitte und die ersten Leitungsabschnitte umgebende zweite Leitungsabschnitte vorgesehen sein, wobei jeweils der Auslass eines ein Teilstück der Kühlmittelleitung umgebenden ersten Leitungsabschnittes mit dem Einlass des ihn umgebenden zweiten Leitungsabschnittes und der Auslass dieses zweiten Leitungsabschnittes mit dem Einlass des das nächstfolgende Teilstück der Kühlmittelleitung umgebenden ersten Leitungsabschnittes verbunden sind. Vorteilhaft können dabei weiter in den zweiten Leitungsabschnitten Mittel zur Verlängerung des Verweilens von Schneeteilchen vorgesehen sein.



   Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Kohlenstoffdioxyd und Wasserdampf als Verunreinigungen aus einem   Helium-Gasstrom    abgeschieden werden, wird nachstehend mit Bezug auf ein besonderes Trennverfahren anhand der Figuren beschrieben.



   Fig. 1 ist eine Aussenansicht der Anlage.



   Fig. 2 zeigt schematisch eine Ansicht im Schnitt eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Trennanlage.



   Fig. 3A und 3B sind Alternativformen eines Teils von Fig. 2.



   Fig. 4 stellt das Verfahren graphisch dar, wobei auf einer Achse die Entfernung (relativer Wert) - und auf der andern die Temperatur aufgetragen ist.



   Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer Variante der Anlage.



   Nach der Zeichnung weist die Gefrieranlage eine Anzahl reihenweise angeordneter Abteile 1 auf, wie in Fig. 1 gezeigt, welche vom Heliumgas vom Einlass 2 zum Auslass 3 durchströmt werden. Am Einlass 2 enthält das Gas Kohlenstoffdioxyd und Wasserdampf als Verunreinigungen, welche durch Ausfrieren abgeschieden werden müssen.



   Nach Fig. 2 hat jedes Abteil 1 einen äussern Mantel 4, durch welchen reines Helium von tiefer Temperatur vom Einlass 4a zum Auslass 4b umläuft. Der Mantel 4 umgibt das Rohr 5, in welchem eine innere Röhre 6 koaxial verläuft. Aussen an der Röhre 6 ist ein spiralförmig verlaufender, aus einem rostfreien Stahldrahtnetz bestehender Körper 7 angebracht, derart, dass eine Wärmeleitung begünstigt wird. Fig. 3A und Fig. 3B stellen Varianten des Körpers 7 dar, welcher, wie Fig. 2 zeigt, sich radial nicht ganz bis zur Wandung des Rohrs 5 erstreckt. Das Verarbeitungsgas strömt durch den Einlass 8 in die ringförmige Leitung 9, die von den beiden koaxialen Röhren 5 und 6 begrenzt wird, und strömt längs eines zum Teil spiralförmigen Strömungsweges, welcher innerhalb der Röhre 6 von der Leitung 9 zum Auslass 10 und zum nächsten Abteil führt.

   Die Temperatur am Einlass 8 wird als Ausgangspunkt   0    für die graphische Darstellung in Fig. 4 genommen, wobei die Temperatur des Gasstromes nach der Linie A-B fällt, sobald der Wärmeaustausch an der Wandung des Rohrs 5 erfolgt. Am Ende des Rohrs 5 ist die Temperatur um etwa   150 C    gefallen infolge des Wärmeaustausches mit dem reinen Helium, dessen Temperaturanstieg die Linie R-S angibt. Während seines Durchgangs über oder durch den Stahlnetzkörper 7 entsteht ein Niederschlag des gefrorenen Wasserdampfes oder gefrorenen Kohlendioxyds an den Oberflächen in Form von Eis.

   Sind einige Kernmittelpunkte im Gasstrom vorhanden, so frieren die Verunreinigungen an ihnen aus und bilden Schnee, weil in diesem Fall die Diffusionsfähigkeit des Heliums gross ist, so dass der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und der abgekühlten Wandung der Leitung 9 rascher vor sich geht als der Massenaustausch, der bedingt ist durch die geringere Diffusionsfähigkeit der viel schwereren und sich langsamer bewegenden Wasser- und Kohlenstoffmoleküle.



   Daher kann der Gasstrom am Ende des Rohrs 5 Schneeteilchen enthalten, die sich entweder wie vorerwähnt gebildet haben oder die sich infolge Abbrechens weniger dichter Niederschläge von den Oberflächen der Leitung bilden und vom Gasstrom mitgerissen werden.



   Aus der Leitung 9 strömt das Verarbeitungsgas in die innere Röhre 6, wobei es dem Strom der Gefrierungsstufe entgegengesetzt fliesst. Die Temperatur des Stroms steigt nun längs der Linie B-C-D um etwa 100 C sowie er den Auslass 10 dieses Abteils erreicht.



   Das Gas strömt nun zum nächsten Abteil der Anlage, in welchem es in einer Gefrierstufe abgekühlt wird, wobei infolge der kleineren Konzentration an Verunreinigungen weniger Schneeteilchen entstehen als in der ersten Gefrierstufen bevor es nochmals erwärmt wird, wie beschrieben. Durch Wiederholung des Vorganges in weiteren Gefrier- und Erwärmungsstufen wird auf diese Weise die Menge des mitgerissenen Schnees und somit der entsprechenden Verunreinigungen im Gasstrom herabgesetzt.



   Die gewählten Werte für den Temperaturanstieg beim Wiedererwärmen und den Temperaturabfall beim Abkühlen sind rein illustrativ. In besonderen Fällen mag eine höhere oder geringere Erwärmung notwendig sein, je nach dem Ausmass der Schneebildung und der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen dem Gas und dem mitgerissenen Schnee. Ist eine wesentlich stärkere Wiedererwärmung erforderlich, so kann ein Wärmeaustauscher verwendet werden, in welchen Luft oder sonstiges Trockengas eingeblasen wird, wodurch indessen die Wirksamkeit der ganzen Gefrieranlage als Wärmeaustauscher herabgesetzt würde. Es kann aber auch eine andere räumliche Anordnung für die Gefrieranlage getroffen werden.



   Fig. 5 zeigt schematisch eine Variante, ähnlich der vorbeschriebenen Anlage, wobei aber das Verarbeitungsgas durch eine Reihe ringförmiger Kanäle  an einem zentralen konzentrischen Kaltgasströmungsweg vorbeistreicht. Diese Anlage weist eine durchgehende Leitung 11 für reines kaltes Heliumgas auf, die aus einer Anzahl von Rohrschenkeln 1 la besteht. Jeder Rohrschenkel bildet den zentralen axialen Strömungsweg mit Bezug auf koaxiale, innere und äussere ringförmige Kanäle 12 bzw. 13.



   Die anliegenden Enden der Kanäle am Einlass des Rohrschenkels sind miteinander verbunden und am Auslassende des Schenkels mit einem Einlass 14 und Auslass 15 für das Verarbeitungsgas ausgebildet. Dergestalt entsteht ein Strömungsweg für das Verarbeitungsgas, längs welchem das Gas vorerst entlang dem Kanal 12 fliesst und mit dem kalten Gas im zentralen Schenkel   lla    Wärme austauscht, dann im Gegenstrom zu sich selbst durch den Kanal 13 fliesst, mit sich selbst Wärme austauscht und sich dabei erwärmt. Mitgerissener Schnee hat dort das Bestreben zu verdunsten.



   Falls, was vorkommen kann, der Wärmeaustauschkoeffizient zwischen den festen Teilchen und dem Gasstrom derart ist, dass die Schneeteilchen im erwärmten Teil des Gasstroms für eine Verdunstung des Schnees nicht lang genug verbleiben, werden Fänger 16 im Strömungsweg des erwähnten Verarbeitungsgases eingebaut. Die Fänger bewirken eine Verzögerung des Vorgangs, die es dem festen Schnee ermöglicht, zu verdunsten.



   Zur definitiven Beseitigung der Verunreinigungen muss die Gefrieranlage periodisch ausser Betrieb gesetzt und regeneriert werden. Die Regenerierung erfolgt durch Erwärmen der Gefrierstufen und Entleeren, z. B. durch Evakuieren oder durch Spülen mit reinem Gas.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten oder Dämpfen aus einem Verarbeitungsgasstrom durch Ausfrieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Verarbeitungsgasstrom Wärme mit einem Kühlmittel in einer Anzahl von Gefrierstufen austauscht, wobei die Temperatur des Verarbeitungsgasstroms unter die Sättigungstemperatur der abzuscheidenden Flüssigkeiten fällt, die Flüssigkeit bzw. der Dampf sich auf einer festen Oberfläche als Eis abscheidet und die mitgerissenen Schneeteilchen durch Verdunsten in zwischen die Gefrierstufen geschalteten Erwärmungsstufen entfernt werden.

   II. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch eine Anzahl Gefrierstufen und mindestens eine zwischen zwei Gefrierstufen angeordnete Erwärmungsstufe zur Verdunstung von Schneeteilchen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeiten nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des Verweilens der Schneeteilchen in der Erwärmungsstufe verlängert wird.

   2. Anlage nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch Mittel zur Verlängerung des Verweilens der Schneeteilchen in der Erwärmungsstufe.

   3. Anlage nach Unter anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein am Auslass der Erwärmungsstufe angeordneter Fänger ist.

   4. Anlage nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine Kühlmittelleitung und eine vom Verar beitungsgasstrom durchströmte Hauptleitung, die jeweils über Gefrierstufen bildende erste Leitungsabschnitte mit der Kühlmittelleitung und über an die ersten Abschnitte angeschlossene, Erwärmungsstufen bildende zweite Leitungsabschnitte mit dem jeweils vorangehenden ersten Leitungsabschnitt zwecks Wärmeaustausch in wärmeleitender Verbindung steht, und bei der erste und zweite Leitungsabschnitte abwechselnd aufeinanderfolgen.

   5. Anlage nach Unteranspruch 4, gekennzeichnet durch eine zentrale Kühlmittelleitung, diese jeweils über Teilstücke umgebende erste Leitungsabschnitte und die ersten Leitungsabschnitte umgebende zweite Leitungsabschnitte, wobei jeweils der Auslass eines ein Teilstück der Kühlmittelleitung umgebenden ersten Leitungsabschnittes mit dem Einlass des ihn umgebenden zweiten Leitungsabschnittes und der Auslass dieses zweiten Leitungsabschnittes mit dem Einlass des das nächstfolgende Teilstück der Kühlmittelleitung umgebenden ersten Leitungsabschnittes verbunden sind.

   6. Anlage nach Unteranspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel zur Verlängerung des Verweilens von Schneeteilchen in den zweiten Leitungsabschnitten.