DE10121544A1

DE10121544A1 - Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases

Info

Publication number: DE10121544A1
Application number: DE2001121544
Authority: DE
Inventors: Holger Koenig; Georg Schneider
Original assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH; Escher Wyss GmbH
Current assignee: Engie Refrigeration GmbH
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: DE10121544B4

Abstract

Das Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor in einer Wärmeübertragungsvorrichtung (4) verwendet zur Kühlung ein Chlor oder Brom freies, nichtreaktives Kältemittel, insbesondere das Kältemittel R116 (C2F6), auch als Perfluorethan bezeichnet, oder das Kältemittel R218 (C3F8) auch als Perfluorpropan bezeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie die Verwendung eines Kühlmittels gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 9.

Zur Verflüssigung von reaktiven Gases wie Chlor ist es bekannt, als Rohrbündelapparate ausgestaltete Wärmeübertragungsvorrichtungen zu verwenden, bei denen die Rohre im Innern vom zu verflüssigenden Gas durchströmt werden, während im äusseren Mantelraum an den Rohren das Kältemittel verdampft wird, wobei das Kältemittel die Kondensationswärme des Gases aufnimmt. Je nach gefordertem Verflüssigungsgrad durchströmt das reaktive Gas mehrere, insbesondere zwei Wärmeübertragungsvorrichtungen.

Nachteilig an bekannten Verfahren zur Kühlung reaktiver Gase ist die Tatsache, dass zur Kühlung chlorfreie Kältemittel wie NH3, R134a oder R23 verwendet werden, welche mit dem reaktiven Gas reagieren könnten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor vorzuschlagen, welches geringere Risiken aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung eines Kältemittels aufweisend die Merkmale von Anspruch 9. Der Unteranspruch 10 betrifft die Verwendung bevorzugter Kältemittel.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor in einer Wärmeübertragungsvorrichtung, indem die Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem chlor- oder bromfreien, nichtreaktiven Kältemittel gekühlt wird.

Das nichtreaktive Kältemittel enthält keinen Wasserstoff oder nur derart geringe Anteile Wasserstoff, dass beim Verflüssigen des reaktiven Gases im Falle einer Leckage keine Reaktion bei den vom Verfahren und der Betriebsweise vorgegebenen Bedingungen mit dem Kältemittel auftritt.

Das nichtreaktive Kältemittel umfasst zumindest eine der folgenden chemischen Verbindungen oder Elemente:
R14(CF₄), R116(C₂F₆), R218(C₃F₈), weitere perfluorierte Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xF_y, CO₂, N₂O, SF₆, Xe, F₄Si, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xN_y, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xI_y, Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yN_z, Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yI_z.

Bevorzugt werden perfluorierte Källtemittel als nichtreaktives Kältemittel verwendet, insbesondere das Kältemittel R116(C2F6), auch als Perfluorethan bezeichnet, oder das Kältemittel R218(C3F8), auch als Perfluorpropan bezeichnet.

Die verwendeten Kältemittel zur Kühlung reaktiver Gase weisen den Vorteil auf, dass diese keinen oder einen verschwindend kleinen Anteil Wasserstoff enthalten, so dass somit bei der Kühlung auch keine Gefahr einer möglichen Explosion besteht. Insbesondere bei einem hochreaktiven Gas wie Chlor besteht somit keine Gefahr einer Reaktion des zu kühlenden Gases mit dem Kältemittel, wenn in der Wärmeübertragungsvorrichtung ein Leck auftritt. Zudem enthält das Kältemittel kein Chlor oder Brom, und ist somit als Kältemittel zugelassen. Zudem eignet sich insbesondere das Kältemittel R116 auf Grund seiner thermodynamischen Eigenschaften beispielsweise als Ersatzstoff für die Kältemittel R13 oder R23. R218 eignet sich insbesondere als Ersatzstoff für R13B1. Zudem können die Kältemittel in bestehenden Anlagen verwendet werden, ohne dass bestehende Apparate beispielsweise gegen Doppelrohrwärmeübertrager ausgetauscht werden müssen.

Das Kältemittel R116 hat bei 1 bar abs. eine Siedetemperatur von -78.42°C und ist daher für eine Tieftemperaturverflüssigung geeignet. Das Kältemittel R116 hat zudem eine hohe Molmasse und ist zur Verwendung in einem Turboverdichter geeignet, wobei zudem, auf Grund der Schwere des Kältemittels, ein Turboverdichter mit wenigen Stufen geeignet ist.

Das Kältemittel R116 ist insbesondere zur Verwendung in einer zweiten Stufe einer Kaskadenschaltung geeignet, wo das Kältemittel R116 beispielsweise bei -80°C verdampft, daraufhin verdichtet wird, und beispielsweise bei -15°C verflüssigt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases mit einer Kaskadenschaltung zur zweistufigen Verflüssigung;

Fig. 2 ein zweites Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases mit einem Zwischenkreislauf ohne Verdichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kaskadenschaltung zur zweistufigen Verflüssigung von Chlorgas. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1 wird durch über die Leitungsabschnitte 9a, 9b geführtes Kühlwasser gekühlt. Ein erster Kühlmittelkreislauf 5 verläuft ausgehend von der Wärmeübertragungsvorrichtung 1 über den Leitungsabschnitt 5a, das Ventil 5b und den Leitungsabschnitt 5c sowohl zum Verflüssiger 2 als auch zum Kaskadenkühler 3, und danach über die Leitungsabschnitte 5d, 5e und den Verdichter 5f über den Leitungsabschnitt 5g zurück zur Wärmeübertragungsvorrichtung 1. Der Verflüssiger 2 als auch der Kaskadenkühler 3 sind als Wärmeübertragungsvorrichtungen ausgestaltet. Ein zweiter Kühlmittelkreislauf 6 verläuft ausgehend vom Kaskadenkühler 3 über den Leitungsabschnitt 6a, das Ventil 6b und den Leitungsabschnitt 6c zum Verflüssiger 4, und danach über den Leitungsabschnitt 6d, den Verdichter 6e und den Leitungsabschnitt 6f zurück in den Kaskadenkühler 3. Das gasförmige Chlorgas wird über die Zuleitung 7a dem ersten Verflüssiger 2 zugeführt, und danach teilweise als flüssiges Chlorgas über den Auslass 7c abgezogen, oder über die Verbindungsleitung 7b dem zweiten Verflüssiger 4 zugeführt und danach entweder als flüssiges Chlorgas über den Auslass 7e abgezogen, oder über den Leitungsabschnitt 7d als gasförmiges Restgas abgegeben. Der erste und zweite Verflüssiger 3, 4 sind als Wärmeübertragungsvorrichtungen ausgestaltet. Der erste Kühlmittelkreislauf 5 wird von dem Kältemittel R218 durchströmt. Der zweite Kühlmittelkreislauf 6 wird vom Kältemittel R116 durchströmt. Um auch den Verflüssiger 2 mit R116 zu betreiben, kann dieser, wie in Fig. 2 mit dem Verflüssiger 4 dargestellt, an einen R116 Zwischenkreislauf angeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt schematisch eine einstufige Verflüssigung von Chlorgas, wobei das Kältemittel R116 oder R218 in einem Zwischenkreislauf 8 ohne Verdichtung ausgetauscht wird. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1 wird durch über die Leitungsabschnitte 9a, 9b geführtes Kühlwasser gekühlt. Ein erster Kühlmittelkreislauf 5 ist als herkömmlicher Kühlkreislauf unter Verwendung eines übliches Kältemittels wie beispielsweise NH3 ausgestaltet. Der erste Kühlmittelkreislauf 5 verläuft ausgehend von der Wärmeübertragungsvorrichtung 1 über den Leitungsabschnitt 5a, das Ventil 5b und den Leitungsabschnitt 5c zum Verflüssiger 10, und danach über den Leitungsabschnitt 5e, den Verdichter 5f und den Leitungsabschnitt 5g zurück zur Wärmeübertragungsvorrichtung 1.

Zwischen dem Verflüssiger 10 und dem Verflüssiger 4 ist über die Leitungsabschnitt 8a, 8b der Zwischenkreislauf 8 ausgebildet, in welchem, je nach geforderter Verflüssigungstemperatur, das Kühlmittel R116 oder R218 strömt. Der Zwischenkreislauf 8 kann beispielsweise als Naturumlauf ausgestaltet sein, zum Beispiel in Form eines Thermosiphons. Der Verflüssiger 10 dient zur Verflüssigung des Kühlmittels R116 oder R218. Der Verflüssiger 4 dient zur Verflüssigung des Chlorgases. Das Chlorgas wird über die Zuleitung 7a dem Verflüssiger 4 zugeführt. Über den Auslass 7e wird dem Verflüssiger 4 das flüssige Chlorgas abgezogen, wogegen das Restgas über den Leitungsabschnitt 7d abgegeben wird.

Das Kühlmittel R116 verdampft im Chlorgasverflüssiger 4 beispielsweise bei -20°C und 10 bar abs und strömt ohne Verdichtung zum Kondensator 10, wo es verflüssigt wird. Für das Kühlmittel R218 entspricht die Temperatur von -20°C einem Druck von 2 bar abs. Das verflüssigte Kühlmittel strömt schwerkraftbedingt oder mit Hilfe einer Pumpe zurück zum Chlorverflüssiger 4, wo es erneut verdampft. Insoweit bewegt sich die Zustandsänderung des Kühlmittels im Zwischenkälteträgerkreislauf 8 im wesentlichen entlang einer Isobaren.

Zur Stillstandskühlung ist zudem eine Stillstandskühlvorrichtung 9 vorgesehen, welche über die Leitungsabschnitte 9a, 9b fluidleitend mit dem Leitungsabschnitt 8a und dem Verflüssiger 4 verbunden ist. Im Stillstand begrenzt die Stillstandskühlung den maximalen Druck im Zwischenkreislauf 8 durch die Einhaltung einer bestimmten Verdampfungstemperatur. Hierzu ist nur eine kleine Kühlvorrichtung 9 erforderlich, welche das durch Wärmeeinfall entstehende Gas aus dem Mantelraum des Verflüssigers 4 absaugt, zum Beispiel über den Leitungsabschnitt 9b oder den Leitungsabschnitt 8b, das abgesaugte Gas unter Wärmeabgabe verflüssigt, und über den Leitungsabschnitt 9a wieder zurückführt.

Claims

1. Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor in einer Wärmeübertragungsvorrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (4) mit einem chlor- oder bromfreien, nichtreaktiven Kältemittel gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtreaktive Kältemittel keinen Wasserstoff oder nur geringe Anteile Wasserstoff enthält.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel zumindest eine der folgenden Verbindungen umfasst:
R14(CF₄), R116(C₂F₆), R218(C₃F₈), weitere perfluorierte Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xF_y, CO₂, N₂O, SF₆, Xe, F₄Si, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xN_y, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xI_y, Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yN_z, Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yI_z.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel aus R116(C₂F₆) oder R218(C₃F₈) besteht,

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte Kältemittel R116 oder R218 ohne vorherige Verdichtung verflüssigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel R116 oder R218 verflüssigt wird, und dass der Kreislauf (8) des Kältemittels R116 oder R218 derart ausgelegt ist, dass das Kältemittel R116 oder R218 schwerkraftbedingt zur Wärmeübertragungsvorrichtung (4) zurückströmt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im Stillstand durch ein separate Stillstandskühlvorrichtung (9) gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas mit einem zweistufigen Kälteträgerkreislauf umfassend einen ersten und einen zweiten Kältekreislauf (5, 6) gekühlt wird, dass der zweite Kältekreislauf (6) die tiefere Temperatur aufweist, und dass der erste und/oder zweite Kältekreislauf (5, 6) vom nichtreaktiven Kältemittel durchströmt wird.

9. Verwendung eines chlor- oder bromfreien, nichtreaktiven Kältemittels zur Verflüssigung von reaktiven Gasen wie Chlor.

10. Verwendung eines Kältemittels nach Anspruch 9, welches zumindest eine der folgenden Verbindungen umfasst:
R14(CF₄), R116(C₂F₆), R218(C₃F₈), weitere perfluorierte Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xF_y, CO₂, N₂O, SF₆, Xe, F₄Si, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xN_y, Kohlenwasserstoffe der Reihe C_xI_y, Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yN_z Kohlenwasserstoffderivate der Reihe C_xF_yI_z.