DE1056635B

DE1056635B - Gasreinigungsverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchfuehrung

Info

Publication number: DE1056635B
Application number: DES56929A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1958-02-01
Filing date: 1958-02-12
Publication date: 1959-05-06
Also published as: CH356150A; FR1217996A; GB865870A; US2958203A; NL111797C; NL225198A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen von Gas durch Ausfrieren der Verunreinigung in zwei Wärmeaustauschern, wobei in einer ersten Phase (einem ersten Zeitabschnitt) der eine Wärmeaustauscher arbeitet, der andere abgetaut wird und in einer zweiten Phase die Wärmeaustauscher umgekehrt geschaltet sind. Ferner bezieht sich, die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei wechselweise jeweils auf Ausfrieren und Abtauen schaltbaren Wärmeaustauschern. Unter »Reinigen« wird hier das Ausfrieren einer oder mehrerer oder sämtlicher das Gas verunreinigender Komponenten verstanden. Es soll also auch der Fall eingeschlossen sein, wo· das Gas nach der Reinigung noch weitere Fremdkomponenten enthält, die beispielsweise absichtlich nicht oder noch nicht entfernt wurden oder die zusammen mit den bereits ausgefrorenen Komponenten nicht entfernt werden konnten und erst etwa in einer folgenden Ausfriervorrichtung entfernt werden müssen.

Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art wird in der einen Phase das zu reinigende Gas zuerst durch den abzutauenden Wärmeaustauscher und darauf durch den arbeitenden Wärmeaustauscher geführt, der außerdem von kühlendem Medium durchströmt wird. Der erste Wärmeaustauscher wird durch das relativ warme, zu reinigende Gas selbst abgetaut, in dem zweiten, arbeitenden Wärmeauetauscher wird die Verunreinigung ausgefroren. In der zweiten Phase durchströmt das zu reinigende Gas den bisher arbeitenden Wärmeaustauscher zuerst und darauf den vorher abgetauten Wärmeaustauscher, durch den jetzt andererseits das kühlende Medium geführt wird. Nunmehr wird der vorher arbeitende Wärmeaustauscher durch das zu reinigende Gas abgetaut und der andere Wärmeaustauscher arbeitet, d. h., in ihm wird die Verunreinigung ausgefroren. Das zu reinigende Gas wird also in beiden Phasen jeweils zuerst durch denjenigen Kanal eines Wärmeaustauschers geführt, in dem in der vorhergehenden Phase die Verunreinigung ausgefroren wurde; darauf gelangt das zu reinigende Gas jeweils in den zweiten Wärmeaustauscher, wo seine Verunreinigung selbst ausgefro'ren wird.

Bei einem weiterhin bekannten Verfahren zur Reinigung von Gasen, insbesondere in einer Anlage zur Gastrennung durch Verflüssigung und' Rektifikation mit periodischer Umkehrung der Gasströme, strömt das zu reinigende Gas unter Druck durch den Zwischenraum zwischen dem Mantel und den Röhren eines von zwei parallel geschalteten Wärmeaustauschern, sodann nach Abkühlung durch einen Wärmeentzug inT Gegenstrom durch die Röhren desselben Wärmeaustauschers zurück, wobei eine Aus-

Gasreinigungsverfahren
und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
Schwelm (Westf.), Drosselstr. 31

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 1. Februar 1958

scheidung der erstarrten Verunreinigungen des zu reinigenden Gases im Zwischenraum zwischen dem Mantel und den Röhren des genannten Wärmeaustauschers erfolgt. Aus dessen Röhren strömt das Gas sodann in einen der Räume des zweiten Wärmeaustauschers, der dem ersten Wärmeaustauscher gleicht, und zwar im Gegenstrom zu dem der Rektifizierkolonne entnommenen Spülgas, wobei eine Verdampfung der in einer vorhergehenden Arbeitsphase ausgefrorenen Verunreinigungen während der Erwärmung des Spülgases erfolgt und die Verunreinigungen von dem Spülgas mitgerissen werden. In einer zweiten Arbeitsphase werden dann die beiden Wärmeaustauscher umgeschaltet, so daß der zweite Wärmeaustauscher die Rolle des ersten, und umgekehrt, übernimmt.

Demgegenüber besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß das zu reinigende Gas in beiden Phasen jeweils nur den arbeitenden Wärmeaustauscher durchströmt, während kühlendes, den arbeitenden Wärmeaustauscher ebenfalls durchströmendes Medium in beiden Phasen nach Durchströmen des arbeitenden Wärmeaustauschers zum Abtauen des anderen Wärmeaustauschers durch den die ausgefrorene Verunreinigung nicht enthaltenden Kanal des anderen Wärmeaustauschers geleitet wird. Dem-

909 509/81

entsprechend sind bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in weiterer Erfindung die beiden ersten Kanäle (Primärkanäle) der Wärmeaustauscher wahlweise in beiden Reihenfolgen hintereinander schaltbar und in beiden Hintereinanderschaltungen an eine Zuführungsleitung für kühlendes Medium angeschlossen, während an eine Zuführungsleitung für das zu reinigende Gas jeweils lediglich der zweite Kanal (Sekundärkanal) des — in Strömungsrichtung des kühlenden Mediums — vorgeschalteten Wärmeaustauschers angeschlossen ist. Zum Abtauen des einen Wärmeaustauschers wird also nicht das zu reinigende Gas, sondern dasjenige Medium verwendet, das mit dem zu reinigenden Gas in dem anderen Wärmeaustauscher vorher in Wärmeaustausch gebracht und dabei erwärmt wurde. Ferner wird das abtauende Medium nicht durch denjenigen Kanal, in dem sich die ausgefrorene Verunreinigung befindet, geleitet, sondern es steht mit der Verunreinigung nur in thermischem Kontakt. Der die Verunreinigung enthaltende Kanal selbst wird während des Abtauens von keinerlei Medium durchströmt, so daß nicht etwa ein Teil der abgetauten und wieder verdampften Verunreinigung mitgenommen werden kann und in der Vorrichtung verbleibt, gegebenenfalls ständig vom einen zum anderen Wärmeaustauscher und nach Umschaltung wieder zurückströmt'." Die einmal ausgefrorene Verunreinigung kann demnach gesamthaft verflüssigt und aus der Vorrichtung entfernt werden.

Bei einer Ausführtmgsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Abtauen des nicht arbeitenden Wärmeaustauschers jeweils nur ein Teil des den arbeitenden Wärmeaustauscher kühlenden und dadurch in ihm erwärmten Mediums verwendet.

Vorteilhaft wird am Ende beider Phasen der abgetaute Wärmeaustauscher vor dem Umschalten der Wärmeaustauscher parallel zu dem arbeitenden Wärmeaustauscher in die Zuführungsleitung für das kühlende Medium geschaltet und auf diese Weise vorgekühlt. Beim Umschalten der beiden Wärmeaustauscher werden dann Wärmestöße vermieden, durch die etwa den Wärmeaustauschern nachgeschaltete Glieder einer zugehörigen Kälteanlage, wie z. B. eine an konstante Temperaturverhältnisse gebundene Rektifizierkolonne, in ihrer Funktion gestört werden und durch die in den beiden Kanälen jedes Wärmeaustauschers momentan größere Temperaturdifferenzeu entstehen könnten, wodurch der Wärmeaustausch dem idealen, thermodynamisch am vorteilhaftesten verlaufenden Wärmeaustausch um so ferner stehen würde.
• Die Zeichnung zeigt ein iVusführungsbeispiel.

Fig. 1 ist ein Schema eines Teiles einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gasverflüssigungsanlage;

Fig. 2 veranschaulicht dieselbe Anlage in einer anderen Schaltstellung der Teile.
- Das zu reinigende und zu verflüssigende Gas (Hochdruckgas), z. B. Wasserstoff, kommt unter einer Temperatur von beispielsweise 80° K und 3 ata in einer ersten Phase durch Leitungen 11, 12 und durchströmt darauf den ersten " (Primär-) Kanal 13 eines Wärmeaustauschers 14, in dem es bei gleichem Druck auf etwa 25° K gekühlt wird. Darauf gelangt es 'über eine ein Absperrorgan 4 enthaltende Leitung ■15 und eine Leitung 16 sowie über weitere, nicht dargestellte "Glieder der Anlage in eine ebenfalls nicht gezeichnete Rektifizierkolonne, in deren Stoff austauschkanälen das Gas aufwärts strömt und zwecks Anreicherung von deut'eriumhaltigem Wasserstoff mit abwärts fließendem flüssigem Wasserstoff in Stoffaustausch steht. Aus dem oberen Dampfsammeiraum der Rektifizierkolonne wird ein dampfförmiger, unter einer Temperatur von z. B. 23° K und einem Druck von z. B. 2 ata stehender Anteil über eine Leitung 17, ein Dreiwegeorgan 1 und weitere Leitungen 18, 19,

21 durch den zweiten (Sekundär-) Kanal 22 des Wärmeaustauschers 14 geleitet, wo das Medium in Wärmeaustausch mit dem durch den Primärkanal 13 strömenden Rohwasserstoff gebracht ist. Hierbei wird

ίο es bei gleichem Druck auf etwa 75° K erwärmt. Das kühlende, im Sekundärkanal 22 befindliche Medium bringt die in dem Rohwasserstoff enthaltene Verunreinigung, z. B. Stickstoff, in dem Primärkanal 13 zum Ausfrieren; die Verunreinigung sammelt sich in erstarrter Form außen an dem z. B. als Rohrschlange ausgebildeten Sekundärkanal 22. Nach Durchsetzen des Kanals 22 gelangt das kühlende Medium über eine Leitung 23 zu einer Abzweigstelle 24.

Von hier strömt ein Teil durch eine ein Drosseiao organ 6 aufweisende Leitung 25. 26 weiter; er kann nach Kondensation wieder der Rektifizierkolonne als in ihr abwärts strömende Flüssigkeit (Rücklauf) zugeführt werden. Der Druck in Leitung 25, 26 ist um einige Zehntel Atmosphären niedriger als in Kanal 22. Der andere Teil wird von der Stelle 24 über Leitung

27 in den Sekundärkanal 28 eines Wärmeaustauschers 29 geführt, aus dem er über Leitungen 31, 32, ein Dreiwegeorgan 7, eine ein Drosselorgan 8 enthaltende Leitung 33 in Leitung 26 geführt wird und derselben Behandlung unterzogen wird wie der aus Leitung 25 kommende Anteil. Die Organe 7, 8 bilden Aufwärmorgane, weil durch sie jeweils der das Abtauen oder Aufwärmen des einen Wärmeaustauschers verursachende, bei 24 abzweigende Anteil des Mediums strömt.

Das kühlende, das Ausfrieren verursachende Medium in Leitung 21, dessen Temperatur beim Einleiten in den Austauscher 14 tiefer, z. B. um 40° tiefer als die Schmelztemperatur (z. B. bei Stickstoff 63° K) der auszufrierenden Verunreinigung liegt, wird — während des Ausfrier ens im Sekundärkanal

22 durch den Rohwasserstoff und seine Verunreinigung — auf eine Temperatur erwärmt, die tiefer, z. B. um 10° tiefer als der Taupunkt der Verunreinigung (bei Stickstoff z.B. 77° K), jedoch höher als ihr Schmelzpunkt liegt. Der durch Leitung 27 geführte Anteil ist also in der Lage, die während der vorherigen. Phase im Primärkanal 35 des Austauschers 29 angesammelte, in erstarrter Form außen an der Rohrschlange 28 anhaftende Verunreinigung abzutauen, die sich in flüssiger Form unten im Kanal

35 sammelt. Die flüssige Verunreinigung kann dann über eine ein Ventil· 51 enthaltende Entnahmeleitung

36 abgeführt und aus der Anlage entfernt werden.

Nach dem in der ersten Phase vor sich gehenden, oben beschriebenen Abtauen des Austauschers 29 und nach dem vollständigen Entfernen der abgetauten Verunreinigung aus Kanal 35 wird ein Drosselorgan 2 geöffnet und ' der Durchlaßquerschnitt des Drosselorgans 6 auf größer eingestellt (Fig. 2). Nunmehr wird ein Teil des über Leitung 17 zugeführten Niederdruckgases "— und zwar ein im Vergleich zu dem durch Leitung 18 strömenden Anteil kleinerer Teil — über eine Leitung 37, ein Dreiwegeoorgan 3, ferner über· Leitungen 38, 39, 31 durch den Sekundärkanal

28 des Wärmeaustauschers 29 geleitet. Darauf gelangt dieser Anteil über Leitung. 27 und Zweigstelle 24 in die'Leitung 25, 26. Der Wärmeaustauscher 29 wird dadurch vorgekühlt und für die folgende Phase, die für ihn Arbeitsphase ist, vorbereitet. Die Organe 2, 3

bilden Vorkühlorgane, da durch sie jeweils der zum Vorkühlen benutzte Anteil des die Leitung 17 durchströmenden Mediums geleitet wird.

Nach einer gewissen Zeit wird das Dreiwegeorganl in die Leitungen 17, 41 verbindende und Organ 7 in die Leitungen 42, 33 verbindende Stellung gebracht. Ferner werden der Durchlaß querschnitt von Organ 6 wieder auf den früheren, kleineren Betrag eingestellt, Organ 5 geöffnet und die Organe 2, 4 geschlossen.

Die zweite Phase wird dann eingeleitet. Der zu reinigende Rohwasserstoff, also das Hochdruckgas, strömt aus Leitung 11 über Leitung 43 durch den Primärkanal 35 des Austauschers 29 und diarauf über Leitungen 44 und 45 der weiteren Behandlung zu. Das kühlende Medium (Niederdruckgas) strömt aus Leitung 17 über die Leitungen 41, 39, 31, ferner durch den Sekundärkanal 28 des Austauschers 29, darauf über die Leitungen 27, 25, 26 wieder in die Rektinzierkolonne. Bei 24 zweigt ein Anteil des Niederdruckgases ab und strömt über Leitung 23 in den Sekundärkanal 22 des Austauschers 14 und darauf über Leitungen 21, 42, 33 in Leitung 26. In dieser Phase wird die Verunreinigung des Hoehdruckgases im Austauscher 29 ausgefroren, und das dabei erwärmte, durch Kanal 28 strömende Medium wird zum Abtauen des Wärmeaustauschers 14 verwendet.

Wenn der Austauscher 29 durch die ausgefrorene Verunreinigung verstopft ist oder die wirksamen Wärmeaustauschflächen zu klein geworden sind und wenn außerdem die im Kanal 13 abgetaute Flüssigkeit über Leitung 47 und das zugehörige Entnahmeventil 52 abgeführt ist, wird das Organ 2 geöffnet und das Dreiwegeorgan 3 in die die Leitungen 37, 48 verbindende Stellung gebracht; ferner wird der Durchlaßquerschnitt des Drosselorgans 6 wieder auf den größeren Betrag gebracht. Nunmehr strömt ein Teil, und zwar ein relativ geringer Teil, des über Leitung 17 kommenden kühlenden Mediums über die Leitungen 37, 48, 19, 21 durch den Kanal 22 des Austauschers 14 und hierauf über Leitungen 23, 25, 26 weiter. Der Austauscher 14 wird dadurch vorgekühlt und für die nächste Phase vorbereitet, in. der er aufs neue arbeitet, während der Austauscher 29 wieder abgetaut wird.

Gegebenenfalls kann zwischen die Vorkühlperiode etwa gemäß Fig. 2 und die folgende Arbeitsp'hase, in welcher der Austauscher 14 abgetaut wird, eine vorübergehende, zeitlich beschränkte Zwischen>ausfrierperiode eingeschaltet sein, während der die beiden Wärmeaustauscher 14, 29 wie in der Voritühlperiode so parallel zueinander in die Zuführungsleitung 17 für das Niederdruckgas eingeschaltet sind — und zwar mit ihren Sekundärkanälen 22, 28 — und in der die beiden Primärkanäle 13,- 35 parallel zueinander in die Rohgaszuführungsleitung 11 eingeschaltet sind, so daß in beiden Wärmeaustauschern gleichzeitig Verunreinigungen ausgefroren werden. Diese Zwischenausfrierperiode kann nur beschränkte Zeit durchgeführt werden, und zwar deshalb, weil die beiden Wärmeaustauscher bei Übergang auf die nächste Arbeitsphase nur bis zu einem gewissen Grad durch ausgefrorene Komponenten verunreinigt sein dürfen. In der Zeit nämlich, während der der eine Austauscher im Verlauf der auf eine etwaige Zwiscihenausfrierperiode folgenden Arbeitsphase abgetaut wird, e₅ muß der andere Wärmeaustauscher noch in der Lage sein, eine genügende Menge auszufrierender Verunreinigung aufzunehmen. Dieser andere Wärmeaustauscher darf demnach beim Übergang von der Zwischenausfrierperiode auf die nächste Arbeitsphase noch nicht durch -ausgefrorene Verunreinigung völlig verstopft und damit arbeitsunfähig sein.

Das Drosselorgan 6 hat zweifache Funktion. Einerseits läßt es sich innerhalb einer Arbeitsphase auf einen für den aus Leitung 23 bzw. 27 kommenden Anteil geeigneten geringeren Durchlaßquerschnitt und während der zwischen zwei Arbeitsphasen liegenden Zeit der Vorkühlung des abgetauten Austauschers auf einen der aus Leitungen 23 und 27 gemeinsam kommenden Menge entsprechenden größeren Durchlaßquerschnitt einstellen. Hierdurch kann der Druck in den Leitungen 25, 26 und den folgenden Gliedern der Anlage sowohl während der normalen Arbeitsphasen wie während der Vorkühlzeiten konstant gehalten werden. Andererseits kann durch das Organ 6 die über Leitung 17 in der Zeiteinheit zugeführte und über Leitung 26 abgeführte Gesamtmenge geregelt werden, die um so größer sein muß, je größer die über die Leitung 11 zugeführte Rohgasmenge in der Zeiteinheit ist, die gereinigt werden soll. Der während der jeweligen Vorkühlperiode über den vorzukühlenden Wärmeaustauscher zu leitende Anteil des aus Leitung 17 kommenden kühlenden Mediums wird in der Regel gegenüber dem das Ausfrieren in dem anderen Wärmeaustauscher verursachenden Anteil klein sein. Das Verhältnis beider Anteile läßt sich während der Vorkühlperioden durch Einstellen des Durchlaßquerschnitts von Organ 2 regulieren.

Gegebenenfalls können auch die Leitungen 12, 43 je ein Absperrorgan enthalten, das an die Stelle des Organs 4 bzw. 5 treten oder zusätzlich zu diesen Organen eingebaut sein kann. Ferner können an den Abzweigstellen 55, 56 Dreiwegeorgane eingebaut sein, durch die die Organe 4, 5 sowie die in den Leitungen 12, 43 gegebenenfalls angeordneten Organe teilweise oder sämtlich ersetzt sein können.

Im Gegensatz etwa zu der Schaltphase nach Fig. i wird bei den obenerwähnten bekannten Verfahren und Vorrichtungen das aus Leitung 11 kommende Rohgas in der einen Phase zuerst über Leitung 43 und Kanal 35 geleitet; durch das warme Rohgas wird die im Kanal 35 selbst befindliche Verunreinigung abgetaut. Das Rohgas strömt dann über die Leitungen 44, 15 in den in Hintereinanderschaltung zu Kanal 35 liegenden Kanal 13 des Austauschers 14 und darauf über eine der Leitung 16 entsprechende Leitung der weiteren Behandlung zu. In der zweiten Phase durchströmt das Rohgas umgekehrt zuerst den Kanal 13 des Austauschers 14 und darauf den Kanal 35 des Austauschers 29. Durch das wärme Rohgas wird jeweils der zuerst durchströmte Wärmeaustauscher abgetaut; im folgenden Wärmeaustauscher werden die Verunreinigungen aus dem Rohgas ausgefroren. Das Rohgas durchströmt jedoch zwecks Abtauens jeweils denjenigen Austauscherkanal, in dem sich unmittelbar die Verunreinigung in erstarrter Form befindet. Ein Teil der abgetauten Verunreinigung verdampft dabei wieder und tritt mit dem Rohgas aus dem einen Wärmeaustauscher in den anderen über, in dem er aufs neue ausgefroren wird. In der nächsten Phase tritt ein ähnlicher Anteil der Verunreinigung aus dem anderen in den ersten Wärmeaustauscher zurück usw.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reinigen von Gas durch Ausfrieren der Verunreinigung in zwei Wärmeaustauschern, wobei in einer ersten Phase der eine Wärmeaustauscher arbeitet, der andere abgetaut wird und in einer zweiten Phase die Wärmeaustauscher umgekehrt geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,

daß das zu reinigende Gas (11) in beiden Phasen jeweils nur den arbeitenden Wärmeaustauscher durchströmt, während kühlendes, den arbeitenden Wärmeaustauscher ebenfalls durchströmendes Medium (17) in beiden Phasen nach Durohströmen des arbeitenden Wärmeaustauschers zum Abtauen des anderen Wärmeaustauschers durch den die ausgefrorene Verunreinigung nicht enthaltenden Kanal des anderen Wärmeaustauschers geleitet wird. ίο

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtauen des nicht arbeitenden Wärmeaustauschers jeweils nur ein Teil des den arbeitenden Wärmeaustauscher kühlenden und dadurch in ihm erwärmten Mediums (17) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende beider Phasen der abgetaute Wärmeaustauscher vor dem Umschalten der Wärmeaustauscher (14, 29) parallel zu dem ao arbeitenden Wärmeaustauscher in die Zuführung«-

leitung (17) für das kühlende Medium geschaltet und auf diese Weise vorgekühlt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden mit zwei wechselweise jeweils auf Ausfrieren und Abtauen schaltbaren AYärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Kanäle (Primärkanäle 22, 28) der Wärmeaustauscher (14, 29) wahlweise in beiden Reihenfolgen hintereinander schaltbar und in beiden Hintereinanderschaltungen an eine Zuführungsleitung· (17) für kühlendes Medium angeschlossen sind, während an eine Zuführungsleitung (11) für das zu reinigende Gas jeweils lediglich der zweite Kanal (Sekundärkanal 13, 35) des — in Strörmingsrichtung des kühlenden Mediums —■ vorgeschalteten Wärmeaustauschers angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 018 440.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen