DE1068282B - Kälteisolationsanotdnung bei technischen Großapparaturen für bei tiefen Temperaturen durchzuführende Verfahren - Google Patents

Kälteisolationsanotdnung bei technischen Großapparaturen für bei tiefen Temperaturen durchzuführende Verfahren

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DE1068282B DE1958G0025052 DEG0025052A DE1068282B DE 1068282 B DE1068282 B DE 1068282B DE 1958G0025052 DE1958G0025052 DE 1958G0025052 DE G0025052 A DEG0025052 A DE G0025052A DE 1068282 B DE1068282 B DE 1068282B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kälteisolation bei technischen Großapparaturen für bei tiefen Temperaturen durchzuführende Verfahren, vorzugsweise der Gasverflüssigung und/oder Gastrennung, und zwar beschäftigt sich die Erfindung in erster Linie mit solchen Temperaturbereichen, die unterhalb der Kondensationstemperatur des Stickstoffs liegen. Bei Atmosphärendruck beträgt diese 77,4° K, d. h., die Erfindung betrifft in erster Linie Isolationsanordnungen zur Ummantelung- von Apparateteilen eines Temperaturbereiches von unterhalb ungefähr 78° K.
Die Erfindung betrifft daher vor allem Apparate, in denen sich flüssiger Wasserstoff oder ähnlich kalte Flüssigkeiten, wie z. B. flüssiges Helium, Neon oder deren Gemische befinden.
Bei Laboratoriumsgrößenverhältnissen wurde die Kälteisolation bisher im allgemeinen durch Anordnung der Apparatur im Vakuum, insbesondere Hochvakuum, bewirkt. Bei industriellen Anlagen, die über Laboratoriumsgrößen hinausgehen, entstehen jedoch ao erhebliche Schwierigkeiten, einen die ganze Anlage umgebenden Mantel herzustellen, welcher überall vakuumdicht schließt. Schon bei Abmessungen von etwa 4 bis 5 m Höhe bzw. Breite besitzt der Aufwand zur Erzielung eines einwandfreien Vakuums bzw. einer einwandfreien vakuumdichten Umhüllung erhebliche Schwierigkeiten. Die Schwierigkeiten wachsen, wenn man zur Ersparnis eines unnötigen Materialaufwandes von der Zylinderform des Umhüllungsmantels abweicht und ihm eine sich nach oben bzw. unten verjungende Gestalt gibt.
Bekannte Lösungen zur Bewältigung des gestellten Isolationsproblems bestehen darin, eine mit flüssigem Wasserstoff arbeitende Tieftemperaturanlage mit zwei aufeinandergesetzten verschiedenen zylindrischen Manteln zu umgeben. Solche Vorschläge sind insbesondere für eine Gaszerlegungsanlage bekanntgeworden, die zur Abtrennung von Deuterium aus flüssigem Wasserstoff dienen soll. Dabei ist der untere Teil der eigentlichen Rektifikationssäulenanordnung zusammen mit den übrigen bei den genannten tiefen Temperaturen arbeitenden Teilen der Anlage mit einem gemeinsamen Zylindermantel umgeben, welcher feuchtigkeitsdicht allseitig geschlossen und innen mit gasförmigem Wasserstoff gefüllt ist. Durch die Decke dieses Zylindermantels ist oben der obere Teil der Rektifiziersäulenanordnung hindurchgeführt und mit einem zweiten Zylinder geringeren Durchmessers umgeben, welcher auf den darunter befindlichen Isoliermantel aufgesetzt ist. Der obere Zylinder ist vakuumdicht geschlossen und innen evakuiert. Diese Anordnung hat jedoch den großen Nachteil, daß in der Stoßstelle der beiden Ummantelungen erhebliche Wärmeleitungen und infolgedessen Kälteverluste auftreten.
Kalt eis olations anordnung
bei technischen Großapparaturen
für bei tiefen Temperaturen
durchzuführende Verfahren
Anmelder:
Gesellschaft für Linde's Eismaschinen
Aktiengesellschaft,
Zweigniederlassung Höllriegelskreuth,
Höllriegelskreuth bei München
Dr.-Ing. Alfons Sellmaier, München,
ist als Erfinder genannt worden
Die dem Problem zugrunde liegende Schwierigkeit besteht darin, daß es nicht möglich ist, bei so tiefen Temperaturen Stickstoff als Isolieratmosphäre zu verwenden. Die Isolation mit Wasserstoff allein ist jedoch nicht ausreichend, besonders für die kälteren Teile der Anlage in den oberen Teilen der Rektifizierkolonne. Aus diesem Grunde wurde auch dieser Teil der bekannten Anlage mit einem Vakuummantel versehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das gestellte Isolationsproblem einen anderen Lösungsweg zu finden, wobei auf jeden Fall eine Stoß stelle zwischen zwei verschiedenen aneinandergesetzten Isolationsmänteln vermieden werden soll.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe gelöst durch Ineinanderanordnung zweier Isoliermäntel, die beide gemeinsam die wichtigsten, vorzugsweise sämtliche unterhalb der Kondensationstemperatur des Stickstoffs arbeitenden Apparateteile der Anlage umgeben und von denen der Außenmantel mindestens einige, vorzugsweise alle übrigen Apparateteile umgibt, welche bei höheren Temperaturen, gegebenenfalls jedoch immer noch unter 0° C, arbeiten, wobei der Innenmantel mit gasförmigem Wasserstoff und der Außenmantel mit gasförmigem Stickstoff gefüllt ist.
Zur eigentlichen Kälteisolation ist jeder Mantel innen in an sich bekannter Weise mit gebräuchlichen Isoliermaterialien, wie Schlackenwolle, Glaswolle, Ge-
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spinsten aus Polymerisationsprodukten, wie ζ. Β. Polystyrol, Asbest oder ähnlichen, gegebenenfalls mindestens teilweise pulverförmigen Isolierstoffen gefüllt.
An Stelle der genannten Gase — Wasserstoff und Stickstoff — können auch andere Gase oder Gasgemische Verwendung finden, welche bei den in den Zwischenräumen des Isoliermaterials vorhandenen Temperaturen nicht kondensieren. So kann beispielsweise mindestens der Innenmantel statt oder außer Wasserstoff auch Helium, Neon od. dgl. oder deren Gemische enthalten. Sofern Innen- und Außenmantel verschiedene Gase enthalten, ist die Bedingung zu erfüllen, daß die Gasfüllungen des Innen- und des Außenmantels zusammen keine explosiblen Gemenge bilden. So kann beispielsweise, bei Abwesenheit von Wasserstoff im inneren Mantel, außen Luft oder ein anderes, sauerstoffenthaltendes Gasgemisch verwendet werden.
Zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre in den beiden Mänteln wird gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens der innere Mantel aus einem kaltzähen Material, insbesondere kaltzähen Metall, z. B. Aluminium oder einem entsprechenden Stahl, z. B. V2A-Stahl oder einem vergüteten Stahl oder auch Kupfer, ausgeführt und überall gasdicht verschweißt. Die notwendigen öffnungen zum Durchtritt zwischen beiden Mänteln sind mit gedrehten und/oder geschliffenen Flanschen ausgeführt, auf die die Verschlüsse genauestens aufgepaßt sind. Beim äußeren Mantel sind die Verschlüsse zumindest in bekannter Weise mit Gummiabdichtungen versehen.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens wird im Innenraum ein kleiner Überdruck gegenüber dem Außenraum erzeugt, um das Eintreten von kondensierbarem Gas bei Undichtigkeiten in den Innenraum zu verhindern. Zur Aufrechterhaltung dieses Überdruckes wird der Druck des Innenraumes und des Außenraumes geregelt. Da zumindest im inneren Mantel — bis zu einem gewissen Grade aber auch im äußeren — ein vertikaler Temperaturgradient vorhanden ist, zumindest dann, wenn im Mittelteil eine Rektifiziersäulenanordnung befindlich ist, die beispielsweise zur Deuteriumerzeugung dient, herrschen in verschiedenen Höhen verschiedene Druckunterschiede zwischen der inneren und der äußeren Umhüllung. Der Überdruck muß daher so geregelt sein, daß an jeder Stelle des Innenraumes ein Überdruck gegenüber dem Druck im Außenraum entsteht. Zweckmäßigerweise befindet sich der Außenraum seinerseits auf einem etwas höheren Druck als Atmosphärendruck. Bei dem genannten Beispiel von Innenfüllung mit Wasserstoff und Außenfüllung mit Stickstoff genügt eine Druckdifferenz von etwa 50 bis 300 mm Wassersäule zwischen Innen- und Außendruck und von etwa 100 bis 200 mm Wassersäule Außendruck und Atmosphärendruck.
Zur Druckregulierung befinden sich in jedem Mantel an geeigneten Stellen, z. B. oben und unten, je eine Ein- bzw. Auslaßöffnung. Bei gleichzeitiger Regelung von Ein- und Auslaß ergibt sich eine bestimmte Strömungsrichtung. Diese kann nach Bedarf entweder so gewählt sein, daß sie in Richtung des in dem ihr zugeordneten Mantel bestehenden Druckgefälles oder umgekehrt verläuft.
Das Nachfüllen der erforderlichen Gasmengen zum Ausgleich der Verluste kann entweder nach Bedarf oder in bestimmtem Rhythmus, gegebenenfalls kontinuierlich, erfolgen. Im letztgenannten Falle wird eine gewisse ständige Durchströmung aufrechterhalten.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Wärmeisolierung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.
1 bedeutet eine dreistufige Rektifizierkolonne für flüssigen Wasserstoff, in der Deuterium abgeschieden werden soll. Diese Kolonne ist erfindungsgemäß von zwei ineinandergestülpten Mänteln 2 und 3 umgeben. Beide sind oben und unten zylindrisch ausgeführt und weisen je etwa in der Mitte eine sich verjüngende Übergangszone auf. In den auf diese Weise geschaffenen beiden Isolierräumen sind noch verschiedene andere Hilfsapparate angeordnet, von denen im Innenraum eine Hilfssäule 4 und im Außenraum eine Regeneratoranordnung 5 schematisch angedeutet sind. Jeder Raum ist innen mit Schlackenwolle ausgestopft. Im Innenraum befindet sich gasförmiger Wasserstoff mit einem Druck pi; im Außenraum befindet sich gasförmiger reiner Stickstoff vom Druck pa. Bezeichnet man den Druck der umgebenden Luftatmosphäre mit p0, so soll die Bedingung pi^>pa^>p0 erfüllt sein. Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Drücke sind in den Eingängen zu den beiden Isolierräumen von Hand oder selbsttätig zu betätigende Druckminderventile 6 und 7 vorgesehen, während in den Ausgängen Überströmventile 8 und 9 angeordnet sind. Der Wasserstoff strömt bei 6 von oben ein und entströmt unten bei 9, während der Stickstoff unten bei 7 einströmt und oben bei 8 wieder ausströmt.
Der innere Isolierraum ist unten mit einem wärmeisolierenden Boden 10 untermauert, welcher unten durch eine Metallplatte 11 abgeschlossen ist, die mit dem Mantel 2 verschweißt ist, so daß der innere Isolierraum vollständig von allen Seiten ummantelt ist.
Grundsätzlich könnte in derselben Weise auch der äußere Isolierraum ausgebildet sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel genügt es jedoch, daß die Metallplatte 11 so groß ist, daß sie gleichzeitig auch den äußeren Isolierraum mitabdeckt, wobei der äußere Mantel 3 auf sie unten aufgeflanscht ist. Die ganze Anordnung steht in an sich bekannter Weise auf einem Betonfundament 12, in das zur Minderung des Wärmegradienten in unmittelbarer Nähe der Isolieranordnung eine wärmeisolierende Mauerschicht 13 angeordnet ist.
Der äußere Mantel 3 ist in an sich bekannter Weise ausgeführt und besteht aus Kupfer, V2A-Stahl oder einem vergüteten kaltzähen Stahl.
Der Innenmantel besteht aus Aluminium oder ebenfalls einem vergüteten kaltzähen Stahl und ist aus mehreren Schüssen zusammengesetzt. Die einzelnen Schüsse werden an Ort und Stelle montiert und verschweißt. Dabei ist es notwendig, die Schweißnähte hinterher einer Entspannungsbehandlung zu unterwerfen.
Vor dem Verschweißen werden die einzelnen Schüsse montiert und durch geeignete Flansche 14 und 14', 15 und 15' usw. miteinander verschraubt. Zum Schluß werden auf die einzelnen Stoßstellen, sowohl die vertikalen als auch die horizontalen ringförmigen, von außen noch Streifen bzw. Ringe aus einem bei tiefen Temperaturen besonders kerbschlagzähen Material, wie vor allem Kupfer 16,17 usw., aufgesetzt, welche gegebenenfalls mit geeigneten Sicken versehen sind, um bei den bei den verschiedenen Abkühlungstemperaturen des Mantels 2 auftretenden Spannungen nachgeben zu können. Die Blechstreifen 16,17 usw. werden an ihren Rändern mit den umgebenden Mantelteilen verschweißt. Da die aufgesetzten Deckstreifen verhältnismäßig dünn im Vergleich mit der Mantelstärke sind, ergibt sich hier-
durch eine besonders einfache und spannungsfreie Montage.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Kälteisolation bei technischen Großapparaturen für bei tiefen Temperaturen, vorzugsweise unterhalb der Kondensationstemperatur des Stickstoffs, durchzuführende Verfahren, vorzugsweise der Gasverflüssigung und/oder Gastrennung, beispielsweise zur Gewinnung von Deuterium durch Tieftemperaturrektifikation des Wasserstoffs, gekennzeichnet durch Ineinanderanordnung mindestens zweier Isoliermäntel, die beide gemeinsam die wichtigsten, vorzugsweise sämtliche, unterhalb der Kondensationstemperatur des Stickstoffs arbeitenden Apparateteile der Anlage umgeben und von denen der Außenmantel mindestens einige, vorzugsweise alle übrigen Apparateteile umgibt, welche bei höheren Temperaturen, gegebenenfalls jedoch immer noch unter 0° C, arbeiten, wobei der Innenmantel mit einem bei tieferer Temperatur als Stickstoff siedenden Gas gefüllt ist, während der Außenmantel ein gasförmiges Medium möglichst schlechter Wärmeleitungsfähigkeit mit einem höheren Siedepunkt enthält.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der innere Mantel, vorzugsweise jeder Mantel, in an sich bekannter Weise mit gebräuchlichen Isoliermaterialien, wie Schlackenwolle, Glaswolle, Gespinsten aus Polymerisationsprodukten, z. B. Polystyrol, Asbest oder ähnlichen, gegebenenfalls mindestens teilweise pulverförmigen Isolierstoffen gefüllt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllungen des Innen- und des Außenmantels zusammen keine explosiblen Gemenge bilden.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel mit Wasserstoff, Helium, Neon oder deren Gemischen gefüllt ist, während der Außenmantel vorzugsweise Stickstoff oder Luft enthält.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der innere Mantel aus einem kaltzähen Material, insbesondere kaltzähen Metall, z. B. Aluminium oder einem entsprechenden Stahl, insbesondere V2A-Stahl oder einem vergüteten Stahl oder auch Kupfer, ausgeführt und überall gasdicht verschweißt ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Öffnungen zum Durchtritt zwischen beiden Mänteln mit gedrehten und/oder geschliffenen bzw. andersartig bearbeiteten Flanschen ausgeführt sind, auf die die Verschlüsse genauestens aufgepaßt sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Isolierraum unten mit einem wärmeisolierenden Boden verschlossen, vorzugsweise untermauert, ist, welcher unten durch eine Metallplatte abgeschlossen ist, die mit dem äußeren Mantel verschweißt ist.
8. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der innere, aus einzelnen Schüssen bestehende Mantel zunächst durch Aufeinandersetzen der einzelnen Schüsse montiert wird, worauf die mit geeigneten Laschen und/oder Flanschen versehenen Schüsse miteinander verbunden, z. B. verschraubt werden und auf die einzelnen Stoßstellen — sowohl die vertikalen als auch die horizontalen — von außen und/oder innen Streifen bzw. Ringe aus einem bei tiefen Temperaturen kerbschlagzähen Material, z. B. Kupfer, aufgesetzt werden, welche mit geeigneten Sicken versehen sind und an ihren Rändern mit den umgebenden Mantelteilen verschweißt werden.
9. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenmantel gegenüber dem Außenmantel ein gewisser Überdruck bei ständiger oder zeitweiliger Strömung jedes Schutzgases durch den zugehörigen Mantelraum aufrechterhalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über Regelventile ein derartiger Überdruck des Innenraumes über den Außenraum und zweckmäßig auch des Außenraumes gegenüber dem umgebenden Atmosphärendruck aufrechterhalten wird, daß an jeder Stelle des Innenraumes ein Überdruck gegenüber dem Druck im Außenraum herrscht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 909· 647/79 10.59
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