DE1068735B

DE1068735B - Verfaihren zur Reinigung eines Gases durch Kälte

Info

Publication number: DE1068735B
Application number: DE1958C0016663
Authority: DE
Inventors: Clamart Seine Leon Stouls Paris Henri Bonnaud Viroflay Seine-et-Oise und Guy Simonet Joinville-le-Pont Seine Rodolphe Spöndlin (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1954-08-06
Filing date: 1958-04-16
Publication date: 1959-11-12
Also published as: BE539946A; GB851190A; FR1111083A; DE1018440B; BE566275A; BE566274A; FR71483E; GB774255A; NL101751C; US2917902A; FR71277E; NL107694C; CH391662A; FR67968E

Description

DEUTSCHES

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Verfahren zur Reinigung eines Gases durch Kälte, welches bei niedriger Temperatur, z. B. in einer Anlage zur Trennung der Gase durch Verflüssigung und Rektifikation behandelt werden soll. Dieses Verfahren arbeitet mit periodischer Umschaltung der Gasströme, wobei das zu behandelnde Gas unter Druck in eine Abteilung eines Temperaturaustauschers eintritt, in welcher es gekühlt wird und seine Verunreinigungen abgibt, während wenigstens ein Teil des behandelten Gases, das Spülgas, unter einem geringeren Druck in eine andere Austauscherabteilung gelangt, in welcher es sich erwärmt und dSe während einer vorhergehenden Betriebsperiode abgelagerten Verunreinigungen verdampft.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas nacheinander im Gegenström mit sich selbst in die beiden Abteilungen eines ersten Austauschers geleitet wird, daß es zwischen seinen beiden Durchgängen durch eine äußere Kältezufuhr gekühlt wird und daß es anschließend in eine der Abteilungen eines zweiten, dem ersten Austauscher gleichen Austauschers im Gegenstrom zu dem Spülgas geleitet wird, wobei die Kältezufuhr und die Kenngrößen der Austauscher so gewählt sind, daß die Temperatur des zu behandelnden Gases am Ausgang des kalten Endes des ersten Austauschers kleiner als die des Spülgases am Eingang des kalten Endes des zweiten Austauschers ist. Bei diesem Verfahren wird das zu behandelnde Gas zweckmäßig bei seinem Austritt aus dem ersten Austauscher und vor seinem Eintritt in den zweiten Austauscher durch Wärmeaustausch mit einem Flüssigkeitsbad, welches sich mit seinem Dampf unter einem konstanten Druck im Gleichgewicht befindet, erwärmt, um den Unterschied zu dem warmen Ende des ersten Austauschers auszugleichen und so an dem warmen Ende des zweiten Austauschers eine Spültemperatur zu erhalten, welche wenigstens gleich der Ablagerungstemperatur der Verunreinigungen ist.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung des Hauptpatents dar, welche eine sehr weitgetriebene Reinigung des zu behandelnden Gases durch Adsorption der restlichen Verunreinigungen ermöglicht.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Reinigung eines aus einem Austauscher und Reiniger austretenden Gases dadurch zu vervollständigen, daß das Gas durch eine adsorbierende Masse mit einer Temperatur geleitet wird, welche in der Nähe der Temperatur des kalten Endes des Austauschers und Reinigers liegt. Die Regenerierung der adsorbierenden Masse erfordert jedoch die Erwärmung derselben auf eine in der Nähe der Raumtemperatur liegende Temperatur, was um so größere Kälteverluste zur Folge hat, je niedriger die Adsorptionstemperatur ist. Diese Verluste sind besonders bei der Reinigung von als Hauptverun-Verfahren zur Reinigung
eines Gases durch Kälte

Zusatz zum Patent 1 018 440

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique,
Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. E. F. Eitner, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 8

Beanspruchte Ptiorität:
Frankreich vom 19. April 1957

Rodolphe Spöndlin, Clamart, Seine,

Leon Stouls, Paris,

Henri Bonnaud, Viroflay, Seine-et-Oise,
und Guy Simonet, Joinville-le-Pont, Seine

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

reinigung Stickstoff enthaltendem Wasserstoff sehr groß.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung des obigen Nachteils. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas nach seinem Durchgang durch die beiden Abteilungen des ersten Austauschers und seiner Erwärmung in dem Flüssigkeitsbad durch eine der adsorbierenden Massen eines Adsorptionsapparats mit periodischer Umschaltung strömt, so daß die restlichen Verunreinigungen durch Adsorption bei einer Temperatur zurückgehalten werden, welche in der Nähe der Temperatur seines Eintritts in den ersten Austauscher liegt, und vor seinem Eintritt in den zweiten Austauscher in dem Flüssigkeitsbad abgekühlt wird. Hierdurch erfolgt die Reinigung durch Adsorption an einem Gas, welches bereits von dem größten Teil seiner Verunreinigungen durch Abkühlung befreit ist, aber wieder auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur gekommen ist. Ferner kann die die Adsorption begleitende Wärmeentwicklung nicht das thermische Gleichgewicht des zweiten Austauschers stören, da der wiederholte Wärmeaustausch mit dem Flüssigkeitsbad die Eintrittstemperatur in diesen Austauscher festlegt.

909 648/76

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert, deren einzige Abbildung eine Anlage darstellt, von welcher angenommen ist, daß es sich um die Reinigung von kleine Mengen Stickstoff enthaltendem Wasserstoff für eine Fabrikation von Deuterium durch Verflüssigung und Rektifikation des Wasserstoffs handelt.

Der Reinigungsapparat enthält zwei Hauptaustauscher 1 und 2 z. B. der Hampson-Bauart und zwei Adsorptionspatronen 16 und 17, deren Hülle den Druck (30 Atmosphären) des zu behandelnden Wasserstoffs aushalten kann, sowie ein- flüssiges Stickstoffbad 14, welches sich mit seinem Dampf bei etwa 63° K unter vermindertem Druck im Gleichgewicht befindet, und in welches zwei Rohrschlangen 13 und 31 eintauchen, ig

Der etwa 2^fl/o Stickstoff enthaltende verunreinigte Wasserstoff kommt unter Druck (30 Atmosphären) durch das Rohr 3 an. In einer gegebenen Umschaltperiode der Austauscher ist das Ventil 4 offen, und die Ventile 5 und 6 sind geschlossen. Der verunreinigte Wasserstoff gelangt somit durch das Rohr 7 in den Raum zwischen dem Mantel und den Rohren des Hauptaustauscher 1, wo er sich abkühlt und den größten Teil seiner Verunreinigungen in festem Zustand absetzt, so daß sein Reststickstoffgehalt größenordnungsmäßig 0,01 °/o beträgt. Hierauf gelangt er bei geöffnetem Ventil 8 und geschlossenem Ventil 9 in die Rohrschlange 10, welche in ein flüssiges Wasserstoffbad taucht, welches unter einer Atmosphäre bei etwa 20° K siedet. Wenn das Ventil 11 geschlossen ist, gelangt er in die Rohre des Austauschers 1 im Gegenstrom zu sich selbst, wobei er sich bis auf eine in der Nähe seiner Eingangstemperatur liegende Temperatur erwärmt. Hierauf gelangt er durch das Rohr 12 in eine Rohrschlange 13, welche in das flüssige Stickstoffbad 14 eintaucht, welches sich mit seinem Dampf bei 63° K unter vermindertem Druck (9 cm Hg) im Gleichgewicht befindet, wo er sich auf diese Temperatur erwärmt. Diese vor dem Adsorptionsapparat angeordnete Rohrschlange 13 ist zu der hinter diesem Apparat angeordneten Rohrschlange 31 symmetrisch, was die Umschaltung der Austauscher 1 und 2 ohne Beeinträchtigung der Adsorption ermöglicht. Der zu behandelnde Wasserstoff gelangt anschließend durch das Rohr 15 zu dem Adsorptionsapparat, welcher durch zwei Patronen gebildet wird, deren adsorbierender Stoff z. B. ein Kieselerdegel oder eine aktive Kohle ist. Der Durchgang der zu reinigenden Gase durch dtie eine oder die andere Adsorptionspatrone wird durch eine Vorrichtung geregelt, welche gestattet, sie stets in dem gleichen Sinn durch die Patronen zu leiten. Der größte Teil der Verunreinigungen wird nämlich in dem Teil des adsorbierenden Stoffs adsorbiert, welcher sich in der Nähe des Eintritts des Gases befindet, so daß, wenn das Gas abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen strömen würde, ein Teil der während einer Betriebsperiode adsorbierten Verunreinigungen während der nächsten Betriebsperiode von dem austretenden Gas mitgenommen und die Reinheit desselben vermindern würde. Die auf der Abbildung dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Satz von Rückschlagventilen 18, 19, 28, 29, welche mit einem Satz von Ventilen 20, 21, 22, 23 kombiniert sind. Die Rückschlagventile können durch eine andere geeignete Vorrichtung ersetzt werden, z. B. zwei Dreiwegehähne oder vier pneumatische Ventile, welche durch den Druckabfall in den Adsorptionspatronen gesteuert werden.

Während der betrachteten Umschaltperiode der Adsorptionspatronen arbeitet die Patrone 16, während die Patrone 17 regeneriert wird. Der zu reinigende Wasserstoff strömt durch das Rückschlagventil 18 und durchströmt die Patrone 16, da die Ventile 20 und 22 offen und die Ventile 21 und 23 geschlossen sind, worauf er durch das Rückschlagventil 29 des Adsorptionsapparats austritt. Sein Stickstoffgehalt kann dann auf einige Teile je Million herabgesetzt sein.

Die Regenerierung der mit Verunreinigungen beladenen Patrone kann in an sich bekannterWeise durch Erwärmung im Vakuum oder durch Spülung mittels eines reinen heißen Gases erfolgen. Dieser letztere Fall ist auf der Abbildung dargestellt. Ein Satz von Ventilen 24, 25, 26, 27 gestattet, das Spülgas in die zu regenerierende Patrone zu leiten. Da die Patrone 17 während der betrachteten Betniebsperiode regeneriert wird, sind die Ventile25 und 27 offen, und die Ventile 24 und 26 sind geschlossen.

Der aus dem Adsorptionsapparat austretende gereinigte Wasserstoff gelangt durch das Rohr 30 in die in das flüssige Stickstoffbad 14 mit 63° K eintauchende Rohrschlange 31, wo er die durch die Adsorption entwickelte Wärme abgibt. Hierauf gelangt er in die Rohre des Austauschers 2, wo er sich durch Wärmeaustausch mit dem aus dem Rektifizierapparat unter einem Druck von einer Atmosphäre kommenden Wasserstoff abkühlt. Da das Ventil 32 offen und das Ventil 33 der Rohrschlange 34 geschlossen ist, gelangt er durch das Rohr 35 zu dem nicht dargestellten Apparat zur Verflüssigung und Rektifikation.

Der von dem Rektifizierapparat kommende, unter einem Druck von etwa 1 Atmosphäre stehende reine Wasserstoff tritt durch das Rohr 36 in den Flüssigkeitskühler 37 im Gegenstrom zu flüssigem Wasserstoff unter 3 Atmosphären. Nachdem er sich so erwärmt hat, gelangt er, da das Ventil 38 offen und die Ventile 9 und 33 geschlossen sind, in den Raum zwischen dem Mantel und den Rohren des Austauschers 2, wo er sich erwärmt und dabei die während der vorhergehenden Betriebsperiode abgelagerten Verunreinigungen sublimiert. Am Ausgang des Austauschers tritt er aus der Anlage durch das Rohr 41 aus, da das Ventil 40 offen und die Ventile 5 und 6 geschlossen sind.

Bei der nächsten Umschaltperiode der Austauscher sind die Ventile 5, 33, 11, 9 und 6 sowie die Rückschlagventile 28 und 19 offen, während die Ventile 4, 8, 32, 38 und 40 sowie die Rückschlagventile 18 und 29 geschlossen sind.

Die Umschaltperiode der Adsorptionspatronen ist von der der Austauscher unabhängig. Ihre Umschaltung erfolgt durch Öffnung der Ventile 21, 23, 24 und 26 und durch Schließung der Ventile 20, 22, 25 und 27.

Eine Abzweigung 42 und ein normalerweise geschlossenes Ventil 43 gestatten den Austritt des Wasserstoffs unter niedrigem Druck (1 Atmosphäre) während der Dauer des Betriebszustandwechsels bei jeder Umschaltung.

Zur Verringerung dieser Dauer können, wie bereits im Hauptpatent angegeben, die Räume der beiden Austauscher zwischen den Mänteln und den Rohren auf entsprechenden Temperaturniveaus mit Hilfe von Rohren 44 miteinander in Verbindung gesetzt werden, welche mit Ventilen 45 versehen sind, welche imAugenblick der Umschaltung geöffnet sind.

Obwohl die Vorrichtung zur Reinigung durch Adsorption oben für ein Wärmeaustauschsystem beschrieben wurde, bei welchem eine Kältezufuhr an dem kalten Ende der Austauscher durch eine in ein Flüssigkeitsbad eintauchende Rohrschlange erfolgt, kann sie natürlich auch bei einem Wärmeaustauschsystem benutzt werden, bei welchem die Kältezufuhr in Hilfsaustauschern mit periodischer Umschaltung mit Hilfe

entweder eines kalten Gases oder einer umlaufenden Flüssigkeit erfolgt.

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verfahren zur Reinigung eines Gases durch Kälte, welches bei niedriger Temperatur, z. B. in einer mit periodischer Umschaltung der Gasströme arbeitenden Anlage zur Trennung der Gase durch Verflüssigung und Rektifikation behandelt werden soll, wobei das zu behandelnde Gas unter Druck in eine Abteilung eines Temperaturaustauschers eintritt, in welcher es gekühlt wird und seine Verunreinigungen abgibt, während wenigstens ein Teil des behandelten Gases, das Spülgas, unter einem geringeren Druck in eine andere Austauscherabteilung gelangt, in welcher es sich erwärmt und die während einer vorhergehenden Betriebsperiode abgelagerten Verunreinigungen verdampft, wobei das zu behandelnde Gas nacheinander im Gegenstrom mit sich selbst in die beiden Abteilungen eines ersten Austauschers geleitet und zwischen seinen beiden Durchgängen durch eine äußere Kältezufuhr gekühlt wird, wobei es anschließend durch ein Flüssigkeitsbad erwärmt und in eine der Abteilungen eines zweiten dem ersten Austauscher gleichen Austauschers im Gegenstrom zu dem Spülgas geleitet wird, wobei die Kältezufuhr und die Kenngrößen der Austauscher so gewählt sind, daß die Temperatur des zu behandelnden Gases am Ausgang des kalten Endes des ersten Austauschers kleiner als die des Spülgases am Eingang des kalten Endes des zweiten Austauschers ist, nach Patent 1 018 440, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gas, nachdem es die beiden Abteilungen des ersten Austauschers durchströmt hat und durch das Flüssigkeitsbad erwärmt ist, eine der adsorbierenden Massen eines Adsorptionsapparates mit periodischer Umschaltung durchströmt, so daß die restlichen Verunreinigungen durch Adsorption bei einer Temperatur zurückgehalten werden, welche in der Nähe der Temperatur seines Eintritts in den ersten Austauscher liegt, und vor seinem Eintritt in den zweiten Austauscher in dem Flüssigkeitsbad abgekühlt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©.909 648/76 11.59