DE1133741B - Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung fluessigen Stickstoffs - Google Patents

Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung fluessigen Stickstoffs

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DE1133741B
DE1133741B DEN16454A DEN0016454A DE1133741B DE 1133741 B DE1133741 B DE 1133741B DE N16454 A DEN16454 A DE N16454A DE N0016454 A DEN0016454 A DE N0016454A DE 1133741 B DE1133741 B DE 1133741B
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Germany
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heat exchanger
air
valve
carbon dioxide
water vapor
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DEN16454A
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Samuel Cornette Collins
George Yale Robinson
John Thomas Selldorff
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • F17C2205/00Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
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Description

  • Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung flüssigen Stickstoffs Die Erfinduncy betrifft eine Einrichtung zur Rege-Z CD Jung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung flüssigen Stickstoffs aus Luft, bei der die abzutrennenden Verunreinigungen mittels eines Wärmeaustauschers ausgefroren werden.
  • Zu diesem Zweck sind bereits Gastrennsäulen bekannt, welche mit Einrichtungen für das Abtrennen von CO, und Wasserdampf versehen sind. Die Abtrenneinrichtungen werden dabei von flüssigem Sauerstoff gekühlt, wobei keine Temperaturregelung vorhanden ist. Dies hat zur Folge, daß im Falle, wenn die Temperatur dieser Abtrennvorrichtung höher ist als der Gefrierpunkt des Kohlendioxyds, ein Teil dieses Kohlendioxyds in die Fraktionier-Kolonne gelangt und diese verstopft. Wenn andererseits die Temperatur niedriger wird als die Kondensationstemperatur der Luft, dann wird ein Teil der Luft schon in den Abtrennvorrichtungen kondensieren, was ebenfalls Nachteile mit sich bringt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abtrenneinrichtung zu schaffen, die gegen eine Verstopfung durch die Abscheidungsprodukte möglichst wenig anfällig ist.
  • Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine Vorrichtung von für Laboratoriumszwecke geeigneten Abmessungen, in der eine Kaltgaskühlmaschine verwendet wird. Eine solche Maschine wird z. B in der USA.-Patentschrift 2 750 765 beschrieben. Das zu trennende Gasgemisch, wie z. B. Luft, kann dabei mit Hilfe eines geringen überdruckes oder Unterdruckes in Gegenströmung durch einen Wärineaustauscher und von dort zur Gasfraktioniersäule geleitet werden.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung macht es möglich, sehr reinen Stickstoff (z. B. 99,5 %. Reinheit) mit einer einfachen Gasfraktioniersäule herzustellen, ohne daß sich dieselbe während der Anlaßperiode der Vorrichtung mit Eis aus Wasser oder Kohlendioxyd verstopft. Sie weist dabei trotz ihrer kleinen Abmessungen eine höhere Leistungsfähigkeit in bezug auf den erzeugten Stickstoff auf.
  • Gemäß der Erfindung ist die Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf, bei der der Kopf einer Fraktioniersäule mit dem Kondensationsraum einer Kaltgaskühlmaschine in Verbindung steht, in welchem flüssiger Stickstoff anfällt, der durch eine Anzapfleitung aus dem Kondensationsraum abgelassen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anzapfleitung ein Ventil vorgesehen ist, welches durch die an einer Stelle des Wärmeaustauschers gemessene Temperatur derart gesteuert wird, daß mindestens die Hälfte der Luft als flüssiger Rückfluß durch die Fraktioniersäule hindurch und weiter im Gegenstrom zur zugeführten Luft durch den Wärmeaustauscher und von dort in die Atmosphäre strömt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Ventil einen Balg auf, der in einer ein kondensierbares, für Temperaturänderungen empfindliches Mittel, wie z. B. Freon, enthaltenden Kammer angeordnet ist, welche wärmeleitend mit der Temperaturmeßstelle des Wärmeaustauschers verbunden ist.
  • Auch ist das Ventil mit einer Umlaufleitung versehen und mit dem im unteren Teil des Wärmeaustauschers befestigten Thermoelement verbunden.
  • Der Wärmeaustauscher weist ein schraubenlinienförmig gewundenes Rohr für die Luft und ein daran wärmeleitend befestigtes Rohr für den Rückfluß auf.
  • Schließlich ist im Strömungsweg der Luft zum Wärmeaustauscher ein ausschaltbarer Trockner vorgesehen.
  • Ein flüssiges Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch, das ist der Rückfluß, hat bei Aufheizung auf Zimmertemperatur einen zweimal so großen Wärmeinhalt wie ein gasförmiges Gemisch mit der Kondensationstemperatur. Von diesem Umstand wird in der Vorrichtung nach der Erfindung Gebrauch gemacht.
  • Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, in denen in Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt ist und in Fig. 2 ein Schema einer weiteren Ausführungsform dargestellt ist unter Weglassung des Teiles, welcher der Fig. 1 entspricht.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es infolge der Eigenschaft atmosphärischer Luft als Gasgemisch nicht gut möglich ist, mehr als die Hälfte der der Vorrichtung zugeführten Luft als flüs,sigen Stickstoff zu gewinnen. Der übrige Teil des Gemisches, d. h. mit Sauerstoff angereichertes Gas, muß in die Atmosphäre abgeführt werden. Dieses Abgas verläßt die Säule bei der Temperatur flüssiger Luft CD und wird in Geggenströmung mit der zur Säule geführten, zu fraktionierenden Luft aufgeheizt. Feuchtigkeit und Kohlendioxyd in dieser Luft setzen sich auf den Wänden der Luftleitung im Wärmeaustauscher ab.
  • In Fig. 1 komprimiert ein Kompressor 10 atmospWärische Luft zu einem überdruck in der Größenordnung von 0,15 bis 0,25 kg/CM2. Die komprimierte Luft wird durch das Ventil 12 einem chemischen Trockner 14 zugeführt, der z. B mit Silicagel gefüllt ist. Während der Abkühlperiode der Vorrichtung, also beim Inbetriebsetzen, geht die feuchte Luft durch diesen Trockner hindurch, und die Feuchtigkeit wird chemisch aus der Luft entfernt.
  • Darauf strömt die Luft durch einen Erhitzer 16 und durch einen Wärmeaustauscher 18, der gemäß Fig. 2 ein äußeres schraubenlinienförmiges Rohr 20 für die Einlaßluft und ein Rohr 22 für den Durchgang des Rückflusses aufweist, wobei das Rohr 22 an dem Rohr 20 befestigt ist, so daß ein guter Wärmeaustausch stattfinden kann. Das Rohr20 kann mit Flügeln versehen sein. Darauf verläßt die Einlaßluft den Wärmeaustauscher 18 und strömt zu einer Fraktioniersäule 24, welche als eine mit Packung gefüllte Säule mit einem Kochkessel 25 ausgeführt sein kann, aber auch von der Art mit übereinanderliegenden Schüsseln oder aus der Säulenwand emporragenden Schotten sein kann. Die Stickstoffkomponente aus dem Gasgemisch steigt in der Säule 24 auf und tritt in den Kondensationsraum 28 einer Kaltgaskühlmaschine 29.
  • Etwa die Hälfte der zugeführten Luftströmung wird als Produkt abgeführt, und die andere Hälfte geht als Rückfluß in Gegenströmung durch den Wärmeaustauscher 18 zurück. Dort geht der Rückfluß wieder in den gasförmigen Zustand über und wird durch Wärmeaufnahme aus der der Anlage zugeführten Luft etwa auf Zimmertemperatur aufgeheizt. Feuchtigkeit und CO, werden dabei aus der Luft ausgefroren und setzen sich auf den Wänden des Wärmeaustauschers 18 ab. Der Rückfluß geht durch das Ventil 13 und das Ventil 12 in die Atmosphäre.
  • Während des normalen Betriebes werden CO, und Feuchtigkeit an den Wänden des Wärmeaustauschers 18 ausgefroren.
  • Wenn zu wenig Rückfluß in den Wärmeaustauscher 18 eintritt und der Anlage zuviel flüssiger Stickstoff als Produkt entzogen wird, so gelangt die verdichtete Luft zu warm in die Säule und ist nicht frei von Kohlendioxyd. In Fig. 2 spricht das Ventil 34 an, wenn sich die Verhältnisse in falscher Richtung ändern. Dieses Ventil schließt sich, wenn ein übermaß an Produkt abgeführt wird.
  • Das Ventil34 enthält ein kondensierbares Mittel, wie z. B. Freon (CH4 0.), und ist in der Anzapfleitung26 für das Produkt, nämlich flüssigen Stickstoff, angebracht. Das Ventil34 ist an einer günstig gewählten Stelle 27 mit dem Rohr 20 verbunden. Diese Stelle ist derart gewählt, daß bei normaler Temperatur dort das Gas im Ventil 34 teilweise kondensiert. Das Mittel im Ventil 34 ist sehr empfindlich für Temperaturänderungen und kann im Ventil einen Druck ausüben, um dieses zu schließen. Eine Druckfeder 36 und ein Balg 37 treiben das Ventil 34 in seine offene Lage.
  • Die Vorrichtung weist viele Metallteile auf, die beim Inbetriebsetzen auf ihre Betriebstemperaturabgekühlt werden müssen.
  • Dies erfolgt durch das Flüssiginachen der Luft und das Verteilen der Flüssigkeit über die zu kühlenden Flächen. Während dieser Periode strömt keine Luft durch die Anlage.
  • Es ist nicht erwünscht, den Kompressor einzuschalten, bevor die Säule kalt und mit einer geeigneten Menge an flüssiger Luft gekühlt ist.
  • Der Kondensationsraum28 ist von einem Mantel 38 umgeben und steht mit einer Leitung40 in Verbindung, die mit dem Rohr 20 des Wärmeaustauschers 18 an einer Stelle 41 nahe der Mitte desselben verbunden ist.
  • Ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 42 in der Leitung 40 wird beim Inbetriebsetzen der Vorrichtung etwa 30 Minuten lang offengehalten. Während dieser Zeit wird sämtliche Flüssigkeit in der Vorrichtung wieder verdampft durch die Wärme, die von den dann noch verhältnismäßig warmen Metallwänden an die Flüssigkeit gelangt.
  • Die in das System eingeführte Luftmenge und die darin enthaltene Feuchtigkeit sind bis dahin verschwindend klein, da keine Anhäufung flüssiger Luft aufgetreten ist. Außerdem wird während der 30 Minuten, in denen das Ventil 42 offen ist, der untere Teil des Wärmeaustauschers 18 auf eine Temperatur gekühlt, die weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Auf diese Weise wird eintretende Luft entnebelt. Nach dieser Periode wird das Ventil 42 geschlossen, der Kompressor 10 wird wirksam und das elektromagnetisch gesteuerte Ventil 44 in der Anzapfleitung 26 öffnet sich. Das Ventil 44 bleibt im normalen Betrieb weit offen. Die Abführung von flüssigem Produkt erfolgt durch das Ventil 34.
  • Eine Abart für das Ventil 34 und die von ihm durchgeführte Regelung ist in Fig. 1 dargestellt. Ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 46 mit einer eingebauten Umlaufleitung47 wird von einer Regelvorrichtung 48 betätigt, die ihrerseits von einem Thermoelemnet 50 gesteuert wird, welches im unteren Teil des Wärmeaustauschers 18 angebracht ist. Die Umlaufleitung 47 macht es möglich, daß zu jeder Zeit etwas Flüssigkeit durchströmt. Ein übermaß an Flüssigkeit wird aber durch das Ventil 46 abgeführt, wenn die Temperatur im Wärmeaustauscher zu niedrig wird.
  • Eine weitere Maßnahme zur Regelung der Flüssigkeitsströmung besteht im Anbringen einer Vorrichtung zum Abtasten eines Flüssigkeitspegels, z. B. im Kessel 25 oder in der Säule 24 (nicht dargestellt). Bemerkt wird, daß die Reinmenge der der Säule vomKompressor10 zugeführten Luft gerade dievom Kondensationsraum28 gewünschte Menge ist. Vom Kompressor zugeliefertes übermaß tritt am unteren Ende in die Säule24 ein, verläßt diese aber sofort mit dem abgeführten Rückfluß. Diese stört die Wirkuno, der Vorrichtung nicht, ausgenommen, daß eine zusätzliche Eismenge im Wärmeaustauscher entsteht.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung flüssigen Stickstoffs aus Luft mit einem Wärmeaustauscher zur Ausfrierung des Kohlendioxyds und des Wasserdampfes aus der Luft durch Wärmeaustausch mit den Zerlegungsprodukten einer dem Wärmeaustauscher nachgeschalteten Fraktioniersäule, deren Kopf mit dem Kondensationsraum einer Kaltgaskühlmaschine in Verbindung steht, in welchem flüssiger Stickstoff anfällt, der durch eine Anzapfleituna, aus dem Kondensationsraum abgelassen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anzapfleitung (26) ein Ventil (34, 46) vorgesehen ist, welches durch die an einer Stelle (27, 50) des Wärmeaustauschers (18) gemessene Temperatur gesteuert wird, derart, daß wenigstens die Hälfte der Luft als flüssiger Rückfluß durch die Fraktioniersäule (24) hindurch und weiter im Gegenstrom zur zugeführten Luft durch den Wärmeaustauscher (18) und von dort in die Atmosphäre strömt.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dasVentil (34) einenBalg(37) aufweist, der in einer ein kondensierbares, für Temperaturänderungen empfindliches Mittel, wie z. B.
  3. Freon, enthaltenden Kammer angeordnet ist, welche wärmeleitend mit der Stelle (27) des Wärmeaustauschers (18) verbunden ist. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (46) mit einer Umlaufleitung (47) versehen und mit dem im unteren Teil des Wärmeaustauschers (18) befestigten Thermoelement (50) verbunden ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (18) ein schraubenlinienförmig gewundenes Rohr (20) für die Luft und ein daran wärmeleitend befestigtes Rohr (22) für den Rückfluß aufweist. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Luft zum Wärmeaustauscher (18) ein ausschaltbarer Trockner (14) vorgesehen ist.
  5. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 941796, 1005 095.
DEN16454A 1958-03-25 1959-03-24 Einrichtung zur Regelung der Ausscheidung von Kohlendioxyd und Wasserdampf in einer Vorrichtung zur Gewinnung fluessigen Stickstoffs Pending DE1133741B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE941796C (de) * 1953-10-22 1956-04-19 Philips Nv Verfahren zum Trennen von Luft in einer Gastrennanlage und zur Durchfuehrung dieses Verfahrens geeignete Gastrennanlage

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE941796C (de) * 1953-10-22 1956-04-19 Philips Nv Verfahren zum Trennen von Luft in einer Gastrennanlage und zur Durchfuehrung dieses Verfahrens geeignete Gastrennanlage

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