DE1259914B - Process for the liquefaction of helium - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
F25jF25j
Deutsche KL: 17 g -1German KL: 17 g -1
Nummer: 1259 914Number: 1259 914
Aktenzeichen: S 910461 a/17 gFile number: S 910461 a / 17 g
Anmeldetag: 13. Mai 1964Filing date: May 13, 1964
Auslegetag: !.Februar 1968Opening day: February 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium, welches auf überkritischen Druck verdichtet, durch Wärmeaustausch bis unterhalb seiner Inversionstemperatur gekühlt, in einer ersten Stufe auf einen Zwischendruck drosselentspannt, nach weiterer Abkühlung durch Wärmeaustausch in einer zweiten Stufe auf den Verflüssigungsdruck drosselentspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei von dem gekühlten Druckhelium vor der Drosselentspannung ein Teilstrom abgezweigt, arbeitsleistend auf Verflüssigungsdruck entspannt, zusammen mit wieder verdampftem Helium im Wärmeaustausch mit dem Heliumgas etwa auf Umgebungstemperatur erwärmt und erneut verdichtet wird.The invention relates to a method for liquefying helium, which is at supercritical pressure compressed, cooled by heat exchange to below its inversion temperature, in a first Stage relieved of throttle to an intermediate pressure, after further cooling through heat exchange in a second stage is throttle relaxed to the condensing pressure and partially liquefied, wherein a partial flow branched off from the cooled pressure helium before the throttle expansion, performing work relaxed to condensing pressure, together with re-evaporated helium in heat exchange with the helium gas is heated to around ambient temperature and recompressed.
Zur Verflüssigung von Helium ist das sogenannte Kapitza-Verfahren bekannt. Hierbei wird das auf einen hohen Druck verdichtete Heliumgas zweimal gedrosselt, und zwar zuerst vor Eintritt in einen vor einem zweiten Drosselorgan liegenden Gegenströmer auf einen Zwischendruck und in dem zweiten Drosselorgan auf den Verflüssigungsdruck. Die erste Drosselung des Hochdruckgases hat hierbei ausschließlich den Zweck, das Druckverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruckgas im Wärmeaustauscher vor dem letzten Drosselorgan herabzusetzen, um bei einer gegebenen Temperaturdifferenz endlicher Größe am warmen Ende des Wärmeaustauschers, die für die abzugebende Kälteleistung maßgebend ist, eine Temperaturdifferenz am kalten Ende des Wärmeaustauschers von einer endlichen Größe zu erreichen. Wie sich aus dem TS-Diagramm für Helium ergibt, würde bei einem zu hohen Druck des zu verflüssigenden Prozeßgases am kalten Ende des Wärmeaustauschers die Temperaturdifferenz gegebenenfalls sogar ganz verschwinden oder mindestens so klein sein, daß Wärmeaustauscher von unwirtschaftlich großen Abmessungen erforderlich wären.The so-called Kapitza process is known for liquefying helium. This is where the a high pressure compressed helium gas throttled twice, first before entering a front a second throttle element lying countercurrent to an intermediate pressure and in the second throttle element on the condensing pressure. The first throttling of the high pressure gas has only the purpose, the pressure ratio between high pressure and low pressure gas in the heat exchanger before the last throttle device, to be more finite at a given temperature difference Size at the warm end of the heat exchanger, which is decisive for the cooling capacity to be delivered is a temperature difference at the cold end of the heat exchanger of a finite size to reach. As can be seen from the TS diagram for helium, if the pressure is too high, the process gas to be liquefied at the cold end of the heat exchanger, the temperature difference if necessary even disappear completely or at least be so small that heat exchangers are uneconomical large dimensions would be required.
Demgegenüber hat sich die Erfindung ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium zur Aufgabe gemacht, mit welchem im Vergleich zu bisher üblichen Verfahren, wie z. B. auch dem Kapitza-Verfahren, die gleiche Kälteleistung mit einer geringeren Verdichtungsleistung erzeugt werden kann.In contrast, the invention has a method for liquefying helium as an object made, with which compared to previously common methods such. B. also the Kapitza method, the same cooling capacity can be generated with a lower compression capacity.
Demzufolge besteht das Verfahren nach der Erfindung darin, daß die Abzweigung des arbeitsleistend zu entspannenden Teilstromes nach der Drosselung auf den Zwischendruck erfolgt und der Teilstrom vor der arbeitsleistenden Entspannung durch Wärmeaustausch mit dem Druckhelium erwärmt wird.Accordingly, the method according to the invention is that the branch of the work-performing to be relaxed partial flow takes place after throttling to the intermediate pressure and the Partial flow heated by heat exchange with the pressure helium before the work-performing expansion will.
Die gleiche Kälteleistung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer geringeren Verfahren zur Verflüssigung von HeliumThe same cooling capacity can be achieved with a lower one with the aid of the method according to the invention Process for the liquefaction of helium
Anmelder:Applicant:
Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)Sulzer Brothers Aktiengesellschaft,
Winterthur (Switzerland)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Marsch, patent attorney,
4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 314000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dipl.-Ing. Sahabettin Ergenc, Zollikerberg
(Schweiz)Dipl.-Ing. Sahabettin Ergenc, Zollikerberg
(Switzerland)
Beanspruchte Priorität:
ao Schweiz vom 29. April 1964 (5628)Claimed priority:
ao Switzerland of April 29, 1964 (5628)
Verdichtungsleistung gegenüber den bisher gebräuch-Compaction performance compared to the previously
*5 liehen Verfahren erzeugt werden, indem durch Drosselung des gesamten Hochdruckgasstromes auf einen Zwischendruck eine anschließende Aufteilung in zwei Teilströme erfolgt, von welchen der erste Teilstrom dazu benutzt wird, dem nicht gedrosselten Hochdruckgas Wärme zu entziehen und durch arbeitsleistende Entspannung von dem Zwischendruck auf etwa den Verflüssigungsdruck in vorteilhafter Weise Kälteleistung aufzubringen, während der zweite Teilstrom auf den Verflüssigungsdruck gedrosselt wird, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß auf Grund der durch die erste Drosselung erzeugten tiefen Vorkühltemperatur der mit Hilfe der zweiten Drosselung erzielte Kühleffekt groß ist, da eine auf Grund des Joule-Thomson-Effektes bewirkte Kühlung durch Drosselung um so günstiger wird, bei um so tieferer Temperatur sie durchgeführt wird.* 5 borrowed procedures are generated by by Throttling of the entire high-pressure gas flow to an intermediate pressure, a subsequent division takes place in two partial flows, of which the first partial flow is used, the non-throttled High-pressure gas to remove heat and through work-performing relaxation of the intermediate pressure to apply cooling capacity in an advantageous manner to approximately the condensing pressure while the second partial flow is throttled to the condensing pressure, taking advantage of the fact that due to the low pre-cooling temperature generated by the first throttling of the with the help of Second throttling achieved cooling effect is great because one caused due to the Joule-Thomson effect Cooling by throttling is the more favorable, the lower the temperature it is carried out.
In einer vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teil der aufzubringenden Kälteleistung in einer oder mehreren Expansionsturbinen erzeugt. Bei stufenweise arbeitsleistender Entspannung des Teilstromes kann dieser vorteilhaft zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen durch Wärmeaustausch gekühlt werden.In an advantageous device for performing the method according to the invention, a Part of the cooling capacity to be applied is generated in one or more expansion turbines. With gradual work-performing relaxation of the partial flow, it can be advantageous between two successive ones Stages are cooled by heat exchange.
Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, zur Erzeugung eines Teils der Kälteleistung zusammen mit dem Teilstrom einen weiteren Strom HeliumgasIf necessary, it can be advantageous to generate part of the cooling capacity together with the partial flow a further flow of helium gas
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arbeitsleistend zu entspannen, welcher von einem größeren Druck auf den Zwischendruck arbeitsleistend entspannt und durch Wärmeaustausch und die arbeitsleistende Entspannung etwa bis auf die Temperatur gekühlt worden ist, welche der Teilstrom nach Wärmeaustausch mit dem Druckhelium aufweist. : to relax work-performing, which relaxes work-performing by a greater pressure on the intermediate pressure and has been cooled by heat exchange and the work-performing relaxation to approximately the temperature that the partial flow has after heat exchange with the pressure helium. :
Die Fig. 1 bis 3 zeigen in verschiedenen Ausführungsformen Varianten von Anlagen zur Durchfühin einem Drosselventil 17 entspannt, wobei er sich teilweise verflüssigt, und in einen Behälter 18 eingeleitet, aus welchem das verflüssigte Produkt durch eine Entnahmeleitung 19 über ein Abschlußorgan 20 entnommen werden kann.FIGS. 1 to 3 show different embodiments Variants of systems for the implementation of a throttle valve 17 relaxes, whereby he himself partially liquefied, and introduced into a container 18, from which the liquefied product passes through a removal line 19 can be removed via a closure member 20.
Der nicht verflüssigte Anteil des zweiten Teil-, stromes und allfällig verdampfte Flüssigkeit strömen durch die Wärmeaustauscher 16 und. 10 zurück, in welchen sie sich durch Wärmeaustausch bis auf nahe-The non-liquefied portion of the second partial flow and any evaporated liquid flow through the heat exchangers 16 and. 10, in which they are almost
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei alle zu die Vorkühltemperatur Tvl erwärmen. Nach Austion of the method according to the invention, all of which heat the pre-cooling temperature T vl. After Aus
Figuren stark schematisiert sind und nur die für die Verdeutlichung der Erfindung notwendigen Einzelheiten zeigen.Figures are highly schematic and only the details necessary to illustrate the invention demonstrate.
In dem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 1 wird das zu verflüssigende Gas in einem Korn- „ pressor 1 vorzugsweise auf überkritischen Druck verdichtet/und, nachdem in.einem Kühler 2-die Kompressionswärme abgeführt worden ist, durch Wärmeaustauscher 4,^5, 6 und 7, die beispielsweise als sogenannte Plate-Fin-Exchanger ausgebildet sind, geleitet, in welchen es sich durch Wärmeaustausch mit kühlerem Gas,.„;abkühlt,-was später noch eingehender erläutert werden wird. Sodann .wird das Hochdruckgas in einem von zwei Adsorbern 8 und 9, welche abwechselnd regeneriert werden, von^Rest-In the exemplary embodiment of the invention according to FIG. 1, the gas to be liquefied is compressed in a compressor 1, preferably to supercritical pressure / and, after the compression heat has been dissipated in a cooler 2, by heat exchangers 4, 5, 6 and 7, which, for example, act as a so-called plate -Fin-Exchanger are designed, conducted, in which it is through heat exchange with cooler gas. "; cools, -which will be explained in more detail later. Then .wird the high pressure gas in one of two adsorbers 8 and 9, which are alternately regenerated, of ^ residual
2020th
tritt aus dem Wärmeaustauscher 10 wird das Gas mit dem in der Expansionsturbine 15 entspannten Gas zusammengeführt und strömt durch Wärmeaustauscher 7, 6, 5 und 4, in welchen es durch Wärmeaustausch mit nicht gedrosseltem Hochdruckgas bis in den Bereich der Umgebungstemperatur erwärmt wird, zurück zur Ansaugseite des: Kompressors 12 bzw. des Kompressors 1. Eine der entnommenen Produktjnenge entsprechende Rohgasmenge wird über eine Leitung 3 der Ansaugseite des Kompressors 1 zugeführt^..When the gas emerges from the heat exchanger 10, the gas is merged with the gas expanded in the expansion turbine 15 and flows through heat exchangers 7, 6, 5 and 4, in which it is heated up to ambient temperature by heat exchange with non-throttled high-pressure gas, back to the intake side of: Compressor 12 or compressor 1. An amount of raw gas corresponding to the amount of product withdrawn is fed to the suction side of the compressor 1 via a line 3 ^ ..
Inreinem Zahlenbeispiel für die Verflüssigung von Helium .seien im folgenden einige Angaben gemacht. So kann das Helium im Kompressor 1 etwa auf 18 ata verdichtet und in dem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck von etwa 5 ata...entspannt werden, der also ebenfalls noch im überkritischen Druckgebiet für Helium liegt. Im Kompressor 12 wird Helium auf etwa 7 ata verdichtet und in der Expansionsturbine 14 auf etwa 3 ata und in der Expansionsturbine 15 auf einen etwas unterhalb des Verflüssigungsdruckes des Heliums liegenden Druck von etwa 1,25 ata entspannt. Die Vorkühltemperatur Tvl beträgt im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 etwa 6° K und die Vorkühltemperatur Tvll nach der ersten Drosselung etwa 5,4° K, während die Verflüssigungstemperatur im Behälter 18 bei dem angegebenen Druck von 1,25 ata etwa 4,5° K beträgt.As a numerical example for the liquefaction of helium, some information is given below. Thus, the helium can be compressed in the compressor 1 to about 18 ata and expanded in the throttle valve 11 to an intermediate pressure of about 5 ata ... which is also still in the supercritical pressure range for helium. In the compressor 12, helium is compressed to about 7 ata and expanded in the expansion turbine 14 to about 3 ata and in the expansion turbine 15 to a pressure of about 1.25 ata slightly below the condensing pressure of the helium. The pre-cooling temperature T vl in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is approximately 6 ° K and the pre-cooling temperature T vll after the first throttling is approximately 5.4 ° K, while the liquefaction temperature in the container 18 is approximately 4.5 at the specified pressure of 1.25 ata ° K.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2According to the embodiment of FIG
verunreinigungen befreit. Das Hochdruckgas ist zu diesem Zeitpunkt'durch Wärmeaustausch auf eine Vorkühltemperatur-Abgekühlt, die im-folgenden'mit Tvl bezeichnet sei-und unterhalb der- Inversionstemperatur des Gases liegt. impurities freed. The high pressure gas is was and designated left this Zeitpunkt'durch heat exchange to a preliminary cooling-Cooled that folgenden'mit in T is below DER inversion temperature of the gas.
Nun wird das Hochdruckgas in einem Wärmeaustauscher'10 weiter "abgekühlt und in einem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck entspannt. Dieser Zwischendruck ist so gewählt, daß zwar eine Abkühlung des Gases, aber keine Verflüssigung ■ bei der Drosselung erfolgt;} Nunmehr wird ..das gedrosselte Gas in zwei Teilströme aufgeteilt, von -welchen der erste Teilstrom durch den Wärmeaustauscher 10 zurückgeleitet wird und sieh durch WärmeaustauschNow the high pressure gas is in a heat exchanger'10 further "cooled and relaxed in a throttle valve 11 to an intermediate pressure. This Intermediate pressure is chosen so that although a cooling of the gas, but no liquefaction ■ in the Throttling takes place;} Now .. the throttled Gas divided into two partial flows, of which the first partial flow is returned through the heat exchanger 10 will and see through heat exchange
mit dem ungedrosselten Hochdruckgas auf nahezu die 40 wird das Gas in einem einstufigen Kompressor 1 auf
Vorkühltemperatur ΓνΙ erwärmt. Sodann tritt er in den gewählten Hochdruck verdichtet und in Wärmeweiteren Wärmeaustausch mit dem Hochdruckgas
im Wärmeaustauscher 7.with the unthrottled high-pressure gas to almost 40 , the gas is heated in a single-stage compressor 1 to pre- cooling temperature Γ νΙ. Then it occurs in the selected high pressure compressed and in heat further heat exchange with the high pressure gas
in the heat exchanger 7.
Am Ausgang des Wärmeaustauschers 7 wird der erste Teüstrom mit einem weiteren Gasstrom zusammengeführt. Dieser Gasstrom wird in einem Kompressor 12 auf einen zwischen dem Druck des Hochdruckgases und dem Zwischendruck des gedrosselten Hochdruckgases liegenden Druck verdichtet, nach Abführung der Kompressionswärme inAt the outlet of the heat exchanger 7, the first partial flow is combined with a further gas flow. This gas flow is in a compressor 12 to a pressure between the High pressure gas and the intermediate pressure of the throttled high pressure gas is compressed, after dissipation of the compression heat in
einem Kühler 13 durch den Wärmeaustauscher 4 ge- weiter gekühlt und schließlich in einer Expansionsturbine 45 auf einen Druck entspannt, der etwas unterhalb des Verflüssigungsdruckes im Behälter 18 liegt. Das aus dem Behälter 18 stammende Gas wird in den Wärmeaustauschern 16 und 43 bis auf nahezu die Vorkühltemperatur ΓνΙ des Hochdruckgases erwärmt, sodann mit dem in der Expansionsturbine 45 entspannten Gas vereinigt und durch die Wärmeaustauscher 42, 41 und 40, worin es sich weiter bisa cooler 13 is further cooled by the heat exchanger 4 and finally expanded in an expansion turbine 45 to a pressure which is somewhat below the condensing pressure in the container 18. The gas originating from the container 18 is heated in the heat exchangers 16 and 43 to almost the pre-cooling temperature Γ νΙ of the high-pressure gas, then combined with the gas expanded in the expansion turbine 45 and passed through the heat exchangers 42, 41 and 40, in which it continues to
spannt. Nachdem nun die sich auf den ersten Teil- 6o auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt, vom Komstrom beziehenden Verfahrensschritte beschrieben pressor 1 angesaugt.tense. Now that the first part warms up to about ambient temperature, from the grain flow Related process steps described pressor 1 sucked.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die von dei Vorkühltemperatur Tvl bis zur Umgebungstemperatur aufzubringende Kälteleistung im wesentlichen durch arbeitsleistende Entspannung des ersten Teilstromes erzeugt.In this exemplary embodiment, the cooling power to be applied from the pre-cooling temperature T vl to the ambient temperature is generated essentially by work-performing expansion of the first partial flow.
. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 betrifft eine Variante Ausführungsform zu F i g. 2 be-. Another embodiment according to FIG. 3 relates to a variant embodiment of FIG. 2 loading
austauschern 40, 41 und 42 auf die Vorkühltemperatur .Tvi abgekühlt, sodann durch Wärmeaustausch mit dem ersten Teilstrom in einem Wärmeaustauscher 43 weiter abgekühlt und dann in dem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck entspannt. Der erste Teilstrom wird durch die Wärmeaustauscher 43, 42 und 41 zurückgeführt, dabei erwärmt und sodann in einer Expansionsturbine 44 entspannt. Das sich hierbei abkühlende Gas wird im Wärmeaustauscher 41exchangers 40, 41 and 42 cooled to the pre-cooling temperature .Tvi, then further cooled by heat exchange with the first substream in a heat exchanger 43 and then expanded in the throttle valve 11 to an intermediate pressure. The first partial flow is returned through the heat exchangers 43, 42 and 41, heated in the process and then expanded in an expansion turbine 44. The gas that cools down in the process is stored in the heat exchanger 41
führt, in welchem er sich abkühlt, sodann in einer Expansionsturbine 14 entspannt, und schließlich in dem Wärmeaustauscher 6 weiter bis auf nahezu die Temperatur des ersten Teilstromes an der Stelle der Zusammenführung abgekühlt und mit dem ersten Teilstrom vereinigt. Die zusammengeführte Gasmenge wird sodann in einer Expansionsturbine 15 auf nahezu den Verflüssigungsdruck des Gases entworden sind, seien im folgenden die sich auf den nach der ersten Drosselung abgezweigten zweiten Teilstrom beziehenden Verfahrensschritte beschrieben. leads, in which it cools down, then expanded in an expansion turbine 14, and finally in the heat exchanger 6 continues to almost the temperature of the first substream at the point of Cooled together and combined with the first substream. The combined amount of gas is then removed in an expansion turbine 15 to almost the liquefaction pressure of the gas are, in the following, the second branched off after the first throttling Process steps relating to partial flow are described.
Dieser zweite Teilstrom tritt mit einer Vorkühltemperatur ΓνΙΙ in einen Wärmeaustauscher 16 ein, in welchem er sich weiter abkühlt. Sodann wird er This second substream enters a heat exchanger 16 at a pre-cooling temperature Γ νΙΙ, in which it cools down further. Then he will
züglich der Erzeugung der Kälteleistung oberhalb der Vorkühlungstemperatur Tvl. Die vier vor der ersten Drosselung des Hochdruckgases liegenden Wärmeaustauscher sind in Übereinstimmung mit Fig. 2 ebenfalls mit den Bezugsziffern 40 bis 43 versehen. Abweichend von dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird im vorliegenden Fall die oberhalb der Vorkühltemperatur TVI bis zur Umgebungstemperatur aufzubringende Kälteleistung durch arbeitsleistende Entspannung eines Teiles des im Kompressor 1 verdichteten Hochdruckgases erzeugt. Und zwar wird ein Anteil des bereits im Wärmeaustauscher 40 unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlten Hochdruckgases abgezweigt, in einer Expansionsturbine 46 auf etwa den Zwischendruck des ersten Teilstromes entspannt, im Wärmeaustauscher 41 auf nahezu die Temperatur des den Wärmeaustauscher 42 verlassenden ersten Teilstromes abgekühlt und mit diesem vereinigt. Das Gas wird sodann in einer Expansionsturbine 47 auf nahezu den Ver- so flüssigungsdruck des Hochdruckgases im Behälter 18 entspannt und mit aus dem Behälter 18 stammendem Gas, nachdem dieses in den Wärmeaustauschern 16 und 43 auf nahezu die Vorkühltemperatur Tvl erwärmt worden ist, zusammengeführt und von dem Kompressor 1 wieder angesaugt, nachdem es in den Wärmeaustauschern 42, 41 und 40 auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt worden ist.plus the generation of the cooling capacity above the pre-cooling temperature T vl . The four heat exchangers located in front of the first throttling of the high-pressure gas are also provided with the reference numerals 40 to 43 in accordance with FIG. In contrast to the previous exemplary embodiment, in the present case the cooling power to be applied above the pre-cooling temperature T VI up to ambient temperature is generated by work-performing expansion of part of the high-pressure gas compressed in the compressor 1. A portion of the high-pressure gas already cooled in the heat exchanger 40 below ambient temperature is branched off, expanded in an expansion turbine 46 to approximately the intermediate pressure of the first partial flow, cooled in the heat exchanger 41 to almost the temperature of the first partial flow leaving the heat exchanger 42 and combined with it. The gas is then expanded in an expansion turbine 47 to almost the liquefaction pressure of the high-pressure gas in the container 18 and merged with gas originating from the container 18 after this has been heated in the heat exchangers 16 and 43 to almost the pre-cooling temperature T vl sucked in again by the compressor 1 after it has been heated in the heat exchangers 42, 41 and 40 to about ambient temperature.
Claims (3)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1036 282;
USA.-Patentschrift Nr. 3 094 390;
»Technische Rundschau Sulzer«, 3/1963, S. 121 bis 125;Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1036 282;
U.S. Patent No. 3,094,390;
"Technische Rundschau Sulzer", 3/1963, pp. 121 to 125;
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