DE1501727C - Verfahren und Vorrichtung zur Tiefen temperaturzerlegung eines Gasgemisches - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- bis die abgelagerten Verunreinigungen verdampft und richtung zur Tieftemperaturzerlegung eines Gas- mit dem spülenden, teilweise gereinigten Gasgemisch gemisches, insbesondere Luft, das vor seiner Zer- nach außen abgeführt sind, erfordern nur eine relativ legung in umschaltbaren Wärmeaustauschern gekühlt kurze Zeit und wirken sich deshalb auf einen konti- und von kondensierbaren Verunreinigungen befreit 5 nuierlichen Betrieb der Gesamtanlage kaum aus, zuwird, wobei aus mindestens einem Wärmeaustauscher mal die Betriebszeit des Wärmeaustauschers von ein von kondensierbaren Verunreinigungen nur teil- Reinigungsperiode zu Reinigungsperiode etwa einen weise befreiter Teil des Gasgemisches abgezweigt Monat beträgt und damit relativ lang ist. Der Wärme- und zum Ausfrieren der in ihm noch enthaltenen austauscher läßt sich allerdings auch für eine kürzere Verunreinigungen mit dem kalten Gasgemisch in io Betriebszeit auslegen, so daß die Reinigungsperioden einem weiteren Wärmeaustauscher abgekühlt und dichter aufeinanderfolgen. In diesem Fall wird zur wobei die Zufuhr des kalten Gasgemisches zu dem Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Betriebes weiteren Wärmeaustauscher periodisch unterbrochen der Anlage ein zweiter gleichartiger Wärmeauswird. , tauscher vorgesehen, so daß beide wechselweise be-

Bei Verfahren, bei denen die Gasgemische vor ihrer 15 trieben werden können.

Zerlegung von höhersiedenden kondensierbaren Ver- Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, unreinigungen durch Abkühlen in Regeneratoren oder daß zur Reinigung des weiteren Wärmeaustauschers Rekuperatoren befreit werden, ist es in vielen Fällen kein Fremdgas benötigt wird, dessen Beschaffung zweckmäßig, aus Gründen der Wärmebilanz aus den immer mit Schwierigkeiten verknüpft ist, da es absolut unteren kälteren Teilen der Hauptwärmeaustauscher 20 trocken sein muß. Das Verfahren ist aber auch denkeinen Teil des zu reinigenden Gasgemisches vor dem bar einfach, da zusätzliche Leitungen und Ventile zur Durchlaufen der gesamten Länge eines Hauptwärme- Zuführung des Fremdgases entfallen können. Des- tiaustauschers abzuzweigen. Dieser Teilstrom ist war- gleichen entfallen selbstverständlich auch Zusatzmer als das Gasgemisch, welches den Hauptwärme- einrichtungen, wie Trockenstationen zur Herstellung austauscher zur Gänze durchläuft, und enthält daher 25 eines trockenen Spülgases.

noch kondensierbare Verunreinigungen. Bei einem Die bei der Reinigung des Wärmeaustauschers in

bekannten Verfahren dieser Art (deutsche Auslege- die Gasphase übertretenden Stoffe lassen sich in ein-

schrift 1012 939) wird dieser abgezweigte Teilstrom fächer Weise zusammen mit dem teilweise gereinigten

zum Zwecke der weiteren Abkühlung und Befreiung Gasgemisch durch ein Ventil ins Freie abblasen. Diese

von kondensierbaren Verunreinigungen durch einen 30 Maßnahme ist besonders dann geeignet, wenn die

weiteren Wärmeaustauscher geleitet, der von Zeit zu ausgefrorenen Bestandteile, z. B. CO₁,, an sich wert-

Zeit abgeschaltet, zur Entfernung der darin abgelager- los sind und nach dem Abblasen auch keine Gefahr

ten Verunreinigungen erwärmt und mit einem Fremd- für die Umgebung darstellen.

gas durchgespült wird. Dieses bekannte Verfahren Gemäß einer Weiterentwicklung des Erfindungs-

erfordert somit die Bereitstellung eines Fremdgases. 35 gedankens wird das nur teilweise gereinigte Gas-

Es ist andererseits bekannt (britische Patentschrift gemisch durch das kalte Gasgemisch abgekühlt, das 884 971), bei einem ähnlichen Verfahren, bei dem vom kalten Ende der umschaltbaren Wärmeausdie Befreiung des Gasgemisches von kondensierbaren tauscher abgezweigt wird. Dies ist die einfachste und Verunreinigungen in einem mit umschaltbaren Quer- wirksamste Methode, den abgezweigten Teilstrom schnitten arbeitenden Rekuperator erfolgt, den ab- 4° und den ganz durch die Hauptwärmeaustauscher hin-gezweigten Teilstrom zu reinigen und in der Spülgas- durchgegangenen Strom, die beide letztlich zusammen periode eines der Querschnitte zur Sublimation der der Zerlegung zugeführt werden sollen, schnell auf in diesem Querschnitt zuvor abgelagerten Verunreini- die gleiche Temperatur zu bringen. ,.;.· gungen durch diesen hindurchzusaugen. Bei diesem In weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens ' bekannten Verfahren wird jedoch der abgezweigte 45 werden die bei der Reinigung des weiteren Wärme-Teilstrom nicht der Zerlegung zugeführt. austauschers verdampfenden Verunreinigungen zu-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das sammen mit dem von kondensierbaren Verunreini-

Auftauen des weiteren Wärmeaustauschers ohne Zu- gungen nur teilweise befreiten Teil des Gasgemisches

hilfenahme eines Fremdgases in besonders einfacher angewärmt und als Instrumentenluft verwendet. Dies

Weise zu bewerkstelligen. 50 ist vorteilhaft, denn Instrumentenluft muß, damit sie

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- in der kalten Jahreszeit keine Ausfrierungen in

löst, daß während der Unterbrechungen der von kon- Instrumenten verursacht, trocken sein. Da im Gegen-

densierbaren Verunreinigungen nur teilweise befreite satz dazu die Anwesenheit von Verunreinigungen mit

Teil des Gasgemisches kontinuierlich weiterströmt, bedeutend tieferen Gefrierpunkten keine Rolle spielt,

die in dem Wärmeaustauscher zuvor abgelagerten 55 ist das Gasgemisch für diesen Zweck geeignet.

Verunreinigungen verdampft und nach außen abführt. Gemäß einer anderen Weiterbildung des Erfin-

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird somit dungsgedankens wird der in dem weiteren Wärmedas von dem Hauptwärmeaustauscher abgezweigte, austauscher von Verunreinigungen befreite Teil des nur teilweise gereinigte Gasgemisch kontinuierlich Gasgemisches nach dem Wärmeaustausch mit dem durch den weiteren Wärmeaustauscher geführt, in 60 kalten Gasgemisch vermischt. Infolge des beim dem die Verunreinigungen ausgefroren werden. Zur Mischen eintretenden Verlustes an Bewegungsenergie Reinigung des Wärmeaustauschers wird wie bei dem und der völligen Angleichung beider Temperaturen einen bekannten Verfahren der Strom des kalten, ge- läßt sich die Abscheidung von Verunreinigungen aus reinigten Gasgemisches periodisch unterbrochen, so dem zu reinigenden Gas noch erhöhen und somit ein daß die zuvor abgelagerten Verunreinigungen erfin- 65 größerer Reinheitsgrad erzielen,
dungsgemäß durch das nur teilweise gereinigte Gas- Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, nicht die gemisch selbst verdampft und nach außen abgeführt ganze Menge des am Ende der umschaltbaren Wärmewerden. Diese Unterbrechungen, die so lange dauern, austauscher entnommenen gereinigten Gasgemisches

dem weiteren Wärmeaustauscher zuzuführen, sondern nur einen Teil davon. Der andere Teil wird mit dem gereinigten wärmeren Gasstrom nach dessen Austritt aus dem weiteren Wärmeaustauscher gemischt, worauf die miteinander vermischten Gasströme vor ihrer Entspannung in einen Rektifikator durch einen mit einer wärmespeichernden Masse gefüllten Temperaturausgleichsbehälter geleitet werden. Diese Speichermasse kann so beschaffen sein, daß sie Kohlensäure und Kohlenwasserstoffe adsorbiert. In der Hauptsache hat sie jedoch die Aufgabe, insbesondere nach dem jeweiligen Auftauen des weiteren Wärmeaustauschers, auf die Temperatur der dem Rektifikator zugeführten Luft stabilisierend zu wirken, denn in der ersten Zeit nach dem Auftauen hat die vom weiteren Wärmeaustauscher abströmende Luft eine etwas höhere Temperatur als nach der vollständigen Abkühlung des Wärmeaustauschers.

Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, den teilweise gereinigten Gasstrom um die Rohre des Wärmeaustauschers herumzuführen und das abgekühlte gereinigte Gasgemisch durch die Rohre hindurchzuführen, weil sich die ausgefrorenen Bestandteile einfacher von der Rohroberfläche als aus dem Rohrinneren entfernen lassen.

Gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist der Rohrabstand beim weiteren Wärmeaustauscher von innen nach außen verringert, um den Durchströmungsquerschnitt zwischen den einzelnen Rohrreihen etwa konstant zu halten und somit zu verhindem, daß auf Grund ungleichmäßiger Beaufschlagung der Rohroberfläche einzelne Abschnitte des Wärmeaustauschers vorzeitig verstopfen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Tieftemperaturzerlegungsanlage für Luft zu entnehmen.

Die durch den Turboverdichter 1 verdichtete Luft wird in Teilströmen den beiden Regeneratorpaaren 2, 3 und 4,5 zugeführt. In der gezeigten Schaltperiode strömt die Luft durch die Regeneratoren 2 und 4, während durch die Regeneratoren 3 und 5 die kalten Zerlegungsprodukte aus der Anlage abgeführt werden. An einer Zwischenstelle 6 bzw. 7 der Regeneratoren 4 und 5 werden 2 bis 8 °/o der Gesamtluftmenge bei einer Temperatur von 150 bis 230° K entnommen und dem Wärmeaustauscher 8 zugeführt, in dem die weitere Ausfrierung der in dem entnommenen Gasstrom noch enthaltenen Verunreinigungen erfolgt. Die in den Regeneratoren 2 und 4 auf etwa 85 bis 110° K abgekühlte und gereinigte Luft wird in zwei ungleiche Ströme geteilt, von denen der größere durch die Leitung 9 und über die Turbine 14 in die Zerlegungssäule 15 und der kleinere in die Rohre 10 des Wärmeaustauschers 8 eingespeist wird. Im Wärmeaustauscher 8 wird die die Rohre umströmende, teilweise gereinigte Luft von der kälteren reinen Luft in den Rohren abgekühlt, so daß die in ihr befindlichen Verunreinigungen, insbesondere CO.,, ausfrieren und sich auf der Rohroberfläche absetzen.

Der Abstand zwischen den Rohren 10 ist in der Mitte des Wärmeaustauschers 8 größer als an seinem Umfang, um eine über dem Querschnitt etwa gleich große Luftgeschwindigkeit zu erzielen.

Die beiden Luftströme treten nach dem Wärmeaustausch in die Mischkammer U des Wärmeaustauschers 8 ein, wobei die aus der Zwischenstelle 6 des Regenerators 4 abgezweigte Luftmenge durch eine Öffnung 12 im unteren Rohrboden des Austauschers strömt. In der Mischkammer werden die eventuell noch vorhandenen CO₂-Reste durch die Verwirbelung der beiden Luftströme und den erfolgenden Temperaturausgleich abgeschieden. Im Anschluß daran wird die Luft über die Leitung 23 und das Ventil 21 der Mischkammer 11 entnommen und in den kälteren, durch die Leitung 9 strömenden Luftstrom eingespeist, dann durch den Temperaturausgleichsbehälter 13 geführt, in der Turbine 14 arbeitsleistend entspannt und schließlich der Zerlegungssäule 15 aufgegeben. Die Beheizung des Sumpfes der Säule 15 erfolgt durch eine Schlange, die mit aus der Leitung 9 abgezweigter Kaltluft beaufschlagt wird, wobei die Abzweigungsstelle noch vor der Mündung der von dem Wärmeaustauscher 8 kommenden Leitung liegt. Die Entnahme der Zerlegungsprodukte aus der Säule 15 erfolgt am Fuß durch die Leitung 16 bzw. am Kopf durch die Leitung 17, wobei die Zerlegungsprodukte in bekannter Weise dazu dienen, die Regeneratoren 3 und 5 wieder auf Umgebungstemperatur zu erwärmen.

Ist der Wärmeaustauscher 8 nach einer Laufzeit von etwa einem Monat mit Ausfrierungsbestandteilen beladen, so wird durch Schließen der Ventile 18 und 21 der Strom von kalter, gereinigter Luft unterbrochen und die weiter in den Austauscher durch die Leitung 22 einströmende wärmere, teilweise gereinigte Luft zur Verdampfung der abgelagerten Verunreinigungen verwendet. Gleichzeitig wird das Ventil 20 am Wärmeaustauscher 8 geöffnet, so daß die beladene Spülluft durch die Leitung 19 ins Freie strömt.

Nach relativ kurzer Zeit ist die Rohroberfläche des Wärmeaustauschers 8 von den Ausfrierungsbestandteilen befreit, so daß das Ventil 20 wieder geschlossen und die vor der Spülung geschlossenen Ventile 18 und 21 wieder geöffnet werden können. Die Dauer der Reinigungsperiode ist im Vergleich zur Gesamtbetriebszeit des Wärmeaustauschers 8 so kurz, daß der Verlust an zu zerlegender Luft die Energiebilanz der Gesamtanlage nur unwesentlich beeinflußt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemisches, insbesondere Luft, das vor seiner Zerlegung in umschaltbaren Wärmeaustauschern gekühlt und von kondensierbaren Verunreinigungen befreit wird, wobei aus mindestens einem Wärmeaustauscher ein von kondensierbaren Verunreinigungen nur teilweise befreiter Teil des Gasgemisches abgezweigt und zum Ausfrieren der in ihm noch enthaltenen Verunreinigungen mit dem kalten Gasgemisch in einem weiteren Wärmeaustauscher abgekühlt und wobei die Zufuhr des kalten Gasgemisches zu dem weiteren Wärmeaustauscher periodisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Unterbrechungen der von kondensierbaren Verunreinigungen nur teilweise befreite Teil des Gasgemisches kontinuierlich weiterströmt, die in dem Wärmeaustauscher zuvor abgelagerten Verunreinigungen verdampft und nach außen abführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß das kalte Gasgemisch vom kalten Ende der umschaltbaren Wärmeaustauscher abgezweigt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Reinigung des weiteren Wärmeaustauschers verdampfenden Verunreinigungen zusammen mit dem von kondensierbaren Verunreinigungen nur teilweise befreiten Teil des Gasgemisches abgeführt, angewärmt und als Instrumentenluft verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem weiteren Wärmeaustauscher von Verunreinigungen befreite Teil des Gasgemisches nach dem Wärmeaustausch mit dem kalten Gasgemisch zur Abscheidung weiterer Verunreinigungen vermischt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von kondensierbaren Verunreinigungen nur teilweise befreite Teil des Gasgemisches in dem weiteren Wärmeaustauscher um die Wärmeaustauschflächen dieses Wärmeaustauschers bildende Rohre herumgeführt und das kalte Gasgemisch durch diese Rohre hindurchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem weiteren Wärmeaustauscher von Verunreinigungen befreite Teil des Gasgemisches nach seinem Austritt aus diesem Wärmeaustauscher durch einen mit einer wärmespeichernden Masse gefüllten Temperaturausgleichsbehälter geleitet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit umschaltbaren Wärmeaustauschern und einem nachgeschalteten weiteren Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand zwischen den Rohren (10) im Wärmeaustauscher (8) vom Umfang des Wärmeaustauschers zur Mitte zu in der Weise vergrößert, daß der zwischen den Rohren vorhandene freie Strömungsquerschnitt über den ganzen Durchmesser des Wärmeaustauschers etwa konstant ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen