DE2547594B2

DE2547594B2 - Verfahren zum Abtrennen von Chlor aus einem Chlorgas und nicht Kondensierbares Gas enthaltenden Gasgemisch

Info

Publication number: DE2547594B2
Application number: DE2547594A
Authority: DE
Inventors: Daniel Leland New Marinsville W.Va. Curtis; Jphn David Bellaire Ohio Earls; Joseph Elmer New Martinsville W.Va. Fraker jun.
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1974-10-30
Filing date: 1975-10-24
Publication date: 1981-03-26
Also published as: NO753607L; FR2289439A1; DE2547594C3; JPS5167262A; FR2289439B1; US3954430A; NO141131C; NL160382C; JPS5347296B2; CA1027033A; BE834986A; IT1047297B; DE2547594A1; NL7512049A; GB1531005A; NL160382B; NO141131B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Chlor aus einem Chlorgas und nicht kondensierbares Gas enthaltenden Gasgemisch, durch Kondensation des Chlorgases, wobei das Gasgemisch in mehreren hintereinandergeschalteten Verdichterstufen verdichtet und nach jeder Verdichtung gekühlt wird, nach der letzten Verdichtung soweit abgekühlt wird, daß ein Teil des Chlorgases kondensiert und ein Teil des so verflüssigten Chlorgases zur Abkühlung des Chlorgas enthaltenden Restgases mit dem Restgas in Wärmetausch gebracht wird, wobei die Chlorgasbestandteile des Restgases kondensieren und das verflüssigte Chlorgas teilweise verdampft und der Chlordampf dem Gasgemisch zugeführt wird.

Die typische Arbeitsweise einer Chlor-Alkalianlage besteht darin, daß man das aus den elektrolytischen Zellen abgetrennte Chlorgas trocknet, um den Wasserdampf zu entfernen, der mit dem Chlorgas ausgetragen wird. Das getrocknete Zellengas enthält in typischer Weise etwa 1 bis etwa 3 Gew.-% und besonders häufig etwa 1,2 bis etwa 1,5 Gew.-°/o nicht kondensierbare Bestandteile. Diese nicht kondensierbaren Bestandteile umfassen Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. Im allgemeinen umfassen die nicht kondensierbaren Bestandteile etwa 0,2 bis etwa 03Gew.-% Wasserstoff, etwa 50 bis etwa 70% Sauerstoff, etwa 0 bis etwa 20Gsw.-% Kohlendioxid und etwa 20 bis etwa 30 Gew.-% Stickstoff. Im allgemeinen hat das von den Trockeneinrichtungen erhaltene Chlorgas eine Temperatur von etwa 10 bis etwa 40⁰C und einen Druck von etwa 0,51 bis etwa 5,01 bar.

Im allgemeinen wird Chlor ir einen vielstufigen Kreisel- bzw. Zentrifugalkompressor mil mehrmaliger Zwischenkühlung auf einen Druck von etwa 12,2 bis 13,2

bar komprimiert.

Die dabei erhaltene komprimierte Chlorgasmischung kann in einfacher Weise verflüssigt werden, indem man sie beispielsweise durch einen Verflüssiger schickt, um eine Abkühlung des Chlors auf etwa 35" C oder tiefer zu erhalten, wodurch ein beträchtlicher Teil des Chlor verflüssigt wird.

Der nach der Verflüssigung des Chlors verbleibende gasförmige Anteil wird in dem Verflüssiger abgetrennt

ίο Diese zweite Gasmischung enthält in Abhängigkeit des Druckes und der Temperatur der Chlorkcndensation etwa 5 bis etwa 20% und besonders häufig etwa 8 bis etwa 15% nicht kondensierbare Bestandteilc-Derartige Bestandteile sind im allgemeinen Wasserstoff, Sauer stoff. Kohlendioxid, Stickstoff und Spuren anderer Gase. Nach dem Stand der Technik kann man das Chlor in emer noch geeigneteren Arbeitsweise aus der zweiten gasförmigen Mischung dadurch auskondensieren, daß man die zweite Gasmischung mit Kältemitteln, wie z. B.

fluorierten Kohlenwasserstoffen, abkühlt Es ist außerdem bekannt, kondensiertes Chlor zum Abkühlen der zweiten Gasmischung zu verwenden, so daß das in der zweiten Gasmischung enthaltene Chlor verflüssigt wird. Das verdampfte Chlor wird der ersten Stufe des Kompressors zugeführt (vgl. dazu beispielsweise die GB-PS 3 53 704 und 11 64 069). Aus der US-Patentschrift 32 30 724 ist ein Verfahren zum Verflüssigen von Chlor aus einer Chlorgas und nicht kondensierbare Gase enthaltenden Gasmischung bekannt, bei dem die Gasmischung innerhalb einer Kompressionseinrichtung verdichtet, zu einem Verflüssiger geleitet und das verflüssigte Chlor und eine zweite Gasmischung abgetrennt wird, wobei das verflüssigte Chlor als Kältemittel verwendet wird.

Dennoch werden in allen Verfahrensweisen nach dem Stand der Technik, die verflüssigtes Chlor als Kühlmittel verwenden, nur eine einzige Kühlstufe offenbart, wobei das verdampfte Kühlmittel zur ersten Stufe des Kompressors rückgeführt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem cürrh mehrstufiges Arbeiten eine bessere Ausnutzung von Temperatur- und Druckdifferenzen möglich ist und das somit zu einer erheblich verbesserten Ausnutzung der aufgewandten

Energie führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren, wie es eingangs aufgezeigt wurde, vorgeschlagen, daß der Wärmetausch zwischen dem verflüssigten Chlorgas und dem Restgas in mehreren,

v> der Verdichterzahl entsprechenden Stufen durchgeführt wird, wobei der Druck des verflüssigten Chlorgases in den einzelnen Wärmetauschstufen so eingestellt wird, daß das verdampfte Chlorgas jeweils einer zugehörigen Verdichterstufe zugeführt werden kann.

Das Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß es zur Kondensation des Chlorgases wenig Energie benötigt. Weiterhin wird nur wenig Chlor in Gasform aus dem System abgezogen und es sind keine zusätzlichen Kühlmittel erforderlich.

«J Bei der Durchführung des Verfahrens wird der ersten Verdichterstufe eine Gasmischung zugeführt, die mehr als etwa 0,8% nicht kondensierbare Bestandteile enthält und der Wärmetausch so durchgeführt, daß mindestens etwa 97% des in der Gasrnischung enthaltenen Chlors

*>j als eine im wesentlichen von nichl kondensierbaren Bestandteilen freie Flüssigkeit abgetrennt wird. Im allgemeinen enthält das Speisegas etwa 0,002 bis etwa 0.005 Gew.-% Wasserstoff, etwa 0.2 bis etwa

2,0 Gew,-% Sauerstoff, etwa 0,2 bis etwa 2,0 Gew.-% Stickstoff und etwa 0,0 bis etwa 0,30 Gew.-% Kohlendioxid. Die zweite Gasmischung, die nach Abtrennung des Chlors im Verflüssiger gasförmig bleibt, enthält etwa 0,016 bis etwa 0,05 Gew.-% Wasserstoff, etwa 1,6 bis etwa 24,0Gew,-% Stickstoff, etwa 0,0 bis etwa 4,8Gew.-% Kohlendioxid und etwa 1,6 bis etwa 24,0 Gew.-% Sauerstoff.

Ein Teil des verflüssigten Chlors, das in dem Verflüssiger abgetrennt worden ist, wird einer Economizereinrichtung als dessen Kühlmittel weitergeleitet. Dabei wird eine indirekte Wärmeübertragung zwischen dem verflüssigten Chlor als Kältemittel und der zweiten Gasmischung geschaffen, die dazu dient, das Chlor aus der zweiten Gasmischung auskondensieren zu lassen, währenddessen gleichzeitig ein Teil des verflüssigten Chlorkältemittels, welches zu dem Economizer weitergeleitet wird, verdampft.

Kennzeichnend für eine bevorzugte Verfahrensführung ist, daß die Ternperaturdifferenz zwischen dem als Chlorkältemittel verwendeten verflüssigten Chlorgas und der zweiten Gasmischung etwa 1,0 bis etwa 5,0° C beträgt.

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr annand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt:

F i g. 1 ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines zwischengeschalteten Economizers,

F i g. 3 ein Fließschema einer vollständigen Verflüssigungsanlage.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Chlor enthaltende Gasgemisch durch die Leitung 71 einer Kompressoreinrichtung 10 zugeführt, die mehrere Kompressorstufen 11 bis 18 in mehreren Kompressor- !5 gehäusen 1 bis 4 aufweist. Das Gasgemisch wird in der Kompressoreinrichtung 10 verdichtet, wobei es nach jeweils zwei Kompressorstufen zur Zwischenkühlung über zwischen die Kompressorgehäuse 1 bis 4 eingeschaltete Zwischenkühler 21,22,23 geleitet wird, -to

Nachdem das komprimierte Gasgemisch die letzte Stufe 18 des Kompressors 10 verlassen hat, wird es in einem Nachkühler 24 gekühlt und in einem Verflüssiger 25 teilweise verflüssigt. Dabei fällt neben dem verflüssigten Chlor eine zweite Gasmischung an, die etwa 65 bis etwa 95Gew.-% Chlorgas und einen entsprechenden Restanteil an nicht kondensierbaren Bestandteilen enthält. Das Chlorgas wird aus der zweiten Gasmischung dadurch auskondensiert, daß man einen Teil des verflüssigten Chlorkältemittels zu gasförmigem Chlor verdampft, indem man einen indirekten Wärmetausch irv den Lconomizern 31 bis 34 vornimmt. Dabei wird die Wärme von der zweiten Gasmischung auf das verflüssigte Chlorkältemittd übertragen, wodurch das Chlor aus der zweiten Gasmischung auskondensiert. währenddessen das verflüssigte Chlorkältemittel teilweise verdampft.

Die Economizer können Röhrenwärmeaustauscher sein, wie dies in F i g. 2 für den Economizer 32 gezeigt wird. Die zweite Gasmischung, die Chlor und nicht kondensierbare Bestandteile enthält, tritt in den Wärmetauscher 32 durch einen seitlichen Röhreneintritt 62 ein und durch einen seitlichen Rahrenaustritt 61 aus, währenddessen das verflüssigte Chlorkältemittel in den Wärmetauscher 32 durch einen seitlichen Gehiiuseein- t>'i Lt(I 42 eintritt und durch einen seitlichen Gehäuseauslaß 4! iiustritt. Das verdampfte Chlorkältemittel tritt aus dem Wärmetauscher durch einen seitlichen Auslaß 52 aus. Das verdampfte Chlorkältemittel wird von dem Wärmetauscher 32 durch den Auslaß 52 abgezogen und zu der Kompressionsstufe 13 in ein Kompressorgehäuse 2 geleitet.

Das verflüssigte Chlorkältemittel hat in der Regel eine um etwa 0_r5 bis etwa 20°C geringere Temperatur als die zweite Gasmischung in den einzelnen Wärmetauschern. Besonders bevorzugt liegt diese Temperaturdifferenz bei 1,0 bis 5,0⁰C.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das verflüssigte Chlorkältemittel zu einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Economizern 31 bis 34 entgegengesetzt zu dem Chlorstrom durch die Kompressoren 1 bis 4 geleitet. Dabei wird der Druck des Chlorkältemittels entlang der Economizerreihe 30 reduziert, wodurch der Dampfdruck des Chlors gesenkt und ein Teil des verflüssigten Chlorkältemittels bei sinkenden Drücken entlang der Economizerreihe 30 verdampft wird. Das derart verdampfte Chiorkältemittel wird zu je einem dazwischenliegenden Kompressor zurückgeschickt, dessen Eingangsdruck geringfügig unter dem Druck der KältemittelseitfMes Economizers liegt, mit der er in Verbindung steht, Inio'gedessen hat z. B. die Kältemittelseite des Economizers 34 einen größeren Druck als der Zufluß zu der Kompressorstufe 17 des Kompressors 4, zu der das verdampfte Kältemittel geschickt wird. Entsprechendes gilt für die anderen Kompressionsstufen. Im allgemeinen wird der Druck der Kältemittelseite des Economizers den Einlaßdruck an der zu ihm parallelen Kompressorstufe mit etwa 0,0203 bar und in der Regel nut weniger als 0304 bar überschreiten.

Im Sinne der Erfindung wird ein Kompressor als parallel zu einem Economizer geschaltet bezeichnet, wenn der Eingangsdruck zu diesem Kompressor geringer ist als der Druck an der Kältemittelseile des in Frage kommenden Economizers, jedocL der Einlaßdruck zu der nächsten benachbarten Kompressorstufe größer ist a!s der Druck an der Kältemittelseite desselben Economizers. Infolgedessen ist beispielsweise der Economizer 31 parallel zu der Kompressorstufe 11 des Kompressors 1 geschaltet, weil an der Kältemittelseite ein größerer Druck als am Einlaß der Konipressorstufe 11 des Kompressors 1 herrscht, jedoch ein geringerer Druck als am Einlaß der Kompressorstufe 12 des Kompressors 1. Infolgedessen wird gemäß der Erfindung das verflüssigte Chtorkältemittel, das in einem Economizer verdampft wird, von dem Economizer abgezogen und gelangt zu dem Einlaß des Kompressors, der parallel zu dem Economizer angeordnet ist.

Wie in den Figuren gezeigt wird, kann beispielsweise das in dem Economizer 34 verdampfte Chlorkältemittei über die Leitung 54 zu dem parallelen Kompressor 4 gelangPi.

Das aus der zweiten Gasmischung verflüssigte Chlor kann über die Leitungen 81 bis 84 (F i g. 3) abgeschieden werden. Alternativ kann das auskondensierte Chlor auch über die gesamte Economizerreihe 30 hinausgeführt werden und die gesamte Chlormenge an deren Ende abgeschieden verden. Das auskondensierte Chlor kann auch in Gegenwart des ersten verflüssigten Chlors eingedampft werden, um das erste verflüssigte Ch'or zu unterkühlen.

Das Gasendprodukt der [ioonomizet leitung 60 ist mit nicht komlcnsierbaren Bestandteilen angereichert. Es kann mehr als 50i"/cw.-^-' nicht kondensierbf.rc Bestandteile enthalten, d.h. wcniecr als 50Gcw-%

Chlor und vorzugsweise mehr als 70 Gcw.-% nicht kondensierbare Bestandteile, d. h. weniger als 30 Gcw.-% Chlor.

Das gasförmige Chlor, das durch Verdampfung des verflüssigten Chlorkältemittels in den einzelnen Eeonomi/.ern erhalten worden ist. wird zu den parallelen Kompressoren geschickt und mit der ersten Gasmischung wie oben beschrieben komprimiert.

In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung hat der Zufluß zu dem Kompressor 1, der die Stufen Il und 12 umfaßt, eine Temperatur von etwa I5^CC und einen Druck von ctwn 1,01 bar. Das komprimierte Produktgas, das von dein ersten Kompressor I abgetrennt wird, hat ehe Temperatur von etwa VC und einen Druck von etwa 1,51 bar. Dieses Produktgas wird dann mit Hilfe eines Zwischcnkühlcrs 21 auf eine Temperatur von etwa .!7.8"C abgekühlt und zu den Kompressorstufen 13 md 14 in dem Kompressor 2 geleitet. Dort wird (.ins Gas auf etwa 3.11 bar t/Miinrimi^rl »irwt auf PtU₁:! 1 1 S° (' ailfaphpi/t Πϊρςι·*; CtXK ■" — '"f -..-.....—... - - _ _c . _

wird sodann in einem Zwischenkühler 22 auf 37 C abgekühlt und zu dem Kompressor 3 geschickt. Das komprimierte Gas. das von den Kompressorstufen 15 und 16 des Kompressor 3 abgegeben worden ist. hat eine Temperatur von etwa !2TC und einen Druck von etwa 6.2 bar. Es wird auf eine Temperatur von etwa 37.8"C in dem Zwischenkühler 23 abgekühlt und sodann /u den Kompressorstufen 17 und 18 des Kompressors 4 weitergeleitct. Das erwärmte Gas, das von den Kompressorstufen 17 und 18 abgegeben wird, hat eine Temperatur von etwa 1 15 C und einen Druck von etwa 12.7 bis 13,2 bar. Dieses Gas wird sodann in dem Nachkühler 24 auf etwa 14"C abgekühlt und wird zu dem Verflüssiger 25 weitergeleitet, wo es mit Hilfe von Wasser oder einem anderen geeigneten Kühlmittel auf eine Temperatur von 29"C weiter abgekühlt wird. Annähernd 85 bis 96 Gew.-% des Chlors werden in diesem Verflüssiger ;!5 kondensiert. Eine zweite gasförmige Mischung, die etwa 85 bis etwa 95 Gew.% Chlor und den entsprechenden Restprozentsatz nicht kondensierbarer Bestandteile enthält, u ird abgetrennt.

Ein Strom 44 verflüssigten Chlors wird von dem Speicher 26 abgezogen und als Kältemittel in dem Vielstuf en-Economizer'« erwendet.

Der Gaszufluß 64 zu der ersten Stufe des Economizers 34 hat eine Temperatur von etwa 35° und einen Druck von etwa 12.7 bar an der Stelle, wo er mit dem Strom 44 des verflüssigten Chlorkältemittels in Berührung kommt, das eine Temperatur in der Nähe der Sättigungstemperatur am Einlaß der Kompressorstufe 17 des Kompressors 4 besitzt. Wenn Verunreinigungen mit hohem Dampfdruck in dem Chlorkältemittel vorhanden sind, kann das Kältemittel eine Temperatur besitzen, die geringfügig unter der Sättigungstemperatur am Einlaß der Kompressorstufe 17 des Kompressors 4 liegt. Wenn andererseits das Chlorkältemittel im wesentlichen reines Chlor ist, wird es eine Temperatur haben, die ein wenig über der Temperatur liegt, die mit der Sättigungstemperatur am Einlaß der Kompressorstufe 17 des Kompressors 4 übereinstimmt. In dieser Stufe werden annähernd 10 bis 80 Gew.-% Chlor innerhalb der zweiten gasförmigen Mischung auskondensiert. Das verdampfte Chlorkältemittel wird durch

die Leitung 54 von dem Economizer 34 /u dem Einlaß des Kompressors 4 geleitet. Ferner wird das aus dem /weiten Gasstrom iiiskondensierte Chlor über die Leitung 84 abgeschieden, während der Restanteil der zweiten gasförmigen Mischung 63 zu dem Economizer .33 weitergeleilet wird.

Das verflüssigte Chlorkältemittel 43 wird bei 17.2 C und 6,3 bar entspannt und anschließend im Economizer 33 bei —3,3" C und 3,31 bar verdampft Dies ergibt eine Abkühlung des zweiten Gasstromes 63 von 20°C auf - TC und eine Kondensation von zusätzlichen 17 bis 22 Gew. % Chlor innerhalb des zweiten Gasstromes. Sodann wird das verdampfte Chlorkaltemittel durch eine Leitung 5 3 von dem Economizer 33 hei einem Druck von 3.3! bar zu dem Einlaß des Kompressors 3 geleitet, wobei der Einlalidruek des Kompressors 3 hei etwa 3.17 bar liegt, was einen Druckunterschied von etwa 0.1 32 bar ausmacht.

Das verflüssigte Chlorkältemittel 42 wird bei einer Trmnrratnr von — ] \ 3ⁿC" uncl rini'Mi Druck von J..il bar entspannt und anschließend im Economizer 32 bei einer Temperatur von -23"C und einem Druck von 1,5b bar verdampft, wobei die zweite Gasmischung 62 abgekühlt wird Das verdampfte Chlorkältemittel wird durch die Leitung 52 von dem Economizer 32 zu dem Einlaß des Kompressors 2 weitergeleitet.

Das verflüssigte Chlorkältemittel 41 wird weiter entspannt, wonach der geringe Rest an verbleibender zweite" Gasmischung 61 im Economizer 31 abgekühlt wird. Das verdampfte Chlorkältemittel wird dabei durch die Leitung 51 vom Economizer 31 zu dem Einlaß des Kompressors I weitergeleitet.

Die zweite Gasmischung 60, die von der letzten Eeonomizcrstufc 31 der Economizereinrichtung 30 abgegeben worden ist, enthält etwa 72 Gew. % nicht kondensierbare Bestandteile, wodurch eine Endausbeute von 97 bis 99,9 Gew.% Chlor aus dem Zuflußgas 71 als verflüssigtes Chlor erzielt wird.

Man kann das Verfahren nach der Erfindung auch zur Herstellung eines hochgereinigten Chlorgasproduktes aus einem verschmutzten Chlorgas verwenden. Ein derartiges verschmutztes Chlorgas enthält einen hohen Anteil an niedersiedenden Komponenten, z. B. Sauerstoff. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine Leitung von dem Flüssigkeitsraum des Chlorgastankes 26 bis zu der Gehäuseseite des Chlorverflüssiger 25 gelegt werden. Das verflüssigte Chlor, das von dem Flüssigkeitsraum des Tankes 26 abgezogen worden ist. wird dabei als Kältemittel an der Gehäuseseite des Verflüssigers 25 verdampft. Diese Maßnahme verringert die Kühlbelastung des Verflüssigers 25. während ein im wesentlichen gereinigtes Chlorgasp'odukt erhalten wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Zufluß des Chlorkältemittels von dem Tank mit verflüssigtem Chlor 26 zu den einzelnen Economizern 31 bis 34 dadurch erfolgen, daß man getrennte Leitungen für das Chlorkältemittel von dem Chlortank 26 zu den einzelnen Economizern 31 bis 34 vorsieht Das verdampfte Chlorkältemittel wird sodann zu dem Einlaß des parallel zu dem entsprechenden Economizer befindlichen Kompressors weitergeleitet, wie es zuvor beschrieben wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verfahren zum Abtrennen von Chlor aus einem Chlorgas und nicht kondensierbares Gas enthaltenden Gasgemisch durch Kondensation des Chlorgases, wobei das Gasgemisch in mehreren hintereinandergeschalteten Verdichterstufen verdichtet und nach jeder Verdichtung gekühlt wird, nach der letzten Verdichtung soweit abgekühlt wird, daß ein Teil des Chlorgases kondensiert und ein Teil des so verflüssigten Chlorgases zur Abkühlung des Chlorgas enthaltenden Restgases mit dem Restgas in Wärmetausch gebracht wird, wobei die Chlorgasbestandteile des Restgases kondensieren und das verflüssigte Chlorgas teilweise verdampft und der Chlordampf dem Gasgemisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch zwischen dem verflüssigten Chlorgas und dem Restgas in mehreren, der Verdichterzahl entsprechenden Stufen durchgeführt wird, wobei der Druck des Verflüssigten Chlorgases in den einzelnen Wärmetauschstufen so eingestellt wird, daß das verdampfte Chlorgas jeweils einer zugehörigen Verdichterstufe zugeführt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem als Chlorkältemittel verwendeten verflüssigten Chlorgas und der zweiten Gasmischung etwa 1,0 bis etwa 5,0⁰C beträgt