DE2736491A1

DE2736491A1 - Verfahren zum thermischen isolieren einer verfluessigungsanlage fuer tiefsiedende gase

Info

Publication number: DE2736491A1
Application number: DE19772736491
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Rer Nat Kneuer; Martin Voggenreiter
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1979-02-22
Also published as: DE2736491C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen
Isolieren einer Verflüssigungsanlage für tiefsiedende Gase gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Verflüssigungsanlage.
Bisher war es üblich, die kalten Anlagenteile von Gasverflüssigungsanlagen in ein Doppelmantelgefäß mit dazwischenliegender Hochvakuumisolierung oder in einen einwandigen Vakuumbehälter mit angeschlossener Hochvakuumpumpe einzuschließen. Beide Verfahrensweisen waren jeweils mit gewissen Vor- und Nachteilen verbunden. So erfordert ein Doppelmantelgefäß während des Betriebs zwar keine laufende Vakuumpumpe, ist jedoch in der Anschaffling teurer und für Wartungszwecke nicht so leicht zugänglich wie ein einwandiger Vakuumbehälter. Dieser wiederum muß während des Betriebes laufend evakuiert werden und verlangt somit relativ hohe Betriebskosten. Beim Anfahren der Anlage sind außerdem lange Evakuierzeiten erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Isolieren einer Verflüssigungsanlage für tiefsiedende Gase, das sich gegenüber den bisher üblichen Verfahren durch größere Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Betriebskosten auszeichnet, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Verflüssigungsanlage zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.
Das an sich bekannte Prinzip der Kryosorption ist bisher nicht für den hier vorgesehenen Verwendungszweck herangozogen worden. Es bietet jedoch gegenüber der eingangs geschilderten, bisher üblichen Verfahrensweise und auch gegenüber dem bekannten Prinzip des Kryopumpens erhebliche Vorteile. Zunächst ermöglicht die Anwendung der Kryosorption, den Einsatz von mechanischen Vakuumpumpen auf ein Minimum zu begrenzen, und zwar sowohl hinsichtlich ihrer Leistung als auch hinsichtlich der Einsatzdauer.
Eine mechanische Vakuumpumpe wird nunmehr lediglich zur Erzeugung eines Vorvakuums benötigt, das beispielsweise in der Größenordnung von 10 1 Torr liegen kann. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung des während des Verflüssigungsbetriebes benötigten Hochvakuums wird allein von dem oder den im Vakuumbehälter angeordneten, gekühlten Adsorbern übernommen. ZU diesem Zwecke brauchen also keine leistungsstarken mechanischen Vakuumpumpen mehr zur Verfügung gestellt zu werden, mit deren Verwendung ein erheblicher Aufwand an Betriebs- und Wartungskosten verbunden ist. Der demgegenüber entstehende Kühlaufwand zum Herunterkühlen der Adsorbermasse und zum Abführen der in dieser frei werdenden Adsorptionswärme ist gering. Zum Adsorbieren der nach dem Abschalten der Vakuumpumpen im Vakuumbehälter noch verbleibenden, absolut gesehen geringen Gasmengen werden nämlich nur verhältnismäßig geringe Mengen an Adsorbermaterial benötigt, so daß der benötige Kühlaufw--.d in der Energiebilanz nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Werden die Kryoadsorber innerhalb des Vakuumbehälters auf geeignetem Temperaturniveau gehalten, so gelingt es mühelos, nicht nur die anfangs noch vorhandene Luft, sondern auch die während des Betriebes aufgrund etwa vorhandener kleiner Lecks einströmenden Mengen an Luft oder tiefsiedendem Gas bis auf sehr kleine Restdrücke zu adsorbieren. Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, daß die zum Erreichen des benötigten Endvakuums erforderliche Zeit bei Verwendung der Kryoadsorber wesentlich geringer ist als bei Verwendung von mechanischen Pumpen, beispielsweise von Turbo-Molekularpumpen. So wird etwa zum Evakuieren des Vakuumbehälters einer Helium-Verflüssigungsanlage, dessen freies Volumen etwa 1 m3 beträgt, bis auf einen Enddruck von 10 6 bis 10 7 Torr bei zeitlich aufeinanderfolgender Verwendung einer Vorpumpe und eines auf 5 K abgekühlten Kryoadsorbers, der mit 0,2 1 Aktivkohle versehen ist, einschließlich des Kaltfahrens lediglich eine Zeit von ca. 6 Stunden benötigt. Bei Verwendung einer Turbo-Molekularpumpe würde dies eine Zeit von mehreren Tagen erfordern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Anlagen zur Verflüssigung von Helium als auch bei solchen zur Verflüssigung von Wasserstoff oder Neon angewendet werden.
Gegenüber dem bekannten Prinzip des Kryopumpens weist die Kryosorption den entscheidenden Vorteil auf, daß unabhängig von dem vorgegebenen Zusammenhang zwischen Kondensationsdruck und Kondensationstemperatur gearbeitet werden kann. nird der Kryoadsorber etwa auf der zum Betriebsdruck des Verfahrens gehörenden Kondensationstemperatur des tiefsiedenden Gases gehalten, so ist der hinsichtlich dieses Gases erreichbare Restdruck um mehrere Zehnerpotenzen geringer als bei Verwendung einer Kryopumpe, die auf der Kondensation beruht und bestenfalls lediglich zum Erreichen des Kondensationsgleichgewichtsdrucks führen kann.
Beim Auftreten kleiner Kältelecks, die zum Ausfließen kleiner Mengen des tiefsiedenden Gases führen, ist demnach die Kryosorption am besten geeignet, das benötigte Hochvakuum im Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen tiefsiedender Gase enthält in ihrem Vakuumbehälter Wärmeaustauscher mit Strömungsquerschnitten für verdichtetes abzukühlendes und entspanntes anzuwärmendes Gas, Expansionsmaschinen zum Entspannen von verdichteten Teilströmen, Entspannungsvorrichtungen zum Teilverflüssigen abgekühlten Gases sowie die Wärmeaustauscher-Strömungsquerschnitte, Expansionsmaschinen und Entspannungsvorrichtungen verbindende Leitungen, ist mit mindestens einer, an den Innenraum des Vakuumbehälters angeschlossenen mechanischen Vorpumpe ausgestattet, und ist wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß an den gekühltes und/oder verflüssigtes Gas führenden Leitungen oder Apparateteilen an einer oder mehreren, auf unterschiedlichem Temperaturniveau befindlichen Stellen mit den Leitungen oder Apparateteilen im Wärmekontakt stehende Adsorber angebracht sind.
Eine solche Kälteanlage kann eine separate Verflüssigungslinie und einen damit im thermischen Kontakt stehender geschlossenen Kältekreislauf aufweisen. Die Verflüssigungslinie kann bei überatmosphärischem Druck betrieben werden und, ebenso wie der Kältekreislauf, eine Entspannungsvorrichtung, beispielsweise ein Drosselventil oder einen Ejektor, aufweisen, mit deren Hilfe das tiefsiedende Gas teilverflüssigt wird. Die Anlage kann aber auch so ausgelegt sein, daß die Verflüssigungslinie bei nahezu Atmosphärendruck betrieben wird und keine Entspannungsvorrichtung benötigt, da die Verflüssigung bereits während des Wärmeaustausches mit dem im Kältekreislauf zirkulierenden Medium erfolgt.
Der oder die zur Kryosorption dienenden Adsorber können sowohl mit den Leitungen der Verflüssigungslinie als auch mit denen des Kältekreislaufs im thermischen Kontakt stehen. Die Kryosorption ist aber selbstverständlich auch bei Kälteanlagen anwendbar, in denen die Verflüssigungslinie und der Kältekreislauf überlagert sind und das zu verflüssigende und im Kältekreislauf strömende Gas gemeinsam durch dieselben Wärmeaustauscherquerschnitte fließt.
Als Adsorbermaterial kann außer Aktivkohle auch Zeolith, Aluminiumoxidgel oder Silicagel verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie zwei zu seiner Durchführung geeignete Verflüssigungsanlagen sind in den Abbildungen in schematischer Weise dargestellt.
Figur 1 zeigt eine Verflüssigungsanlage mit dem Kältekreislauf überlagerter Verflüssigungslinie; Figur 2 zeigt eine Verflüssigungsanlage mit separater Verflüssigungslinie, die mit dem Kältekreislauf in indirektem Wärmeaustausch steht.
In Figur 1 strömt das zu verflüssigende tiefsiedende Gas in verdichtetem Zustand durch eine Leitung 1 in den Vakuumbehälter 2 ein. Vor dem Kaltfahren der Anlage wird in dem Vakuumbehälter mittels einer Vorpumpe 16 ein Vorvakuum erzeugt. Das zu verflüssigende Gas durchströmt die Wärmeaustauscher 3, 4, 5 sowie die dazwischenliegenden Adsorber 6, 7, in denen die trotz Vorreinigung im zu verflüssigenden Gas noch enthaltenen Verunreinigungen entfernt werden. Zum Zwecke der Kälteerzeugung werden vom verdichteten Gas durch Leitungen 8, 9 Teilströme abgezweigt, in Expansionsmaschinen 10, 11 entspannt und zum Zwecke der Abkühlung des verdichteten Gasstromes diesem durch Leitung 12 entgegengeführt. In einem Entspannungsventil 13 wird der verdichtete Gasstrom von seinem Anfangsdruck von beispielsweise 30 bar auf nahezu Atmosphärendruck entspannt. Dabei tritt eine Teilverflüssigung des tiefsiedenden Gases ein. Das Zweiphasengemisch wird durch Leitung 15 einem Verbraucher oder Speicherbehälter zugeführt, der dampfförmig gebliebene bzw. verdampfte Anteil durch Leitung 12 zum nicht dargestellten Kreislaufkompressor zurückgeführt. Während des Kaltfahrens wird ein strömungsmäßig oberhalb des Entspannungsventils 13 im engen Wärmekontakt mit der Leitung 1 befindlicher Adsorber 14 ebenfalls auf tiefe Temperaturen gebracht. Die vor Beginn des Kaltfahrens und nach dem Abschalten der Vorpumpe im Vakuumbehälter noch befindlichen geringen Gasmengen werden während des Kaltfahrens allmählich vom Adsorber 14 aufgenommen, da dessen Adsorptionsfähigkeit mit sinkender Temperatur zunimmt. Auf diese Weise kann mittels eines auf 5 K gekühlten Adsorbers im Inneren des Vakuumbehälters mühelos ein Restdruck von 10 7 Torr erreicht werden.
In Figur 2 strömt das zu verflüssigende Medium in einer separaten Verflüssigungslinie durch Leitung 20. Es kühlt sich in den Wärmeaustauschern 23, 24, 25 sowie 26 ab und wird im Wärmeaustauscher 27 teilverflüssigt. Danach wird es einem Kryostaten zugeführt. Die von dem geschlossenen Kältekreislauf zur Verfügung gestellte Kälte reicht aus,das Medium zu verflüssigen, ohne daß es vorher komprimiert und nach Durchströmen der Wärmeaustauscher wieder entspannt werden müßte. Der Kältekreislauf besteht aus einem Kreislaufkompressor 29, einer Leitung für verdichtetes Kältemittel 21, in den Wärmeaustauschern 23, 24, 25 vorgesehenen Strömungsquerschnittenfür verdichtetes Kältemittel, einem zur Entspannung desselben dienenden Ejektor 31, einem daran anschließenden Phasenabscheider 32, einer Leitung 22 für gasförmibcs entspanntes Kältemedium mit den dazugehörigen Wärmeaustausflh#rquerschnitten, sowie einer mittels Leitung 28 einen verdichteten Teilstrom abziehenden Expansionsmaschine 30 zur Kälteerzeuguny. Im Tieftemperaturteil des Kältekreislaufes wird aus dem Abscheider 32 verflüssigtes Kältemittel abgezogen, im Entspannungsventil 19 entspannt, unter Wiederabgabe der Kondensationswärme im Wärmeaustauscher 27 verdampft sowie nach Erwärmung im Wärmeaustauscher 26 vom Ejektor angesaugt. Die Kryoadsorber 17, 18 sind in diesem Falle im Wärmekontakt mit verflüssigtes tiefsiedendes Gas bzw.
verflüssigtes Kältemedium führenden Leitungen angeordnet.
L e e r s e i t e

Claims

Verfahren zum thermischen Isolieren einer Verflüssigungsanlage für tiefsiedende Gase Patentansprüche 1. Verfahren zum thermischen Isolieren einer Verflüssigungsanlage für tiefsiedende Gase durch Evakuieren des Vakuumbehälters der Anlage, der die zur Abkühlung des tiefsiedenden Gases dienenden Wärmeaustauscher sowie diese verbindende Leitungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuumbehälter vor dem Kaltfahren der Anlage ein Vorvakuum erzeugt und während des Kaltfahrens sowie des Verflüssigungsbetriebes mit Hilfe von Adsorbern, die mit gekühltem und/oder verflüssigtem Gas in indirektem Wärmekontakt stehen, ein Hochvakuum erzeugt und aufrechterhalten wird.
2. Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen tiefsiedender Gase, mit einem Vakuumbehälter, in dem Wärmeaustauscher mit Strömungsquerschnitten für verdichtetes abzukühlendes und entspanntes anzuwärmendes Gas, Expansionsmaschinen zum Entspannen von verdichteten Teilströmen, Entspannungsvorrichtungen zum Teilverflüssigen abgekühlten Gases sowie die Wärmeaustauscher-Strömungsquerschnitte, Expansionsmaschinen und Entspannungsvorrichtungen verbindende Leitungen vorgesehen sind, und mit mindestens einer, an den Innenraum des Vakuumbehälters angeschlossenen Vorpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß an den gekühltes und/oder verflüssigtes Gas führenden Leitungen oder Apparateteilen an einer oder mehreren, auf unterschiedlichem Temperaturniveau befindlichen Stel#en mit den Leitungen oder Apparateteilen im Wärmekontakt stehende Adsorber angebracht sind.