DE2950810A1

DE2950810A1 - Verfahren zur beseitigung von niederschlaegen in waermetauschern von tieftemperatur-anlagen

Info

Publication number: DE2950810A1
Application number: DE19792950810
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 4370 Marl E Bromme; Waldemar Dipl.-Ing. 4370 Marl Krebs
Original assignee: Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1979-12-17
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1981-06-25
Also published as: GB2070753A; CA1142913A; BR8008188A; GB2070753B; ATA612880A; AT375178B; FR2479440A1; US4351654A

Description

CHEMISCHE WERKE HÜLS AG : -A. O. Z. 3607

- RSP PATENTE - &

Verfahren zur Beseitigung von Niederschlägen in Wärmetauschern von Tieftemperatur-Anlaqen

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher in Tieftemperatur-Anlagen; diese sind entweder mit Speichermasse gefüllte Wärmetauscher, die Regeneratoren, oder im Umschaltbetrieb gefahrene Rekuperatoren. Die Erfindung bezweckt, die auf den Wärmetausch-Flächen und der Speichermasse dieser Wärmetauscher bei tiefen Temperaturen gebildeten Niederschläge auf wirtschaftliche Weise zu beseitigen.

In der Tieftemperatur-Technik werden zur Abkühlung von Gasen, die kondensierbare Bestandteile enthalten ("feuchte Gase"), Wärmetauscher eingesetzt. Die kondensierbaren Bestandteile schlagen sich in der Warmperiode auf der Speichermasse und auf den Wärmetausch-Flächen in bestimmten Temperatur-Bereichen nieder. Beim Abkühlen von feuchter Luft beispielsweise kondensiert am warmen Ende eines Regenerators Wasser auf der Speichennasse, sobald die Luft unter ihren Taupunkt abgekühlt ist; dieser Niederschlag geht dort in Wassereis über, wo die Speichermasse kälter als 0 ⁰C ist. Am kalten Ende eines Regenerators im Temperaturbereich zwischen etwa -120 C und -140 ⁰C sublimiert

Kohlendioxid; dort bildet sich CO^Schnee. In einem im Umschaltbetrieb gefahrenen Rekuperatoren bilden sich entsprechende Niederschläge; der Einfachheit halber werden im folgenden jedoch nur die Vorgänge im Regenerator beschrie-5 ben.

In der Kaltperiode werden diese Niederschläge durch das am kalten Ende des Regenerators eingeleitete Kaltgas wieder ausgetragen. Die Zeitdauer von Warm- und Kaltperiode ist eine anlagenspezifische Größe. Im allgemeinen dauert in Tieftemperaturanlagen die Kaltperiode etwas länger als die Warmperiode, damit bis zum Ende der Kaltperiode sämtliche Niederschläge möglichst vollständig entfernt werden.

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Wie die Erfahrung bei ζ. B. mit Luft betriebenen Tieftemperatur-Anlagen jedoch zeigt, wird der Strömungswiderstand der Regeneratoren im Laufe mehrerer Monate bei Dauerbetrieb allmählich größer, wodurch ihr Gasdurchsatz und damit der Wirkungsgrad der Anlage allmählich abnehmen. Aus diesem Grunde ist es praktisch bisher unumgänglich, nach einer Betriebsdauer von etwa einem Jahr die Regeneratoren vollständig abzutauen, d. h. die Regeneratoren und damit die gesamte Tieftemperatur-Anlage auf Umgebungstemperatur zu erwärmen und mit Gas zu spülen.

Solange der Abtauvorgang mit einer ohnehin notwendigen Abstellung der gesamten Anlage verbunden werden kann, ist er nicht störend. In der Vergangenheit wurde die Betriebsdauer von für Dauerbetrieb ausgelegten Tieftemperatur-Anlageh apparateseitig jedoch auf mehrere Jahre vergrößert; deshalb versucht man, jeden Abtauvorgang, der zwischen zwei apparateseitig bedingten Abstellungen der gesamten Anlage liegt, zu vermeiden. Vor allem in für Dauerbetrieb ausgelegten Großanlagen sind Totalabstellungen zeitraubend und erfordern zusätzlich einen großen Aufwand an Energie.

Damit stellt sich die Aufgabe, während des mehrjährigen Dauerbetriebes einer Tieftemperatur-Großanlage die Regeneratoren, deren Gasdurchsatz weger, nicht vollständig entfernter Niederschläge kondensierbarer Bestandteile bei unveränderten Betriebsbedingungen gegenüber dem Anfangswert zu weit abgenommen hat, ohne Totalabstellung der gesamten Anlage wieder auf annähernd den Anfangswert des Gasdurchsatzes zu bringen. *

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch kujzzeitiges Einfahian von warmem Gas, das eine Temperatur zwischen 0 C und +110 C aufweist und keine kondensierbaren Bestandteile enthält, am kalten Ende des Wärmetauschers» Dieses

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Spülen des Wärmetauschers erfolgt zwischen zwei apparateseitig bedingten Totalabstellungen der Anlage,d. h# in einem zeitlichen Abstand von mehreren Monaten« Dabei wird die geaamte Tieftemperatur-Anlage zwar für wenige Stunden außer Betrieb genommene Der Tieftemperatur-Teil der Anlage bleibt jedoch tiefkalt, und die Regeneratoren werden im Mittel . weniger warm als bei einer Totalabstellung· Die gesamte Anlage läßt sich bereits nach wenigen Stunden wieder auf volle Leistung bringen _t

Das warme Gas wird möglichst nahe dem kalten Ende des Regenerators eingefahren, beispielsweise in den Ventilkasten oder zwischen Ventilkasten und Regeneratorende. Es verläßt den Regenerator über die gleichzeitig geöffneten Auslaßklappen am warmen Ende, wobei der Regenerator annähernd drucklos bleibt.

Weiter hat sich bewährt, die Auslaßklappen am warmen Ende des Regenerators zunächst geschlossen zu halten und den Regenerator mittels des warmen Gases auf einen Druck zu bringen, der unterhalb des im Regenerator während einer Warmperiode herrschenden Druckes liegt. Falls die Ventile im Ventilkasten nicht hinreichend dicht geschlossen sind, darf hierbei der Druck im Niederdruckbereich des Tieftemperaturteils der Anlage jedoch nicht bis zum Ansprechdruck des dort vorhandenen Sicherheitsventils steigen. Nachdem dieser Druck im Regenerator kurze Zeit aufrecht erhalten wurde, wird das Gas im Regenerator über die Auslaßklappen am warmen Ende des Regenerators möglichst stoßartig entspannt.

Das warme Gas kann bei umschaltbaren Wärmetauschern auch während einer Kaltperiode dem Kaltgas vor dessen Eintritt in das kalte Ende des Regenerators beigemischt werden.

Der Anteil des warmen Gases liegt dabei zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent der Kaltgasmenge, die Temperatur des

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warmen Gases zwischen O C und +110 C. Damit der Regenerator am Ende dieser Kaltperiode direkt wieder auf eine Warmperiode geschaltet werden kann, darf er am kalten Ende nicht wärmer als -155 C sein. Bei diesem Verfahren bleibt die Leistung der Tieftemperatur-Anlage praktisch voll erhalten. Die Niederschläge im Regenerator werden bei diesem Verfahren jedoch nicht so weitgehend entfernt wie durch das Einblasen von warmem Gas allein.

Das wärme Gas muß frei von kondensierbaren Bestandteilen sein; es wird z. B. durch Verdampfen eines geeigneten, d. h. in der Anlage ohnehin vorhandenen Flüssiggases hergestellt.

Der am kalten Ende des Regenerators vorhandene CO.-Schnee wird annähernd vollständig entfernt, wenn der Regenerator an jeder Stelle wärmer ist als -110 C.

Das Verfahren kann zwischen zwei Totalabstellungen einer im Dauerbetrieb gefahrenen Tieftemperatur-Anlage bei Bedarf wiederholt angewendet werden.

Das benötigte warme Gas wird außerhalb der Tieftemperatur-Anlage vorgewärmt, an der Anlage selbst sind außer des Einspeisestutzens für das wärme Gas an jedem Regenerator keine änderungen notwendig.

Solange für eine bestimmte Tieftemperatur-Anlage die optimalen Bedingungen für das Einfahren von warmem Gas nicht hinreichend bekannt sind, ist es zweckmäßig, die Austracung des wieder in die Gasphase Überführten störenden Niederschlags mittels bekannter Gasanalysengeräte zu überwachen, deren Fühler in der Abgangsleitung am warmen Ende des Regenerators angebracht werden.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine zusätzliche Totalabsteilung zwischen zwei apparateseitig bedingten Totalabstellungen vermieden wird, lassen sich mit dem Ver-

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fahren erhebliche Energiemengen einsparen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an folgenden Beispielen erläutert, denen beispielhaft folgende kontinuierlich betriebene Tieftemperatur-Anlage für die Luftzerlegung zu Grunde gelegt ist:

Die Anlage enthält 7 Regeneratoren mit jeweils ca. 90 η Leervolumen, die mit jeweils ca. 120 t Quarzsteinen als Speichermasse gefüllt sind. Die Anlage nimmt ca. 179 t/h (entsprechend ca. 140 000 m A) Luft auf und gibt folgende Mengen ab:

25 tA Rein-Stickstoff gasförmig bei 6 bar und + 15 C

21 tA Rein-Sauerstoff gasförmig bei IA bar und + 15 ⁰C

1,3 tA Rein-Stickstoff flüssig bei 6 bar und -176 °C

1,5 tA Rein-Sauerstoff flüssig bei 1,1 bar und -177 ⁰C

130,2 tA Kaltgas (während der Kaltperiode der Regeneratoren) .

Die Anlage hat eine Leistung von ca. 13 MW (entsprechend ca. 476 GA· Die apperateseitige Betriebsdauer zwischen zwei Totalabstellungen beträgt 4 Jahre.

Die Warmperiode für jeden Regenerator dauert 10 min, die Kaltperiode 13 min. Die Temperaturen an den Regenerator-Enden sind im stationären Zustand z. B.:

	Schluß*!	warmes Ende	kaltes	Ende
Kaltperiode	Beginn J	+ 20 °C	-165	°c
Warmperiode	Schluß 1
Warmperiode	Beginn/	+25 °C	-160	°c
Kaltperiode

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Vergleichsbeispiel
Die Betriebsdauer zwischen zwei Totalabstellungen der Anlage wegen des Abtauens der Regeneratoren beträgt etwa ein Jahr. Der Zeitbedarf für das Abstellen, das Abtauen der Regeneratoren und das Anfahren beträgt mindestens 6 Tage und verlangt einen Energiebedarf von etwa 800 MWh (entsprechend etwa 2880 GJ) .

Beispiel 1; Spülen der Regeneratoren mit warmem Gas Die Anlage wird nach etwa einem Jahr kontinuierlichem Betrieb wie folgt außer Betrieb genommen: Die Luftzufuhr zu den Regeneratoren wird unterbrochen, der Tieftemperatur-Teil wird vom Regeneratorteil abgesperrt. In alle Regeneratoren gleichzeitig wird warmes Gas eingefahren, undzwar auf etwa +17 ⁰C angewärmtes Stickstoffgas, das aus flüssigem Stickstoff hergestellt wurde. Jeder Regenerator wird etwa 1,5 Stunden lang mit 4,6 t/h warmem Gas annähernd drucklos gespült. In der Auslaßleitung wird der C0₂~Gehalt kontinuierlich gemessen. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Regenerate]	c Luftdurchsatz vor dem Spülen	CO.-Gehalt im Maximum	Lu f t du r ensat ζ nach dem Spülen
Nr.	ro³/h	ppm	m³/h
1 2 3	17 800 18 200 18 300	310 25o 24o	19 600 19 900 19 700
4 5 6	19 500 17 400 18 100	100 280 270	19 800 19 700 19 500
7	17 200	350	19 800
	126 500		138 000

Mif'COj-Gehalt im Maximum" wird der Maximalwert des auf einem Schreiber registrierten zeitlichen Verlaufs des CO,-Gehalts bezeichnet.

Der Regenerator 4 war offenbar mit relativ wenig CO.-Schnee belegt. Nach dem Spülen mit warmem Gas haben alle Regeneratoren wieder den normalen Durchsatz von 19 500 bis 20 000 m³/h. Das Abkühlen der Regeneratoren auf - 165 ⁰C am kalten Ende

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dauert etwa 3 Stunden. Die Anlage hat nach 5,2 Stunden wieder ihre volle Leistung» Der Energiebedarf für diesen Vor^ gang beträgt etwa 44 MWh,

Beispiel 2; Zusatz von warmem Gas während einer Kaltperiode In einen Regenerator werden mit Beginn der Kaltperiode 3,8 t/h Stickstoffgas von +17 C, das keine kondensierbaren Anteile enthält, zusätzlich zum Kaltgas eingefahren; die Kaltperiode dauert 13 Minuten, Die Temperatur des Regenerators am kalten Ende steigt während dieser Kaltperiode von -16o C auf -157 C« Der Durchsatz des Regenerators betrug vor dieser Kaltperiode 17 200 m /h, nach dieser Kaltperiode ist er auf 18 600 m /h angestiegen« Der Durchsatz hat also weniger stark zugenommen als bei dem Verfahren nach Beispiel 1.

Die beigelegte Figur zeigt als Beispiel einen Regenerator (1) einer mit Luft betriebenen Tieftemperatur-Anlage in Längsansicht, der mit der Speichermasse (2) gefüllt ist. Am warmen Ende sind die Einlaßklappe (3) für die Luft und die Auslaßklappe (4) angebracht, am kalten Ende der Ventilkasten (5), der die Rückschlagventile (6) und (7) enthält« Leitung (8) ist die Zuleitung für Kaltgas. Leitung (9) ist die Abnahmeleitung für abgekühlte Luft; diese Leitung enthält das Ventil (10)'» Durch in der Speichermasse liegende Metallrohre, von denen eines (11) gezeichnet ist, strömen entweder kaltes reines Sauerstoffgas oder Stickstoffgas· Dieses Gas tritt am kalten Ende des Regenerators ein, verläßt den Re^ generator am warmen Ende und wird der weiteren Verwendung zugeführt. Die Leitung (12) und das Ventil (13) dienen zur erfindungsgemäßen Einspeisung von warmem Gas»

Während der Wanr.periode strömt Luft Über die Einlaßklappe (3) in die Speichermasse (2), kühlt sich dort ab, verläßt den Regenerator über das offene Rückschlagventil (7) und strömt über die Leitung (9) und das offene Ventil (10) zum Tief-

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temperatur-Teil der Anlage; dabei sind die Auslaßklappe (4) und das Rückschlagventil (6) geschlossen»

Während einer Kaltperiode strömt Kaltges über die Leitung (8) und das offene Rückschlagventil (6) zum kalten Ende des Regenerators, kühlt die Speichermasse ab und spült die Niederschläge auf der Speichermasse aus* Das Kaltgas verläßt den Regenerator über die Auslaßklappe (4) und gelangt über einen Schalldämpfer ins Freie; dabei sind die Einlaßklappe (3) und das Rückschlagventil (7) durch den in der Leitung (9) vorhandenen Gegendruck geschlossen»

Das Kaltgas kommt aus dem Tieftemperatur-Teil der Anlage und besteht überwiegend aus Stickstoff; daneben enthält es Sauerstoff und Edelgase, jedoch keine kondensierbaren Bestandteile»

Das Ventil (13) ist während des Dauerbetriebs der Anlage geschlossen» Zum Einfahren von warmem Gas werden das Ventil (10) und die Einlaßklappe (3) geschlossen; das Ventil (13) wird geöffnet, wobei sich das Rückschlagventil (6) schließt· Das wärme Gas verläßt den Regenerator über die Auslaßklappe (4)· L

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche;

/1. J Verfahren zur Beseitigung von störenden Niederschlägen ^-^ kondensierbarer Gase in den Wärmetauschern einer kontinuierlich betriebenen Tieftemperatur- Anlage, ohne Totalabstellung der Anlage,

dadurch gekennzeichnet, daß man am kalten Ende des Wärmetauschers kurzzeitig warmes Gas einführt, das eine

ο ο

Temperatur zwischen O C und +110 C aufweist und das keine kondensierbaren Bestandteile enthält.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärmetauscher von warmem Gas annähernd drucklos durchströmen läfit,
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3» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daβ man warmes Gas in den Wärmetauscher einführt bis ein vorgegebener Druck erzielt ist, und plötzliches Entspannen des im Wärmetauscher unter Druck stehenden Gases? 20

4». Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man während einer Kaltperiode eines umschaltbaren Wärmetauschers warmes Gas zu Kaltgas zumischt,

5_t Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man wasserfreies und CO^-freies Gas, das im wesentlichen aus Stickstoff und maximal 3o Gewichtsprozent Sauerstoff besteht, als warmes Gas bei einer mit Luft betriebenen Tieftemperatur-Anlage verwendet,

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ORIGINAL INSPECTED^