DE349600C - Verfahren zur Verfluessigung von Wasserstoff - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verflüssigung von Wasserstoff. Die Verflüssigung von Wasserstoff geschieht bisher in der Weise, daß das hochkomprimierte Gas unterdauernder Kühlung mittels flüssiger @bzw. verdampfender Luft im Gegenstromverfahren zur Expansion gebracht wird.
• Demgegenüber wird gemäß vorliegender Erfindung die Wasserstoffverflüssigung, nachdem sie zunächst unter Zuhilfenahme von flüssiger oder kalter Luft eingeleitet ist; ohne Zufuhr äußerer Kälte, allein mittels der Kältewirkung der Wasserstoffexpansion durchgeführt. Daß es mittels der bisherieen Apparatekonstruktionen, die vorwiegend Laboratoriumsapparate sind, da ,die industrielle Verflüssigung von Wasserstoff bisher nicht gelungen ist, nicht möglich war, die Verflüssigung ohne dauernde Kältezufuhr von außen durchzuführen, und deshalb auch allgemein für- unmöglich gehalten wird, hat seinen Grund hauptsächlich in folgendem: Um dem Apparat während der au.fänglichen Kfihlper.ode idie flüssige Luft zusetzen zu können, muß er mit besonderen Rohren für den Durchgang der flüssigen Luft bzw. ihrer Dämpfe ausgestattet sein. Hört nach der Abkühlung des Apparates die Durchleitung von Luft durch diese Rohre auf, so sind sie nicht nur nutzlos, sondern hindern die gute Übertragung- der Kälte des expandierten Wasserstoffes auf den ankommenden komprimierten und leiten außerdem beträchtliche Kältemengen nach außen ab. Die lediglich durch die Expansion des Wasserstoffes gewonnene Kälte reicht dann nicht mehr aus, diese Verluste zu decken und die Verflüssigung aufrechtzuerhalten.
• Diese Übelstände werden gemäß vorliegender Erfindung dadurch vermieden, daß man entweder gar keine besonderen Rohre für die Durchleitung der flüssigen Luft vorsieht, vielmehr zuerst durch den Apparat ausschließlich Luft und dann ausschließlich Wasserstoff durchleitet, oder indem man zwar besondere Rohre für den Durchgang der flüssigen Luft vorsieht, diese aber nach Abkühlung :des Apparates mit zur Durchleitung von 'Wasserstoff heranzieht. Auch.ist es möglich, diese Rohre nach erfolgter Abkühlung des Apparates zu entfernen: bzw. sie so isoliert anzuordnen, daß sie nicht mehr schaden können.
• In Abb. i ist ein Apparat dargestellt, wie er sich für das neue Wasserstoffverflüssigungsverfahren eignet. Derselbe arbeitet zunächst als Luftverflüssiger. Hat er dadurch .die Temperatur der flüssigen Luft erreicht, so wird anstatt Luft komprimierter Wasserstoff in ihm zur Expansion gebracht, der sich allmählich durch die Expansion im Gegenstromverfahren auf seine eigene Verflüssigungstemperatur abküblt. Es ist zweckmäßig, den Apparat nicht sofort nach Erreichung der Temperatur der flüssigen Luft auf Wasserstoff umzustellen. sondern mit der Luftverflüssigung noch eine Zeitlang fortzufahren und die erzeugte flüssige Luft aufzuspeichern, die man dann nach Umstellen auf 'UZTasserstoff dem Apparat allmählich zusetzt, um so sicher zu sein, daß die Verflüssigung des Wasserstoffes erreicht wird. Auch bei Störungen im Arbeiten des Apparates kann man: von der aufgespeicherten flüssigen Luft zusetzen und so die Wasserstoffverflüssigung sichern.
• Der Apparat besteht aus drei Rohrbündeln i, 2 und 3, die durch: die Köpfe 4 und 5, 6 und 7 und 8 zusammengefaßt sind. Zunächst wird gereinigte und getrocknete Preßluft bei 9 eingeleitet. Die Ventile io und ii sind geöffnet, 12 und 13 geschlossen. Die Luft strömt dann teilweise durch die Rohre i, teilweise durch .das Ventil io, die Rohre 2 und das Ventil i i in den Sammler 7 und von hier durch die Rohre 3 zu dem Expansionsventil 14., an dessen Stelle auch eine Expansionsmaschine angeordnet sein kann. Die expandierte Luft unispüIt in dem Mantelrohr 15 die Rohrbündel i, 2, 3 und tritt durch das Umschaltventil 16 und den Rohransatz 17 ins Freie.
• Beginnf sich flüssige Luft in dem Sammelgefäß i8 anzusammeln, dann wird das Umschaltventil i9 so weit geöffnet, daß die flüssige Luft entweichen kann und durch den im .Mantelrohr 15 herrschenden, .durch das Ventil 16 regelbaren Gegendruck über die Leitung 2o in das Vakuumgefäß 21 gedrückt wird. Hat sich genügend flüssige Luft in diesem angesammelt, .dann wind der Apparat auf Wasserstoff umgestellt. Zu diesem Zweck läßt man zunächst .die noch in dem Apparat befindliche komprimierte Luft auf Atmosphärendruck herunterexpandieren. Dann läßt man denselben. Hochdruckkompressor, der vorhin die Luft komprimierte. Wasserstoff ansaugen und treibt diesen zunächst ohne Druck: durch sämtliche Zu- und Ableitungen und den Verflüssigungsapparat, auf diese Weise alle Teile von Luft reinigend. Die Reinigung von Kohlensäure und die Trocknung des Wasserstoffes geschieht in derselben Anlage, die vorhin .die Luft reinigte und trocknete.
• Sind adle Teile vollständig mit Wasserstoff ausgespült, dann wind der Wasserstoff komprimiert und. bei 9 in den Verflüssigungsapparat eingeleitet. Die Ventile io und ii werden geschlossen, so daß der Wasserstoff nur durch .die Rohrbündel i und 3 zu der Expansionsstelle i¢ strömen kann. Das expandierte Gas gelangt durch, das Mantelrohr z5, das Umschaltventil 16 und das Rohr 22 in den Gasometer zurück, von wo es von neuem angesaugt wird. Während dieser Periode .der Abkühlung des Apparates von der Temperatur der flüssigen Luft auf die Temperatur des flüssigen Wasserstoffes wird flüssige Luft aus dem Vakuumgefäß 2i durch .die Leitung 23 und das Ventil 13 in die obere Hälfte 6 des Sammlers 6, 7 eingeleitet, wo sie ver-,dampft. Die Dämpfe steigen in den Rohren :2 hoch und verlassen den Apparat .durch das Ventil 12, nachdem sie ihre Kälte an den expandierten und durch diesen an den kompriiniertenWasserstoff abgegeben haben. Nachdem durch die am Ventil 14 stattfindende Expansion die Verflüssigungstemperatur des Wasserstoffes erreicht ist und sich flüssiger Wasserstoff in dem Sammelgefäß i8 anzusammeln beginnt, wird das Ventil 13 in der Leitung 23 vom Vakuumgefäß 21 zum Apparat geschlossen, und nachdem man dann durch geringes öffnen des Ventils i i das Rohrbündel 2 mit Wasserstoff ausgespült hat, auch das Ventil 12. 'Dann werden die Ventile io und i i voll geöffnet, so daß nun kompriniierter Wasserstoff auch durch die Rohre 2 zur Expansionsstelle strömt. Während der nun einsetzenden Gewinnung von flüssigem Wasserstoff ist die Kälteübertragung aus dem expandierten Wasserstoff an den komhriinierten eine vollkommene. Der Apparat hat keine Teile, durch die Kälte nach außen abgeleitet wird, da die Leitungen 2o und 23 nur schwach sind und auch, weil sie keinen Druck auszuhalten haben, aus die Wärme schlecht leitendem Material hergestellt werden können. Der ohere Teil des Apparates mit den Rohrbündeln i und 2, in denen eine Temperatur von + 15° C bis etwa - igo° C herrscht, hat mehr Rohre und damit größeren Ouerschnitt als der untere Teil finit den Rohren 3, in denen eine Temperatur von etwa -igo bis -25o° C herrscht und in dem sich daher der Wasserstoff schon erheblich zusammengezogen hat. Diese Querschnittsverringerung nach der Seite der tieferen Temperatur wirkt günstig auf ;den Wärmeaustausch und vermindert auch die Kälteverluste.
• Ist es während .des Betriebes erwünscht, (lern Apparat Kälte von außen zuzusetzen, so kann dies nach Schließen der Ventile io und i i und Öffnen der Ventile 1:2 und 13 durch Einfließenlassen von flüssiger Luft aus dem Vakuumgefäß 21 in den Sammelraum 6 geschehen.
• Um den Eintritt äußerer Wärme in den Verflüssigungsapparat zu verhindern, können der obere und untere Apparateteil oder auch nur der untere kältere Teil mit - auf der Zeichnung nicht dargestellten - @'akuttin-Inänteln umgeben sein. Diese brauchen nicht evakuiert zu werden. Es entsteht vielmehr ganz von selbst in dem Ringrau.in zwischen dein Mantelrohr 15 und dem äußeren Vakuummantel ein außerordentlich gutes Vakuum, weil sich die darin enthaltene Luft an dem Sammelgefäß 18 weit unter ihren Verfliissigungs- und Gefrierpunkt abkühlt, so daß dann ihre Dampfspannung nur noch verschwindend gering ist. Dadurch, daß man clen Vakuumraum des wärmeren Apparateteiles mit-demjenigen des kälteren verbindet, entsteht auch in ersterem das hohe Vakuum.
• Abb. 2 zeigt ein Schema eines ebenfalls für flas neue Verflüssigungsverfahren anwendbaren Apparates. Das komprimierte Gas -zunächst Luft, dann Wasserstoff - strömt in dem Rohr 24. zuni Expansionsventil 1.4. Das expandierte Gas v erläßt den Apparat durch das Mantelrohr 25. Die während des »Aasfahrens« des Apparates verflüssigte Luft wird durch das Umschaltventil ig und die Leitung 2o in den Saininelbehälter 2 i geleitet. Von hier .gelaugt sie während der Abkühlung des Apparates von der Temperatur der flüssigen Luft auf .diejenige des flüssigen Wasserstoffes durch das Ventil 13 in den Rohrinantel, 26 und gibt hier ihre Kälte an .den expandierten Wasserstoff ab. Der Mantel 26 ist von dem Rohr 25 an den Berührungsstellen 27 und 28 durch Isolationsringe getrennt, so claß während der folgenden Wasserstoffverflüssgung keine Kälte aus dem Apparat durch den Mante126 hindurch nach außen abgeleitet werden kann. Man kann die Einrichtung auch so treffen, daß nach Einleitung der Wasserstoffverflüssigung der Mantel 26, das Gefäß 2i und die Leitung 2o entfernt werden können. Es bleibt dann .ein Apparat, der einem Luftverflüssigungsapparat wesensgleich ist. Umgekehrt kann man aus eineue gewöhnlichen,Luftverflüssigungsappar at durch Hinzufügung der Leitung 2o, des Gefäßes 21 und des . Mantels 26 leicht einen Wasserstoffverflüssigungsapparat für das neue Verflüssigungsverfahren machen.
• Der Apparat (Abb.3) unterscheidet sich von dem in Abb. i dargestellten im wesentlichen nur dadurch, daß sein kältester Teil iiiit der tiefen Temperatur von etwa - i8o bis -:25:2' C innerhalb des nächstkältesten Apparateteiles angeordnet ist, so daß von dein kältesten Apparateteil ausstrahlende Kälte nicht verlorengeht, sondern den umgebenden Apparateteil abkühlt. Umgekehrt schützt der äußere schon stark abgekühlte Apparateteil den inneren kältesten. Die Preßluft - und nach der Abkühlung des Apparates auf die Temperatur der flüssigen Luft und der Ansammlung von flüssiger Luft in dem Gefäß 21 .der Wasserstoff - tritt bei 9 gereinigt und getrocknet in den Apparat ein. Teilweise strömt sie durch das Rohrbündel i, teilweise durch das Ventil io, das Rohrbündel 2 und das Ventil i i in den Sammelraum 7. Von hier gelangt sie durch das innere Rohrbünde13 zu dein Expansionsventil 1d.. Das expandierte Gas steigt zunächst aus dem Flüssigkeitssam#melgefäß 18 in .dem Mantelrohr 29 nach oben, umspült .dabei die Rohre 3, biegt dann um die obere Kante 3o des Rohres 29 tun und strömt in clem Ringraum zwischen den Rohrmänteln 31 und 32 nach abwärts; dabei die Rohrbündel i und 2 umspülend. Die Luft strömt aus dem Apparat durch das Umschaltventil 16 und den Rohransatz 17 ins Freie, der Wasserstoff wird nachher nach Unistellen des Ventils 16 durch das Rohr 22 zum Gasoirneter geleitet. Nach der Abkühlung des Apparates auf die Temperatur der flüssigen Luft und der Ansammlung von flüssiger Luft in dem Gefäß 21 werden die Ventile io und ii geschlossen, #das Ventil- 12 dagegen wird geöffnet. Dann kann der durch 9 eingeleitete komprimierte Wasserstoff nur noch durch das Rohrbündel i in .den oberen Sammelbehälter 7 gelangen, während flüssige Luft bzw. deren Dämpfe aus dem Gefäß 21 über das Ventil 13 in den Raum 6 des Sammlers 6, 7 fließt und von dort durch das Rohrbündel 2, und das Ventil 12 ins Freie gelangt.
• In Abb.3 ist auch der äußere Vakuummantel eingezeichnet. Seine Anordnung ist ganz charakteristisch. Er besteht aus dem äußeren Mantelrohr 33 und dem inneren, nur den wärmsten Teil des Apparates umgebenden Rohr 3.a.. Im oberen Apparateteil ist das Rohr 31 innerer Mantel für die Rohrbündel i und 2 und äußerer 'Mantel für das Rohrbündel 3, und umgekehrt ist das Rohr 29 äußerer Mantel für die Rohrbündel i und 2 und innerer Mantel für das Rolirbün:del3. Der Vakuumring zwischen den Rohren 29 und 31 erfüllt danach .drei verschiedene Aufgaben: Er schützt das Rohrbündel 3 gegen Wärmezufuhr von außen, die Rohrbündel i und :2 gegen Wärmezufuhr von innen und bildet außerdem eine äußerst wirksame Trennungswand zwischen dem Rohrbündel 3 einerseits und dem Rohrbündel i und 2 anderseits. Diese beiden Rohrgruppen können daher nahe aneinandergerückt werden, ohne daß sie sich gegenseitig stören.
• Die Bildung,des Vakuums geschieht wieder ganz von selbst, indem sich die im Vakuumniantel befindlicheLuft an den kaltenWandungen des flüssigen Wasserstoff enthaltenden Sammelgefäßes 18 verflüssigt bzw. darin erstarrt, so daß ihre Dampfspannung nur noch verschwindend klein ist. Das an der einen Stelle erzeugte Vakuum pflanzt sich über alle Teile des Vakuummantels fort. Diese Art der Vakuumerzeugung ist für Wasserstoffverflüssigungsapparate jeder Art anwendbar.
• Die in Abb. i und 3 dargestellten Apparate können nicht nur als Luftverflüssigungsapparate dienen, um mittels der Luftverflüssigung die Wasserstoffverflüssigung einzuleiten, sie sind vielmehr ganz unabhängig von der Wasserstoffverflüssigung zur Verflüssigung von Luft und anderer tiefsiedender Gase vorzüglich geeignet. Das Vakuum muß in diesem Falle künstlich hergestellt werden.

Claims (5)

1. PATENT-ANSPRÜCFIE: i. Verfahren zur Verflüssigung von Wasserstoff durch Expansion im Gegenstreinverfahren, dadurch gekennzeichnet, das die Wasserstoffverflüssigung, nachdem sie unter anfänglicher Zufuhr von äußerer Kälte in Form von flüssiger oder verdampfender Luft eingeleitet ist, ohne äußere Kältezugabe nur mittels der Kältewirkung der eigenen Expansion durchgeführt wird.
2. 2. Verfahren zur Verflüssigung von Wasserstoff nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß nur während der Abkühlung des Apparates von der Temperatur der flüssigen Luft auf die Temperatur des flüssigen Wasserstoffes von außen Kälte zugegeben wird.
3. 3. Apparat zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i und 2, .dadurch gekennzeichnet, daß der Apparat vom Eintrittsende der Luft bzw. des Wasserstoffe bis zu etwa dem Punkte, wo eine der Temperatur der flüssigen Luft entsprechende Temperatur herrscht, in zwei Rohrgruppen (1, 2) unterteilt ist, die während der Luftverflüssigung und der endgültigen Wasserstoffverflüssigung beide von Luft bzw. Wasserstoff in derselben Richtung durchströmt werden, während in der Zeit der zwischenliegenden Periode der Abkühlung des Apparates von der Temperatur der flüssigen Luft auf diejenige des flüssigen Wasserstoffes, die eine Rohrgruppe (2) durch eingebaute Ventile für den Durchgang des komprimierten Wasserstoffes gesperrt und dafür an den Behälter (2I) für die aufgespeicherte Luft angeschlossen wird, welche diese Rohrgruppe nun im Gegenstrom zu dem komprimierten Wasserstoff durchströmt.
4. 4. Apparat zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den kältesten Apparateteil umgebender Vakuummantel (29, 31), in welchem sich infolge der starken Abkühlung der Luft des Vakuummantels an den kalten Apparatewänden ein sehr hohes Vakuum bildet, in Verbindung steht mit dem die wärmeren Apparateteile umgebenden (33, 34), SO ,daß auch hier von selbst das hohe Vakuum entsteht.
5. 5. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kälteste Apparatteil zentral innerhalb des anschließenden nächstkältesten Apparateteiles angeordnet ist, so .daß sich diese Apparateteile gegenseitig gegen Kälteverluste schützen. C. .Apparat nachi Anspruch 5, .dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem inneren und äußeren Apparateteil ein Vakuummantel (:29,31) angeordnet ist, der mit dem übrigen Vakuummantel in Verbindung steht, so, daß sich auch in ihm selbsttätig das hohe Vakuum bildet.