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Vorrichtung zum Verflüssigen von synthetischem Arnmoniakgas Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Verflüssigen von synthetischem Ammoniakgas aus einem
dieses Gas enthaltenden Gemisch durch die Kühlwirkung eines flüchtigen, flüssigen
Kühlmittels, das verdampft wird. Durch die Erfindung ist bezweckt, die gewünschte
Kühlwirkung mit einer geringeren Menge an flüssigem Kühlmittel und unter Aufwand
einer geringeren Kraft als bisher zu erreichen und noch weitere Vorteile zu erzielen,
die in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt sind.
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Der vorgenannte Zweck ist nach der Erfindung dadurch erreicht, daß
Behälter vorgesehen sind, in denen das Gemisch in. aufeinanderfolgenden Stufen abnehmenden
Temperaturen ausgesetzt wird, die in an sich bekannter Weise durch Verdampfen von
Teilen des gleichen Kühlmittels bei Drücken erreicht werden, die von einer Stufe
zur anderen abnehmen, wobei das verflüssigte Ammoniak nach jeder Stufe aus dem Gemisch
abgeschieden wird. Es ist bereits ein Verfahren zur Regelung drei- oder mehrstufiger
Kältemaschinen für Kälteleistung in einer oder mehreren Stufen bekannt. Die aufeinanderfolgenden
Verdampfer arbeiten dort zwar mit dem gleichen Kühlmittel, jedoch wird das Verfahren
nur in üblicher Weise in aufeinanderfolgenden Druckstufen ausgeübt. Die Leitungen
für das Kühlmittel sind dort so angeordnet, daß die Regelung durch ein einziges
Ventil erfolgt. Durch das bekannte Verfahren wird namentlich nicht die durch den
Erfindungsgegenstand erzielte Verringerung der Antriebskraft ermöglicht. Diese Verringerung
der Antriebskraft ist beim Erfindungsgegenstand nicht nur dadurch bedingt, daß das
gesamte Kühlmittel nicht auf einmal bis auf den geringsten Druck expandiert zu werden
braucht, sondern auch dadurch, daß ein Teil des Ammoniaks in einem ersten Behälter
verflüssigt und hierauf abgezogen wird, so daß die in einem zweiten Behälter zu
verflüssigende Ammoniakmenge und infolgedessen die Verdichtungsarbeit beträchtlich
verringert ist.
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In Abb. i bis 3 der Zeichnung ist die Vorrichtung nach der Erfindung
in drei verschiedenen Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. ' In Abb. i
sind zwei Verflüssiger A, B irgendwelcher Art angegeben, die als gegen die
umgebende Luft abgeschlossene Gefäße ausgeführt sind. Eine Leitung io dient zur
Einführung des das synthetische Ammoniak enthaltenden Gasgemisches, d. h. eines
Gemisches aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak (NH3), wobei die ersten beiden
Gase vorherrschen, in den Verflüssiger A. In der Regel steht dieses Gasgemisch unter
einem erheblichen Druck. Das Gasgemisch geht in eine Rohrschlange ii in dem Verflüssigen
A, während seine nicht verflüssigten Teile durch eine Leitung 1a in eine ähnliche
Rohrschlange 13 in dem -zweiten- Verflüssigen B übergehen, wobei das Gas in. beiden
Rohrschlangen zweckmäßig nach unten strömt. Auf dem Wege zur zweiten Rohrschlange
etwa noch verflüssigte Teile werden bei 1q. abgeschieden und bei 15 abgezogen. Aus
dem Ende der Rohrschlange
13 geht das Produkt, nämlich verflüssigtesÄmmoniak,zusammen
mit gasförmigem Stickstoff, Wasserstoff und NH3 zu einem Abscheider iq.a mit einem
Auslaß 15" für das verflüssigte Ammoniak (Endprodukt) und einem anderen Auslaß 16
zur Abführung der umverflüssigten Restgase (in der Hauptsache N und H) nach einem
anderen Teile der Anlage. Die bei 15 und 15a abgezogenen Flüssigkeiten bilden das
Endprodukt des synthetischen Ammoniakverfahrens. Das Kühlmittel (flüssiges, zu siedendes
oder zu verdampfendes Ammoniak, wie später doch auseinandergesetzt wird) wird den
unteren Teilen der Verflüssiger A, B durch Einlässe 17, 18 zugeführt, die
Druckminderventile C, C enthalten, welche so eingestellt sind, daß Ammoniak in genügender
Menge zugelassen wird, um in den Verflüssigern A, B die gewünschte Flüssigkeitshöhe
aufrechtzuhalten. Das flüssige Ammoniak wird den Druckminderventilen C, C durch
Abzweigungen ig, 2o einer Leitung 21 zugeführt, die aus einem Aufnehmern kommt.
In diesem Aufnehmer werden die Kondensate aus einer Rohrschlange D gesammelt. Die
Schlange D wird durch Wasser gekühlt, das bei 22 eingelassen und bei 23 abgeführt
wird. Dem Einlaß, also dem oberen Ende der Schlange D, wird verdichtetes, gasförmiges
Ammoniak durch Leitungen 2q., 25 zugeführt, die von den Auslässen zweier Verdichter
El, E2 kommen. Die Einlässe dieser Verdichter sind durch Leitungen 26, 27 mit den
oberen Teilen der Verflüssiger A, B verbunden. Beide Verdichter können natürlich
auch durch einen Verdichter ersetzt werden, bei dem in den Zylinder Gas verschiedener
Druckstufen eingelassen und durch einen einzigen Verdichtungshub des Kolbens verdichtet
wird.
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Folgendes Beispiel diene zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anlage:
Das synthetische Gas, das aus einer Mischung von synthetischem Ammoniak, NH3, mit
freiem Stickstoff und Sauerstoff besteht, wird beim Hindurchziehen durch die Schlange
=i des ersten VerflüssigersA auf eine Temperatur von etwa -21,6° C gekühlt. Diese
Temperatur liegt über der endgültigen Verflüssigungstemperatur, die beispielsweise
- 22,3' C beträgt. Um eine Temperatur von - 2i,6° C in der im Verflüssiger
A enthaltenen Flüssigkeit zu erzeugen, wird ein Ammoniakdruck von 1,7 at abs. in
dem Verflüssiger durch den Verdichter El aufrechterhalten, wobei Ammoniakgase oder
-dämpfe durch die Leitung 26 oben aus dem VerflüssigerA abgezogen werden, während
das Druckminderveritil C so eingestellt ist, daß es flüssiges Ammoniak durch den
Einlaß 17 unten in den Verflüssiger A in einer Menge liefert, die der abgezogenen
Menge entspricht. Hierdurch wird der Spiegel des flüssigen Ammoniaks in dem Verflüssiger
A gleich hochgehalten. Das Aminoniak verdampft (siedet) und ruft die gewünschte
Kühlwirkung hervor. Ehe es das Druckminderventil C erreicht, steht das flüssige
Ammoniak unter erheblich höherem Druck, beispielsweise =o,6 at abs., wobei die Temperatur
dieses flüssigen Ammoniaks (in den Leitungen =g, 2o, 21) beispielsweise etwa 24°
C beträgt.
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Das gekühlte#Gasgemisch geht von der Schlange =i durch die Leitung
i2 in die Rohrschlange 13 im zweiten Verflüssiger B, in dem eine wesentlich niedrigere
Temperatur (im vorliegendenFalle dieEndverflüssigungstemperatur) durch Verdampfen
(Sieden) von über das Druckminderventil C durch den Einlaß 18 eintretendem
flüssigen Ammoniak hervorgerufen wird. Beispielsweise kann die Temperatur in der
im Verflüssiger B enthaltenen Flüssigkeit -32,2°C betragen. Zur Erzeugung dieser
Temperatur muß das aus den Leitungen 2o, 21 kommende flüssige Ammoniak in dem zweiten
VerflüssigerB unter einem geringeren Druck sieden als in dem Verflüssiger A, beispielsweise
bei einem Druck von etwa i at abs. Zur Erzeugung dieses Druckes wird der Verdichter
E2 so betrieben, daß der Druck von etwa i at abs. an der Saugseite (Leitung 27)
und infolgedessen im Verflüssiger B herrscht.
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Die nacheinander erfolgende Kühlwirkung der Verflüssiger
A, B hat die Verflüssigung des synthetischen Ammoniaks, das durch die Rohrschlangen
11, 13 fließt, zur Folge. Das flüssige Produkt kann durch die Auslässe 15, 15a abgezogen
werden, während -die Mischung der nicht verflüssigten Gase (Stickstoff und Wasserstoff)
durch den Auslaß 16 abzieht.
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Die Verdichter El, E2 verdichten den ihnen von den Verflüssigern
A, B durch die Leitungen 26, 27 zuströmenden Ammoniakdampf auf den erforderlichen
Druck, vorzugsweise auf einen Druck, der die nachfolgende Verflüssigung durch einfache
Wasserkühlung zuläßt, beispielsweise =o,6 at abs., wie oben ausgeführt wurde. Die
Ammoniakgase werden während dieses Verdichtungsvorganges erhitzt und dann mit Wasser
gekühlt, so daß sie in flüssige Form kondensieren. So gehen die Gase von den Verdichterauslässen
durch die Leitungen 2q., 25 zu der Rohrschlange D, in der sie gekühlt und flüssig
werden, wobei das flüssige Ammoniak unter dem genannten Druck von 1o,6 at und bei
einer Temperatur von etwa 2q.° C auf die beschriebene Weise zu den Verflüssigern
A, B geht.
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Es ist zu beachten, daß die Verflüssigung des synthetischen Ammoniaks
,in mehreren Stufen erfolgt, bei der beschriebenen Anlage in zwei Stufen, wobei
das gekühlte Ammoniak bei allmählich niedriger werdenden Temperaturen in den Verflüssigern
siedet. Die allmähliche Temperaturverringerung wird durch allmähliche Druckverringerung
in den Verflüssigern bewirkt. Diese schrittweise erfolgende Kühlung bietet
besondere
Vorzüge gegenüber dem bisher verwendeten Verfahren der sofortigen Herunterkühlung
des zu verflüssigenden Gases auf die Verflüssigungsendtemperatur (- 32,2'
C bei dem erläuterten Beispiel). Der Vorzug der Kühlung in Stufen ist sehr wesentlich
und beruht auf der Tatsache, daß die gleiche Kühlwirkung unter geringerem Kraftaufwand
in den Verdichtern erzielt wird bzw. daß für denselben Kraftaufwand die Kühlwirkung
und infolgedessen der Grad der Ammoniakausziehung aus dem synthetischen Gas erhöht
werden kann. Diese Wirkung beruht auf folgenden Erscheinungen: Die Kühlwirkung in
dem Verflüssiger wird nach dem Unterschied des Wärmegehalts des einströmenden flüssigen
Ammoniaks und des austretenden gasförmigen Ammoniaks in der Kühleinrichtung bemessen.
Bekanntlich nimmt nun das Ammoniak beim Übergange aus dem flüssigen in den gasförmigen
Zustand Wärme von dem Gasgemisch auf, das durch die Schlangen 11, 13 hindurchgeht.
Da die im VerflüssigerA herrschendeTemperaturvon-2i,6°C oder irgendeine andere Temperatur
zwischen der Einlaßtemperatur (2q.° C bei der beschriebenen Ausführung) und der
Endtemperatur (- 32,2' C) höher als die Endtemperatur ist, so muß der Wärmegehalt
des Ammoniakgases bei der Zwischentemperatur (etwa - 2z,6° C) größer als der Wärmegehalt
derselben Gasmenge von der niedrigeren Temperatur von - 32,2° C sein. Infolgedessen
ist die Kühlwirkung, die sich aus dem Verdampfen oder Sieden derselben Menge flüssigen
Ammoniaks ergibt, bei -22,6°C oder einer anderen Zwischentemperatur größer als bei
-32,2° C. Mit anderen Worten, die Kühlung einer bestimmten Menge synthetischen Gases
auf die verlangte Endtemperatur (angenommen - 32,2° C) erfordert das Verdampfen
einer kleineren Ammoniakmenge und infolgedessen auch das Wiederverdichten einer
kleineren Ammoniakmenge, wenn das Gas zuerst auf - 2z,6° C oder eine andere Zwischentemperatur
und dann auf - 32,2°- C oder eine andere Endtemperatur gekühlt wird, als
wenn es auf einmal auf die gewünschte Temperatur heruntergekühlt würde. Natürlich
kann die Zahl der aufeinanderfolgenden Stufen größer als zwei sein; theoretisch
ist der eben auseinandergesetzte besondere Vorzug höher, je größer die Anzahl dieser
Stufen ist. Im Hinblick auf das Anwachsen der Anlagekosten und andere Erwägungen
zumeist mechanischer Art ist jedoch praktisch der Anzahl der Kühlstufen eine Grenze
gesetzt. Einer der Hauptgründe, weshalb das Kühlen in Stufen vorteilhaft ist, besteht
in der Ersparnis von Kraft für die Verdichtung. Ist die Temperatur in einem Verflüssiger
verhältnismäßig hoch, so ist auch der Druck des vergasten Ammoniaks oder des Ammoniakdampfes
in diesem Verflüssiger entsprechend hoch. Wenn so die Temperatur im ersten Verflüssiger
- 2,1,6' C beträgt, so ist der Ammoniakdruck 1,7 at abs. an Stelle von i at, wie
es bei der letzten Stufe der Fall ist, wo die Temperatur - 32,2' C beträgt.
Es erfordert weniger Kraftaufwand, dieselbe Menge an Anunoniakgas von 1,7 at auf
io,6 at als von i at auf io,6 at zu verdichten. Hierin liegt der hauptsächliche
wirtschaftliche Vorzug des Stufenverfahrens.
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Hiernach ist nicht nur keine Abnahme, sondern im Gegenteil eine Zunahme
der Kühlwirkung einer gegebenen Menge flüssigen Ammoniaks vorhanden, wenn ein Teil
davon bei einem höheren Druck verdampft wird, und außerdem ist die zum Wiederverdichten
des verdampften und gasförmigen Ammoniaks erforderliche Kraftmenge geringer.
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Ein weiterer Vorzug der Vorrichtung liegt in der Tatsache, daß man
in der Lage ist, Produktmengen bei jeder Beendigung einer Kühlstufe abzuziehen,
ohne daß es erforderlich ist, daß weitere teuere Kühlung bei einem schon in abziehbarem
Zustand befindlichen Produkt aufgewendet wird.
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Es mag hervorgehoben werden, daß trotz der Bezugnahme auf die Verwendung
von Ammoniak als Kühlmittel die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist, viehhehr
andere verdampfbare Mittel an Stelle von Ammoniak genommen werden können. Die Erfindung
ist auch nicht auf einen Vorgang beschränkt, bei dem ein Gas aus einem dieses Gas
enthaltenden Gemisch gewonnen werden soll, sie kann vielmehr auch durchaus wirtschaftlich
bei jeder Temperaturerniedrigung mit oder ohne Änderung des physikalischen Zustandes
allein oder zusammen mit anderen Stoffen verwendet werden. Weiterhin sind die wirtschaftlichen
Vorzüge der Vorrichtung nach der Erfindung von zunehmender Bedeutung, je größer
bei einer bestimmten Behandlung der Unterschied zwischen Anfangs-und Endtemperatur
des zu kühlenden Stoffes ist.
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In der in Abb. 2 veranschaulichten Anlage ist die Einrichtung in zwei
Beziehungen von derjenigen nach Abb. i verschieden. Zunächst wird hier nach Kondensierung
bei einer Temperatur von annähernd 2q.° C im KondensatorD das flüssige Ammoniak
nicht mit dieser Temperatur zu den beiden Verflüssigern geleitet, sondern geht erst
durch den Kühler H, dem bei 28 Kühlwasser zugeführt wird, während das warme Wasser
bei 29 abfließt. In diesem Kühler wird das flüssige Ammoniak von 2q.° C auf annähernd
16,7' C gekühlt. Zweitens sind die Leitungen 1g, 2o, die das flüssige Ammoniak den
Verflüssigern A, B zuführen, bei der Anlage nach Abb. i parallel geschaltet, während
hier die Leitung 21 unmittelbar nur mit dem Druckminderventil C am Verflüssiger
A ver-
Bunden ist und eine besondere Leitung 30 von diesem
Verflüssiger in bestimmte Höhe zu dem Druckminderventil C führt, welches
das Ammoniak dem Einlaß 18 des Verflüssigers B zuleitet.
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Die in Abb. 2 angegebene Anlage hat dieselben Vorteile wie die zuerst
beschriebene und außerdem noch folgende zusätzliche Vorzüge Erstens setzt die Temperaturerniedrigung
des in. den Verflüssiger A eintretenden flüssigen Ammoniaks seinen anfänglichen
Wärmegehalt herab und erhöht dadurch seine Kühlwirkung, wobei die Temperaturverhältnisse
und infolgedessen auch der Wärmegehalt des abziehenden Dampfes ebenso hoch angenommen
seien wie die bei der beschriebenen Anlage nach Abb. i. Die Temperaturverringerung
(von 2q..° C auf etwa i6,7° C) wird durch den Wasserkühler H erreicht. Die Kraft
für das Pumpen und die Kosten des zusätzlichen Kühlwassers werden mehr als ausgeglichen
durch die im VerflüssigerA erreichte Steigerung der Kühlwirkung.
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Zweitens muß beim Kühlen des synthetischen Gases auf eine bestimmte
Temperatur in einem der Verflüssiger das kühlende Ammoniak dieses Verflüssigers
auch auf dieselbe Temperatur gekühlt werden. Beispielsweise wird bei der Anlage
nach Abb. i das Ammoniak des Verflüssigers A von 2¢° C auf - 2i,6° C und im Verflüssiger
B von 2q.° C auf -32,2° C gekühlt. Diese Selbstkühlung wird durch die Verdampfung
und auf Kosten der Verdampfung eines Teiles des flüssigen Ammoniaks des betreffenden
Verflüssigers erzielt. Das allgemeine, oben in Verbindung mit der Stufenkühlung
von synthetischem Gas auseinandergesetzte Prinzip ist auch bei einer solchen Selbstkühlung
richtig, d. h. es ist wirtschaftlicher, das kühlende Ammoniak des Verflüssigers
B stufenweise auf - 32,2° C zu kühlen als auf einmal. Bei der Anlage nach Abb. 2
wird die Kühlung im Verflüssiger A bis auf - 2i,6° C und dann im Verflüssiger B
von - 21,6' C bis - 32,2' C durchgeführt.
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Eine besondere Ausbildung der Einrichtung nach der Erfindung zeigt
Abb. 3. Die Verbindungen der beiden Verflüssiger A, B untereinander, mit
der Leitung 9.1 und mit den Verdichtern El, E2 sind dieselben wie bei der Einrichtung
nach Abb. 2. Die Verdichter El, E2 sind jedoch hier von geringerer Leistung als
die bei der Einrichtung nach Abb. 2, d. h. sie verdichten das gasförmige Ammoniak
nicht zurück auf den Enddruck von etwa =o,6 at, sondern auf einen Zwischendruck
von etwa 3,75 at. Das die Verdichter El, EZ verlassende Gas dieser ersten Stufe
wird zweckmäßig auf etwa i6,7° C gekühlt, indem es durch eine Schlange K geführt
wird, die durch bei 31 zufließendes und bei 3z abfließendes Wasser gekühlt wird.
Das Gas geht dann in einen Kühler M und darauf durch eine Leitung 33 zu dem Verdichter
E3 der zweiten Stufe. In der Leitung 33 mag das Gas eine Temperatur von etwa -
3,3' C haben, wobei sein Druck natürlich noch 3,75 at beträgt. Der Verdichter
E3 bringt das gasförmige Ammoniak dann auf den erforderlichen Enddruck von =o,6
at. Das Gas geht dann mit diesem Druck zu der Kondensatorschlange D', die durch
bei 34 einströmendes Gas und bei 35 abfließendes Wasser gekühlt werden kann. Das
Ammoniakgas wird so in flüssige Form kondensiert, wobei die Flüssigkeit eine Temperatur
von beispielsweise 2q.° C hat. Diese Flüssigkeit geht durch eine Leitung 36 in einen
Aufnehmer R und dann in eine Kühlschlange H', die durch bei 37 zufließendes und
bei 38 abfließendes Wasser gekühlt wird, wobei die Temperatur der Flüssigkeit von
2q.° C auf etwa i6,7° C herabgesetzt wird. Bei dieser Temperatur geht das flüssige
Ammoniak durch die Leitung 3g zu einem Druckminderventil C2 und von dort in den
Kühler M bei einem Druck, der dem Druck des die Verdichter E'-, E2 der ersten Stufe
verlassenden Gase gleicht, d. h. bei einem Druck von 3,75 at bei dem angenommenen
Beispiel. Das den Kühler M unten durch die Leitung 21 verlassende flüssige Ammoniak
hat deshalb eine Temperatur von etwa - 3,3' C entsprechend dem Druck von
3,75 at. In dem Kühler M wird dann das aus den Verdichtern El E2 kommende und zu
dem Verdichter E3 der zweiten Stufe ziehende Gas weiter von etwa i6,7° C auf -
3,3' C gekühlt, wodurch die Leistungsfähigkeit des Verdichters E3 erhöht
wird. Gleichzeitig wird das zu dem Verflüssiger A gehende flüssige Ammoniak weiter
von etwa 16,7' C auf - 3,3° C gekühlt, was, wie bereits gelegentlich der Besprechung
der Einrichtung nach Abb. 2 hervorgehoben wurde, die Kühlwirkung in dem Verflüssiger
A erhöht. Diese doppelte Kühlwirkung wird durch die Verdampfung eines Teils des
durch die Leitung 39 in den Kühler M eingeführten flüssigen Ammoniaks hervorgerufen.
Durch Verwendung der zweistufigen Verdichtung des gasförmigen Ammoniaks mit Zwischenkühlung
des Gases in der beschriebenen Weise ist möglich, die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit
der Kühlanlage noch weiter zu erhöhen.
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Die synthetische Ammoniakmischung und die Flüssigkeit können durch
die erwähnten Leitungen mittels Pumpen, Gebläse, unter Ausnutzung der Schwerkraft
oder durch andere Hilfsmittel getrieben werden. Die Bemerkungen, die in Verbindung
mit der Einrichtung nach Abb. i hinsichtlich der Möglichkeit der Verwendung anderer
verdampfbarer Flüssigkeiten als Ammoniak gemacht wurden, gelten auch für die Einrichtungen
nach Abb. 2 und 3. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, daß dieselbe Menge flüssigen
Ammoniaks fortlaufend in dem Kühlkreislauf
Verwendung findet und
verschiedene Teile dieser Ammoniakmenge unter verschiedenen Drücken sieden oder
verdampfen, um die gewünschte fortschreitende Kühlung hervorzurufen.
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Die angegebenen Temperaturen von 2q.° C und i6,7° C beruhen auf einer
Wassereinlaßtemperatur von etwa 150 C.