DE524269C - Verfahren und Vorrichtung zum Ausscheiden von Wasser oder anderen Verunreinigungen aus fluessigem Kohlendioxyd - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezweckt hauptsächlich die Lösung gewisser Aufgaben bei der Herstellung von festem Kohlendioxyd aus flüssigem, durch die bekannte Schneemethode, d. h. eine Methode, bei welcher flüssige Kohlensäure mittels Düse expandiert wird. Wie bekannt, wird bei dieser Expansion ein Teil des Kohlendioxyds in Schnee verwandelt, während der Rest als Gas entweicht und in den Kreislauf zurückgeführt und von neuem komprimiert wird.

Das flüssige Kohlendioxyd hat stets einen beträchtlichen Gehalt an Wasser, und da die Schneedüse und die zu expandierende Flüssigkeit rasch sehr tiefe Temperaturen annehmen, treten große Schwierigkeiten auf, falls gefrorenes Wasser die Düse verstopft. Selbst wenn kein Zufrieren eintritt, enthält der erzeugte Kohlensäureschneeblock nahezu alles in der flüssigen Kohlensäure vorhanden gewesene Wasser. Falls dies einen wesentlichen Teil des Blockes bildet, wird der Isolierwert des aus dem Block sublimierenden Gases verringert, und es tritt Feuchtigkeit auf, die für manche Verwendungszwecke des Kohlensäureeises nachteilig ist.

Gemäß vorliegender Erfindung soll alles Wasser sowie andere flüssige Verunreinigungen aus der flüssigen Kohlensäure entfernt werden. Infolgedessen kann sie für die Herstellung von trockenem Kohlendioxyd für jeden gewünschten Verwendungszweck benutzt werden. Die Erfindung umfaßt die Kühlung der Flüssigkeit zum Ausfrieren des Wassers zweckmäßig durch teilweise Druckentspannung sowie eine neue Einrichtung zum Sammeln bzw. Ausfällen der aus der Flüssigkeit ausgeschiedenen Eiskristalle. Die teilweise Expansion ergibt zugleich die Bildung trockenen Kohlendioxydgases, das bisher ein kostspieliges Erzeugnis war und nur durch besondere chemische Trockner erhalten werden konnte. Dieses Produkt kann den Kompressoren zwecks Vernichtung wieder zugeleitet werden.

Während der Gefrierpunkt des Wassers bei normalem Atmosphärendruck o° beträgt, hat sich gezeigt, daß, wenn verhältnismäßig kleine Mengen Wasser in verhältnismäßig großen Mengen flüssiger Kohlensäure verteilt sind, das Wasser weit unter dem Gefrierpunkt unterkühlt werden kann, ohne auszu-

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kristallisieren, wenn nicht eine geeignete Möglichkeit der Zusammenballung" geschaffen wird. Wenn flüssiges Kohlendioxyd aus den Kompressoren, das gewöhnlich eine Temperatur nicht wesentlich unter der kritischen Temperatur (gewöhnlich etwa 22 bis 27⁰) und einen Druck von etwa 54 bis 81 Atm. pro Quadratzentimeter hat, expandiert werden soll, um das Wasser auszufrieren, ist ein sehr erheblicher Druckabfall notwendig, um die Expansion und Temperaturreduktion zu erzielen. Wenn die Flüssigkeit vor der Verarbeitung im Schneebildungsapparat expandiert und gekühlt wird, kann ein Abfall auf 20 Atm. oder geringeren Druck und ein entsprechender Temperaturabfall auf ungefähr minus i8° oder weniger gemäß dem vorliegenden Trockenverfahren angewandt werden. Weil man bei sehr niedriger Temperatur der der Düse zulaufenden Flüssigkeit zur Bildung von Kohlendioxydschnee einen hohen Prozentsatz an Schneeausbeute erzielt.

Wenn jedoch das Verfahren lediglich zur Herstellung von trockenem Kohlendioxyd für andere Zwecke benutzt werden soll, bedeutet ein erheblicher Druckabfall einen Verlust. In diesem Falle haben sich daher wesentlich höhere Temperaturen als praktisch erwiesen. Wenn die flüssige Kohlensäure für Kühlmaschinen benutzt werden soll, muß die Ausfriertemperatur so niedrig gewählt werden, daß praktisch alles Wasser ausgeschieden wird, wie bei der Herstellung von Schnee.

Während der Druckabfall erheblich wechsein und die sich daraus ergebende Flüssigkeitstemperatur innerhalb eines weiten Bereiches variieren kann, soll der Druck auf die Flüssigkeit an der Niederdruckseite der Düse hoch genug sein, um zu verhindern, daß Kohlendioxyd an dieser Stelle ausfriert. Gleichzeitig muß der zufließende Strom flüssiger Kohlensäure warm genug sein, um zu verhindern, daß das Wasser innerhalb der Düse ausfriert.

Diese Bedingungen sind im allgemeinen leicht in einer Expansionsdüse zu erreichen, wie sie zur Vorkühlung warmer, frisch komprimierter flüssiger Kohlensäure durch teilweise Verdampfung auf ihrem Wege zur Schneeherstellungsdüse benutzt werden kann. Wie oben angegeben, muß die Unterkühlung des Wassergehaltes und sogar das Ausfrieren der feinsten Wassereiskristalle begleitet werden durch die Sammlung des Wassers oder der Kristalle, um wirksam zu sein, da anderenfalls dieses Wasser mit der Flüssigkeit durch verhältnismäßig kleine Kanäle hindurchtritt und in die Schneebildungsdüse fließt oder sich in den Leitungskanalwänden niederschlägt und diese beengt. Solche sehr fein verteilten Partikelchen von Eis oder unterkühltem Wasser können nicht leicht zusammengeballt oder aus der Flüssigkeit ausgefällt werden, wenn sie nicht in innige Beziehung zueinander oder zu einer kalten Fläche gebracht werden, auf welcher sie anhaften können. Im vorliegenden Fall wird die Flüssigkeit tatsächlich gefiltert und im Filter eine Zusammenballung des flockigen Wassereisschnees erreicht. Dieser Filter wird periodisch entfernt und entleert.

Der Filter, Sammler oder Ausfäller ist zweckmäßig an der Düse angeordnet, in der der kühlende Druckabfall vor sich geht, und umgibt diese zweckmäßig, jedoch mit einem genügenden Abstand, damit sich die Heftigkeit des Strahles bricht, ehe das Sieb erreicht ist.

Die angeführten Merkmale der Erfindung werden durch die nachfolgende Einzelbeschreibung klarer, bei welcher auf die Zeichnungen Bezug genommen ist.

In diesen ist Abb. ι eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bildung und zur Ausfällung der Wasserkristalle aus dem flüssigen Kohlendioxyd, die zwischen den Kompressoren und z.B. der Düse einer Schneebereitungsanlage eingeschaltet sind.

Abb. 2 ist ein Längsschnitt einer solchen Vorrichtung in abgeänderter Form.

Abb. 3 ist ein Schema einer anderen Ausführung.

Die bisher und nachfolgend erwähnten Drucke und Temperaturen sind geeignet, um im industriellen Maßstabe Schnee herzustellen. Sie können naturgemäß im Rahmen der Erfindung in weitem Maße abgeändert werden.

Ziemlich kaltes, unter niedrigem Druck stehendes Kohlensäuregas, das die übliche Menge flüssiger Verunreinigungen (hauptsächlich Wasser) enthält, tritt in den dreistufigen Kompressor 10, 11, 12 durch das Rohr 13 ein. Es wird in hocherhitztem und komprimiertem Zustand durch das Rohr 14 einer Kühlschlange 15 des Kondensators 16 zugeleitet, und aus dieser Kühlschlange fließt die flüssig gewordene Kohlensäure durch ein Rohr mit geringem Widerstand zu der Expansionsdüse 18 im Verdampfer 19. Die Flüs- no sigkeit kann beim Eintritt in die Düse einen Druck von etwa 66 Atm. pro Quadratzentimeter und eine Temperatur von ungefähr 27° haben.

Der Verdampfer hat die Form eines aufrecht stehenden Gefäßes mit einem Gasauslaßrohr 20 in der Nähe der Oberkante und einem Flüssigkeitsabführrohr 21 im Boden. Durch letzteres fließt die durch plötzliche Druckentlastung, mittels Düse 18 und teilweise Verdampfung im Behälter 19 vorgt kühlte Flüssigkeit zu der zweiten und dritten

Verdampferstufe (nicht dargestellt) oder unmittelbar zu der Expansionsdüse 22 einer Schneekammer, die bei 23 punktiert gezeichnet ist.

Im Gefäß 19 wird ein Druck von etwa 20 Atm. pro Quadratzentimeter aufrechterhalten, 2. B. mittels eines einstellbaren Ventils 20« in der Gasaustrittsöffnung 20 oder dadurch, daß diese Leitung zurück zur Saugseite der dritten Stufe des Kompressors geleitet wird. Ein Regulierventil 20* kann in der Flüssigkeitsaustrittsleitung angeordnet sein.

In manchen Fällen kann es erwünscht sein, das trockene Gas, das den Verdampfer verläßt, von dem nassen Gas zu trennen, das durch die Kompressoren verarbeitet wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Filter oder eine Ausscheidevorrichtung angewandt, die bei der dargestellten Ausführungsform aus einem feinen Drahtsiebkorb 24 besteht, in den die Düse 18 mündet und durch den die expandierte und abgekühlte Kohlensäure auf ihrem Wege zu der Gas- oder Flüssigkeitsabführungsstelle hindurchgehen muß. Die Zeichnung erläutert eine einfache Einrichtung, um diesen Korb auswechselbar anzuordnen. Es sind mehrfache Ausführungsformen dieser Einrichtung denkbar.

Der massive obere Kopf 19« des Verdampferbehälters 19 ist mit einer Öffnung 25 versehen. In ein Gewinde dieser öffnung ist ein Abschlußstopfen 26 eingeschraubt. Dieser Stopfen hat einen Flansch 26^s, der gasdicht auf einem Ansatz 19* aufsitzt, welcher die Öffnung 19« umgibt. Das untere oder innere Ende dieser Öffnung bildet eine ringförmige Schulter 2j_% auf der unter Einschaltung eines Dichtungsringes 27« ein nach außen sich erstreckender Flansch 28 des Randes des Siebkorbes aufgelegt ist. Über diesen Rand ist ein zweiter Dichtungsring 29 gelegt, der beim Festschrauben des Stopfens 26 angedrückt wird.

Die Rohrleitung 17 kann einen waagerechten Teil besitzen, der bei 30 mit dem Anschlußbogen 31 lösbar verkuppelt ist. Der senkrechte Teil des Bogens ist dicht in die senkrechte Bohrung 32 des Stopfens 26 eingesetzt, welche mit der Düse 18 Verbindung hat. Letztere wird im vorliegenden Falle durch den Stopfen getragen und ist in das erweiterte untere Ende der Bohrung 32 eingesetzt.

Das Material des Siebkorbes muß so gewählt werden, daß eine gute Filterung erreicht wird. Ein 40-Maschen-Sieb aus Monelmetall hat sich bewährt, jedoch kann auch anderes poröses oder netzartiges Material benutzt werden, auch kann ein Leinwandsack als Ersatz oder Ergänzung eines Drahtsiebes benutzt werden, und zwar im letzteren Falle entweder im Innern oder Äußern des Korbes.

Beim Betriebe tritt die warme Flüssigkeit mit großer Geschwindigkeit aus der Düse 18 aus und expandiert und vergast teilweise innerhalb einiger Millimeter von der Düsenmündung, um eine möglichst große Kühlung zu erzielen. Durch diese Kühlwirkung auf die Flüssigkeit tritt ein Temperaturabfall bis etwas unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser ein, beispielsweise auf minus i8°, wobei sich die Kristalle an der inneren Fläche des Siebes 24 in Form eines feinen, flockigen Schnees niederschlagen, der, wenn der Korb voll ist, etwas Kohlensäuregas einschließt.

An Stelle eines Filters kann gegebenenfalls eine andere Abscheidevorrichtung für die Abtrennung der ausgefrorenen Verunreinigungen Verwendung finden.

Der Flüssigkeitsspiegel im Verdampferbehälter liegt auf der Zeichnung unterhalb des Siebkorbes, kann aber auch ohne Einfluß auf die Wirksamkeit des Trockenverfahrens bis zu der punktiert gezeichneten Höhe gesteigert werden, so daß das Sieb teilweise eintaucht.

In Abb. 2 ist eine abgeänderte Expansionskammer dargestellt, die für die Expansion und Kühlung geeignet ist. In diesem Falle sind die wesentlichen Elemente hinsichtlich ihrer Funktion denen der Kühl- und Trockenkammer 19 der Abb. 1 ähnlich, und es sind daher entsprechende Bezugszahlen angewandt, die nur andere Exponenten haben. Die Expansionskammer 19°, 19* ist ein waagerechtes Rohr, und die Enden des Rohres sind mit symmetrisch angeordneten Expansionsdüsen 18", 18*, feinen Drahtsieben 24«, 24^s und abnehmbaren Verschlußkappen 26°, 20⁶ versehen. Zweckmäßig ist ein hoch gelegener Gasauslaß 20^s und ein tief gelegener Flüssigkeitsauslaß 2i⁶ vorhanden. Da die Siebe waagerecht stehen, werden sie zweckmäßig von seitlichen Füßen 35 gestützt.

Die Vorrichtung nach Abb. 2 hat eine bessere Anordnung zur Entfernung des im Siebkorb 24^s angesammelten Schnees, und das Wasser, entweder in flüssigem oder kristallförmigem Zustand, wird durch die Schwerkraft zurückgehalten. Da die Expansionskammer waagerecht steht, können Dämme 36», 36* zwischen der Ausfrierregion und der Region der Kammer, in welcher Flüssigkeit und Gas ausgestoßen werden, vorgesehen sein. Diese Dämme können die Form von Falzen haben und sind insbesondere deshalb notwendig, weil bei dieser Ausführung eine Vorrichtung zum Schmelzen der im Siebkorb angesammelten Eiskristalle vorgesehen ist, so daß das Wasser im flüssigen Zustand entfernt wird. Diese Schmelzvorrichtung ist schema-

tisch als eine elektrische Heizspule 37^s, 37'' dargestellt. Diese Hegt innerhalb oder außerhalb des Siebes, gegebenenfalls sogar außerhalb der Rohrwände 19", 19^s. Zweckmäßig werden emaillierte isolierte Widerstandsdrähte als Heizkörper benutzt. Bei dieser Anordnung können die Expansionsdüsen entweder gleichzeitig oder abwechselnd betrieben werden, und jede von ihnen kann außer Wirküng gesetzt werden, worauf die im Körper angesammelten. Kristalle geschmolzen werden, ohne die Tätigkeit der anderen Düsen zu unterbrechen. Jede Düse kann abgeschlossen und jede Heizvorrichtung für sich angedreht werden, so daß die Wassereiskristalle in Wasser übergeführt werden, das durch die Dämme 36«, 36* von dem Auslaß für die flüssige Kohlensäure zurückgehalten wird. Durch Auslässe 38°, 38* wird das entstehende Wasser nach unten abgeführt. Diese Auslässe können zu nicht dargestellten Wasserabscheidern führen oder einfach mit Abblasehähnen 39«, 39⁶ versehen sein.

Es hat sich gezeigt, daß die üblichen Schneedüsen nicht notwendig sind, um die Flüssigkeit einzublasen, und daß die Flüssigkeit nicht in einem Strahl in den Siebkorb einzutreten braucht. Ferner ist es notwendig, daß das abdampfende Gas durch die Siebmaschen des Korbes hindurchgeht, und man erreicht gewisse Vorteile, wenn dies nicht geschieht, weil bei großer Geschwindigkeit des Austrittsstrahles Eiskristalle durch das Sieb hindurchgeführt werden können, welche bei langsamerem Durchfluß der Flüssigkeit nicht mitgenommen würden.

Abb. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die diese drei Abänderungen verkörpert. Bei dem benutzten Apparat wird ein senkrechtes Rohr 19* benutzt, das dem Behälter 19 der Abb. ι entspricht. In diesem ist ein Korb 24* aufgehängt, der dem Korb 24 entspricht, aber im Verhältnis zu dem Durchmesser des Behälters größeren Durchmesser hat. Das Rohr ist am Boden durch einen angeschraubten Deckel verschlossen, während am oberen Ende eine Verlängerung 19* angeschraubt ist. Die warme Flüssigkeit wird in diese Verlängerung in einer wesentlich über der Oberkante des Siebkorbes liegenden Höhe eingeführt. Das Auslaßrohr 20* zur Ableitung des kalten Gases liegt über dem Einlaß für die Flüssigkeit, so daß letztere einen beträchtlichen Abstand über dem Korb und unter dem Gasauslaß besitzt. Die Gasstrahlgeschwindigkeit stört daher nicht den Aufbau der porösen kristallinen Wasserausscheidungen im Innern des Korbes. Selbst wenn das Sieb ein 40-Maschen-Sieb ist und mit Leinwand umgeben wird, so erhält man doch eine weit größere Filter wirkung, als diesem Sieb entspricht, indem sich an der Innenseite des Korbes eine kristallinische gefrorene Schicht aufbaut.

Abb. 3 zeigt ferner, daß der Behälter 19* mit einer Reihe von Abzapf rohren ν in verschiedener Höhenlage ausgestattet ist, so daß der Stand des flüssigen Kohlendioxyds im Behälter festgestellt werden kann. Wenn sich jeder dieser Hähne unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet, so liefern sie beide beim Öffnen Kohlendioxydschnee, während die über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Hähne nur kaltes Gas entweichen lassen.

Die beschriebene Reinigungsmethode bewahrt sich hauptsächlich in Verbindung mit der Gewinnung von Kohlendioxyd aus Gährungsprozessen, bei denen außer Wasser noch andere Verunreinigungen auftreten, z. B. Geruchstoffe. Diese Verunreinigungen sind durch die gewöhnlichen Verfahren schwierig und kostspielig zu entfernen, während gemäß dem vorliegenden Verfahren praktisch alles Wasser und die weniger flüchtigen und wasserlöslichen Verunreinigungen in dem Schneekorb ausgefroren werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:.

   i. Verfahren zum Ausscheiden von Wasser oder anderen Verunreinigungen aus flüssigem Kohlendioxyd durch Verdampfung dieses unter Kondensation und Abtrennung der Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des flüssigen Kohlendioxyds verdampft wird unter Kühlung des flüssigen Restes auf eine Temperatur, die unter dem Gefrierpunkt der Verunreinigungen, aber über dem Tripelpunkt der Kohlensäure liegt, worauf man die gefrorenen Verunreinigungen abtrennt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlensäure innerhalb einer netzartigen Umhüllung expandiert, die die ausgefrorenen Verunreinigungen zurückhält.
3. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einer Verdampfkammer mit Gasauslaß sowie Kohlensäurezuführungsrohr mit Expansionsdüse, gekennzeichnet durch Anordnung eines Filters an der Eintrittsdüse zur Aufnahme und Sammlung der ausgefrorenen Verunreinigungen.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter durch eine verschließbare Öffnung der Kammer entfernt werden kann.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch Anordnung einer Einrichtung im Filter zum Schmelzen der abgetrennten Verunreinigungen, z.B. elektrische Widerstandsheizung o. dgl., sowie

   von Einrichtungen zur Sammlung und Abführung der geschmolzenen Verunreinigungen, z. B. Wasser, ohne Abnahme des Filters, z. B. Stauvorrichtungen und Flüssigkeitsabieiter.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskammer ein verhältnismäßig langer, waagerecht angeordneter Behälter ist, der zwei einander entgegengesetzt gerichtete, an beiden Enden angeordnete Expansionsdüsen mit Filtern aufweist, die gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten betrieben werden können.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen