DE565462C

DE565462C - Verfahren zur Verfluessigung eines Gases

Info

Publication number: DE565462C
Application number: DEH129377D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1931-11-17
Filing date: 1931-11-17
Publication date: 1934-02-09

Description

Verfahren zur Verflüssigung eines Gases Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren ziir Verringerung des Arbeitsaufwandes bei der Verflüssigung eines beliebigen Gases.
Mit dem Arbeitsaufwand von 1 PS'Std. gewinnt man bekanntlich mehr als 3ooo Kälteeinheiten in Gestalt von Eis, aber nur Zoo Kälteeinheiten in Form von flüssiger Luft. Der Grund für (fiese Tatsache ist hinreichend bekannt, er besteht darin, daß man im Falle der Erzeugung von Eis nur ein Wärmegefälle von 2o bis 3o - C durch Arbeitsaufwand zu überwinden hat, während im Falle der Luftverflüssigung das durch Arbeitsaufwand zu überwindende Wärmegefälle 213' ' C beträgt. Dazu kommt noch, daß der Faktor -I (nach Zeuner) mit Wärmegewicht bezeichnet, um so größer wird, je tiefer die Temperatur ist, die erzeugt werden soll.
Es ist bekannt, ein Gas von niedrigem kritischem Punkt dadurch zu verflüssigen, daß man es durch ein entspanntes anderes Gas von höherem kritischem Punkt, das einen geschlossenen Kreislauf beschreibt, auf seine oder unter seine kritische Temperatur abkühlt. So verwendet man beispielsweise einen Schwefeligsäurekreislauf, um Kohlensäure zu verflüssigen, einen Kohlensä urekreislauf, um Äthylen zu verflüssigen, einen Äthylenkreislauf, um Sauerstoff oder Luft zu verflüssigen usw. Durch Fortsetzung und Aneinanderkettung solcher Kreisläufe gelangt man bis zur kritischen Temperatur desjenigen Gases, das verflüssigt werden soll. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß dasjenige Gas, (las verflüssigt werden soll, gleichzeitig mit der Abkühlung auf einen bedeutenden Druck gebracht werden muß, also nicht durch Abkühlung allein verflüssigt werden kann. Außerdem muß der Kaltdampfkreislauf, sofern die Abkühlung durch einen einzelnen bewirkt «erden soll, mit einem sehr großen Verdichtungsverhältnis arbeiten.
Im Gegensatz zu derartigen Verfahren verwendet das vorliegende Verfahren beispielsweise nicht einen Äthylenkreislauf, um Sauerstoff zu verflüssigen, sondern umgekehrt, einen Sauerstoffkreislauf, um Äthylen zu verflüssigen. Soll Sauerstoff, Luft oder Stickstoff durch Abkühlung allein verflüssigt werden, so wird dies gemäß der Erfindung durch wechselseitig verdampften und verflüssigten Wasserstoff, der einen geschlossenen Kreislauf beschreibt, bewirkt.
Dadurch ergibt sich eine vollständig entgegengesetzte thermodynamische Grundlage. Die Vorteile, welche sich aus dieser geänderten Grundlage ergeben, sind die folgenden: 1. Das Gas, das verflüssigt werden soll, braucht nicht komprimiert werden, seine Verflüssigung erfolgt lediglich durch Abkühlung allein.
2. Der Kaltdampfkreislauf, der die Abkühlung bewirkt, kann mit einem sehr kleinen Verdichtungsverhältnis arbeiten in der Weise, daß die Verflüssigung bei kritischem Druck und die Verdampfung in der Nähe des kritischen Druckes erfolgt.
Als Anwendungsbeispiel sei das Gas Äthylen als dasjenige Gas gewählt, das durch Abkühlung allein verflüssigt werden soll, während für den Verdichterkreislauf Sauerstoff als Arbeitskörper oder Kaltdampf Verwendung findet.
In Fig. i ist b ein Wärmeaustauscher; a ist ein Sammelgefäß und gleichzeitig Verdampfer für den verflüssigten Sauerstoff ; L ist ein Drosselventil, und lt ist eine Rohrschlange, in der das Äthylen verflüssigt wird. Im Verdampfer a befindet sich eine ursprüngliche Flüssigkeitsmenge Sauerstoff; die ausreichend ist, um die Windungen der Rohrschlange h zu bedecken. Durch das Rohr g tritt der von einem Verdichter auf 5o at zusammengedrückte Sauerstoff mit Kühlwassertemperatur in das innere Rohr d des Wärmeaustauschers b, wird durch das Drosselventil L entspannt und strömt nach seiner Abkühlung aus dem Verdampfer a in das äußere Rohr des Wärmeaüstauschers b, umspült und kühlt im Gegenstrom dessen inneres Rohr d und wird durch das Rohr f dem Verdichter wieder zugeführt, um den gleichen Kreislauf von neuem zu beginnen. Die Abkühlung des verdichteten Sauerstoffes beim Strömen durch das Drosselventil L ist anfangs sehr gering. Durch das Gegenstromprinzip erhält dieser Vorgang eine aufsummierende Wirkung, d. h. die gegenseitige Abkühlung von entspanntem und verdichtetem Gas steigert sich immer mehr und mehr, da immer gleiche Gasgewichte gegeneinander strömen, was zuletzt Verflüssigung eines bestimmten Prozentsatzes Sauerstoff zur Folge hat.
Damit auch weiterhin im Wärmeaustauscherb gleiche Gasgewichte gegeneinander strömen, so daß ein geschlossener Kreislauf entsteht, muß von dem Moment an, wo Verflüssigung eintritt, im Verdampfer a Wärme zugeführt werden, um den Betrag, der durch die Drosselung flüssig wird, wieder zu verdampfen. Die zur Wiederverdampfung des Sauerstoffes erforderliche Wärme ist die erstrebte Kältewirkung zur Verflüssigung des Äthylens. Durch die Rohrschlange 1a strömt gasförmiges Äthylen, welches durch Abgabe seiner Gas- und Verflüssigungswärme flüssig wird. Die Wärmezufuhr, d. h. die Anflußgeschwindigkeit des Äthylens, wird durch das Regulierventil e so reguliert, daß die abgegebene Wärme gerade ausreicht, um den Betrag an Sauerstoff zu verdampfen, der durch die Drosselung flüssig wird, so daß im Wärmeaustauscher b stets gleiche Gasgewichte gegeneinander strömen. Der Wärmeaustausch gleicher Gasgewichte aber hat zur Folge, daß die Abkühlung des verdichteten Sauerstoffes vor seiner Entspannung so lange fortschreitet, bis die kritische Temperatur des Sauerstoffes erreicht ist.
Lm dieses Ziel sicher und zuverlässig zu erreichen, taucht das Rohr d in der Fig. 2 in die Flüssigkeit ein, oder noch besser, man ordnet den Verdampfer a so an, wie in Fig. 3 dargestellt, so daß der flüssig gewordene Teil gezwungen ist, dem Rohrbündel d, das dem Rohr d der Fig. 2 entspricht, entgegenzuströmen. Damit ist nun aber der Vorgang der Drosselung verbunden mit dem Vorgang der wechselseitigen Verflüssigung und Verdampfung.
Aus der Tatsache, daß die Siedetemperatur des Sauerstoffes, auch wenn seine Verdampfung in der Nähe des kritischen Druckes erfolgt, so tief liegt, daß dadurch das Äthylen in der Rohrschlange h lediglich durch Abkühlung allein verflüssigt werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, mit dem Verdampferdruck ziemlich nahe an den kritischen Druck heranzugehen, so daß das Verdichtungsverhältnis sehr klein wird.
Die Kälteleistung oder die Wärme, welche der Sauerstoff im Verdampfer a, bezogen auf die PS/ Std., aufnehmen kann, wird um so größer, je kleiner das Verdichtungsverhältnis, d. h. je mehr man mit dem Verdampferdruck an den kritischen Druck herangeht, und zwar deshalb, weil der Kraftbedarf für die Gasverdichtung mit kleiner werdendem Verdichtungsverhältnis viel schneller abnimmt als die Verdampfungswärme mit steigendem Verdampferdruck. Der Grund für diese Tatsache besteht darin, daß der Kraftbedarf für die Gasverdichtung und folglich auch für die Kälteleistung, einzig und allein abhängt von der Größe des Verdichtungsverhältnisses und nicht von der Natur des verwendeten Körpers.
Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Apparatur ist in Fig. 3 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Der :Mantel eines Wärmeaustauschers b, c ist bei a zu einem Verdampfer erweitert, so daß er noch eine Rohrschlange da aufzunehmen vermag. Der untere Teil c des Wärmeaustauschers wird zur Inbetriebnahme mit flüssigem Sauerstoff gefüllt, so daß die Windungen der Rohrschlange lt und das Rohrbündel d bis zu der in der Zeichnung angedeuteten Höhe in flüssigen Sauerstoff eingetaucht sind.
Der Verdampfer a sowohl auch der Wärmeaustauscher b, c müssen mit einer entsprechenden Wärmeschutzverkleidung versehen sein. Da solche Wärmeschutzverkleidungen hinreichend bekannt sind, so wurde dieselbe in der Zeichnung nicht dargestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Verflüssigung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gas in einem Schlangenrohr (lt), welches sich in einem mit flüssigem Gas von niedrigerem kritischem Punkt gefüllten Verdampfer (a) befindet, unter gleichzeitiger Verdampfung des flüssigen Gases verflüssigt wird, während die Verdampfungsprodukte des Gases von niedrigerem kritischem Punkt durch einen Wärmeaustauscher (b), durch den Verdichter (k) angesaugt, bei Kühlwassertemperatur zusammengedrückt und im Wärmeaustauscher (d) durch die genannten Verdampfungsprodukte auf ihre Verflüssigungstemperatur abgekühlt, hierauf durch Entspannung im Drosselventil (L) verflüssigt und in den Verdampfer (a) ausgegossen werden, um nach Verdampfung durch das zu verflüssigende Gas von höherem kritischem Punkt den Kreislauf von neuem zu beginnen. ?. Verfahren nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß man für das Gas von niederem kritischem Punkt ein solches verwendet, dessen Siedetemperatur, auch wenn seine Verdampfung in der Nähe des kritischen Druckes erfolgt, so tief liegt, daß dadurch das zu verflüssigende Gas von höherem kritischem Punkt ohne Druckerhöhung durch Abkühlung allein verflüssigt werden kann. 3. Verfahren nach Anspruch z und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (a) den Wärmeaustauscher (d) derart umgibt, daß das flüssig gewordene Gas von niederern kritischem Punkt gezwungen ist, nach der Drosselung den unteren Teil des Wärmeaustauschers (d) zu umströmen, bevor es in den Verdampfer (ca) gelangt.