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Verfahren zur Entfernung der beim Abkühlen von Gasen in Kältespeichern
kondensierten Bestandteile Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem
sogenannte Kältespeicher für den Wärmeaustausch zwischen einem abzukühlenden und
einem wieder zu erwärmenden Gase angewendet werden. Dieser Wärmeaustausch findet
bekanntlich in der Weise statt, daß beide Gase in entgegengesetzten Richtungen einen
Kältespeicher wechselweise durchströmen, wobei man praktisch zwecks ununterbrochener
Arbeit zwei Kältespeicher anwendet.
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Man hat schon vorgeschlagen, diese Arbeitsweise auf die Abscheidung
von Wasserdampf und sonstigen Dämpfen aus Gasgemischen, wie Luft, anzuwenden.
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Gemäß einem ersten Vorschlag strömt das Gas, beispielsweise Luft,
aus dem Dämpfe kondensiert werden sollen, zuerst durch einen Kältespeicher, in dem
das Gas sich abkühlt, und weiter durch einen Kondensator, in dem sich die kondensierbaren
Bestandteile ablagern. Das wieder auf die Umgebungstemperatur zu erwärmende Gas
durchströmt nur den Kältespeicher. Die kondensierbaren abgelagerten Bestandteile
werden von einer Kälteflüssigkeit abgeschwemmt oder gelöst. Dieses Verfahren erfordert
also eine umlaufende Lauge und ist nur auf die Entfernung von Bestandteilen anwendbar,
die sich bei verhältnismäßig hoher Temperatur abscheiden, wie Wasserdampf.-Gemäß
einem anderen Vorschlag wird bei der Zerlegung von Luft in ihre Bestandteile unter
Anwendung von Kältespeichern für den Wärmeaustausch zwischen der Luft und den Zerlegungsprodukten,
der Kältetausch zwischen
dem zu zerlegenden Gasgemisch und den
Zerlegungsprodukten in zwei Zonen unterteilt, wobei in den Kältespeichern der ersten
Zone eine Entfeuchtun.g des Gasgemisc '' unter Laugenberieselunig stattfindet, währ
in den Kältespeichern der zweiten "" der restliche Wasserdampf trocken friert. Auch
dieses Verfahren erfordert also eine umlaufende Lauge 'und ist nur auf die Entfernung
von Stoffen anwendbar, die bei verhältnismäßig hoher Temperatur kondensierbar sind.
Zudem muß der als Reif trocken abgelagerte Wasserdampf durch Ausblasen unter Druck
entfernt werden.
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Man hat ebenfalls vorgeschlagen, bei der Zerlegung von Luft in ihre
Bestandteile unter Zuhilfenahme von Kältespeichern für den Wärmeaustausch zwischen
der Luft und den Zerlegungsprodukten die Sublimation der in den Kältespeichern aus
der Luft abgelagerten festen Kohlensäure dadurch zu erleichtern, daß man eine Menge
zerlegter Bestandteile, die größer ist als die der eintretenden zu zerlegenden Luft,
durch den Kältespeicher, und zwar entweder über seine gesamte Länge oder nur über
seinen kälteren Teil, in dem die Ablagerung der Kohlensäure stattfindet, strömen
zu lassen.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet, den Temperaturunterschied
zwischen dem eintretenden und dem austretenden Gase kleiner zu gestalten, als es
mit dem zuletzt erwähnten bekannten Verfahren möglich ist. Es ist weiter zum Unterschiede
vondiesem Verfahren auf die Entfernung des Wasserdampfes anwendbar.
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Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird wenigstens eines der beiden
Gase in wenigstens einem der zwei Teile seines Weges, die sich je auf beiden Seiten
der Stelle befinden, wo die Ablagerung des kondensierbaren Bestandteiles beginnt,
einer thermischen Wirkung unterworfen, die von der auf das betreffende Gas durch
das andere Gas über dieVermittlung des Kältespeichers ausgeübten Wirkung unabhängig
ist und die Temperatur des betreffenden Gases derjenigen nähert, die es in demjenigen
Teile seines Weges besitzt, wo es der thermischen Wirkung nicht unterworfen wird.
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Wenn also die thermische Wirkung in demjenigen Teile des Kältespeichers
ausgeübt wird, in dem sich der kondensierbare, zu entfernende Bestandteil noch nicht
ablagert, und der der Einfachheit halber im folgenden der wärmere Teil des Kältespeichers
genannt wird, besteht die fragliche thermische Wirkung in einer Abkühlung. Wird
im Gegenteil die thermische Wirkung in dem Teile des Kältespeichers ausgeübt, in
dem dieser kondensierbare Bestandteil sich ablagert, und der im folgenden der kältere
Teil des Kältespeichers genannt wird, besteht sie in einem Erwärmen.
| enn der kondensierbare, zu entfernende |
| andteil sich erst in der Nähe des kalten |
| i... des des Kältespeichers abzulagern beginnt, |
ewie im Falle der in der Luft enthaltenen Kohlensäure, so ist es praktisch notwendig,
eine Abkühlung auszuüben. Beginnt im Gegenteil dieser Bestandteil sich schon in
der Nähe des warmen Endes des Kältespeichers abzulagern, wie im Falle des Wasserdampfes,
so wird eine Erwärmung ausgeübt. Man wird die Abkühlung zweckmäßig ganz in der Nähe
der Stelle, wo die Ablagerung des zu entfernenden kondensierbaren Bestandteiles
beginnt, durchführen. Desgleichen wird man die Erwärmung zweckmäßig an der Stelle
. durchführen, wo der kondensierbare Bestandteil sich in lästiger Menge abzulagern
aufhört. Wird weiter für ein und denselben zu entfernenden Stoff gleichzeitig diese
Abkühlung und diese Erwärmung in der räumlich beschränkten angegebenen Weise an
zwei Stellen des Kältespeichers ausgeübt, so wird der Kraftaufwand auf das niedrigste
beschränkt.
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Die oben gekennzeichnete thermische Wirkung kann auf jede geeignete
Weise ausgeübt werden. Sie kann z. B. durch unmittelbare Berührung des zu erwärmenden
oder abzukühlenden Gases mit einem eine passende Temperatur aufweisenden Gase verwirklicht
werden. Im Falle eines Erwärmens wird z. B. dem austretenden Gase auf seinem Wege
durch den Kältespeicher eine kleine Menge des austretenden .Gases zugesetzt, das
früher auf die umgebende Temperatur erwärmt worden ist und das man auf den Druck
zurückgebracht hat, den es an der Stelle besitzt, wo der Zusatz stattfindet. Im
Falle einer Abkühlung wird dem ein- oder austretenden Gase ein kälteres oder ein
verflüssigtes Gas zugesetzt, von dessen besonderer Erzeugung man im allgemeinen
absehen kann, weil man es als solches entweder in den Kältespeichern oder in den
Einrichtungen, wie denVerflüssigungs-und Rektifikationseinrichtungen, finden wird,
denen die Kältespeicher angeschlossen sind. Bei der Zerlegung einer von ihrer Kohlensäure
vorher nicht befreiten Luft in ihre Bestandteile, gibt man z. B. der eintretenden
Luft in dem Gebiete des Kältespeichers, wo eine Temperatur von ungefähr - iq.o°
C herrscht, eine kleine Menge flüssige Luft zu, die je nach dem Druck der eintretenden
Luft und dem Wirkungsgrad der Kältespeicher im allgemeinen zwischen 1/5
% und i °1o der gesamten behandelten Menge Luft schwankt. Man kann desgleichen
dem austretenden Bestandteil eine kleine, aus der Zerlegungseinrichtung stammende
Menge desselben Bestandteiles
in flüssigem Zustande zusetzen. Die
flüssige Luft oder der verflüssigte Bestandteil können beispielsweise aus einem
Teile der Flüssigkeit bestehen, die dadurch gebildet wird, daß man Luft unter Druck
oder eine bestimmte Menge des in Frage kommenden Bestandteiles unter Druck an dem
kalten Ende der Kältespeicher in einem Verflüssiger in Wärmeaustausch mit der eintretenden
Luft oder dem austretenden Bestandteil gebracht hat.
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Es ist zu bemerken, daß dieser Zusatz eines Kühl- oder Heizmittels
zu dem ein- oder austretendem Gase die Menge der durch den Kältespeicher strömenden
Gase abändert. Die Folge kann sein, daß der an der Stelle des Zusatzes passende
Temperaturunterschied zwischen den beiden Gasen in einem anderen Teile des Kältespeichers
nicht weiter paßt. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß man demjenigen Gase,
das dem Zusatze unterworfen wurde, in der Nähe der Stelle des Zusatzes eine Menge
Gas entnimmt, die sich derjenigen des zugesetzten Mittels nähert und die man zweckmäßig
nach einer Stelle der Einrichtung zurückschickt, wo eine der Temperatur des entnommenen
Gases benachbarte Temperatur und ein geringerer Druck als der dieses Gases herrschen.
Man kann ebenfalls im Gegenteil die Menge des Gases, das dem Zusatze nicht unterworfen
wird, über einen Teil seines Weges durch die Kältespeicher vergrößern. In beiden
Fällen wird jeder Teil der Kältespeicher durch im wesentlichen gleiche Mengen des
ein- und austretenden Gases durchströmt.
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Wenn das Kühlmittel dem eintretenden oder das Heizmittel dem austretenden
Gase zugesetzt werden, also wenn die auf das Gas ausgeübte thermische Wirkung von
derselben Richtung ist wie die Wirkung, die darauf durch das Gas ausgeübt wird,
mit dem es in Wärmeaustausch durch die Vermittlung des Kältespeichers steht, ist
es insbesondere in dem Gebiete des Kältespeichers, wo der kondensierte Stoff sich
in lästiger Weise ablagert, daß der Zusatz des Kühl- oder Heizmittels eine Veränderung
des Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Gasen dem Kältespeicher entlang
hervorzurufen neigt. Bei gleichen spezifischen Wärmen des ein-und austretenden Gases
nimmt dieser Unterschied in dem Maße zu, als man sich in diesem Gebiete von der
Stelle des Zusatzes entfernt. Um den Unterschied in diesem Gebiete wesentlich gleichzuhalten,
können daselbst eine oder mehrere sekundäre thermische Wirkungen von derselben Richtung
wie die Hauptwirkung ausgeübt werden. Man kann z. B. einen Teil des Kühl- oder Heizmittels
an einer oder mehreren in diesem Gebiete befindlichen Stellen zusetzen. Wenn die
thermische Wirkung gemäß der Erfindung darin besteht, daß man in dem wärmeren Teile
des Kältespeichers ein Kühlmittel dem eintretenden Gase zusetzt, ist dann dieser
Zusatz von dem eines weiteren Teiles des Kühlmittels in demjenigen Bruchteile des
kälteren Teiles des Kältespeichers begleitet, der an den wärmeren Teil anschließt,
wobei die letztere Abkühlung von einer Erwärmung begleitet werden kann, die in dem
übrigbleibenden Bruchteile des kälteren Teiles ausgeübt wird, dort, wo die Ablagerung
des kondensierbaren Stoffes zu gering ist, um noch stören zu können.
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Anstatt unmittelbar kann ebenfalls die thermische Wirkung durch eine
mittelbare Berührung ausgeübt werden, und zwar zweckmäßig vermittels eines Hilfsmediums,
das zwischen der Stelle, wo die thermische Wirkung ausgeübt werden soll, und _einer
Wärme- oder Kältequelle im Kreislauf strömt. Das Hilfsmedium besteht entweder aus
Gas unter hohem Druck, damit es eine hohe Wärmekapazität bei einem geringen Umfang
besitzt, oder zweckmäßig aus einem Medium unter einem solchen Druck, daß es wechselweise
in gasförmigem Zustande bei der höheren und in flüssigem Zustande bei der kälteren
der beiden Temperaturen, zwischen denen es umläuft, sein kann. Im Falle, wo das
behandelte Gasgemisch von Luft und der zu sublimierende kondensierbare Bestandteil
von Kohlensäure gebildet wird, besteht z. B. das Hilfsmedium aus Sauerstoff, Argon
oder Krypton, die in geschlossenem Kreislauf zwischen einem Wärmeaustauscher strömen,
der in einem Kältespeicher in dem Gebiet angeordnet ist, wo die Temperatur von etwa
- 140' C herrscht, und einem zweiten Wärmeaustauscher, der entweder in demselben
oder dem anderen Kältespeicher des Paars dort angeordnet ist, wo eine tiefere Temperatur,
z. B. - 16o1 C oder -17o1 C herrscht. Liegt weiter das kalte Ende der Kältespeicher
oben; und wird ein U-förmiges, mit senkrechten, nach unten gerichteten Schenkeln
versehenes Rohr zwischen den beiden Wärmeaustauschern angeordnet, zwischen denen
das Medium strömt, so strömt dieses von selbst ununterbrochen nach dem Thermosiphongrundsatz,
ohne daß man eine Umlaufpumpe braucht.
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Es muß schließlich bezüglich des Temperaturunterschiedes zwischen
dem ein- und austretenden Gase in den verschiedenen Teilen der Kältespeicher das
folgende bemerkt werden Bei allen Gasen, die sich mehr verdichten lassen als dem
Mariotteschen Gesetze entspricht, also insbesondere bei Luft und deren Bestandteilen,
nimmt bekanntlich - die spezifische Wärme des Gases zugleich mit dem
Druck,
insbesondere bei tiefen Temperaturen, zu, so daß unter der Annahme, daß die beiden
Gase in gleichen Mengen vorhanden sind und daß das austretende Gas unter einem geringeren
Drucke als das eintretende steht, was im allgemeinen zutrifft, der Temperaturunterschied
zwischen dem ein- und dem austretenden Gase in dem Maße zunimmt, wie die Temperatur
abnimmt. Die Folge ist, daß der Temperaturunterschied zwischen dem ein-und dem austretenden
Gase an der Stelle, wo die Ablagerung der kondensierbaren Bestandteile beginnt,
durch das vorliegende Verfahren klein genug gemacht werden, jedoch an dem kalten
Ende dieses Gebietes zu groß bleiben kann, selbst wenn die Mengen der beiden in
Wärmeaustausch befindlichen Gase in einer der oben beschriebenen Weisen auf der
gesamten Länge der Kältespeicher gleichgehalten werden. Man kann in diesem Falle
einen Teil des Kältemittels in dem kälteren Teile des Kältespeichers in der oben
angegebenen Weise zusetzen oder das Verfahren gemäß der Erfindung mit dem bekannten,
am Anfang der Beschreibung erwähnten Verfahren verbinden, bei dem die Menge des
austretenden Gases gegenüber der des eintretenden Gases vergrößert wird. Im Falle
einer durch unmittelbare Berührung stattfindenden thermischen Wirkung wird dies
z. B. in der Weise stattfinden, daß man das zugesetzte Mittel und das entnommene
Gas nicht weiter, wie oben angenommen in gleichen, sondern in ungleichen Mengen
nimmt.