-
Verfahren zum Ausfrieren der Kohlensäure Bei der Tiefkühlung und Verflüssigung
von Luft und von Gasgemischen muß zuvor deren Kohlensäuregehalt beseitigt werden,
was z. B. auf chemischem Wege durch Waschen mit :Atznatronlauge oderauf physikalischemWege
durch Ausfrieren geschehen kann. Bei dem letztgenannten Verfahren spart man gegenüber
dem chemischen Verfahren die Verarbeitung von Chemikalien, und wegen dieses Vorteils
wird das Ausfrieren der Kohlensäure mehr und mehr angewandt.
-
Es sind bereits Verfahren bekannt, nach denen die Kohlensäure aus
kohlensäurereichen Gasen durch Ausfrieren gewonnen werden soll. Dabei wird das kohlensäurehaltige
Gasgemisch durch Entspannung in den Kohlensäureabscheidern auf eine Temperatur gebracht,
bei der zwar die Kohlensäure gefriert, die Gasgetnischbestandteile sich aber nicht
verflüssigen. Da dieses Verfahren der Gewinnung vonKohlensäure aus kohlensäurereichen
Gasgemischen dient, kommt es dabei nicht auf eine restlose Ausfrierung der Kohlensäure
an. Es wird dem Zurückbleiben eines Kohlensäurerestes im bearbeiteten Gas kein besonderer
Wert beigelegt. Man kann die Kohlensäure aus kohlensäurereichen Gasgemischen bereits
zum größten Teil mit Temperaturen ausfrieren, welche Iv eit oberhalb der Verflüssigungsgrenze
der anderen Bestandteile des Gasgemisches liegen. Dementsprechend wird zum Beispiel
bei diesen Versuchen in den Wärmeaustauschern mit einem Druck bis etwa 15 atü und
nach der Entspannungsmaschine mit einer Temperatur von etwa - I2o' C gearbeitet.
Unter diesen Betriebsverhältnissen ist eine restlose Beseitigung der Kohlensäure
weder möglich noch beabsichtigt. Es verbleibt vielmehr in dem bearbeiteten Gas noch
ein großer Rest an Kohlensäure.
-
Es kommt jedoch bei der Verflüssigung von Luft und von Gasgemischen
darauf an, aus diesen zuvor die Kohlensäure vollkommen zu entfernen (bis zu mindestens
o,ooo4°/o Vol. j. Man muß bei dem sehr geringen Partialdruck der letzten Spuren
von Kohlensäure zum Ausfrieren derselben sehr niedrige Temperaturen
anwenden
und bei diesen entsprechend niedrige Drücke, bei welchen sich die Gasgemischbestandteile
nicht teilweise verflüssigen. Würde ausgefrorener Kohlensäure=" schnee in der Apparatur
in flüssige Gase g.C.k langen, dann müßte er aus diesen zwecks'#'e'7. meidung von
Verstopfungen der Rohre, dein, Ventile und der Apparateteile entfernt werden. Das
macht aber Vorrichtungen, wie Filter usw., notwendig und verursacht große Schwierigkeiten.
Die niedrigen Temperaturen und Betriebsdrücke haben seither das Verfahren des vollkommenen
Ausfrierens der Kohlensäure vor der Verflüssigung von Luft und von Gasgemischen
nur bei großen Anlagen zur Gewinnung von gasförtnigem Sauerstoff, Stickstoff oder
von gasförmigen Gasgemischbestandteilen zugelassen. Die Anlagen zur Verflüssigung
von Luft arbeiten bekanntlich mit Betriebsdrücken vor dem Entspannungsventil bzw.
einer etwa verwendeten Entspannungsmaschine, welche um so höher sind, je kleiner
die Anlage, d: h. je geringer die stündlich verarbeitete Luftmenge ist. Diese Tatsache
beruht auf den größeren Kälteverlusten der kleineren Anlagen infolge ihrer verhältnismäßig
größeren Oberfläche. Auch bei Anlagen zur Herstellung flüssiger Gase entstehen entsprechend
hohe Kälteverluste. Die größeren Kälteverluste müssen im Betrieb .durch eine größereKälteerzeugung
und deshalb eine höhere Entspannung ausgeglichen werden. Je höher aber der Betriebsdruck
einer solchen Anlage vor der Entspannung .der Luft bzw. des Gasgemisches ist (der
Betriebsdruck entspricht etwa dem Kompressionsenddruck des Luftkompressors bzw.
des Gasgemischkompressors), um so höher sind die Temperaturen, bei denen die Verflüssigung
der Luft bzw. die Verflüssigung von Bestandteilen des Gasgemisches beginnt. -Das
bedeutet, daß sich das Ende -des Ausfriervorganges der Kohlensäure und der Beginn
der Verflüssigung von Luft oder Gasgemischbestandteilen, welche bei größeren Anlagen
im Abkühlungsvorgang mit einem gewissen Abstand aufeinander folgen, bei kleineren
Anlagen berühren bzw. überdecken. Das nachstehende Beispiel mag dies noch weiter
veranschaulichen.
-
Im Betrieb einer Luftzerlegungsanlage, welche mit einem Kompressionsenddruck
von 15 atü bis zur Entspannung der Luft arbeitet, kann man das genügende Ausfrieren
der Kohlensäure bei einer Temperatur von etwa - 15z° C als beendet ansehen. Die
Verflüssigung derLuft beginnt dagegen bei einem Druck von 15 atü erst bei einer
Temperatur von etwa - z57° C.
-
Beim Betrieb einer Anlage, welche beispielsweise einen Kompressionsenddruck
von 75 atü benötigt, unter welchem auch die Abkühlung der Luft bis zu ihrer Entspannung
erfolgt, ist der Zustand der genügenden Be-:vtr eiung der Luft von Kohlensäure zwar
schon etwa - rq.3° C erreicht, aber bei diesem ;dck beginnt die Verflüssigung der
Luft bereits bei - 1¢i° C.
-
In der mit 15 atü Druck arbeitenden Anlage folgen also das Ende des
Kohlensäureausfriervorganges und der Beginn der Luftverflüssigung mit Abstand aufeinander,
wobei die Abscheidung der Kohlensäure mit bekannten einfachen Mitteln durchführbar
ist. In der mit 75 atü Druck arbeitenden Anlage dagegen überdecken sich beide Vorgänge,
und es würde daher ausgefrorene Kohlensäure in die verflüssigte Luft gelangen. Die
nachstehend beschriebene Erfindung betrifft ein neues, einfaches Verfahren der Kohlensäurebeseitigung
durch Ausfrieren bei der Verflüssigung von Luft oder Gasgemischen, welches nicht
die Nachteile der seither bekanntgewordenen Verfahren hat. Das Verfahren wird an
Hand der Zeichnung beispielsweise für eine Luftzerlegungsanlage beschrieben, welche
mit 75 atü Kompressionsenddruck arbeitet.
-
Die verdichtete Luft strömt durch dieRohrleitung r in die ersten Gegenstromwärmeaustauscher
2 oder 3, während durch die Rohre. und 5 die in der Zerlegungsapparatur gewonnenen
Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff an der entgegengesetzten Seite in die Wärm,eaustauscher
2 oder 3 eingeführt werden und in diesen Wärmeaustauschern der verdichteten Luft
zur Kälteabgabe entgegen= strömen. In die Rohrleitungen für Luft, Stickstoff und
Sauerstoff sind Ventile eingebaut, die die wechselseitige Benutzung der ersten Wärmeaustauscher
2 oder 3 gestatten, in denen zugleich mit der Kühlung auch die Trocknung der Luft
durch Ausfrieren des in ihr enthaltenen Wasserdampfes bei entsprechend niedrigeren
Temperaturen erfolgt. Ist in einem der beiden Wärmeaustauscher eine gewisse Menge
ausgefrorener Wasserdampf an den Austauscherrohren angesetzt, dann wird bei ihm
der Durchgang von Luft, Stickstoff und Sauerstoff durch die Ventile abgestellt und
zugleich durch (Offnen der entsprechenden Ventile der andere erste Wärmeaustauscher
eingeschaltet..Der außer Betrieb gestellte Wärmeaustauscher wird erwärmt, z. B.
durch einstrahlende Außenwärme, und der in ihm aus der verdichteten Luft ausgefrorene
Wasserdampf wird zu Wasser, welches durch die Ventile 6 oder 7 abgelassen werden
kann.
-
Die verdichtete, in den ersten Wärmeaustauschern 2 oder 3 auf etwa
-too° gekühlte und dabei getrocknete Luft strömt durch das
Rohr
i und durch das Regulierventil 8 mit dieser Temperatur von etwa -ioo' in die zweiten
Gegenstromwärmeaustauscher 9 oder io, wobei ihr Anfangsdruck, der vorstehend beispielsweise
gleich dem Kompressionsenddruck mit 75 atü angegeben wurde, mit diesem Regulierventil
8 auf beispielsweise 15 atü durch entsprechende Drosselung herabgemindert wird.
Da die Luft infolge des bei dieser Entspannung entstehenden Temperatursturzes in
den Gegenstromwärmeaustauscherg oder io mit einer entsprechend erniedrigten Temperatur
eintritt, verlassen andererseits auch die Zerlegungsprodukte Sauerstoff und Stickstoff
die Austauscher mit einer entsprechend tieferen Temperatur und treten in die Austauscher
2 oder 3 ein, in welchen daher die durch die Entspannung der Luft gewonnene Kälte
zu einer guten Vorkühlung der Luft ausgenutzt wird.
-
Die zweiten Wärmeaustauscher 9 und io sind so bemessen, daß sich in
ihnen bei dem vorstehend beispielsweise genannten Betriebsdruck von 15 atü unten
am warmen Ende eine Temperatur von etwa - ioo' und oben am kalten Ende eine Temperatur
von etwa - 1500
einstellt. Bei dieser Abkühlung friert die Kohlensäure aus
der verdichteten Luft aus und setzt sich an die Austauscherrohre an, die vom Stickstoff
und Sauerstoff durchströmt werden. Betriebsdruck und Temperaturen werden in den
zweiten Wärmeaustauschern 9 und io so geregelt, daß in ihnen ein möglichst vollständiges
Kohlensäureausfrieren, aber keine teilweise Verflüssigung von Luft stattfindet.
Dabei verbleibt die Kohlensäure an den hierfür vorgesehenen Stellen in den zweiten
Wärmeaustauschern 9 und i o, und sie kann nicht unter Verursachung von Funktionsstörungen
in die nachfolgenden Verflüssigungsapparaturen gelangen.
-
Die zweiten Wärmeaustauscher 9 und io werden wechselseitig benutzt.
Wenn in einem dieser beiden Wärmeaustauscher eine gewisse Menge Kohlensäure ausgeschieden
ist und der Wärmeaustausch dadurch beeinträchtigt wird, wird er mit den in die Rohrleitungen
i, q. und 5 für Luft, Stickstoff und Sauerstoff eingebauten Ventilen außer Betrieb
genommen, und der andere wird in Betrieb gesetzt. Der außer Betrieb genommene zweite
Wärmeaustauscher wird alsdann erwärmt, beispielsweise durch Eintritt von Außenwärme,
wobei die in ihm befindliche Kohlensäure, bei einer Temperatur von - 780 beginnend,
verdampft und durch die Ventile ii oder 1z ausgeblasen werden kann.
-
Die getrocknete und gereinigte, noch entsprechend verdichteteLuft
strömt durchRohrleitung i zu dem Verflüssigungs- und Zerlegungsapparat 13, der in
verschiedenartigen Bauweisen bekannt ist. Nach dein Beispiel erfolgt in einem im
oberen Teil des Apparates 13 gezeichneten Wärmeaustauscher durch weitereAbkühlung
dieVerflüssigung der Luft, sodann im Entspannungsventil 1d. die Entspannung derselben
und im unteren Teil des Apparates 13 mittels Rektifikationskolonnen die Zerlegung
der Luft in Sauerstoff und Stickstoff. Diese Zerlegungsprodukte durchströmen dann
zunächst zur Verflüssigung der Luft den Wärmeaustauscher, welcher im oberen Teil
des Verflüssigungs- und Zerlegungsapparates 13 gezeichnet ist, und von diesem
gelangen sie mit noch .genügend tiefen Temperaturen oben in die zweiten Wärmeaustauscher
9 oder io.
-
Zur Einstellung einer notwendigen tiefen Temperatur im oberen Ende
der zweiten Wärmeaustauscher 9 und io kann dieser Stelle durch die Rohrverbindung
15 mit dem Regelventil 16 eine entsprechende Menge des Stickstoffes, welcher unter
dem im Apparat 13
eingebauten Wärmeaustauscher tiefste Temperatur besitzt,
unter Umgehung dieses Austauschers zugeführt werden.
-
Das vorstehende, beispielsweise für eine Anlage zur Zerlegung der
Luft mittels einfacher Entspannung beschriebene Verfahren kann in entsprechend abgewandelter
Weise ebenso für Luftzerlegungsanlagen mit mehrfacher Luftentspannung, für solche
Anlagen mit oder ohne Entspannungsmaschinen oder für Gasgemischzerlegungsanlagen
angewendet werden. Das Verfahren beruht darauf, mittels einer bisher nicht angewendeten
Vorentspannung der Luft oder des Gasgemisches in den zum Ausfrieren der Kohlensäure
dienenden Wärmeaustauschern diejenigen Betriebsverhältnisse zu schaffen, unter denen
das genügende Ausfrieren ider Kohlensäure ohne gleichzeitige Verflüssigung von Luft-
oder Gasgemischbestandteilen durchgeführtwerden kann. Die in dem gewählten Beispiel
angegebene Vorentspannung :mittels des Ventils 8 kann ebensowohl durch eine Entspannungsmaschine
erfolgen.