-
Herstellung fester Kohlensäure Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Herstellung fester Kohlensäure, gemäß dem gasförmige Kohlensäure komprirniert,
das komprimierte Gas gekühlt und sodann durch adiabatische Expansion teilweise in
feste Kohlensäure übergeführt wird. Die erstarrte Kohlensäure wird hierbei von dem
nicht erstarrten Gas abgesondert und letzteres in einen Wärmeaustauscher zwecks
Kühlung der Frischgase zurückgeführt.
-
Es ist bekannt, komprimierte Kohlensäuregase im Wechselbetrieb zwei
Wärmeaustauschern zuzuführen. Hierbei wird da§ Gas im ersten Wärmespeicher auf etwa
-ioo' ab-U "ekühlt und anschließend der Expansionsmaschine zugeführt, in der es
unter Bildung fester Kohlensäure adiabatisch expandiert. Die leicht flockige feste
Kohlensäure und die flüchtigen Gase gelangen in eine Filterkammer, in der die festen
Kohlensäureteile abgetrennt werden, während die Gase nach dem zweiten Wärmeaustauscher
entweichen. -Die Wärmeaustauscher sind hierbei als Regeneratoren ausgebildet und
mit einer Metallpackung von erheblichem Wärmeinhalt ge-
füllt, die die Aufspeicherung
einer beträchtlichen Kältemenge gestattet. Diesem System haften jedoch Nachteile
an, die seine wirtschaftliche Ausnutzung praktisch in Frage stellen. Z. B. wird
das Gas im Wärmeaustanscher unter seine Verdichtungstemperatur gekühlt, bevor es
in die Expan-3ionsmaschine eintritt. Es wird sich dahei schon im Wärmeaustauscher
etwas feste Kohlensäure abscheiden und ihn verstopfen. Ferner ist durch die Anwendung
von zwei intermittierend arbeitenden Regeneratoren ein gleichförmiger Betrieb der
Expansionsmaschine verhindert. Dies ist nachstehend an Hand einer detaillierten
Beschreibung des Arbeitsprozesses des bekannten Verfahrens erläutert. Nach dem älteren
Verfahren strömt das kalte Abgas durch den zweiten Austauscher, bis die Metallpackung
im Boden des Regenerators auf die Temperatur dieser Gase abgekühlt ist. Danach wird
der Arbeitsvorgang durch Umsteuern der Venfile umgekehrt, so daß nunmehr heißes
Gas in =gekehrter Richtung durch diesen Austanscher hindurchströmt. Das erste heiße
Gas, das durch den Austauscher nach unten strömt, wird von dessen Boden mit einer
Temperatur von etwa - i oo' abströmen. Dabei wird eine erhebliche Menge Schnee
ausgefroren. Das
durch den Wärmeaustauscher strömende heiße Gas
kühlt sich an der kalten Metallpackung im Boden des Regenerators ab. Dabei steigt
die_ Temperatur des der Expansionsmaschine strömenden Gases j edoch immer
stärker tin -
stärker an, bis schließlich wieder ein Wecle ; e. 1.
in den Regeneratoren stattfindet. Bei einer sct# chen Betriebsweise ist es nicht
möglich, die Temperatur des in die Expansionsmaschine übertretenden Gases gleichmäßig
oder stetig zu halten. Ein weiterer Mangel des bekannten Verfahrens besteht darin,
daß bei einer Umschaltung der Austauscher von hohem auf den niedrigen Gasdruck im
System heftige Druckschwankungen auftreten. Ferner führt auch das für die hohe Wärmekapazität
erforderliche große Fassungsvermögen der Wärmeaustauscher zu erheblichen Gasveriusten
und einem stoßweisen Betrieb der Expansionsmaschine.
-
Nach der Erfindung werden die ein#retenden Gase durch das von der
festen Kohlensäure abgetrennte kalte Expansionsgas lediglich auf eine Temperatur
gekühlt, die etwas oberhalb der Verdichtungstemperatur der Kohlensäure bei dem verwendeten
Teildruck liegt. Hierdurch wird die Bildung fester Kohlensäure im Wärmealistauscher
vermieden und die Kühlfläche nicht verringert. Nach dem neuen Verfahren strömt das
gekühlte Gas der Expansionsmaschine ferner ununterbrochen unter gleichbleibenden
Bedingungen zu.
-
Auf der Zeichnung ist eine Arbeitsweise erläutert, mit der es gelingt,
feste Kohlensäure aus Gasmischungen, z. B. Feuergasen, abzuscheiden, die
8 bis 181/, Kohlensäure enthalten. Die Feuergase, die vorher in bekannter
Weise von Staub befreit sind, treten durch eine Leitung 2 in den Kompressor i, der
die erste Kompressionsstufe darstellt. Nachdem das Gasgemisch in dem Kompressor
i auf einen entsprechenden Druck gebracht worden ist, wird es durch Kühler
3 hindurchgeleitet, der z. B. wassergekühlt ist und zur Abfüh-
rung
der Kompressionswärme dient. Das Gas wird sodann durch den Abscheider 4 hindurchgeleitet,
in dem Verunreinigungen, wie 01 und Wasser, entfernt werden. Das Gas tritt
sodann durch die Leitung 5 in den Kornpressor 6 ein. Hiernach gelangt
das Gas durch den Kühler 7 in den Abscheider 8.
-
Der Enddruck des Gasgemisches kann je
nach der Gaszusammensetzung
z. B. zwischen io bis 25 Atm. schwanken. Bei reicheren Gasen genügen niedrigere
Drucke, z. B. 5 Atm.
-
Auf jeden Fall ist der Druck so hoch, daß der Teildruck der Kohlensäure
unterhalb des Tripelpunktes der Kohlensäure liegt. Der Teildruck.der Kohlensäure
ist aber so hoch zu beinessen, daß bei der darauffolgenden Kühlung die Kohlensäure
des Gasgernisches unmittelbar in den festen Aggregatzustand ,übergeht, ohne zu verflüssigen.
Die Korn--#ppssion könnte geggebenenfalls auch in einer i ; nzigen Stufe
durchgeführt werden.
-
Z#J:kZach der Kompression wird das gekühlte il im on ensator befreite
asgeinisch von weiteren Verunreinigungen, wie Schwefelverbindungen und Aldehyde,
befreit durch Hindurchleiten durch Schichten 9 eines adsorbierenden Stoffes,
z, B. Siliciumgel oder al,-tivierte Tonerde, zweckmäßig unter Anwendung von Wechselschichten
mit Hilfe von Ventilen io.
-
Die Gase verlassen die Adsorber 9 sodann durch Leitungen ii,
die durch Ventile 12 gesteuert werden, und gelangen dann durch ein Filter 15, z.
B. Tuchfilter, über die Leitung 16 durch die Rohre 17 des Wärmeaustauschers 18.
In 18 wird das Gas auf eine Temperatur abgekühlt, die etwas oberhalb der Temperatur
liegt, bei der die Kohlensäure des Gasgernisches bei ihrem Teildruck fest wird.
Z. B. liegt bei einem Gas, das io Volumenprozente Kohlensäure enthält
und auf einen Gesamtdruck von 2o Atra. absolut-zusammengepreßt ist, die Temperatur,
bei der die Kohlensäure fest wird, bei -70'. Diese Temperatur entspricht
mit anderen Worten dem Dampfdruck der Kohlensäure bei einem Druck von 2 Atm., der
den Teildruck der Kohlensäure in dem oben angeführten Beispiel bildet.
-
Es ist vorteilhaft, daß das Gas so nahe wie möglich auf die Temperatur
abgekühlt wird, bei der die Kohlensäure fest wird. Das Gas in dem oben angeführten
Ausführungsbeispiel könnte auf eine Temperatur von -67,8' abgekühlt werden.
Diese Temperatur unterscheidet sich von der Temperatur, bei der Kohlensäure flüssig
wird, lediglich um ?-,21. Für den ununterbrochenen und gleich-# mäßigen Betrieb
ist es aber erforderlich, eine E, rstarrung der festen Kohlensäure im Austatischer
zu verhindern.
-
Nach Verlassen des Austauschers und nach der oben geschilderten Abkühlung
gelangen die Gase durch die Leitung ig in die Expansionsmaschine 2o, die zweckmäßig
im Gleichstrom arbeitet. Diese Maschine ist mit dein Kolben -9 1 versehen,
der sich im Zylinder 22 bewegt. Der Zylinder weist an den Enden Einlässe
223 und in der Mitte AusläSSe 24 auf.
Die Gase werden den Einlaßöffnungen
durch die Einlaßrohre 25 hindurch zugeführt und aus den Auslaßöffnungen durch
die Leitung :26 abgeführt.
-
In der Maschine2o wird das Gas adiabatisch expandiert. Die Expansion
könnte bis annähernd auf atmosphärischen Druck durchgeführt werden. Während der
Expansion wird die Gasi-nischting auf eine Temperatur
abgekühlt,
die unter' dem Erstarrungspunkt der Kohlensäure bei ihrem Teildruck liegt, so daß
sie zu Schnee erstarrt, der durch die Auspuffgase aus der Expansionstnaschine herausgeführt
wird.
-
Die» Gleichstrommaschine ist um so mehr geeignet, als die mittleren
Auslaßkanäle24, die rund um den Zylinder herum angeordnet sind, eine Abführung des
Schnees aus den Zylindern ohne Ventile ermöglichen, so daß Rückschläge nicht auftreten
können, Damit die Expansionsmaschine wirksam arbeitet, wird zweckmäßig ein Schmiermittel
verwendet, das bei der Sublimationstemperatur der festen Kohlensäure einen so hohen
Dampfdruck aufweist, daß der Teil des Schmiermittels, der mit dem Schnee den Auspuff
verläßt, vollständig verdampft und keine rlei Rückstände hinterläßt. Solche Schmiermittel
sind z. B. Pentan und Diäthyläther.
-
Nach Verlassen der Expansionsmaschine durch die. Leitung
26 hindurch treten die expandierten Gase mit dem Kohlensäureschnee mit hoher
Geschwindigkeit in den Trichter 30
der Schneekammer31 ein. Die Leitung26 mündet
in den Trichter 30 zweckmäßig tangential.
-
Vom Trichter 3o aus gelangen die Restgase nach oben durch das Filter
32 hindurch, das zweckmäßig als Tuchfilter ausgebildet ist-und dazu dient,
die festen Kohlensäu-reteile vom Gas zu trennen.
-
Der Kohlensäureschnee, der sich am Boden des Trichters 30 gesammelt
hat, kann z. B. durch die Fördervorrichtung 4o entfernt und entweder ununterbrochen
oder in Abständen hydraulischen Pressen zum Zwecke der Brikettierung zugeführt werden.
Die in der Schneekammer niedergeschlagene Kohlensäure weist eine Temperatur auf,
die erheblich unterhalb der Verflüchtigungstemperatur der Kohlensäure bei atmosphärischem
Druck liegt. Daher ist der Verdampfungsverlust beim Brikettieren und Pressen verhältnismäßig
gering. Die Fördervorrichtung 40 ist zweckmäßig so angeordnet, daß ein Entweichen
von Auspuffgasen verhindert ist.
-
Nach Verlassen des Außenraumes der Schneekammer 3 1 durch die
Leitung 41 hindurch umspülen die Restgase die Rohre 17 des Austauschers 18 im Gegenstrom
zu den eintretenden Gasen. Eine durch ein Venti143 gesteuerte Umführungsleitung
4:2 dient zur Regelung des aus dem Austauscher austretenden Teils der von der festen
Kohlensäure ab-,getrennten Gase, wodurch die Kühlung der eintretenden Gase reguliert
werden kann. Es hat sich herausgestellt, daß in dieser Weise der Gegenstromwärmea,ustauscher
ununterbrochen mit einem großen, am kalten Ende aufrechterhaltenen Temperaturunterschied
# arbeiten kann, ohne ein Ausfrieren der Kohlensäure an äen Rohren des Heißgasraumes
infolge unregelmäßiger örtlicher Kühlung zu verursachen.
-
Z. B. werden in dieser Weise die komprimierten Gase auf eine Temperatur
von -67,8' bei einem solchen Teildruck abgekühlt, daß die Kohlensäure bei
-70' erstarrt. Die kalten expandierten Gase tretendann bei -112,:2' in den
Austauscher ein, ohne ein örtliches Ausfrieren hervorzurufen. ts ist auf diese Weise
möglich, den Wärmeaustausch in einem ununterbrochenen Prozeß durchzuführen, ohne
den Wärmeaustauscher zwecks Entfernung der erstarrten Kohlensäure oder des Rauhreifes
von den Rohren des Austauschers abschalten zu müssen.
-
Die Kühlgase verlassen den Austauscher 18 durch eine Leitung
44 und können zur Reaktivierung der Schichteng verwendet oder durch eine Leitung
45 hindurch abgeführt werden. Es kann auch ein Teil der Kühlgase durch die Leitung46
hindurch, die vor dem Kompressor i in die Leitung 2 einmündet, in die Anlage zurückgeleitet
werden. Die Leitung 46 ist dabei durch das Ventil 47 regelbar. Zum Zwecke der Reaktivierung
werden die Gase durch die Leitung 5o dem Erhitzer q i und sodann durch Leitungen
52,
die von Ventilen 53 gesteuert werden, der einen der beiden Schichten
9 zugeführt. Die Gase treten aus den Schichten 9 durch Leitungen 54
hindurch aus, die durch Ventile 55
gesteuert werden. Die Gase können dann
durch die Leitung 56 hindurch abgeführt werden. Die Umführungsleitung
57 für den Erhitzer 51 ist durch Ventil 58 regelbar.
-
Ein Teil der. von der festen Kohlensäure abgetrennten Gase oder auch
die gesamten Restgase können- einem *(nicht dargestellten) Austauscher zum Zwecke
der Kühlung der eintretenden komprimierten und aus dem Separator 8 stammenden
Gase zugeführt werden.
-
Es kann wünschenswert sein, einen Teil der Restgase in den Fällen
durch die Leitung 46 in die Anlage zurückzuführen, in denen die eintretenden Gase
verhältnismäßig reich an Kohlensäure sind, oder aber falls in den Restgasen noch
wesentliche Mengen Kohlensäure verbleiben. Eine Zurückführung der Abgase in die
Anlage ist auch deswegen vorteilhaft, weil diese Gase trocken sind und eine Temperatur
von -9,4' bis -i,i' aufweisen. Im Falle des Betriebes mit reinern Kohlensäuregas
wird das gesamte nicht zur Erstarrung gebrachte Gas in die Anlage zurückgeleitet.