DE7114305U - Gaskuehlfalle - Google Patents

Description

Priorität» v.17-April 1970 in Prankreich Anm.No.: 70 13 893

Die Neuerung betrifft Verbesserungen an Gaskühlfallen, an deren Oberfläche die zu entfernenden Gase eines gejjt schlossenen Raumes oder einer umlaufenden Gasmischung

kondensiert werden, wobei diese Oterfläche durch eins siedende Kälteflüssigkeit gekühlt wird,

In der französischen Patentschrift 1 5^7 694 ist eine Gaskühlfalle beschrieben, die in Richtung des Gasflusses, aus dem man gewisse Bestandteile auffangen will, aufstxomseicig ainen Austauscher mit mindestns einem Metallrohr und einer Kapp oder Schürze aus Metall in Varmekontakt mit dem Rohr und abstromseitig einen

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Värmeaustauscher mit einem Behälter aufweist, der zur Aufnahme einer Kältaflusslgkeit bestimmt und im Innern der Kappe angeordnet ist, wobei das abstromseitige Ende des Rohres in Gasfließrichtung mit dem oberen Teil des Behälters in offener Verbindung steht. Die in dieser Patentschrift beβehriebnen Kühlfallen sind besonders geeignet für die Gefriertrocknung oder Lyophilisierung von wässrigen oder nichtwässrigen Lösungen. Für diese Anwendungszwecke spielt die Falle die Rolle einer echten Pumpe, und am Ende ihrer Benutzung ist sie praktisch mit dem gebildeten Eis oder sonstiger fester Substanz verstopft.

Bei bekannten Vakuumanwendungen dagegen, wie Industrieanlagen, der Metallurgie, Metallisierung, Vakuumdestillation u.dergl., ist es notwendig, daß die Falle ununterbrochen von dem Gasfluß durchströmt wird, so daß die sie durchsetzenden Gase gezwungen sind, die Kantenoberflächen derart zu umspülen, daß sie dort die aufzufangenden Substanzen freigeben. Es 1st außerdem notwendig, daß die Falle eine gute, mit dem angestrebten Vakuum vereinbare Leitfähigkeit bewahrt. Für alle diese Anwendungsfälle erfordern die in der erwähnten Patentschrift beschriebenen Fallen eine gewisse Anpassung·Auf dem Gebiet der industriellen Vakuumtechnik verwendete Fallen bestehen im allgemeinen aus Schlangen oder Platten, die unmittelbar in die Pumpleitung oder in die Arbeitskammer eingesetzt sind. Sie werden durch eine mechanische

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Kältemaschine oder eine Umwälzung von flüssigem Stickstoff gekühlt. ™^ Anlag«, klslssr^r Abssssusg kSssss diese Fallen die For» einer mit Kältemittel gefüllten zylindrischen Wanne haben, um die das zu pumpende Gas umläuft·

Alle diese Fallen haben eine begrenzte Leistung, ein geringes Fassungsvermögen sowie ein**sehr beschränkten <>. Auffangbereich. Ihre Kälteausbeute ist im allgemeinen

mangelhaft. Wenn bei diesen Fallen eine Kühlgruppe vervssdet sird, se ei/ordern sie einen gewissen TTnterbaltungaaufwand und sind von nur begrenzter Dauerhaftigkeit.

Die Neuerung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die Leistung von Kühlfallen zu verbessern, wie sie in der französischen Patentschrift 1 547 69k beschrieben sind, um sie besonders anwendbar und reizvoll für die industrielle Vakuumtechnik zu machen· Die Neuerung sieht

V insbesondere eine Verbesserung des Gaskreislaufes vor,

um ein großes Fassungsvermögen sowie eine fortschrittliche Auffangung zu erzielen.

Die Kältefallen gemäß der Neuerung sind dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwand der Kappe gegen den Gasfluß dicht 1st und *«* aufstromseitige und der abstromseitige Austauscher völlig in einem Gehäuse enthalten sind, das eine erste öffnung für die Einfährung des Gasflusses, die zwischen'dem oberen Niveau der Kappe und dem oberen Ende des ~ k -

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Gehäuses liegt, und eine sweite Öffnung besitzt, weich« den Abzug des Qs.s«*reHsee e«e-fcA-fc-ts«>t und einzig mit dem Raum zwischen dem Behälter und der Kappe an einer Stelle in Verbindung steht, die mindestens auf der oberen Niveauhöhe des Behälters liegt·

Vorzugsweise ist ein dritter Wärmeaustauscher in GasstrBmungsriohtung dem aufstromseitlgen Austauseher vorgeschaltet und liegt oberhalb der Metallkappe.

Die KöHlfallen gemäß der -$f****mng besitzen einen brei-

ch
ten Auffangbe*ii/nfolge der Verwendung mehrerer Aus»

tauscher, deren Temperaturzonen zwischen dem Siedepunkt der Kälteflüssigkeit und der U-egebungstemperafar liegen. Mit diesen FaXbn vermeidet man außerdem Jfidea Mitfuhrung von Kondensaten durch den au* der FiAIw abgezogenen Gasstrom.

Die Kuhlfallen nach der Neuerang sind in der Lage, über lange Zeiträume kontinuierlich und automatisch zu arbeiten. Sie slr-ί betriebssicher, denn sie arbeiten ohne jedes bewegliche Organ, wie der Kompressor einer mechanischen Kältemaschine. Sie sind einfach in der Anwendung, verlangen keine besondere Wartung und haben eine gute Lebensdauer. Sie besitzen außerdem eine gute Kälteausbeu'Je .

Fig.l zeigt im Schnitt nach Linie >-A der Fig.2 eine Kältefalle gemäß der Neuerung, ausgerüstet mit

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verschiedenem Zubehör,
Fig.2 ist ein Schnitt nach Linie B-B der Fig.l

Die nachstehende Beschreibung bezieht sich nur auf das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel, ohne jedoch den Umfang der Neuerung zu begrenzen«

Eine Kühlfalle gemäß der Erfindung befindet sich in einen Gehäuse 30, in dessen Innerem die zu behandelnde^' Crasmischung umläuft. Dieses Gehäuse ist ein zylindrischer Behälter mit eine» gewölbten Boden und besteht im wesentlichen aus einem Metallmantel 1. Dieser ist außen mit einer Wärmeisolierung 2 verkleidet. Das Gehäuse 30 ist an seinem oberen Ende mit einem zylindrischen Deckel 3 mittels nicht dargestellter Gewindebolzen verschlossen.

Das Gehäuse besitzt eine Öffnung mit einem Einlaßstutzen k für die Einführung des Gasgemisches. Der Stutzen k ist mit einem Flansch versehen. Außerdem besitzt das Gehäuse eine andere Öffnung 5 für den Abzug des Gasgemisches. Der Stutzen 4 ist tangential zu der Zylinderwand des Gehäuses angeordnet. Dadurch läßt sich dem einge.führten Gasgemisch eine Wirbelbewegung erteilen. An seinem unteren Ende besitzt das Gehäuse 30 ferner eine öffnung 6 zur Abführung von Kondensaten, die sidi während der Auffangung angesammelt haben. Während des

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Betrieb·· der Kühlfalle ist dies· öffnung mit einer Scheibe 7 verschlossen.

Die eigentliche Kühlfalle besteht aus drei Austauschern, welche die zu entfernenden Gase des zu behandelnden Gasgemisches auffangen, und zwar befinden sich die drei Austauscher auf -von einem zum anderen abnehmendem Temperaturniveau. Der kälteste Austauscher besteht aus einem Behalter 8, der zur Aufnahme einer Kälteflüssigkeit mittels eines Rohres 9 dient. Das Rohr 9 ist dicht durch den Deckel 3 geführt und Jiit einer Dichtung abgeschlossen. Dr Austauscher 11 a von mittlerer Temperatur besteht aus dem Rohr 11, das auf dem Behälter an dem oberen Ende festgelegt und von unten nach oben schlangenförmig um eine mit dem Behälter 8 gleichachsige Metallschürze 12 gewickelt ist. Um den Wärmekontakt zu verbessern, ist das Rohr 11 an der Mete.llschürze 12 angeschweißt. Letztere hat im wesentlichen die Form eines Zylinders mit aufgesetztem Kegel, der an seiner Spitze von dem Rohr 9 gasdicht durchsetzt wird.

Die Metallschürze 12 1st gasdicht und entspricht des-., halb einer Kappe. Außerdem ist die Metallschürze 12 mit einem Rohrstutzen 13 ausgerüstet, der unmittelnr den Raum zwischen dem Behälter 8 und der Schürze 12 mit der äußeren Umgebung des Gehäuses 30 offen verbindet. Dieser mit einem Anschlußflansch ausgerüstete Rohr-

stutzen 13 1st also durch eine öffnung 5 des Gehäuses geführt, die er in dichter Weise abschließt. Dia Achse dieses Stutzens 13 verläuft radial zum Metallmantel 1.

Der wärmste Austauscher 11 b besteht aus einer Verlängerung des Rohres 11, die von unten nach oben schlangenförmig koaxial zum Austauscher 11* oberhalb der Metallschürze 12 gewickelt ist. Das Rohr 11 verläßt das Gehäuse bei Ik nach Durchtritt durch den Zylinderdeckel

Die Kühlfalle nach der Zeichnung besitzt auch eine EiAführungseinrichtung für warme· Strömungsmittel zur Verflüssigung oder Verdampfung der Kondensate zwecks deren Abzugs aus der Falle. Xm allgemeinen dient hierfür eine Sprüheinrichtung 15, die oberhalb des Auetaus eher β 11 b das Rohr 9 umgibt. Sie wird mittels eines Ventiles an dem Rohr 16, das den Zylinderdeckel 3 dicht durchsetzt, mit warmem Yasser oder Dampf gespeist.

Die Kälteflüssigkeit ist In einem Speisebehälter 17 enthalten und wird durch eine Überführungsleitung 18 nach gasdichtem Durchgang durch die Dichtung 10 in den Behälter 8 eingeführt. £ine schematisch dargestellte Regeleinrichtung 19 gestattet, das Niveau der Kälteflüssigkeit im Behälter 8 zwischen zwei Punkten einzuregeln. Zu diesem Zweck betätigt das von einer Niveausonde 20, bestehend aus zwei Thermoelementen 21 und 22, gelieferte

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Signal ein Elektroventf 1 23 in der- Überführungsleitung

Die Metallschürze 12 und das Rohr 11 sind aus einem Metall von guter Wärmeleitung, wie Kupfer, gefertigt. Für ein korrodierendes Gasgemisch können die Fallenoberflächen iait einer passenden elektrolytischen oder plastischen Verkleidung bedeckt sein.

Die Falle arbeitet wie ein Wärmeaustauscher mit Gegenstrom. Während des Betriebes wird der Behälter 8 mit Kälteflüssigkeit aus dem Vorratsgefäß 17 durch die Überführungsleitung 18 gemeist. Das Niveau der Kälteflüssigkeit wird zwischen zwei Punkten durch die Schaltung 19» 20, 21, 22 und 23 eingeregelt. Die KälteflüasJ-gkeit verdampft im Behälter und fttlSt so dessen Wandungen auf dem niedrigsten Temperaturniveau. Die erzeugten Dämpfe kühlen den Teil 11 a des Rohres 11 auf ein mittleres Temperaturniveau. Dann treten die Dämpfe in den Teil 11 b des Rohres 11 über und kühlen diesen auf das relativ höchste Temperaturniveau. Anschließend verlassen die Dämpfe das Rohr 11 bei 1%. i^.. '*,

Die Gasmlschung, aus der man diese Bestandteile miffangen will, tritt durch den Rohrstutzen k in das Gehäuse 1 ein. Dabei wird dem Gaefluß eine Wirbelbewegung aufgezwungen, die seinen Durchgang durch das Falleninnere verlängert. Das Gemisch erfährt eine Vorkühlung an dem dritten Austauscher 11 b. tfeiüeee Gase können schon auf

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dem höchsten Temperaturniveau aufgefangen werden. Beim Absinken zwischen dem Mantel 1 und der Schürze 12 gibt der Gasstrom am aufetromseitigen Austauscher 11 a diejenigen Bestandteile ab, die auf dem mittleren Temperaturniveau aufgefangen werden können* Dann trifft der Gasstrom auf den Boden de· Metallmantel· 1, kehrt um, und dringt zwisohen Schürze 12 und Behälter 8 ein. An dem abstromseitigen Austauscher 8 werden die auf dem niedrigsten Temperaturniveau konteneierbaren Gase ausgeschieden. Der Gasstrom verlaßt dann die Falle durch den Rohrstutzen 13·

Die Falle stellt also einen Mehrstufenkondensator dar, und die Natur des Kondensate schwankt, je nach der betreffenden Stelle und der Zeit. Diese Vorrichtung gestattet eine günstigste Auenutzung der Kältekalorien der Kälteflüssigkeit und ergibt damit eine gute Kälteauebeute der Falle. Nach Maßgabe des Betriebes der Falle nimmt die Dicke der Schicht aus kondensierten St offen ,.eben so wie der Restdruck dieser Stoffe am Fallenausgang, zu. Die Zunahme der Dicke des Kondensate· ruft eine Verminderung der Leitfähigkeit der Falle hervor. Die für die Leitfähigkeit und den Restdruck der ausgefällten Stoffe zulässigen Grenzwerte bestimmen die Sättigungsseit der Falle. Nach Ablauf diener Zeit wird die Falle abgeschaltet, die Entleerung υ öffnung 6 geSffnet und durch die Sprüheinrichtung 15 van«· Wasser oder Dampf eingeleitet. Das Kondensat

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schmilzt oder verdampft und entweicht durch die öffnung Anschließend kann die Falle wieder in Betrieb gesetzt werden.

Mit einer Falle gemäB der Zeichnung, die beispielsweise Bit flüssigem Stickstoff gespeist wird, erhält man folgende Temperaturniveaus für die verschiedenen Austauscher.

Austauseher 11 bi

mittlere Temperatur -30 C,

Austauscher 11 as _Λ

Temperatur zwischen -50 und ~70"C, was beispielsweise die Ausfällung von Wasserdampf gestattet,

Austauscher 8t

Temperatur -196 C, was die Ausfällung von Stoffen geringer Dampfspannung gestattet.

Die Abmessungen eine solchen Falle sind folgendet Gesamtlänge] 1,20 m Gesamtbreit·10,50 m Gehäusedurchraesser: 0,30 m

licht Veite der Stutzen 4 und 13* 10 cm.

Eine solche Falle hat ein Fassungsvermögen von 10 kg bis sum Verschluß-. Sie gestattet für einen zugelassenen Restdruck am Ausgang von 10 mm Quecksilber_: alle Stoffe aufzufangen, die eine höhere oder gleiche Dampfspannung besitzen, wie Chlorwasserstoffgas, lnsbeondere Ammoniak, Wasserdamp$(}hlor usw. Der Verbrauch an flüssi-

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gem Stickstoff dieser PsJ-Ie bangt von der Kondensation und ihren Eigenverlustan ab. Die Verluste auf Grund der Kondensation entsprechen iü,5 1 flüssigen Stickstoffs je kg kondensierten Wassers. Der Verbrauch auf Grund der Eigenverluste der Falle sind eine Punktion des Druckes in der Falle und betragen bei der für sich allein betrachteten Fallet

# 0,75 l/b. für einen höheren Druck als 0,3 mm

Quecksilber,

0,5 l/h für einen Druok « 0,01 α Quecksilber, 0,25 l/h t\..j? einen Druck » 0,003 asa Quecksilber.

Zu diesen Verbrauchswerten mB man diejenigen infolge der Abkühlung des Gasstromes hinzurechnen, venn die Falle unter höneren Drücken als 0,3·" Quecksilber arbeitet, sowie die Verluste In der Überfüurungsleitung.

f% aie Falle erweist also Leistungen, ans denen sich ihre

vorteilhafte Verwendung beispielsweise In einem metallurgischen Werk ergibt, wo man durch Schmelzung unter Vakuum in einem Lichtbogenofen Zirkon und Titan herstellt. Durch Einschaltung der Falle in den Pumpenkreis kurz vor der primären Pumpgruppe unter Anschluß der zweiten Öffnung der Falle an den Eingang eines primären Pumpgerate* vermeidet man eine rasche Schädigung der Primarpumpe und einen Abfall der Eigenschaften des SmmierSles durch das Vorhandensein von Chlor und

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ChlorvasserstoffdSjnpf·η in dee Gasstroa. DIo beschriebenen Kiililfallen können auch H* Vorteil in der industriellen Vakuumtechnik, wie Metallurgie unter YakaOü, Metallisierung, Destillation und Vakuumsvordaepfung, gebraucht werden.

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Claims (6)

1.) Gaskühlfalle zur Ausscheidung gewisser Bestandteile„ die in Gasströmungsrichtung einen aufstromseitigen Austauscher mit mindestens einem Metallrohr und einer mit diesem in Wärmekontakt stehenden Metallkappe, einen abstromseitigen Austauscher mit mindestens einem innerhalb der Kappe angeordneten Behälter zur Aufnahme einer Kälteflüssigkeit und einer Verbindung des abstromseitigen Endes des Rohres in Gasströmungsrichtung mit dem oberen Teil des Behälters aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hand der Metallkappe gasdicht ist und daß der aufstromseitige und der abstromseitige Austauscher völlig in einem Gehäuse enthalten sind, das eine erste öffnung für die Einführung des Gasstromes zwischen dem oberen Niveau der Kappe und dem oberen Ende des Gehäuses und eine zwefce ausschließlich mit dem Raum *> zwischen dem Behälter und der Kappe in Verbindung stehende öffnung für die Abführung des Gasstromes an einer Stelle besitzt, die sich auf dem oberen Niveau des Behälters befindet.

2.) Falle nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß in Gasströmungsrichtung ein dritter Austauscher dem aufstromseitigen Austauscher vorgeschaltet ist und sich oberhalb der Metallkappe befindet.

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3.) Fall* nach Anspstich 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Austauscher mindestens ein schlangenförmig gewickeltes anderes Rohr aufweist, dessen eines End· des aufstromseitigen Ende de» Rohres in Richtung des Gasstromes in offener Verbindung steht.

h. ) Falle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste öffnung einen Rohrstutzen aufweist, dessen Achse tangential zur GehSnseirand verlauft.

5.) Falle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der zweiten Öffnung mit eine« Rohrstuteen in Kontakt stehen, der diesen Rau* und die Außenseite des Gehäuses -verbindet.

6.) Falle nach Ansprudi 1, gekennzeichnet durch eiste Abzugs öffnung für Kondensate und eis» Einführungs«inricih tung für ein waraes Str»iBmng*ei*feel !■ Inneren de« GehMuses.

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