DE740750C

DE740750C - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von nicht oder schwer kondensierbaren Daempfen oder Gasen aus zu kondensierenden Daempfen

Info

Publication number: DE740750C
Application number: DES131590D
Authority: DE
Inventors: Max Seidel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1938-04-08
Filing date: 1938-04-08
Publication date: 1943-10-28

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von nicht oder schwer kondensierbaren Dämpfen oder Gasen aus zu kondensierenden Dämpfen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von nicht oder schwer kondensierbaren Dämpfen oder Gasen aus zu kondensierenden Dämpfen.
Bei der Verwendung von Dämpfen mit großem oder schwankendem Gehalt an nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteilen zur mittelbaren Beheizung von Apparaturen aller Art kann entweder eine dauernde oder zeitweise beträchtliche Verminderung des für die Kondensation verfügbaren Temperaturge. fälle's durch. Herabsetzung des Teildruckes der kondensierenden D.ämpfe oder die Aus schaltung eines Teiles der Wärmeübertragungsfläche durch die Ansammlung solcher nicht oder schwer kondensierbarer Bestandteile im Heiz- oder Kondensationsraum@ ein treten. Bei der Niederschlagung von Dämpfen beliebigen Druckes, z. B. Unterdruck oder Überdruck, können dieselben Ursachen zu einer Erhöhung des Kondensationsdruckes führen. Damit kann eine Beeinträchtigung der -Wirkung vorgeschalteter Maschinen oder Apparate herbeigeführt werden. Statt nicht oder schwer kondensierbare Bestandteile sei ilil folgenden, ausgehend vom einfachsten,, praktischen Beispiel, - dem lufthaltigen Wasserdampf, kurz Luft gesagt. Sinngemäß gilt aber das Folgende auch fur andere Gase oder für Dämpfe mit - niedrigerem Siedepunkt rjs dem der zu kondensierenden Dämpfe selbst.
Die übliche Entlüftung durch von Hand regelbare Luftablaßhähne oder die Absaugung der Luft durch eine Pumpe konstanter Leistung kanu insbesondere bei schwankendem Luftgehalt der Dämpfe nicht befriedigen, da entweder die Einstellung des Luftablasses bzw. der Luftabsaugung der zu erwartenden höchsten Spitze des Luftgehaltes der zu kondensierendefl Dämpfe angepaßt sein muß oder aber eine zeitweilige oder dauernde Beeinträchtigung der beabsichtigten Wirkung durch Erhöhung des Kondensationsdruckes bnv. eine Verminderung der Kondensationsleistung in Kauf genommen werden muß.
Erfindungsgemäß soll nun die Entfernung der Luft von dem - gegebenenfalls schwankenden - Luftgehalt der zu kondensierendeii Dämpfe selbsttätig abhängig gemacht werden. Zu diesem Zweck wird die Luft im Kondensationsraum gesammelt und im Gegenstrom zu ihrem kondensierten Dampfanteil bzw. zu dem unter regelbaren Bedingungen kondensierten Teil ihres Dampfgehaltes herausgeleitet, wobei die Menge der abgelassenen bzw. abgesaugten Luft von dem Dampfgehalt, mit dem sie den eigentlichen Kondensationsraum verläßt, abhängig gemacht wird.
Der Luftaustritt kann gegebenenfalls auch auf Grund dieser Abhängigkeit selbsttätig reguliert werden.
Die Herausleitung der Luft im Gegenstrom zu dem Kondensat des in ihr enthaltenen Dampfes geschieht zweckmäßig in einem Kolonnenapparat üblicher Bauart, der z. B. Füllkörper enthalten kann oder mit Sieb-, Kapsel- bzw. Glockenböden ausgerüstet ist. Eine solche Kolonne sei im folgenden kurz Entlüftungskolonne genannt.
Die Kondensation des Dampfgehaltes bzw eines Teiles desselben zur Rücklaufbildung soll unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgen, also beispielsweise durch Entzug einer gleichbleibenden Wärmemenge, z. B. durch Verdampfen einer gleichbleibenden Menge Flüssigkeit beliebiger Art, oder durch Kühlung bei gleichbleibender Temperatur, z. B. mittels einer verdampfenden Flüssigkeit, die eine bestimmte Wärmeübertragungsfläche bje netzt, oder durch Kühlung mit einer unter änderlichen Menge eines flüssigen Kühlmitteils gleichbleibender Zuflußtemperatur oder durch irgendeine andere Methode, bei der eine Bedil5gung unveränderlich erhalten werden kann.
Die entnommene Luftmenge kann dann' nach einer anderen, sich unter dem Einfluß der schwankenden, im Kondensator der Entlüftungskolonne kondensierbaren Dampfmenge > dernden Zustandsgröße verändert werden, und nvar in dem Sinne, daß bei erhöhter Menge der in dem Kondensator der Entlüftungskolonne niedergeschlagenen Dämpfe, also bei verringertem Luftgehalt derselben, die Luftentnahme verringert wird, bei einer verringerten Menge der niedergeschlagenen Dämpfe, also bei erhöhtem Luftgehalt der Dämpfe, aber die Luftentnahme erhöht wird. Die Menge der abgelassenen Luft bzw. die Einstellung eines Regelorgans für den Luftablaß kann auf Grund der vorstehend geschilderten Veränderlichkeiten von Hand oder selbsttätig erfolgen.
Als Regelgrundlage kann z. B. bei konstanter Menge eines zugeführten flüssigen, sich erwärmenden Kühlmittels- von gleichbleibender Temperatur die Abflußtemperatur dieses Kühlmittels sein in dem Sinne, daß mit steigender Kühlmittelablauftemperatur die Luft entnahme verringert wird Bei Kühlung mit konstanter Temperatur, z. B. durch eine verdampfende Flüssigkeit unter konstantem Druck, kann die Menge der unter gleichmäßiger Benetzung der Kondensationsfläche zugeleiteten Flüssigkeit bzw. die Menge des aus dieser Flüssigkeit gebildeten Dampfes dienen. Diese Mengemessung kann mit bekannten Geräten, z. B. Staugeräten, Rotametern u. dgl., erfolgen. Bei steigender Verdampfungsleistung muß der Luftaustritt gehemmt werden. Bei Kühlung durch eine konstante Flüssigkeitsmenge, die unter konstantem Druck verdampft, schaltet sich entsprechend dem höheren oder niederen Dampfteildruck der kondensierenden Flüssigkeit ein Teil der Wärmeübertragungsfläche aus, und die Regelung kann auf Grund des sich auf der Verdampferseite einstellenden Flüssigkeits standes/ der eine Funktion der wirksamen Wärmeübertragungsfläche ist, dergestalt erfolgen, daß bei wirksamem Flüssigkeitsstand im Verdampfer = hoher Wärmeübertragung pro Flächeneinheit = geringer Luftgehalt des kondensierenden Dampfes, die Luftentnahme vermindert wird.
Es kann aber auch ein anderer physikalischer; Wert als Grundlage der Regelung dienen, z. B. bei Kühlung des Kondensators mit gleichbleibender Temperatur die Menge des gebildeten Kondensates, das der Entlüftungskolonne zuläuft oder das aus derselben abläuft, indem bei steigender Kondensatmenge die Entlüftung geschlossen wird. Die Messung der Menge kann z. B. durch den hinter einer Drosselstelle entstehenden Stau erfolgen.
Das Verfahren ist in vielen in der Praxis vorkommenden Fällen anwendbar. Im folgenden seien einige Beispiele genannt: die fortlaufende Entlüftung in den Kondensationsräumen von Dampfkraft- und Heizanlagen, insbesondere bei der Kondensation von Abdampf zu Heizzwecken bzw. bei der Kondensation nach der Krafterzeugung aus Abdämpfen; weiter: die Entlüftung der Kondensationsräume bei Eindampfprozessen in Ein- und Mehrkörperapparaten, insbesondere von solchen mit Wärmepumpe; die Verhütung der Ansammlung von schwer oder nicht kondensierbaren Bestandteilen bei der Verflüssigung und Zerlegung von Gasen und Gasgemischen an beliebigen Stellen der yerflüssigungs- bzw.
Zerlegungsapparate; die fortlaufende Entlüftung von Kondensatoren der Kältemaschinen; die fortlaufende Entlüftung der Kondensatoren von Destillier- und Rektifizierapparaten, insbesondere von solchen, die unter höheren oder niederen Drucken oder unter abnormen Temperaturen arbeiten, und viele andere Anwendungsfälle.
Als Kältequelle für die Kondensatoren der Entlüftungskolonnen kommen alle bekannten, dem jeweiligen Zweck entsprechenden Kältemittel in Betracht, bei denen jeweils mindestens eine Bedingung (z. B. Temperatur, Menge, Wärmekapazität) als konstanter wert im Kondensator eingehalten werden kan z.B. Wasser oder andere Flüssigkeiten bestimanter Temperatur, die sich erwärmen oder die unter bestimmtem Druck bei bestimmter Temperatur verdampfen. In besonderen Fällen, z. B. bei sehr niedrigen Temperaturen oder bei giftigen Dämpfen, deren Verlust oder Austritt bestimmt vermieden werden soll, können als Kältequellen zur vollständigen Niederschlagung entweichender Dämpfe besondere Kühlanlagen mit konstanter Leistung angeordnet werden. Diese Kühlung kann vor oder nach der Luftentnåhme erfolgen. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, dabei durch die genaue Kontrolle der abgeleiteten, nicht kondensierten Bestandteile mit geringsten Zusatzkühleinrichtungen auszukommen.
Bei der Luftzerlegung kann z. B. zur Entlüftung des Kondensators einer Vorzerlegung ein Teil verflüssigter Luft oder eines Zerlegungsproduktes mit geringerem Druck als der auf der Kondensationsseite des Kondensators der Entlüftungskolonne herrschende Druck (hier wegen der sich sammelnden Edelgase Helium und Neon, zweckmäßig Neonkolonne genannt) verdampft werden. Bei Kältemaschinen wird zweckmäßig eine Teilmenge des entspannten Kühlmittels zur Bildung des Rücklaufes der Entlüftungskolonne verdampft.
Die Abzweigung der schwer oder nicht kondienslerbaren Bestandteile aus dem Hauptkondensationsraum erfolgt zweckmäßig an den natürlichen Sammelstellen derselben, also entsprechend dem Verhältnis der spezifischen Gewichte bzw. der Molekulargewichte der nicht kondensierenden Bestandteile zu dem der kondensierenden Dämpfe an dem tiefsten oder am hochstlen Punkt des Kondensationsraumes. Dementsprechend wird zweckmäßig die zu kondensierende Dampfmenge am entgegengesetzten vertikalen Ende des Kondensationsraumes eingeleitet.
Luft (m = 29) sammelt sich z. B. in Kondensatoren für Wasserdampf (m= I8) unten, dagegen Luft. (m=29) in kondensierender Kohlensäure (m = 44) oben.
Dementsprechend wird man die Kondensationsräume der Hauptkondensatoren bzw.
Heizkörper in einer solchen Richtung von den kondensierenden Dämpfen durchströmen lassen, daß sich die in Frage kommenden« nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteile an der der Eintrittsstelle entgegengesetzt liegenden Stelle selbsttätig samtnleln, z. wird man lufthaltigen Wasserdampf oben in die Kondensatoren oder Heizkörper einleiten, wie dies bei Kraftmaschinenkondensationen auch allgemein üblich ist, und unten Kondensat und Luft gemeinsam entnehmen.
Soll in den zu entlüftenten Apparaten bzw.
Kondensationsräumen ein höherer Druck als Normaldruck konstant aufrechterhalten werden, so wird die Luft, nachdem sie aus der Apparatur gemäß vorstehender Erfindung ausgetreten ist, zweckmäßig durch ein Regelorgan unter konstantem Druck gehalten, so daß nur der Überschuß, der eine Druck erhöhung herbeiführen würde, entweichen kann. Sind die entnommenen, nicht oder schwer kondensierbaren Stoffe wertvoll, z.
Heflum und Neon im Falle der Luftzerlegung, so können sie gesondert aufgefangen und verwertet werden.
Im folgenden seien einige Ausführungsbeispiele an Hand von Zeichnungen besprochen, die beispielsweise schematische Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens der Erfindung zeigen.
In dieser Zeichnung ist Fig. 1 leine unter Druck arbeitende Kolonne einer Alkoholentwässerungsanlage mitteils azeotropischer Gemische, die entlüftet werden soll.
Die Dämpfe aus der Kolonne 1 treten in die Kondensatoren 2 und 2' ein und werden hier niedergeschlagen, die Luft sammelt sich oben im Kondensationsraum an und gelangt von hier durch die Leitung 3 zur Entlüftungskolonne 4, wo sie im Gegenstrom zu ihrem verflüssigten Dampfanteil aufsteigt. Im Kopfkondensator 5 werden die Dämpfe aus der Luft durch eine bei 6 eintretende unveränderliche Wassermenge von z. B. Iool/Std. herauskondensiert. Die Wassermenge erwärmt sich daher z. B. von ihrer konstanten Eintrittstemperatur von 20 auf 400 C und bildet dabei eine Rücklaufmenge von etwa 10 l/Std. des azeotropischen Gemisches, je nach Art und Verdampfungswärme des angewendeten Gemisches und Menge der mit abzukühlenden Luft. Ein Thermoregler 8 in der Wasseraustrittsleitung 7 steuert das Drosselventil 9 in der Luftaustrittsleitung. Die austretende Luft gelangt zum Regelventil 10, das durch den zwischen den Ventilen 9 und ,i 0 herrschenden Druck oder von dem in der Kolonne 1 herrschenden Druck gesteuert wird und so viel Luft ins Freie entweichen läßt, daß der Druck in der Kolonne 1 konstant auf z. 3. 10 atü stehenbleibt. Die Rücklaufflüssigkeit der Kolonne 4 fließt durch das Syphonrohr ii in den Kondensator 2' bzw. in die Kolonne I zurück.
Fig. 2 zeigt die Druckkolonne einer Luftzeilegungsanlage, die entlüftet werden soll.
Die gekühlte Luft tritt mit z.B. 4,5 atü unten bei 12 in die Druckkolonne 13 ein, gibt beim Aufsteigen ihren Sauerstoff an die Rücklaufflussigkeit ab und wird als Stickstoff im Kondensator 14 niedergeschlagen. Sich sammelnde stickstoffhaltige Edelgasreste gelangen durch das Rohr 15 zur Neonkolonne 16 und steigen hier im Gegenstrom zu ihrem kondensierenden Stickstoffanteil auf. Im Kondensator 17 wird durch den durchgeleiteten flüssigen Rohsauerstoff unter dem Druck der Hauptkolonne I8 von z. B. o,4 atü, der beietwa - 1730 C verdampft, eine konstante Kühltemperatur dauernd aufrechterhalten. Vor und hinter dem Verdampfungsraum für den flüssigen Rohsauerstoff liegende Gefälle bzw. Steigungen der Rohrleitungen verhindern den Zutritt und Austritt von Dämpfen in und aus dem Verdampfungsraum. Die durch die kondensierten Stickstoffdämpfe aus den in der Neonkolonne angesammelten Gasen verdampfte Menge Rohsauerstoff steigt in dem Zuleitungsrohr hoch und wird nach Messung durch den Strömungsmesser I9, z. B. ein Rotameter oder Staurandmeßgerät, in die Hauptkolonne 18 dampfförmig eingeführt. Das Drosselventil 20 für das austretende Edelgas wird von Hand oder automatisch nuf Grund der Anzeige des Strömungsmessers 20 eingestellt. Das Edelgas kann in einem Rohr des nicht gezeichneten Hauptgegenströmers im Gegenstrom zu der zu kühlenden Luft herausgeleitet werden und dabei seinen Kälteinhalt abgeben. Der Rücklauf der Neonkolonne fließt durch das Rohr 21 zur Druckkolonne I3.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, bei der lufthaltiger Abdampf aus einem chemischen Prozeß in einem Dampfamformer zur Bildung von reinem Dampf für Fabrikationszwlecke niedergeschlagen wird. Der Dampfdruck auf den Heizdampf und auf der Zweitdampfseite des Umformers darf zum Ausgleich von Spitzen schwanken.
Der niederzuschlagende Abdampf tritt bei 21 in den Kondensationsraum 22 ein; die lufthaltigen Abdämpfe treten bei 23 in die Entlüftungskolonne 24 ein. Im Kopfkondensator 2S wira durch Wasserkühlung der Dampfanteil der Luft niedergeschlagen. Eine gleichbleibende Wassermenge konstanter Temperatur tritt bei 26 ein und bei 27 aus. Die gebildete Kondensatmenge wird nadh dem Ablauf aus der Entlüftungskolonne durch den Strömungsmesser 23 gemessen, und nach dem Stande dieses Meßgerätes wird das Drosselventil 29 automatisch eingestellt, daß die Luft ins Freie entweicht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4. Bei der dort gezeigten Vorrichtung ist der Kondensator einer Ammoniakkältemaschine dauernd zu entlüften.
Die sich unten im Hauptkondensator 30 sammelnde Luft gelangt zur Entlüftungskolonne 31 und wird in deren hohen Kopfkondensator 32 durch eine gleichbleibende Menge des entspannten flüssigen Ammoniaks unter Verflüssigung des Ammoniakdampfanteils gekühlt. Die gleichbleibende Menge der zu kühlenden Flüssigkeit wird durch die unveränderliche Düse 33 eingestellt. Die verdampfte Kühlflüssigkeit wird bei 34 von der Kältemaschine abgesaugt. Entsprechend der im Kondensator 32 der Entlüftungskolonne 31 niedergeschlagenen Ammoniakmenge verdampft die zugeleitete konstante Axmnoniakmenge mehr oder weniger rasch, und es tet sich ein entsprechender Teil der Fläche des Kondensators durch Senkung des Flüssigkeitsspiegels des vendampfealden Ammoniaks aus. Die Spiegelsenkung kann durch das Meßinstrument35, welches zugleich den Luftauslaßstutzen 36 steuert, gemessen werden.
Die im Ammoniak enthaltene Luft, welche als nicht kondensiertes Restgas aus dem Kondensator 30 in die Entlüftungskolonne 3I übergetreten ist, verläßt unter dem Kondensatorüberdruck die Vorrichtung durch das von der Meßvorrichtung 35 gesteuerte Drosselorgan 36.
Als Meßinstrument 35 ist ein Schwimmer gezeichnet. Es kann aber auch jede sonst für Wasserstandsregelung oder Anzeige übliche Vorrichtung benutzt werden.
Die gute Wirkung des neuen Entlüftungsverfahrens beruht auf der gesteigerten Herabsetzung des Teildruckes der kondensierbaren Dämpft innerhalb der EntlüftungsW kolonne und der dadurch gegebenen Möglichkeit, nur die Gase bzw. nicht kondensierbaren Dämpfe entsprechend ihrem Anfall bei der Kondensation der Hauptdämpfe abzulassen, wobei infolge der Herabsetzung des Teildrukkes der kondensierbaren Dämpfe die Verluste von solchen weitgehend vermindert werden.
Die Entlüftungskolonne selbst wirkt außerdem als Sperrvorrichtung für den unmittelbaren Zutritt der kondensierenden Hauptdämpfe zu dem die Regelung des Luftaustrittes bestimmenden Kondensator der Entlüftungskolonne.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die aus Kondensationsräumen abzulassenden, nicht kondensierten Gase und Dämpfe vor ihrem Austritt einer starken Unterkühlung unter die Temperatur des Kondensationsraumes zu unverziehen, wobei die austretenden Gase im mittelbaren Gegenstrom zudem durch Kühlflächen davon getrennten Kühlmittel geleitet werden. Die Menge der abgelassenen unterkühlten Restgase wurde jedoch ganz willkürlich eingestellt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Verfahren zur Entfernung von nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteilen aus zu kondensierenden Dämpfen, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Kondensationsraum sammelnden, nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteile zusammen mit den darin enthaltenen kondensierbaren Dämpfen im Gegenstrom zu eirem unter bestimmten konstanten Bedingungen kondensierten Anteil ihres Dampfgehaltes geführt werden und daß die austretende Menge der nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteile in Abhängigkeit von der Menge des unter konstanten Bedingungen kondensierten Dampfgehaltes von Hand oder selbsttätig geregelt- wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht oder schwer kondensierbaren Bestandteile mit den darin enthaltenen kondensierbaren Dämpfen in einer Rektifikationskolonne im Gegenstrom zu dem: kondensierten Anteil ihres Dampfgehaltes geführt werden.
3. Verfahren nach An' spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die unter konstanten Bedingungen entstehende Kondensatmenge die Abflußtemperatur einer konstanten Kühlmittelmenge mit konstanter Zuflußtemperatur dient.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die unter konstanten Bedingungen entstehende Kondensatmenge der Flüssigkeitsstand, auf den sich eine zur Kondensation der enthaltenen Dämpfe zugeleitete, verdampfende, konstante Kühlmittelmenge in ihrem Verdampfungsraum ein. stellt, dient.
5. Verfahren nacht Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die unter konstanten Bedingungen entstehende Kondensatmenge die Menge des Dampfes, der aus einem zur Kondensation der enthaltenen Dämpfe unter konstantem- Druck verdampfenden - Kühlmittel gebildet wird, dient.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gegenstromkolonnenapparat mit konstanter Kopfkühlung in Verbindung mit einem Meßgerät für die kondensierte Dampfmenge oder eine davon abhängige Zustandsgröße zur gegebenenfalls selbsttätigen Steuerung eines Regelorgans für die austretenden, , nicht kondensierten Dämpfe und bzw. oder Gase.

Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschrift Nr. 534219, 239 322, 610 503, 519 301; amerikanische Patentschrift Nr. 1 507 108.