DE803301C - Verfahren zum Kaltfahren von Anlagen zur Verfluessigung oder Zerlegung von Gasen bzw. Gasgemischen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Kaltfahren von Anlagen zur Verflüssigung oder Zerlegung von Gasen bzw. Gasgemischen Bevor Anlagen, in denen Gasgemische, z. B. Luft, durch Verflüssigung und Rektifikation 7erlegt werden, den normalen Arbeitsprozeß aufnehmen können, müssen sie auf die entsprechend tiefen Temperaturen bis zu - 2oo° abgekühlt werden. L m Zeit- und Energieverluste zu vermeiden, ist man natürlich hestreht, diese Kaltfahrzeit, die je nach der Größe der Anlage Bruchteile von Stunden bis zu r oder 2 Tagen betragen kann, möglichst abzukürzen. Aus diesem Grund werden die Anlagen soweit wie möglich mit Kältequellen hohen Wirkungsgrades, z. B. 1 H3-Kühlern. Expansionsmaschinen oder Expansionsturbinen abgekühlt. jedoch ist man häutig für die Erzeugung von Kälte auf den thermodynamisch wesentlich weniger günstigen Joule-Thomson-Effekt, die sogenannte Drosselentspannung, angewiesen, insbesondere in folgenden Fällen: r. Bei sehr kleinen Anlagen für weniger als 3o cbm/h Satterstoff, bei denen es eine zu große Komplikation bedeuten würde, N H3-Kühler oder Expansionsmaschinen vorzusehen; z. Beim Kaltfahren der sog. Kältetrockner, das sind Wä rmeaustauscher, die der eigentlichen Zerlegungsapparatur vorgeschaltet sind und in denen die eintretenden Gase sowohl gekühlt wie durch Kondensation des Wasserdampfes getrocknet werden. Würde die Expansionsmaschine oder -turbine eingeschaltet, bevor diese Trockner kalt sind, so könnten diese Maschinen leicht durch das in ihnen sich dann abscheidende Eis Schaden leiden; 3. Zum Abkühlen der kältesten Teile der Apparatur. in denen die verarbeiteten Gase schon zu einem merklichen Prozentsatz verflüssigt sind; denn weder die Kolbenexpansionsmaschine noch die Expansionsturbine gestattet es, Gase mit hohem Flüssigkeitsgehalt zu verarbeiten.
• In diesen Fällen kann durch das Verfahren der Erfindung eine wesentliche Verkürzung der Anfahrzeit erreicht'werden. Es besteht darin, an Stelle der Drosselentspannung eine sogenannte Wirbelentspannung anzuwenden, einen Vorgang, der erst in den letzten Jahren näher untersucht wurde. Man versteht darunter folgendes: Wird in ein Rohr i (Fig. i) durch eine tangential eintretende Düse 2 ein Luftstrahl eingepreßt, so bildet sich in der Achse des Rohres bei 3 ein kalter, unter niedrigem Druck stehender Luftkern aus, während längs der Rohrwand ein Luftmantel 4 mit hohem Druck und hoher Temperatur kreist. Durch geeignete Blenden ist es möglich, auf der einen Seite des Rohres den kalten Luftkern, auf der anderen Seite die warme Außenluft abzuführen, so daß man also im Endeffekt eine Zerlegung der eingeblasenen Luft in einen «-armen und einen kalten Teilstrom erhält. Wie die Versuche zeigen, können so Temperaturdifferenzen von über ioo° erreicht werden.
• Um diesen Vorgang beispielsweise für das Kaltfahren eines Kältetrockners zu benutzen, wird nach Bild 2 verfahren. Die auf einen Druck von 20 bis 4o atü verdichtete Luft tritt durch Rohr 5 in den Außenraum des Kältetrockners 6 ein. Sie wird im Wirbelentspanner 7 entspannt und der warme Luftstrom durch Rohr 8 ins Freie abgeblasen, wobei Ventil 9 zur Einstellung des günstigsten Mengenverhältnisses der beiden Luftströme dient. Der kalte Luftstrom wird durch eines oder mehrere der für die Zerlegungsprodukte vorgesehenen Rohrbündel io durch den Kältetrockner 6 zurückgeleitet, wobei er seine Kälte an die einströmende Luft abgibt. Diese Arbeitsweise kann so lange fortgesetzt werden, bis entweder am kalten Ende des Trockners eine genügend tiefe Arbeitstemperatur erreicht ist, um eine ausreichende Trocknung der einströmenden Luft zu gewährleisten, oder bis die Temperatur der durch 8 abgeblasenen warmen Luft, die ja entsprechend der Temperatur der in den Wirbelentspanner eingeblasenen Luft ebenfalls absinkt, die Temperatur bei 5 erreicht hat. In diesem Fall ist nämlich die Kältewirkung der Wirbelentspannung nicht mehr günstiger als die der bisher verwandten Drosselentspannung. Ist dieser Zustand erreicht, so werden die Ventile i i und 9 geschlossen. Die komprimierte Luft tritt sodann durch Rohr 12 in die folgenden, nicht gezeichneten Austauscher des Apparates ein und wird in der üblichen `''eise durch ein Ventil oder eine Expansionsmaschine oder -turbine entspannt.
• Gleichzeitig mit dem beabsichtigten Kälteeffekt findet im Wirbelentspanner auch noch eine sehr wirksame Abscheidung des Kondenswassers statt, das zusammen mit dem heißen Luftstrom als Wasserdampf wieder mitgeführt wird.
• Werden Teile der Apparatur, die eine besonders tiefe Arbeitstemperatur erhalten sollen, mit Hilfe des Wirbelentspanners gekühlt, so ist es gegen Ende der Kaltfahrzeit, nenn also die in den Wirbelentspanner eintretende Luft schon eine tiefe Temperatur erreicht hat, nicht mehr möglich, die Temperatur der austretenden warmen Luft über der der Umgebung zu halten. Es genügt jedoch in diesem Fall, wenn durch entsprechende Maßnahmen, z. B. Einstellung eines genügend hohen Druckes vor der Düse des Wirbelentspann6rs, passende Einreglung des Mengenverhältnisses des heißen und kalten Luftstroms, die Temperatur der Warmluft so hoch getrieben wird, daß sie höher liegt als die der in den Tieftemperaturteil eintretenden, vorgekühlten Luft. Eine derartige Anordnung ist durch Bild 3 gegeben. Die Anordnung des Kältetrockners entspricht hierbei der nach Bild 2. Auch kann dieser wie in Bild 2 mit einem besonderen Wirbelentspanner kaltgefahren werden, jedoch ist dies, um das Bild nicht zu sehr zu komplizieren, nicht zur Darstellung gebracht. Abweichend von früher ist nunmehr der Wirbelentspanner 7 nach dem Wärmeaustauscher 13 eingeschaltet. Die Luft wird ihm durch Ventil i i zugeleitet und der Kaltluftstrom durch Rohr 14 dem zu kühlenden kalten Teil der Apparatur zugeführt. Da zu Beginn des Kaltfahrens der Warmluftstrom noch wesentlich heißer ist als das kalte Ende des Kältetrockners, wird er zweckmäßig nicht diesem. zugeleitet, sondern durch Ventil 17 unmittelbar ins Freie abgeblasen. Gezeichnet ist in dieser beispielhaften Darstellung eine Trennsäule 15 zur Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff. Abweichend von der Anordnung nach Bild 2 wird der Warmluftstrom nun jedoch nicht ins Freie abgeblasen, sondern er wird durch Ventil 9 und Rohr 8 einem Teil des Wärmeaustauschers 13 zugeführt, der noch wärmer ist als dieser Warmluftstrom. Als Kälteq 'lle für den obersten Teil des Austauschers 13 ue sowie für den Kältetrockner 6 dient hierbei in bekannter Weise die Expansionsmaschine 16.
• Da im Wirbelentspanner keine Arbeit nach außen abgegeben wird, gilt, wenn man von Kälteverlusten durch Wärmeleitung absieht, die Beziehung: io = a-ik -f- (i - a) -i"-Dabei ist i, derWärmeinhalt derLuft vorderEntspannung, ik und i", derj en ige des kalten bzw. warmen Anteils nach der Entspannung, und a ist der Bruchteil der Luft, der als Kaltluftstrom entnommen wird, i - a also der Anteil des Warmluftstromes. Würde Warmgasstrom und Kaltgasstrom gemischt, so würde man einen Gasstrom mit dem mittleren Wärmeinhalt i", = i" erhalten, also dasselbe Ergebnis erzielen wie bei der normalen Drosselentspannung. Nun ist der Druck der entspannten Gase im allgemeinen so klein, daß für sie mit den Gesetzen der idealen Gase gerechnet werden kann, ihr Wärmeinhalt also allein von der Temperatur abhängt. Statt die Gasströme durch ihre Wärmeinhalte ik, i@, und im zu bezeichnen, können auch deren Temperaturen Tk, T", und T. geschrieben werden. Ist endlich To die schon erreichte Temperatur des zu kühlenden Apparateteils, so ist 09'(T" - TO - c, (c, spez. Wärme des betreffenden Gases) die pro Einheit des verarbeiteten Gases maximal an den Apparat zu übertragende Kältemenge. Um eine möglichst schnelle Abkühlung zu erreichen, muß diese Kältemenge möglichst hoch gehalten werden. Ist x klein, so ist auch die Temperaturdifferenz Tw-Tk zwischen dem warmen und dem kalten Gasstrom klein, so daß die Kälteleistung aus zwei Gründen klein ist. Bei großem 2-Wert ist Tk etwa gleich T,", so daß sich auch hierbei eine verhältnismäßig kleine Kälteleistung ergibt. Zwischen diesen beiden Extremwerten liegt jedoch ein günstigster Wert höchster Kälteleistung, der durch passende Regelung des Ventils 9 eingestellt werden kann. Unter Einführung der Temperaturen an Stelle der Wärmeinhalte geht die Gleichung für die Wärmebilanz des Wirbelrohres über in T", = x - Tk (i - x) -T, Statt dessen kann man auch schreiben: a.(Tm-Tk= (i- a) (Tw-Tm).
• Wird die Apparatur von Raumtemperatur ausgehend abgekühlt, so ist T" etwa gleich T",. Dann geht die Gleichung über in: a'(Ta-Tk) - (i-a) (Tw-Ta).
• Jetzt steht links ein Ausdruck, der der Kälteleistung proportional ist, der also bei günstiger Fahrweise möglichst hoch gehalten werden muß. Der Ausdruck rechts ist der mit dem Warmgasstrom an die Umgebung abgegebenen Wärme proportional. Da die linke Seite der Gleichung möglichst hoch gehalten werden soll, muß dieses also auch von der rechten Seite gelten. Man kann in diesem Fall demnach auch sagen, der Apparat muß so gefahren werden, daß mit dem Warmgasstrom möglichst viel Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
• Gerade während des Anfahrens ist eine weitgehende Regulierfähigkeit des Apparates notwendig. Durch eine Düse mit vorgegebener Öffnung ist diese jedoch nicht gewährleistet, da bei ihr die durchgesetzte Gasmenge durch den Druck vor der Düse und die Temperatur eindeutig bestimmt ist. Um eine Reguliermöglichkeit zu erreichen, wird daher erfindungsgemäß entweder der Düsenquerschnitt in passender Weise verändert, z. B. durch eine koaxial in die Düse eingeschobene Nadel, oder es wird unter Teilung des zur Verfügung stehenden Druckgefälles vor die Düse ein Entspannungsventil geschaltet, oder es wird endlich unter Teilung der Gasmenge parallel zur Düse ein Entspannungsventil geschaltet, durch das die über den Durchsatz der Düse hinausgehende Gasmenge entspannt werden kann.
• Ist das Druckgefälle in der Düse, gerechnet als Verhältnis des Druckes vor der Düse zu dem Druck des an der Wand des Wirbelentspanners entlang gleitenden Warmgasstromes, größer als das .kritische, so wird erfindungsgemäß von einer konisch erweiterten Düse (Lavaldüse) Gebrauch gemacht.

Claims (6)

1. PATE NTANSPRCCHE: i. Verfahren zum Kaltfahren von Anlagen zur Verflüssigung und Zerlegung von Gasen oder Gasgemischen, besonders von Luft, durch Verflüssigung und Rektifikation, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Drosselentspannung eine Wirbelentspannung verwandt wird, wobei der hierbei entstehende heiße Luftstrom, falls seine Temperatur oberhalb der in den Apparat eintretenden Luft liegt, ins Freie abgeblasen wird, während bei tieferer Temperatur des Warmluftstroms dieser Teilen der Apparatur zugeleitet wird, die wärmer als dieser Luftstrom sind.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das den Warmluftstrom regelnde Ventil 9 so eingestellt wird, daß die an den zu kühlenden Apparat oder Apparateteil zu übertragende Kältemenge dem maximalen Betrag möglichst nahekommt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i, insbesondere zum Kaltfahren der Kältetrockner von Luft-und Gaszerlegungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft bzw. das Gas nach Durchgang durch diesen Kältetrockner im Wirbelentspanner entspannt, der warme Teilstrom mit dem Kondenswasser ins Freie abgeblasen, dagegen der kalte Teilstrom durch den Kältetrockner zurückgeleitet wird, wobei er seine Kälte an das einströmende Gas abgibt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch i, angewandt auf das Kaltfahren von Teilen der Apparatur, die während des normalen Betriebes sehr tiefe Temperaturen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Kaltfahrperiode der aus dem Wirbelentspanner austretende Warmgasstrom ins Freie abgeblasen, dagegen nach Erreichen einer wesentlich unter der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur zur Vorkühlung und Kalthaltung anderer Teile der Apparatur verwandt wird.
5. 5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer günstigen Regulierfähigkeit entweder der Querschnitt der Düse des Wirbelentspanners oder durch ein vorgeschaltetes Entspannungsventil der vor der Düse herrschende Druck oder durch ein parallel zur Düse geschaltetes Entspannungsventil die durch die Düse tretende Gasmenge innerhalb der notwendigen Grenzen geregelt werden kann, wobei auch mehrere dieser Vorrichtungen gleichzeitig verwandt werden können.
6. 6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei überkritischer Entspannung eine Düse verwandt wird, die nach der engsten Stelle wieder konisch erweitert ist (Lavaldüse).