DE833051C

DE833051C - Verfahren zum Reinigen und Kuehlen zu zerlegender verdichteter Gasgemische

Info

Publication number: DE833051C
Application number: DEG362A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ernst Karwat
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1949-11-11
Filing date: 1949-11-11
Publication date: 1952-03-03

Description

Verfahren zum Reinigen und Kühlen zu zerlegender verdichteter Gasgemische Bei der Gaszerlegung durch Druck und Kälte gehen der Gemischtrennung die Verfahrensschritte der Vorreinigung und Kühlung voraus. In umschaltbaren Kältespeichern oder austauschbaren Gegenstromwärmeaustauschern werden die Schritte der Kühlung und Vorreinigung gleichzeitig ausgeführt. Die Wiederverdampfung ausgeschiedener Kondensate am kalten Ende wird behindert, wenn, was zunächst richtig erscheint, dem Austauscher gleiche Mengen von warmen, unzerlegten Gasgemischen und kalten Zerlegungsprodukten zugeführt werden. Der Grund dafür ist, daß das verdichtete Gas, namentlich bei tiefen Temperaturen, eine wesentlich größere spezifische Wärme hat als die drucklosen Zerlegungsprodukte. Demzufolge ist der Temperaturunterschied zwischen Ein- und Ausziehendem gleichen Gewichts am kalten Ende wesentlich größer als an den übrigen Teilen des Austauschers, was die Wiederverdampfung ausgeschiedener Kondensate auch dann behindert, wenn das für die Wiederverdampfung bei mittlerer oder hoher Temperatur erforderliche Verhältnis zwischen den Volumina der aus- und eintretenden Gase eingehalten wird. Die Technik der Gaszerlegung begegnet dem in verschiedener Weise, z. B. dadurch, daß ein Teil des zu zerlegenden Gasgemisches nicht durch die Kältespeicher herein, aber seine Zerlegungsprodukte durch sie hinausgeführt werden. Ein Beispiel ist die Hochdruckluft beim Linde-Fränkl-Verfahren der Luftzerlegung. Sie wird nicht durch die Kältespeicher eingeführt, ein Teil ihrer Zerlegungsprodukte geht aber durch die Regeneratoren hinaus. Eine andere Arbeitsweise besteht darin, zwar die ganze zu zerlegende Gasmenge den Kältespeichern zuzuführen, vor dem Erreichen der kältesten Zone jedoch einen noch unvollendet gereinigten gekühlten Teil abzuzweigen und diesen im Gegenstromwärmeaustausch zu kaltem Gasgemisch vollendet zu kühlen und zu reinigen. Im Gegenströmer lagern sich ausgefrorene Verunreinigungen ab. Er wird durch Anwärmen von den Ablagerungen befreit. Währenddessen übernimmt ein zweiter Gegenströnier die Kühlung und Reinigung des abgezweigten Gasstroms. Die Gegenströmer sind groß und teuer. Häufiger Wechsel der Gegenströmer ist. erforderlich. Die Temperatur des in ihnen gekühlten Gasstroms pulsiert wie die des Teilstroms zum Nachteil seiner weiteren Verwendung.
Die vorliegende Erfindung zeigt einen neuen vorteilhaften Weg für die Lösung der geschilderten Aufgabe. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reinigen und Kühlen zu zerlegender verdichteter Gasgemische in Kältespeichern oder umschaltbaren Gegenstromwärmeaustauschern ist dadurch geken.nzeicHnet, daß der Gasstrom geteilt, ein Teil, wie beschrieben in Kältespeichern oder Gegenstromwärmeaustauschern gekühlt und gereinigt, der andere Teilstrom mit einem Adsorptionsmittel gereinigt wird und daß beide Teilströme bzw. deren Zerlegungsprodukte nach etwaigem Entspannen und Zerlegen in den Kältespeichern wieder angewärmt werden.
Der Erfolg dieser Maßnahme ist, daß in den Kältespeichern bzw. Verdampfungsgegenströmern eine um den abgezweigten Teilstrom größere Gasmenge sowohl angewärmt als abgekühlt wird, was zum Ausgleich des Kältehaushalts und zur Sicherung der Wiederverdampfung abgeschiedener Kondensate führt.
Der Teilstrom kann aus dem Hauptstrom des zu zerlegenden Gasgemisches sowohl vor dem Kältespeicher als auch nach Durchlaufen eines Teils desselben, nachdem also der Hauptgasstrom durch Kühlung und Kondensation von einem Teil seiner Verunreinigungen befreit ist, abgezweigt werden, woraufhin darin die restlichen Verunreinigungen aus dem Hauptstrom im weiter durchlaufenen Teil des Kältespeichers durch Kühlung, aus dem abgezweigten Teilstrom durch Adsorption entfernt werden.

Teilt man den Hauptstrom bereits vor dem Eintritt in den Regenerator, so kehrt durch diesen über die ganze Länge hinweg mehr Gas zurück als in ihn hineinströmt. Die Folge ist, wie eine Wärmehilanz zeigt, daß der Temperaturunterschied der ein- und austretenden Gase am kalten Ende kleiner, am warmen jedoch größer geworden ist. Die Wiederverdampfung abgeschiedener Kondensate am kalten Ende wird dementsprechend erleichtert. Dagegen bedeutet die größere Temperaturdifferenz am warmen Ende einen Kälteverlust. Um ihn mit kleinem Energieaufwand zu decken, wird dem warm vom Hauptstrom abgezweigten Teilstrom mit einer Kältemaschine, z. B. Ammoniakkältemaschine, Wärme entzogen, ehe er dem Zerlegungsapparat zugeführt wird. Vorteilhaft ist es, die Adso@rption

der Kohlensäure bei der Temperatur und unter

Xiitwirkting dieser Kältemaschine durchzuführen.

Die Ausführung des neuen \-erfalirens wird im

folgenden an .Beispielen beschrieben. Abb. i zeigt

das Schema. einer Luftzerlegungsanlage mit vier

Kältespeichern i bis 1 für den Austausch von Luft,

die durch die Kältespeicher i und 3 einzieht, mit

ihren Zerlegungsprodukten: Stickstoff und Sauer-

stoff, die durch die Speicher 2 und 4 abströmen.

Von der verdichteten Luft wird vor dem Eintritt in

den Kältespeicher ein Teil. etwa 20/'o, abgezweigt,

auf etwa 15 atü nachverdichtet, in den Ainmoniak-

vorkühlern 5a bzw. 5l' 1>ei einer Temperatur von

-45° getrocknet, in dein finit Silicagel gefüllten

Adsorber 611 bzw. 6h von Kohlendioxyd befreit, im

Gegenströmer 7 verflüssigt, der Druckrektifikations-

stufe des Doppelsäulenrektilikators S zugeführt. Der

von den Regeneratoren gclcominene Ilauptluftstrom

wird in an sichbekannter,ausdenlBild ersichtlicher

Weise zerlegt. Die Zerlegungsprodukte Sauerstoff

und Stickstoff werden in den Regeneratoren 2 bzw. .1

angewärmt. Durch die Kältespeicher gehen bei

dieser Arbeitsweise 2'),!o mehr Zerlegungsprodukte

hinaus als Luft eingeführt wird. Die Aminoniak-

kältemaschine kompensiert den dabei ain warmen

Ende der Regeneratoren auftretenden Kälteverlust.

Die Adsorber 6a und f;'' werden wie die Aminolniak-

vorkühler 5a und 56 abwechselnd kalt und warm

gefahren und in der Warmperiode jeweilig de-

sorbiert.

Alb. 2 bezieht sich auf eine andere Ausführungs-

art der Erfindung. Es sind nur die Kältespeicher i

für die eintretende Luft und 2 für den austretenden

Stickstoff dargestellt, um den gewählten Verfahrens-

schritt im Prinzip zu beschreiben. Die korrespon-

dierenden Speicher 3 und 1 für Luft und Sauerstoff

werden praktisch in gleicher Weise behandelt.

Anden Verz-,veigungsstellen 5i und 52 der Spei-

cher i und 2 wird über <las dazwischenliegende

Umschaltorgan der warme ungereinigte Teilstrom

von Luft entnommen und zusammen mit einem

korrespondierend vom Speicher 3 kommenden Luft-

strom über das Umschaltorgan 7.s (lern r",dsorptions-

mitte.l71 zugeführt. 111 dieseln wird die Luft von

Kohlendioxyd (und übrigens auch von Acetylen)

gereinigt und geht über (las L'inschaltorgan 76 und

Regelventil 77 zusainnieii mit ill 78 beigemischter

Kaltluft zur Entspannungsturbine So und von da

zur oberen Säule des 1_ufttrenners. Die Menge des

Adsorptionsmittels ist so bemessen, claß sie über

viele Umschaltperioden der Kältespeicher hinweg,

z. B. über i Woche für die Reinigung des Teilstroms

ausreicht. Die 2lasse des Adsorptionsmittels ist

dabei so groß, daß sie je Periode des Kältespeichers

bis zu 5o° betragenden Schwankungen der Tem-

peratur des bei 51 entnommenen Teilstroms weit-

gehend ausgeglichen werden. Das ist für die Gleich-

mäßigkeit der Kälteerzeilgung und der iZektifikation

in der oberen Säule von Vorteil. Diese Speicher-

wirkung des Adsorptionsinittels kann noch durch

Zugabe kältespeichernder blassen von hohem

Wärrnefassungsvermö<gen zuin Adsorptionsmittel

gesteigert werden. ;@lllageruiigen höhnen sich auf

der zugefügten Speichermasse nicht halten, weil sie jeweilig in das Desorptionsmittelhinen verdunsten. Der zweite Adsorber 72 steht während des Betriebs des ersten in Desorption. Zu diesem Zweck wird durch ihn ein Strom trockenen kohlensäurefreien, warmen Stickstoffs geleitet. Solcher kann z. B. der Drucksäule -entnommen und in einem im Kältespeicher liegenden Rohr auf Desorptionstemperatur angewärmt, durch den Adsorber 72 gedrückt werden. Er verläßt den Adsorber kohlensäurehaltig bei 8i. Vor der lnlretriebna'hme wird der Adsorber 72 mit kaltem, direkt von der Drucksäule kommenden Stickstoff bis auf die Temperatur gekühlt, mit welcher der Adsorber 71 betrieben wird. Als Desorptionsmittel steht auch der jeweilig in der zweiten Hälfte der Ausströmperiode den Speicher 2 verlassende Stickstoff zur Verfügung. Der Kältebedarf für (las Abkühlen des Adsorbers ist ohne merkliche Störung des Gesamtbetriebs zu decken, weil das Abkühlen auf lange Zeit, z. B. mehrere Tage, verteilt werden kann.

In Alb. 3 ist eine dritte Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung beschrieben. Wiederum sind der Vereinfachung halber nur die Kältespeicher i und 2 dargestellt. Die Adsorber 73 und 74 sind in diesem Fall nur mit einer kleinen Gelmenge beschickt, die gerade hinreicht, um den während einer Arbeitsperiode des Speichers durch sie und das Umschaltorgan 75 über die liveitung 76 zur Turbine 8o (Abb. 2) gehenden Luftstrom von Kohlendioxyd zu befreien.
Zur gleichen Zeit wird das Gel im Speicher 74 von einer kleinen Menge leicht über die Temperatur der Beladung angewä rinten trockenen kohlensäurefreien, aus den Anwärmespiralen 9i und 92 kommenden Stickstoffs durchströmt, die hinreicht, die in der vorhergehenden Periode in der Luft angenommene Kolilensäureinenge abzulösen. Sobald der Speicher 2 mit Luft betrieben wird, geht von diesem ein Teilstrom durch 74 über 75 nach 76, während der Adsorber 73, wie vorher beschrieben, gereinigt wird. Die Adsorher arbeiten so im selben Takt wie die Kä ltesl)eicher. Der Vorzug dieser Arbeitsweise ist der geringe Aufwand an :@(lsorl)tionsiiiittel und Apparatur.
Die vorstehenden Beispiele für die Ausführung der Erfindung sind nicht im Sinne einer erschöpfenden Beschreibung ihrer Ausführungsmöglichkeiten aufzufassen. Den Kältespeichern der Beispiele sind Gegenstroinwärmeaustauscher äquivalent, deren voin abzukühlenden und anzuwärmenden Gas dtirclistrünite nuersc'hnitte in geregelten Zeitabständen zwecks \Viederver(laml)fung abgelagerter Verunreinigungen vertauscht werden. Das Verfahren der Erfindung ist auch auf andere Gasgemische als Luft anwendbar und andere Verunreinigungen des Gasgemisches wie Kohlendioxyd und Acetylen. Auch kann das Verfahren der Ürfindting bei der lZeinigung brennbarer Gase durch Tiefkiihlung mittels Kältespeichern angewendet werden. Zur Zerlegung des Gasgemisches können statt der in den Beispielen erwähnten Rektifikation auch andere Verfahren, z. B. die Trennung mit Waschmitteln im Rahmen des Verfahrens der Erfindung angewendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Reinigen und Kühlen zu zerlegender verdichteter ,Gasgemische in Kältespeichern oder austauschbaren Gegenstromwärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gasstroms in Kältespeichern oder austauschbaren Gegenstromern gekühlt und gereinigt, der andere Teilstrom mit einem Adsorptionsmittel gereinigt wird und daB die Zerlegungsprodukte beider Teilströme unter gleichzeitiger Erwärmung aus den Kältespeichern bzw. den Gegenstromern wieder nach außen geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des zu zerlegenden Gasgemisches erst innerhalb des Kältespeichlers geteilt wird, nachdem er durch Kühlung von einem Teil seiner Verunreinigungen befreit ist, woraufhin die restlichen Verunreinigungen aus dem Hauptstrom im weiter durchlaufenen Teil des Kältespeichers durch Kühlung, aus dem abgezweigten Teilstrom durch Adsorption, entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem abgezweigten Teilstrom mit einer Kältemaschine Wärme entzogen und das Adsorptionsmittel während des Beladens ebenfalls von der Kältemaschine gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks gemeinsamer Reinigung aller aus dem Hauptstrom abgezweigten Teilströme zwei auswechselbare Adsorber mit der Laufzeit eines großen Vielfachen der Umschaltzeit der Kältespeicher betrieben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kältespeicherpaar ein Adsorberpaar zugeordnet wird, das im gleichen Takt wie die Kältespeicher 1>e- und entladen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen ,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der beladene Adsor4er bei höherer als der Beladungs,temperatur mit einem der Zerlegungsanlage entnommenen, von der zu desorbierenden Verunreinigung praktisch freien Bestandteil des zerlegten Gasgemisches .desorbiert und dann auf 13eIadungsteinperatur rückgekühlt wird.
7. Verfahren zum Zerlegen von Luft nach Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Teilströmen abgezweigter Luft Kohlendioxyd mit Silicagel oder Tonerdegel als Adsorptionsmittel entfernt wird und die Adsorber mit Stickstoff regeneriert_werden, der der Zerlegungsanlage entstammt.