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Verfahren zur Gewinnung von flüchtigen Bestandteilen aus Gasen durch
Absorption bei erniedrigter Temperatur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung
von flüchtigen Bestandteilen aus Gasen durch Absorption mittels einer Absorptionsflüssigkeit
unter erhöhtem Druck bei erniedrigter Temperatur und durch Entspannung der angereicherten
Lösung bis auf einen wesentlich niedrigeren Druck, so daß die beim Entspannen durch
Verdampfung von Absorptionsflüssigkeit und von absorbiertem Stoff auftretende Wärmeentziehung
der von der Flüssigkeit bei der Absorption insgesamt aufgenommenen Wärmemenge entspricht,
und besteht darin, die Höhe des Entspannungsdrucks mittels eines Thermostaten, welcher
von der konstant zu haltenden Temperatur der in die Absorption zurückgeführten Absorptionsflüssigkeit
beeinflußt wird, selbsttätig in der Weise einzustellen, daß derselbe die Förderleistung
der hinter die Entspannungsvorrichtung angeschlossenen Vakuumkompressionspumpe etwa
durch Beeinflussung ihres Antriebsmotors einregelt; denn es ist einleuchtend, daß
bei der selbstverständlichen Konstanz der in die Entspannungsvorrichtung eintretenden
Absorptionslösungsmenge der durch die Absaugwirkung der Pumpe herbeigeführte Entspannungsdruck
sich um so niedriger einstellt, je größer die volumetrische undmassenmäßigeFörderleistungderPumpeist.
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Das Verfahren der Erfindung bietet sehr bedeutsame Vorteile für die
Durchführung einer Absorption bei erniedrigter Temperatur. Es läßt sich mit seiner
Hilfe eine niedriger, unter Umständen sogar bedeutend niedriger als die gewöhnliche
Temperatur liegende Anfangstemperatur der Absorptionsflüssigkeit konstant und bei
dauerndem Gleichgewicht in dem System aufrechterhalten, ohne daß ein entsprechend
tief tem-
periertes Kühlmittel bzw. eine besondere Kälteerzeugungsanlage
erforderlich ist. Es genügen zur Sicherung dieses Ergebnisses die mit der Absorption
und der zugehörigen Austreibung unmittelbar einhergehenden Vorgänge und die dazu
normalerweise ohnehin erforderlichen Vorrichtungen. Dadurch allein werden alle die
Vorteile gesichert, die der Anwendung von erniedrigten Temperaturen bei der Absorption
eigen sind. Diese Eigenart und Erfolge des Verfahrens bedeuten eine weitgehende
Vereinfachung und Verbilligung und damit einen erheblichen Fortschritt gegenüber
bekannten Verfahren. Dazu tritt die aus der Vermeidung von wesentlicher Wärmezufuhr
beim Austreiben liegende Ersparnis sowohl an Wärmeaufwand wie auch an Einrichtungen
für die Wärmebéhandlung der Absorptionslösung und ihr notwendiges Wiederabkühlen
von einer vorübergehend erhöhten bis wieder auf die zum Absorbieren notwendige erniedrigte
Temperatur. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Entspannung austretende
Absorptionsflüssigkeit ist unmittelbar zur Wiederverwendung in der Absorptionsphase
geeignet und fertig.
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Da die aus der Entspannungsvorrichtung in die Absorptionsvorrichtung
zurückgehende Menge der abgekühlten Absorptionsflüssigkeit um diejenige Teilmenge
kleiner ist, welche aus ihr in der Entspannungsvorrichtung als Dampf weggeführt
worden ist, wird nach einem weiteren Erfindungsmerkmal eine dieser Fehlmenge gleich
große Teilmenge von wiederbelebter oder frischer Absorptionsflüssigkeit der Absorptionsvorrichtung
zusätzlich zugeführt und, damit dieselbe mindestens annähernd auf die zum Absorbieren
vorgesehene erniedrigte Temperatur gebracht wird, mit dem aus der Entspannungsvorrichtung
abziehenden Dämpfegemisch in mittelbaren Gegenstromwärmeaustausch gebracht. Da dieses
Dämpfegemisch die beim Entspannen erreichte tiefste Temperatur besitzt und an Gesamtmasse
die Masse der erforderlichen zusätzlichen Teilmenge von Absorptionsflüssigkeit erheblich
übertrifft, ist die in diesem Wärmeaustausch liegende Kälterückgewinnung in ausreichendem
Umfang zu verwirklichen.
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Es kann unter Umständen erwünscht erscheinen, die Entspannung bis
auf einen niedrigeren Absolutdruck fortzuführen, als das geschilderte Wärme- und
Temperaturengleichgewicht in beiden Phasen nötig macht, z. B. um hierdurch den Grad
der Austreibung zu verbessern. Damit nun in einem solchen Falle das Wärmegleichgewicht
wiederhergestellt wird, wird nach einem weiteren Erfindungsmerkmal der angereicherten
Absorptionslösung zwischen der Absorption und der Entspannung eine dementsprechende,
im Verhältnis zu dem gesamtenWärmeumsatz aber beschränkteWärmemenge von außen zugeführt.
Die unten folgende Beschreibung gibt hierfür eine vorteilhafte Ausführungsform an,
bei der die zusätzliche Wärmezufuhr zu der Absorptionslösung in der Absorptionsvorrichtung
vorgenommen wird.
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Für das Verfahren ist es nach der vorstehenden Schilderung wesentlich,
daß in der Entspannungs-fe, um zur Schaffung des Wärmegleichgewichtes eine bestimmte
Wärmemenge in Form von latenter Verdampfungswärme abzuführen, eine bestimmte Teilmenge
an verdampfbarem Stoff aus der in diese Stufe eingeführten Absorptionslösung als
Dampf verflüchtigt und entfernt wird. Diese insgesamt verflüchtigte Dampfmenge muß
jedenfalls größer als die beim Entspannen ausgetriebene Masse von absorbiertem Stoff
sein; denn diese absorbierte Stoffmenge liefert ja in der Austreibung durch ihre
Überführung vom flüssigen in den dampf- oder gasförmigen Zustand nur genau denselben
Beitrag an Wärmeentziehung in Form von latenter Verdampfungswärme, wie sie in der
Absorptionsstufe in Form von Lösungswärme der Absorptionsflüssigkeit zugeführt hat.
Es kommen aber natürlich in dieser Absorptionsstufe zusätzlich auch noch andere
Wärmezufuhren, vor allem aus der Eigenwärme des behandelten Ausgangsgases, in Betracht.
Grundsätzlich wird das sonach erforderliche Mehr an erzeugter Dampfmenge in der
Entspannungsstufe durch Mitverdampfen eines Teils der Absorptionsflüssigkeit gedeckt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann man nun diesen erforderlichen Mehrbetrag
an verdampftem Stoff zum Teil dadurch schaffen, daß man der angereicherten Absorptionslösung
vor ihrem Üb ertritt in die Entspannungsvorrichtung zur Erhöhung ihrer Konzentration
an dem absorbierten Stoff eine zusätzliche Menge desselben in flüssiger Form zumischt.
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Hiermit wird also in der Entspannungsstufe die Masse des verdampften
Stoffes in Form von Dämpfen des absorbierten Stoffes vermehrt und dadurch die entsprechende
Wärmebindung vergrößert, dabei jedoch nicht der Austreibungsgrad der Absorptionsflüssigkeit
verschlechtert, weil für die Endkonzentration der ausgegasten Absorptionslösung
an dem absorbierten Stoff lediglich der in der Entspannungsvorrichtung gehaltene
Entspannungsdruck und die hier herrschende Temperatur maßgebend sind. Diese Durchführungsweise
des Verfahrens ergibt Vorteile und größere Freiheiten für die stoffliche Wahl des
Absorptionsmittels. Man braucht dann nämlich nicht mehr darauf Rücksicht zu nehmen,
daß die gewählte Absorptionsflüssigkeit fähig ist, unter den Arbeitsbedingungen
der Entspannung in genügendem Maße mit zu verdampfen; man kann also beispielsweise
eine auch unter diesen Bedingungen verhältnismäßig schwer flüchtige Absorptionsflüssigkeit
wählen, und man erzielt dadurch ein Abtriebsdämpfegemisch, das den absorbierten
Stoff in höherer Konzentration bzw. Reinheit enthält.
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Für den Fall, daß sich zur Durchführung des Verfahrens ein unerwünscht
niedriger Unterdruck beim Entspannen als notwendig erweisen würde, kann es zweckmäßig
sein, in die Entspannungsvorrichtung ein permanentes Gas oder Wasserdampf einzuführen,
die für die wegzuführenden Dämpfe als volumenvergrößernde und damit den Teildruck
erniedrigende Gasatmosphäre wirken, so daß der in der Vorrichtung anzuwendende absolute
Entspannungsdrnck entsprechend höher sein kann. Für die Wahl von solchem einzuführendem
Gas oder Wasserdampf sind natürlich Rücksichten darauf maßgebend, daß dieselben
später von den dampfförmig beigemengten Nutzstoffen ohne Schwierigkeit wieder getrennt
werden können, z. B. etwa durch Kompression, und daß sie nicht wie z. B.
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Wasserdampf bei zu niedrigen Temperaturen durch Vereisung störend
wirken können.
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Die Zeichnung gibt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Einrichtung in einer schematisch gehaltenen Ansicht, teilweise im senkrechten
Schnitt, wieder.
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Als Anwendungsfall des Verfahrens wird in der nachstehenden Erläuterung
die Absorption von Acetylen, das in einem Spaltgas als Umwandlungserzeugnis enthalten
ist, mittels Aceton unter erhöhtem Druck und erniedrigter Temperatur beschrieben;
dies ist jedoch lediglich ein besonderes Ausführungsbeispiel ohne irgendwie beschränkende
Bedeutung. Die verfahrens- und betriebsmäßigen Einzelheiten sind in dem unten folgenden
besonderen Zahlenbeispiel zusammengestellt.
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Das zu behandelnde Spaltgas wird unter erhöhtem Druck, beispielsweise
ix Atm., und mit annähernd gewöhnlicher Temperatur, etwa 30"C, durch die Rohrleitung
I in den unteren Teil einer Absorptionskolonne 2 eingeführt und verläßt dieselbe
am Kopf durch die Rohrleitung 3. Der unterhalb des Einführungsrohres I gelegene
Fußteil der Kolonne ist mit einem Heizmantel 4 versehen, dem ein Heizmittel, etwa
gespannter Heizdampf, bei 5 zugeführt und bei 6 abgeführt werden kann. Statt dessen
kann jede beliebige andere geeignete Heizvorrichtung, sei es eine Beheizungsschlange
im Sumpf der Kolonne oder auch ein außerhalb derselben angeordneter Wiederaufkocher,
vorgesehen werden. Für die Grundform des Verfahrens tritt diese Beheizung nicht
in Wirksamkeit. Die Absorptionsflüssigkeit, Aceton, wird am Kopf der Kolonne 2 auf
deren oberstem Boden durch die Rohrleitungen 7 und 8 bei stark erniedrigter Temperatur,
beispielsweise mit etwa 400 C, zugeführt. Beim Durchlauf durch die Kolonne abwärts
wird die Absorptionsflüssigkeit durch das entgegenströmende, wesentlich wärmere
Gas und die beim Absorbieren auftretende Lösungswärme, außerdem durch äußere Wärmeeinstrahlung
erwärmt, so daß sie am Fuß der Kolonne 2 in angereichertem Zustand durch die Rohrleitung
9, II, in der sich das Regelventil 10 befindet, mit einer beachtlich erhöhten Temperatur,
beispielsweise mit 100 C, abgeführt wird. Zugleich kühlt sich das durch die Kolonne
geleitete Ausgangsgas bis zu seinem obenliegenden Austritt auf nahezu die Temperatur
des hier zugeführten Acetons, beispielsweise bis auf -38"C, ab. Das erwähnte Regelventil
10 wird von dem Höhenstandsregler 12 so gesteuert, daß der Flüssigkeitsstand im
Kolonnensumpf dauernd gleich hoch und die Abflußmenge konstant bleibt. Die Fortsetzungsrohrleitung
14 ist unter Zwischenfügung des Regelungs- und Entspannungsventils I5 an das waagerechte
Zufuhrrohr I6 angeschlossen, das sich in dem weiträumigen Entspannungsbehälter I7
befindet und mit einer Anzahl von gleichmäßig über die Grundfläche verteilten Zerstäubungsvorrichtungen
I8, etwa üblichen Spiraldüsen, versehen ist. Der Entspannungsbehälter 17 ist im
Raum erhöht angeordnet und besitzt einen nach unten gezogenen verengten Fußteil
19 zum Sammeln und Abfließen der behandelten Flüssigkeit.
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In seinem mittleren Höhenteil ist das weitere waagerechte, gelöcherte
Zufuhrrohr 20 angeordnet, durch welches gegebenenfalls ein Fremdgas, Wasserdampf
od. dgl. in den Entspannungsraum eingeleitet werden kann; normalerweise tritt es
nicht in Funktion. Die im Fußteil 19 gesammelte Flüssigkeit ist das durch Entspannen
und Entgasen wiederbelebte und danach erneut zum Absorbieren dienende Aceton. Dieses
wird durch das Fallrohr 2I, dessen Gesamthöhe der durch den Unterdruck bestimmten
barometrischen Fallhöhe entspricht, in den tiefer stehenden Behälter 22 abgeführt,
aus diesem durch die Saugleitung 23 der Förder-und Druckpumpe 24 entnommen und über
deren Druckleitung 25 in das Zutrittsrohr 7 am Kopf der Kolonne 2 übergeführt. Am
Kopf des Entspannungsbehälters I7 geht die Dämpferohrleitung 26 ab, welche in den
Röhrenwärmeaustauscher 27 einmündet. In dieser Vorrichtung findet eine Erwärmung
des mit tiefer Temperatur zutretenden Dämpfegemisches bis annähernd auf gewöhnliche
Temperatur statt. Das so erwärmte Dämpfegemisch tritt am Fuß des Wärmeaustauschers
27 durch die Rohrleitung 28 aus und in den ersten Zylinder einer Unterdruck erzeugenden
dreistufigen Kompressionspumpe 29 ein. Diese Pumpe 29 dient dazu, um in dem Entspannungsbehärter
17 den erforderlichen, sehr niedrig liegenden Entspannungsunterdruck aufrechtzuerhalten.
Der hiermit gegebene starke Druckabfall des mit Acetylen angereicherten Acetons
vom Austritt aus dem Fuß der Kolonne 2 bis zum Eintritt in das Innere des Entspannungsbehälters
I7 wird teils in dem Regelventil I5 teils in den Zerstäuberdüsen I8 verbraucht und
für eine Feinvernebelung durch diese Düsen ausgenutzt, welche die Entgasung und
die hiermit beabsichtigte Austreibung des aufgenommenen Acetylens begünstigt.
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Die in der Vorrichtung I7 vor sich gehende Entgasung und Verdampfung
des absorbierten Stoffes, Acetylen, und der Absorptionsflüssigkeit, Aceton, erzeugt
eine Erniedrigung der Anfangstemperatur, mit der die angereicherte Absorptionslösung
zutritt und die sie durch die Erwärmung in der Absorptionsstufe angenommen hat.
Erfindungsgemäß wird nun der durch die Pumpe 29 geschaffene Unterdruck in dem Entspannungsbehälter
I7 auf eine solche Höhe eingestellt, daß die durch die Verdampfung herbeigeführte
erniedrigte Endtemperatur der zugeführten Absorptionsflüssigkeit bei ihrem Abgang
aus dem Fußteil 19 ebenso hoch wie die an ihrem Wiedereintritt 7 in die Kolonne
2 vorgesehene tiefste Temperatur, nach der obigen Beispielsangabe etwa -40"C, ist.
Um dieses Ergebnis selbsttätig durch eine entsprechende Regelung des Ganges der
Pumpe 29 zu sichern, wird erfindungsgemäß in die Rohrleitung 7 eine Regelvorrichtung
30 eingebaut, welche einen Thermostaten 31 enthält.
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Dieser wird von der Temperatur der durch das Rohr 7 geleiteten Flüssigkeit
beeinflußt. Der hierdurch empfangene Impuls wird durch eine Verbindungsleitung 32
auf die Vorrichtung 33 übertragen, welche durch die Zwischenverbindung 34 die Zufuhr
an elektrischer Energie zu dem Antriebsmotor 35 regelt, der über die Zwischengetriebe
36 die Pumpe 29 antreibt. Hierdurch wird dafür gesorgt, daß die Pumpe 29 selbsttätig
immer diejenige Förderleistung entwickelt und damit denjenigen Unterdruck in der
Verdampfungsvorrichtung 17 erzeugt, welcher in dieser gerade die erforderliche Verdampfung
und daraus folgende Temperaturerniedrigung aufrechterhält.
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Die Kompressionspumpe 29 verdichtet das angesaugte Gasdampfgemisch
von Acetylen und Aceton im allgemeinen bis auf atmosphärischen Druck; mit diesem
Druck tritt es aus dem letzten Kompressionszylinder durch die Rohrleitung 38 in
den Schlußkühler 39 über und wird hierin durch kaltes Kühlwasser bis auf gewöhnliche
Temperatur abgekühlt. Durch diesen Schlußkühler und ebenso auch schon durch die
(nicht mitgezeichneten) Zwischenkühler der Kompressionspumpe 29 wird ein Teil des
mitgeführten Absorptionsmittels, des Acetons, als Kondensat verflüssigt, während
das Acetylen wegen seines sehr niedrigen Siedepunktes durchgehend gasförmig bleibt.
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Das gebildete Gemisch von Gas und Kondensat wird aus dem Schlußkühler
39 durch die Rohrleitung 40 in den unter atmosphärischem Druck stehenden Behälter
41 abgeführt. Dieser besitzt eine Zufuhr 42 von frischem Aceton zur Ausgleichung
von unvermeidlichen Abgängen. Das im Behälter 41 gesammelte Aceton, welches nur
geringfügige Mengen an gelöstem Acetylen enthält, wird nun über die Saugleitung43
der Förder- und Druckpumpe 44 entnommen und erfindungsgemäß in einer Menge, welche
der in der Entspannungsvorrichtung I7 als Dampf durch die Rohrleitung 26 weggeführten
Menge von Aceton gleich ist, über die Pumpendruckleitung45 durch den Röhreninnenraum
des Wärmeaustauschers 27 als Heizmittel geführt und hierbei durch Gegenstromwärmeaustausch
bis auf nahezu die in der Rohrleitung 26 herrschende Eintrittstemperatur des abkühlenden
Gasdampfgemisches, beispielsweise bis auf -35"C, heruntergekühlt. Mit dieser Temperatur
wird es durch die Abgangsrohrleitung46 der Zufuhrstelle 8 am Kopf der Absorptionskolonne
2 zugeleitet. Es besitzt hier zwar eine wenig höhere Temperatur als die ebendaselbst
durch das Zufuhrrohr 7 zugeleitete Hauptmenge der Absorptionsflüssigkeit von beispielsweise
-40"C; da jedoch die durch 8 zugeleitete Teilmenge von Absorptionsflüssigkeit nur
einen kleinen Bruchteil der Gesamtmenge darstellt, spielt der ihr entsprechende
Kältefehlbetrag in dem ganzen System keine Rolle, da er innerhalb der kleinen Schwankungen
liegt, welche ohnehin durch passende Betriebsführung ausgeglichen werden müssen.
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Aus dem Behälter 41 wird das erhaltene Acetylengas, welches das Roherzeugnis
der Gewinnung darstellt, über die Rohrleitung47 durch das Gebläse 48 abgezogen und
kann unmittelbar den weiteren Verarbeitungen zugeführt werden. Da es jedoch eine
gewisse Menge Dampf des bei 56"C siedenden, also stark flüchtigen Acetons enthält,
ist es vorteilhaft, das Gasdampfgemisch zunächst durch die Waschkolonne 49 zu schicken,
welche von oben her mit Wasser durch das Zufuhrrohr 50 berieselt wird. Da Aceton
eine um ein Vielfaches größere Löslichkeit in Wasser als Acetylen besitzt, wird
hierbei das im Rohacetylen mitgeführte Aceton durch Auswaschung zurückgewonnen.
Das beladene Auswaschungswasser zieht am Fuß der Waschkolonne 49 durch die Abgangsrohrleitung
5I ab. Das gewaschene Acetylen wird am Kopf der Kolonne 49 durch die Rohrleitung
52 heraus- und--in den speichernden Gasbehälter 53 hineingeführt. Aus diesem kann
es durch die Abgangsrohrleitung 54 mit der Absperrvorrichtung 55 nach Bedarf entnommen
werden.
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Die am Fußteil der Absorptionskolonne 2 durch den Heizmantel 4 zu
schaffende Wärmezufuhr wird in solchen Fällen benutzt, wo es erwünscht erscheint,
den in der Entspannungsvorrichtung I7 vor sich gehenden Umfang der Wärmeentziehung
durch Verdampfung zu vergrößern und damit das Austreibungsergebnis zu verbessern,
ohne dabei die sich einstellende Tiefsttemperatur unter den gewünschten Grad herabzudrücken.
Grundsätzlich könnte diese zusätzliche Wärmezufuhr an jeder beliebigen Stelle des
Weges der Absorptionsflüssigkeit vom unteren Teil der Kolonne 2 bis zum Eintritt
in die Verdampfungsvorrichtung 17 vorgenommen werden. Die dargestellte Anordnung
der besagten Wärmezufuhr in Form einer Beheizung des Fußteils der Kolonne 2 unterhalb
der Eintrittsstelle I des Ausgangsgases verbessert jedoch schon innerhalb der Kolonne
durch einen Rektifikationseffekt den Grad und die Schärfe der Auswaschung des zu
absorbierenden Stoffes, sobald als in dem Gas noch andere, weniger leicht absorbierbare
Anteile vorhanden sind. Dies letztere ist aber praktisch immer der Fall, weil ja
von einem Gasgemisch beim Absorbieren jeder einzelne Gasbestandteil, je nacb seiner
Löslichkeit, neben dem gewünschten Stoff in die Absorptionsflüssigkeit mit übergeht.
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In der Zeichnung ist in die Verbindungsrohrieitung II, I4 zwischen
der Absorptionskolonne 2 und der Entspannungsvorrichtung I7 die Vorrichtungs8 eingeschaltet,
an welche ein Zufuhrrohr 56 mit der Absperrvorrichtung 57 angeschlossen ist. Durch
diese Anordnung kann gegebenenfalls der angereicherten, durch die Rohrleitung II
ankommenden Absorptionslösung vor ihrem Übertritt durch die Rohrleitung 14 in die
Entspannungsvorrichtung eine zusätzliche Menge des absorbierten Stoffes in flüssiger
Form zugeführt und in der Vorrichtung 58 mit ihr gemischt werden, so daß die Konzentration
der Absorptionslösung an dem absorbierten Stoff erhöht wird. Die Anwendung dieses
Verfahrensmittels kommt naturgemäß nur dann in Betracht, wenn der absorbierte Stoff
in reiner Form unter den daselbst herrschenden Arbeitsbedingungen, d. h. unter dem
von der Absorption herrührenden Druck und bei gewöhnlicher Temperatur, flüssig existieren
kann, was zwar nicht bei dem hier als Beispiel vorgesehenen Acetylen, wohl aber
bei einer großen Anzahl anderer wertvoller, für eine Absorption in Betracht kommender
Stoffe, z. B. bei Gasolkohlenwasserstoffen, der Fall sein kann. Diese Erhöhung der
Konzentration der Absorptionslösung an dem absorbierten Stoff in der Mischvorrichtung
58 ergibt in der Entspannungsvorrichtung 17 eine Vergrößerung der Verdampfungsleistung,
die für die hier beabsichtigte Temperaturerniedrigung förderlich und wertvoll sein
kann.
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Das in der Zeichnung bei der Entspannungsvorrichtung I7 mit vorgesehene
Zufuhrrohr 20 zur Einleitung vom Fremdgas oder Wasserdampf in den Entspannungsraum
kommt für die geschilderte Absorption von Acetylen mittels Aceton nicht in Betracht,
kann aber für andere Absorptionsmittel und zu absorbierende Stoffe die oben für
seine Anwendung dargelegte Bedeutung haben.
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Zahlenbeispiel Das in die Absorption eintretende Ausgangsgas besteht
aus 2080 Nm3/h Spaltgas mit 10,3 Volumprozent Acetylen (C2 H2), 19,7 Volumprozent
Methan (CH4) und 70 Volumprozent Wasserstoff (H2) und besitzt eine Anfangstemperatur
von 300 C. Es wird in der Absorptionskolonne bei einem Druck von 11 Atm. abslut
im Gegenstrom mit 5000 kg/h Aceton (Siedepunkt 56°C) behandetlt, das mit - 40°C
auf den Kopf der Kolonne 2 auffließt. Diese niedrige Temperatur des Absorptionsmittels
ist zulässig, da der Erstarrungspunkt des Acetons viel tiefer, bei-94°c, loegt.
In der Kolonne wird das Ausgangsgas durch die kältere Absorptionsflüssigkeit bis
nahe auf deren Eintrittstemperatur, nämlich bis - 38°C, abgekühlt. Zugliech erwärmt
sich das Aceton, und zwar gemäß der untern folgenden Rechnung bis auf - 10°C. Unter
den vorgenannten Bedingungen wird aus dem Ausgangsgas das Acetylen zu 97 % ausgewaschen;
dies sind also 2080. 10,3.0,97 = 208 Nm3/h = 242 kg/h Acetylen.
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100 Der gesamte Wärmeübergang in der Absorptionskolonne an das Aceton
setzt sich wie folgt zusammen: Abkühlung des Gases (ohne das Acetylen) von+30 bis
- 38°C, d. h. um 68°C: (2080-208) # 0,336# 68 ..... = 42 800 kcal/h Abkühlung des
gasförmigen Acetylens von +30 bis - 10°C, d. h. um 40"C: 208#0,456#40 .....................
= 3800kcal/h Lösungswärme, d. h. Verdampfungswärme, von 242 kg Acetylen: 242 . 140
= = 33 900 kcal/h Wärmeeinstrahlung, geschätzt ....... 500 kcal/h Gesamter Wärmeübergang
................ 8I ooo kcal/h Diese Wärme wird von der angereicherten Absorptionsflüssigkeit,
dem Aceton + Acetylen, aufgenommen, deren Menge 5000 + 242 = 5 242 kg/h und deren
spezifische Wärme 0,52 je kg beträgt. Die Temperattur 81000 der Flüssigkeit erhöht
sich daher um 5 242 # 0,52 = rund 30°C oder von - 40 auf - 10°C, wie schon oben
erwähnt.
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Diese angereicherte Absorptionslösung wird einem Entspannungsgefäß
zugeführt und darin von ihrem Absorptionsdruck, 11 Atm. = II # 760 = 8 360 mm Hg,
bis auf einen bestimmten Unterdruck, der durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird, entspannt.
Dabei wird sowohl das gelöste Acetylen ausgegast, d. h. vom flüssigen in den gasförmigem
Zustand übergeführt, als auch ein Teil des flüssigen Acetons verdampft und in die
Gasatmosphäre des Acetylens hinein übergeführt.
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Die mit der Verdampfung beider Stoffe einhergehende Wärmeentziehung
wird dadurch, daß der Entspannungsunterdruck auf der erfindungsgemäßen Höhe gehalten
wird, ebenso groß wie die in der Absorption vor sich gegangene gesamte Wärmezufuhr
zu der Absorptionslösung eingestellt. In diesem Fall ist die Temperaturerniedrigung
der Lösung beim Entspannen genauso groß wie ihre vorherige Temperaturerhöhung, d.
h., die Lösung nimmt am Schluß wieder ihre Anfangstemperatur für die Absorption
von -40°C an.
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Die nachstehende Rechnung zeigt, daß zur Erreichung dieses Ergebnisses
der Entspannungsunterdruck gleich I3 mm Hg bei der besagten Endtemperatur von 400
C sein muß. Dann stellen sich nämlich (bei Zugrundelegung der theoretischen Verdampfungsgleichgewichte,
d. h. vollständiger Sättigung) folgende Teildrücke und Teilvolumina bei -40°C ein:
Acetylen 8 mm Hg, entsprechend 208 Nm3/h bzw. 242 kg/h Aceton 5 mm Hg, entsprechend
I30 Nm3/h bzw. 338 kg/h Dampfgemisch I3 mm Hg, entsprechend 338 Nm3/h bzw. 580 kg/h
Bei einer Verdampfungswärme von I40 kcal je kg jedes der beiden Stoffe errechnet
sich die im Entspannungsgefäß abgeführte Verdampfungswärme zu 580 # 140 = 81 200
EW, also in der Tat praktisch ebenso groß wie der oben festgestellte Größenwert
der gesamten Wärmezufuhr bei der Absorption.
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Die Entfernung des Acetylens aus der Acetonlösung beim Entspannen
kann natürlich nicht eine vollständige sein. Man findet bei Berücksichtigung der
bekannten Löslichkeitsziffern, daß in der Acetonlösung rund 4,5% des Acetylengebahts,
also 0,045 # 242 = 11 kg/h Acetylen, zurückbleiben. Das macht auf die Absorptionslösungsmenge
von 5000 kg/h nur J/453 oder 0,0022 oder 0,22 Gewichtsprozent, also eine sehr geringe
Anfangsbeladung beim Absorbieren aus. Der eingangs genannte Auswaschungsgrad von
97 01o ist daher anstandslos erreichbar.
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Nach obigen Rechnungsergebnissen werden von der in die Entspannung
eintretenden Absorptionsmittelmenge, 5000 kg/h Aceton, aus dem Entspannungsgefäß
338 kg/h als Dampf herausgetragen; die in die Absorption zurückkehrende Menge ist
also nur 5000-338 = 4662 kg/h, und nur diese Anteilmenge besitzt die Temperautr
von - 40°C. Es müssen also die fehlenden 338 kg/h Aceton zunächst aus einem gespeicherten
Vorrat hinzugenommen werden, wo sie im allgemeinen bei gewöhnlicher Temperatur,
etwa + 20°C, verfügbar sind. Man muß also diese Zusatzmenge ebenfalls erst auf wenigstens
annähernd-40°éC abkühlen. Der dazu notwendige Kältebedarf von 338 0,52 {20 - (-40)]
= 1054 kcal/h kann mühelos aus der Kälte der bedeutend größeIen, nämlich 58okg/h
betragenden Gesamtmasse des aus dem Entspannungsgefäß abziehenden Dämpfegemisches
von annähernd -40°C gedeckt werden. Wenn dabei dies Kälterückgewinnug beispielsweise
nur bis zu etwa 80% gelingt, also ein Fehlbetrag von etwa 20% gleich rund 300 kecal/
h verbleibt, so kann dieser Unterschied an-
standslos aus einem
beim Entspannen zu schaffenden Plus an Wärmeentziehung gedeckt werden. Schon nach
den obigen Ergebniszahlen war rechnerisch ein solches Plus von 81200-81000 = 200
200 kcal/h verfügbar.
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Aus obigem Zahlenbeispiel läßt sich nun auch ohne weiteres der zahlenmäßige
Nachweis dafür ableiten, daß für die Erfindung in der Tat der beim Entspannen eingehaltene
Absolutdruck bestimmend für das Gleichgewicht zwischen den Wärmemengen ist, die
in der Absorption zugeführt und in der Entspannung abgeführt werden.
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Wenn man für obiges Beispiel den Entspannungsdruck statt auf I3 mm
Hg auf 10,4 mm Hg einstellt, so ermittelt sich die Endtemperatur der ausgegasten
Acetonlösung zu 20C tiefer, also zu -420C, wie folgt: Acetylen 6,I mm Hg, entsprechend
208 Nm3/h bzw. 242 kg/h Aceton 4,3 mm Hg, entsprechend I47 Nm3/h bzw. 382 kg/h Dampfgemisch
10,4 mm Hg, entsprechend 355 Nm3/h bzw. 624 kg/h Die im Entspannungsgefäß aus der
Acetonlösung abgeführte Verdampfungswärme ist dann 624140 = 87 400 kcal/h.
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Da die eingeführte beladene Acetonlösungsmenge dieselbe geblieben
ist, so verändert sich die Temperaturerniedrigung, die im obeigen Beispielsfall
30°C be-30#87 400 trug, angenähert auf das Maß = rund 32°C.
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81 200 Es wird also beim Entspannen die Endtemperatur -42°C anstatt,
wie gewollt, -40"C erzielt. Diese niedrigere Temperatur ist dann wieder die Anfangstemperatur
des Absorptionsmittels beim Absorbieren.
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Sie drückt dann um einen annähernd gleichen Unterschiedsbetrag von
2°C die Anfangstemperatur beim nächsten Entspannen und ebenso wiederum die Endtemperatur
dabei herab. Das Temperaturengleichgewicht ist also gestört. Die vorgerechnete Verschiebung
um 20C gilt für I Stunde Betriebszeit. Es müßte sich also schon nach wenigen Stunden
eine starke, nach unten gehende Abweichung der Betriebstemperaturen beim Absorbieren
von der gewollten normalen Temperatur einstellen.
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Der vorstehend gedachte niedrigere Absolutdruck beim Entspannen,
10,4 statt I3 mm Hg, bedeutet nach den Ergebniszahlen eine Vergrößerung des Ans
augvolumens der Vakuumpumpe auf den Betrag von 355 Nm3/h statt vorher 338 Nm3/h.
Die wirklichen Ansaugvolumina in beiden Fällen sind aber 355. 760 10,4 = 25900 m3/h
statt 338. 760 = 19800 m3/h.
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13 Die Volumenvergrößerung und angenähert daher auch die Leistungsvergrößerung
für die Vakuum-25900 pumpe ist also = 1,31fach oder 31% mehr. Es entsprechen also
schon geringen Abweichungen vom Temperaturengleichgewicht verhältnismäßig große
Änderungen der Pumpenleistung, oder, mit anderen Worten, bei gleichbleibender Pumpenleistung
ist die Temperaturenlage des Systems hochgradig stabil.
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Folgerungen Die letzten Beispielsrechnungen für einen zu niedrig
gewählten Absolutdruck beim Entspannen lassen unmittelbar erkennen, daß das dann
noch fehlende Gleichgewicht ohne weiteres wiederhergestellt werden kann, wenn man
nach einem weiteren Erfindung merkmal das auftretende Zuviel an Wärmeentziehung
beim Entspannen durch ein gleichzeitiges oder vorheriges Plus an Wärmezufuhr zur
beladenen Absorptionslösung ausgleicht.
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Dieses Plus wäre in dem vorgerechneten Beispielsfall 87 400 - 8x
200 = 6 200 kcal/h. Diese zusätzliche Wärmezufuhr von 6 200 kcal/h würde die Anfangstemperatur
der zu entspannenden Lösung um das Abweichungsmaß, 2°C, erhöhen und damit wieder
die gewünschte Endtemperatur von - 40°C sichern.
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Man würde dann, gegenüber dem Normalfall ohne zusätzliche Wärmezufuhr,
den gesamten Druckabfall beim Entspannen vergrößern, hierdurch und zugleich wegen
der im Mittel etwas höheren Temperaturlage das Entgasen erleichtern und mindestens
praktisch den Grad der Entgasung verbessern, d. h. das Absorptionsmittel auf einen
kleineren Restgehalt an absorbiertem Stoff bringen. Die verhältnismäßige Verkleinerung
des Anfangsdrucks bis zum Entspannungsdruck ist in den beiden Vergleichsfällen 8360
13 = 643 fach und 8364 = 804 fach; das Verhältnis beider 10,4 804 Zahlen ist 643
= 1,25 oder im zweiten Fall 25 °/0 mehr als im ersten; das ist eine recht erhebliche
Vergrößerung der Entspannungswirkung.
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Allgemeines Aus der vorstehenden Beschreibung und demBeispiel erkennt
man schon, daß das Verfahren der Erfindung nicht auf Absorptionsflüssigkeiten und
zu absorbierende Gasbestandteile von bestimmter Stoffart beschränkt ist. Wesentlich
ist nur, daß in der Entspannungsvorrichtung durch himeichend weit getriebene Druckerniedrigung
eine hinreichend große Verdampfung von absorbiertem und außerdem von anderem Stoff
durchgeführt wird; dieser letztere, zusätzliche Stoff wird im allgemeinen von der
Absorptionsflüssigkeit, mindestens von Teilen derselben geliefert. Das Freimachen,
d. h. Verdampfen, von absorbiertem Stoff in der Entspannungsvorrichtung
gelingt
natürlich immer, da es einfach die Umkehrung der vorher unter höherem Druck stattgehabten
Absorption ist. Das Mitverdampfen von Absorptionsflüssigkeit erheischt, daß diese
Flüssigkeit unter den Arbeitsbedingungen, die in der Entspannungsvorrichtung herrschen,
in nennenswertem Maße veflüchtigbar ist. Dies wird unter anderem immer dann der
Fall sein, wenn die Siedelage des Absorptionsmittels nicht sehr viel höher als die
des absorbierten Stoffes ist, ein Fall, den man in der Absorptionspraxis mit Vorliebe
zu verwirklichen sucht, weil hierdurch die Absorption erleichtert und verbessert
wird.
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Weiter ist aber auch zu erkennen, daß für das Verfahren die Absoluthöhe
des Entspannungsdrucks grundsätzlich keine Rolle spielt. Es ist nur um zu einer
genügend weitgehenden Verdampfung und Ausgasung zu gelangen, praktisch notwendig,
daß der Anfangsdruck der Absorptionslösung vor dem Entspannen ein hohes Vielfaches
des Enddrucks, d. h. des Entspannungsdrucks ist. Bei Anwendung eines Unterdrucks
zur Entspannung, der weit unterhalb des atmosphärischen Drucks liegt, ist dieser
Bedingung immer, auch bei nur mäßig hoch liegenden Absorptionsdrücken, ohne weiteres
zu genügen. Es gibt aber in der Praxis auch Fälle, z. B. die Absorption niedrigsiedender
Kohlenwasserstoffe aus Restgasen der HochdruckhydIierung von Kohle, Teeren oder
Schwerölen usw., wobei der gegebene Anfangsdruck der Ausgangsgase und damit der
Absorption sehr hoch ist, meist mehrere hundert Atmosphären beträgt; unter solchen
Ausgangsbedingungen kann eine Entspannung der hochgepreßten Absorptionsflüssigkeit
schon auf einen Druck, der noch oberhalb des atmosphärischen liegt, für die Austreibung
ausreichend sein und unter Umständen sogar bei verhältnismäßig hochsiedenden Absorptionsflüssigkeiten
eine befriedigend starke Verdampfung und Tiefkühlung herbeiführen.
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Demgemäß kommen für das Verfahren der Erfindung die meisten der üblichen
physikalisch wirkenden Absorptionen verschiedenster Stoffe in Betracht, insbesondere
auch die weitverbreitete Gewinnung von wertvollen Kohlenwasserstoffen, namentlich
niedriger und tiefster Siedelagen, aus Industrie- und Naturgasen verschiedenster
Art mit öligen und anderen Absorptionsmitteln, wie Benzin, Benzol, Teer- und Mineralölen,
Alkoholen, Ketonen, chlorierten Kohlenwasserstoffen usw., ferner auch die Zerlegung
von Gasgemischen verschiedenster Art mit wäßrigen oder wasserlöslichen oder anderen
Absorptionsmitteln.
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Bei der Absorption von Stoffgemischen, deren Einzelbestandteile verschieden
stark flüchtig sind, wie z. B. die erwähnten Kohlenwasserstoffe, kann es nützlich
sein, in üblicher Art den gesamten verfügbaren Druckabfall des angereicherten Absorptionsmittels
in Druckstufen zu unterteilen und der ersten Vorentspannungsstufe die ohne weitere
Hilfsmittel vor sich gehende Austreibung der stärkstflüchtigen, in der Regel wenigstwertvollen
Gemischbestandteile zuzuweisen.
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Üblicherweise wird meistens dieses in der Vorentspannungsstufe frei
werdende Gasgemisch in das Ausgangsgas vor der Absorptionsvorrichtung wieder eingeleitet.
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An dem gesamten Verfahrensablauf, insbesondere an der durch die Entspannung
herbeizuführenden Temperaturerniedrigung ändert sich grundsätzlich nichts, wenn
man der beschriebenen Entspannung auf den vorgesehenen, die Tiefsttemperatur bestimmenden
Enddruck eine Teilentspannung als Vorstufe vorschaltet, weil die sämtlichen Einzelstufen
durch Summierung ihrer Teilbeträge an Verdampfung und Temperaturerniedrigung praktisch
ebensoviel ergeben, wie wenn sie in einer einheitlichen Stufe zusammenwirken würden.