DEP0011698DA - - Google Patents

Description

ADOLF MESSER

GeSellsc all rrit
beschrankter Haftung

Frankfurt am Main

Dr.Gra/Fr. Frankfurt a.M., den 10. Sept. 1946.

Verfahren zum Kaltfahren von Anlagen zur Verflüssigung oder

Zerlegung von Gasen bee«. Gasgemischen.

Bevor Anlagen, in denen Gasgemische, z.B. Luft» durch Verflüssigung und Bektifikation zerlegt «erden, den normalen Arbeitsprozess aufnehmen können» müssen sie auf die entsprechend tiefen Temperaturen bis zu - 200° abgekühlt «erden. Um Zeit- und Energieverluste zu vermeiden, ist man natürlich bestrebt, diese Kalt« fahrzeit, die je nach der Grosse der Anlage Bruchteile von Stunden bis zu t oder 2 Tagen betragen kann, möglichst abzukürzen. Aus diesem Grund «erden die Anlagen soweit wie möglich mit Kältequellen hohen Wirkungsgrades, z.B. HH^-Kühlern, Expansionsmaschinen oder Expansionsturbinen abgekühlt. Jeloch ist man häufig für die Erzeugung von Kälte auf den thermodynamisch wesentlich weniger günstigen Joule-Thomson-Effekt - die sogenannte Proeselentspannung - angewiesen, insbesondere in folgenden Fällen:

1. Bei sehr kleinen Anlagen für weniger als 30 cbm/h Sauerstoff, bei denen es eine zu grosse Komplikation bedeuten würde, KH,-Kühler oder Expansionsmaschinen vorzusehen;

2. Beim Kaltfahren der sogenannten Kältetrockner, das sind Wärmeaustauscher, die der eigentlichen Zerlegungeapparatur vorgeschaltet sind und in denen die eintretenden Gase sowohl gekühlt wie durch Kondensation des laseerdampfes 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 Lis 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 Flüssigkeiten gehalt zu verarbeiten.

In diesen Fällen kann durch das Verfahren der Anmeldung eine wesentliche Verkürzung der Anfahrzeit erreicht werden. Es besteht

ADOLF MESSER

Gesellsc"3lf r'it
beschrankter Haftung

Frankfurt am Main

darin, anstelle der Brosselentspannung eine sogenannte Wirbelentspannung anzuwenden, einen Torgang, der erst in den letzten Janren näher untersucht wurde. Man versteht darunter folgendes: Wird in ein Rohr 1 (Fig. 1) durch eine tangential eintretende Düse 2 ein Luftstrahl eingepresst, so bildet sich in der Achse des lohres bei 3 ein kalter, unter niedrigem Eruck stehender Luftkern aus, während länge der Bohrwand ein Luftisantel 4 mit hohem Druck und hoher Temperatur kreist. Durch geeignete Blenden 1st es möglich, auf der einen Seite dee Rohres den kalten Luftkern, auf der anderen Seite die warme Aussenluft abzuführen, sodass man also im Endeffekt eine Zerlegung der eingeblasenen Luft in einen warmen und einen kalten Teilstrom erhält. Me die Versuche zeigen, können so Temperaturdifferenzen von über 100° erreicht werden*

Dm diesen Vorgang beispielsweise für das Kaltfahren eines Kältetrocknere zu benutzen, wird nach Bild 2 verfahren. Die auf einen Iruck von 20 bis 40 atii verdichtete Luft tritt durch Kohr 5 in den ilussenraum des Eältetrockners 6 ein. Sie wird im ftirbelentspanner 7 entspannt und der warme Luftstrom durch Bohr 8 ins Freie abgeblasen, wobei Ventil 9 zur Einstellung dee günstigsten Mengenverhältnisses der beiden Luftströme dient. Der kalte Luftstrom wird durch eines oder mehrere der für die Zerlegungsprodukte vorgesehenen !Rohrbündel 10 durch den Kältetroekner 6 zurtickgeleitet, wobei er seine Kälte an die einströmende Luft abgibt. Biese 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 j|a entsprechend der Temperatur der in den 1 irbelentspanner eingeblasenen Luft ebenfalle absinkt - die Temperatur bei 5 erreicht hat. In diesem Falle ist nämlich die Kältewirkung der Wirbelentspannung nicht mehr günstiger als die der bisher verwandten Dross dent spannung. Ist dieser Zustand erreicht, so werden die Ventile 11 und 9 geschlossen. Eie komprimierte Luft tritt sodann durch Eohr 12 in die folgenden, nicht gezeichneten Austauscher des Apparates ein und wird in der üblichen feeise durch ein Ventil oder eine Expansionsmaschine oder -turbine entspannt.

Gleichzeitig mit dem beabsichtigten Kälteeffekt findet im Wirbel-

ADOLF MESSER

Gesellsc alt rr.it
beschränkter Haftung

Frankfurt am Main

eatspanner auch noch eine sehr wirksame Abscheidung dee Kondenswasser statt, das zusammen mit dem belesen Luftstrom als Wasserdampf wieder mitgeführt wird.

herden feile der Apparatur, die eine besonders tiefe Arbeitetemperatur erhalten sollen, mit Hilfe des Wirbelentspanners gekühlt, so ißt es gegen Ende der Kaltfahrzeit - wenn 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 au halten. Es gsnügt Jedoch in diesem Jail, wenn durch entsprechende Maesnahmen, z.B. Einstellung eines genügend hohen Druckes vor der miee des Wirbelentspanners, passende Llnreglung des Mengenverhältnisses des heiseen und kalten Luftströmen, die temperatur der Tiarmluft 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 Bilci 2 mit einem besonderen Iirbelentspanner kaltgefahren werden,, jedoch ist dies - um das Bild nicht zu sehr zu komplizieren - nicht zur Darstellung gebracht. Abweichend von früher ist nunmehr der ßirbelentspanner 7 nach dem Wärmeaustauscher 13 eingeschaltet. Die Luft wird ihm durch fentil 11 zugeleitet und der Kaltluftstrom durch Rohr U dem zu kühlenden kalten feil der Apparatur zugeführt. Da zu Beginn des laltfahrens der Warmluftstrom noch wesentlich heisse ist als das kalte Ende des Kältetrockner», wird er zweckmässig nicht diesem zugeleitet, sondern durch Ventil 17 unmittelbar ins Freie abblasen. 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 Tentil 9 und Bohr β einem Teil des Wärmeaustauschers zugeführt, der noch wärmer ist als dieser Sarmluftstrom. Als Kältequelle für den obersten Teil des Auetauschers 13 sowie für den Kältetrockner 6 dient hierbei in bekannter V. eise die Expansionsmaschine 16.

Da im ^irbelentspanner keine Arbeit nach aussen abgegeben wird, gilt - wenn man von Kälteverlueten durch Wärmeleitung absieht die Beziehung:

ADOLF MESSER

Gesellst Cif nr,t
beschränkter Haftung

Frankfurt am Main - 4 -

l_o ■ OC . I_k ♦ (1 - oc) . i_w

Dabei ist i_Q der Wärmeinhalt der Luft vor der Entspannung, i_fe und i derjenige dee kalten bezw. warmen Anteile nach der Entspannung, und se ist der Bruchteil der Luft, der als Kaltluft strom entnommen wird, 1 - cc also der Anteil des larmluftstromes. Y-ürüe Warmgasstrom und Kaltgasstrom gemischt, so würde man einen Gasstrom mit dem mittleren Wärme Inhalt i_ffl * 1_Q erhalten, also dasselbe Ergebnis erzielen «ie bei der normalen Droseelentspannung. 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 1^, i_w und i_ffi zu bezeichnen, können auch deren Temperaturen T. , T und T geschrieben werden. Ist endlich T_e die schon erreichte Temperatur des zu kühlenden Apparateteile, so ist oC . (T₀ - T_v) . c„ (c„ spez. Wärme des betref-

et Jt PP

fenden Gases) die pro Einheit des verarbeiteten Gases maximal an den Apparat zu übertragende Eältemenge. Om eine möglichst schnelle Abkühlung zu erreichen, muss diese Eältemenge möglichst hoch gehalten werden. Ist oc klein, so ist auch die Tempera tür ά iff er enz T - T. zwischen dem warmen und dem kalten Gasstrom klein, sodass die Kälteleistung aus zwei Gründen klein ist. Bei grossem oC-ist T_fc etwa gleich T_ffl, sodass sich auch hierbei eine verhältnismässig kleine Kälteleistung ergibt. Zwischen diesen beiden Extremwerten liegt jedoch ein günstigster V.ert höchster Kälteleistung, der durch passende Regelung des Ventils 9 eingestellt werden kann. Unter Einführung der Temperaturen anstelle der Wärmeinhalte geht die Gleichung für die Wärmebilane des lirbelrohres über in T = oc . T. + (1 - oc) . T . Stattdessen kann man auch schreiben: m je w

Of-(T₁₁₁- T_k) -(1 -oc)(T_w - T_m).

Rird die Apparatur von Baumtemperatur auegehend abgekühlt, so ist T_ etwa gleich T . Dann geht die Gleichung über ins

GC . (T_a - 3?_k) - (1 - oi)(T_w - T_a).

Jetzt steht links ein Ausdruck, der der Kälteleistung proportional 1st, der also bei günstiger Fahrweise möglichst hoch gehalten wer-

den mass. Der Ausdruck rechte ist der mit dem Warmgasstrom an die Umgebung abgegebenen Wärme proportional. Ba die linke Seite der Gleichung möglichst hoch gehalten «erden 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.

Serade während dee Anfahrens ist eine weitgehende Regulierfähigkeit des Apparates notwendig. Durch eine Düse mit vorgegebener Oeffnung 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 leise verändert, z.B. durch eine koacheial in die Düse eingeschobene Uadel, oder es wird unter Teilung des zur Verfügung stehenden Druckgefalles vor die Düse ein Entspannungsventil geschaltet, oder es wird endlich unter Teilung der Gasmenge parallel zur Düse ein Enepannungsventil geschaltet, durch das die über den Durchsatz der Düse hinausgehende Oaemenge 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 entlanggleitenden Warmgasstromes, grosser als das kritische, so wird erfindungsgemäss von einer konisch erweiter· ten Düse ("Lavaldüee*) Gebrauch gemacht.

Claims (2)

1. ADOLF MESSER GMBH

   FRANKFURT A-M ^Bhltc

   1« Verfaiiren mm ZaltZ&brm vtm äeäm$m w»

   voa &eeea oäer s*eg«K&tschea_# hmm&mm vim Left» und Bonifikation, dtadoroh

   öung vervaandt fdrd, *ob«i üer hierbei entetaiientle heiaee stroa * fells sein© ieicperötur ofceri-ialtJ öer in eintretende* I«ft lt«$t -» ine Sreie ebssblessB wirö,

   bei titfSerer 1?en^eretcr äas ^-arJalafto-tnifiis Sit»«» ^iIm der sugeleltst «trö» 41t v&noar Al« ölaeez' Luftstrom
2. 2. Twfittem nach ^nprttch 1_f dadurch seitannssleimet» iss«

   εα Mihlenöes /ipperet o6«r /.ppftrsteteil «ti

   Botre^- faör,lich£t

   nach Ancpruoh 1« Ina^asontiöre et» v^ltfafean um

   Eältetrockaer von Luft- enö SeoEerloscncEimlageö* ßötiui'oh ge-

   die Ltift l»tisw* öee G-se nach

   Jdltetrooinier in ^tr"bel3iitepaaner ebtcpannt,. ßar warm« ^:J?sllütro& mit ca». Konaetiö^sasr ine Freie dar isslte 'l'eiletrt»© öurob äan oatetroclaaer sorüol^eleitet «tiNtt -^bei «r ööine iH,ft m öse einströinana© ten ebcibt,

   4· fefahren nach /iaapru.li 1, m$®mm&t e»T elat üeltfahrea !'eilen ösr %f«m%t»# ßle i^tettS Hob öorisalen Betriebes sehr

   tief © l'oiEpar&taren auf ,vaiBcji, üsötaroh ^eteaansalehnat, dass m #ev Kaltfiiru-peri-ocl« ώοτ an* am ί irbslcntepanaer ;.'©rai^©eetroE Int Freie «%#1il&@<m» teg^«& nach eloer

   Vor&ihltwig; unö ΐί&Χΐ haltung; eeüw#r ?eile dar

   4* üfci»üli ge&eaÄaaleimat, i®n« »or ^EtelLcsg einer

   anti-öder Sir Oasröcfcnitt <3.ar Mm

   ADOLF MESSER GMBH

   FRANKFURT A-M ^BIa"

   ■■•Irbelftnt Spanners oder tatfe ein *trg«M»l*lt«ttt· ventil ösr vor der Mm hmrmhm%$ ftraefc oder auroh ein parallel ζ«? I?.»se g«&fcslt«f «fs ÄtspKS&TO ev^ntil öle durch 41« Bl εβ tret'inae isiewttg« toner halb de? notivenaigan C'renass geregelt fürSim tem* ΐ-jobel stich sehrsre fitesasr

   erdtan Ütt«*

   6· Vonlohtutng rot Amtä^tmg ββε Veriahi-ens nach cea An epr« c hen 4, uadtsrch f-ekaimEelcimet, ubüb tei übei-1^1 tischer

   sine It'se v&r;\?,nüt c.lz*ö_# die nsch Isonißch srv^ltert ißt