DE10121544B4 - Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor in einer Wärmeübertragungsvorrichtung in einem Kältemittelkreislauf, in der chlor- oder bromfreies Kältemittel verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf ohne Verdichtung und Expansion ausgeführt ist und dass als Kältemittel chlor- oder bromfreies, nicht reaktives R116 oder R218 oder CO₂ verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor im einer Wärmeübertragungsvorrichtung in einem Kältemittelkreislauf, in der chlor- oder bromfreies Kältemittel verdampft.
• Zur Verflüssigung von reaktiven Gasen wie Chlor ist es bekannt, als Rohrbündelapparate ausgestaltete Wärmeübertragungsvorrichtungen zu verwenden, bei denen die Rohre im Innern vom zu verflüssigenden Gas durchströmt werden, während im äußeren Mantelraum an den Rohren das Kältemittel verdampft wird, wobei das Kältemittel die Kondensationswärme des Gases aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird verdichtet, bei erhöhtem Druck kondensiert und über eine Expansionseinrichtung erneut in den Mantelraum des Rohrbündelapparates zurückgeführt. Je nach gefordertem Verflüssigungsgrad durchströmt das reaktive Gas mehrere, insbesondere zwei Wärmeübertragungsvorrichtungen.
• Nachteilig an bekannten Verfahren zur Kühlung reaktiver Gase ist die Tatsache, dass zur Kühlung chlorfreie Kältemittel wie NH3, R134a oder R23 verwendet werden, welche mit dem reaktiven Gas reagieren könnten.
• Aus der DE 195 18 085 C2 ist ein Verfahren zur Chlorverflüssigung bekannt, bei dem ein Teilstrom des Flüssigchlors abgezweigt und einem Kühler zugeführt und ein weiterer Teilstrom des Flüssigchlors einem Chlorverdampfer mit einem chlorfreien Kühlmittelkreislauf zugeführt wird.
• Die Kondensation des Chlorgases im Vorverdampfer erfolgt dabei unter einem Druck von mindestens 7 bar, wobei als Kühlmittel Kühlwasser verwendet wird.
• Aus der DE 35 87 280 T2 ist es bekannt, als Arbeitsflüssigkeit in einem Wärmepumpenkühlkreislauf ein aus mehreren Bestandteilen bestehendes Kühlmittel auszuwählen, wobei jeweils mehr als 50 Gew.% an R22 oder R12 und mindestens ein kleinerer Kühlmittelbestandteil aus einem Kühlmittel mit einem niedrigeren kritischen Druck als R22 oder R12 besteht und dabei unter anderem R116 und R218 in Betracht kommen.
• Aus dem von MÖRSEL, H.: "Taschenbuch Kälteanlagen; Berlin: VEB Verlag Technik; 1969; Seiten 229, 231 und 437 ist es bekannt, dass es sich bei R14 (Tetrafluormethan) um ein ausgesprochenes Tieftemperaturkältemittel handelt, bei dem eine Druckbegrenzung durch Ausdehnungsgefäße gesichert werden muss. Des Weiteren werden in dieser Druckschrift die für die Kältetechnik wichtigsten Vertreter von Kohlenwasserstoffverbindungen wie Methan, Äthan, Propan, Äthylen und Azetylen angesprochen, wobei darauf hingewiesen wird, dass einige davon als Kältemittel bekannt sind und nur deshalb an Bedeutung verloren haben, weil sie leicht entzündbar und explosiv sind.
• Aus dem Buch von EMBLIK; E.: "Kälteanwendung"; Karlsruhe: Verlag G. Braun; 1971; Seite 331 ist es bekannt, einen Chlorkondensator als Röhrenkesselapparat auszuführen, wobei das Kältemittel im Mantelraum verdampft und das Rohgas durch die Innenrohre strömt. Als Kältemittel kommen aus Sicherheitsgründen nur die fluorierten Kohlenwasserstoffe in Frage oder es wird der Chlorkondensator indirekt durch Sole gekühlt, was jedoch mit einem Verlust der Energie verbunden ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor vorzuschlagen, welches im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren geringere Risiken aufweist.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kältemittelkreislauf ohne Verdichtung und Expansion ausgeführt ist und dass als Kältemittel chlor- oder bromfreies, nicht reaktives R116 oder R218 oder CO₂ verwendet wird.
• Das nichtreaktive Kältemittel enthält keinen Wasserstoff oder nur derart geringe Anteile Wasserstoff, dass beim Verflüssigen des reaktiven Gases im Falle einer Leckage keine Reaktion bei den vom Verfahren und der Betriebsweise vorgegebenen Bedingungen mit dem Kältemittel auftritt. Insbesondere entfällt auch die Notwendigkeit, einen für R116, R218 oder CO₂ geeigneten Verdichter zu beschaffen.
• Die verwendeten Kältemittel zur Kühlung reaktiver Gase weisen den Vorteil auf, dass diese keinen oder einen verschwindend kleinen Anteil Wasserstoff enthalten, so dass somit bei der Kühlung auch keine Gefahr einer möglichen Explosion besteht. Insbesondere bei einem hochreaktiven Gas wie Chlor besteht somit keine Gefahr einer Reaktion des zu kühlenden Gases mit dem Kältemittel, wenn in der Wärmeübertragungsvorrichtung ein Leck auftritt. Zudem enthält das Kältemittel kein Chlor oder Brom und ist somit als Kältemittel zugelassen. Zudem eignet sich insbesondere das Kältemittel R116 auf Grund seiner thermodynamischen Eigenschaften beispielsweise als Ersatzstoff für die Kältemittel R13 oder R23. R218 eignet sich insbesondere als Ersatzstoff für R13B1. Zudem können die Kältemittel in bestehenden Anlagen verwendet werden, ohne dass beste hende Apparate beispielsweise gegen Doppelrohrwärmeübertrager ausgetauscht werden müssen.
• Das Kältemittel R116 hat bei 1 bar abs. eine Siedetemperatur von -78.42°C und ist daher für eine Tieftemperaturverflüssigung geeignet. Das Kältemittel R116 hat zudem eine hohe Molmasse und ist zur Verwendung in einem Turboverdichter geeignet, wobei zudem, auf Grund der Schwere des Kältemittels, ein Turboverdichter mit wenigen Stufen geeignet ist.
• Das Kältemittel R116 ist insbesondere zur Verwendung in einer zweiten Stufe einer Kaskadenschaltung geeignet, wo das Kältemittel R116 beispielsweise bei -80°C verdampft, daraufhin verdichtet wird, und beispielsweise bei -15°C verflüssigt wird.
• Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
• 1 zeigt schematisch eine einstufige Verflüssigung von Chlorgas, wobei das Kältemittel R116 oder R218 in einem Zwischenkreislauf 8 ohne Verdichtung ausgetauscht wird. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 1 wird durch über die Leitungsabschnitte 9a, 9b geführtes Kühlwasser gekühlt. Ein erster Kühlmittelkreislauf 5 ist als herkömmlicher Kühlkreislauf unter Verwendung eines übliches Kältemittels wie beispielsweise NH3 ausgestaltet. Der erste Kühlmittelkreislauf 5 verläuft ausgehend von der Wärmeübertragungsvorrichtung 1 über den Leitungsabschnitt 5a, das Ventil 5b und den Leitungsabschnitt 5c zum Verflüssiger 10, und danach über den Leitungsabschnitt 5e, den Verdichter 5f und den Leitungsabschnitt 5g zurück zur Wärmeübertragungsvorrichtung 1.
• Zwischen dem Verflüssiger 10 und dem Verflüssiger 4 ist über die Leitungsabschnitte 8a, 8b der Zwischenkreislauf 8 ausgebildet, in welchem, je nach geforderter Verflüssigungstemperatur, das Kühlmittel R116 oder R218 strömt. Der Zwischenkreislauf 8 kann beispielsweise als Naturumlauf ausgestaltet sein, zum Beispiel in Form eines Thermosiphons. Der Verflüssiger 10 dient zur Verflüssigung des Kühlmittels R116 oder R218. Der Verflüssiger 4 dient zur Verflüssigung des Chlorgases. Das Chlorgas wird über die Zuleitung 7a dem Verflüssiger 4 zugeführt. Über den Auslass 7e wird dem Verflüssiger 4 das flüssige Chlorgas abgezogen, wogegen das Restgas über den Leitungsabschnitt 7d abgegeben wird.
• Das Kühlmittel R116 verdampft im Chlorgasverflüssiger 4 beispielsweise bei -20°C und 10 bar abs und strömt ohne Verdichtung zum Kondensator bzw. Verflüssiger 10, wo es verflüssigt wird. Für das Kühlmittel R218 entspricht die Temperatur von -20°C einem Druck von 2 bar abs. Das verflüssigte Kühlmittel strömt schwerkraftbedingt oder mit Hilfe einer Pumpe zurück zum Chlorverflüssiger 4, wo es erneut verdampft. Insoweit bewegt sich die Zustandsänderung des Kühlmittels im Zwischenkälteträgerkreislauf 8 im Wesentlichen entlang einer Isobaren.
• Zur Stillstandskühlung ist zudem eine Stillstandskühlvorrichtung 9 vorgesehen, welche über die Leitungsabschnitte 9a, 9b fluidleitend mit dem Leitungsabschnitt 8a und dem Verflüssiger 4 verbunden ist. Im Stillstand begrenzt die Stillstandskühlung den maximalen Druck im Zwischenkreislauf 8 durch die Einhaltung einer bestimmten Verdampfungstemperatur. Hierzu ist nur eine kleine Kühlvorrichtung 9 erforderlich, welche das durch Wärmeeinfall entstehende Gas aus dem Mantelraum des Verflüssigers 4 absaugt, zum Beispiel über den Leitungsabschnitt 9b oder den Leitungsabschnitt 8b, das abgesaugte Gas unter Wärmeabgabe verflüssigt, und über den Leitungsabschnitt 9a wieder zurückführt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verflüssigung eines reaktiven Gases wie Chlor in einer Wärmeübertragungsvorrichtung in einem Kältemittelkreislauf, in der chlor- oder bromfreies Kältemittel verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf ohne Verdichtung und Expansion ausgeführt ist und dass als Kältemittel chlor- oder bromfreies, nicht reaktives R116 oder R218 oder CO₂ verwendet wird.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel verflüssigt wird und der Kreislauf (8) des Kältemittels derart ausgelegt ist, dass das Kältemittel schwerkraftbedingt zur Wärmeübertragungsvorrichtung (4) zurückströmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im Stillstand durch eine separate Stillstandskühlvorrichtung (9) gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas mit einem zweistufigen Kälteträgerkreislauf umfassend einen ersten und einen zweiten Kältekreislauf (5, 6) gekühlt wird, dass der zweite Kältekreislauf (6) die tiefere Temperatur aufweist, und dass der erste und/oder zweite Kältekreislauf (5, 6) vom nichtreaktiven Kältemittel durchströmt wird.