DE1056634B - Verfahren zur Waermerueckgewinnung aus Stroemen von Gasen, Daempfen oder deren Gemischen mit einem Anfeuchtungs- und einem Trocknungsarbeitsgang - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, zur Wärmerückgewinnung aus Strömen von Gasen, Dämpfen oder deren Gemischen mit einem Anfeuchtungs- und einem Troeknungsarbeitsgang.

Die Ausdrücke »Anfeuchten« oder »Befeuchten« sollen dabei die teilweise oder vollständiger^ättigung eines beliebigen Gases mit einem beliebigen anderen Gas oder Dampf miterfassen, während die Ausdrücke »Trocknen« oder »Entfeuchten,« eine teilweise oder vollständige Entsättigung eines beliebigen Gases von einem beliebigen anderen Gas oder Dampf miteinbeziehen sollen. Für dieses andere Gas oder diesen Dampf kommt insbesondere Wasserdampf in Betracht.

Verfahren, welche die chemische Behandlung eines feuchten Gasstromes und die nachfolgende Entfeuchtung des Produktes umfassen, sind bekannt. Die Wärmerückgewinnung von den Befeuchtungs- und EntfeuchtungsverfahEen -her ist im allgemeinen gering, da dia Betriebslinien bzw. -kurven jeweils für die Befeuchtungs- und die Entfeuchtungsverfahrensstufen auf einem Gasgesamtwärme-Befeuchtungsflussigkeitswärmegehalt-Diagramm mit weitem Abstand voneinander vorgesehen werden müssen, um zu verhindern, daß sie die Sättigungskurve schneiden.

Zweck der Erfindung ist, die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung aus derartigen Anlagen zu verbessern.

Erfindungsgemäß weist in der Kombination eines Gasbefeuchtungs- und Gasentfeuchtungsarbeitsganges jeder der vorerwähnten Arbeitsgänge zumindest zwei aufeinanderfolgende Verfahrensstufen auf, wobei das Verhältnis zwischen der Gesamtwärme des befeuchteten Gases und der Wärme der befeuchtenden Flüssigkeit in jeder der vorerwähnten Verfahrensstufen so gewählt wird, daß die BetriebsIinien in einem Diagramm, welches diese Beziehung graphisch wiedergibt, sich mehr der Sättigungskurve nähern, ohne diese Sättigungskurve jedoch zu schneiden, als dies bei einer einzelnen Betriebslinie der Fall wäre, und die Wärme wird zwischen entgegengesetzten Verfahrensstufen der beiden Arbeitsgänge übertragen ader ausgetauscht.

Die Gesamtwärme des Gases ist der Wärmegehalt des befeuchteten Gases, bezogen auf die Gewichtseinheit des trockenm Gases. Der Wärmegehalt der befeuchtenden Flüssigkeit ist das Produkt aus seiner spezifischen Wärme (C_p) und seiner absoluten Temperatur. Wenn die Befeuchtungsflüssigkeit Wasser ist, stimmt der Wärmegehalt zahlenmäßig mit der Wassertemperatur überein.

Das Gasbefeuch,tungsverfahren kann in einem. Befeuchtungsturm durchgeführt werden., welcher abschnittsweise arbeitet und bei welchem die Flüssigkeitsverhältnisse (die Flüssigkeits-Gas-Verhältnisse)

Verfahren
zur Wärmerückgewinnung aus Strömen
von Gasen, Dämpfen oder deren
Gemischen mit einem Anfeuchtungsund einem Trocknungsarbeitsgang

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. e. Schubert, Patentanwalt, Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 9. November 1956

Henry Reginald Clive Pratt, London,
ist als Erfinder genannt worden

fortlaufend in jedem Abschnitt, über welchen das Gas (nacheinander) vom Boden des Turmes bis zur oberen Spitze geführt wird, zunehmen.

Das Gasentfeuchtungsverfahren kann in. einem in ähnlicher Weise in Abschnitte unterteilten Entfeuchtungsturm stattfinden, bei welchem die Flüssigkeitsverhältnisse in aufeinanderfolgenden Absdhnitten vom Boden des Turmes bis zu seiner oberen Spitze abnehmen, wobei die Wärme zwischen reziproken Abschnitten der beiden Türme ausgetauscht wird, d. h., der obere Abschnitt des Befeuchtungsturmes steht in Wärmeaustauschbeziehung zum unteren Abschnitt des Entfeuchtungsturmes usw.

Bei einem Verfahren, bei welchem es nicht erforderlich ist, die Flüssigkeit im Befeuchtungsturm von der Flüssigkeit im Entfeuchtungsturm gesondert bzw. getrennt zu halten, wird ein Teil der Flüssigkeit unmittelbar von den Abschnitten des Befeuchtungsturmes nach reziproken Abschnitten des Entfeuchtungsturmes übertragen bzw. übergeleitet.

Falls es jedoch wichtig ist, die vorerwähnten Flüssigkeiten getrennt voneinander zu halten, d, h.

wenn Unterschiede in den isotopischen Zusammensetzungen der Flüssigkeiten bestehen und wenn es wünschenswert ist, diese Unterschiede beizubehalten, um dadurch ein Produkt zu erhalten,, welches mit besonderen Isotopen angereichert ist, werden Wärme-

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austauscher zwischen, den reziproken Abschnitten der, beiden Türme verwendet. Alternativ können der Entfeuchtungsturm und die Wärmeaustauscher bei einem derartigen Verfahren durch. Oberflächenwärmeaus-. tauscher ersetzt werden, welche als Kältelcondehsatoren arbeiten.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden., und zwar zeigt

Fig. 1 schaubildlich - ein - Verfahren, zum Speisen eines chemischen Befeudhtungsprozesses, bei welchem Kältekondensatoren verwendet werden,

Fig.-2 schaubildlich ein Verfahren zum Speisen eines., ähnlichen chemischen Prozesses, bei welchem ein Entfeuchtungsturm verwendet wird,

Fig. 3 schaubildlich ein- Verfahren zum Speisen eines chemischen Entf euchtungsprozesses, bei welchem Käiteliondensatoren verwendet werden, während

Fig. 4 ein Gasgesamtwärme-Wassertemperatur-Diagramm für ein Verfahren wiedergibt, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist.

In Fig. 1 wird ein zugeführtes Gas S mit niedriger Temperatur erwärmt und im Turm F befeuchtet,, bevor es einem chemischen Vorgang in. G unterworfen wird. Das befeuchtete Gas wird nach einer Reihe von Kältekondensatoren D₁ C und B zurückgeleitet, schließlich im Wärmeaustauscher A abgekühlt und bei T abgezogen. Durch die Pumpe R wird Wasser vom unteren Teil des Turmes F durch die Kältekondensatoren B₁ C und D und durch einen Erhitzer E zur Zirkulation gebracht, ehe es am oberen Ende des Turmes F eingesprüht wird. - Alternativ kann der Erhitzer E weggelassen werden, und ein Extradampf kann an derselben Stelle in -den Wasserstrom injiziert werden. Der Turm F ist in, die Abschnitte b, c und d unterteilt, und weitere Wassermengen werden zwischen Punkten zwischen den Abschnitten h, c und cLim Turm F und entsprechenden Punkten zwischen den Kondensatoren B, C und D in Kreislauf bzw. zur Zirkulation gebracht. Somit ist der Abschnitt b dem Kondensator B zugeordnet, der Abschnitt c dem Kondensator C und der Abschnitt d dem Kondensator D₁ wobei die Zirkulation vermittels der Pumpe P zwischen den Abschnitten c und d und den Kondensatoren C und D und vermittels der Pumpe Q zwischen den Abschnitten ii, c und den Kondensatoren B; C erreicht wird. Das Flüssigkeitsverhältnis verändert sich somit über die verschiedenenAbschnitte des Turmes hinweg. Das Kondensat von den, Kältekondensatoren D und C fließt in B hinein, von wo ein Abflußrohr (nicht dargestellt) das Kondensat zur Pumpe R zwecks Rezirkulation zurückführt.

Die Wassertemperaturen t_wl, i_lv2, i_lv3, i_w4, t_ws an verschiedenen Stellen in der Anlage können gegen die Gasgesamtwärme (bezogen auf die Gewichtseinheit des Trockengases) auf einem Diagramm aufgezeichnet werden» auf welchem die "Sättigungskurve ebenfalls eingezeichnet ist (Fig. 4).

Betriebslinien bzw. -kurven mit Neigungen, welche dem 'Flüssigkeits-Gas-Verhältnis gleichen, sind für den Befeudhtungsturm unterhalb' der Sättigungskurve eingezeichnet, während sie für die Kältekondensatoren oberhalb der Sättigungskurve eingezeichnet sind. Es ist ersichtlich, daß die Reihen der Betriebslinien sich der Sättigungskurve nähern, wobei der Grad der Annäherung durch die Anzahl der durchgeführten Verfahrensstufen bestimmt wird.

Fig. 2 stellt einen ähnlichen Prozeß wie Fig. 1 dar, bei welchem Gas nach der Anlage bei S zugeführt, in einem Prozeß G verwendet und das behandelte Gas

bei T abgeführt bzw. abgeleitet wird,, bei welchem jedoch die Kältekondensatoreii durch einen Entfeuchtungsturm H und eine Reihe von Wasser-Wasser-Wärmeaustauscher A, B₁ C ersetzt worden sind. Die Türme F und H sind wiederum in Abschnitte unterteilt, und die Pumpen N und M bringen Wassermengen zwischen ausgewählten Stellen in den Türmen und Stellen zwischen den Wärmeaustauschern A₁ B₁ C zur Zirkulation. Das Wasser, welches dem oberen Ende ίο des Turmes F zugeführt wird, wird durch die Pumpe if in Kreislauf versetzt und durch den Erhitzer D erwärmt, und die Pumpe L und der Abkühler E führen die notwendigen entsprechenden Funlctionen

im Turm JS aus. Alternativ kann der Erhitzer- D

weggelassen werden und Extradampf an der gleichen Stelle in den Wasserstrom injiziert werden. Der obere Abschnitt des Turmes F ist mit dem unteren Abschnitt des Turmes H über den Wärmeaustauscher C verbunden, der untere Abschnitt des Turmes F ist mit dem oberen Abschnitt des Turmes H über den Wärmeaustauscher A verbunden, während die mittleren Abschnitte eter Türme über Wärmeaustauscher B miteinander verbunden sind. Das Gasgesamtwärme-Wassertemperatur-Diagramm dieses Verfahrens ist demjenigen ähnlich, welches in Fig. 4 dargestellt ist. Das unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Verfahren eignet sich-besonders in dem Falle, in welchem es erforderlich ist, die Flüssigkeiten in den Befeuchtungs- und Entfeuchtungstürmen getrennt voneinander zu halten, z. B. bei einem Verfahren, bei welchem Wasser mit Wasserstoff zwecks Anreicherung des Wasserstoffes an- Schwerwasserstoffisotopen, Deuterium, in. Kontakt gebracht wird. Der Prozeß G kann .also z. B. ain: chemischer Wasserdampf-Wasser-Stoff-Austauschprozeß für das Anreichern des Wasserstoffs mit Deuterium sein.

Bei einem Verfahren, bei welchem es nicht erforderlich ist, die vorerwähnten Flüssigkeiten voneinander getrennt zuhalten, kann das Verfahren jedoch insofern abgeändert werden, daß die Wärmeaustauscher A, B und C weggelassen werden. Bei einem derartigen Verfahren bringen die Pumpen JV und M das Wasser unmittelbar von den ausgewählten Stellen im Turm F nach den ausgewählten Stellen im Turm; H₁ wobei das Wasser nach dem oberen Abschnitt des Turmes F ; vom unteren Abschnitt des Turmes H durch die Pumpe L über den Erhitzer D (welcher, falls gewünscht, durch einen Dampfeinlaß, wie vorerwähnt, ersetzt werden kann) zugeführt wird,, während das Wasser nach dem oberen Abschnitt des Turmes Ή - vom' unteren.'Abschnitt des Turmes F durch die Pumpe K über den Abkühler E geleitet wird. Auf diese Weise ist der obere Abschnitt des Turmes F unmittelbar mit' dem unteren Abschnitt des Turmes H verbunden, der ' untere Abscihnitt des Turmes F ist unmittelbar mit dem oberen Abschnitt des Turmes H verbunden, während die mittleren Abschnitte der Türme ebenfalls unmittelbar miteinander verbunden sind.

Ein weiteres Verwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Kondensation eines Gases aus einem anderen Gas, der eine Rückverdampfung des Kondensats in das andere Gas unter niedrigen Druckverhältnisseii folgt, d. h. bei einem Niedertemperaturverfahren, bei welchem es wünschenswert ist, die »Kälte« beizubehalten. Ein typisches Beispiel stellt die Wasserstoffdestillation dar, bei welcher ein synthetisches "Ammoniakgas als Speisung verwendet wird, d. h. bei der Erzeugung einesWasserstoffes, welcher mit Deuterium angereichert ist. Dieses Verfahren ist in Fig. 3 ver-

Claims (5)

anschaulicht. Das zugeführte Gas tritt in den Wärmeaustauscher D ein und wird dann nacheinander durch die Wärmeaustauscher C und B geführt, wobei Stickstoff unter einem Druck von 5 bis 10 Atmosphären zum Kondensieren gebracht wird. Alternativ können die Wärmeaustauscher Dj C und B durch einen Entfeuchtungsturm ähnlich dem Turm H1 welcher mit Hinweis auf Fig. 2 beschrieben, wurde, ersetzt werden. Ein Abflußrohr (nicht dargestellt) leitet diesen Stickstoff nach der Pumpe R1 welche ihn im Turm F zur Zirkulation bringt. Der kalte Wasserstoff wird vom Wärmeaustauscher B nach dem Prozeß G weitergeleitet, während dessen Verlauf er zur Ausdehnung gebracht wird, ehe er durch den Turm F nach oben geführt wird, wobei der Stickstoff rückverdampft wird. Während des Verfahrens G tritt selbstverständlich ein Druckabfall ein. Ein zusätzlicher Kreislauf des Stickstoffs, wie er für diesen Prozeß erforderlich ist, wird vermittels der Pumpen P und Q erhalten. Das Gasgesamtwärme-Stickstoffflüssigkeitswärmegehalt-Diagramm bei diesem Verfahren, ist dem in Fig. 4 dargestellten ähnlich, wobei die Wassertemperatur durch das Produkt aus der spezifischen Wärme (C„) des flüssigen Stickstoffs und seiner Temperatur ersetzt wird, die Betriebslinien in diesem Falle jedoch zwischen den. beiden Sättigungskurven der beiden unterschiedlichen Drücke liegen, während die Abschnitte der Verfahrensstufen so gewählt sind, daß die Reihen der Betriebslinien zwischen den Sättigungskurven beibehalten werden. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus Strömen von Gasen, Dämpfen oder deren Gemischen, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Anfeuchtungs- und einem Trocknungsarbeitsgang durah Zugabe bzw. Entzug eines anderen Gases oder Dampfes, insbesondere von Wasser oder

Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Arbeitsgänge wenigstens zwei aufeinanderfolgende Verfahrensstufen, aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Gesamtwärme des angefeuchteten Gases od. dgl. und der Wärme der Anfeuchtungsnussigkeit in jeder der Verfahrensstufen so gewählt wird, daß die Arbeitskurven (b, c, d) in einem diese Beziehung graphisch wiedergebenden Kurvenbild (Fig. 4) sich stärker der Sättigungskurve, ohne diese zu schneiden, annähern als eine einzige Arbeitskurve, und daß Wärme zwischen, entgegengesetzten Verfahrungsstufen der beiden Arbeitsgänge übertragen oder ausgetauscht wird.

2. Die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Verfahren mit chemischer Behandlung eines befeuchteten Gases und Entfeuchtung des Produktes aus dieser Behandlung.

3. Die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Verfahren mit Kondensation eines Gases aus einem anderen Gas und nachfolgender Rückverdampfung des Kondensats in das andere Gas bei einem niedrigeren Druck als bei der Kondensation.

4. Die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3 bei einem Verfahren zur Erzeugung von mit Deuterium angereichertem Wasserstoff mit Kondensation des Stickstoffes aus synthetischem Ammoniakgas, Ausdestillation der an Deuterium reichen Phase aus dem Wasserstoff und Rückverdampfung des kondensierten Stickstoffes in den Restwasserstoff.

5. Die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 bei einem Verfahren zur Herstellung von mit Deuterium angereichertem Wasserstoff mit Befeuchtung von Wasserstoff mit Wasser, chemischem Austausch zwischen dem Wasserdampf und dem Wasserstoff und Entfeuchtung des an Deuterium reichen Wasserstoffes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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