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Verfahren zur Entfernung geringer Kohlensäuregehalte aus Luft und
Gasgemischen, welche zwecks Zerlegung auf Temperaturen unter dem Gefrierpunkt der
Kohlensäure abgekühlt werden müssen
Bekanntlich muß aus Luft und Gasgemischen, welche
bei Temperaturen unterhalb des Kohlensäuregefrierpunktes in Apparaturen verarbeitet
werden müssen, um Störungen des Arbeitsganges durch Verstopfungen zu vermeiden,
die Kohlensäure entweder auf chemischem Wege durch Absorption oder auf pbysikalischem
Wege durch Ausfrieren möglichst vollkommen beseitigt werden.
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Verwendet man zur vollkommenen Kohlensäureausscheidung das chemische
Verfahren, dann wird, weil man übermäßig große Reinigungsapparate vermeiden will,
meistens Ätznatronlauge (Na O H) oder Ätzkalilauge (K O H) verbraucht; denn von
diesen wird sie am schnellsten und auch bis zu geringsteg Spuren absorbiert. Meistens
benutzt man hierbei zwei umschaltbare Waschtürme, um einerseits im ersten dlie Lauge
bis zur Bildung von Sodalösung (Na2 CO3 + H, O) bzw. von Pottaschelösung.
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(K2C °3 + H2 0) vollkommen auszunutzen und um im zweiten noch eine
Lauge zu haben, welche wenig Kohlensäure aufgenommen hat und deshalb die geringsten
Spuren derselben zurückhält. Bei großen Anlagen werden zur Vermeidung der Betriebskosten
die verbrauchten Laugen auf Na OH-Lauge oder auf K OH-Lauge regeneriert, wozu aber
komplizierte, kostspielige Apparaturen, die zur Regenerierung erforderlichen Stoffe,
der Aufwand von Betriebsmitteln, Kraft und Arbeitslohu erforderlich sind.
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Bei dem physikalischen Verfahren müssen zur genügend vollkommenen
Beseitigung der Kohlensäure sehr niedrige Temperaturen benutzt werden. Dabei
verwendet
man, wenn die Kohlensäure nicht wieder in die rückströmenden Zerlegungsp rodukte
gelangen soll, meistens zwei umschaltbare Wärmbeaustauscher mit angebauten Abscheidern
zur Aufnahme des Kohlensäureschnees. Bei Anlagen mit großen Leistungen müssen die
Kohlensäureabscheider einerseits große, kostspielige Abmessungen erhalten, und andererseits
macht die Entfernung der sehr erheblichen Kohlensäureschneemengen aus ihnen durch
Erwärmen und Ausblasen, neben großem Zeitaufwand, für einen glatten Ablauf des Betriebes
Schwierigkeiten.
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Die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten bei der Kohlensäureabscheidung
und die Nachteile werden vermieden, wenn man erfindungsgemäß die im folgenden erklärten
beiden Verfahren miteinander verbunden anwendet, wobei auch gleichzeitig eine weitgehende
Befreiung der zu verarbeitenden Luft oder Gasgemische von Wasserdampf erfolgen kann.
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Es ist nun zwar ein Verfahren bekanntgeworden, bei denen aus Gasen
mit einem Kohlensäuregehalt zwischen I2 und 35 ovo mittels einer Kalium-Carbonat-Lösung
die Kohlensäure absorbiert, die gebuu; dene Kohlensäure durch Wärme ausgetrieben
und die so regenerierte Lauge weiterverwendet wird.
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Dieses Verfahren ist jedoch auf die Gewinnung von Kohlensäure aus
Rauchgasen abgestellt, und es ist durch sie gar nicht möglich, den Kohlensäuregehalt
bis zu der hier geforderten Grenze von 0,OI O/cr oder sogar noch darunter zu senken.
Selbst nach einem verbesserten Verfahren, wobei eine mit Alkalicarbonat allein und
ein mit Alkalicarbonat und Ammoniak arbeitender Waschturm hintereinandergeschaltet
ist, enthalten die aus dQm zweiten Turm abziehenden Gase noch IO/o Kohlensäure.
Gerade nach diesem Verfahren war es also durchaus nicht zu erwarten, daß auch noch
so geringe C O2-Gehalte, wie sie hier gefordert werden, durch Carbonatlösungen ausgewaschen
werden könnten.
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Erstaunlicherweise haben nun aber die Versuche ergeben, daß solche
Reinheiten erzielt werden können, wenn nur die Regenerierung bis zu einem genügend
hohen Grade dlurchgeführt wird. Eine solche weitgehende Regenerierung der Lauge
wäre jedoch bei Verfahren zur Gewinnung von Kohlensäure durchaus unzweckmäßig, da
die letzten Prozente aus der Lauge nur unter verhältnismäßig hohen Kosten ausgetrieben
werden können.
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Die Durchführung des Verfahrens geht im einzelnen in folgender Weise
vor sich: Zunächst wird die Kohlensäureaufnahme in Sodalösung (Na2 C O3 + H2 0)
oder besser in Pottaschelösung (K2 C O, + H2 0) durchgeführt. Hierzu wird beispielsweise
bei Luftzerlegungsanlagen die Luft auf den notwendigen Druck verdichtet in einem
Waschturm von unten nach oben durch die ihr von oben nach unten entgegenströmende
Lösung geführt, wobei der Turm zur Schaffung großer Berührungsflächen zwischen Luft
und Lösung mit Blechringen angefüllt oder besser mit Durchdringungsglockenböden
ausgestattet ist. Auf dem Wege durch den in erträglichen Abmessungen hergestellten'
Turm ist der größte Teil der Kohlensäure in der Lösung aufgenommen, Nach dem bekannten
einfachen Verfahren wird die mit Kohlensäure gesättigte Lösung zwecks Regenerierung
in einem Gegenströmer auf Siedetemperatur erhitzt, wobei sie die Kohlensäure gasförmig
abgibt, und alsdann im gleichen Gegenströmer wieder auf die Eintrittstemperatur
abgekühlt, wodurch der Wärmeverbrauch sehr gering ist. Es ist vorgesehen, die Pottaschelösung
auf etwa s°C C oder sogar bis zu -IoO' C abgekühlt zu verwenden, wobei dann zur
Vermeidung von Eisbildung, welche nach der Kohlensäureaufnahme entstehen könnte,
ein Zusatz von Glycerin oder ähnlich wirkenden Stoffen nötig wird. Bei diesen Temperaturen
nimmt die Lösung auch den größten Teil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes
auf.
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Um Pottaschelösung mit ihrer billigen, einfachen Regenerierung in
Apparaturen von nicht zu großen Abmessungen verwenden zu können, wird in diesen
nur ein Teil der Kohlensäure aus der zu zerlegenden Luft aufgenommen, nämlich bis
zu etwa 85 O/&. Der Kohlensäurerest läßt sich alsdann vorteilhafter nach dem
physikalischen Verfahren durch Ausfrieren beseitigen. Hierbei werden einerseits
Kohl'ensäureschneeabscheider in kleineren, erträglichen Abmessungen benötigt, und
andererseits kann man die viel geringeren Mengen abgeschiedenen Kohlensäureschnees
leicht durch Auftauen in einer Zeit beseitigen, die ohne weiteres zur Verfügung
steht.
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In der Zeichnung ist beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage dargestellt,
welche mit dem neuen Kohlensäureverfahren arbeitet und im folgenden beschrieben
ist.
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Die verdichtete Luft tritt durch Rohr a in den unteren Teil des Waschturms
b und durchströmt diesen in der Richtung von unten nach oben. Die Pottaschelösung
zur Aufnahme der Kohlensäure gelangt durch das Rohr c in den oberen Teil des Turmes
und durchströmt diesen im Gegenstrom zur verdichteten Luft in der Richtung von oben
nach unten. Der mittlere Teil des Waschturms ist mit Blechringen ausgefüllt oder
besser mit Durchdringungsglockenbödlen, damit dadurch zwischen Lauge und Luft großle
Berührungsflächen geschaffen werden. Die mit Ko'hiensäure gesättigte Lauge fließt
durch Rohr d zu einem Gegenstromapparat in bekannter Bauart, der deshalb nicht gezeichnet
und beschrieben ist. In diesem wird sie auf Siedetemperatur erhitzt. Hierbei wird
aus der Lauge die Kohlensäure gasförmig abgetrieben. Die alsdann kohlens,äurefr,eie
heiße Lauge wird im gleichen Gegenstromapparat der kohlensäurebaltigen Lauge entgegengeführt,
wodurch sie, ihre Wärme abgebend, fast auf Eintrittstemperatur abgekühlt wird.
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Der bei dieser Laugeregeuerierung notwendige geringe Wärmebedarf wird
durch Dampf oder eine Heizvorrichtung gedeckt. Die Kohlensäureausscheidungsapparatur
wird so bemessen, daß in ihr bis zu etwa 85 O/o der in der verdichteten Luft enthaltenen
Kohlensäure aufgenommen wird.
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Es ist vorteilhaft, die Kohlensäureausscheidung aus der Luft unter
einer Temperatur von etwa s°lC durchzuführen, Noch vorteilhafter ist es,
diese
Temperatur auf - 100 C herabzusetzen, wobei aber der Pottaschelösung zwecks Vermeidung
von Eisbildung, welche nach der Kohlensäureaufnahme entstehen könnte, Glycerin oder
ähnlich wirkende Stoffe zugesetzt werden müßten. Bei diesen Temperaturen nimmt die
Lauge auch den größten Teil des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs auf, der zur
Vermeidung von Störungen bei ihrer Verarbeitung ebenfalls ausgeschieden werden muß.
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Hierzu wird durch das Rohr e der Sauerstoff und durch das Rohr f der
Stickstoff mit einer Temperatur von etwa - 5 bzw. etwa - 10° C dem Gegenstromapparat
g zugeleitet, den sie in der Richtung von oben nadel unten durchströmen. Die regenerierte
Lauge bzw. die Pottaschelösung wird dem Gegenstromapparat g durch das Rohr h unten
mit etwas Außentemperatur zugeführt, und sie durchströmt ihn im Gegenstrom zu Sauerstoff
und Stickstorf von unten nach oben. Alsdann gelangt die regenerierte Lauge etwa
auf die Sauerstoff-Stickstoff-Temperatur abgekühlt oben aus dem Wärmeaustauscher
durch Rohr i in einen Ammoniakverdampfes k von bekannter und deshalb nicht beschriebener
Bauart. In diesem Ammoniakverdampfer, der durch die Rohre I und m mit der Verdichtunganlage
in Verbindung steht, wird der Lösung die Kälte zugeführt, welche durch Ausstrahlung
und nicht vollkommenem Wärmeaustausch verlorengeht und die zur Aufnahme des Wasserdampfes
aus der Luft notwendig ist. Die abgekühlte Lösung gelangt alsdann durch Rohrc oben
in den Waschturmb.
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Die von Kohlensäure größtenteils gereinigte und abgekühlte, verdichtete
Luft gelangt aus dem oberen Teil des Waschturms b durch Rohr n in einen der durch
V'entile umschaltbaren Wärmeaustauscher c.
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Sie durchströmt diesen Wärmeanstauscher in der Richtung von unten
nach oben und kühlt sich in diesem unter Ausfrieren des Wasserdampfes so tief ab,
daß in ihr nur noch geringe Spuren desselben verbleiben. Stickstoff und Sauerstoff
werden den Wärmeaustauschern durch Rohrep und q mit entsprechend tiefen Temperaturen
oben zugeführt.
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Einerseits Sauerstoff und Stickstoff, andererseits verdichtete Luft
durchströmen die Wärmeaustauscher c im Gegenstrom. Alsdann gelangt die verdichtete
Luft durch Rohr r in den Wärmeaustauscher s und durchströmt diesen in der Richtung
von oben nach unten. Der Sauerstoff gelangt durch Rohr t und der Stickstoff durch
Rohr u in den Wärmeanstauscher s. Durch die tiefen Temperaturen von Sauerstoff und
Stickstoff wird die verdichtete Luft in dem Wärmeaustauschers im Gegenstrom so weit
abgekühlt, daß sich aus ihr die Kohlensäure fast vollkommen, d.h. bis auf geringe
Spuren, in Form von Schnee ausscheidet.
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Zur Aufnahme des ausgeschi'eden'en Kohl,ensäureschnees dient die
Abscheidevorrichtung v. Diese Kohlensäureabscheidevorrichtung ist so bemessen, daß
sie den während einer langen Betriebszeit entstehenden Kohlensäureschnee aufnehmen
kann. Die Abscheidevorrichtung v kann auch zwecks Vermeidung jeglicher Betriebsunterbrechung
zweifach und umschaltbar angeordnet werden. Von der Kohlensäureabscheidevorrichtung
v gelangt die verdichtete Luft durch Rohr w in den Zerlegungsapparat r von bekannter
Bauart, der deshalb nicht beschrieben ist.
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Der Kohlensäureschnee wird aus der Abscheidevorrichtung v durch Erwärmen
gasförmig beseitigt.