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Wärmeaustauscher; in dem ein aus mehreren Bestandteilen bestehendes
Mittel gekühlt wird Die Erfindung befaßt sich mit einer weiteren Ausgestaltung des
im Patent 961 63o gekennzeichneten Wärmeaustau:schers, in dem ein aus mehreren Bestandteilen
bestehendes Mittel gekühlt wird, wobei sich ein oder mehrere Bestandteile aus denn
Mittel ausscheiden. Nach dem Gegenstand des Patents 961 630 ist ein solcher
Wärineaustauscher mit einem Träger versehen, der sich von der warmen Seite des Wärmeaustauschers,
wo das Mittel zugeführt wird, nach dessen kalter Seite erstreckt, wo das Mittel
abgeführt wird, welcher Träger mit einer Anzahl von Ansätzen versehen ist, mit denen
das Mittel in Wärmekon@takt.ist, wobei auf einigen dieser Ansätze der bzw. die auszuscheidenden
Bestandteile abgesetzt werden, wodurch sich in der Nähe dieser Anzätze sowohl die
Zusammensetzung des Mittels ändert als auch die Temperatur, beider der bzw. die
Bestandteile ausgeschieden werden können und wobei die Wärme der Ansätze um mindestens
25V0 durch Leitfähigkeit
des Trägers nach dessen kalter
Seite abgeführt wird, wobei durch passende Wahl der Einzelteile des Wärmeaustauschers,
von der wärmen. Seite des Wärmeaustauschers ab gerechnet, - die mittlere Temperatur
jedes Ansatzes maximal 2o° C, vorzugsweise maximal io° C höher ist als die des nächstfolgenden
Ansatzes, und bei normalem Betrieb :des Wärmeaustausahers die mittlere Temperatur
des Ansatzes, an dem die Ausscheidung anfängt, maximal 2o °C, vorzugsweise maximal
1o° C niedriger ist als derAusscheidungspunkt des bzw. der Bestandteile des diesetnAnsatz
zugeführtenMittels.
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Diese Anlage kann z. B. aus einer Einrichtung zur Verflüssigung von
Gasen oder aus einer Einrichtung zum Scheiden von Gasgemischen in Fraktionen bestehen.
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Wird diesem vorgeschlagenen Wärmeaustauscher Luft zugeführt, so werden
in ihm Kohlensäure und Wasserdampf abgetrennt. Dieser Wärmeau:stauscher eirfüllt
seine Funktion so lange auf zufriedenstellende, -Weise, bis örtlich eine zu große
Menge Eis gebildet wird, wodurch der Wärmeaustau scher verstopft werden kann. Er
muß dann zeit-,vese, beispielsweise durch Erwärmung, gereinigt werden, so daß sich
die niedergeschlagenen Produkte verflüchtigen. Dazu ist es im allgemeinen erforderlich,
die Maschine anzuhalten, was zu einer Verringerung der Tagesleistung einer solchen
Maschine führt. An sich ist es bekannt, die Wand des Wärmeaustauschers als Träger
für eine Anzahl von Ansätzen dienen zu lassen, mit denen das Mitteil in Wärmekontakt
ist.
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Eine Versbesserung der Wirkung des Wärme#austauschers nach Patent
961 63o wird nun erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Mittel, bevor es in :dem
W ärmeaustauscher gekühlt wird, in einem anderen Wärmeaustauscher vorgekühlt wird,
indem e§ in @ thermischem Kontakt mit dem Kühlwasser der Kaltgaskühlmaschine ist.
Von einer Kaltgaskühlmaschine muß nämlich Wärme an die Umgebung abgeführt werden,
wozu oft Kühlwasser verwendet wird.
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Das Kühlwasser -wird ,dann dem Kühler der Miaschine zugeführt, so
idaß auch Wasser zur Verfügung steht, um als Kühlmittel für Idas zu kondensierende
G-asgcmisch zu %%dienen, wodurch ein Teil der sich im Gasgewisch, z. B. Luft, befindenden
Verunreinigungen, z. B. Wasseridampf,bereits abgetrennt werden kann. Infolge der
Vorkühlung des Gasgemisches mittels Kühlwassers brauc'ht also weniger Kälte von
der Kaltgaskühlmaschine den Gasgemischen zugeführt zu wenden.
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Der Wärmeanstauscher kann auf verschiedene Weise aufgebaut werden;
es ist z. B. möglich, Teile ,des Trägers mit je einem verschiedenen Wärmewiderstand
vorzusehen.
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Wird der Wärme.austauscher von einem Mittel durchströmt, Idas mehrere
Komponenten .mit gegenseitig verschliddenen Abtrennungsstrecken enthält, so ist
der Träger vorzugsweise .mit mindestens zwei Gruppen von Ansätzen versehen, ,die
zum Abtrennen von einer oder mehreren Komponenten dienen, wobei an der einen Gruppe
von Ansätzen im "vesentlnchen die Komponente(n) der einen Abtrennungsstrecke und
an der anderen Gruppe von Ansätzen im wesentlichen die Komponenten) der anderen
Abtrennungsstrecke abgetrennt werden.
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Es ist oft erwünscht, zwischen beiden Gruppen von Ansätzen eine dritte
Gruppe von Ansätzen vorzusehen, die im wesentlichen zum Kühlen des Mittels dienen.
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Der Wärineaustauscher kann weiter oft als Gefrierer der Kaltgaskühlmaschüne
verNvep--det werden. Es ist jedoch auch, möglich, idaß der Träger ziem Kochgefäß
einer Gastrennkolonne Wärme abgibt. Die Erfindung wind ian Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die F4g. i und 2zeigen eine Kaltgaskühlmaschine zum Kondensieren eines
Gasgemisches, worin Fsg. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. i wiedergibt.
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Die Big. 3 wund 4 zeigen eine Gastrennanlage, wobei Fig. q. einen
Schnitt längs ider Linie IV-IV der Fig. 3 darstellt.
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In der Kaltgaskühlmaschine nach den Fig. i und 2 vollführt eine Menge
Arbeitsmittel, z. B. Wasserstoff, einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf.
Der Axibeitsraum,der Maschine besteht :aus einem Gefrierrainen i, Kanälen 2 in einem
Gefrier-erteil 3, einem Regenerator 4, Kanälen 5 ein einem Kühler 6 und einem gekühlten
Raum 7. Das Volumen des Gefrierraums i wird von einem Verdränger 8 beeinflußt, und
das Volumen des gekühlten Raums 7 wind sowohl von den Bewegungen des Vendrängers
8 als auch von denen eines Kolbens 9 beeinflußt. Der Verdränger 8 und der Kolben
9 bewegen sich dazu :in einem Zylinder io mit einem nahezu ekonstanten Phasenunterschied,
z. B. von go°, hin und her. Der Verdränger 8 ist mittels eines Triebstangenmechaaismus
i i mit einer Kurbel einer Kurbelwelle.i2 ,und der Kolben g mittels eines Triebstangensystems
13 mit Kurbeln derselben Kurbelwelle 12 gekuppelt. Die Kaltgaskühlnnasohine wird
mittels eines ,Motors, z. B. eines Elektromotors 14 nach Fig. i, angetrieben. Der
Gefnierer besteht aus zwei Teilen, id. h. einem Teil 3, der innerhalb der eigentlichen
Maschine liegt und zu dem .die Kanäle :2 gehören, und einem Teil, der aus einem
Träger besteht, der ,in dieser Ausführungsform Idrei Teile besitzt, d. ,h. einen
Teil 15, einen Teil 16 und. einen Teil 17. Der Wärmewiderstand dieser Teile ist
verschieden. Die Wandstärke dies Teiles 15 eist wesentlich größer als die des Teiles
16, und die Wandstärke letzteren Teiles ist wieder größer als die des Teiles 17.
Die Teile 16 und 17 sind durch ein Verbindungsstück 18 'mit guten Wärmelentfähigkeitseigenschaftenrniiteinander
verbunden. Die Teile der Träger sind alle mit als Querwände ausgebildeten Ansätzen
versehen, d. h. den Querwänden ig, 2o und 2i"in idenen Öffnungen vorgesehen ssnd_
Wie aus Big. 2 ersichtlich ist, sind ,diese Öffnungen in zwei aufein@anäerfol@genden
Ansätzen versetzt. Düe Querwänide ig mit den Öffnungen 22 des Teiles 15 und die
Querwände 2o mit .den Öffnungen 23 ides Teiles 16 erstrecken sich biss zu einer
um diese Teeile liegenden Wand 24? während
die Querwände 21 mit
sden Offnungen 25 des Teiles 17 sich his zu einer Wand 26 erstrecken. Der Teil 17
ist gegen die Wand :24 isoliert. Der Wänmeaustauscher ist von einer Wand 27 @mit
Wärmeisoliereig enschaften umgeben.
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Das zu kühlende Gas wind durch die Öffnungen 28 zugeführt und strömt
durch die Öffnungen 25 der Querwände 21 aufwärts; dann strömt es durch eine Öffnung
29 im Verbindungsstück i8 und durch die Öffnungen 22 und 23 in 'den Querwänden i9
bzw. 2o und längs Rippen 30a des Gefriererteiles 3. Das gekühlte Mittel verläßt
den Wärmeaustauscher in flüssiger Form und Nmind durch das Rohr 31 abgeführt. Wenn
Luft gekühlt wird, wird an den Querwänden 21 des Trägers 17 der Wasserdampf niedergeschlagen,
wobei die Räume 32 zwischen diesen -Plaatten so groß sind, daß :es verhältnismäßig
lange :dauert, bevor die Räume ganz mit Eis ausgefüllt sind. In den Räumen 33 zwischen
den Querwänden 2o kann Kohlensäure abgetrennt werden, während die Querwände i9 im
wesentlichen zur weiteren Kühlung des Mittels dienen.
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Bevor das Mittel den Querwänden 21 zugeführt wird, streicht es längs
Pfeifen 34, die von Kühlwasser :durchflossen wenden. Dieses Kühlwasser wird durch
eine Leitung 35 zugeführt und verläßt die Pfeifen 34 durch die Leitung 36, @die
an den Kühler 6 anschließen kann. In den Pfeifen 34 wird ein Teil der im Gasgemisch
enthaltenen Verunreinigungen, z. B. Wasserdampf, 'bereits abgetrennt. Die Temperaturvertoilung
zwischen den Querwänden i9, 2o und 21 ist derart, daß 'der mittlere Temperaturunterschiedzwischen
,den aufein.anderfolgenden Querwänden einer dieser Gruppen. nicht mehr' als z. B.
1o° C beträgt. Die mittlere Temperatur des Ansatzes, an dem die Abtrennung anfängt,
ist maximal 2o° C, vorzugsweise maximal 1o° C niedriger als Ader Abtrennp.unkt 'der
Komponente des Mittels, wie dieses den Ansätzen zugeführt wird. Die Abtrennung wird
-in Abhängigkeit von der Menge des den Wärmeaustauscher durchströmenden Mittels
@an .einer der Querwände anfangen, die z. B. auf der unteren Seite des Wärmeaustauschers
liegt, wo das Mittel :eintritt. Wenn nach gewisser Zeit eine solche Menge Eis im
Wärmeaustauscher albgetrennt worden :ist, daß mindestens einer der Räume 32 oder
33 praktisch ausgefüllt äst, ist es erwünscht, die Zufuhr .des Mittels zum Wärmeaustauscher
zu beenden, während außerdem lern Wärmewustauscher keine Kälte mehr entzogen wind.
Die feste Kohlensäure in den Räumen 33 verflüchtigt sich darauf, während das Eis
in den Räumen 32 in Wasser umgewandelt wird und durch ein Rohr abgeführt werden
kann.
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Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Anlage besitzt eine Rektifizierkolonne
41. Diese Kolonne hat eine Füllunas 42, die z. B. aus sogenannten »Raschig«-Ringcaibesteht.
Die Kolonne ist ,auf der unteren Seite mit einem Kochgefäß 43 versehen, das eine
Menge der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in flüssigem Zustand enthält. Das
Kochgefäß 43 hat einen Boden 44, durch ,den ein rohrförmiger Träger 45 hindurchgeführt
ist. Dieser Träger isst thermisch mit dem Boden des Kochgefäßes verbunden. Der Träger
hat Wandteile 46, 47 und 48 .unterschiedlicher Stärke und ist sowohl ,auf der Innenseite
.als auch auf der Außenseite mit Ansätzen, z. B. Rippen, versehen. Auf der Innenseite
sind die Ansätze 49. angebracht, die mit Öffnungen 50 und 5 i versehen sind,
was auch aus Fig. 4 ersichtlich ist. An dem Wandteil 46 des Trägers sind .auf der
Außenseite Ansätze 52 angebracht, auf dem Wandfeil 47 Ansätze 53 und auf -dem Wan'dtzil48
Ansätze 54. All diese Ansätze sind .mit Öffnungen 55 versehen, die in aufeinanderfolgenden
Ansätzen versetzt sind. Der Boden des Kochgefäßes ist mit konzentrisch um den Träger
angebrachten Rippen 56 versehen. Der Träger 45 schließt auf der unteren Seite an
eine Leitung 57 an, und auf der oberen Seite .steht der Träger so weit im Kochgefäß
vor, @daß er den üblichen Flüssigkeitspegel in diesem Kochgefäß überragt. Der außerhalb
des 'Kochgefäßes liegende Trägerteil ist von einem Isollierm.antel 58 umgelben.
Dieser Wärmeaustauscherst mit zwei Zuführungsöffnungen 59, die sich an eine Leitung
6o ,anschließen, und mit einer Abführungsöffnung 61 versehen, die sich an eine Leitung
62 .anschließt, wobei letztere Leitung selbst wieder an den Gastrennungsteil der
Kolonne angeschlossen ist. In einem Raum 63 befindet sich eine Kühlspirale 64, die
von Wasser durchströmt wird. Diese Kühlspirale 64 hat eine Zuführungsleitung 65
und eine Abführungsloütung 66. In der Leitung 6o .des Gasgemisches befindet sich
eine Pumpe 67 für die Zuführung des Gasgemisches. Der Raum 63 -besitzt eine Abführungsleätung
68 für das Kondensat.
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Die Kolonne 'ist auf der oberen Seite mittels einer Leitung 69 mit
einer Kaltgaskühlmaschine 70 und diese mittels einer Leitung 71 mit der Kolonne
verbunden. Die Kaltgaskühlmaschine hat eine Abführungsl(eitung 72 -für die flüssige
Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt. Der Antrieb ;der Kühlmaschine erfolgt durch
einen Elektromotor 73.
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Die Wirkungsweise der Anlage ist,folgende. Das .in Fraktionen .zu
trennende Mittel, .z. B. Luft mit einem hohen Wassergehalt, wird mittels der Pumpe
67 durch die Leitung 6o zu der Kühlspirale 64 geführt, :in der die Luft vorgekühlt
und manchmal bereits ein Teil des Wasserdampfs aus -der Luft niedergeschlagen wind.
Das gegebenenfalls gebildete Wasser kann durch ,die Leitung 68 abgeführt werden.
Darauf wird das Gasgemisch den Räumen zwischen .den Ansätzen 54, 53 und
52 zugeführt. Infolge des häufigen Kontakts kies Mittels mit den Ansätzen
54 scheidet sich iah diesen Ansätzen der in !der Luft befindliche Wasserdampf als
Eis ab. Die Abscheridungsstreeke erstreckt sich bis etwa -6o° C. An den Ansätzen
53 wird das Mittel weiter in der Temperatur erniedrigt, z. B. bis zu -14o° C, während
an den Ansätzen 52 die Luft von -14o bis z. B. -182' C gekühlt wird. Dabei setzt
sich an den Ansätzen 52 die Kohlensäure ab. Die Ansätze in -den Teilen 54 und 52
liegen verhältnismäßig weit voneinander entfernt, und zwischen den aufeinanderfolgenden
Ansätzen jeder
Gruppe liegt ein verhältnismäßig kleiner Ternperaturunterschned
von z. B. 8° C vor. Dieser Temperaturunterschied ergibt sich, indem der Träger von
Teilen mit einem bestimmten Wärmewiderstand versehen wird.
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Die .in der Temperatur erniedrigte, gereinigte Luft wird. durch die
Leitung 62ider Kolonne 41 zugeführt. Diese Kolonne %ist .z. B. als eine sogenannte
zinsfache Kolonne ausgebilldet und arbeitet unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem
Druck. In der Kolonne wird die Luft in Fraktionen getrennt. Im Kochgefäß 43 der
Kolonne befindet sich eine praktisch konstante Menge der flüssigen Fraktion mit
-dem höchsten Siedepunkt, in idiesem Beispiel :also Sauerstoff. Aus der Kolonne
fließt flüssiger -Sauerstoff nach .unten und verdampft wieder im Kochgefäß; ein
Teil des Dampfes steigt in der Kolonne empor, und ein weiterer Teil wird durch den
rohrförmigen Träger 45 und die Leitung 57 abführt. Im Träger 45 ist der zuletzt
genannte dampfförmige Sauerstoff mit der außerhalb des Trägers :emporsteigenden,
zu trennenden Luft in thermischem= Kontakt. Bei dieser Ausführungsform werden etwa
70 % der der Luft entzogenen Wärme für Erwärmung dieses Sauerstoffes dienen, während
3o°/0 über Iden Träger dem Sauerstoff im Kochgefäß zugesetzt werden, welcher Sauerstoff
idadurch verdampft.
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Oben iin oder Kolonne befindet sich in !der Dampfphasie die Fraktion
mit dem niiedrngsten Siedepunkt, in -diesem Falle also der Stickstoff. Der Dampf
wird durch die Leitung 69 zu der Kaltgaskühlmaschine 70 abgeführt. Mittels
der von dieser Kaltgaskühlmaschine erzeugten Kälte wird der Stickstoff kondensiert,
und das Kondensat wird teilweise als Rückfluß durch die Leitung 71 der Kolonne zugeführt
und teilweise durch .die Leitung 72 albgeführt.
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Sollte der Wärmeaustauscher nach gewisser Zeit ganz mit abgetrennten
Verunreinigungen ausgefüllt sein, so kann durch Entfernendes Mantels 58 des Eis
auf einfache Weise idurch Abschaben entfernt werden. Es ist auch möglich, idurch
Erwärmung des Wärmeaustauschers Idas Eis zu entfernen, wobei das erzeugte Wasser
durch die Leitung 68 abgeführt werden kann.