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Verfahren zur Reinigung einer gasförmigen Mischung, deren Komponenten
verschiedene Siedepunkte haben Die Erfindung betrifft die Trennung von Gasmischungen
bei tiefen Temperaturen. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf die Aufspaltung
oxydierter Kohlenwasserstoff-Brenngasmischungen in eine » Stickstoff «-Fraktion
und in eine » Wasserstoff-Stickstoffvr-Fraktiou, wie sie zur Ammoniaksynthese verwendet
werden kann.
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Die Trennung einer normalerweise gasförmigen Mischung, beispielsweise
von Luft, in ihre Bestandteile kann bekanntlicherweise so vorgenommen werden, daß
man ein Beschickungsgas komprimiert und vorkühlt und einen Teil der Mischung bei
dem ursprünglichen Druck durch Wärmeaustausch mit den kalten abgetrennten Produkten
verfliissigt, einen änderen Teil unter Abgabe von Arbeit ausdehnen läßt, beide Teile
in einem gemeinsamen Fraktionierungsturm bei geringem Druck fraktioniert und dann
die endgültigen Produkte zurückfiihrt.
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Die Vorkühlung wird durch zwei oder mehr Regeneratoren in periodisch
wechselnden Kreisläufen zwischen dem ankommenden Beschickungsgas und den rückströmenden
Produkten vorgenommen. In derartigen Regeneratoren wird auch Wasser, Kohlendioxyd
u. dgl. entfernt, die sich an den Oberflächen der Regeneratorfüllung abscheiden,
wenn das Beschickungsgas gekühlt wird, und die dann während des Kreislaufes wieder
verdampft werden, um ein häufiges Auftauen zu vermeiden.
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Der Wärmeaustausch zwischen den abwechselnden Strömen hängt vom Wärmespeicherungsvermögen
der Regeneratorfüllung ab. Die Regeneratoren haben daher den entschiedenen Nachteil,
daß die ankommenden und die austretenden Ströme niemals gleichzeitig miteinander
über eine gemeinsame Wänneaustauschgrenze in thermischer Berührung stehen, und aus
diesem Grund beeinflußt die Kreislaufzeit im Regenerator sowohl den Wirkungsgrad
der Wärmeübertragung als auch die Menge der abgeschiedenen, in den Regeneratoren
angesammelten Verunreinigungen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, daß man einen selbstreinigenden Wärmeaustauscher,
der einen gleichzeitigen Wärmeaustausch zwischen den Führungen für das im Gegenstrom
strömende Beschickungsgas und die kalten zurückströmenden Produkte ermöglicht, zum
Vorkühlen der gasförmigen Mischung verwenden solle. Der Austauscher weist eine Mehrzahl
paralleler Strömungsbahnen für das in den Führungen enthaltene Medium auf.
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Die Bahnen grenzen so aneinander, daß eine metallische Berührung
über die gesamte Kontaktlänge des Austauschers vorhanden ist. In gleicher Weise
sind die verschiedenen Führungen bzw. Führungskanäle durch metallische Zwischenwände
miteinander verbunden. Die selbstreinigenden Austauscher dieser Art sind durch eine
rasche Wärmeübertragung und einen hohen thermischen Wirkungsgrad gekennzeichnet,
die durch die Kreislaufzeit nicht beeinflußt werden, weil sie nur in geringem Maße
von der Wärmespeicherung im Metall abhängen.
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Derartige Austauscher werden meist zur Entfernung aller höhersiedenden
Verunreinigungen aus dem Beschickungsgas verwendet. Diese Entfernung erfolgt durch
eine periodisch abwechselnde Strömung des warmen ankommenden Beschickungsgases und
des rückwärts strömenden Gases in wenigstens zwei Fuhrungen des Austauschers. Während
einer Hälfte des Kreislaufes, wenn das Beschickungsgas gekühlt wird, werden Wasser,
Kohlendioxyd und andere Verunreinigungen ausgefällt und in fester oder flüssiger
Phase auf den Metalloberflächen der Führungen gesammelt, durch welche das Beschickungsgas
strömt. Bevor diese Ansammlungen diese Führungen verstopfen, werden die im Gegenstrom
strömenden Beschickungsgasströme und die zurückströmenden kalten Gasströme ausgetauscht,
so daß das kalte Gas über die angesammelten Abscheidungen strömt, um diese wieder
zu verdampfen. In der Zwischenzeit wird das Beschickungsgas gekühlt, und die darin
enthaltenen Verunreinigungen werden auf den Metalloberflachen der anderen Führungen
niedergeschlagen, durch welche das zurückströmende kalte Gas vorher
geströmt
ist. Die Wiederverdampfühg der Verunreinigungen, die sich vorher in den Führungen
niedergeschlagen haben, erfolgt durch das kalte abgetrermtê Gas, dessen Wiedergewinnung
in reinem Zustand unerwünscht ist, obgleich ein Strom des gewünschten zizrückstiömenden
gasförmigen Produktes durch eine getrennte, nur in einer Richtung zu durchströmende
Leitung des gleichen Austäuschers strömen kann, um die Kälte daraus abzuziehen ;
Es sind auch bereits Verfahren bekanntgeworden, bei denen ein dritter, den Wärmeaustauscher
beaufschlagender gasförmiger Strom durch Entspannung abgekühlt und dem zweiten gasförmigen
Strom zugegeben wird. Bei diesem Verfahren enthält jedoch das Produktgas Kohlendioxyd
und Wasserdampf, die sich in dem Umkehrwärmeaustauscher, durch den vorher Luft geströmt
war, niedergeschlagen haben. Weiterhin ist auch schon bekannt, auf der Tieftemperaturseite
eines Umkehrwärmeaustauschers eine zusätzliche Umschalteinrichtung vorzusehen, durch
die eine Wiederverdampfung der Verunreinigungen erzielt werden soll. Jedoch kann
auch durch eine Umschalteinrichtung kein völlig reiner Produktstrom erzielt werden.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich unter anderem auf die Ausbildung
derartiger Bedingungen, die für die vollständige Wiederverdampfung der Verunreinigungen
erforderlich sind, die sich in den Kälteaustauschern niedergeschlagen haben. Diese
Bedingungen hängen vom Gasvolumen ab, in das die Abscheidungen verdampft werden
und von dem sie aufgenommen werden können, und von einem ausreichenden Dampfdruck
der abgeschiedenen Verunreinigungen, der durch die Temperatur des rückströmenden
kalten Gases in dem Gebiet dieser abgeschiedenen Verunreinigungen bestimmt wird.
Im allgemeinen werden die Verunreinigungen üblicherweise bei einer bestimmten Temperatur
abgeschieden und bei einer etwas geringeren Temperatur entfernt. Je geringer daher
die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ist, um-so größer ist die Geschwindigkeit
der Wiederverdampfung.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen,
daß man derartige kleine Temperaturdifferenzen in jeder gewünschten Zone eines im
Gegenstrom arbeitenden, selbstreinigenden Austauschers oder Regenerators erhält,
in dem die Verdampfung verfestigter höhersiedender Verunreinigungen durchgeführt
wird.
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Andere Ziele und Vorteile erkennt man aus der folgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Abtrennung eines kleineren
Anteils, etwa 5 bis 20°/o, des komprimierten, im folgenden als Synthesegas bezeichneten
Gases aus einer getrennten Führung eines Austauschers bei einem vorbestimmten Temperaturniveaü.
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Diesen Anteil läßt man dann ausdehnen, so daß die e nötige Abkühlung
unter Arbeitsabgabe entsteht.
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Das ausgedehnte Gas wird dann in das kalte verunreinigte Gas, im
folgenden als Abgas bezeichnet, in einem oder verschiedenen Punkten des Verfahrens
eingeleitet.
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Zum ersten kann es zu dem Abgas gegeben werden, unmittelbar nachdem
dieses aus einer Fraktionierungskolonne abgezogen wurde. Zum zweiten kann dieses
expandierte Gas zu dem Abgas gegeben werden, nachdem dieses letztere durch einen
Unterkühler geführt wurde.
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Zum dritten kann das expandierte Gas direkt in die Führung eingeleitet
werden, durch welche das Abgas vorher strömte. Irgendwelche angesammelten Verunreinigungen,
die bei dem Reinigungskreislauf übrigbleiben, werden durch das expandierte Gas vollkommen
entfernt. Das expandierte Gas wird dann mit Vorteil wieder komprimiert und zu dem
ankommenden Be-
schickungsgas gegeben. Zum vierten kann das expandierte Gas in eine
getrennte, nur in einer Richtung durchströmbare Führung im Austauscher geleitet
werden, um Wärme aus diesem System abzuziehen. Anschließend wird das so erwärmte
expandierte Gas komprimiert. Das komprimierte gasförmige Produkt wird dann gekühlt
und zu dem Synthesegas geleitet, das aus dem Kälteaustauscher ausströmt.
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Zum besseren Verständnis des Wesens und des Gegenstandes dieser Erfindung
wird sie im folgenden an Hand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben, in denen
eine Vorrichtung dargestellt ist, mit der man das erfindungsgemäße Verfahren durchführen
kann. Obwohl der selbstreinigende Austauscher in dei Zeichnung nur als einzelner
Austauscher dargestellt ist, so können doch mehrere Austauscher, entweder in Reihe
oder parallel, verwendet werden. Die Erfindung kann auf irgendeine normalerweise
gasförmige Mischung angewandt werden. Typische Gase sind z. B. Luft, Generatorgas
und eine gasförmige Mischung, die man bei der Oxydation von Kohlenwasserstoffbrennstoffen
durch Luft erhält und die insbesondere für eine Ammoniaksynthese u. dgl. brauchbar
ist.
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In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erkennt man, wie ein
nach rückwärts strömendes Synthesegas bei einer mittleren Temperatur auf einem nur
in einer Richtung zu durchströmenden Weg aus dem Austauscher abgezogen wird. Man
läßt dieses Gas dann entspannen und führt es an einer Stelle in den Abgasstrom ein,
die vor dessen Einleitung in einen Unterkühler liegt.
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Fig. 2 zeigt gegenüber der Fig. 1 eine abgeänderte Ausführungsform
in einem Fließschema, wobei expandiertes Gas an einer Stelle in den Abgasstrom eingeleitet
wird, die entweder vor oder nach der Stelle liegt, wo das Abgas durch Unterkühler
strömt, bevor es an einer kälteren Stelle in den Austauscher eingeführt wird. Weiterhin
erkennt man in Fig. 2, daß das expandierte Gas entweder unmittelbar in eine getrennte
Führung des Austauschers neben dem Rückführungskanal für das Abgas eingeleitet wird
oder vor seiner Einleitung in eine getrennte Führung des Austauschers in Unterkühler
geleitet wird. Das expandierte Gas wird dann am wärmeren Ende des Austauschers abgezogen,
komprimiert und gekühlt. Der Gasstrom wird dann in das Synthesegas eingeleitet,
das am wärmeren Ende des Austauschers abgezogen wird.
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Aus Fig. 1 erkennt man, wie ein Beschickungsgas, das später näher
beschrieben wird, durch die Leitung 1 in die Leitung 3 durch ein Vierwegumkehrventil
2 oder ein entsprechendes technisches Äquivalent eingeleitet wird. Die Betätigung
des Ventils erfolgt in vorbestimmten Zeitabschnitten, beispielsweise alle 3 Minuten,
und das Gas wird in die Führung 4 eingeleitet. Während das Gas durch die Führung
4 im Austauscher 40 strömt, wird es in zunehmendem Maße gekühlt, da in der Führung
5 kaltes Abgas strömt. Infolgedessen tritt hier ein Wärmeaustausch auf. Das gekühlte
Beschickungsgas wird durch die Abscheidung von Verunreinigungen gereinigt ; beispielsweise
von Wasser und Kohlendioxyd, die sich an den Wänden dieser Führung niederschlagen
: Das Beschickungsgas wird dann durch die Leitung 6 zu der Leitung 8 durch ein Vierwegumkehrventil
7 in einen Teilkondensator abgelassen, der im folgenden näher beschrieben wird.
Das Abgas wird am wärmeren Ende des Austauschers durch die Leitungen 17 und 18 über
das Vierwegumkehrventil 2 abgezogen.
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Der Teilkondensator 70 weist eine Zweistufenkolonne auf. Der untere
Abschnitt 72 wird bei einem Druck betrieben, der annähernd gleich dem Druck des
Beschickungsgases ist. Der obere Abschnitt 71 wird bei einer tieferen Temperatur
bei etwa 0, 2 bis 0, 7 atü, vorzugsweise bei etwa 0, 28 bis 0, 35 atü, betrieben.
Diese
Kolonne ist mit Fraktionierplatten ausgestattet. Der untere
Abschnitt 72 der Kolonne 70 ist mit dem Kondensator 73 verbunden, und er hat eine
Sammelschale 74 für die Flüssigkeit, die unmittelbar unterhalb des Kondensators
73 angeordnet ist und zur Sammlung von Flüssigkeit oder Kondensat dient. Wenn das
Beschickungsgas bei dem unteren Abschnitt 72 durch die Leitung 8 in den Kondensator
eintritt, dann findet eine teilweise Kondensation statt, da die Abkühlung sehr rasch
erfolgt.
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Dies erfolgt unter Verwendung der Flüssigkeit oder des Kondensats,
das von der Schale 74 durch die Leitung 19 abgezogen wird. Dieses Kondensat wird
in den unteren Teil eines Unterkühlers 50 eingeleitet. In diesem wird es gekühlt,
da ein im Gegenstrom erfolgender Wärmeaustausch zwischen ihm und dem Abgas erfolgt,
wie später erläutert wird. Das Kondensat wird dann von der Leitung 20 abgezogen
und in den oberen Teil eines zweiten Unterkühlers 60 eingeleitet, wo dieses Kondensat
weiterhin gekühlt und von wo es durch die Leitung 21 abgezogen und im Reduzierventil
22 entspannt wird. Die entspannte Flüssigkeit wird durch die Leitung 23 geführt
und in den Teilkondensator 70 in eine mit 71 bezeichnete Abteilung eingeführt, wo
ein geringerer Druck herrscht.
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Das Kondensat oder die Flüssigkeit wird in Gas umgewandelt, da in
der Abteilung 71 Wärme absorbiert wird.
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Es wird dann als kaltes Abgas durch die Leitung 12 abgezogen und zu
der Leitung 14 über die Stelle 13 geführt. Das kalte Abgas wird dann in eine getrennte
Führung in den Unterkühler 60 eingeleitet, wo es im Gegenstrom zum flüssigen Kondensat
strömt. Das leicht erwärmte Abgas wird dann aus dem Unterkühler 60 abgezogen und
durch die Leitung 15 in eine getrennte Führung des Unterkühlers 50 geführt, den
es zusätzlich abgekühlt, um das durch diesen strömende Kondensat zu kühlen. Es wird
dann durch die Leitung 16 abgezogen und über das Ventil 7 zum kälteren Ende des
Austauschers 40 geführt. Die Temperatur des Abgases nähert sich dann der Temperatur
des vorgekühlten Beschickungsgases, obgleich das Abgas etwas kälter ist als das
Beschickungsgas. Üblicherweise liegt die Temperaturdifferenz zwischen etwa 1, 7
und 6, 7°C. Während das Abgas durch den Austauscher 40 strömt, kühlt es das ankommende
warme Beschickungsgas vor. Das Abgas wird durch die Leitungen 17 und 18 abgezogen,
die durch das Ventil 2 gesteuert werden. In der Zwischenzeit wird das Synthesegas,
das man durch die Kühlung des Beschickungsgases in dem Kondensator 73 erhielt, durch
die Leitung 9 abgezogen und auf getrenntem Weg in den Unterkühler 50 eingeleitet.
Es wird dort auf Grund des Wärmeaustausches mit dem verhältnismäßig warmen Kondensat
erwärmt. Das abgezogene und in die LeitunglO eingeführte Gas nähert sich der Temperatur
des Abgases, wobei die Differenz so ist, daß das Synthesegas unter positivem Druck
steht, der sich dem Druck des ankommenden Beschickungsgases nähert, während der
Druck des Abgases etwas geringer ist und üblicherweise nahe bei dem atmosphärischen
Druck ist. Das Synthesegas wird dann auf einem nur in einer Richtung zu durchströmenden
Weg 24 durch den Austauscher40 geführt und von dessen wärmendem Ende durch die Leitung
11 abgezogen. An einem vorbestimmten Punkt jedoch wird ein kleiner Teil des Synthesegases
aus der Führung im Austauscher 40 abgezweigt und in die Leitung 25 geführt, die
zu einer Ausdehnungsanordnung 26 führt. Das so expandierte Gas wird durch die Leitung
27 abgezogen und bei 13 in den Abgasstrom eingeführt. Das Volumen des Abgasstromes
wird dadurch vergrößert, um eine zusätzliche Abkühlung zu schaffen und um sicherzustellen,
daß alle angesammelten oder abgeschiedenen Verunreinigungen entfernt werden. In
dem Rückstromkreislauf
wird das Beschickungsgas in den Austauscher 40 durch die Leitungen
1 und 17 (in der Figur mit gestrichelten Linien angedeutet) durch das Ventil2 eingeleitet.
Das Abgas wird dann über das Ventil 2 durch die Leitungen 3 und 18 abgezogen (in
gleicher Weise durch gestrichelte Linien angedeutet). Das vorgekühlte Beschickungsgas
am kälteren Ende des Austauschers wird durch die Leitungen 16 und 8 über das Riickschlagventil
7 abgezogen. Das Abgas wird dann an dieser Stelle durch die Leitungen 16 und 6,
die von dem Ventil 7 gesteuert werden, in den Austauscher eingeleitet.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, zeigt Fig. 2 eine gegenüber der Fig.
1 abgeänderte Ausführungsform der Erfindung. Dabei kann das Beschickungsgas durch
eine Leitung la in den Austauscher strömen, die durch das Ventil 2a oder ein technisches
Äquivalent gesteuert wird, wobei der Strom der Gase durch den Austauscher 40a in
bestimmten periodischen, genau festgelegten Zeiträumen, beispielsweise alle 3 Minute,
erfolgt. Das Beschickungsgas wird dann durch die Leitungen 3 a in die Fiihrung 4a
: geleitet, die mit Kiihlrippen ausgestattet ist, die aus einem wärmeleitenden Material,
beispielsweise aus Kupfer, bestehen. Die Führungen 5a, 24a und 30a im Austauscher
40a sind in gleicher Weise ausgebildet. Das Beschickungsgas wird durch die Strömung
von vorgekühltem Abgas in der Führung5a in zunehmendem Maße vorgekühlt. Kohlendioxyd,
Wasser und andere Verunreinigungen werden in der Führung 4 a ausgeschieden und entfernt.
Das vorgekühlte Gas wird dann über das Ventil 7a durch die Leitung 6a zur Leitung
8a geführt und in den Teilkondensator 70 geleitet. Dieser letztere hat zwei Abteilungen,
eine Abteilung 71 a für geringen Druck und eine Abteilung 72 a für hohen Druck,
sowie einen Kondensator 73a zusammen mit einer Flüssigkeitssammelschale 74à. Die
in 74a enthaltene Flüssigkeit oder das Kondensat wird durch die Leitung 19a abgezogen
und in den unteren Teil eines Unterkühlers 50 a eingeführt, durch den sie dann strömt.
Die Flüssigkeit ist in indirektem Kontakt mit getrennten Strömen des Synthesegases
und des Abgases, die, wie später erläutert werden wird, aus dem Kondensator 71 a
abströmen. Das Kondensat wird gekühlt und aus dem oberen Teil des Unterkühlers 50
a durch die Leitung 20 a abgezogen und in einen Unterkühler 60a geführt, wo es weiterhin
abgekühlt wird. Das gekühlte Kondensat wird durch die Leitung 21a durch ein Reduzierventil
22a abgezogen und schließlich in die Abteilung 71 a des Teilkondensators, in der
ein geringerer Druck herrscht, durch die Leitung 23a eingeführt. Wegen der Anwesenheit
des verhältnismäßig warmen Beschickungsgases im Kondensator 73a verdampft das flüssige
Kondensat zu Gas (es wird ini folgenden als Abgas bezeichnet) und wird durch die
Leitung 12 a abgezogen. Dieses letztere wird in den Unterkühler 60 a eingefiihrt.
Da das Abgas kälter ist als das flüssige Kondensat, so teilt es seine Kälte dem
Kondensat mit und entnimmt aus diesem Kondensat Wärme.
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Das leicht erwärmte Abgas wird dann durch die Leitung 13a in einen
Unterkühler 50a eingeführt, wo es weitererwärmt und von wo es dann durch die Leitung
14 a zu dem Ventil 7 a und von dort durch die Leitung 15a über die Führung5a des
Wärmeaustauschers 40a geführt wird. Die Temperatur des vorgekühlten Beschickungsgases
und die des an diesem Punkt eingeführten Abgases weist eine Temperaturdifferenz
in der Größenordnung von 1, 7 bis zu 6, 7° C auf. Das Abgas wird dann durch die
Leitungen 16a und 17a abgezogen, die durch das Ventil 2a gesteuert werden. Gleichzeitig
wird Synthesegas aus dem Kondensator 73a abgezogen und durch die Leitung 9 a in
eine getrennte Führung in den oberen Teil des Unterkühlers 50a geleitet. Dieses
letztere
Gas wird von dem Unterkiihler 50 a durch eine Leitung 1U
a geführt und am kälteren Ende des Austauschers 40 a in die Führung 24a geleitet.
Das Synthesegas wird in zunehmendem Maße erwärmt, während es in dieser Führung zu
dem wärmeren Ende gelant, und es wird schließlich durch die Leitung lla abgelassen.
Ein kleinerer Teil des Gases wird jedoch bei einer vorbestimmten Temperatur über
die Leitung 25 a zu einer Ausdehnungsanordnung 26 a geführt. Das unter Arbeitsabgabe
expandierte Gas wird durch ein Dreiwegventil41a zur Leitung27a geführt.
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Eine Strömung des Gases durch die Leitung 27b ist dann nicht zulässig.
Vom Punkt 36 a wird es dann entweder durch ein offenes Ventil 37a in die Abgasleitung
über die Leitung 38a geführt, während das Steuerventil 28a geschlossen ist, oder
wenn das Steuerventil 37a geschlossen ist, wird das expandierte Gas von der Stelle
36 a durch die Leitung 29 a, durch das Ventil 28 a in eine getrennte, im Austauscher
40 a angeordnete Fiihrung 30 a geleitet. Andererseits kanii an der Stelle 26a expandiertes
Gas in zwei Teilströme zerlegt werden, die man dann durch die offenen Ventile 28a
und 37a strömen läßt.
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Der Austauscher wird so abgekühlt, und man erhält das Gas, indem man
es durch die Leitung 31 a über einen Kompressor 32a zur Leitung 33a führt. Das komprimierte
Gas wird durch Wasser in einem Wärmeaustauscher 34a abgekühlt und aus diesem letzteren
durch die Leitung 35a abgezogen. Das gekühlte komprimierte Gas wird dann in die
Synthesegasleitung 11 eingefiihrt.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das expandierte Gas, das aus der
Entspannungsvorrichtung 26a abgezogen wurde, auch abwechselnd durch das Dreiwegventil
41 a in die Leitung 27b geführt. Eine Strömung durch die Leitung 27a darf dann nicht
erfolgen. Dieses Verfahren ist insofern vorteilhaft, als das expandierte Gas entweder
mit dem Abgas, das den Teilkondensator70a verläßt, gemischt wird, oder es wird direkt
in die Unterkühler eingeleitet, um diesen Unterkiihlem eine zusätzliche Abkühlungs-und
Reinigungskapazität zu erteilen. Das expandierte Gas in der Leitung 27b kann jedoch
auch so in zwei Teilströme verzweigt werden, daß es gleichzeitig durch die Leitungen
29b und 12a strömt. Bei dei einen Ausführungsform der Erfindung strömt das expandierte
Gas in Leitung 27b durch ein Steuerventil 37b, während das Ventil 28 b geschlossen
ist. Es wird in der Leitung 12 a an der Stelle 36b mit dem Abgas vermischt, und
diese Mischung der Gase wird auf einem getrennten Weg durch die Leitung 12a am unteren
Teil des Unterkühlers 60a eingeführt. Von dort wird es durch die Leitung 13a abgezogen,
in den oberen Teil des Unterkühlers 50a eingeführt, durch die Leitung 14a abgezogen
und in eine getrennte Gegenstromführung des Austauschers 40a durch das Ventil 7a
eingeleitet. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung strömt das expandierte
Gas durch die Leitung 27b, und es wird dann durch die Leitung 29b über das offene
Ventil 28b geführt, während das Ventil 37b geschlossen ist. Das expandierte Gas
wird auf einem getrennten Weg in den unteren Teil des Unterkühlers 60 a eingeführt
und wird von dessen oberem Teil durch die Leitung 29 c abgezogen. Es wird dann in
den oberen Teil des Unterkühlers 50a auf getrenntem Weg eingeführt und durch die
Leitung 29d abgezogen, die in die Leitung 29a an der Stelle 29e mündet. Das expandierte
Gas wird dann in den getrennten und nur in einer Richtung zu durchströmenden Weg
30 a in dem Austauscher 40 a geführt. Die dritte Ausführungsform der Erfindung besteht
darin, daß das expandierte Gas durch die Leitungen 12a und 29b gleichzeitig strömt,
während die Ventile 28b und 37b offenbleiben. Bei diesen Ausführungsformen strömt
das expandierte Gas, das ent-Wedei an der Stelle 36b in das Abgas eingeleitet wird
oder
das ungemischt bleibt, durch die Unterkühler im Gegenstrom in indirektem Wärmeaustausch
mit dem Kondensat aus der Flüssigkeitsschale 74a. Temperatur und Druck des expandierten
Gases werden so eingestellt, daß annähernd die Temperatur und der Druck des durch
die Leitung 12a strömenden Abgases erreicht wird. Die Einstellung dieser Verhältnisse
wird vorgenommen, indem man einen Teil des Synthesegases von dem nur in einer Richtung
zu durchströmenden Weg von dem Austauscher 40a bei einer vorbestimmten Temperatur
abzweigt und zu der Entspannungsvorrichtung 26a führt. Dieses Verfahren wird später
näher im einzelnen erläutert.
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Als Abänderung gegenüber der Einleitung des expandierten Gasstromes
durch die Leitung 27a direkt in den Abgasstrom (vgl. Fig. 2) kann das expandierte
Gas in die Leitung 14a eingeführt werden, bevor der Kreislauf im Austauscher 40a
umgekehrt wird, jedoch nachdem man die Strömung des Abgases durch die Leitung 14a
unterbrochen hat. Auf diese Weise verdampfen Verunreinigungen, die von dem vorherigen
Durchlauf in der Führung 5 eingeschlossen sind, und nach anfänglicher Wiederverdampfung
kondensierbarer Substanzen werden die Verunreinigungen zusammen mit dem expandierten
Gas entfernt. Das Ventil 37a kann durch einen Zeitgeber so eingestellt werden, daß
es nach der Unterbrechung des Abgasstromes geöffnet wird. Das Ventil 28 a ist natürlich
während dieses Arbeitsvorganges geschlossen.
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Die Vorteile, welche die vorliegende Erfindung bietet, sind sehr
zahlreich. Wenn ein Abgas durch teilweise Oxydation eines Abfallbrennstoffes mit
Luft erzeugt wird, so kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden,
daß der darin enthaltene Stickstoff leicht auf einen Betrag eingestellt wird, wie
er für die Ammoniakerzeugung erforderlich ist. Weiterhin ergibt die~ Expansion eines
Teils des Synthesegases, das aus der nur in einer Richtung zu durchströmenden Führung
des Austauschers durch eine Expansionsmaschine oder Expansionsturbine abgezweigt
wird, eine Abkühlung, ohne daß sich feste Verunreinigungen in dieser Maschine ablagern.
Ein verunreinigtes Abgas führt zum Hängenbleiben von Ventilen oder zur Erosion der
Rotoren in den Maschinen. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung darin ein Synthesegas
expandiert. Darüber hinaus erhöht das expandierte Gas die effektive Wärmekapazität
und die Wiederverdampfung von Kohlendioxyd, wenn es dem Abgas zugeführt wird. Diese
Erhöhung ist jedoch von großer Bedeutung. Außerdem wird die Dampfbildung bei der
Expansion durch eine Unterkühlung des flüssigen Kondensates auf ein Minimum herabgesetzt.
Das unterkühlte Abgas, das zusammen mit dem begleitenden warmen Abgas durch den
Unterkühler strömt, ergibt eine enge Annäherung der Temperatur in der kalten Zone
des Austauschers, wo die Verunreinigungen wieder verdampft werden müssen.
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Um die Arbeitsweise des Austauschers, des Unterkühlers, der Entspannungsanlage,
des Kompressors und des Teilkondensators im einzelnen klarzulegen, wird im folgenden
ein typisches Beispiel beschrieben. Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung
nicht auf dieses-Beispiel beschränkt ist.
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Ein Beschickungsgas, das man durch teilweise Oxydation von Brennöl
vermittels komprimierter Luft erhält, wird mit Wasser abgeschreckt, und die Kohlenmonoxydmenge,
die bei der teilweisen Oxydation entsteht, wird im wesentlichen in Wasserstoff und
Kohlendioxyd umgewandelt. Die teilweise Oxydation wird unter überatmosphärischem
Druck vorgenommen. Das dabei entstehende Beschickungsgas wird durch Wasser auf etwa
35°C abgekühlt, der Druck wird annähernd 11, 3 kg/ : cT' gehalten.
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Das Beschickungsgas hat die folgende Zusammensetzung in Molprozent,
bezogen auf das Trockengewicht.
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Kohlenmonoxyd (CO) ................ 4,0 Wasserstoff (H2) 31, 5 Kohlendioxyd
(CO2) 15, 1 Methan (CH4) . ................ 0, 4 Stickstoff (N2) 48, 1 Argon (A)..........................
0, 6 Schwefelwasserstoff (H, S) Schwefelkohlenstoff (CS2) }................ 0, 3
Kohlenoxysulfid (C 0 S) Wie in Fig. 1 dargestellt, tritt das obenerwähnte Beschickungsgas,
mit Wasserdampf gesättigt, in den Austauscher 40 durch die Leitung 1 mit einer Geschwindigkeit
von 2, 83 m3/Min bei 11, 3 atü und 35°C.
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Es wird dann durch die Leitung 3 geführt, die durch ein Vierwegumkehrventil
2 gesteuert wird, und tritt in die Führung 4 des Austauschers 40 ein, wo es von
35° C bis auf-177, 2°C, dem Taupunkt des in der Mischung enthaltenen Stickstoffs,
abgekiihlt wird. Das H2 O, CO2, H, S, C S, und COS werden an der Warmeaustauscliflache
kondensiert und lassen 2, 39 m3 Gas mit folgender Zusammensetzung in Molprozent
übrig : CO.................. 4, 73 h2 ................ 37, 23 CH4................
0, 47 Na.................. 56, 86 A................... 0, 71 Das gekühlte Beschickungsgas
von-177, 2° C wird durch die Leitungen6 und 8, die durch das Vierwegumkehrventil
7 gesteuertwerden, abgezogen. Es wird dann in die Hochdruckabteilung 72 des Teilkondensators
70 eingeführt, wo 1, 20 m3 kondensiert werden und 1, 19 m3 gasförmiges Produkt übrigbleiben.
Die Zusammensetzung des flüssigen Kondensats, das sich in der Schale 74 angesammelt
hat, ist in Molprozent : CO. 9, 13 CH4 ................ 0, 92 N2........... 88,
61 A............. 1, 34 H2............. eine kleinere Menge (entsprechend ihrerLöslichkeit
in diesem Kondensat).
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Der Teil des vorgekühlten Beschickungsgases, der nicht kondensiert,
das sogenannte Synthesegas, hat folgende Zusammensetzung in Molprozent: CO ................
0,28 CH4 ................ 0, 03 N,............ 24, 7 H2............. 74, 95 A.......
0, 04 Das Synthesegas ist daher ein ausgezeichneter Ausgangsstoff für die Ammoniaksynthese,
da es annähernd die Zusammensetzung des Ammoniaks aufweist, weil das Verhältnis
von Stickstoff zu Wasserstoff ungefähr gleich 1 : 3 ist.
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Die Kondensation des Beschickungsgases im Kondensator 73 tritt deshalb
auf, weil das nüssige Kondensat ausreichend unterkühlt ist, so daß bei einer Entspannung
auf einen verminderten Druck von ungefähr 0, 28 kg/cm2 genügend Kälte an das ankommende
Beschickungsgas abgegeben wird, um Stickstoff und andere hochsiedende, in dem Beschickungsgas
enthaltende Komponenten zu kondensieren. Die Expansion des fliissigen Kondensats
wird folgendermaßen vorgenommen : Das in der Schale 74 gesammelte Kondensat wird
durch die Leitung 19 aus
dem Teilkondensator 70 abgezweigt und in den unteren Teil
des Unterkühlers 50 eingeleitet. Die Temperatur des fliissigen Kondensats beträgt
vor der Einführung in den Unterkühler-177, 2° C, wobei diese Temperatur annähernd
dem Taupunkt des Stickstoffs entspricht. Es wird hier ungefähr auf-183-, 9° C abgekühlt,
durch die Leitung 20 abgezogen und in den oberen Teil des Unterkühlers 60 eingeführt,
wo es weiterhin auf-187, 8° C abgekühlt wird. Die Kühlung des Kondensates im Unterkühler
erfolgt, weil es sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Abgas Berührung hat,
die aus dem Kondensator herausströmen. Das Synthesegas strömt durch die Leitung
9 auf einem getrennten Weg im Gegenstrom zu dem flüssigen Kondensat, mit dem es
im Wärmeaustausch steht. Da das Synthesegas bei-185°C aus dem Kondensator 73 abgezogen
wird,-trifft ein Wärmeaustausch zwischen dem auf-180° C erwärmten Synthesegas und
dem auf-183, 9° C abgekühlten flüssigen Kondensat auf.
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Die Temperatur des flüssigen Kondensats nimmt weiterhin auf-187, 8°
C ab, weil das Abgas vom Kondensator 71 bei etwa-193, 3° C und einem Druck von 0,
28 kg/cm2 abgezogen wird. Dementsprechend erfolgt eine Abkühlung des flüssigen Kondensats
im Unterkühler 60. Das Abgas wird durch Leitung 12, nach der Stelle 13, von dem
Kondensator abgezogen, durch die Leitung 14 geführt und in den Unterkühler 60 eingeleitet.
Der Wärmeaustausch findet zwischen dem unterkühlten Kondensat statt, das bei etwa-183,
9° C in den Unterkühler 60 eintritt und diesen bei etwa 187, 8°C verläßt. Das Abgas
wird dadurch auf annähernd185°C erwärmt, und es wird auf getrenntem Weg durch die
Leitung 15 in den Unterkühler 50 geführt. Das letztere Abgas wird durch die Leitung
16 bei annähernd-180° C abgezogen.
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Das unterkühlte Kondensat, das bei-187, 8° C durch die Leitung 21
abgezogen wird, wird in einem Reduziererventil 22 entspannt, wo seine Temperatur
von-187, 8 auf -193, 3°C abnimmt. Das so entspannte flüssige Kondensat wird dann
in die Niederdruckabteilung 71 eingeleitet, wo es den Kondensator 73 abkühlt und
ihm Wärme entzieht, um so das flüssige Kondensat in ein Gas zu verwandeln, das dann
als Abgas bei-193, 3°C durch die Leitung 12 abgezogen wird.
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Die Temperatur des Synthesegases und des Abgases, das in das kältere
Ende des Austauschers 40 eintritt, sind einander ungefähr gleich, nämlich-180° C,
jedoch der Druck des Synthesegases liegt bei etwa 11, 3 kg/cm2, während der Druck
des Abgases 0, 28 kg/cm2 beträgt.
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Das Abgas wird in dem Austauscher zunehmend-erwärmt, und es wird bei
32, 2°C und bei atmosphärischem Druck durch die Leitung 18 abgezogen. Die Erwärmung
erfolgt durch den Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem ankommenden Beschickungsgas,
wie bereits oben erwähnt wurde. Das Synthesegas wird in gleicher Weise von-180°
C in der nur in einer Richtung zu durchströmenden Führung 24 erwärmt und durch die
Leitung 11 aus dem Kühler abgezogen. Der Druck beim Abziehen beträgt etwa 10, 6
kg/cm2, was durch den Reibungswiderstand in der Führung bedingt ist. Bei einer vorbestimmten
Temperatur von etwa-137, 2° C werden 12'po des Synthesegases aus der Führung 24
des Austauschers 40 abgezweigt und durch die Leitung 25 in die Entspannungsanordnung
26 eingeführt. Das Gas wird bis zu einer Temperatur von-193, 3° C und einem Druck
von 0, 28 kg/cm2 entspannt, und es wird dann durch die Leitung 27 an der Stelle
13 in den Abgasstrom eingeleitet.
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Die Abzweigung eines Teiles des Synthesegases bei tiefer Temperatur
ist bei Gastrenn-und Reinigungsverfahren neu. Da das gemäß diesem Beispiel expandierte
Gas an der Stelle 13 in den Abgasstrom eingeleitet wird,
kann die
Zwischentemperatur in : der Führung24 zum Abzug des Synthesegases aus thermodynamischen
Daten oder, wenn solche Daten nicht vorliegen, aus einerFormel für Temperatur, Druck
und isentropische Expansion abgeleit t werden, die durch den Wirkungsgrad der Ausdehnungsanordnung
26 modifiziert ist. Die Formel lautet folgendermaßen : k1 T1 jrrl wo T2 die absolute
Temperatur des Abgases, entsprechend -193, 3° C, und T, die mittlere absolute zu
bestimmende Temperatur bedeutet, P2 der absolute Druck des Abgases ist (d. h. 1,
3 kg/cm2), ? i der absolute Druck des Gases vor der Entspannung ist (d. h. 11, 6kg/cm2)
undk die Gaskonstante bedeutet, die in diesemBeispielgleich 1, 4 ist.
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Auf diese Weise kann die Temperatur T1 bestimmt werden, weil Pi, P2
und k alle bekannt sind. Die Temperatur beträgt in diesem Fall 150° Kelvin. Diese
ist jedoch eine theoretische Temperatur, die in die wirkliche Temperatur vermittels
der Formel (Tl-T2) E TT-T2 umgerechnet wird, wo T1 und T2 die oben angegebenen Werte
haben, E der Wirkungsgrad der Entspannungsanordnung ist und Tr die wirkliche Temperatur
bedeutet.
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Der übliche Wirkungsgrad der Entspannungsanordnung beträgt 80 °/o.
Dementsprechend ist T, gleich 136° Kelvin.
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Im umgekehrten oder abwechseluden Kreislauf bei diesem Verfahren gemäß
diesem Beispiel strömt das Abgas durch die Führung, durchwelche vorher dasBeschickungsgas
strömte, und wegen der nahe beieinander liegenden Temperaturen vom Beschickungsgas
und Abgas werden im wesentlichen alle angesammelten oder angegebenen Verunreinigungen
beim umgekehrten Durchströmen der Führung entfernt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung auf ein
Ammoniaksynthesegas, das eine größere Stickstoffmenge enthält, als es dem üblichen,
obenerwähnten Verhältnis von 1 : 3 entsprechen würde. Ein derartiges Beschickungsgas
kann durch die teilweise Oxydation eines Abfallbrennöls mit Luft erzeugt werden.
Ein anderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß keine Lufttrennanlage mehr
erforderlich ist und keine Absorptionsanlage für Kohlendioxyd wie bei einem üblichen
Oxydationsverfahren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Eindringen von
inerten Bestandteilen oder Verunreinigungen in die Anlage, in der die Ammoniaksynthese
vorgenommen wird, verringert wird. Während das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere
zur Behandlung eines Gases geeignet ist, das durch die teilweise Oxydation von Abfallbrennöl
mit Luft entsteht, kann es auch zur Trennung und Reinigung irgendeiner normalerweise
gasförmigen Mischung, beispielsweise von Luft, verwendet werden.