DE102007007204A1

DE102007007204A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasreinigung durch Partialkondensation und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007007204A1
Application number: DE200710007204
Authority: DE
Inventors: Manfred Stahl; Thomas Kutz
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-14

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von dem Fremdstoff, wobei der Gasstrom durch einen Wäremtauscher (1) geleitet und in thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht wird, um den Fremdstoff auszufrieren und/oder auszukondensieren, wobei die Reinigung in nur einem Rohrwärmetauscher (1) erfolgt, durch dessen Innenraum (3) der Gasstrom von einem ersten Endbereich (4) zu einem zweiten Endbereich (5) geleitet und dabei durch Kontakt mit einer von dem Kühlmedium im Gegenstrom durchströmten ersten Gruppe (6) von Rohren abgekühlt wird und wobei der Gasstrom im zweiten Endbereich (5) unmittelbar wieder umgelenkt und unter Wärmeaustausch mit dem im Innenraum (3) strömenden Gasstrom durch eine zweite Gruppe (7) von Rohren zurück durch den Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) zum ersten Endbereich (4) geleitet wird. Eine entsprechende Vorrichtung weist einen Rohrwärmetauscher (1) mit mindestens zwei Gruppen (6, 7) von Rohren auf, die durch einen Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) von einem ersten Endbereich (4) zu einem zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) verlaufen, wobei der Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) von einem Gasstrom-Einlass (2) an dem ersten Endbereich (4) zu dem zweiten Endbereich (5) von dem Gasstrom durchströmbar ist und wobei eine erste Gruppe (6) der Rohre Teil eines Kühlmedium-Kreislaufes (25) ist und eine zweite Gruppe (7) der Rohre zur Rückführung des Gasstromes von dem ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines Gasstromes, bei dem ein mit einem Fremdstoff beladenes Gas zwecks Kondensation und/oder Ausfrierens des Fremdstoffes durch einen Wärmetauscher geleitet und mit einem Kühlmedium in thermischen Kontakt gebracht wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Gasreinigung und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Derartige Verfahren sind in verschiedenen Variationen bekannt, beispielsweise aus der EP 0839 560 A1 , der EP 1 674 140 A1 oder der EP 1 602 401 A1 . Für eine ausreichende Reinigung eines Gasstromes ist gemäß diesem Stand der Technik ein recht großer apparativer Aufwand, oft mit mehreren Wärmetauschern und komplexer Regelungstechnik erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines einfachen, kostengünstigen Verfahrens zur Gasreinigung mit möglichst geringem apparativen und regelungstechnischen Aufwand sowie einer zugehörigen Vorrichtung und deren Regelung.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach dem Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 10 und ein Verfahren zur Regelung der Vorrichtung nach Anspruch 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in Kombination miteinander anwendbar sind, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von dem Fremdstoff kommt mit einem einzigen Wärmetauscher aus, durch dessen Innenraum der Gasstrom zunächst von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich geleitet wird. Dabei wird der Gasstrom in thermischen Kontakt mit Rohren gebracht, die in dem Innenraum verlaufen. Durch eine erste Gruppe dieser Rohre strömt ein Kühlmedium, welches den Gasstrom auf seinem Weg in dem Innenraum unter den Taupunkt des zu beseitigenden Fremdstoffes abkühlt, so dass dieser kondensiert oder ausfriert. Der Gasstrom ist im Bereich des zweiten Endbereiches so kalt, dass er nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher umgelenkt und durch eine zweite Gruppe von Rohren wieder durch den Innenraum des Wärmetauschers geleitet werden kann, wodurch der Gasstrom im Innenraum des Wärmetauschers gekühlt und der Gasstrom in den Rohren wieder aufgewärmt wird. Beim Austritt aus dem Wärmtauscher im ersten Endbereich ist der gereinigte Gasstrom dann nur wenig kälter als der eintretende noch zu reinigende Gasstrom, im Folgenden Rohgasstrom genannt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmedium, welches die notwendige Kühlleistung in dem Wärmetauscher zur Verfügung stellt, in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, wobei es vor Eintritt in den ersten Endbereich des Wärmetauschers in einem Kühler von einem primären Kühlmittel auf eine vorgebbare Temperatur abgekühlt wird. Der geschlossene Kühlmedium-Kreislauf kann als sekundärer Kühlkreislauf betrachtet werden, der in einem Kühler mittels eines primären Kühlmittels auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes des zu beseitigenden Fremdstoffes. Als primäres Kühlmittel kommt insbesondere ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas zur Anwendung, insbesondere flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohledioxid. Das primäre Kühlmittel kann in einem offenen oder einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Insbesondere bei flüssigem Stickstoff wird bevorzugt ein offener Kreislauf angewendet, bei dem der flüssige Stickstoff aus einem Vorratsbehälter durch den Kühler geführt und der aufgewärmte Stickstoff gasförmig in die umgebene Atmosphäre abgelassen oder zur weiteren Verwendung in ein Inertgasnetz eingespeist wird.
Das Kühlmedium in der ersten Gruppe von Rohren und der bereits abgekühlte in der zweiten Gruppe von Rohren zurückgeführte Gasstrom kühlen den Gasstrom im Innenraum des Wärmetauschers im Prinzip im Gegenstrom, wobei jedoch bevorzugt in dem Innenraum Leitbleche angeordnet sein können, die den Gasstrom mäanderförmig durch den Innenraum leiten, so dass eine Kombination aus Gegenstrom- und Querstromwärmetauscher vorliegen kann. Bei dieser Art der Strömungsführung kommt es zu einem guten Wärmeaustausch des Gasstroms mit dem Kühlmedium und dem zurückgeführten Gasstrom, unabhängig davon, wie die erste und zweite Gruppe von Rohren räumlich verteilt sind. Es können daher die konstruktiv günstigsten Verteilungen dieser Gruppen gewählt werden.
Bei den bisher beschriebenen Verfahrensvarianten kann es schwierig sein, das Temperaturniveau im zweiten Endbereich des Wärmetauschers weit genug abzusenken, um dort auch sehr niedrig siedende Fremdstoffe zu kondensieren. Für solche Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, diesem Bereich eine zusätzliche Menge an Kühlmedium, insbesondere flüssiges Kühlmedium, z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid, zuzuführen. Dies geschieht am günstigsten durch Eindüsung in die Kühlmedium-Zuleitung zu dem zweiten Endbereich. Das zusätzliche Kühlmedium kann hinter dem ersten Endbereich des Wärmetauschers wieder abgelassen werden. Auch wenn das Kühlmedium in einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf geführt wird, ist ein solcher Einlass und Auslass einer zusätzlichen Menge an Kühlmedium pro Zeiteinheit sehr vorteilhaft. Die zusätzliche Menge an Kühlmedium senkt die Betriebstemperatur im zweiten Endbereich des Wärmetauschers ab und erlaubt so auch das Kondensieren tief siedender Fremdstoffe, die sonst nicht abgeschieden würden. Für noch verbleibende letzte Reste an Fremdstoffen kann, wie generell möglich, ein Aktivkohlefilter im Reingas-Auslass vorgesehen werden. Das zusätzliche Kühlmedium macht pro Zeiteinheit vorzugsweise zwischen 5 und 20% des insgesamt den Wärmetauscher durchströmenden Kühlmediums aus, besonders bevorzugt etwa 10 bis 15%. Wenn alle Kühlmedien im System gleich sind, ist die Versorgung besonders einfach und die zusätzliche Menge an Kühlmedium übt keinerlei negativen Einfluss auf einen Kühlmedium-Kreislauf aus.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von dem Fremdstoff, wobei der Gasstrom durch einen Wärmetauscher geleitet und in thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht wird, um den Fremdstoff auszufrieren und/oder auszukondensieren zeichnet sich dadurch aus, dass als Wärmetauscher ein Rohrwärmetauscher vorhanden ist mit mindestens zwei Gruppen von Rohren die durch den Innenraum des Wärmetauschers von einem ersten Endbereich zu einem zweiten Endbereich des Wärmetauschers verlaufen. Dabei ist der Innenraum des Wärmetauschers von einem Gasstromeinlass an dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich von dem Gasstrom durchströmbar. Eine erste Gruppe der Rohre ist Teil eines Kühlmedium-Kreislaufes und eine zweite Gruppe der Rohre dient zur Rückführung des Gasstromes von dem zweiten Endbereich des Wärmetauschers zu einem Reingas-Auslass im ersten Endbereich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit nur wenig modifizierten handelsüblichen Wärmetauschern für zwei unterschiedliche Kühlmedien verwirklicht werden, indem durch eine geeignete Verrohrung das im zweiten Endbereich aus dem Innenraum austretende gekühlte Reingas umgelenkt und einer Gruppe von Rohren wieder zugeführt wird.
Es ist allerdings in einer besonderen Ausführungsform auch möglich, den zweiten Endbereich des Wärmetauschers als interne Umlenkung für den Gasstrom in die zweite Gruppe von Rohren auszubilden. Dazu können entweder zwischen den Rohren der zweiten Gruppe Öffnungen in einem dort die Rohre haltenden Rohrboden vorgesehen werden oder es können im zweiten Endbereich des Wärmetau schers in den Rohren der zweiten Gruppe seitliche Schlitze oder Öffnungen vorgesehen werden, durch die der Gasstrom direkt wieder umgelenkt und zurückgeführt werden kann.
Die erste Gruppe von Rohren ist Teil eines geschlossenen Kühlmedium-Kreislaufes in dem ein Kühlmedium umgewälzt wird. Dies kann durch eine geeignete Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe bzw. ein Gebläse oder einen Verdichter, erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlmedium-Kreislauf einen von einem primären Kühlmittel durchströmbaren Kühler auf, der vor dem ersten Endbereich des Wärmetauschers angeordnet ist. In diesem Kühler wird das Kühlmedium auf die zur Reinigung des Gasstromes notewenige Temperatur abgekühlt, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes des aus dem Rohgasstrom zu entfernenden Fremdstoffes.
Bevorzugt ist der Kühler an einem offenen oder geschlossenen primären Kühlmittel-Kreislauf angeschlossen, insbesondere an eine Versorgung mit flüssigem Stickstoff oder flüssigen Kohlendioxid.
Zur Absenkung der Betriebstemperatur im zweiten Endbereich des Wärmetauschers ist es vorteilhaft, wenn in der Zuleitung für Kühlmedium zu diesem Bereich ein Zusatzeinlass für eine zusätzliche Menge an Kühlmedium pro Zeiteinheit vorhanden ist. Bei einem im Wesentlichen geschlossenen Kühlmedium-Kreislauf muss dann naturgemäß auch ein Zusatzauslass für den Auslass der zusätzlichen Menge an Kühlmedium vorgesehen werden, wenn der Kühlmedium-Kreislauf etwa konstanten Druck haben soll. Dieser Zusatzauslass kann irgendwo in Strömungsrichtung des Kühlmediums gesehen hinter dem Wärmetauscher angeordnet werden, bevorzugt vor einer Fördereinrichtung.
Zur Einstellung oder Regelung der zusätzlichen Menge an Kühlmedium pro Zeiteinheit sind erfindungsgemäß Stelleinrichtungen vorgesehen, mit denen der Anteil an zusätzlichem Kühlmedium und damit die Betriebstemperatur im zweiten Endbereich des Wärmetauschers bestimmt werden könen.
Es hat sich gezeigt, dass es gegenüber im Stand der Technik bekannten senkrechten Anordnungen vorteilhaft ist, den Wärmetauscher etwa horizontal anzuordnen, allerdings mit einem leichten Gefälle in der Richtung der Durchströmung mit Kühlmedium. Dieses Gefälle beträgt weniger als 10% zur Horizontalen, vorzugsweise wird eine Neigung zur Horizontalen zwischen 1° und 5° gewählt. Dies bedeutet, dass der kondensierte Fremdstoff auf der Unterseite des Innenraums des Wärmetauschers in Richtung des wärmeren Endbereiches läuft, wodurch vermieden werden kann, dass kondensierter Fremdstoff festfriert und einen Strömungsweg verstopft.
Zur Beseitigung des Kondensats ist der Wärmetauscher an seiner Unterseite mit mindestens einem Kondensatabfluss ausgestattet, insbesondere sogar mit zwei oder mehr Kondensatabflüssen, die in Abständen hintereinander in Richtung der Durchströmung mit Kühlmedium angeordnet sind. Von diesen Kondensatabflüssen wird der kondensierte Fremdstoff über Kondensatleitungen zu einem Kondensatsammelbehälter geleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmetauscher mindestens einen ersten Messfühler auf zur Messung eines Messwertes, aus dem die Temperatur des Gasstroms im zweiten Endbereich des Wärmetauschers ableitbar ist. Ein solcher Messwert ist erforderlich, um die Vorrichtung so betreiben zu können, dass die zum Beseitigen des Fremdstoffes notwendige Temperatur immer unterschritten bleibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens ein Stellglied im Kühlmedium-Kreislauf und/oder eines im Kühlmittel-Kreislauf auf, die mit einer Prozessregelung verbunden sind, so dass die dem Wärmetauscher zugeführte Kälteleistung regelbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den besonderen Vorteil, dass sie sich sehr einfach und zuverlässig regeln lässt. Geht man davon aus, dass der zu reinigende Gasstrom in seiner Temperatur und Durchflussmenge schwanken kann, so muss unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt werden, dass der Gasstrom im Wärmetauscher genügend stark abgekühlt wird, um einen enthaltenen Fremdstoff zu kondensieren oder auszufrieren. Dazu wird ein der Temperatur des Gasstromes im zweiten Endbereich des Wärmetauschers proportionaler Messwert gemessen und auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Grundsätzlich kommen für eine Regelung zwei beeinflussbare Parameter im Kühlmediumkreislauf in Betracht, nämlich der Durchfluss an Kühlmedium und die Temperatur des Kühlmediums. Während man den Durchfluss an Kühlmedium mittels der Fördereinrichtung im Kühlmediumkreislauf einstellen kann, kann die Temperatur durch die Menge an zugeführtem Primärkühlmittel im Kühler eingestellt werden. Bevorzugt werden erfindungsgemäß beide Parameter zur Regelung des Systems herangezogen. Eine einfache Regelstruktur ergibt sich beispielsweise durch die Verwendung von zwei Regelkreisen. Die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf vor dem Wärmetauscher (Vorlauftemperatur) wird durch Regelung des Durchflusses an Kühlmittel im Kühler mittels des Regelventils eingestellt, die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf hinter dem Wärmetauscher (Rücklauftemperatur) wird durch Regelung des Durchflusses an Kühlmedium mittels der Fördereinrichtung eingestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und seine Betriebsweise werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind Abwandlungen in der Bauweise des Wärmetauschers, der Regelung und der Verrohrung möglich.
Es zeigen:
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem horizontalen Längsschnitt durch einen zugehörigen Wärmetauscher und
2 schematisch einen vertikalen Längsschnitt durch den Wärmetauscher aus 1.
Wie in den 1 und 2 veranschaulicht strömt ein mit einem Fremdstoff beladenes Rohgas durch einen Gasstromeinlass 2 in den Innenraum 3 eines Wärmetauschers 1. Der Innenraum 3 des Wärmetauschers 1 erstreckt sich von einem ersten Endbereich 4 zu einem zweiten Endbereich 5. In dem Innenraum 3 wird der Gasstrom abgekühlt, und zwar so weit, dass der darin enthaltene Fremdstoff seinen Taupunkt unterschreitet und auskondensiert bzw. ausfriert. Die Kühlung des Gasstromes im Innenraum 3 erfolgt durch thermischen Kontakt mit einer ersten Gruppe 6 von Rohren und einer zweiten Gruppe 7 von Rohren. Zur Erhöhung des thermischen Kontaktes mit den Rohren dienen etwa quer zur Durchströmungsrichtung des Innenraumes 3 angeordnete Leitbleche 14, die den Gasstrom auf einem mäanderformigen Weg durch den Innenraum 3 leiten. Die erste Gruppe 6 von Rohren ist Teil eines Kühlmedium-Kreislaufes 25 die zweite Gruppe 7 von Rohren dient zur Rückführung des gekühlten Gasstromes vom zweiten Endbereich 5 des Wärmetauschers 1 zum ersten Endbereich 4, wobei das bereits gereinigte Gas sich wieder annähernd bis zu der Temperatur des Rohgases am Gasstromeinlass 2 aufwärmt und dabei zur Kühlung des Gasstromes im Innenraum 3 beiträgt. Sämtliche Rohre sind im ersten Endbereich 4 des Wärmetauschers 1 in einem ersten Rohrboden 16 befestigt und im zweiten Endbereich 5 in einem zweiten Rohrboden 17. Der Wärmetauscher 1 weist im ersten Endbereich einen ersten Dom 18 und im zweiten Endbereich 5 einen zweiten Dom 19 auf. Der erste Dom 18 ist durch eine erste Trennwand 20 in zwei Teile unterteilt, ebenfalls der zweite Dom 19 durch eine zweite Trennwand 21. Auf diese Weise werden die Ein- und Auslassöffnungen der ersten Gruppe 6 von Rohren und der zweiten Gruppe 7 von Rohren getrennt und können daher getrennt von unterschiedlichen Medien durchströmt werden. So kann die erste Gruppe 6 von Rohren durch einen Kühlmedium-Einlass 23 von Kühlmedium angeströmt werden, welches den Wärmetauscher 1 durch einen Kühlmedium-Auslass 24 wieder verlässt. Die zweite Gruppe 7 von Rohren wird im zweiten Endbereich 5 des Wärmetauschers 1 von dem bereits gereinigten Gasstrom angeströmt, indem dieser mittels einer Umlenkung 9 aus dem Innenraum 3 des Wärmetauschers zu dem Teil des zweiten Doms 19 geführt wird, in dem die zweite Gruppe 7 von Rohren endet. Durch die zweite Gruppe 7 von Rohren gelangt das gereinigte Gas zum ersten Dom 18 und wird dort durch einen Reingas-Auslass 10 abgeführt. Der zu entfernende Fremdstoff kondensiert an den Rohren im Innenraum 3 des Wärmetauschers 1 und tropft nach unten. Eventuell an den Rohren entlang laufende Tropfen werden spätestens an den Leitblechen 14 aufgehalten. Im unteren Bereich des Wärmetauschers 1 sammelt sich das Kondensat und gelangt durch Kondensat-Abflüsse 11 über Kondensat-Leitungen 12 zu einem Kondensat-Sammelbehälter 13. Zur Absenkung der Betriebstemperatur im zweiten Endbereich 5 unter das mit dem bisher beschriebenen System erreichbare Temperaturniveau dient ein Zusatzeinlass 38 in den Kühlmedium-Einlass 23. Dort kann eine zusätzliche Menge an insbesondere flüssigem Kühlmedium pro Zeiteinheit eingespeist werden, wodurch die Temperatur in diesem Bereich abgesenkt werden kann. Das zusätzlich eingespeiste Kühlmedium verdampft auf seinem weg durch den Wärmetauscher 1 und kann hinter dem ersten Endbereich 4 wieder über einen Zusatzauslass 39 abgelassen werden. Eine Stelleinrichtung 40 für den Zusatzeinlass 38 und eine Stelleinrichtung 41 für den Zusatzauslass 39 erlauben die genaue Zudosierung von flüssigem Kühlmedium zum Erreichen der gewünschten tiefsten Betriebstemperatur, ohne dass der Druck im Kühlmedium-Kreislauf 25 nachteilig beeinflusst wird. Durch eine leichte Schrägstellung um einen Winkel α von etwa 1° bis 5° der Längsachse 22 des Wärmetauschers 1 gegenüber der Horizontalen 8 wird erreicht, dass das Kondensat immer in Richtung wärmerer Umgebung fließt und daher nicht festfriert bevor es einen Kondensat-Abfluss 11 erreicht.
Wie in 1 dargestellt enthält der Kühlmedium-Kreislauf 25 eine regelbare Fördereinrichtung 26 und einen Kühler 28, in welchem das Kühlmedium auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes des zu entfernenden Fremdstoffes abgekühlt wird. Der Kühler 28 ist Teil eines Kühlmittelkreislaufes 29, insbesondere eines offenen Kreislaufes mit verflüssigtem Stickstoff oder Kohlendioxid. Mittels eines Regelventils 34 für das Kühlmittel wird die dem Kühler 28 zugeführte Kälteleistung und damit die Temperatur (Vorlauftemperatur) des aus dem Kühler 28 austretenden Kühlmediums geregelt.
Oft werden solche Reinigungsvorrichtungen in Intervallen oder im Wechsel mit einer zweiten Vorrichtung betrieben, wobei dann bei Betriebsunterbrechungen die Anlage abgetaut, also von Eis befreit werden kann. Zur Unterstützung beim Abtauen dient ein Heizer 27. Es können noch weitere nicht dargestellte Komponenten vorhanden sein, beispielsweise ein Entfeuchter für das Rohgas, sofern dieses Wasserdampf enthalten kann.
Die Regelung der Vorrichtung ist mit geringem Aufwand zu bewerkstelligen. In 1 sind schematisch auch typische Elemente einer Prozess-Regelung 30 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mehr Messgeräte dargestellt als unbedingt erforderlich. Im Prinzip genügt es, die Temperatur des gereinigten Gasstromes im zweiten Endbereich 5 Wärmetauschers 1 immer genügend niedrig zu halten. Dazu wird bevorzugt die Temperatur dort mit einem ersten Temperaturfühler 35 gemessen und an die Prozess-Regelung 30 geleitet. Zur Beeinflussung dieser Temperatur kann der Durchfluss an Kühlmittel durch den Kühler 28 und/oder an Kühlmedium im Kühlmedium-Kreislauf 25 verändert werden. Vorteilhaft, aber für eine einfache Regelung nicht erforderlich ist es, einen Durchfluss-Messer 31 für den Rohgasstrom, einen Durchfluss-Messer 32 für das Kühlmedium und einen Durchfluss-Messer 33 für das Kühlmittel im Kühlkreislauf 29 vorzusehen und deren Messwerte an die Prozess-Regelung weiterzuleiten. Als Stellglieder in dem System können bevorzugt die regelbare Fördereinrichtung 26 zur Regelung des Kühlmedium-Durchflusses und ein Regelventil 34 zur Regelung des Kühlmittel-Durchflusses dienen. Weitere Temperaturfühler, zum Beispiel ein zweiter Temperaturfühler 36 im Kühler 28 oder ein dritter Temperaturfühler 37 in der Nähe des Kühlmedium-Auslasses 24 können die Betriebssicherheit und Regelgenauigkeit erhöhen. Besonders bevorzugt wird die Temperatur des Kühlmediums vor dem Wärmetauscher 1 (Vorlauftemperatur) durch den ersten 35 oder zweiten 36 Temperaturfühler gemessen und durch Verstellung des Regelventils 34 auf einen Sollwert eingeregelt. Gleichzeitig wird die Temperatur des Kühlmediums hinter dem Wärmetauscher 1 (Rücklauftemperatur) durch den dritten Temperaturfühler 37 gemessen und durch Verstellung der Leistung der Fördereinrichtung auf einen Sollwert eingeregelt. Beide Regelungen zusammen führen zu einem günstigen und ökonomischen Betrieb der Vorrichtung. Diese ist dementsprechend einfach zu regeln, kostengünstig herzustellen und mit hoher Effektivität zu betreiben.

1: (Rohr-)Wärmetauscher
2: Gasstrom-Einlass (Rohgas)
3: Innenraum des Wärmetauschers
4: Erster Endbereich des Wärmetauschers
5: Zweiter Endbereich des Wärmetauschers
6: Erste Gruppe von Rohren
7: Zweite Gruppe von Rohren
8: Horizontale
9: Umlenkung
10: Reingas-Auslass
11: Kondensat-Abfluss
12: Kondensat-Leitung
13: Kondensat-Sammelbehälter
14: Leitbleche
15: Kompensator
16: Erster Rohrboden
17: Zweiter Rohrboden
18: Erster Dom
19: Zweiter Dom
20: Erste Trennwand
21: Zweite Trennwand
22: Längsachse
23: Kühlmedium-Einlass
24: Kühlmedium-Auslass
25: Kühlmedium-Kreislauf
26: Fördereinrichtung
27: Heizer
28: Kühler
29: Kühlmittelkreislauf
30: Prozess-Regelung
31: Durchfluss-Messer für Gasstrom
32: Durchfluss-Messer für Kühlmedium
33: Durchfluss-Messer für Kühlmittel
34: Regelventil für Kühlmittel
35: Erster Temperaturfühler
36: Zweiter Temperaturfühler
37: Dritter Temperaturfühler
38: Zusatzeinlass
39: Zusatzauslass
40: Stelleinrichtung für den Zusatzeinlass
41: Stelleinrichtung für den Zusatzauslass
α: Winkel der Langsachse 22 zur Horizontalen 8

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0839560 A1 [0002]
- EP 1674140 A1 [0002]
- EP 1602401 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von dem Fremdstoff, wobei der Gasstrom durch einen Wärmetauscher (1) geleitet und in thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht wird, um den Fremdstoff auszufrieren und/oder auszukondensieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung in nur einem Rohrwärmetauscher (1) erfolgt, durch dessen Innenraum (3) der Gasstrom von einem ersten Endbereich (4) zu einem zweiten Endbereich (5) geleitet und dabei durch Kontakt mit einer von dem Kühlmedium durchströmten ersten Gruppe (6) von Rohren abgekühlt wird und dass der Gasstrom im zweiten Endbereich (5) unmittelbar wieder umgelenkt und unter Wärmeaustausch mit dem im Innenraum (3) strömenden Gasstrom durch eine zweite Gruppe (7) von Rohren zurück durch den Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) zum ersten Endbereich (4) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im Wesentlichen in einem geschlossenen Kreislauf (25) geführt wird, wobei es vor Eintritt in den zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) in einem Kühler (28) von einem primären Kühlmittel auf eine vorgebbare Temperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühler (28) ein flüssiges Gas als primäres Kühlmittel zugeleitet wird, insbesondere flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid, welches im Wärmeaustausch das im Wesentlichen im geschlossenen Kreislauf (25) geführte Kühlmedium kühlt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Kühlmittel in einem offenen Kreislauf (29) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in der ersten Gruppe (6) von Rohren und der in der zweiten Gruppe (7) von Rohren zurückgeführte Gasstrom den Gasstrom im Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) im Gegenstrom kühlen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Menge an Kühlmedium, insbesondere in flüssiger Form, dem zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) zugeführt wird zur Absenkung der dortigen Betriebstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kühlmedien des Gesamtsystems gleich sind, insbesondere Stickstoff oder Kohlendioxid, und dass die zusätzliche Menge an Kühlmedium in das den Wärmetauscher (1) durchströmende Kühlmedium vor dem Eintritt in den zweiten Endbereich (5) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das den Rohrwärmetauscher (1) durchströmende Kühlmedium in einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf (25) geführt wird, in den die zusätzliche Menge an Kühlmedium vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (1) eingedüst und aus dem sie hinter dem Wärmetauscher (1) wieder abgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Menge an Kühlmedium pro Zeiteinheit zwischen 5 und 20%, vorzugsweise zwischen 10 und 15% der den Wärmetauscher (1) pro Zeiteinheit durchströmenden Menge an Kühlmedium ausmacht.
Vorrichtung zur Reinigung eines mit einem Fremdstoff beladenen Gasstromes von dem Fremdstoff, wobei der Gasstrom durch einen Wärmetauscher (1) geleitet und in thermischen Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht wird, um den Fremdstoff auszufrieren und/oder auszukondensieren, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher ein Rohrwärmetauscher (1) vorhanden ist mit mindestens zwei Gruppen (6, 7) von Rohren, die durch einen Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) von einem ersten Endbereich (4) zu einem zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) verlaufen, wobei der Innenraum (3) des Wärmetauschers (1) von einem Gasstrom-Einlass (2) an dem ersten Endbereich (4) zu dem zweiten Endbereich (5) von dem Gasstrom durchströmbar ist und wobei eine erste Gruppe (6) der Rohre Teil eines im Wesentlichen geschlossenen Kühlmedium-Kreislaufes (25) ist und eine zweite Gruppe (7) der Rohre zur Rückführung des Gasstromes von dem zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) zu einem Reingas-Auslass (10) im ersten Endbereich (4) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Endbereich (5) des Wärmetauschers (2) als Umlenkung (9) für den Gasstrom in die zweite Gruppe (7) von Rohren ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmedium-Kreislauf (25) eine Fördereinrichtung (26) und einen von primärem Kühlmittel durchströmbaren Kühler (28) aufweist, der vor dem zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (28) an einen offenen oder geschlossenen primären Kühlmittelkreislauf (29) angeschlossen ist, insbesondere eine Versorgung mit flüssigem Stickstoff oder Kohlendioxid.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen geschlossene Kühlmedium-Kreislauf (25) in seiner Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Eintritt in den zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) einen Zusatzeinlass (38) für eine zusätzliche Menge an Kühlmedium aufweist und hinter dem ersten Endbereich (4) des Wärmetauschers (1) einen Zusatzauslass (39) für die zusätzliche Menge an Kühlmedium.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Stelleinrichtungen (40, 41) zur Steuerung oder Regelung des Einlasses und des Auslasses an zusätzlichem Kühlmedium vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) mit einem Gefälle in der Richtung der Durchströmung mit Kühlmedium von weniger als 10° zur Horizontalen, vorzugsweise einer Neigung zwischen 1° und 5° angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) mindestens einen Kondensat-Abfluss (11) an seiner Unterseite aufweist, insbesondere zwei oder mehr, die in Abständen hintereinander in Richtung der Durchströmung mit Kühlmedium angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) mindestens mit einem ersten Messfühler (35) ausgestattet ist zur Messung eines Messwertes, aus dem die Temperatur des Gasstromes im zweiten Endbereich (5) des Wärmetauschers (1) ableitbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellglied (26) im Kühlmedium-Kreislauf (25) und/oder eines (34) im Kühlmittel-Kreislauf (29) vorhanden sind, die mit einer Prozess-Regelung (30) verbunden sind, so dass die dem Wärmetauscher (1) zugeführte Kälteleistung regelbar ist.
Verfahren zum Regeln einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Temperatur des Gasstromes im zweiten Endbereich des Wärmetauschers (1) proportionaler Messwert gemessen und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird, indem der Durchfluss und/oder die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf entsprechend angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prozess-Regelung den Messwert verarbeitet und eine Fördereinrichtung (26) im Kühlmedium-Kreislauf (25) und/oder ein Regelventil (34) im Kühlmittel-Kreislauf (29) als Stellglieder zur Konstanthaltung des Messwertes ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Regelventil (34) im Kühlmittelkreislauf (29) im wesentlichen die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf vor dem Wärmetauscher (1) und durch die Fördereinrichtung (26) im Wesentlichen die Temperatur im Kühlmedium-Kreislauf hinter dem Wärmetauscher (1) geregelt wird.