DE1544163C

DE1544163C - Process for liquefying vapors contained in gases and devices suitable therefor

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Publication number: DE1544163C
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Spahrbier
Original assignee: VARTA AG
Current assignee: VARTA AG
Publication date: 1971-12-09

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüs- verdunsten läßt und dadurch die Temperatur der posigen von in Gasen enthaltenen Dämpfen und Vor- rösen Membran noch mehr erniedrigt,
richtungen, die in der Lage sind, unter raumsparenden Die Vorrichtung zum Verflüssigen der Dämpfe kann Bedingungen Dämpfe wirtschaftüch zu kondensieren. vollzylindrisch, als Hohlrohr und — bevorzugt wegenThe invention relates to a method for liquefying can be evaporated and thereby the temperature of the posigen of vapors contained in gases and pre-roasting membrane is lowered even more,
The device for liquefying the vapors can condense vapors economically under space-saving conditions. fully cylindrical, as a hollow tube and - preferably because of

Bekanntlich läßt sich jedem porösen Körper mit 5 der dann einfacheren Herstellung — als FlachpaketAs is well known, each porous body can then be produced more easily with 5 - as a flat package

annähernd gleich großen Poren ein Kapillardruckpk ausgebildet sein; dabei kann man die Reihenfolge der a capillary pressure pk can be formed with pores of approximately the same size; you can change the order of the

zuordnen, der wirksam wird, sobald dieser Körper verschiedenen Kammern umkehren und diese Folgeassign that takes effect as soon as this body reverse different chambers and this result

mit einer Flüssigkeit in Berührung gerät. auch vervielfachen.comes into contact with a liquid. also multiply.

Stellt dieser Körper eine poröse Membran dar, die Es ist zweckmäßig, den Querschnitt der Gasströ-If this body is a porous membrane, it is advisable to measure the cross-section of the gas flow

einen Gasraum von einem Flüssigkeitsraum trennen io mungskammer wesentlich größer zu halten als dieto keep a gas space from a liquid space separate io calculation chamber much larger than the

soll, so muß der Gasraum unter einem Druck stehen, entsprechende Zuleitung, um durch Minderung dershould, the gas space must be under a pressure, appropriate supply line to by reducing the

der größer ist als der hydrostatische Druck pu der Strömungsgeschwindigkeit die Kondensation zu be-which is greater than the hydrostatic pressure pu the flow velocity to cause condensation

auf der anderen Seite der Membran befindlichen günstigen.favorable on the other side of the membrane.

Flüssigkeit. Auch durch die Einwirkung einer gesondert geSoll vermieden werden, daß das Gas durch die 15 führten Kühlflüssigkeit, die mit dem von der Gas-Poren in den Flüssigkeitsraum übertritt, muß der Gas- Strömungskammer durch die poröse Membran abgedruckte kleiner als der Kapillardruck der porösen trennten Raum für die Abführung der kondensierten Membran gewählt werden. Flüssigkeit in wärmeleitendem Kontakt steht, kannLiquid. Also by the action of a separate geSoll it can be avoided that the gas is led through the 15 cooling liquid, which is with that of the gas pores passes into the liquid space, the gas flow chamber must be printed off by the porous membrane less than the capillary pressure of the porous separated space for the discharge of the condensed Membrane can be chosen. Liquid is in thermally conductive contact

Damit also einerseits der Gasraum nicht mit Flüssig- die Kondensation verstärkt werden. Die porenfreie keit volläuft und andererseits die poröse Fläche kein 20 Wärmeübertragungswand kann durch bekannte Maß-Gas durchläßt, muß für den Gasdruck ρ ο die Bedin- nahmen eine vergrößerte Austauschoberfläche ergung gelten halten.So that on the one hand the gas space is not intensified with liquid condensation. The pore-free speed is full and, on the other hand, the porous surface cannot pass through a heat transfer wall through known measurement gas, the conditions for an enlarged exchange surface must apply to the gas pressure ρ ο.

Um sicherzustellen, daß weder das Kondensat in dieTo ensure that neither the condensate enters the

Ph < Pg < Pu- Gasströmungskammer noch Gas in das Kondensat Ph < Pg <Pu- gas flow chamber still gas in the condensate

25 gelangt, werden Membranen verwendet, deren größere25, membranes are used, the larger of which

Diese bei Gasdiffusionselektroden seit längerem Porenöffnungen zur Gasströmungskammer hinweisen, verwendete Folgerung läßt sich auch zur Trennung Die gewünschte Abstufung des Kapillardrucks kann von Flüssigkeiten und Gasen ausnutzen, wie es bei- auch durch erhöhte Hydrophylierung der Flüssigkeitsspielsweise für die teilweise Rückführung von Kon- seite bzw. durch gesteigerte Hydrophobierung der denswasser über die Gasphase in den Flüssigkeitsraum 30 Gasseite der porösen Membran bewirkt werden,
vorgeschlagen worden ist. Danach erfolgt eine konti- Die Wirkungsweise sei an Hand der schematischen nuierliche Rückbrkgung des zuviel kondensierten Zeichnungen, teilweise im Zusammenhang mit den Reaktionswassers eines Knallgaselementes in den Beispielen, erläutert.This inferred pore openings to the gas flow chamber in gas diffusion electrodes for a long time can also be used for separation increased hydrophobicity of the water through the gas phase in the liquid space 30 gas side of the porous membrane are brought about,
has been proposed. This is followed by a continuous The mode of operation is explained on the basis of the schematic nuierliche return of the excessively condensed drawings, partly in connection with the reaction water of an oxyhydrogen element in the examples.

flüssigen Elektrolyten vermittels einer porösen Mem- F i g. 1 zeigt einen aus drei Kammern 2, 5 und 9liquid electrolyte by means of a porous mem- F i g. 1 shows one of three chambers 2, 5 and 9

bran. 35 bestehenden Flachkondensator. In Kammer 2 wirdbran. 35 existing flat capacitor. In chamber 2 is

Inzwischen stellte sich nun die Aufgabe, die bereits das beispielsweise mit Wasserdampf beladene Gas überIn the meantime, the task arose to transfer the gas, which was loaded with water vapor, for example

vorliegenden Erkenntnisse betreffend die Trennung Rohrl eingeleitet. Hierbei gerät es in Kontakt mitexisting knowledge regarding the separation Rohrl initiated. Here it comes into contact with

von gasförmiger und flüssiger Phase auch auf die Ver- der porösen Wand 4, die eine Temperatur unterhalbof gaseous and liquid phase also on the ver of the porous wall 4, which is a temperature below

flüssigung von in einem Gasstrom mitgeführten des Taupunktes des betreffenden Dampfes aufweist.has liquid of entrained in a gas stream of the dew point of the vapor in question.

Dämpfen anzuwenden. 4° Deshalb kondensiert an der Oberfläche von Wand 4To apply steaming. 4 ° Therefore condenses on the surface of wall 4

Diese Aufgabe wurde gelöst, indem das dampf- Wasserdampf. Der Dampfgehalt des bei 3 austretendenThis task was solved by the steam-water vapor. The steam content of the emerging at 3

beladene Gas mit einer porösen Membran, deren Poren Gases wird erniedrigt, während das kondensierteloaded gas with a porous membrane, the pores of which is lowered while the gas is condensed

mit Flüssigkeit gefüllt sind und deren Temperatur eine Wasser durch die poröse Wand 4 in die schon mitare filled with liquid and whose temperature is a water through the porous wall 4 in the already with

Verflüssigung des Dampfes herbeiführt, in Berührung Wasser angefüllte Kammer 5 gedrückt wird. DurchLiquefaction of the steam brings about, in contact with water-filled chamber 5 is pressed. Through

gebracht wird, wobei das dampfhaltige Gas unter 45 Kammer 9 zirkuliert Kühlwasser, wobei der Einlaß 7is brought, with the vapor-containing gas circulating under 45 chamber 9 cooling water, the inlet 7

einem Druck oberhalb des hydrostatischen Drucks mit dem Auslaß 10 durchaus vertauscht werden darf,a pressure above the hydrostatic pressure with the outlet 10 can certainly be exchanged,

der Kühlflüssigkeit, aber unterhalb des Kapillardrucks Da die Wand 8 nicht porös ist, kann kein Kühlwasserthe cooling liquid, but below the capillary pressure Since the wall 8 is not porous, no cooling water can

der porösen Membran zugeführt wird. in die Kammer 5 übertreten. Auf diese Weise ist esis fed to the porous membrane. enter chamber 5. That way it is

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung möglich, das kondensierte, über Leitung 6 ablaufendeA suitable device for implementation is possible, the condensed, draining via line 6

des Verfahrens enthält eine Kammer für die Durch- 5° Reaktionswasser rein zu halten und dennoch an derof the process contains a chamber for the passage of 5 ° to keep the water of reaction pure and yet at the

leitung des dampfbeladenen Gases; diese Kammer porösen Wand 4 etwa die Temperatur des Kühlwassersconduction of vapor-laden gas; this chamber porous wall 4 approximately the temperature of the cooling water

weist mindestens einen porösen Bereich auf, dessen vorzugeben.
Poren mit einer angrenzenden Kühlflüssigkeit gefüllthas at least one porous area to be specified.
Pores filled with an adjacent cooling liquid

sind. Beispiel 1are. example 1

Unter Ausnutzung der obenerwähnten bekannten 55Taking advantage of the aforementioned known 55

Eigenschaften praktisch homöoporöser Membranen Es wurde eine Plattenanordnung gemäß F i g. 1Properties of practically homeoporous membranes A plate arrangement according to FIG. 1

oder auch biporöser Folien, deren beide Schichten hergestellt und mit einer Knallgasbatterie verbunden,or also biporous foils, the two layers of which are manufactured and connected to an oxyhydrogen battery,

"wesentlich voneinander abweichende Porendurch- Der Platten- bzw. Wandabstand des Kondensators"Significantly different pore diameters - The distance between the plates and the wall of the condenser

messer haben, wird eine raumsparende und sehr wirk- betrug 1 mm.
same Vorrichtung gewährleistet, ohne einen zusatz- 60Knife will be space-saving and very effective- was 1 mm.
The same device is guaranteed without an additional 60

liehen Kondensator zu benötigen. Hierin liegt gegen- Kühl- bzw. Übertragungsfläche 100 cm² borrowed capacitor to need. Here, the opposite cooling or transfer area is 100 cm ²

über dem bekannten Stand der Technik ein ganz Kühlwassertemperatur 17° Ca cooling water temperature of 17 ° C above the known state of the art

wesentlicher Vorteil. Gastemperatur 60° Cessential advantage. Gas temperature 60 ° C

Die Kühlwirkung kann dadurch verstärkt werden, Gasdruck 0,5 atü (H₂)The cooling effect can be increased by adding gas pressure 0.5 atü (H ₂ )

daß man in einem wärmeleitend mit dem Verflüssiger 65 Gasumwälzleistung 300 l/hthat one in a thermally conductive with the condenser 65 gas circulation capacity 300 l / h

verbundenen großflächigen Verdunster einen Teil einer Verdampferflächeconnected large-area evaporator part of an evaporator surface

getrennt geführten Kühlflüssigkeit oder auch einen (7 H₂-Elektroden der Batterie) 700 cm² separately conducted coolant or one (7 H ₂ -electrodes of the battery) 700 cm ²

Teil der oder die gesamte kondensierte Flüssigkeit Elektrolyt 6n-KOH 6O⁰CPart or all of the condensed liquid electrolyte 6n-KOH 6O ⁰ C

Unter diesen Bedingungen ergab sich eine Kondensationsgeschwindigkeit von 36 cm³ Wasser pro Stunde. Dies entspricht etwa der Reaktionswassererzeugung einer Knallgasbatterie von 70 Watt. Die Leistungsaufnahme der Gaspumpe beträgt unter dieser Bedingung 2 Watt, also 3 % der Gesamtleistung.Under these conditions, the rate of condensation was 36 cm ^{3 of} water per hour. This corresponds roughly to the generation of reaction water from an oxyhydrogen battery of 70 watts. The power consumption of the gas pump under this condition is 2 watts, i.e. 3% of the total output.

Bei gleicher Pumpenleistung kann die Wirksamkeit des Flachkondensators erhöht bzw. sogar verdoppelt werden, wenn man auf die Rückgewinnung des Reaktionswassers verzichtet.With the same pump output, the efficiency of the flat capacitor can be increased or even doubled if you dispense with the recovery of the water of reaction.

Zur Erläuterung dient F i g. 2. Es handelt sich wiederum um einen Dreikammerkondensator, bei dem Kammer 2 der F i g. 1 zweimal vorhanden ist. Funktion und Wirkungsweise der porösen Platte 4 in F i g. 1 wird hier von zwei Platten 4 erfüllt, die symmetrisch zur Kühlwasserkammer 9 angeordnet sind. Die kondensierte Flüssigkeit wird bei dieser Ausführungsform unmittelbar in den Kühlmittelkreislauf gedrückt.F i g serves to explain. 2. It is again a three-chamber capacitor in which Chamber 2 of FIG. 1 exists twice. Function and mode of operation of the porous plate 4 in F i g. 1 is fulfilled here by two plates 4, which are arranged symmetrically to the cooling water chamber 9. In this embodiment, the condensed liquid is fed directly into the coolant circuit pressed.

Steht kein Kühlmittel zur Verfügung, so läßt sich die abgeschiedene Flüssigkeit vorteilhaft für diesen Zweck einsetzen. Zur Erläuterung sei auf die schematischen F i g. 3 und 4 (Seitenansicht von F i g. 3) verwiesen. Die mit den Zahlen 1 bis 6 bezeichneten Teile der F i g. 3 haben die gleiche Aufgabe wie in F i g. 1. Der Unterschied besteht in der Verwendung einer Luftkühlung statt einer Flüssigkeitskühlung. Die Luftkühlung wird über ein System von porösen Platten 17 bewirkt, die thermisch über die metallischen Wärmeleiter 8 mit Platte 11 leitend verbunden sind. Auf diese Weise wird das Kühlmittel in Kammer 5 und damit die poröse Platte 4 gekühlt, so daß der Dampf dort kondensiert. Die Kühlwirkung läßt sich wirkungsvoll steigern, wenn die porösen Platten 17 sich mit der kondensierten Flüssigkeit vollsaugen. Auf diese Weise wird infolge der Verdunstung eine Temperaturerniedrigung erzielt, die eine erhöhte Kondensationsgeschwindigkeit zur Folge hat. Die Füllung der Poren der Platten 17 erfolgt z. B. durch zwei Kanäle des Rohres 6, wobei die Rohrenden der Leitungen etwa mit saugfähigem Asbestmaterial 9 in Verbindung stehen. Die Asbestlage ihrerseits steht in flüssigkeitsleitender Verbindung mit den als Verdampferflächen arbeitenden porösen Platten 17. Die Kühlwirkung kann durch gerichtete Luftumwälzung mittels eines Ventilators gesteigert werden. Da die Kondensationswärme recht genau der Verdampferwärme entspricht, ist diese Ausführungsform energetisch besonders vorteilhaft, da die Kondensationswärme nicht ungenutzt verlorengeht wie z. B. im Falle einer direkten Wasserkühlung. If no coolant is available, the separated liquid can be used advantageously for this Use purpose. For explanation, refer to the schematic FIG. 3 and 4 (side view of FIG. 3). The parts of FIG. 1 identified by the numbers 1 to 6. 3 have the same task as in FIG. 1. The difference is the use of air cooling instead of liquid cooling. The air cooling is effected via a system of porous plates 17, which are thermally via the metallic heat conductor 8 are conductively connected to plate 11. In this way, the coolant is in chamber 5 and thus the porous plate 4 is cooled so that the steam condenses there. The cooling effect can be effective increase when the porous plates 17 soak up the condensed liquid. In this way a decrease in temperature is achieved as a result of evaporation, which results in an increased rate of condensation. The filling of the pores the plates 17 takes place, for. B. through two channels of the pipe 6, the pipe ends of the lines approximately be in connection with absorbent asbestos material 9. The asbestos situation, for its part, is more fluid Connection with the porous plates 17 working as evaporator surfaces. The cooling effect can be increased by directed air circulation using a fan. Since the heat of condensation corresponds exactly to the heat of the evaporator, This embodiment is particularly advantageous in terms of energy, since the heat of condensation is not wasted is lost such as B. in the case of direct water cooling.

Example 2

Verwendet man eine biporöse Ni-Sinterplatte mit 150 cm² Oberfläche, mit 50 % Porenvolumen und einer Dicke von 0,5 mm, so lassen sich von dieser Platte bei Zimmertemperatur (22° C) und unbewegter Luft (relative Luftfeuchtigkeit 65%) 8 cm³ Wasser pro Stunde verdunsten. Hierbei ergibt sich für die Verdampferplatte eine Temperaturerniedrigung von etwa 3,5° C gegenüber der Raumtemperatur. Bei bewegter Luft (10-Watt-Ventilator in etwa 10 cm Abstand vom Verdampfer) werden pro Stunde 20 cm³ H₂O bei einer Temperaturerniedrigung von 5°C unter sonst gleichen Bedingungen verdunstet. Bei einer parallelen Anordnung von zehn Verdampferflächen gemäß F i g. 3 und 4 lassen sich mit einem 10-Watt-Ventilator bei einer Raumtemperatur von etwa 22⁰C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65% pro Stunde über 100 cm³ Wasser verdunsten. Dieses entspricht der Wassererzeugung einer 200 Watt H₂/O₂-Brennstoffzellenbatterie. If a biporous Ni sintered plate with 150 cm ² surface, with 50% pore volume and a thickness of 0.5 mm is used, 8 cm can be removed from this plate at room temperature (22 ° C.) and in still air (relative humidity 65%) ³ water evaporate per hour. This results in a temperature decrease of about 3.5 ° C compared to room temperature for the evaporator plate. With moving air (10 watt fan at a distance of about 10 cm from the evaporator), 20 cm ^{3 of} H ₂ O are evaporated per hour at a temperature decrease of 5 ° C. under otherwise identical conditions. With a parallel arrangement of ten evaporator surfaces according to FIG. 3 and 4 can be evaporated with a 10 watt fan at a room temperature of about 22 ⁰ C and a relative humidity of 65% per hour over 100 cm ^{3 of} water. This corresponds to the water production of a 200 watt H ₂ / O ₂ fuel cell battery.

Der Kondensator wirkt selbstregelnd; für den Fall, daß z. B. mehr Wasser verdunstet als entsteht, reißt an den Rohrenden der Zweigkanäle der Wasserfaden ab. Hierdurch wird die Wasserverdunstung unterbrochen und gleichzeitig die Kondensatortemperatur ίο erhöht. Eine unerwünschte Konzentrationserhöhung des Elektrolyten kann hierdurch vermieden werden.The capacitor is self-regulating; in the event that z. B. more water evaporates than arises, cracks the water thread from the pipe ends of the branch channels. This interrupts the evaporation of the water and at the same time the condenser temperature ίο increases. An undesirable increase in concentration of the electrolyte can be avoided in this way.

B ei sp i el 3Example 3

In einer Vorrichtung gemäß F i g. 1 wird über die Zuleitung 1 bei 6O⁰C mit Tetrachlorkohlenstoff gesättigte Luft durch die Kammer 2 geleitet. Der Tetrachlorkohlenstoffdampf scheidet sich in flüssiger Form an der einschichtigen porösen Wand 4 (100 cm²) ab und gelangt durch die Poren in den Sammelraum 5. Dort wird der Tetrachlorkohlenstoff vermittels der wärmeleitenden Wand 8 durch das den Kühlraum 9 durchströmende Wasser auf einer Temperatur von etwa 20⁰C gehalten. Pro Stunde wurden 36 cm³ bzw. 57,6 g Tetrachlorkohlenstoff aus 1501 Luft abgeschieden. In a device according to FIG. 1 is fed via the feed line 1 at 6O ⁰ C with carbon tetrachloride saturated air through the chamber. 2 The carbon tetrachloride vapor is deposited in liquid form on the single-layer porous wall 4 (100 cm ² ) and passes through the pores into the collecting space 5 20 ⁰ C held. 36 cm ³ or 57.6 g of carbon tetrachloride were deposited per hour from 150 l of air.

Example 4

Mit Methanoldampf beladene Luft wird einer Vorrichtung gemäß F i g. 2 zugeführt. Die Temperatur des Gases beträgt 6O⁰C. Es ist mit Methanoldampf gesättigt. Befindet sich in der Kammer 9 flüssiges Methanol, das im Kreislauf gekühlt wird und deshalb eine durchschnittliche Temperatur von 20° C aufweist, so werden aus der durchströmenden Luft pro Stunde 43 cm³ bzw. 34 g Methanol abgetrennt. Läßt man methanolfreies Wasser von 20⁰C durch die Kammer 9 strömen, so erhöht sich die Ausbringungsrate auf 160 cm³ bzw. 128 g pro Stunde; die umgeführte Luft beläuft sich in beiden Fällen auf 200 l/h.Air laden with methanol vapor is fed to a device according to FIG. 2 supplied. The temperature of the gas is 6O ⁰ C. It is saturated with methanol vapor. If there is liquid methanol in the chamber 9, which is cooled in the circuit and therefore has an average temperature of 20 ° C., 43 cm ³ or 34 g of methanol per hour are separated from the air flowing through. If methanol-free water at 20 ^° C. is allowed to flow through the chamber 9, the rate of application increases to 160 cm ³ or 128 g per hour; the circulated air amounts to 200 l / h in both cases.

Claims

Patent claims:

1. Process for liquefying vapors contained in gases, in particular in the operating gas galvanic oxyhydrogen batteries contained water vapor, by means of a cooling liquid, characterized in that the vapor-laden gas with a porous membrane, whose pores are filled with liquid and whose temperature causes the vapor to liquefy brings about, is brought into contact, the vapor-containing gas under a pressure above the hydrostatic pressure of the cooling liquid, but below the capillary pressure of the porous Membrane is supplied.

2. Device for liquefying vapors contained in gases by means of a cooling liquid, especially for condensing the reaction water vapor in galvanic oxyhydrogen batteries, characterized in that a gas flow chamber has at least one porous membrane has, the pores of which are filled with a cooling liquid in contact with this wall.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the outflow of the liquid chamber is liquid-conducting with a large area

Evaporator is connected, which in turn is in contact with the liquid chamber via thermally conductive material.

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the gas flow chamber the encloses liquid chamber separated by porous membranes.

5. Apparatus according to claim 2, characterized in that the liquid chamber the encloses gas flow chamber separated by porous membranes.

6. Device according to claims 2, 4 and 5, characterized in that on that of the gas flow chamber facing away from the liquid

keitskammer a cooling chamber at least partially in contact with the pore-free area of this chamber is appropriate.

7. Device according to claims 2 to 6, characterized in that the porous membrane has approximately the same size conical capillaries, the larger openings of which are on the side of the Gas flow chamber are located.

8. Device according to claims 2 to 6, characterized in that the porous membrane consists of two layers, the mean pore diameters of which differ significantly from each other, the coarser-pored layer facing the gas flow chamber.

1 sheet of drawings