Verfahren zur Herstellung von Kohlensäuregas und Apparat zur Ausführung dieses Verfahrens. Vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von beispiels weise zum Gebrauch in Brauereien, Mineral wasserfabriken, und dergleichen bestimmtem Kohlensäuregas mit Kohlensäureeis als Aus gangsmaterial.
Das üblich in diesen Industrien benutzte Kohlensäuregas wird in der Regel durch Ver dampfen flüssiger Kohlensäure in Stahl behältern hergestellt. Das Verdampfen ge schieht dabei bei etwa 50 Atm. Druck, und das gebildete Kohlensäuregas muss erst ein Druckreduktionsventil passieren, wo es auf einen passenden Druck, 1-6 Atm., einge stellt wird, bevor es nutzbar gemacht werden kann.
Es leuchtet ein, dass es nicht nur in pro duktionsmässiger, sondern auch in transport mässiger Hinsicht eine wesentliche Verein fachung bedeuten würde, falls man Kohlen säuregas durch direktes Verdampfen au Kohlensäureeis in Blöcken herstellen könnte.
Dies- ist, wie z. B. aus dem von Plank- und Kuprianoff aufgestellten Kohlensäure-Entro- piediagramm hervorgeht, bei Drucken unter 5,28 Atm. abs., d. h. unter dem Trippelpunkt der Kohlensäure, möglich.
. Es ist. bereits vorgeschlagen worden, für derartige Zwecke Kohlensäuregas aus Kohlen säureeis in einem geschlossenen Behälter her- zustellen, Gemäss einem dieser Vorschläge wird die Verdampfung des Kohlensäureeises dadurch verursacht, dass dem Druckbehälter von unten her Wasser zugeführt wird, das gegebenen falls mit Hilfe eines Heizelementes temperiert werden kann, wobei die Regelung der Kohlen säureentwicklung durch Regelung des Was serstandes und der Temperatur des Wassers geschieht. Diese Regelung findet manuell statt.
Bei dieser bekannten Methode ist vorge sehen, dass in den Behälter nicht mehr Kohlensäureeis zugeführt wird, als für eine Betriebsperiode erforderlich ist. Es soll hier eingefügt werden, dass in den genannten In dustrien im allgemeinen intermittierender Be trieb mit Betrieb am Tage und Betriebspausen nachts, an Sonntagen, Feiertagen und derglei chen angewendet wird.
Wenn in dem vorstehend genannten, be kannten Apparat bei Beendigung einer Be triebsperiode noch Kohlensäureeis vorhanden ist, muss man den Behälter offen stehen lassen, damit das noch vorhandene Eis ver dampfen und das entwickelte Kohlensäuregas in der Betriebspause entweichen kann. Schliesst man nämlich den Behälter, so wird das Eis infolge Wärmeaufnahme aus der Umgebung unter ständiger Druckerhöhung derart ver dampfen, dass gegebenenfalls Gefahr einer Explosion entstehen kann, falls der Behälter nicht besonders kräftig bemessen ist.
Vorliegende Erfindung betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von Kohlensäuregas aus Kohlensäureeis in einem geschlossenen Behälter, welches Verfahren eine wesentlich einfachere Regelung des Betriebes ohne Ex plosionsgefahr und ohne Verlust von Kohlen säuregas in den Betriebspausen gestattet.
Bevor auf die Beschreibung des Verfah rens eingetreten wird, ist es zweckmässig, eine Übersicht über die Zustandsänderungen zu geben, die stattfinden, wenn Kohlensäureeis in einen geschlossenen Behälter eingebracht und sich selbst überlassen wird (vergleiche obengenanntes Entropiediagramm).
Kohlensäureeis sublimiert bei Atmo sphärendruck bei einer Temperatur von ca. - 79 C. Das Eis wird deshalb bei Lagerun; in freier Luft immer diese Temperatur auf weisen.
Wird das, Eis, wie bereits erwähnt, in einen geschlossenen Behälter eingebracht, würde nichts geschehen, falls der Behälter bei dieser niedrigen Temperatur aufbewahrt werden würde. Es wird indessen vorausge setzt, dass der Behälter unter gewöhnlichen atmosphärischen Verhältnissen (zwischen -20 und -I- 20 C) aufbewahrt wird. Aus der Umgebung dringt dann in den Behälter eine bestimmte Wärmemenge pro Zeiteinheit ein, entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des Be hältermaterials.
Diese Wärme wird von der Kohlensäure in dem Behälter aufgenommen, wobei sich ein bestimmter Zustand einstellt in Übereinstimmung mit dem genannten En- tropiediagramm. Die Verhältnisse entwickeln sich nun auf folgende Weise: Das Kohlen- säureeis beginnt sofort zu verdampfen und gibt zu einer gradweisen Zunahme des Druk- kes in dem Behälter sowie zu entsprechender Erhöhung der Verdampfungstemperatur An lass.
Auf diese Weise werden Temperatur und Druck verhältnismässig schnell steigen, bis der Trippelpunkt bei etwa. 5,28 Atm. und - 56 C erreicht ist. Über diesen Punkt hinaus kann die Kohlensäure nicht länger als fester Stoff bestehen, und eine weitere Zu fuhr von Wärme wird von jetzt ab zum Schmelzen des Eises verbraucht. Dieses Schmelzen findet nun bei konstantem Druck und Temperatur statt und erfordert einen verhältnismässig grossen Wärmeverbrauch (etwa 45 Kalorien pro Kg); es dauert des halb verhältnismässig lange, bis alles Eis ge schmolzen ist. Wenn dies indessen geschehen ist, wird eine weitere Wärmezufuhr von einer schnellen Steigerung des Druckes und der Temperatur begleitet sein.
Denkt man sich nun umgekehrt eine Kohlensäuremenge, die in einem Behälter eingeschlossen ist und einen Gesamtwärme inhält aufweist, der beim Gleichgewichts zustand eine Mischung von fester und flüssi ger Kohlensäure unter einem Gasdruck von 5,28 Atm. und einer Temperatur von - 56 C bedingt, so wird durch Öffnen des Gasventils gasförmige Kohlensäure entwei chen und das Gleichgewicht im Behälter ge stört werden. Ein Teil der flüssigen Kohlen säure (der der Gasabnahme proportional ist) kann ihren Zustand nicht mehr aufrecht er halten und geht teilweise in feste und teil weise in Gasform über.
Die Menge der flüssigen Kohlensäure, die auf diese Weise in Gasform bezw. feste Form übergeht, kann leicht berechnet werden, wenn man voraussetzt, das während der Ver dampfung keine Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird. Die Verdampfungswärme der flüssigen Kohlensäure ist nämlich etwa 80 kcal, während die Schmelzwärme etwa 45 kcal ist. Von 1 kg flüssiger Kohlensäure werden deshalb 45/(80-(-45) kg = etwa 360 verdampfen, während der Rest, nämlich 80/(80-I-45) <B>kg=</B> et-,va 640 g in feste Form übergeht.
Wenn aus der Umgebung gleich zeitig eine gewisse Wärmemenge aufge nommen wird, wird selbstverständlich ein grösserer Teil der flüssigen Kohlensäure in Gasform und ein kleinerer Teil in feste Form übergehen.
Vorliegende Erfindung stützt sich auf die Erkenntnis der vorstehend beschriebenen Ver hältnisse. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von Kohlensäuregas aus fe ster Kohlensäure in intermittierendem Be trieb ist dadurch gekennzeichnet, dass man den Behälter während der Betriebsunter- brüche verschlossen hält und dass man dafür sorgt, dass bei geschlossenem Behälter stän dig feste Kohlensäure in diesem enthalten 5 ist.
Auf diese Weise ist es unmöglich, dass der Kohlensäuredruck bei geschlossenem Behälter über den dem Trippelpunkt entsprechenden Wert (etwa -.56 C) steigen kann, da dem Behälter zuströmende Wärme, sei es aus der 9 unter normalen Bedingungen stehenden Um gebung aufgenommene, sei es künstlich zu geführte, zuerst das System auf die dem Trippelpunkt entsprechende Temperatur er wärmt, falls es vorher eine tiefere Temperatur > hatte, worauf die weiter zuströmende Wärme zum Schmelzen des- Eises bei konstantem Druck von 5,28 Atm. aufgebracht -wird.
Man stellt zweckmässig die Betriebsver hältnisse (Dauer und Menge der Entnahme von Gas und Dauer der Betriebsunterbrüche) sowie die Wärmeleitfähigkeit der Behälter wandungen so aufeinander ein, dass die aus der unter normalen Bedingungen stehenden Umgebung aufgenommene Wärme für einen minimalen Bedarf an Gas gerade ausreicht, ferner so, da.ss sich ständig (d. h. auch am Schlusse einer jeden Betriebsperiode) flüssige Kohlensäure in dem Behälter befindet. Wenn letzteres der Fall ist, hat man Sicherheit da für, dass die Gasentwicklung stets bei dem konstanten Druck von etwa 5,28 Atm. statt findet.
Man verwendet vorteilhafterweise einen Behälter, der zur Aufnahme einer für die Deckung des Bedarfes an Gas von mehreren Wochen oder mehreren Monaten ausreichen den Menge Kohlensäureeis dimensioniert ist. Man versieht den Behälter zweckmässig mit Mannloch, Auslaufrohr für das Kohlensäure- a S, mit Verschliessventil und Gasmesser, Manometer, Thermometer, Sicherheitsventil, mechanischer Sicherungsvorrichtung und In spektionsglas,
sowie gegebenenfalls mit einer Vorrichtung für künstliche "##@Tärmezufuhr. Der Behälter kann ferner mit einem wärme isolierenden Mantel oder dergleichen versehen sein, dessenWärmeIeitfähigkeit durch Luken, ein Ventilationssystem oder in anderer Weise verändert werden kann, damit die Wärme aufnahme des Behälters aus der Umgebung nach Bedarf geregelt werden kann.
Der Betrieb gestaltet sich dann, beispiels weise, wie folgt: Der Behälter wird zuerst mit Kohlensäureeis gefüllt und dann geschlos- sen. Nach Verlauf einiger Zeit ist der Druck auf den dem Trippelpunkt entsprechenden Wert gestiegen, wonach das Schmelzen des Eises beginnt. Wenn der Behälter so lange Zeit gestanden hat, dass in dem geschmolze nen Eise eine latente, den Bedarf an Kohlen säuregas in der kommenden Betriebsperiode entsprechende Wärmemenge aufgespeichert ist, ist der Behälter gebrauchsfertig und die Gasentnahme kann beginnen.
Von grösster praktischer Bedeutung ist, dass die Gasentwicklung, solange sich noch flüssige Kohlensäure in dem Behälter befin det, bei einem konstanten Druck von ca. 5,28 Atm. stattfindet. Mit Hilfe eines ein fachen Dampfreduktionsventils kann man dann den Gasdruck in der Verbrauchsleitung auf jede Höhe. bis zum Trippelpunkt genau einstellen.
Wenn der Bedarf an Kohlensäuregas ge deckt ist, wird das Ventil wieder geschlossen und der Behälter wird nun wieder eine Zeit lang stehen gelassen, ehe wieder eine neue Anzapfung vorgenommen wird usw. Auf diese Weise kann so lange fortgefahren wer den, bis der Vorrat an Kohlensäureeis im Be hälter erschöpft ist. Bei korrekter Behand lung wird hierbei kein Kohlensäureverlust riskiert.
Ist indessen das Kohlensäureeis ver braucht, so verursacht der fortgesetzte Wärme zugang zum Behälter eine Erhöhung des Druckes, wodurch ein Risiko für Verlust von Kohlensäure durch das Sicherheitsventil ent steht, falls keine besonderen Massnahmen ge troffen werden.
Bei intermittierendem Bedarf an Kohlen säuregas, wie z. B. in der Brauerei- und Mi- neralwasserindustrie, mit Betrieb am Tage und Betriebspause bei Nacht, an Feiertagen und dergleichen ist es eine besondere Auf gabe, das Kohlensäureschmelzen in der Be triebspause durch Regelung der Wärme- Isolation dem Bedarf in der kommenden Be triebsperiode anzupassen. Hat man aus irgend einem Grunde für mehr Kohlensäuregas, als berechnet, Gebrauch, muss gegebenenfalls künstliche Wärme durch eine besonders ein gebaute Wärmezufuhrvorrichtung, z.
B. mit tels eines Heizelementes, zugeführt werden.
Die Benutzung von zwei oder mehreren, wechselweise zu füllenden Druckbehältern kann vorteilhaft sein. Die Behälter können oben mit Rohren verbunden sein, jedoch der art, dass jeder einzelne Behälter von dem übrigen Teil des Systems während des Fül lens abgeschlossen werden kann. Durch Aus schalten eines Teils des Systems auf diese Weise kann man dessen Oberfläche und da mit auch die Wärmeaufnahme regeln. Gleich zeitig kann eine eventuelle Drucksteigerung in einem Behälter, in dem alles Kohlensäure eis geschmolzen ist, von dem Kohlensäureeis in einem andern Behälter aufgenommen werden.
In gewissen Fällen kann es auch zweck mässig sein, Verbindungsrohre unten an den Behältern anzubringen und dadurch dem flüssigen Teil der Kohlensäure Gelegenheit zum Kommunizieren zu geben.
Bei sehr grossen Anlagen kommt auch die Einrichtung besonderer Schmelzbehälter in Betracht, von welchen die flüssige Kohlen säure in einen grösseren Sammelbehälter hineinläuft oder hinübergepumpt wird, in welchem das Verdampfen stattfindet.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann gegebenenfalls auch derart ausgeführt werden, dass wenigstens ein Teil der zur Verdamp fung des Kohlensäureeises notwendigen Wärmemenge von einem gas- oder flüssig- keitsförmigen Medium zugeführt wird, das durch ein in dem Behälter angebrachtes Durchströmungselement geleitet wird und welches, nachdem es an den Behälter oder dessen Inhalt Wärme abgegeben hat,
durch einen Wärmeaustauscher geleitet oder auf andere Weise für Kühlzwecke benutzt wird. Der Behälter kann gegebenenfalls mit dop peltem Boden oder Mantel versehen werden, durch welchen das genannte Medium hin- durchgeleitet werden kann.
Auf ähnliche Art kann auch der Kälte- : o Inhalt des hergestellten Kohlensäuregases ausgenutzt werden. UNTERANSPRUCH: 4. Apparat nach Patentanspruch II, wo bei der Behälter mit-einem wärmeisolierenden Mantel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die Wärme leitfähigkeit des Mantels zu variieren.