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Verfahren zur Ausscheidung von tiefsiedenden Dämpfen aus Gasen Bei
der Erzreduktion im Hochofen werden von den aus i kg C entstehenden 2 cbm C O bestenfalls
nur o,5 cbm durch den Erzsauerstoff- zu CO. verbrannt. Das entspricht
einer Wärmemenge von o,5 # 3000 = 15 0o cal und einschließlich der Wärmemenge
von 2470 cal, welche bei der Verbrennung des Kohlenstoffs zu CO frei wird,
3970 cal. Sofern die Erzreduktion nicht im Hochofen, sondern getrennt von
dem S.chmelzprozeß in ,einem besonderen Reduktionsverfahren vor sich gehen soll,
um Eisenschwamm zu erzeugen, verschlechtert sich die Brennstoffausbeute noch mehr,
denn hier beträgt sie nur etwa zooo cal je Kilogramm Kohlenstoff.
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Etwa zwei Drittel des Koksheizwertes müssen somit in Form von CO zu
anderweitiger Verwendung aus dem Hochofen abgeführt werden und gehen damit dem Prozeß
verloren, weil das zu 30% mit C02 versetzte Gas für eine erneute Verwendung zur
Erzreduktion untauglich ist. Durch die Reduktion des Kohlensäuregehalts in einem
Regenerator ist dieser Übelstand zwar zu beheben, aber dadurchvermehrt sich die
CO-Menge fortlaufend um den Anteil an CO., weil bei der Regeneration
aus i Teil C 02 stets z Teile C O entstehen, so daß auch in diesem Falle ein gleich
großer Wärmeausfall verbleibt. Um die CO-Menge immer auf dem gleichen Stand zu erhalten,
müßte daher ständig die Hälfte des Kohlensäuregehalts vor der Regeneration ausgeschieden
und nur die andere Hälfte wieder zu C O reduziert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren, diese überschüssige
Kohlensäure durch reversible Tiefkühlung auszufrieren, den dadurch entstehenden
Reif dann durch Sublimation an Luft oder ein anderes Gas zu übertragen, um damit
den Reif aus der Gefrierapparatur zu entfernen.
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Ebenso wird auch der Wasserdampf des Gases und der Luft, soweit @er
sich 'als Reif oder Feuchtigkeit ansetzt, dadurch aus dem Tauscher entfernt, daß
die an den Tauscherflächen der Kältespeicher sich ansetzende Feuchtigkeit oder Reif
gleichfalls durch Sublimation von dem Gas 'und der Luft wieder aufgenommen wird.
Die Sublimationswirkung hat aber zur Voraussetzung, daß die herausgeleitete Luft
und das herausgeleitete Gas ein größeres Volumen besitzt als die hineingeleitete
Luft und das hineingeleitete Gas, weil die Aufnahme von Dämpfen durch ein Gas eine
Funktion des Volumens ist.
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Zu diesem Behufe werden sowohl das Gas als auch die Luft auf etwa
o,5atü verdichtet und am Übergang vom Eintritts- in den Austrittskältespeicher in
der Tiefkühlzone @entspannt, um den Volumenunterschied zwischen dem eingeleiteten
Gas bzw. der eingeleiteten Luft und dem wieder hera@usgeseiteten Gas
oder
der herausgeleiteten Luft herzustellen, der für eine restlose Beseitigung des Reifes
und der Feuchtigkeit erforderlich ist.
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In solchen Fällen, wo das Gas nach der Befreiung von CO.
im verdichteten Zustand Verwendung finden soll, wie z. B. beim Ho.chofenbetrieb,
wird dasselbe schon vor der Behandlung in der Kohlensäureauss.cheidungsapparatur
nach Bedarf, d. h. ,auf etwa o, 5.atü, verdichtet, ,aber nicht entspannt, um nach
dem Verlassen derselben mit diesem Druck in den -Hochofen eingeblasen zu werden.
Dafür aber wird die eingeleitete Luft -um o,5 atü höher, d. h. auf etwa i atü, verdichtet
und nur diese nach der Tiefkühlung auf etwa o, i atü unter Leistung äußerer Arbeit
in einer Maschine entspannt.
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Durch diese Arbeitsleistung in der Kaltluftentspannungsmaschine (Kolbenmaschine
oder Turbine) entsteht Kälte, und diese soll nun zur Deckung der unvermeidlichen
Kälteverluste des Betriebes dieser K ohlensäureaus#-scheidungsanlagen dienen.
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Es wird .also mit der Verdichtung ein doppelter Zweck erreicht, indem
erstens der für eine restlose Sublimation erforderliche Valumenunters,chied zwischen
der eingeleiteten und der herausgeführten Gesamtgasmenge
hergestellt und zweitens durch eine Entspannung des Gases und der Luft oder nur
der höher verdichteten Luft die zur Deckung der Kälteverluste erforderliche Zusatzkälteleistung
erzielt wird.
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Auf beiliegender Zeichnung (Blatt- I) ist eine Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel angegeben.
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Sie besteht aus vier Kältespeichern flund f3, 12 und 14, den beiden
oberen len b1 und b° und den beiden Entspannungsmaschinen cl und c2. Vor der Betriebsaufnahme
werden alle vier Kältespeicher bis etwa - i25° abgekühlt.
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Das von CO,> zu befreiende Gas tritt nun bei g durch das Umschaltventil
a1 mit o, 5 ,atü ein, kühlt sich im oberen Drittel des Kältespeichers /l zunächst
bis -3o° ab, wobei sich seine Feuchtigkeit an den Flächen des Kältespeichereinsatzes
niederschlägt und unterhalb o° als Reif ausscheidet, der ebenfalls an den Flächen
haftenbleibt. Auf seinem weiteren Wege nach unten durch den Kältespeicher/' friert
dann auch die Kohlensäure aus, die ebenfalls als Reif an den Flächen. haftet. Das
von CO, und H20 befreite Gas strömt durch das Umschaltventil b1 mit Leitung 6 in
die Entspannungsmaschine cl,kühlt sich in dieser um 6° ab, strömt dann mit Leitung
7 durch Umschaltventil b2 in den Kältespeicher ß, gibt in diesem seine Kälte wieder
ab und nimmt in dessen oberem Drittel wieder Feuchtigkeit auf, indem es den Reif
von den Flächen absublimiert. Auch die flüssige Feuchtigkeit, welche sich an den
Flächen vorher als Tau angesetzt hatte, wird dabei aufgenommen und das Gas sodann
durch das Umschaltventil a2 bei h heraus,geleitet. Dieser Weg des Gases ist durch
die langen ausgezogenem Pfeil,- angedeutet. Im Kältespeicher /l befindet sich nun
sowohl die ,aus dem Gas ausgeschiedene Feuchtigkeit als auch dessen Gehalt an
CO.,
während der Kältespeicher f3 jetzt völlig trokken ist.
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In derselben Zeit wird Luft beim durch das Umschaltventil u2 in den
Kältespeicher f 4 mit o,5 atü eingeleitet, gibt dort zuerst seinen Feuchtigkeitsgehalt
und weiter-unten auch die Kohlensäure ,ab, worauf sie durch das Umschaltventil b=
mit Leitung 8 in die Entspannungsmaschine c2 geleitet, in dieser auf o, i atü kälteleistend
entspannt und mit Leitung durch das Umschaltventil b1 in den Kältespeicher/2 geführt
wird, in welchem sie ihre Kälte wieder abgibt und Kohlensäure sowie weiter oben
auch Feuchtigkeit als Reif und Tau aufnimmt, um dann durch das Umschaltventilal
bei it, mit C02 und H20 behaftet, wieder ins Freie entlassen zu werden. Der Luftweg
während dieser Schaltperiode ist mit kurzen ausgezogenen Pfeilen angedeutet.
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Nun werden alle vier Umschaltventile umgestellt und das Gas mit o,5
atü wieder durch das Umschaltventilal bei g, jetzt aber in den Kältespeicher f2
neingeleitet, aus dem soeben die Luft den Kohlensäurereif absublimiert:und die Feuchtigkeit
aufgenommen hat, gibt in diesem oben wieder seine Feuchtigkeit und weiter .unten
dann die Kohlensäure ab, strömt durch das jetzt ebenfalls umgestellte Schaltventil
b1 mit Leitung 6 in die Entspannungsmaschine cl, um aus dieser 6° weiter abgekühlt
und entspannt mit Leitung 7 durch das umgestellte Schaltventil b2 in den Kältespeicher
f4 geleitet zu werden, wo es sich wieder erwärmt, in dessen oberem Teil wieder Feuchtigkeit
aufnimmt und durch das umgestellte Schaltventila2 frei von C O.2, aber feucht,
entnommen wird. Der Gasweg dieser zweiten Schaltperiode ist mit langen punktierten
Pfeilen angedeutet.
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Zu gleicher Zeit wird bei m durch das gegenüber der Zeichnung umgestellte
Schaltventil a2 Luft eingeleitet, jetzt aber in den Kältespeicher f3 geleitet, kühlt
sich in diesem bis - i25° ,ab, wobei es im oberen Teil seine Feuchtigkeit abgibt.
Sodann strömt es durch das gegenüber der Zeichnung -umgestellte Schaltventil b2
mit Leitung 8 in die Entspannungsmaschine c2 und aus dieser entspannt und um 6°
tiefer abgekühlt mit Leitung 9 durch das gegenüber der Zeichnung jetzt umgestellte
Schaltventil
b1 in den Kältespeicher il, nimmt aus diesem unten durch Sublimation Kohlensäurereif
und oben Feuchtigkeit auf und gibt seinen Kälteinhalt an den Einsatz dieses Kältespeichers
ab, worauf sie, mit CO.= und H,0 behaftet, durch das gegenüber der Zeichnung jetzt
umgestellte Schaltventil a1 bei tt ins Freie entlassen wird.
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Durch die beiden Speicher f' und /l wird also stets nur die Luft eingeleitet
und das CO-freie Gas feucht herausgeführt, während durch die Speicher/-' und /l
nur Gas eingeleitet und kohlensäurehaltige Luft feucht herausgeführt wird.
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Was herauskommt und in die Kältespeicher hineingeleitet wird, ist
also stets feucht, ob Luft oder Gas; dagegen enthält von den herausgeleiteten Medien
nur die Luft CO, während das Gas zum größten Teil davon befreit ist. Dafür aber
besitzt dieses beim Eintritt bis zu einem Drittel CO,-Giehalt;'die Luft ist aber
bei ihrem Eintritt nahezu frei davon.
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Die Kohlensäure des Gases wird demnach bis auf einen kleinen Rest
von der Luft aufgenommen, ebenso dessen Feuchtigkeitsgehalt, während das Gas nur
die Feuchtigkeit der Luft übernimmt.
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Dabei korrespondiert stets der Speicher/' mit f, sowie der Speicher/-'
mit f1 und umgekehrt.
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Beim Eintritt in die Kältespeicher befindet sich sowohl das Gas als
auch die Luft in verdichtetem, beim Austritt dagegen in entspanntem Zustand. Damit
wird der Volumenunterschied geschalten, der für eine restlose Sublimation unerläßlich
ist, und die bei der Verdichtung aufgewendete Arbeit kann durch Entspannen in einer
Expansionsmaschine sehr nützlich zur Kälteleistung verwendet werden, um damit die
Kälteverluste des Betriebes zu decken, wie sie sich aus dem nie ganz verlustlos
durchzuführenden Kältetausch und aus dem Oberflächenkälteverlustergeben. Im übrigen
ist der Prozeß thermisch vollkommen ausgeglichen, denn es wird sowohl die zur Abkühlung
.aufgewendete als auch die beim Ausfrieren von H,0 und CO,. verbrauchte Kälte
bei der nachfolgenden Wiederaufnahme von CO, und H,0 bzw. durch
die Wiederabgabe der aufgenommenen fühlbaren Kälte zurückgewonnen.
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Wenn das Gas, wie es für den Hochofenbetrieb erforderlich ist, schon
an sich verdichtet werden muß, dann kann das Verfahren mit einer Entspannungsmaschine
durchgeführt werden.
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In diesem Falle wird dann die Luft höher als sonst, d. h. auf etwa
I ,atü, verdichtet und bis auf o, i atü entspannt, während das Gas, ohne entspannt
zu werden, den C O_.,-Ausscheidungsprozeß durchmacht. Diese Ausführungsart des Verfahrens
ist auf Blatt II dargestellt.
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Eine Verdichtung beider Medien ist .aber hier Grundbedingung, während
die Entspannung der Luft allein genügt, aber auch nur canil, wenn sie um o,5 atü
höher verdichtet wird als das Gas.
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An Stelle von Luft könnte auch ein anderes Gas verwendet werden, um
die ausgeschiedene Kohlensäure aufzunehmen, und an Stelle von Kohlensäure können
mit diesem Verfahren auch andere Dämpfe aus Gasen ausgeschieden werden.
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Die Durchführung des Verfahrens ist auch mit nur einem Speicherpaar
möglich,, jedoch muß dann der Gasverdichter die halbe Zeit aussetzen und ebenso
der Luftverdichter, und zudem müßte dann ein Gasbehälter zum Ausgleich der
aussetzenden Produktion von CO.-,-freiem Gas mit dem meist kontinuierlichen Bedarf
an solchem aufgestellt werden.
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Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung bestehen I. darin, daß
die in einem Nutzgas enthaltene Kohlensäure oder andere Dämpfe durch Sublimation
auf ein anderes Gas übertragen werden, z. darin, daß sowohl das Gas, aus welchem
die Kohlensäure oder .andere Dämpfe auf Luft oder ein .anderes Gas übertragen werden
sollen, ,als auch diese Luft oder das betreffende andere Gas im verdichteten Zustand
in dem jeweiligen Eintrittskältespeicher mit Umschaltwechselbetrieb abgekühlt werden,
und wobei in diesen ihr Feuchtigkeitsgehalt abgegeben und aus dem Gas außerdem auch
die Kohlensäure oder andere Dämpfe ausgefroren werden, und daß beim Übergang in
die Austrittskältespeicher in der Tiefkühlzone entweder sowohl das Gas und die Luft
oder nur die in diesem Fall höher verdichtete Luft in einer Maschine entspannt wird,
um durch diese Arbeitsleistung die Kälteverluste des: Prozesses zu decken und den
für eine restlose Sublimation erforderlichen Volumenunterschied herzustellen, worauf
beide Medien ihre Kälte in den jeweiligen Austrittskältespieichern wieder .abgeben
und aus denselben Feuchtigkeit aufnehmen, die entspannte Luft dagegen außerdem auch
die Kohlensäure oder sonstigen Dämpfe aufnimmt, welche vorher vom Gas abgegeben
wurden.
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Die Ausscheidung von Dämpfen aus Gasen durch Kühlung, etwa nach den
Patenten 267 Sog oder 463 125 oder 513 528, in flüssiger oder fester
Form ist bekannt.
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Bei ,allen diesen Verfahren muß aber die mit den ausgeschiedenen Dämpfen
aus dem Prozeß abgeführte Kälte nebst den anderen Kälteverlusten wieder ersetzt
werden, was nur dann wirtschaftlich sein kann, wenn auf die
Gewinnung
der Ausscheidungsprodukte Wert gelegt wird.
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Die Grundlage des neuen Verfahrens dagegen beruht auf der Wiedergewinnung
auch der Verflüssigungs- und der Gefrierkälte dieser ausgeschiedenen Dämpfe durch
übertragung derselben an :ein anderes Gas auf dem Wege der Sublimation.