Messung des Temperatur- und Druckverlaufes beim Füllen und Entspannen von Dissousgasflaschen

50 Pages·1957·3.285 MB·German

by  Dr. phil habil. Paul Hölemann, Ing. Rolf Hasselmann (auth.)

FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N-WESTFAlE N
Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Leo Brandt
Nr.441
Dr. phil habil. Paul Holemann
Ing. Rolf Hasselmann
Forschungsstelle fur Azetylen, Dortmund und Dusseldorf
Messung des Temperatur- und Druckverlaufes beim FGllen
und Entspannen von Dissousgasflaschen
Ais Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
1957
ISBN 978-3-663-03722-4 ISBN 978-3-663-04911-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04911-1
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
.
.
s.
A. Einleitung. 5
s. 6
B. Bericht
. . . .
I. Experimentelles. s. 6
s.
11. Ergebnisse der Versuche •••••••. 9
s.
1. Füllversuche •••• 9
s.
2. Entspannungsversuche • 27
a) Temperaturverlauf • s. 27
s.
b) Druckmessungen 34
s.
C. Zusammenfassung •.•..•••. 39
s. 41
D. Literatu~verzeichnis .
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A. Ein 1 e i tun g
In den Dissousgasflaschen wird das Acetylen in einem Lösungsmittel auf
gelöst. Als solches dient in der Praxis fast ausschließlich Aceton (1).
Das Auflösen des Acetylens in Aceton erfolgt unter beträchtlicher Wärme
entwicklung, welche die Kondensationswärme dieses Gases nicht unerheb
lich übersteigt. Beim Füllen einer Acetylenflasche wird demnach der ent
sprechende Wärmebetrag in Freiheit gesetzt, so daß eine merkbare Tempe
ratursteigerung im Innern der Flasche stattfindet. Es ist in der Flasche
außer dem Aceton noch die poröse Masse vorhanden, die einen Teil dieser
Wärme aufzunehmen vermag. Auf der anderen Seite wird aber durch die An
wesenheit der porösen Masse die Wärmeableitung nach außen stark behin
dert.
Durch das Ansteigen der Temperatur während des Füllprozesses nimmt, be
dingt durch den Rückgang der Löslichkeit des Acetylens im Aceton mit
steigender Temperatur (2), die Aufnahmefähigkeit der Flasche stark ab.
Um trotzdem eine genügend große Gasmenge einfüllen zu können, muß daher
der Fülldruck höher gewählt werden, als es dem normalen Flaschendruck
von 18 atü bei 150C entspricht. Weiter ergibt sich die Notwendigkeit,
zur besseren Wärmeableitung die Flaschen z.B. durch Berieseln zu kühlen
und die Füllgeschwindigkeit sehr stark zu reduzieren, damit wenigstens
ein erheblicher Teil der in Freiheit gesetzten Wärme abgeführt werden
kann.
Umgekehrt wird durch die Entnahme von Acetylen aus einer Flasche Wärme
verbraucht, die zu einem beträchtlichen Temperaturrückgang führt. Die
Abkühlung bewirkt durch die damit verbundene Erhöhung der Löslichkeit
des Acetylens im Aceton einen beträchtlichen zusätzlichen Abfall des
Druckes, der seinerseits bedingt, daß hohe Entnahmegeschwindigkeiten des
Gases aus der Flasche über längere Zeiten nicht gehalten werden können.
Der Temperaturrückgang in der Flasche wird weiterhin noch dadurch erhöht,
daß gleichzeitig mit dem Acetylen immer eine gewisse, normalerweise al
lerdings geringe Menge an Aceton verdampft. Das macht sich besonders
stark während der Gasentnahme unter niedrigem Flaschendruck bemerkbar.
Andererseits bewirkt die Abkühlung, daß der mittlere Acetonverlust, der
bei der Gasentnahme auftritt, im allgemeinen geringer ist, als es dem
Sättigungsdruck des Acetons bei normaler Raumtemperatur entspricht.
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o. MIES hat schon auf diese Tatsache hingewiesen (3) und hat versucht,
auf Grund des beoba.chteten Acetonverlustes die Temperatur in der Flasche
zu ermitteln. In Wirklichkeit ist natürlich nicht mit einer einheitli
chen Temperatur zu rechnen, da die Entgasung nicht gleichmäßig in der
Flasche vor sich gehen dürfte und von außen laufend Wärme zugeführt wird.
Weiter liegt deli Rechnungen von O. MIES die nicht richtige Voraussetzung
zugrunde, daß der Partialldruck des Acetons unabhängig von der Konzen
(4).
tration der Lösung an AGetylen ist
Messungen über die beim Füllen der Flasche bzw. bei der Entnahme von Gas
auftretenden Temperaturen sind bisher nicht durchgeführt worden. Eine
Kenntnis dieser Temperaturen erscheint aber im Interesse der Ermittlung
der günstigsten Füll- und Entnahmebedingungen von größtem Interesse.
Außerdem lassen sich aus der Beobachtung des Temperaturverlaufs an ver
schiedenen Stellen in der Flasche Rückschlüsse auf den Mechanismus so
wohl des Füll- als auch des Entgasungsvorganges ziehen. Im Folgenden
wird über derartige Messungen berichtet. Da die extremsten Verhältnisse
in der Mitte der Flasche zu erwarten sind, erfolgte die Beobachtung des
Temperaturverlaufs in der Mittelachse in verschiedenen Höhen.
Sowohl beim Entgasen als auch besonders beim Füllen der Flaschen wurden
die normalerweise im Betrieb angewandten Geschwindigkeiten z.T. erheb
lich überschritten, da unter diesen Bedingungen manche Temperatur- und
Druckeffekte besonders stark hervortraten.
B. B e r ich t
I. Experimentelles
Beide Versuchsreihen wurden an normalen Acetylenflaschen von 40 I Inhalt
durchgeführt, die mit einer Schüttmasse gefüllt worden waren. Es wurde
die Masse "Mikropor B" der Ges. f. Linde' sEismaschinen, Düsseldorf -Reis
holz, verwendet. Die Flaschen wurden vor der Füllung mit Aceton während
ca. 10 Stunden bei einer Temperatur bis zu 1650C ausgeheizt, so daß alle
Feuchtigkeit ausgetrieben worden war. Das Massegewicht der Flasche nach
der Trocknung betrug 16,35 kg. Als Aceton wurde ein Präparat von Merck
DAB 6 verwendet.
In der Flasche war zentral ein Remanitrohr R von 4 mm lichter Weite ein
geführt, das bis auf den Boden reichte (s. Abb. 1). An dem Rohr waren an
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drei Stellen KonstantandrQhte angelötet, die isoliert im Innern des Roh
res nach oben aus dem Kopf der Flasche herausgeführt wurden. Die Lötstel
len befanden sich in 15 cm Höhe vom Boden (Th ), in der Mitte (Th ) und
1 2
am Kopfe der Flasche (Th3) an der Stelle, wo die Rundung der Flasche be
ginnt. Sie dienten als Thermoelemente zur Messung der Temperaturen. Die
Thermoelemente waren vorher in einem Temperaturbereich von - 30 bis
+ 700C mittels eines Normalthermometers geeicht worden. Zur Messung der
Thermospannung wurde ein Multiflex-Galvanometer der Firma Dr. B. Lange,
Berlin, verwendet. Durch Vorschaltwiderstände von 5, 11 bzw. 50 kg-Ohm
konnte jeweils der gewünschte Meßbereich eingeschaltet werden. Das Re
manitrohr wurde durch einen Spezialkopf aus der Flasche ausgeführt, an
dem gleichzeitig das Ventil der Flasche angebracht war.
Die Füllung mit Acetylen erfolgte mit Hilfe eines kleinen Versuchskom
pressors mit einer maximalen Leistung von 4,5 m3/Std. Das Acetylen wurde
in einem Naßvergaser der Firma Sirius (Füllmenge 10 kg) entwickelt, mit
tels einer normalen Trockenreinigungsmasse von der Hauptmenge an Phos
phor- und Schwefelverbindungen befreit und über einen Gasometer von ca.
3
1 m Inhalt dem Kompressor zugeführt. Zur Gasmengenmessung diente eine
Naßgasuhr. Hinter dem Kompressor wurde das Gas in der gebräuchlichen
Weise mit Chlorkalzium unter Druck getrocknet. Zwischen Gasuhr und Kom
pressor war eine Stauscheibe eingebaut, die zur Beobachtung der gewünsch
ten Gasgeschwindigkeit diente. Die Füllgeschwindigkeit konnte durch eine
Umlaufleitung am Kompressor mittels eines Ventiles genau eingestellt
werden.
Während der Füllversuche wurde laufend die zugegebene Gasmenge an der
Gasuhr abgelesen und gleichzeitig der Druck an der Rampe vor der Flasche
und die im Innern der Flasche auftretenden Temperaturen mit Hilfe der
drei Thermoelemente ermittelt. In dem abgelesenen Druckwert ist noch der
Druckabfall enthalten, der in der Zuführungsleitung vom Manometer bis
einschließlich zum Flaschenventil auftritt. Die insgesamt aufgenommene
Acetylenmenge wurde durch die Gewichtszunahme während des Füllens mit
einer Genauigkeit von! 0,01 kg gefunden.
Anschließend an jeden Füllversuch wurde nach Einstellung des Temperatur
gleichgewichtes innerhalb der Flasche ein Entspannungsversuch durchge
führt. Das Schema der dafür verwendeten Versuchsanordnung ergibt sich aus
Abbildung 1. Außer der abgegebenen Gasmenge, die mit Hilfe der Gasuhr G
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ermittelt wurde, und den Temperaturen im Innern sowie dem Druck am Aus
gang der Flasche wurde der Gehalt des Acetylens an Aceton beobachtet,
um die tatsächlich entnommene Acetylenmenge genau zu erhalten.
A b b i 1 dun g 1
Schema der Versuchsanordnung
Fl.: Gasflasche; R: Remanitrohr; Th _ 3: Lötstellen; M: Manometer;
1
V: Ventil; W: Waschflasche; H: Niveaugefäße;
S: Strömungsmesser; G: Gasuhr
Dazu wurde in regelmäßigen Zeitabständen mit Hilfe der graduierten Ni
veauflasche N eine bestimmte Menge von Acetylen durch die Waschflasche
W hindurchgesaugt, die mit Hydroxylaminhydrochloridlösung gefüllt war.
In der Lösung wurde die aufgefangene Menge an Aceton titrimetrisch er
mittelt. Die Gesamtabgabe an Aceton und Acetylen beim Entspannen ergab
sich schließlich durch die Wägung der Flasche vor und nach dem Versuch
mit einer Genauigkeit von 0,01 kg. Aus dem mit Hilfe der einzelnen Stich
proben ermittelten Acetongehalt des entnommenen Gases, der mit fallen
dem Druck naturgemäß zunahm, und den an der Gasuhr abgelesenen Volumina
wurden die während des ganzen Vorganges abgegebenen Mengen an Aceton und
Acetylen einzeln errechnet. Nach jeweils 2 bis 3 Versuchen wurde die bei
der Entgasung verlorene Acetonmenge wieder ergänzt. Die Acetonfüllungen
der Flaschen schwankten daher bei den verschiedenen Versuchen zwischen
9,9 und 10,8 kg.
Bei den ersten Versuchs serien wurden die Flaschen stehend gefüllt, wobei
sie nur der Kühlwirkung der umgebenden Luft ausgesetzt waren, während
bei den weiteren Versuchen die Flaschen in einem Wasserbad standen. Die
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Luftemperatur in Flaschennähe schwankte dabei zwischen 10 und 15°C, wäh
rend die Temperatur des Wasserbades bei 16 - 19°C gehalten wurde. Bei 2
Füllyersuchen mit Luftkühlung wurde der Druck an der Rampe yon Beginn an
mit Hilfe des Eingangsyentils in die Flasche konstant auf 25 atü einge
stellt. Bei den letzten Füllyersuchen im Wasserbad wurde die Flasche
liegend gefüllt.
Bei einer Reihe yon Versuchen erfolgte die Entspannung der Flaschen bei
konstanter Strömungsgeschwindigkeit yom Anfangsdruck gleichmäßig bis zum
Enddruck yon etwa 1 at. Infolge der dabei auftretenden besonders starken
Abkühlung enthielt die Flasche dann noch Acetylen, das in einer nachfol
genden Entspannung entnommen wurde. Zwischen beiden Gasentnahmen hatte
die Flasche mindestens 16 Stunden bei Raumtemperatur gestanden, um wie
der normale Temperatur anzunehmen. Bei weiteren Versuchen wurden zwischen
den einzelnen Entspannungen yon 1 - 3 Stunden Dauer Pausen yon über 16
Stunden eingelegt, damit sich die Temperatur im Innern der Flasche wie
der der äußeren Raumtemperatur angleichen konnte. Diese Versuche wurden
immer bei stehender Flasche ausgeführt. Eine eyentuelle Wärmezufuhr er
folgte lediglich durch die umgebende Raumluft.
11. Ergebnisse der Versuche
1. Füllyersuche
Die wesentlichen Ergebnisse dieser Versuche sind in der Tabelle 1 zusam
mengefaßt. Abgesehen yon Versuch 1, 52 und 6 betrug der Anfangsinhalt
der Flasche an Acetylen weniger als 0,6 kg. Während bei Versuch 1, dem
ersten Füllyersuch, die Flasche zu Beginn frei yon Acetylen war, ent
hielt sie 4,64 kg bei Versuch 52 und 1,82 kg bei Versuch 6. Die Füllung
wurde jeweils bis zu einem Enddruck yon ca. 25 - 28 atü durchgeführt.
Dabei wurde die Füllgeschwindigkeit bei den ersten Versuchen yon 0,5 bis
4,5 kg C2H2/h yariiert. Die Füllgeschwindigkeit der weiteren Versuche
lag bei 4,5 kg/h.
In der Tabelle sind außer dem am Schluß der Füllung eingestellten End
druck die Temperaturen in der Flasche z~ Beginn und zu Ende des Versu
ches an den drei Thermoelementen Th1 _ 3 wiedergegeben. Für Lötstelle
Th sind bei Versuch 2 und 4 weiterhin die maximal erreichten Tempera
1
turen eingeklammert angeführt. Es sind schließlich die Mengen an Acetylen
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
in kg eingetragen, die bis zu einem Druck von 25 atü aufgenommen worden
waren. Dabei sind die Drucke immer bei strömendem Gas gemessen worden.
Aus der Tabelle ergibt sich deutlich, wie die Füllmenge mit steigender
Füllgeschwindigkeit abnimmt, wobei die Aufnahmen bis zu 25 atü mit ein
ander zu vergleichen sind. Die Ausgangstemperaturen betrugen im allge
meinen 8 - 100C, nur bei Versuch 3 lag sie um etwa 6°c niedriger. Trotz
dem war die Gasaufnahme bei diesem Versuch normal. Möglicherweise hat
die geringe Acetonmenge in der Flasche die an und für sich zu erwarten
de Begünstigung der Gasabsorption durch die niedrigere Temperatur wieder
ausgeglichen. Der verhältnismäßig hohe Wert bei Versuch 1 ist durch die
erstmalige Füllung der Flasche mit Acetylen bedingt. Bei Versuch 52 wur
de die Flasche nochmals nachgefüllt. Zwischen beiden Füllungen (Versuch
5) hatte sie sich während 16 Stunden im Innern abgekühlt.
Der Vergleich von Versuch 1 mit 51 zeigt, daß die stoßartige Gaszugabe
in die Flasche, wobei der Rampendurck von vornherein auf 25 atü einge
stellt war, keine wesentliche Änderung in der Acetylenaufnahme mit sich
brachte. Dagegen ergab sich durch die Kühlung der Flasche mit Wasser bei
der höchsten Füllgeschwindigkeit eine Steigerung der Acetylenaufnahme
%,
von über 20 trotz verhältnismäßig hoher Ausgangstemperatur im Innern
der Flasche bei den Versuchen mit Wasserkühlung gegenüber dem vergleich
baren Versuch mit Luftkühlung. Bei kleiner Füllgeschwindigkeit wirkt
sich der Effekt der Wasserkühlung noch stärker aus.
Die Füllung der liegenden Flasche zeigt gegenüber der stehenden, wenig
stens bei hoher Füllgeschwindigkeit, keinen merkbaren Unterschied in
der Acetylenaufnahme. Der Grund für den niedrigen Wert bei Versuch 10
ist in der höheren Ausgangstemperatur bei Beginn der Füllung zu suchen.
Die erreichten Endtemperaturen in der Flasche waren natürlich beträcht
lich von den Füllbedingungen abhängig. Allgemein zeigt sich, daß die
Temperatur an den Stellen Th und Th mit steigender Füllgeschwindig-
2 3
keit auch deutlich stärker zunimmt. An der Lötstelle Th1 tritt ein fla
ches Maximum auf. Auch dabei bildet der Versuch 1 wieder eine Ausnahme
infolge der erstmaligen Füllung mit Acetylen. Die höheren Temperaturen
bei den Versuchen 8 bis 12 gegenüber 51 können z.T. auf die höheren Aus
gangstemperaturen, z.T. auf die größere aufgenommene Acetylenmenge zurück
zuführen sein. Die Wasserkühlung bewirkt aber, wohl infolge Herabsetzung
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