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Verfahren zur Verflüssigung und Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von
Luft und ihre Bestandteile.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Luft in ihre Bestandteile. bei dem die zu zerlegende. komprimierte Luft in zwei Teile zerlegt wird, von denen der eine Teil, von Atmosphärentemperatur ausgehend. in einer Entspannungsmaschine entspannt und durch einen Teil des Wärmeaustauschers geleitet und in die Drucksäule eines Zweisäulentrennapparates eingeführt wird, während der andere Teil der komprimierten Frischluft nach Durchgang durch den ganzen vom abziehenden Stickstoff gekühlten Wärmeaustauscher und den Verdampfer der Drucksäule in letztere mittels eines Drosselventils entspannt wird. Dabei bringt die Entspannungsmaschine die Frischluft von gewöhnlicher Temperatur auf Tieftemperatur und entlastet dadurch den Wärmeaustauscher.
Die Temperatur des aus dem Austauscher abziehenden Stickstoffes wird alsdann noch zum Austrocknen und Reinigen der Frischluft benutzt.
Bisher benutzte man derartig arbeitende Entspannungsmaschinen für die Verflüssigung und Zerlegung der Luft nur in Verbindung mit Einsäulenapparaten. wobei man die überschüssige Kälte einfach in die umgebende Luft ungenutzt entweichen liess. Jedoch schon dabei hat es sich herausgestellt, dass die Anwendung der Expansionsmaschine eine wesentliche Verschlechterung der Reinheitsgrade der Zerlegungsprodukte mit sich bringt. Gemäss der Erfindung werden also hier zum ersten Male Entspannungsmaschinen in Verbindung mit Zweisäulenapparaten verwendet, wobei die überschüssige Kälte für die Austrocknung der verarbeiteten Hochdruckluft nutzbar gemacht werden kann.
Der Apparat hat nach der Zeichnung die folgende Beschaffenheit :
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austauschers, nachdem er gegebenenfalls noch die Verdampferschlange 3 des Verdampfergefässes 16 passiert hat, bei 4 in die Drucksäule 5 des Zweisäulenapparates, während der andere Teil der komprimierten Frischluft bei 6 nach Durchgang durch den ganzen vom abziehenden Stickstoff gekühlten Wärmeaustauscher und den Verdampfer 3 der Drucksäule in letztere mittels eines Drosselventils 8 entspannt wird. Bei 9 geht diese entspannte Luft in die Drucksäule 5.
Der weitere Verlauf des Verfahrens ist so, dass sich der im Kondensator 10 gebildete flüssige Stickstoff in der Schale 11 sammelt, dann durch Rohr 12, Ventil 13 und Rohr 14 oben bei 15 in die Niederdruckkolonne geschickt wird. Ebenso wird der im Verdampfungsgefäss 16 am Boden sich ansammelnde zirka zigue flüssige Sauerstoff durch Rohr 17 und Ventil 18 durch die Brause 19 an geeigneter Stelle in die obere Säule übergeführt.
B ist ein Trocknungsaustauscher, in welchem die überschüssige, vom Tiefkühlaustauscher 7 herrührende Kälte für das Ausfrieren und Abscheiden der in dem einen Teil der Hochdruckluft enthaltenen Feuchtigkeit und Kohlensäure verwendet wird. Das Trocknen und Reinigen der Hochdruckluft von Feuchtigkeit und Kohlensäure kann dabei nur an einer bestimmten Stelle des Austauschers geschehen ; denn nicht jeder Temperaturbereich eignet sich dafür. Deshalb
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in den Austauscherteil Fa wieder zurückströmt, bewerkstelligt. Schliesslich entweicht dieser Stickstoffstrom, dessen Kälte nunmehr in vollkommener Weise ausgenutzt ist, bei 24 in die Luft.
Bei 25 geht die das Rohr 26 durchströmende Hochdruckluft, die vom Kompressor C kommt, in das Rohrsystem des Trocknungsaustauschers B und verlässt dieses bei 27 durch das Rohr 28, das in den Austauscherteil 7 führt.
Erfindungsgemäss wird also so verfahren, dass man durch Ausnutzung der adiabatische Entspannung eines Teiles des Gasgemisches den Trennapparat dauernd in einem Kälteüberschuss hält. Man ist dadurch imstande, dem Trennapparat stets sofort nach der Inbetriebsetzung grosse Mengen tiefgekühlter Luft zuzuführen, was gegenüber dem bisher gebräuchlichen Abdrosselungs- verfahren den Vorteil bietet, dass man statt des sonst graduell (z. B. von +20 bis-140 ) sehr langsam erreichten Kältetiefpunktes sofort und ohne Zeitverlust unmittelbar dahin gelangt,
Bisher benutzte man derartig arbeitende Entspannungsmaschinen nur für die Luft- verflüssigung in sogenannten Einsäulenapparaten, wo es sich nicht um die Herstellung hochprozentigen Sauerstoffes handelte.
Es ist aber bei Einsäulenapparaten unmöglich, den zur Erzielung eines günstigen Kälte- bzw. Verflüssigungseffektes benötigten grossen Gasanteil durch die Entspannungsmaschine laufen zu lassen, ohne dabei die beabsichtigte Trennung der Gase wesentlich zu stören.
Die aus der sogenannten Warmluftexpansionsmaschine austretende Kaltluft besitzt nur eine Temperatur von-150 . Wenn man sie, wie dies auch geschehen ist, durch einen Temperaturaustauscher weiter herunter in die Nähe ihrer Verflüssigungstemperatur bringen kann, so fehlen doch die Bedingungen, um diese Luftmenge zu verflüssigen, weil ein weiteres Druckgefälle, wie es in einem Doppelsäulenapparat zur Verfügung steht, nicht mehr vorhanden ist. Um eine gute und einwandfreie Rektifikation zu erhalten, ist es nötig, dass für das aus einer ganz bestimmten Menge aufsteigende Gas auch eine entsprechende Menge Flüssigkeit von oben in der Kolonne herunterfliesst, was bei Verwendung der Einsäulenapparatur nicht möglich ist.
Die Expansionsmaschinenluft bleibt stets gasförmig, während beim Doppelsäulenapparat die gesamte Expansionsmaschinenluft durch den über der unteren Kolonne befindlichen Kondensator restlos verflüssigt wird und nun in die obere Kolonne 1000/0 Flüssigkeit aufgeleitet werden kann. Dadurch wird das Trennungsergebnis nicht mehr ungünstig beeinflusst, da ja die untere Kolonne eines Doppelsäulenapparates auch nur als eine Vortrennungskolonne anzusehen ist, die vollkommen unter Ventilabschluss zur oberen Kolonne, in welcher nun die Endtrennung-auf reine Produkte hin stattzufinden hat, steht. Das beweisen eine grössere Anzahl von Betriebsprotokollen, die von Luft-und Sauerstoffverflüssigungsanlagen, die nach dem Einsäulensystem arbeiten, aufgenommen wurden..
Wenn man, wie es in einer Doppel-
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heute geforderte Reinheit von 99'50/0, Gemäss den vorliegenden Versuchsergebnissen an solchen früher in grosser Anzahl aufgestellten Einsäulenverflüssigungsapparaten mit Expansionsmaschine ist eine Reinheit des Sauerstoffs von 950/0 nur zu erreichen, wenn man die Menge der durch die Expansionsmaschine laufenden Luft von 500/0 auf etwa 100/0 verkleinert. Dann verschwindet aber wieder der grosse kältetechnische Vorteil, den die Expansionsmaschine bietet, dadurch, dass viel zu wenig Luft durch die Maschine laufen kann, nämlich anstatt 50-600/0 wie bei Doppelsäulenapparaten nur 10 /o.
Bei Zuführung von 50 oder 600/ (, Gas in einen Einsäulenapparat lässt sich eine vollgültige Trennung nicht erreichen, wie oben bereits ausgeführt wurde. Der Zweisäulenapparat bietet durch den Kondensator die Handhabe, um dies zu erreichen.
Die Vorteile des neuen Verfahrens sind folgende :
Die Anfahrzeit des Trennapparats wird wesentlich verringert. Die Verringerung beträgt etwa 50%. Die Kraftersparnis während der Anfahrzeit fällt ebenso ins Gewicht, um so mehr, als die Entspannungsmaschine Kraft abgibt. Die Kraftersparnis wurde mit 100/0 ermittelt, so dass neben der Verringerung der Anfahrzeit'noch ein Energiegewinn resultiert.
Das vorbeschriebene, kombinatorische Verfahren ermöglicht auch, dass die Abmessungen des Wärmeaustauschers bedeutend kleiner ausfallen als gewöhnlich, da dann der Austauscher nicht für-die volle Luftmenge zu dimensionieren ist, sondern nur für einen kleineren Teil derselben. Da ferner durch den sich abspielenden, isotropen Prozess mehr Kälte erzeugt wird, als für die Kühlung des Hoohdruckgasgemisches dauernd erforderlich ist, so ergibt sich im Trennapparat ein sehr erheblicher Kälteüberschuss, der dazu ausgenutzt wird, um dem Druckfrischluftgemisch die ganze Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen (Kohlensäure) zu entziehen. Die überschüssige Kälte wird für anderweitige, nebenindustrielle Zwecke, z. B. zur Eiserzeugung oder Kühlung, angewendet.