<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen.
Es sind Verfahren zur Zerlegung tiefsiedender Gasgemische, insbesondere von Luft. in zwei Stufen unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeieher beschrieben worden, bei denen die Luft lediglich auf denjenigen Druck komprimiert wird, der ihre Verflüssigung bzw. die des Stickstoffes, in Wärmeaustausch mit siedendem Sauerstoff gestattet. Die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte wurde bei diesen sogenannten Niederdmckverfahren bisher durch Entspannen eines Teiles der verdichteten Luft bzw. des unter Druck abgetrennten Stickstoffes bei tiefer Temperatur unter Leistung äusserer Arbeit gewonnen.
Durch diese Art der Kälteerzeugung wird jedoch die Güte der Rektifikation unmittelbar mit der Kälteleistung gekuppelt, weil der Kältebedarf die Gasmenge bestimmt, die zwecks Entspannung in der Expansionsmaschine der Drucksäule entnommen werden muss und hiedurch für die obere Säule als Waschflüssigkeit verloren geht. Um die Zerlegungsanlage im Gleichgewicht zu halten, ist es notwendig nach dem Kältebedarf zu regeln. Man wird daher nur selten das Optimum erreichen, bei dem Kältebedarf und Güte der Rektifikation gerade aufeinander abgestimmt sind, sondern meistens wird entweder
EMI1.1
schuss an Waschflüssigkeit kann nicht ausgenutzt werden.
Vorliegende Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten und gestattet ausserdem, den Energiebedarf für die Zerlegung weiterhin zu senken. Erfindungsgemäss wird ein gesonderter Kälteerzeugungsprozess mittels Entspannen einer relativ geringen Menge auf hohen Druck komprimierter Luft angewendet, um die zur Deckung der Verluste erforderliche Kälte ganz oder teilweise zu erzeugen, u. zw. dadurch, dass man in Beharrungszustand unabhängig vom Kältebedarf dauernd eine konstante Menge Stickstoff aus der ersten Zerlegungsstufe entnimmt und unter Leistung äusserer Arbeit entspannt.
Dieser Stickstoff wird vor seiner Entspannung in Wärmeaustausch mit Hochdruckluft von etwa 200 Atm. soweit erwärmt, dass bei seiner Entspannung keine Kondensation stattfindet, und die noch fehlende Kältemenge wird durch Abdrosselung der Hochdruckluft erzeugt.
Bei der Herstellung reinen Sauerstoffes soll die der ersten Zerlegungsstufe entnommene Stick-
EMI1.2
Säule notwendigen Dampfmenge aus den Gleichgewiehtskurven Sauerstoff/Stickstoff ergibt zwar, dass man selbst bei der Herstellung reinen Sauerstoffs eine grosse Menge Stickstoff gasförmig der Drucksäule ohne Schädigung der Rektifikation entnehmen kann. Tatsächlich wurde aber gefunden, dass die Grenze bei dem Wert von etwa 20% der verarbeiteten Luftmenge liegt. Der Grund hiefür ist darin zu suchen, dass in dem unteren Teil der zweiten Rektifikationssäule nicht eine Abtrennung des Stickstoffs, sondern im wesentlichen die Abtrennung des Argons vom Sauerstoff stattfindet, bei der die Zerlegungsbedingungen wesentlich ungünstiger liegen.
Diese Art der Kälteerzeugung ist besonders rationell, da ein Teil der Luft zwecks Anwärmung des Stickstoffs vor der Expansion ohnedies auf 10-20 Atm. gefördert werden muss, also nur eine weitere Kompression im Druckverhältnis 5--10 erforderlich ist. Beträgt die Luftmenge. die zur Anwärmung des Stickstoffs benutzt wird, 5% so kann man bei einer Kompression auf 200 Atm. unter Anwendung einer Vorkühlung der Hochdruckluft auf -400 eine Kälteleistung von annähernd 1 Kcal/m3 gesamter
EMI1.3
<Desc/Clms Page number 2>
Kältemenge ist so gross. dass erforderlichenfalls auch relativ grosse Mengen Sauerstoff in flüssiger Form aus der Apparatur entnommen werden können, was mitunter notwendig ist, wenn man verhindern will. dass sieh Verunreinigungen im Verdampfer anreichern.
Weiterhin ermöglicht der Umstand, dass die Expansionsmaschine mit konstanter Leistung und Tourenzahl betrieben wird, die Expansionsenergie wesentlich einfacher vollständig auszunutzen. Während man bisher genötigt war, die Energie der Expansionsmaschine durch eine Antriebsmaschine aufnehmen zu lassen, die sich wie eine Wasserpumpe den Änderungen der Expansionsmaschinenleistung anpassen kann und die Expansionsenergie unter Umständen nicht ausnutzen konnte, kann man jetzt die Expansionsmaschine oder Turbine z. B. umnittelbar mit dem Kompressor kuppeln.
Das Verfahren lässt sieh in analoger Weise anwenden, wenn man statt des aus der Drucksäule entnommenen Stickstoffs in bekannter Weise einen Teil der unzerlegten Luft in der Expansionsmaschine entspannt.
Die einzige Änderung besteht darin, dass die Hochdruckluft nicht in Wärmeaustausch mit dem Stickstoff. sondern mit dem Teil der Luft. der expandiert werden soll, gebracht wird.
Durch die beschriebenen Arten der Kälteerzeugung lässt sich die der ersten Rektifikationssäule zu entnehmende Stiekstoffmenge weitgehend vermindern. Hiedurch wird für die obere Säule eine grössere Menge an Waschflüssigkeit verfügbar, als zur Auswaschung des Sauerstoffs aus den aufsteigenden Dämpfen
EMI2.1
in der oberen Säule wird nun durch einen weiteren Erfindungsgedanken dadurch ausgenutzt, dass zusätzlich Luft unter geringem Überdruck in diese Säule eingeblasen wird.
Die Verwendung von Luft unter drei verschiedenen Drucken mag als eine unvorteilhafte Erscherung erscheinen, zumal bei der Verwendung von Kältespeichern die Schwierigkeiten der richtigen Verteilung der Gasmengen, die zur Erzielung eines vollkommenen Wärmeaustausches notwendig ist. um so grösser werden je mehr Gasströme und damit je mehr Regeneratoren erforderlich sind. Diese
EMI2.2
obere Säule eingeblasen wird, gerade gleich der Menge des gewonnenen Sauerstoffs wählt. In diesem Falle kommt man mit den auch sonst notwendigen zwei Paaren von Regeneratoren aus. von denen das eine den Wärmeaustausch zwischen Stickstoff und der auf Kondensationsdruek verdichteten Luft. das andere den Wärmeaustausch zwischen Sauerstoff und Gebläseluft vermittelt.
Die Abkühlung des kleinen auf hohen Druek komprimierten Teiles der Luft, der auch sonst aus praktischen Gründen zur Kälteüber- tragung benötigt wird, erfolgt stets in kontinuierlich wirkenden Gegenströmen.
Das Verlahren wird für das Beispiel der Gewinnung von 65% gem Sauerstoff aus 10. 000 1113 Luft// ; näher erläutert. 7000 mV/t der zu zerlegenden Luft werden auf Kondensationsdruck, d. h. etwa 4 Ata. verdichtet, in Regeneratoren in Wärmeaustausch mit dem abgetrennten Stiekstoff bis auf Kondensations- temperatur abgekühlt, sodann in die Drucksäule eines zweistufigen Zerlegungsapparates eingeführt und dort in üblicher Weise zerlegt. Wenn man die Kondensation der Luft in einem Rücklaufkondensator vornimmt und den flüssigen Sauerstoff in Gleichstrom mit seinen Dämpfen verdampft. erniedrigt sieh der Kondensationsdruek auf etwa 3'2 Ata.
Von dem in der Drucksäule bzw. im Rüeklaufkondensator ausgeschiedenen Stickstoff werden etwa 1350 ? /7t gasformig entnommen und unter Leistung äusserer
Arbeit entspannt, während der Rest als Wasehflüssigkeit auf die obere Säule aufgegeben wird. 3. 000 m Luftlll - ebensoviel wie man Sauerstoff gewinnt-werden in einem Gebläse auf 0#4 Atü. verdichtet. in Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff bis auf Kondensationsdruck abgekühlt und gasförmig in die obere Säule eingeblasen.
Zur Deckung der Kälteverluste werden etwa 500 m"Luft/A auf einen Druck von 200 Atm. ver- dichtet und nach Vorkühlung in Gegenstromwärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten abgedrosselt und nach Bedarf in die erste oder zweite Zerlegungsstufe eingeführt. Es ist hiebei zweckmässig, die vorgekühlte Hocl1dmckIuft in Wärmeaustausch mit dem Stickstoff zu bringen, der in der Expansionsmaschine entspannt werden soll, um eine Verflüssigung bei der Entspannung zu vermeiden und die bei
EMI2.3
die durch Entspannen der Hoehdruekluft erzielbare Kälteleistung zu steigern, wird gegebenenfalls die Hochdruckluft vor dem Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten mittels einer gesonderten Kältemaschine vorgekühlt.
Die Vorteile des neuen Verfahrens beruhen darauf, dass der Meliraufwand an Energie, der notwendig wird, um wenige Prozent der auf Kondensationsdruek verdichteten Luft für den Kälteerzeugungsprozess auf Hochdruck weiter zu verdichten, kleiner ist, als die Energieersparnis, die dadurch erzielt wird, dass eine der Sauerstoffmenge gleiche Menge Luft statt auf Kondensationsdruck nur auf geringen Überdruck gefördert zu werden braucht. Da die Menge der Einblasluft automatisch der Reinheit des Sauerstoffs angeglichen wird, besitzt das Verfahren eine grosse Anpassungsfähigkeit, so dass es trotz des die Rektifikation bekanntlich erschweenden Einblasens von Luft sogar möglich wird, Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99% herzustellen.
Bei der Gewinnung weniger reinen Sauerstoffs wird eine grössere Luftmenge praktisch unverdichtet zerlegt und hiedurch der Energiebedarf der Zerlegung-über die Herabsetzung des Kondensationsdruekes hinaus-zusätzlich gesenkt. Ein weiterer
<Desc/Clms Page number 3>
Vorteil des Verfahrens ist, dass die Verluste an verdichtetem Gas bei jedem Umschalten der Regeneratoren dadurch geringer werden, dass der Druck des durch die Sauerstoffregeneratoren strömenden Frischgases sehr niedrig ist. Infolgedessen wird auch der Sauerstoff durch die beim Umschalten in den Regeneratoren verbleibende Luft in geringerem Masse verunreinigt als bisher, also der Sauerstoff in höherer Reinheit gewonnen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Luft, in zwei Stufen, bei dem die Hauptmenge der zu zerlegenden Luft nur auf denjenigen Druck verdichtet wird, der die Kondensation des abgeschiedenen Stickstoffs in Wärmeaustausch mit dem siedenden Sauerstoff gestattet und bei dem die Kühlung der Luft sowie die Wiedererwärmung der Zerlegungsprodukte in periodisch gewechselten Kältespeichern erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Zerlegungsstufe im Beharnmgszustand eine konstante Menge Stickstoff entnommen und unter Leistung äusserer Arbeit entspannt wird und ein gesonderter Kälteerzeugungsprozess mit Hilfe einer geringen Menge auf hohen Druck verdichteter Luft in der Weise durchgeführt wird,
dass die Hoehdruckluft nach Wärmeaustausch mit dem zu entspannenden Stickstoff von dem hohen Druck aus durch Drosselung entspannt wird.