DE1275076B - Verfahren zur Durchfuehrung des Waermeaustausches bei der Tieftemperaturzerlegung von Gasgemischen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F25j

Deutsche Kl.: 17 g-2/04

Nummer: 1275 076

Aktenzeichen: P 12 75 076.4-13 (G 44210)

Anmeldetag: 20. Mi 1965

Auslegetag: 14. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung des Wärmeaustausches bei der Tieftemperaturzerlegung von höhersiedende Bestandteile wie CO₂ und H₂O enthaltenden Gasgemischen, bei welcher die benötigte Kälte in einem mit Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Kreislaufgas arbeitenden Kältekreislauf erzeugt wird, wobei die höhersiedenden Bestandteile während der durch Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten bewirkten Abkühlung des Rohgases niedergeschlagen und anschließend zusammen mit im Wärmeaustausch mit dem Rohgas anzuwärmendem unreinem Zerlegungsprodukt wieder aus der Anlage entfernt werden, und wobei die Strömungswege für das Rohgas und das unreine Zerlegungsprodukt periodisch gewechselt werden.

Hierzu verwendet man sogenannte selbstreinigende Wärmeaustauscher, wie Regeneratoren, Röhren- oder Plattengegenströmer. Um zwischen dem Rohgas, z. B. Luft und dem drucklosen Zerlegungsprodukt, das die Rücksublimation der niedergeschlagenen Bestandteile bewirken soll, die hierfür nötige Druckdifferenz zu gewährleisten, muß das Rohgas auf etwa 3 bis 5 ata verdichtet werden. Sollen in der Anlage Flüssigkeitsprodukte durch Rektifikation in einer einzigen Säule gewonnen werden, so reicht dieser Druck auch als Zerlegungsdruck aus, während die Luft im Fall der Rektifikation in einer Doppelsäule etwas höher, auf 5 bis 6 ata, komprimiert werden muß.

Im Gegensatz zu denjenigen bekannten Verfahren, bei denen die benötigte Kälte durch Kompression des zu zerlegenden Rohgases auf hohen Druck, z. B. 150 bis 200 at, und anschließende Entspannung teils in einem Drosselventil, teils unter Arbeitsleistung bereitgestellt wird, muß die Kälte bei den vorstehend beschriebenen, mit niedrigem Rohgasdruck arbeitenden Verfahren insbesondere dann, wenn die Zerlegungsprodukte flüssig entnommen werden sollen, mit Hilfe eines besonderen Kältekreislaufs erzeugt werden. Als Kreislaufmedium wird meist das Rohgas selbst oder eines der Zerlegungsprodukte, im Fall der Luftzerlegung z. B. Stickstoff, herangezogen.

Die von diesem Kältekreislauf aufzubringende Kälteleistung wächst, wie aus folgenden Überlegungen hervorgeht, um so stärker, je höher das Druckniveau und je größer das Verhältnis zwischen Enddruck und Ansaugdruck des Kreislaufkompressors ist. Luft mit höherem Druck hat nämlich eine größere spezifische Wärme als Luft mit niederem Druck. Deswegen ist es möglich, in einem einstufigen Kreislaufprozeß trotz Mengengleichheit das Druckgas um ein kleineres Temperaturintervall abzukühlen als das ent-Verfahren zur Durchführung des
Wärmeaustausches bei der
Tieftemperaturzerlegung von Gasgemischen

Anmelder:

Linde Aktiengesellschaft,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 2-10

ίο Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Günther Rückborn, 8022 Grünwald - -

spannte Gas angewärmt wird, d. h., das Druckgas tritt am kalten Ende wärmer aus dem Wärmeaustauscher aus als das entspannte Gas eintritt. Die Turbineneintrittstemperatur des komprimierten Kreislaufgases ist somit etwas erhöht. Da aber bei höherer Temperatur bei gleichem Druckverhältnis ein größeres adiabatisches Gefälle vorliegt, kann das mit höherer Temperatur in die Turbine eintretende Kreislaufgas auch mehr Kälte erzeugen. Die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur bringt also einen energetischen Vorteil mit sich und verhindert außerdem eine Entspannung ins Naßdampfgebiet. Dieser Effekt ist um so größer, je höher das Druckniveau des Kreislaufs liegt. Erhöht man außerdem auch das Druckverhältnis, so vergrößert sich das adiabatische Gefalle nochmals um einen beträchtlichen Wert.

Man hat es aus diesen Gründen bisher für wünschenswert gehalten, den Kreislaufdruck möglichst hoch zu wählen. Wegen der bei verschiedenem Druck unterschiedlichen spezifischen Wärme unterscheidet sich dann aber auch der Temperaturverlauf beim Wärmeaustausch zwischen komprimiertem und entspanntem Kreislaufgas stark vom Temperaturverlauf beim Wärmeaustausch zwischen Rohgas und Zerlegungsprodukten. Dies ist immer dann von Nachteil, wenn mit einer Wärmeübertragungsaufgabe gleichzeitig eine Stoffaustauschaufgäbe, z. B. die Kondensation von H₂O und CO₂ während der Abkühlung des Rohgases und die Rücksublimation dieser Bestandteile während der Anwärmung der Zerlegungsprodukte, verbunden ist. Man hat daher bisher stets für den Wärmeaustausch zwischen Rohgas und Zerlegungsprodukten einerseits und für den Wärmeaustausch zwischen komprimiertem und entspanntem Kreislaufgas andererseits eigene Wärmeaustauschanordnungen vorgesehen, d. h., es wurde stets entspanntes Kreislaufgas ausschließlich im Gegenstrom

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zu komprimiertem Kreislaufgas und Zerlegungsprodukt ausschließlich im Gegenstrom zu Rohgas angewärmt. Dabei war es jedoch nicht möglich, die bei der Rohgasabkühlung niedergeschlagenen Bestandteile in der folgenden Periode mit Hilfe des anzuwärmenden Zerlegungsprodukts vollständig zu entfernen. Es bildet sich vielmehr stets ein sogenannter Gletscher, eine Schicht aus unter den vorliegenden Bedingungen unsublimierbarem festem CO₂ und

Hat sich im jeweiligen Rohrgasquerschnitt D eine ausreichende Menge Kondensat niedergeschlagen, so werden die Strömungswege C und D vertauscht. Die Strömungswege A₁B und E werden nicht gewechselt. Die Größe der Zahl η hängt davon ab, wie groß die Rohgasmenge im Verhältnis zur Kreislaufgasmenge ist. Soll die Anlage nur Flüssigprodukt liefern, wird η im allgemeinen den Wert 1 besitzen. Ist außerdem noch die Erzeugung von reinem gasförmigem

H₂O. Diese Schicht, deren Stärke bis zu einem wahr- io Zerlegungsprodukt erwünscht, so muß die Rohgasscheinlichen im wesentlichen durch die Strömungs- menge im Verhältnis zur Kreislaufgasmenge stärker geschwindigkeit des Gases bestimmten Wert anwächst, behindert den Wärmeübergang und erhöht

den Druckabfall.

erhöht und demzufolge η größer als 1 gewählt werden. Der wesentlichste Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die vorgesehene Reihenfolge der Strö-Die gleichen Nachteile gelten auch für ein be- 15 mungswege, bei welcher in jeder sich wiederholenkanntes Verfahren zur Luftzerlegung durch Tief- den Gruppierung zwei zwischen Rohgas und unreinem temperaturrektifikation in einer Zweistufensäule, bei
dem für den Wärmeaustausch zwischen Luft und

unreinem Zerlegungsprodukt ein Regeneratorenpaar

Zerlegungsprodukt zu wechselnde Strömungswege an je einen ständig mit warmem komprimiertem Kreislaufgas beaufschlagten Strömungsweg angrenzen, eine

und für den Wärmeaustausch zwischen komprimier- 20 vollständige Sublimation der niedergeschlagenen Betern und entspanntem Kreislaufgas ein weiteres Re- standteile in diesen zwei Strömungswegen gewährgeneratorenpaar vorgesehen ist. Abgekühlter Kreis- leistet, eine Gletscherbildung also ausgeschlossen ist. laufstickstoff wird dabei zum Teil verflüssigt und auf Die Temperatur des Kreislaufgases liegt dabei zwidie obere Säule als Rücklauf aufgegeben und zum sehen der des Rohgases und der des unreinen Zeranderen Teil in einer Turbine entspannt und wieder 25 legungsprodukts.

angewärmt. Als Ersatz für die in die obere Säule Die Zahl der Strömungswege C bzw. D, die an

eingespeiste Menge an Kreislaufstickstoff wird aus einen ständig warmen Strömungsweg A angrenzen, der Drucksäule Stickstoff gasförmig entnommen und ist um so größer, je kleiner η ist, d. h., der geschilein Teil zusammen mit dem bereits entspannten Kreis- derte Vorteil wirkt sich am stärksten bei η = 1 aus. laufstickstoff, der Rest in besonderen Rohrschlangen ₃₀ In denjenigen Strömungswegen C bzw. D, die nicht angewärmt, die in das dem Wärmeaustausch zwischen mehr an einen Querschnitt Λ angrenzen (n=2), Luft und unreinem Zerlegungsprodukt dienende Re- kann die Gletscherbildung zwar nicht ausgeschlossen generatorenpaar eingebaut sind. Die bereits erwähnte werden, sie ist aber gegenüber den bekannten Ver-Gletscherbildung tritt in diesem Fall auf Grund der fahren z. B. bei η = 2 insgesamt noch immer um Tatsache, daß in dem zuletzt genannten Regenera- ₃₅ 500/0 vermindert.

torenpaar noch ein weiterer Kaltgasstrom angewärmt Als weiterer beachtlicher Vorteil kann geltend gewerden muß, lediglich in verstärktem Maß auf. macht werden, daß unter Umständen, z. B. wenn

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Gas- nicht wie bei sehr großen Anlagen aus baulichen zerlegungsverfahren, die mit einem Kältekreislauf Gründen ohnehin zwei Plattenwärmeaustauscher erarbeiten, den Wärmeaustausch zu vereinfachen und ₄₀ forderlich sind, nur eine einzige Wärmeaustauschgleichzeitig die Sublimation der kondensierten Be- vorrichtung benötigt wird.

standteile zu verbessern. Der Kältekreislauf kann ein offener oder ein ge-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- schlossener Kreislauf sein. Einen geschlossenen Kreislöst, daß der Wärmeaustausch zwischen dem Rohgas lauf wird man vorzugsweise dort wählen, wo als und den Zerlegungsprodukten und der Wärmeaus- 45 Kreislaufmedium nicht ein im Verlauf des Zerletausch zwischen dem komprimierten und dem ent- gungsverfahrens anfallendes Gas oder Gasgemisch spannten Kreislaufgas gemeinsam in mindestens verwendet werden kann. Vorteilhafter ist es, das einem Plattenwärmeaustauscher durchgeführt werden, Rohgas oder eines der Zerlegungsprodukte als Kreisin dem zwischen je zwei ungewechselten Strömungs- laufgas heranzuziehen, dieses im offenen Kreislauf wegen für komprimiertes Kreislaufgas A abwechselnd 50 zu führen und den Ansaugdruck des Kreislaufkomeinmal ein oder mehrere Paare von je einem Strö- pressors höchstens ebenso hoch wie den Zerlegungsmungsweg für Rohgas D und für unreines Zerlegungs- druck zu wählen. Leckverluste innerhalb des Kreisprodukt C und einmal ein ungewechselter Strömungs- laufs können dann aus dem Zerlegungssystem ohne weg für entspanntes Kreislaufgas B und gegebenen- Zusatzkompressor ausgeglichen werden. Außerdem falls ein ungewechselter Strömungsweg für reines ₅₅ wird dabei der Druckunterschied zwischen den erfin-Zerlegungsprodukt E angeordnet sind, wobei das ent- dungsgemäß miteinander im Wärmeaustausch stehenspannte Kreislaufgas B und das reine Zerlegungs- den Systemen Rohgas — Zerlegungsprodukt und entprodukt E angewärmt werden. spanntes Kreislaufgas — komprimiertes Kreislaufgas

Soll der Anlage außer unreinem nur flüssiges Zer- so gering wie möglich gehalten und dadurch die legungsprodukt entnommen werden, so sind die Strö- 60 Sublimation der niedergeschlagenen Bestandteile weimungswege wie folgt zu schalten: ter erleichtert.

... A, (D, C₁),,; A, B, A, (D, C,)_n; A₁B..., Drosselt man in weiterer Ausbildung des Erfin-

wobei η die Bedeutung von »eins oder mehrere« be- dungsgedankens den aus dem Gaszerlegungssystem sitzt. Ist zusätzlich noch ein Strömungsweg zur Anwär- in das Kreislaufsystem fließenden Gasstrom etwas ab, mung von reinem Zerlegungsprodukt E erforderlich, 65 um den Ansaugdruck etwas kleiner als den Zerso wird dieser jeweils zwischen die Strömungswege A legungsdruck zu halten, so besitzt man die Möglich- und B eingeschoben. Es ergibt sich die Reihenfolge keit, durch Erhöhung des Kreislaufkompressor- . ..A₁ (D₁ C,)_n; A,B, E, A₁ (D, Ci)_n; Α,Β,Ε... druckes schlagartig mehr Kälte zu erzeugen, da ein

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Kolbenkompressor bei erhöhtem Ansaugdruck mehr kalte Luft wird über die selbsttätige Rückschlag-Gas fördert. klappe 4 bzw. 4' bei 5 in die Zerlegungssäule 6 ge-

Der Enddruck des Kreislaufkompressors muß, um führt, wo sie aufsteigt und im Gegenstrom zu der den Erfindungsgedanken noch besser zur Geltung zu herabrieselnden Flüssigkeit zu reinem Stickstoff rekbringen, nach folgenden Gesichtspunkten festgelegt 5 tifiziert wird. Als reiner Stickstoff verläßt das aufwerden: Er darf aus den eingangs erläuterten, auge- steigende Gas den obersten Boden und tritt in die mein bekannten Gründen einen gewissen Wert nicht Röhrchen des Kondensators 16 ein, wo der Großteil unterschreiten, er darf aber erfindungsgemäß auch sich verflüssigt und teils als Waschflüssigkeit auf die nicht zu groß sein, damit sich erstens die aus den bei Rektifizierboden zurückläuft, teils durch Leitung 7 verschiedenen Drücken unterschiedlichen spezi- io flüssig als Produkt entnommen wird. Eine Teilmenge fischen Wärmen folgenden verschiedenartigen Tem- des Gases tritt oben aus der Säule aus und wird peraturverläufe beim Wärmeaustausch zwischen Roh- durch Leitung 8 bei 9 dem Kreislaufgas zugesetzt; gas und Zerlegungsprodukt einerseits und zwischen diese Zusatzmenge ist gerade so groß wie der im komprimiertem und entspanntem Kreislaufgas ande- Verflüssigungsgegenströmer 10 verflüssigte und über rerseits nicht zu stark auswirken, damit zweitens, 15 Leitung 11 und Drosselventil 12 in den Kopf der wenn es sich um kleine Anlagen handelt, eine ein- Säule entspannte Kreislaufanteil,
stufige Kompression noch möglich ist, und damit Der in der Turbine 13 entspannte Kreislaufstickdrittens die Entspannung in einer Expansionsturbine stoff tritt zusammen mit der bei 9 zugeführten Zunoch sinnvoll ist. Auf Grund der erfindungsgemäß satzmenge in den Verflüssigungsgegenströmer 10 ein innerhalb dieser Grenzen liegenden, im Vergleich zu 20 und gibt seine Kälte an den nicht entspannten Kreisden bekannten Verfahren niedrigen Druckdifferenz laufteil ab; letzterer wird hierbei verflüssigt und, wie muß dann die Kreislaufgasmenge, um die nötige bereits erwähnt, über Leitung 11 in die Säule 6 einKälteleistung aufzubringen, entsprechend erhöht wer- gespeist. Im Reversing Exchanger 3 wird das entden, was die Einsatzmöglichkeit einer Expansions- spannte Kreislaufgas bis auf Umgebungstemperatur turbine weiter verbessert. Unter Berücksichtigung 25 angewärmt und von dem Bremsgebläse 14 der Turdieser Überlegungen wird der Kompressionsdruck bine 13 von etwa 3,3 ata auf etwa 3,6 ata verdichtet, des Kreislaufkompressors bei einem Saugdruck von Die Weiterverdichtung auf etwa 12 ata erfolgt in dem 2 bis 8 ata auf 7 bis 26 ata, vorzugsweise 11 bis einstufigen Kreislauf kompressor 15. Nach Abkühlung 15 ata, festgelegt. in einem Wasserkühler wird das Kreislauf gas im

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung 30 Reversing Exchanger 3 auf etwa 128 ⁰K abgekühlt wird als Rohgaskompressor der Kompressor einer und dann arbeitsleistend in der Turbine 13 auf etwa Gasturbine verwendet, und der Kreislaufkompressor 3,6 ata entspannt. Durch diese adiabatische Entwird durch die Gasturbine angetrieben. spannung wird Energie in Form von Arbeit aus der

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Anlage entfernt, also Kälte erzeugt, die für die Verbesteht schließlich darin, daß ein Teil des korn- 35 fiüssigung des Stickstoffs und außerdem zum Ausprimierten Kreislaufgases vom Hauptstrom abge- gleich der Isolationsverluste und der Wärmeauszweigt und der Expansionsturbine zugeführt wird, tauschverluste dient.

ehe dieser vollständig abgekühlt ist. Hierdurch wird Die Kühlung des Kondensators 16 der Säule 6 erdie Menge des auf die tiefstmögliche Temperatur folgt mit der Waschflüssigkeit, die im Sumpf der abzukühlenden Kreislauf gases vermindert und damit 40 Trennsäule als unreiner Sauerstoff (etwa 34VoO₂) die Temperatur am kalten Wärmeaustauscherende anfällt. Diese Flüssigkeit wird im Wärmeaustauscher herabgesetzt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, das 17 unterkühlt, dann in einem Drosselventil 18 entRohgas noch stärker abzukühlen und gleichzeitig spannt und bei 19 in den Raum zwischen den Kondessen CO₂-Partialdruck noch weiter zu verringern. densatorröhrchen eingespeist. Dort verdampft die Außerdem wird die Turbineneintrittstemperatur er- 45 Flüssigkeit, wird durch Leitung 20 entnommen, in höht. den Wärmeaustauschern 17 und 10 angewärmt und

Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an Hand über die Rückschlagklappe 21 bzw. 21' in den Rever-

von drei Ausführungsbeispielen und den zugehörigen sing Exchanger 3 geführt. Dabei erwärmt sich das

schematischen Darstellungen näher erläutert werden. Gas und ist so in der Lage, den dort sitzenden

Dabei stellt 50 Niederschlag an CO₂ und H₂O aufzunehmen. Dieses

F i g. 1 eine Luftzerlegungsanlage für Flüssigstick- Spülgas verläßt über das automatische Schaltventil

Stoffgewinnung dar, bei der als Kreislaufgas Stick- 22 bzw. 22' den Reversing Exchanger und wird an

stoff dient; in die Atmosphäre abgegeben. Das Umschalten der

F i g. 2 ist das Schema einer fahrbaren Flüssig- Kammern von feuchter Luft auf den als Spülgas diesauerstoffanlage wiedergegeben, wobei Luft als Kreis- 55 nenden unreinen Sauerstoff erfolgt in ganz bestimmlauf medium gewählt wurde. In der Anlage gemäß ten Zeitabständen (z. B. alle 8 Minuten), wobei ein

F i g. 3 wird sowohl flüssiger Stickstoff als auch Zeitschaltwerk entweder magnetische oder pneuma-

flüssiger Sauerstoff gewonnen. Das Kreislaufmedium tische Impulse an die Schaltventile abgibt. Die von

ist hier werderum Stickstoff. Kreislaufgas durchströmten Kammern werden nicht

F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Platten- 60 gewechselt.

wärmeaustauscher üblicher Bauart, in den die erfin- In der in F i g. 2 schematisch wiedergegebenen

dungsgemäß vorgesehene Reihenfolge der Strömungs- Anlage wird flüssiger Sauerstoff gewonnen. Zu diesem

querschnitte eingetragen ist. Zweck werden etwa 3330 Nm³/h Frischluft durch

Atmosphärische Luft wird in einem einstufigen Leitung 30 dem Kompressor 31 einer Gasturbine 32

Verdichter 1 (Fig. 1) auf etwa 4 ata verdichtet, mit 65 zugeführt und auf etwa 4,4 ata verdichtet. 3000 Nm³/h

Wasser gekühlt, über das automatisch gesteuerte hiervon werden in der Gasturbine 32, in deren

Schaltventil 2 bzw. 2' in den Reversing Exchanger 3 Brennkammer 33 durch Leitung 34 Brennstoff einge-

geleitet und dort auf etwa 130⁰K abgekühlt. Die spritzt wird, zur Energieerzeugung verbraucht. Die

restlichen 330 NmVh Luft werden mit einer Temperatur von 312 ⁰K über das automatisch gesteuerte Schaltventil 35 bzw. 35' in den Reversing Exchanger 36 eingeleitet, dort auf 11,5 ⁰K abgekühlt und über die selbsttätige Rückschlagklappe 37 bzw. 37' entnommen. 230 Nm³/h hiervon werden durch die Leitung 38 in den Mitteldruckteil 39 der Zerlegungssäule 40 eingeführt, die restlichen 100 Nm³/h werden über Leitung 41 und Drosselventil 42 dem Kreislauf

ausgenommen die Rektifikation. Im Kompressor 70 wird Luft auf etwa 4 ata verdichtet, über das automatisch gesteuerte Schaltventil 71 bzw. 7Γ in den Reversing Exchanger 72 geleitet, dort gekühlt und über Leitung 73 und die selbsttätige Rückschlagklappe 74 bzw. 74' in die Rektifikationssäule 75 eingespeist. Im Sumpf dieser Säule sammelt sich reiner flüssiger Sauerstoff an, der durch Leitung 76 abgezogen wird. Der flüssige Stickstoff wird durch Lei-

zugeleitet. Vor dem Eintritt in die Säule wird in die io tung 77 aus einer Tasse im Kopf der Säule 75 entzu zerlegende Luft über Leitung 43 und Drossel- nommen. Als Spülgas für den Reversing Exchanger ventil 44 kalte, im Verflüssigungsgegenströmer 45 dient unreiner Stickstoff, der durch Leitung 78 abgeverflüssigte Kreislaufluft eingespeist, so daß der durch führt und im Ventil 79 auf wenig mehr als 1 ata entAbgabe an den Kreislauf über Ventil 42 entstandene spannt wird. Er gelangt nach Anwärmung im Wärme-Verlust wieder ausgeglichen ist. Die Temperatur der 15 austauscher 86 über die selbsttätige Rückschlagin den Mitteldruckteil 39 eintretenden Luft liegt dann klappe 80 bzw. 80' in den Reversing Exchanger 72, bei 94 ⁰K. Hier wird die Luft bei etwa 3,3 ata im nimmt dort die in der vorhergehenden Periode abWärmeaustausch mit unter etwa 1,2 ata siedendem gelagerten Verunreinigungen auf und verläßt die Sauerstoff praktisch vollständig verflüssigt, durch Anlage über das automatisch gesteuerte Ventil 81 Leitung 46 entnommen, im Gegenströmer 47 unter- »o bzw. 81'.

kühlt und durch Ventil 48 in den Kopf des Niederdruckteils 49 der Säule 40 entspannt. Eine Leitung 50 dient zur Entnahme von unkondensierbaren Gasen, wie Helium, aus dem Kondensator. Im Niederdruckteil 49 erfolgt bei nur wenig mehr als Atmosphärendruck die Rektifikation, wobei im Sumpf reiner Sauerstoff gewonnen und über Leitung 51 als Produkt in einer Menge von 40 NmVh abgezogen wird. Am Kopf der Säule bei 52 fallen 290 NmVh unreiner ik i i Ukhlö 47

Der Kreislauf stickstoff wird im Kompressor 82 auf etwa 12 ata verdichtet und im Reversing Exchanger 72 abgekühlt. Eine Teilmenge gelangt über Leitung 83 in die Expansionsturbine 84, wird dort auf etwa 3,6 ata entspannt, gibt im Verflüssigungsgegenströmer 85 ihre Kälte an komprimiertes Kreislaufgas ab, wird im Wärmeaustauscher 86 im Gegenstrom zu komprimiertem Kreislaufgas und schließlich im Reversing Exchanger 72 angewärmt und vom Brenn-

p g g g

Stickstoff an, die im Unterkühlungsgegenströmer 47 ₃₀ gebläse 87 der Turbine 84 angesaugt. Von dort geauf 93,5° K und im Wärmeaustauscher 53 weiter auf langt sie mit einem Druck von etwa 3,6 ata wieder 106,5 ⁰K angewärmt und über die Rückschlagklappe zum Kreislaufkompressor 82. Der restliche Anteil des 54 bzw. 54' in den Reversing Exchanger 36 geleitet im Reversing Exchanger 72 abgekühlten kompriwerden, wo sie das während der vorhergehenden mierten Kreislaufgases wird über Leitung 88 dem Periode niedergeschlagene Wasser und Kohlendioxid 35 Wärmeaustauscher 86 zugeführt, dort abgekühlt, im aufnehmen. Durch das automatische Ventil 55 bzw. Sumpf der Säule 75 teilweise und im Verflüssigungs-55' wird der Stickstoff aus der Anlage entlassen. gegenströmer 85 schließlich praktisch vollständig

Der Kreislaufkompressor 56, ein einstufiger Schrau- verflüssigt. Nach Entspannung im Ventil 89 wird das benverdichter, der von der Gasturbine 32 angetrieben flüssige Kreislaufgas bei 90 als Waschflüssigkeit auf wird, fördert etwa 1500 NmVh Kreislaufluft von 3,4 40 die Säule 75 aufgegeben. Eine dieser Menge Waschauf 12 ata. Die komprimierte Kreislaufluft tritt mit flüssigkeit äquivalente Menge gasförmigen Stickstoffs 310⁰K bei 57 in den Reversing Exchanger 36 ein. wird am Kopf der Säule 75 entnommen und durch Bei 58 werden etwa 330 NmVh mit einer Temperatur Leitung 91 in das von der Expansionsturbine komvon etwa 200 ⁰K abgezweigt und über Leitung 59 mende, dem Verflüssigungsgegenströmer 85 zuzu- und Wärmeaustauscher 53 der Entspannungsturbine 45 führende Kreislaufgas eingespeist, 60 zugeführt. Die restlichen 1170NmVh werden im Wenn erwünscht, kann die Anlage auch gasför-

Reversing Exchanger 36 auf 110⁰K abgekühlt und verlassen diesen durch Leitung 61. 1070NmVh hiervon werden mit dem wärmeren Kreislaufgas aus dem Wärmeaustauscher 53 vermischt, so daß insgesamt 1400 NmVh Kreislaufluft mit einer Temperatur von 130 ⁰K der Expansionsturbine 60 zuströmen. Hier wird das Gas auf 3,6 ata entspannt und dabei auf 97 ⁰K abgekühlt. Es gelangt über Leitung 62 in den

Verflüssigungsgegenströmer 45, wo es seine Kälte an 55 Fall von F i g. 1 unreiner Sauerstoff, im Fall von den durch Leitung 63 zugeführten Teilstrom von F i g, 2 und 3 unreiner Stickstoff. Im Gegensatz hier-100 NmVh komprimiertem Kreislaufgas abgibt. zu werden die zwei weiteren Kammernsysteme A Dieses wird dabei verflüssigt und, wie bereits be- und B nicht gewechselt: Im Kammernsystem A schrieben, über Leitung43 und Ventil 44 in die Lei- strömt stets komprimiertes Kreislaufgas (Fig. 1 tung 38 für Zerlegungsluft eingespeist. Das entspannte 60 und 3: Stickstoff; F i g. 2: Luft), im Kammernsystem B Kreislaufgas gelangt durch Leitung 64, nachdem ihm stets entspanntes Kreislaufgas.

migen Stickstoff erzeugen, der hinter dem Kreislaufkompressor 82 mit einem Druck von etwa 12 ata durch Leitung 92 abgegeben werden kann.

Die Reversing Exchangers 3 (F i g. 1), 36 (F i g. 2) und 72 (F i g. 3) besitzen also Strömungswege für vier verschiedene Gase. Ein Kammernsystem D ist dabei im Wechsel mit einem Kammernsystem C von Luft bzw. Spülgas beaufschlagt. Als Spülgas dient im

über Ventil 42 100 NmVh Zerlegungsluft beigemischt worden sind, wieder in den Reversing Exchanger 36. Es verläßt diesen mit 302 ⁰K und wird erneut vom Kreislaufkompressor 56 angesaugt.

Die Anlage nach F i g. 3, in der gleichzeitig flüssiger Stickstoff und flüssiger Sauerstoff erzeugt werden, arbeitet ähnlich wie die Anlage nach F i g. 1,

In welcher Reihenfolge die Strömungswege für diese vier Gase nebeneinandergeschaltet sind, ist aus Fi g. 4 ersichtlich, ebenso die Art der Anschlüsse 6g und die Strömungsrichtung. Daß die Kammernsysteme C und D gewechselt, die Kammernsysteme A und B dagegen nicht gewechselt werden, ist durch die gestrichelten Pfeile bei C und D angedeutet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1.Verfahren zur Durchführung des Wärmeaustausches bei der Tieftemperaturzerlegung von höhersiedende Bestandteile wie CO₂ und H₂O enthaltenden Gasgemischen, bei welcher die benötigte Kälte in einem mit Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Kreislaufgas arbeitenden Kältekreislauf erzeugt wird, wobei die höhersiedenden Bestandteile während der durch Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten bewirkten Abkühlung des Rohgases niedergeschlagen und anschließend zusammen mit im Wärmeaustausch mit dem Rohgas anzuwärmendem unreinem Zerlegungsprodukt wieder aus der Anlage entfernt werden, und wobei die Strömungswege für das Rohgas und das unreine Zerlegungsprodukt periodisch gewechselt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch zwischen dem Rohgas und den Zerlegungsprodukten und der Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten und dem entspannten Kreislaufgas in mindestens einem Plattenwärmeaustauscher durchgeführt werden, in dem zwischen je zwei ungewechselten Strömungswegen für komprimiertes Kreislaufgas A abwechselnd einmal ein oder mehrere Paare von je einem Strömungsweg für Rohgas D und für unreines Zerlegungsprodukt C und einmal ein ungewechselter Strömungsweg für entspanntes Kreislaufgas B und gegebenenfalls ein ungewechselter Strömungsweg für reines Zerlegungsprodukt £ angeordnet sind, wobei das entspannte Kreislaufgas B und das reine Zerlegungsprodukt E angewärmt werden (F i g. 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kreislaufgas das Rohgas oder eines der Zerlegungsprodukte dient, und daß das Kreislaufgas in offenem Kreislauf geführt wird, wobei der Ansaugdruck des Kreislaufkompressors höchstens ebenso groß ist wie der Zerlegungsdruck.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Enddruck des Kreislaufkompressors bei einem Saugdruck von 2 bis 8 ata zwischen 7 und 26 ata liegt, und daß das Kreislaufgas in einer Expansionsturbine entspannt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohgaskompressor der Kompressor einer Gasturbine dient, und daß der Kreislaufkompressor durch die Gasturbine angetrieben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des komprimierten Kreislaufgases vom Hauptstrom abgezweigt und der Expansionsturbine zugeführt wird, ehe dieser vollständig abgekühlt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 935 195.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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