DE932019C

DE932019C - Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsbereiches von Entspannungsturbinen in Luftzerlegungsanlagen

Info

Publication number: DE932019C
Application number: DEG8338A
Authority: DE
Inventors: Fritz Jakob
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1952-03-05
Filing date: 1952-03-06
Publication date: 1955-08-22

Description

AUSGEGEBEN AM 22. AUGUST 1955

G8338Ia/17g

Es ist bekannt, daß die Anwendbarkeit von Turbinen, welche die für den Zerlegungsvorgang benötigte Kälte liefern, dadurch begrenzt ist, daß ein bestimmtes Mindestvolumen für den rationellen Betrieb einer Turbine erforderlich ist. Ein Verfahren, welches Turbinen auch für kleinere Durchsatzleistungen des Luftzerlegungsapparates verwendbar macht, würde daher kältetechnisch einen Vorteil bringen, da der Wirkungsgrad der Turbinen sehr hoch ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gesamte zu zerlegende Luft in der Drucksäule eines Doppelrektifikators vorzerlegt und der dabei entstehende unreine Sauerstoff, der am Boden der Drucksäule flüssig entnommen wird, zunächst auf einen Mitteldruck entspannt wird, der so hoch gewählt ist, daß der unreine Sauerstoff unter Beheizung durch gasförmigen Stickstoff, der am Kopf der Drucksäule kondensiert, verdampfen kann. Dieser so gebildete Dampf wird anschließend, wie üblich, durch Austausch mit einem wärmeren Gas teilerwärmt und arbeitsleistend, z. B. durch eine Turbine, in die obere Säule des Luftzerlegungsapparates entspannt. Es ist z. B. möglich, den unreinen Sauerstoff der Drucksäule eines normalen Apparates bereits bei einem Druck von 2,6 bis 2,8 ata im Wärmeaustausch mit kondensierendem Drucksäulenstickstoff zu verdampfen. Für den Wärmeübergang vom kondensierenden Drucksäulenstickstoff auf den verdampfenden Sauerstoff steht hierbei ein Temperaturgefälle von mindestens 2,5° zur Verfügung. Der Unterschied

zu dem üblichen Verfahren besteht darin, daß in die obere Säule kein oder nur wenig unreiner Sauerstoff flüssig entspannt wird und dadurch die Rektifikation in dem unteren Teil der Säule etwas ungünstiger verläuft. Dagegen ist die Berieselung mit flüssigem Stickstoff im oberen Teil der Säule wesentlich erhöht. Einer etwas ungünstigeren Rektifikation im Säulenunterteil stehen also günstigere Rektifikationsbedingungen im Säulenoberteil gegenüber. Wie eine Rechnung zeigt, bleibt trotz dieser nicht unwesentlichen Veränderungen der Rektifikationsbedingungen der gleiche Trenneffekt gegenüber den bisher üblichen Verfahren erhalten. Dagegen arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlicher als das frühere Verfahren. Wie die Rechnung zeigt, beträgt die Kälteleistung • der Entspannung von 2,7 auf 1,3 ata bei einem angenommenen Turbinenwirkungsgrad von 70%) pro Nm³ durch den Apparat durchgesetzter Luft ao 1,88 kcal, vorausgesetzt, daß 48,4^/0 der Luftmenge in Form unreinen Sauerstoffs durch die Turbine entspannt werden.

Bei der bisher üblichen Arbeitsweise, bei der ein wesentlich geringerer Luftanteil von 23,6% der Gesamtluftmenge von 5,5 auf 1,3 ata entspannt wird, ergibt sich eine spezifisch geringere Kälteleistung der Turbine pro Nm³ Gesamtluftmenge von nur 1,82 kcal. Dabei ist der günstigere Wert der spezifischen Kälteleistung bei der Entspannung von unreinem Sauerstoff eher noch an der unteren Grenze, da bei einem Druckgefälle, das im vorliegenden Fall geringer ist als bei der üblichen Arbeitsweise, mit einem günstigeren Turbinenwirkungsgrad gerechnet werden kann. Der Grund für das günstige rechnerische Ergebnis ohne Verschlechterung des Trenneffektes ist darauf zurückzuführen, daß im Gegensatz zur Lufteinblasung die gesamte Luftmenge einer Vorzerlegung unterzogen wird und die Menge des auf die obere Säule aufgegebenen Waschstickstoffs um den aus der Einblaseluft des üblichen Verfahrens gewinnbaren Anteil größer ist. Es ist nicht immer erforderlich bzw. möglich, den gesamten unreinen Sauerstoff zu verdampfen und arbeitsleistend zu entspannen, sondern es genügt unter Umständen, wenn der größere Teil so behandelt, der kleinere Teil unter Umgehung von Verdampfer und Turbine direkt flüssig in die obere Säule eingeführt wird.

Die Erfindung sei an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.

Die zu zerlegende Luft tritt bei 3 unter einem Druck von etwa 5,5 ata in die Drucksäule 1 eines Doppelrektifikators 1, 2 ein und wird hier in unreinen Sauerstoff und reinen Stickstoff vorzerlegt. Dieser wird am Kopf der Säule im Wärmeaustausch, teilweise mit verdampfendem reinen Sauerstoff teilweise mit verdampfendem unreinen Sauerstoff, kondensiert. Der am Boden der Drucksäule gesammelte unreine Sauerstoff wird bei 8 entnommen, durch Ventil 7 auf Verdampfungsdruck entspannt, im Verdampfer 4 vollständig verdampft, im Austauscher 9 durch wärmeres Gas 16 teilerwärmt, in Turbine 10 auf den Druck der oberen Säule. 2 arbeitsleistend entspannt und bei 11 in diese eingeführt. Die Anwärmung des arbeitsleistend zu entspannenden unreinen Sauerstoffs kann z. B. mit einem Luftanteil vorgenommen werden, der an einer wärmeren Stelle des Wärmeaustauschers (Regenerator) entnommen wurde. Eine andere Möglichkeit der Anwärmung des zur Entspannung gelangenden Sauerstoffs besteht darin, daß derselbe in Rohren in dem kälteren Teil des nicht dargestellten Regenerators im Austausch mit zu zerlegender Luft teilerwärmt und der Expansionsturbine zugeführt wird. Der gewonnene flüssige Stickstoff wird bei 5 entnommen und nach Unterkühlung im Austausch mit bei 12 entnommenem reinen Stickstoff im Unterkühlungsgegenströmer 6 durch Ventil 13 auf den Druck der oberen Säule entspannt und bei 14 als Waschstickstoff aufgegeben. Der produzierte Sauerstoff wird, wie üblich, bei 15 entnommen. Die Zerlegungsprodukte werden in nicht gezeichneten Wärmeauistauisdhern im Austausch mit zu zerlegender Luft wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist natürlich nicht allein mit Turbinen, sondern mit jeder Art von hierzu geeigneten Entspannungsmaschinen ausführbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsbereiches von Entspannungsturbinen in Luftzerlegungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zu verarbeitende Luft in der Drucksäule eines Doppelrektifikators vorzerlegt, der erzeugte unreine, flüssige Sauerstoff zunächst auf einen Mitteldruck entspannt, unter diesem Druck im Wärmeaustausch mit kondensierendem Stickstoff der Drucksäule _iOo verdampft, durch einen wärmeren Gasstrom teilerwärmt und arbeitsleistend in die obere Säule des Doppelrektifikators entspannt und der gewonnene flüssige Stickstoff als Waschflüssigkeit aufgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unreine Sauerstoff von einem Druck von etwa 5,5 ata zunächst auf 2,6 bis 2,8 ata entspannt, verdampft und anschließend arbeitsleistend weiter auf den Druck in der oberen Säule (z. B. 1,3 ata) entspannt ■ wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch· gekennzeichnet, daß ein kleinerer Teil des unreinen Sauerstoffs unter Umgehung des Verdampfers und der Expansionsturbine etwa in die Mitte der oberen Säule flüssig entspannt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zweistufige Rektifiziersäule (1, 2) für Luft, einen Verdampfer (4), in dem im Wärmeaustausch mit kondensierendem Drucksäulenstickstoff der aus der Drucksäule entnommene unreine Sauerstoff verdampft, einen Teilanwärmer (9) für den arbeitsleistend zu

entspannenden unreinen Sauerstoff — nach dessen Verdampfung — und eine Entspannungsturbine (io) für den teilangewärmten unreinen Sauerstoff, der in die Niederdrucksäule (2) etwa in deren Mitte eingeblasen und dort in reinen Sauerstoff und Stickstoff zerlegt

wird, während ein Unterkühlungsgegenstromwärmeaustauscher (6) den auf die obere Säule (2) aufzugebenden, in der Drucksäule (1) erzeugten flüssigen Stickstoff im Austausch gegen abziehenden gasförmigen Stickstoff unterkühlt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen