DE954784C - Verfahren zur Gewinnung fluessigen Sauerstoffs - Google Patents

Description

Bei Anlagen zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff aus Luft wird der mit der Entnahme von Sauerstoff in flüssiger Form entstehende Kälteverlust nach dem bisherigen Stand der Technik dadurch ausgeglichen, daß man die zu zerlegende Luft auf Hochdruck fördert und die bei der Entspannung gewonnene Kälteleistung zur Deckung dieses Verlustes verwendet. Man geht hierbei davon aus, daß die Kälteverluste besonders dann gering werden, wenn die Gesamtmenge der zu verarbeitenden Gasmenge ein Minimum erreicht, da hiermit auch die Verluste infolge unvollständigen Kälteaustausches einen Kleinstwert erreichen. Andererseits muß man jedoch verhältnismäßig teure Gegenstromwärmeaustauscher verwenden, da die besser austauschenden Regeneratoren bei .hohen Drucken wegen zu erheblicher Gasverluste beim Umschalten nicht in Frage kommen.

Erfindungsgemäß wird von der alten Arbeitsweise abgewichen und die gesamte zu verarbeitende

Luft ausschließlich auf Niederdruck (beispielsweise auf 5 atü) gefördert, der mit Rotationskompressoren erreicht werden kann. Diese Arbeitsweise bietet wesentliche Vorteile, denn bei niederem Druck können Schüttgeneratoren verwendet werden, die besonders wirksamen Wärmeaustausch ermöglichen, da sie mit denkbar geringen Temperaturdifferenzen zwischen den ein- bzw. austretenden wärmeaustauschenden Medien arbeiten. Bei richtiger Dimensionierung der Regeneratoren und richtiger Abstimmung der wärmeaustauschenden Gasmengen läßt es sich erreichen, daß an dem in Betracht kommenden warmen Ende der Regeneratoren die mittlere Temperatur der eintretenden Luft nur um etwa i° oder weniger höher ist als die mittlere Temperatur des austretenden Stickstoffs. Damit werden die Kälteverluste durch unvollständigen Wärmeaustausch entsprechend gering. Es kommt also nicht mehr ausschlaggebend darauf an, ■20 mit Rücksicht auf die Kälteverluste durch unvollkommenen Austausch den Luftdurchsatz durch den Apparat pro erzeugte Einheit verflüssigten Sauerstoffs auf ein Minimum zu halten, sondern man kann andere Gesichtspunkte in den Vordergrund rücken, wie vor allem den einfacheren konstruktiven Aufbau der Anlagen mit Regeneratoren und den geringeren Preis derselben sowie die einfachere Bedienung der Anlage. Durch die Verwendung der Regeneratoren werden die Probleme der Wasser- und Kohlensäureausscheidung auf einfachste Weise gelöst. Es sind bereits Verfahren bekanntgeworden, bei denen die gesamte Luft auf .einen nur mäßigen Druck gefördert und einer Zerlegung unterworfen wird. Eines dieser Verfahren bezweckt die Gewinnung von schweren Edelgasen, bei dem eine relativ große Luftmenge mit einem aus ihr durch Vorrektifikation gewonnenen Kondensat gewaschen wird. Sämtliche gewonnenen Flüssigkeiten werden bei diesem Verfahren wieder verdampft und gasförmig aus dem Apparat entnommen. Die für den Zerlegungsvorgang benötigte Kälte liefert eine Entspannungsturbine, welche die gesamte in der Waschsäule durchgesetzte Luftmenge entspannt, wobei die Entspannungskälte zur Kondensation von zur Waschung dienender, durch Vorrektifikation von schweren Edelgasen befreiter Luft verwendet wird.

Auch bei einem anderen Verfahren zur Luftzerlegung, bei dem ohne Verwendung von Hochdruckluft bei mäßigem Druck Luft verflüssigt und zerlegt wird — wobei man sich einer zweistufigen Entspannungsturbine für die zu zerlegende Luft bedient und die Luft hinter der ersten Entspannungsstufe zur Beheizung der einzigen Trennsäule verwendet —, wird nur ein Teil des erzeugten Sauerstoffs flüssig entnommen, ein anderer Teil dagegen vor Eintritt in den Gegenstromwärmeaustauscher (Regenerator) durch Pumpen unter hohen Druck gebracht und in Röhren innerhalb des Regenerators verdampft. Die Eigenart des Verfahrens bringt es mit sich, daß die im Regenerator erreichte tiefste Temperatur noch relativ hoch, z.B. 118⁰K, ist, so daß eine praktisch restlose Kohlensäureentfernung darin nicht möglich ist. Es ist daher erforderlich, die Luft vorher zu reinigen, 6g was die Einrichtung kompliziert und verteuert.

Soll ferner nach dem bekannten Verfahren Sauerstoff flüssig aus dem Apparat entnommen oder auf hohen Druck verpumpt werden, so benötigt man einen Druck der Luft von mehr als 15 atü. Dieser Druck ist sowohl für die Regeneratoren wegen der erhöhten Schaltverluste als auch für die Turbomaschinen und Turbinen wegen des schlechteren Wirkungsgrades derselben ungünstig und verteuert das Verfahren. Will man dagegen ausschließlich flüssigen Sauerstoff aus dem Apparat entnehmen, um ihn gegebenenfalls flüssig zum Verwendungsort befördern zu können, so hat man bisher die zusätzliche Verwendung von Hochdruckluft für die zweckmäßigste und wirtschaftlichste Art der Gewinnung von flüssigem Sauerstoff durch Luftzerlegung gehalten.

Nach einem neuen Verfahren kann vorteilhaft auf Hochdruckluft völlig verzichtet werden und ein einheitlicher Druck der Luft unter 15 atü. zur Anwendung kommen. Dieses neue Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff aus auf einheitlichen mäßigen Druck verdichteter und bei tiefer Temperatur verflüssigter Luft durch Rektifikation unter Verwendung von Regeneratoren und der arbeitsleistenden Entspannung von Luft als Kältequelle besteht erfindungsgemäß darin, daß 60 bis 90°/· der gesamten zu verarbeitenden, auf einen Druck zwischen 3 und 15 atü geförderten und im regenerativen Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukt abgekühlter Luft nach anschließender Teilanwärmung durch wärmere Luftanteile arbeitsleistend auf den Druck der Luftzerlegungssäule entspannt und in diese teilweise oder ganz eingeführt und darin zerlegt wird, während die Beheizung der durch Rektifikation der Luft in dieser Säule entstandenen Sauerstoffflüssigkeit durch den nicht durch die Turbine gehenden Teil der verdichteten Luft bewirkt wird, der dadurch verflüssigt wird, worauf er als Waschflüssigkeit auf den Kopf dieser Säule aufgegeben wird, nachdem er gegebenenfalls durch das bereits im Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukt entstandene und nach einem Abscheider zurückgelaufene Kondensat des nicht durch die Turbine gehenden Teils der verdichteten Luft vermehrt wurde.

Der Energiebedarf einer nach diesem Verfahren arbeitenden Anlage ist — verglichen mit einer solchen, bei der Hochdruckluft entspannt wird — zwar noch um etwa io%> größer. Jedoch sind der einfachere apparative Aufbau und die einfachere Bedienung sowie die Möglichkeit des Übergangs auf größere Einheiten (ohne den Zwang zur Unterteilung der Verdichteranlage in mehrere Einheiten) sowie weiter unten angeführte Vorteile mehr als ausreichend, um den etwas höheren Energiebedarf wettzumachen. Es kommen weitere Faktoren hinzu, die für die Anwendung des oben angegebenen Verfahrens sprechen, und zwar in erster Linie der Umstand, daß bei den früheren Anlagen größerer 1*5 Leistung die Zahl der auf höheren Druck for-

dernden Kolbenkompressoren entsprechend vergrößert werden mußte (normalerweise werden Hochdruckkompressoren nur bis zu Leistungen von etwa iooo m³/h gebaut). Damit wächst jedoch nicht nur der Aufwand an Platz und Gebäuden, sondern auch derjenige für Bedienung und Erhaltung (Reparaturen usw.). Die Unterbrechungen des Betriebes infolge von Betriebsstörungen können unter Umständen noch schwerer ins Gewicht fallen als ίο die Reparaturen und zusätzlichen Bedienungskosten. Hinzu kommt ferner, daß Turbokompressoren und Turbinen mit zunehmender Leistung eine Verbesserung des Wirkungsgrades aufweisen, im Gegensatz zu Kolbenkompressoren, deren Wirkungsgrad mit zunehmender Größe nicht steigt. Ferner ist zu berücksichtigen, daß die Turbomaschinen (Rotationskompressoren und besonders die Entspannungsturbinen) gerade in der letzten Zeit so verbessert wurden, daß ihr'Wirkungsgrad so z. B. für Entspannungsturbinen von 70% auf über 85% stieg. Eine weitere Erhöhung ist durchaus wahrscheinlich. Damit werden jedoch auch die rein energiemäßigen Differenzen noch geringer als anfangs angegeben bzw. werden sie ganz wegfallen. Es ergibt sich bei Berücksichtigung aller obenerwähnten Umstände im ganzen gesehen ein wesentlich billigerer Betrieb, wenn man nämlich außer den Energiekosten auch noch den üblichen Satz für Amortisation (Verzinsung der Gebäude und Anlage) sowie die verringerten Bedienungsreparaturkosten und Stillstandszeiten in Betracht zieht.

Ein besonderer Vorteil ist, daß der gewonnene flüssige Sauerstoff absolut ölfrei ist, da die zu zerlegende Luft in den Turbokompressoren und Turbinden nicht mit geschmierten Oberflächen in Berührung kommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei durch ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die gesamte zu behandelnde Luft wird auf einen Druck von etwa 6 ata in Turbokompressor 1 verdichtet und durch den einen der beiden Regeneratoren, z.B. 3, abgekühlt. Ein größerer Teil der Luft wird in einem Röhrenwärmeaustauscher 5 im Austausch mit wärmerer Luft um einen gewissen Betrag teilerwärmt, um in einer Turbine 6 mit einer dementsprechendL größeren Kälteleistung auf den Druck der einzigen Säule7 arbeitsleistend entspannt zu werden. Ein kleinerer Teil der im Regenerator 3 tief gekühlten Luft wird bei 8 abgezweigt, über Abscheider 9, Austauscher 19 — aus dem Kondensat nach Abscheider 9 zurücklaufen kann — und durch beide Röhrenaustauscher 10 und 11 innerhalb der zweckmäßig mit Schüttmaterial gefüllten Regeneratoren 3 und 4 wieder teilangewärmt, anschließend im Verflüssiger 12 im Bad von flüssigem Sauerstoff in der Säule 7 verflüssigt und nach Vereinigung (bei 13) mit weiterer Flüssigkeit, als Waschflüssigkeit am Kopf der Säule 7 (bei 14) aufgegeben. Das Ventil 2 dient als Umgehungsventil für einen Teil der Luft, die parallel zu den Austauschern 10, 11 und 5 zum Regulieren der Luftvorwärmung vor ddr Turbine geführt werden kann.

Die im Austauscher 19 ausgeschiedene und in Abscheider 9 zurückgeführte bzw. angesammelte Flüssigkeit wird hier entnommen, durch ein Filter 15 zwecks Abscheidung von Kohlensäure bzw. Wassereis usw. gereinigt und nach Entspannung im \^rentil 17 bei 13 mit der übrigen Waschflüssigkeit vereinigt, die über Ventil 16 entspannt wird. Der abziehende, noch etwa 10% Sauerstoff enthaltende Stickstoff wird in Austauscher 18 in Austausch mit den in der Spirale 12 verflüssigten bzw. aus dem Abscheider 9 entnommenen Luftanteilen gebracht und nach Passieren des Austauschers 19 — wo er weitere Luftanteile verflüssigt—durch den anderen der beiden Regeneratoren (z. B. 4 im vorliegenden Fall) herausgeleitet und dabei angewärmt. Der in der Säule 7 erzeugte Sauerstoff wird bei 20 flüssig entnommen.

Die Regeneratoren werden wie üblich in regelmäßigen Abständen umgeschaltet, so daß die Luft abwechselnd durch Regenerator 3, dann 4, der Stickstoff abwechselnd durch Regenerator 4, dann 3 strömt. Die Entnahme eines Teiles der Luft hinter den Regeneratoren, um sie in Röhrenwärmeaustauschern 10 und 11 wieder anzuwärmen, erfolgt vornehmlich zum Zweck der Erwärmung des Hauptanteiles der Luft vor der Entspannungsturbine 6, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen und eine .Ver- g₀ flüssigung in der Turbine zu vermeiden. Man erreicht durch diese Maßnahme, daß dieser abgezweigte Luftanteil durch die Entnahme hinter dem Regenerator dieselbe Reinheit von Kohlensäure und Wasser aufweist wie der nicht wieder angewärmte g_S Luftanteil·. Die Röhrenwärmeaustauscher 10 und 11 innerhalb der Regeneratoren können wegfallen, wenn bereits in einem wärmeren Bereich der Regeneratoren die zum Anwärmen der Turbinenluft benutzte Luft abgezweigt und in an sich bekannter Weise über einen von zwei abwechselnd in Betrieb befindlichen Adsorbern zwecks Reinigung geführt wird.

Ein Ventil 21 dient zum Regeln des durch die Säule gehenden Luftanteiles.

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff aus auf einheitlichen mäßigen Druck no verdichteter und bei tiefer Temperatur verflüssigter Luft durch Rektifikation unter Verwendung von Regeneratoren und der arbeitsleistenden Entspannung von Luft als Kältequelle, dadurch gekennzeichnet, daß 60 bis 90% der ge- n₅ samten zu verarbeitenden, auf einen Druck zwischen 3 und 15 atü geförderten und im regenerativen Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukt abgekühlten Luft nach anschließender Teilanwärmung durch wärmere Luftanteile arbeitsleistend (in Turbine 6) auf den Druck der Luftzerlegungssäule (7) entspannt und teilweise oder ganz in diese eingeführt und darin zerlegt wird, während die Beheizung der durch Rektifikation der Luft in dieser Säule (7) entstandenen Sauer-Stoffflüssigkeit durch den nicht durch die Tür-

   bine gehenden Teil der verdichteten Luft bewirkt wird, der dadurch verflüssigt wird, worauf er als Waschflüssigkeit auf den Kopf dieser Säule aufgegeben wird, nachdem er gegebenenfalls durch das bereits im Wärmeaustausch (19) mit Zerlegungsprodukt entstandene und nach einem Abscheider (9) zurückgelaufene Kondensat des nicht durch die Turbine gehenden Teiles der verdichteten Luft vermehrt wurde.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 734 573, 830805.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©609547/176 6.56 (609716 12.56)