<Desc/Clms Page number 1>
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 :
EMI1.1
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
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
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-
EMI2.2
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.
<Desc / Clms Page number 1>
Process for the liquefaction and separation of gas mixtures, in particular of
Air and its components.
The subject of the invention is a method for breaking down gas mixtures, in particular air, into their constituent parts. in which the to be dismantled. compressed air is split into two parts, one part, based on atmospheric temperature. expanded in an expansion machine and passed through part of the heat exchanger and introduced into the pressure column of a two-column separator, while the other part of the compressed fresh air is expanded into the latter by means of a throttle valve after passing through the entire heat exchanger, which is cooled by the exhausting nitrogen, and the evaporator of the pressure column. The expansion machine brings the fresh air from normal temperature to low temperature, thereby relieving the heat exchanger.
The temperature of the nitrogen withdrawn from the exchanger is then used to dry out and purify the fresh air.
So far one used such working expansion machines for the liquefaction and separation of the air only in connection with single column apparatus. where the excess cold was simply allowed to escape into the surrounding air unused. However, it has already been found that the use of the expansion machine leads to a significant deterioration in the degree of purity of the decomposition products. According to the invention, expansion machines are used here for the first time in connection with two-column apparatus, with the excess cold being able to be used for drying out the processed high-pressure air.
According to the drawing, the device has the following properties:
EMI1.1
exchanger, after it has possibly also passed the evaporator coil 3 of the evaporator vessel 16, at 4 into the pressure column 5 of the two-column apparatus, while the other part of the compressed fresh air at 6 after passing through the whole of the heat exchanger cooled by the exhausting nitrogen and the evaporator 3 of the pressure column in the latter is relaxed by means of a throttle valve 8. At 9 this relaxed air goes into the pressure column 5.
The further course of the process is such that the liquid nitrogen formed in the condenser 10 collects in the shell 11, is then sent through pipe 12, valve 13 and pipe 14 at the top at 15 into the low-pressure column. Likewise, the approximately zigue liquid oxygen accumulating on the bottom in the evaporation vessel 16 is transferred through the pipe 17 and valve 18 through the shower 19 at a suitable point in the upper column.
B is a drying exchanger in which the excess cold resulting from the deep-freeze exchanger 7 is used for freezing out and separating out the moisture and carbonic acid contained in part of the high-pressure air. The drying and cleaning of the high-pressure air from moisture and carbon dioxide can only take place at a certain point on the exchanger; because not every temperature range is suitable for it. That's why
<Desc / Clms Page number 2>
EMI2.1
flows back into the exchanger part Fa, accomplished. Finally, this stream of nitrogen, the cold of which has now been fully utilized, escapes into the air at 24.
At 25, the high-pressure air flowing through the pipe 26, which comes from the compressor C, goes into the pipe system of the drying exchanger B and leaves it at 27 through the pipe 28 which leads into the exchanger part 7.
According to the invention, the procedure is such that by utilizing the adiabatic expansion of part of the gas mixture, the separating apparatus is kept permanently in an excess of cold. This enables the separator to be supplied with large amounts of deep-frozen air immediately after it has been started up, which has the advantage over the previously common throttling process that it takes place very slowly (e.g. from +20 to-140) instead of the otherwise gradual process reached the low point of cold immediately and without loss of time,
So far, expansion machines that work in this way have only been used for the liquefaction of air in so-called single-column devices, where it was not a question of producing high-percentage oxygen.
In the case of single-column apparatus, however, it is impossible to let the large proportion of gas required to achieve a favorable refrigeration or liquefaction effect run through the expansion machine without significantly disrupting the intended separation of the gases.
The cold air emerging from the so-called warm air expansion machine only has a temperature of -150. If, as has also happened, it can be brought further down to near its liquefaction temperature by means of a temperature exchanger, the conditions to liquefy this amount of air are still lacking, because a further pressure gradient, as is available in a double-column apparatus, is not available there is more. In order to obtain a good and perfect rectification, it is necessary that a corresponding amount of liquid flows down from the top of the column for the gas rising from a very specific amount, which is not possible when using the single-column apparatus.
The expansion machine air always remains gaseous, while with the double-column apparatus all of the expansion machine air is completely liquefied by the condenser located above the lower column and can now be passed into the upper column 1000/0 liquid. As a result, the separation result is no longer adversely affected, since the lower column of a double-column apparatus is only to be viewed as a pre-separation column that is completely closed off with a valve to the upper column, in which the final separation has to take place for pure products. This is proven by a large number of operating reports recorded by air and oxygen liquefaction plants that work according to the single column system.
If, as in a double
EMI2.2
The purity of 99'50 / 0 required today, according to the available test results on such single-column liquefaction units with expansion machines that were previously installed in large numbers, a purity of the oxygen of 950/0 can only be achieved if the amount of air running through the expansion machine is 500 / 0 reduced to about 100/0. But then the great refrigeration advantage that the expansion machine offers disappears again, as far too little air can run through the machine, namely only 10 / o instead of 50-600 / 0 as with double-column devices.
If 50 or 600 / (, gas are fed into a single-column apparatus, complete separation cannot be achieved, as has already been explained above. The two-column apparatus provides the means to achieve this through the condenser.
The advantages of the new process are as follows:
The start-up time of the separator is significantly reduced. The reduction is about 50%. The energy savings during the start-up period are also significant, all the more so since the relaxation machine delivers power. The power saving was determined to be 100/0, so that in addition to reducing the start-up time, there is also an energy gain.
The combinatorial method described above also enables the dimensions of the heat exchanger to be significantly smaller than usual, since the exchanger then does not have to be dimensioned for the full amount of air, but only for a smaller part of it. Furthermore, since the isotropic process that takes place generates more cold than is permanently required to cool the high-pressure gas mixture, there is a very considerable excess of cold in the separator, which is used to remove all of the moisture and other impurities (carbonic acid ) to withdraw. The excess cold is used for other, non-industrial purposes, e.g. B. for ice making or cooling applied.