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Verfahren zur Herabsetzung des normalen Kondensationsdruekes bei der Gewinnung von Rohsauer- stoff unter fraktionierter Kondensation der Luft.
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Wenn man aus der Luft nach dem allgemein bekannten System Claude durch fraktionierte Kondensation den Stickstoff nur teilweise ausscheiden will, so dass ein sauerstoffreiehes Gemisch mit etwa 60% 02-GehaIt gewonnen wird, dann wird die Verdampferseite eines Kondensators mit der erzeugten Flüssigkeit von 50% 02-Gehalt gefüllt und auf der Kondensatorseite wird die Luft von unten nach oben durch die senkrechten Rohre des stehenden Kondensators geleitet. Auf dem Wege durch die Rohre kondensiert nun der Sauerstoff aus der Luft vollständig aus und der Stickstoff zieht am oberen Ende gasförmig ab.
Die an der Rohrwandung entstehende Flüssigkeit besteht im oberen Teil der Rohre nahezu aus reinem Stickstoff, im unteren dagegen je etwa zur Hälfte aus Sauerstoff und Stickstoff.
Die obere stickstoffreichere Flüssigkeit reichert sich beim Abfliessen nach unten ebenfalls mit Sauerstoff an, den sie aus der durch die Rohre geleiteten Luft aufnimmt, wobei aus der Flüssigkeit eine äquivalente Menge Stickstoff verdampft. Es findet also hier gleichzeitig eine fraktionierte Kondensation und eine Rektifikation statt. Der dabei erzeugte, etwa 50% O2 enthaltende flüssige Rohsauerstoff wird nun auf die Verdampferseite des Kondensators übergeleitet und dort fortlaufend verdampft, um 50% igen Sauerstoff im dampfförmigen Zustand zu gewinnen.
Wenn aber ein Dampf mit 50% 02-Gehalt gewonnen werden soll, dann muss sich die Flüssigkeit im Verdampfer zuerst bis 75% 02-Gehalt anreichern, weil mit einem 50% eigen Dampf eine Flüssigkeit von 75% im Gleichgewicht steht.
Diese Anreicherung geht in der Weise vor sich, dass zuerst nur Sauerstoff von 21% abdampf, dann solcher mit 25% und so fort, bis sich die Flüssigkeit auf 75% (, mit 0, angereichert hat.
Auf der Verdampferseite des Kondensators ist also letzten Endes eine Flüssigkeit von 75% zu verdampfen und auf der Kondensatorseite soll zuletzt nahezu reiner Stickstoff kondensiert werden.
Die Flüssigkeit mit 75 0-Gehalt besitzt bei atmosphärischem Druck eine Verdampfungstemperatur von-187'5 , während der Stickstoff sieh erst bei -195'50 verflüssigt, so dass sich ein Tem- peraturunterschied von 80 ergibt.
Um diesen Unterschied von 8 auszugleichen, muss die zu zerlegende Luft auf 3 Atm. (absolut) verdichtet werden, um sie gegen eine Flüssigkeit mit 750 02-Gehalt bis zum letzten Rest ihres Sauer- stoffgehaltes verflüssigen zu können.
Dieser Verdichtungsaufwand ist etwa um die Hälfte höher, als er sein könnte, wenn der Prozess in nachstehend beschriebener Weise durchgeführt wird.
Bei der Durchführung dieses neuen Verfahrens ändert sich auf der Kondensatorseite gegenüber dem an sich bekannten vorbeschriebenen Betrieb eines Rücklaufkondensators mit fraktionierter Kon- lensation und gleichzeitiger Rektifikation gar nichts, um so mehr aber auf der Verdampferseite.
Der Verdampfer wird jetzt nicht mehr mit Flüssigkeit gefüllt, sondern mit dieser bespült und das verdampfte Sauerstoff-Stickstoffgemisch wird nicht mehr oben aus dem Verdampfer entnommen, sondern n seiner Gesamtheit unten.
Demzufolge ist auf der Verdampferseite (am oberen Ende) nicht mehr eine einheitliche Flüssigkeit mit 75% Ou-gehalt gegen kondensierenden Stickstoff bei 80 Temperaturdifferenz zu verdampfen, sondern 'ine 50% ige Flüssigkeit gegen kondensierenden Stickstoff, am unteren Ende dagegen eine 75% ige Flüssig- @eit gegen ein kondensierendes Gemisch mit 50% O2-Gehalt. Die 50% ige Flüssigkeit besitzt eine Ver-
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von -191'50 verflÜssigt.
Hier ist also durchwegs eine Temperaturdifferenz von nur 4 durch einen entsprechenden Druckunterschied zwischen der kondensierenden Luft und der verdampfenden Flüssigkeit zu überwinden.
Da der Verdiehtungsaufwand im linearen Verhältnis zur Temperaturdifferenz steht, so ergibt sich daraus eine theoretische Ersparnis an Energie für die eigentliche Zerlegung selbst von rund 50 u.
Der Vorgang im Berieselungsverdampfer verläuft aber nicht so einfach. wie es hier zunächst dar- gestellt wurde, denn aus der oben im Verdampfer aufgegossenen Flüssigkeit mit 50% O2-Gehalt entsteht zunächst wieder Dampf von 21% O-Gehalt und aus der letzten, am unteren Ende des Verdampfers verdampfenden Flüssigkeit mit 75% 02-Gehalt würde erst ein Dampf mit 50% Oa-Gehalt entstehen, im Mittel also ein solcher von 50 + 21/2 =35#5% O2-Gehalt, statt wie verlangt von 50%.
Ein solcher würde voraussetzen, dass sich am unteren Ende die Flüssigkeit soweit anreichert, dass dort ein Dampf von 79% entsteht, um im Mittel einen solchen von 50% zu erhalten. Das würde einer Flüssigkeit von 91% entsprechen, die erst bei 1840 verdampft, so dass unten eine Temperaturdifferenz von 7#5 entstehen würde, was zu keiner Verbesserung im Energieaufwand führen konnte, denn die er-
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Temperaturunterschied, auch wenn dieser am oberen Ende wesentlich kleiner ist.
Erfindungsgemäss wird nun aber hier nicht nur das flüssige Gasgemisch auf der Verdampferseite
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mit Sauerstoff bewahrt werden.
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malen liegt.
Hier handelt es sieh also um ein ganz anderes Ziel als bei dem bekannten Verfahren und auch um einen neuen physikalischen Vorgang der Stickstoffeinwirkung auf die eindampfende Fliissigkeit. welcher sich auch nur bei solchen Flüssigkeiten praktisch auswirken kann, welche beide Hauptbestandteile des ursprünglichen Gasgemisches noch in annähernd gleich grossen Anteilen enthalten und wobei die Gewinnung des Schwersiedenden in der Flüssigkeit zusammen mit einem annähernd gleich grossen Anteil an dem leichtsiedenden Hauptbestandteil des Gasgemisches Gegenstand des Betriebes und des Verfahrens ist, während bei dem bekannten Verfahren das Gegenteil der Fall ist, indem dort das Leiehtsiedende (der Wasserstoff),
überhaupt nicht mehr in der zu verdampfenden Flüssigkeit enthalten ist.
Es ist zu beachten, dass der Schwerpunkt vorliegender Erfindung und die Grundlage des Verfahrens in der Einwirkung des höheren Stickstoffteildruekes der Dämpfe auf den Teildruck der FlÜssigkeit liegt. indem der jeweils an einer höheren Stelle des Verdampfers verdampfte Stickstoff auf seinem Wege nach unten teils die Verdampfung des Stickstoffgehaltes der sauerstoffreicheren Flüssigkeit behindert und teils von dieser wieder aufgenommen wird, und dass nur durch diese Rektifikationswirkung die angestrebte Minderung des normalen Kondensationsdruekes, der bekanntlich für den Energiebedarf bei der Zerlegung von Luft massgebend ist, erreicht werden kann und auch nur unter der Bedingung, dass der leichtsiedende Hauptbestandteil des kondensierenden Gasgemisches (hier also der Stickstoff)
auf der Kondensatorseite in erheblichem Ausmasse mit verflüssigt wird. Zudem muss die Berührungsoberfläche der Flüssigkeit ebenso gross oder grösser sein als die metallische Oberfläche des Verdampferkondensators.
Bei dem bekannten Verfahren wird nur die Überschreitung des normalen Kondensationsdruckes verhindert und die Entfernung unerwünschter hochsiedender Nebenbestandteile aus der Flüssigkeit wird zu erreichen versucht, wozu auf eine Rektifikationswirkung während der Verdampfung auch gar nicht reflektiert zu werden braucht, ganz abgesehen davon, dass eine solche mit praktisch nutzbarer
Auswirkung nur dann vor sich gehen kann.
wenn es sich um die Kondensation und Verdampfung eines mit dem Schwersiedenden angereicherten Gemisches handelt, welches aus den beiden Hauptbestandteilen @ des zu zerlegenden ursprünglichen Gasgemisches besteht, und wenn ausserdem durch die Herbeiführung einer genügend grossen Berührungsoberfläche zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit die Einwirkung der Dämpfe auf die Flüssigkeit in zureichendem Ausmasse sichergestellt ist, was nur im Berieselungsbetrieb erzielt werden kann.
Der hier beschriebene Fall einer Gewinnung von 45-50% igem Sauerstoff stellt die einfachste und wirtschaftlich günstigste Art der teilweisen Stiekstoffausscheidung aus der Luft dar. Für die meisten
Bedarfsfälle des Hochtemperaturgebietes, der Metallurgie, und für den Bedarf der chemischen Industrie genügt in der Regel ein Rohsauerstoff mit 45-50% Os-Gehalt.
In beiliegender Zeichnung ist eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Einrichtung dargestellt.
Sie besteht lediglich aus dem neuartig gestalteten Kondensator a. welcher auch als Rektifikator und Verdampfer wirkt. Er ist aus einzelnen doppelwandigen Gliedern b zusammengesetzt, zwischen denen jeweils ein Zwischenraum c für den (unteren) Zufluss und Durchgang der zu kondensierenden Luft und den (oberen) Abfluss des gasförmig ausgeschiedenen Stickstoffs gelassen ist.
Die einzelnen Glieder sind oben mit einem Flüssigkeitsverteilungsrohr 'und unten mit einem
Dampfsammelrohr g verbunden und das ganze Gliederpaket ist in einem zylindrischen Mantel h unter- gebracht, auf dessen Boden sich der Rohsauerstoff mit. etwa 50% 02-Gehalt sammelt, von wo er durch die Leitung 7c und das Regulierventil m oben in die Verdampfungsräume p der einzelnen Glieder ein- geleitet wird.
Dort sind diese Glieder mit einer Einrichtung versehen, welche den Abfluss der Flüssigkeit nur an den Wandungen zulässt und vollkommen gleichmässig auf die ganze Breite derselben verteilt.
Die Luft, deren Zuleitung im tiefgekühlten Zustande mit atmosphärischem Druck bei ? und y erfolgt, wird auf ihrem Wege durch die Zwischenräume c von unten nach oben etwa zur Hälfte kondensieren und auf der andern Seite der Wandungen, innerhalb der Verdampfungsräume p wird dadurch die an den Wandungen herabfliessende Flüssigkeit vollständig verdampft, so dass am unteren Ende der Verdampferräume p nur noch Dampf vorhanden ist, der durch das Sammelrohr g abgeleitet wird und mit dessen Kälteeinhalt die zu zerlegende Luft bis zum Verflüssigungspunkt vorgekühlt werden soll.
Auf der andern Seite der Verdampferwandungen (d. h. auf der Kondensatorseite) geht die Kondensation der Luft so vor sich, dass auf dem ersten Teil ihres Weges durch die Zwischenräume c zunächst ein Gemisch mit etwa 50% 02-Gehalt aus der Luft auskondensiert, auf dem weiteren Wege dann ein solches von 40,30, 20 und 10%, bis am oberen Ende schliesslich der gesamte Sauerstoff aus der Luft auskondensiert ist und der unverflüssigte Teil nur noch aus Stickstoff besteht. Dieses kondensierte Flüssig-
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O2-Gehalt anreichern müsste, wenn der entstehende Dampf oben abgezogen würde.
Dies zu verhindern, wird daher der Dampf im Gleichstrom zur verdampfenden Flüssigkeit ebenfalls nach unten geleitet und damit das vorzeitige Abdampfen des Stickstoffes aus der Flüssigkeit behindert, indem sie ausserdem auch Stickstoff aus dem Dampf aufnimmt und dafür Sauerstoff an diesen abgibt.
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aus, während an derselben Stelle auf der Verdampferseite p ein Flüssigkeitsgemisch mit 75-80% O2- Gehalt verdampft. Am oberen Ende dagegen kondensiert ein Gemisch mit nur zu 0-Gehalt eaen ein verdampfendes Flüssigkeitsgemisch mit 50% 02-Gehalt.
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zur Tiefkühlung der Luft benützt wird.
Der verdampfte Rohsauerstoff wird aus dem Verdampfer mit einem Unterdruck von 0'6. \ta abgesaugt, um den zur Kondensation der Luft erforderlichen Druckunterschied herzustellen.
Anstatt den Rohsauerstoff mit 0#5 Ata abzusaugen, könnte auch die zu zerlegende Luft auf etwa 2 Ata verdichtet werden. Da aber diese Menge etwa doppelt so gross ist als die erzeugte Rohsauerstoff-
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Frage kommen, wenn die im Stickstoff enthaltene Verdichtungsenergie dazu benützt werden soll. um durch dessen Entspannung in einer Expansionsmaschine oder Turbine die Kälteverluste der Anläse zu decken, was Gegenstand des österr. Patentes Nr. 125409 ist.
Praktische Bedeutung kann das neue Verfahren jedoch nur in Verbindung mit dem Kältespeieher- Umschaltwechselbetrieb nach dem österr. Patent Nr. 120547 erhalten, denn diese neue Verdampfungsart hat eine wesentliche Minderung des erforderlichen Druckes im Gefolge, auf den das Gasgemisch für die Kondensation verdichtet werden muss, während anderseits durch das Absaugen des Sauerstoffs das Volumen noch grösser wird. Mit abnehmendem Druck wächst aber der Bedarf an Übertragungsfläche für den Kältetausch zwischen dem Gasgemisch und den Zerlegungsprodukten bei der Abkühlung bis zur Verflüssigungstemperatur, welche der Zerlegung stets vorangehen muss.
Da es sich bei der Gewinnung von Sauerstoff mit etwa 50% O2-Gehlat nur um Anlagen für sehr grosse Leistungen handeln kann, da sie für den Grossbetrieb der Eisenhütten-und chemischen Industrie und sonstige Zwecke des Hochtemperaturgebietes der Metallurgie bestimmt sind, die Anschaffunnskosten solcher Anlagen aber ausschlaggebend vom Herstellungspreis der Kältetauscher beeinflusst werden, so kommt hiefiir etwas anderes als der Kältespeicher-Umschaltwechselbetrieb nicht in Frage, zumal der
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PATENT-ANSPRÜCHE :
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Verfahren zur Herabsetzung des normalen Kondensationsdruckes bei der Gewinnung von Rohsauerstoff unter fraktionierter Kondensation der Luft und unter Berieselung der Verdampferseite des Kondensators mit einem flüssigen Sauerstoff-Stickstoffgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu weitgehende Anreicherung der eindampfenden Flüssigkeit an Sauerstoff im unteren Verdampfunas- bereich durch die Herbeiführung einer gleichzeitigen Anreicherung des flüssigen Rohsauerstoffes mit Stickstoff aus den sauerstoffärmeren Dämpfen des oberen Verdampfungsbereiches verhindert wird.