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Verfahren zur Zerlegung tiefsiedender Gasgemische.
Es sind verschiedene Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Luft, vor- geschlagen worden, bei denen die Luft lediglich auf denjenigen Druck komprimiert wird, der ihre Ver- fliissigung bzw. die des Stickstoffes in Wärmeaustausch mit siedendem Sauerstoff gestattet und bei denen die Luft in periodisch gewechselten Kältespeichern gekühlt wird. Die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte wird bei diesem Verfahren durch Entspannen eines Teiles der verdichteten Luft bzw. des unter Druck abgetrennten Stickstoffes bei tiefer Temperatur unter Leistung äusserer Arbeit gewonnen.
Durch diese Art der Kälteerzeugung wird jedoch die Güte der Rektifikation unmittelbar mit der Kälte- leistung gekuppelt, weil der Kältebedarf die Gasmenge bestimmt, die zwecks Entspannung in der Expan- sionsmaschine der Drucksäule entnommen werden muss und hiedurch für die obere Säule als Waschflüssigkeit verlorengeht. Um die Zerlegungsanlage im Gleichgewicht zu halten, ist es nun notwendig, nach dem Kältebedarf zu regeln. Man wird daher nur selten das Optimum erreichen, bei dem Kälte- bedarf und Güte der Rektifikation gerade aufeinander abgestimmt sind, sondern meistens wird entweder durch einen Mangel an Waschflüssigkeit die Rektifikation eine schlechte Ausbeute liefern, oder ein Überschuss an Waschflüssigkeit kann nicht ausgenutzt werden.
Vorliegende Erfindung vermeidet diese Schwierigkeit und gestattet ausserdem, den Energiebedarf für die Zerlegung weiterhin zu senken. Erfindungsgemäss wird die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte durch einen gesonderten Kälteerzeugungsprozess mittels einer geringen Menge auf hohen Druck komprimierter Luft dadurch gewonnen, dass man einen Teil der Hoehdruekluft abdrosselt und den Rest unter Leistung äusserer Arbeit entspannt. Bei ungefähr gleicher Kälteerzeugung pro PA wie die bekannten Verfahren hat diese Arbeitsweise den Vorteil, dass die in der Drueksäule aus der gesamten verarbeiteten Luft ausgeschiedene Stickstoffmenge vollständig als WaschflÜssigkeit für die obere Säule verfügbar wird.
Infolgedessen kann man unter sonst gleichen Bedingungen eine höhere Reinheit des abgeschiedenen Stickstoffes und damit eine besondere Ausbeute erzielen und ausserdem zusätzlich Luft unter geringem Überdruck gasförmig in die obere Säule einblasen.
Die Verwendung von Luft unter drei verschiedenen Drucken mag zunächst als eine unvorteilhafte Erschwerung erscheinen, zumal bei der Verwendung von Kältespeichern die Schwierigkeiten der richtigen Verteilung der Gasmengen, die zur Erzielung eines vollkommenen Wärmeaustausches notwendig ist, um so grösser werden, je mehr Gasströme und damit je mehr Regeneratoren erforderlich sind. In Wirkliehkeit lässt sich jedoch jede Komplikation vermeiden, wenn man erfindungsgemäss die Menge Luft, welche in die obere Säule eingeblasen wird, gerade gleich der Menge des gewonnenen Sauerstoffs wählt.
In diesem Fall kommt man mit den auch sonst notwendigen zwei Paaren von Regeneratoren aus, von denen das eine den Wärmeaustausch zwischen Stickstoff und der auf Kondensationsdruck verdichteten Luft, das andere den Wärmeaustausch zwischen Sauerstoff und Gebläseluft vermittelt. Die Abkühlung des kleinen auf hohen Druck komprimierten Teiles der Luft, der auch sonst aus praktischen Gründen zur Kälteübertragung benötigt wird, erfolgt stets in kontinuierlich wirkenden Gegenströmern.
Die Kälteerzeugung wird bei dieser Arbeitsweise zweckmässig so ausgeführt, dass man nach dem Verfahren von Heylandt den durch die Expansionsmaschine gehenden Teil der Luft mit einem Druck von 200 Atm. mit Kühlwassertemperatur in die Expansionsmaschine leitet. Bisher hat man bei Gaszerlegungsverfahren, sofern nicht flüssige Produkte (flüssiger Sauerstoff) gewonnen wurden, darauf verzichten müssen, dieses Verfahren zur Kälteerzeugung zu verwenden, da die bei der Entspannung unter Leistung äusserer Arbeit frei werdende Kälte sich nur unvollkommen auf Frischgas übertragen lässt.
Man müsste entweder auf einen vollkommenen Wärmeaustausch verzichten und so unmittelbar Kälte verloren geben oder einen mittelbaren Kälteverlust dadurch in Kauf nehmen, dass man den durch die Expansionsmaschine gehenden Teil der Hoehdruckluft stark verkleinerte. Infolge der kleinen Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung waren ausserdem besonders grosse Austauscher notwendig.
Diese Nachteile des VerflÜssig1. mgsverfahrens werden nun nach vorliegender Erfindung durch die
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der Anwendung von Regeneratoren zur Kühlung von Gasgemischen muss das durch die Regeneratoren' in der Kaltperiode strömende Zerlegungsprodukt die in der vorhergehenden Periode aus dem Gasgemisch ausgeschiedenen Kondensate, wie Wasserdampf und Kohlensäure, wieder verdampfen. Diese Ver-
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und ihn hiedurch abkühlt, bei niedriger Temperatur als die Kondensation beim Durchströmen des Gasgemisches in der Warmperiode. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen Warm-und Kaltperioden der
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der Volumenunterschied zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukten nicht mehr aus, um die Sublimation der Kondensate zu ermöglichen.
Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Druckunterschied und damit der Volumenunterschied zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukt gering ist, wie z. B. beim
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dem Verfahren. In diesen Fällen hat es sieh als notwendig erwiesen, eine grössere Menge kalten Gases durch die Regeneratoren hinauszufuhren als warmes Gas in sie eintritt, um durch diesen Kältezusatz die Temperaturdifferenz zwischen Warm-und Kaltperiode, insbesondere im kalten Teil der Regeneratoren, so klein zu halten, dass die Wiederverdampfung der Kondensate unbedingt sicher gestellt wird.
Der hiefür erforderliche, zusätzliche Kältebedarf wird nun in besonders vorteilhafter Weise durch den sonst nicht ausnutzbaren Kälteüberschuss des Verflüssigungsverfahrens gedeckt. Falls trotz dieser Massnahme die Sublimation der Kondensate in den Sauerstoffregeneratoren Schwierigkeiten bereiten sollte,
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erhöht, insbesondere dadurch, dass der Sauerstoff mit Unterdruck abgesaugt wird.
Eine etwas abweichende Arbeitsweise besteht darin, dass man zur Kälteerzeugung statt nach dem Verfahren von Heylandt zu arbeiten, ein anderes Luftverflüssigungsverfahren verwendet, bei dem ein Teil der Luft unter Leistung äusserer Arbeit, der Rest durch Drosselung entspannt wird. So kann man
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Die Entspannung der Hochdruckluft kann bis zum Druck der ersten oder zweiten Zerlegungsstufe geführt werden. In letzterem Fall ist die Kälteleistung etwas grösser, jedoch wird hiebei die in die obere Säule eingeblasene Luftmenge vergrössert, in ersterem Fall wird zwar weniger Kälte erzeugt, dafür steht in der oberen Säule eine grössere Menge an Waschflüssigkeit zur Verfügung. Man wird also je nach Kältebedarf und Ansprüchen an die Reinheit des Stickstoffes die entspannte Hochdruckluft in die 1. oder 2. Zerlegungsstufe einführen.
Die Vorteile des neuen Verfahrens beruhen darauf, dass der Mehraufwand an Energie, der notwendig wird, um wenige Prozent der auf Kondensationsdruck verdichteten Luft für den Kälteerzeugungsprozess auf Hochdruck weiter zu verdichten, kleiner ist als die Energieersparnis, die dadurch erzielt wird, dass eine der Sauerstoffmenge gleiche Menge Luft statt auf Kondensationsdruck nur auf geringen Überdruck gefördert zu werden braucht. Da die Menge der Einblasluft automatisch der Reinheit des Sauerstoffs angeglichen wird, besitzt das Verfahren eine grosse Anpassungsfähigkeit, so dass es trotz des die Rektifikation bekanntlich erschwerende Einblasens von Luft sogar möglich wird, Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99% herzustellen.
Bei der Gewinnung weniger reinen Sauerstoffs wird eine grössere Luftmenge'praktisch unverdichtet zerlegt und hiedurch der Energiebedarf der Zerlegung-über die Herabsetzung des Kondensationsdruckes hinaus-zusätzlich gesenkt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Verluste an verdichtetem Gas bei jedem Umschalten der Regeneratoren dadurch geringer werden, dass der Druck des durch die Sauerstoffregeneratoren strömenden Frischgases sehr niedrig ist. Infolgedessen wird auch der Sauerstoff durch die beim Umschalten in den Regeneratoren verbleibende Luft in geringerem Masse verunreinigt als bisher, also der Sauerstoff in höherer Reinheit gewonnen.
Das Verfahren wurde vorstehend für das Beispiel der Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff beschrieben. Es lässt sich in gleicher Weise zur Zerlegung anderer tiefsiedender Gasgemische in zwei Komponenten verwenden. Die leichter siedende Komponente tritt dann an die Stelle des Stickstoffs und die schwersiedende an die des Sauerstoffs.