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Verfahren zur Zerlegung von Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt durch Verflüssigung und
Rektifikation.
Bei der Zerlegung von Luft durch Verflüssigung und Rektifikation werden neuerdings für den Wärmeaustausch periodisch gewechselt Kältespeicher verwendet, durch die eine bestimmte Zeit Zerlegungsprodukt strömt, hiebei seine Kälte an die Speichermasse abgibt, während in der nächsten Periode in umgekehrter Richtung Frischgas hindurchgeleitet wird, welches die von den Zerlegungsprodukten in der vorhergehenden Periode an die Speichermasse abgegebene Kältemenge aufnimmt.
Die in dem Frischgas enthaltenen Dämpfe, wie Wasserdampf oder Kohlensäure, werden bei der Abkühlung auf der Speichermasse niedergeschlagen und in der darauffolgenden Periode von den in umgekehrter Richtung durch den Speicher strömenden Zerlegungsprodukten wieder verdampft und hinausgeführt. Mit Regeneratoren ist grundsätzlich ein Wärmeaustausch von mehr als 98% möglich, d. h. also, das Zerlegungsprodukt verlässt den Regenerator mit einer Temperatur, die nur wenige Grade unter der Eintrittstemperatur der Luft liegt.
In der Praxis hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass es in manchen Fällen, insbesondere bei höheren Lufteintrittstemperaturen (mehr als 250 C), nicht möglich ist, auch bei reichlicher Bemessung der Regeneratoren einen günstigen Wärmeaustausch zu erzielen und Austauschdifferenzen von 10 C und mehr auftreten.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist die Beseitigung der hiedurch bedingten Schwierigkeiten.
Erfindungsgemäss wird-obwohl das Zerlegungsprodukt den Regenerator schon zu kalt verlässt- dem warmen Ende des Regenerators eine zusätzliche Kältemenge insbesondere dadurch zugeführt, dass zwecks Verdunstungskühlung Wasser in das Zerlegungsprodukt eingespritzt wird.
Die überraschende Wirkung dieser Massnahme lässt sich wie folgt deuten : Bei hohen Lufttemperaturen ist die im Gas enthaltene Wasserdampfmenge, die im warmen Teil der Speicher kondensiert, so hoch, dass ihre Kondensationswärme an die fühlbare Wärme des Gases im gleichen Temperaturgebiet heranreicht bzw. sie übersteigt. Die aus der verdichteten Luft gleichmässig während einer Schaltperiode niedergeschlagene Wassermenge wird, selbst wenn die Luft gesättigt war, nach dem Umschalten schon von einem Bruchteil der Zerlegungsprodukte, also schon im ersten Drittel oder ersten Viertel der nächsten Periode verdampft, da die Zerlegungsprodukte ein im umgekehrten Verhältnis der Drucke grösseres Volumen als die Luft besitzen.
Infolgedessen wird dem warmen Ende der Regeneratoren am Anfang der Kaltperiode eine relativ grosse Kältemenge zugeführt, wodurch die Speichermasse so kalt wird, dass sie das Zerlegungsprodukt während des Restes der Periode nicht mehr auf die Eintrittstemperatur des Frisehgases anwärmen kann ; das bedingt grosse Austauschdifferenz in diesen Fällen und den damit verbundenen beträchtlichen Kälteverlust.
Erfindungsgemäss führt man nun dem warmen Ende der Regeneratoren eine zusätzliche Kältemenge insbesondere in der Weise zu, dass man nach der am Anfang der Kaltperiode erfolgten Ver- dampfung des aus der Luft kondensierten Wassers weitere Mengen von Wasser in das dann ungesättigte bzw. trockene Zerlegungsprodukt einspritzt. Hiedurch wird zwar die Temperatur des austretenden Zerlegungsproduktes weiterhin gesenkt und damit der Kälteverlust insgesamt anscheinend vergrössert, jedoch nicht nur diese neue Vermehrung der Kälteverluste, sondern auch der grösste Teil der Verluste,
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welche durch die zu schnelle Verdampfung des aus der Luft ausgeschiedenen Wassers entstanden war, wird von der billigen Verdunstungskälte gedeckt.
Der Teil der Kälteverluste, welcher durch die kostbare, im Zerlegungsprozess bei tiefsten Temperaturen erzeugte Spitzenkälte zu decken ist, wird somit erheblich vermindert.
In gleichem Masse, wie die Temperatur des Zerlegungsproduktes, erniedrigt sich auch die Temperatur der Speichermasse, wodurch ihr die im Beharrungszustand für eine rasche Wasserausscheidung notwendige Kälte zugeführt wird.
Es ist an sich schon vorgeschlagen worden, in die Zerlegungsprodukte der Luftzerlegung Wasser einzuspritzen, um eine Vorkühlung der Luft in den Fällen zu bewirken, in denen die zur Durchführung der Zerlegung notwendige Kälte durch Abdrosselung der zu zerlegenden Luft gewonnen wurde, da bekanntlich die Kälteleistung hiebei durch die Vorkühlung vergrössert wird. Bei der Verwendung von periodisch gewechselten Kältespeichern wird jedoch die Hauptmenge der Luft mit so niedrigen Drucken der Zerlegungsanlage zugeführt, dass ihre Drosselung keine nennenswerte Kälteleistung ergibt, so dass die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte durch einen gesonderten Kälteerzeugungsprozess erzeugt wird.
Da auch die Kondensationswärme der Dämpfe bei der Verwendung von Regeneratoren ausgetauscht wird, musste eine Vorkühlung der Luft überflüssig erscheinen, zumal auch bei der infolge der geringen Druckunterschiede praktisch gleichen Wärmekapazität der beiden Gasarten die Luft die Verdunstungskälte nicht würde aufnehmen können. Die Anwendung der Verdunstungskühlung hat also im vorliegenden Falle keineswegs nahegelegen.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, die bei einer Klimaanlage auftretenden Kälteverluste dadurch zu decken, dass man in die Abluft, während sie zwecks Wärmeaustausch mit der Frischluft durch periodisch gewechselt Kältespeicher strömt, Wasser einspritzt. Hiebei werden in üblicher Weise die bei einem Kälteverfahren auftretenden Verluste bei der tiefsten Temperatur gedeckt und lediglich durch die im Gegensatz zur Luftverflüssigung geringe Endtemperatur der Abkühlung wird es möglich, hiefür Verdunstungskühlung zu verwenden.
Erst die Erkenntnis der vorliegenden Anmeldung, dass die bei höheren Lufteintrittstemperaturen auftretenden grossen Austauschdifferenzen nicht wie sonst bei Zerlegungsverfahren hauptsächlich durch Kälteverluste im Gebiet der tiefsten Temperaturen, sondern durch die Vorgänge am warmen Ende der Regeneratoren bedingt sind, ermöglichte die Behebung dieser Schwierigkeiten durch die Anwendung von Verdunstungskühlung.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird für das Beispiel der Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff an Hand der Figuren näher erläutert. In der Fig. 1 stellt 1 einen zweistufigen Luftzerlegungsapparat üblicher Bauart dar. 2 und 3 sind die Regeneratoren, in denen der Wärmeaustausch zwischen der Hauptmenge der Luft und dem in der Zerlegungsanlage gewonnenen Stickstoff erfolgt, während der Rest der Luft in den Regeneratoren 4 und 5 in Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff abgekühlt wird. Die Luft hat einen Druck von 5 ata, infolgedessen besitzen die Zerlegungsprodukte bei einem Druck von etwa 1 ata ein fünfmal grösseres Volumen.
Das aus der Luft kondensierte Wasser kann also nach dem Umschalten schon in ein Fünftel der neuen Periode von den Zerlegungsprodukten verdampft werden, so dass in dieser kurzen Zeit auch die Hauptmenge der eigentlich in der gesamten Periode zu übertragende Kälte an die Speichermasse abgegeben wird. Erfindungsgemäss wird in die Zerlegungsprodukte, sobald das aus der Luft kondensierte Wasser verdampft ist, Wasser in fein verteilter Form eingespritzt. Um eine Vereisung zu vermeiden, erfolgt die Einspritzung an einer Stelle, an der die Temperatur des Gases 4 C übersteigt, gegebenenfalls wird das Wasser an mehreren Stellen unterteilt zugeführt. Zu diesem Zweck sind in den Speichern bei 6 a und 6 b, 7 a und 7 b bzw. 8 a und 8 b und 9 a und 9 b Hohlräume vorgesehen, in die mittels einer Zerstäubungsdüse Wasser eingeführt werden kann.
Die Steuerung der Wassereinspritzung erfolgt zweckmässig durch die Schaltmaschine, welche die Umschaltung der Regeneratoren bewirkt.
Da eine Verdunstungskühlung lediglich oberhalb 0 C, also nur innerhalb der ersten 10-15% der insgesamt im Speicher erfolgenden Temperatursenkung wirksam sein kann, sollte man vermuten, dass man das Wasser höchstens in einem Abstand vom warmen Ende des Regenerators einführen darf, der etwa ein Zehntel bis ein Achtel der Länge des Regenerators ausmacht. Erfindungsgemäss wird jedoch das Wasser, zum mindesten zum Teil schon an einer Stelle eingeführt, welche ein Drittel bis ein Viertel der Regeneratorlänge vom warmen Ende entfernt ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein Regenerator sogar noch in der Mitte im Mittel eine Temperatur von 0 C und mehr aufweisen kann, obwohl in ihm Luft von Raumtemperatur bis auf etwa-180 C abgekühlt wird.
Der Grund hiefür ist, dass die Wasserausscheidung und Verdampfung am warmen Ende des Regenerators eine erhebliche stärkere thermische Belastung der Speichermasse bedingt. Der Regenerator sucht dies in der Weise auszugleichen, dass der Temperaturabfall am warmen Ende vermindert wird und so in diesem Temperaturgebiet auf Kosten des kalten Endes eine grössere Speichermasse für den Wärmeaustausch herangezogen wird.
Wenn man nun gemäss der Erfindung dem warmen Ende des Regenerators, insbesondere durch
Verdunstungskühlung, einen Kälteüberschuss zuführt, so erreicht man den besonderen Vorteil, dass die Temperaturdifferenzen beim Wärmeaustausch in diesem Teil des Speichers vergrössert werden, wodurch auch das Temperaturgefälle vergrössert wird, so dass bei der neuen Arbeitsweise die Speicher-
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masse für den Austausch der fühlbaren Wärme unterhalb des Kondensationsgebietes des Wassers wieder vergrössert und so auch die Austauschbedingungen im kalten Teil des Regenerators beträchtlich verbessert werden.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich bis zu einem gewissen Grade auch durch andere Massnahmen erreichen, mit deren Hilfe dem warmen Ende der Speicher in billiger Weise ein Kälteüberschuss zugeführt werden kann, der nicht aus kostspieliger Spitzenkälte bei tiefster Temperatur stammt. So kann man z. B. mit einer Kältemaschine auf etwa 0 C gekühltes Gas zusätzlich neben den Zerlegungsprodukten durch das warme Ende des Regenerators leiten oder die Kälteabgabe des warmen Teiles der Speicher in der Warmperiode dadurch vermindern, dass man einen Teil der Luft nicht im Speicher, sondern getrennt, z. B. mittels einer Kältemaschine bis auf etwa 0 C abgekühlt und dann erst in den Speicher einleitet.
Eine etwa abweichende Arbeitsweise besteht darin, dass man dem warmen Ende der Regeneratoren den Kälteüberschuss nicht unmittelbar zuführt, sondern dass die Luft vor Eintritt in den Speicher mit Wasser berieselt wird, welches durch den aus der Zerlegungsanlage abziehenden Stickstoff gekühlt wurde. Die Wassermenge, welche vom Stickstoff verdampft wird, entspricht hiebei der zwecks Verdunstungskühlung in den Speicher eingespritzten Wassermenge, während der übrige Teil des Wassers die gleiche Wirkung wie die Speichermasse ausübt.
Die beiden Arbeitsweisen sind also äquivalent mit dem Unterschied, dass bei der zuerst beschriebenen Arbeitsweise bei feststehender Speichermasse der Gasstrom umgeschaltet wird, während bei der andern das Gas kontinuierlich strömt und das als Speichermasse dienende Wasser abwechselnd mit den verschiedenen Gasströmen in Berührung gebracht wird.
In Fig. 2 stellt 1 den Luftkühler und 2 den zur Rückkühlung des in 1 angewärmten Wassers dienenden Wasserkühler dar. Die auf den Zerlegungsdruek, z. B. 5 ata verdichtete, etwa 450 C warme und mit Wasserdampf gesättigte Luft wird bei 3 in den Turm 1 eingeführt und bei ihrem Aufsteigen gekühlt, wobei die Hauptmenge des in ihr enthaltenen Wassers niedergeschlagen wird. Sie verlässt den Turm 1 bei 4. Das durch die Abkühlung der Luft erwärmte Wasser wird bei 6 abgezogen und durch das Ventil 7 auf den Turm 2 entspannt und dort mittels des Verteilers 8 zerstäubt. Bei 11 wird in Turm 2 der aus der Zerlegungsanlage kommende entspannte Stickstoff eingeführt.
Obwohl die Menge des Stickstoffes höchstens 80% der in 1 abgekühlten Luftmenge beträgt, ist sein Volumen infolge der zur Zerlegung notwendigen Druckdifferenz ein Vielfaches desjenigen der Luft. Infolgedessen ist der Stickstoff, obwohl er in dem zum Wärmeaustausch dienenden periodisch gewechselten Kältespeicher den Feuchtigkeitsgehalt der Luft aufgenommen hatte, weitgehend an Wasserdampf ungesättigt. Er kann also in Turm 2 eine beträchtliche Menge Wasser verdampfen und neben seinem Kälteinhalt eine Kältemenge an das Wasser abgeben, welche im allgemeinen die Kältemenge übersteigt, die zur Kühlung der verdichteten Luft und zur Kondensation des in ihr enthaltenen Wassers notwendig ist.
Der Stickstoff verlässt Turm 2 bei 12, während das rückgekühlte Wasser bei 9 entnommen und durch die Pumpe 10 auf den Turm 1 zurückgefördert wird, in den es mittels des Verteilers 5 eingeführt wird.
Die Temperatur, auf welche die Luft bei dieser Arbeitsweise vor Eintritt in die Speicher abgekühlt wird, stellt sich automatisch als thermisches Gleichgewicht zwischen den Regeneratoren und der Vorkühlung ein. Sie richtet sich hauptsächlich nach der Menge des Stickstoffes, seinem von dem Druckverhältnis Luft zu Stickstoff abhängigen Sättigungsgrad, der Eintrittstemperatur der Luft, der umlaufenden Wassermenge und den bei der Vorkühlung auftretenden Kälteverlusten.
Selbst bei Lufteintrittstemperaturen von 45 C und mehr ist bei einem Druckverhältnis Luft : Stickstoff von etwa 5 eine Abkühlung der Luft auf etwa 5 und damit eine weitgehende Abscheidung des in ihr enthaltenen Wassers möglich, da bis zu diesen Temperaturen die durch die Aufsättigung des Stickstoffes mit Wasser freiwerdende Kältemenge die zur Abkühlung der verdichteten Luft und zur Kondensation des in ihr enthaltenen Wassers in diesem Temperaturgebiet notwendige Kälte übersteigt. Voraussetzung hiefür ist jedoch, dass die zwischen Luftkühler und Wasserkühler umlaufende Wassermenge möglichst klein gehalten wird.
Man wird also nur einen geringen Überschuss über die notwendige Mindestwassermenge anwenden, die sich daraus berechnet, dass ihr Kälteinhalt ausreichen muss, um die zur Abkühlung der Luft und zur Kondensation des Wassers notwendige Kältemenge innerhalb der auftretenden Temperaturdifferenzen zu liefern.
Die bei der Abkühlung der Luft zu kondensierende Wassermenge ist bei höheren Temperaturen wesentlich grösser als bei niedrigen Temperaturen. Infolgedessen ist auch bei höheren Temperaturen die zur Abkühlung der Luft notwendige Kältemenge und damit die Kühlwassermenge grösser als bei niedrigeren Temperaturen. Man kann nun die bei der Vorkühlung erreichbare tiefste Temperatur dadurch erniedrigen, dass man nicht, wie bei dem Verfahren nach Fig. 1 die gesamte Wassermenge gleichmässig durch die Türme führt, sondern gemäss Fig. 2 im kalten Teil der Kühltürme eine geringere Wassermenge anwendet als in dem warmen Teil. Gleichzeitig wird hiedurch die Zeit, die zur Erreichung des Beharrungszustandes nach der Inbetriebnahme notwendig ist, vermindert.
In Fig. 3 stellt 1 wieder den Luftkühler dar, in dem die Luft bei 3 eingeführt wird und bei 4 austritt. 2 ist der Wasserkühler, in dem das bei 1 erwärmte Wasser rückgekühlt wird. Das Wasser wird nach Entnahme bei 9 und Verdichtung in der Pumpe 10 wieder auf den Turm 1 aufgegeben.
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Ein Teil des in 2 rückgekühlten Wassers wird bei mittlerer Temperatur, beispielsweise 20 C, bei 13 aus dem Turm entnommen, durch die Pumpe 14 auf den Zerlegungsdruck der Luft verdichtet und bei 15 in den Turm 1 an einer seiner Temperatur entsprechenden Stelle eingeführt. Der Durchmesser der Türme wird zweckmässig der in ihnen umlaufenden Wassermenge angepasst, d. h. also, ihr
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30-50% der im warmen Teil umlaufenden Menge betragen.
An Stelle je eines Luft-und Wasserkühlers, welche mit verschiedenen Wassermengen im warmen und kalten Teil betrieben werden, kann man auch je zwei Kühler aufstellen. In einem Paar wird die Kühlung der Luft bzw. des Wassers bis auf die mittlere Temperatur von etwa 20 C vorgenommen, während in dem weiteren Paar die Kühlung von 20 C bis auf die tiefste erreichbare Temperatur, beispielsweise 5 C, erfolgt. Ferner ist es möglich, die in den einzelnen Teilen der Türme umlaufende Wassermenge noch weitgehend dem Kältebedarf anzupassen und zu diesem Zweck eine mehrfache Unterteilung der Wassermengen vorzunehmen.
Die Luft wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren mit geringen Kosten auf eine Temperatur von etwa 5 C bei dem entsprechend niederen Feuchtigkeitsgehalt vorgekühlt. Der Kältespeicher wird daher im warmen Teil weitgehend entlastet, die Temperatur in der Mitte des Speichers wesentlich gesenkt und hiedurch mittelbar eine grössere Speichermasse für die Abkühlung bei tiefen Temperaturen zur Verfügung gestellt. Dies bedingt eine Verminderung der Temperaturschwankungen im kalten Teil des Speichers, wodurch wieder der Teil Zerlegungsprodukte, der zusätzlich durch die Speicher hinausgeführt werden muss, um zwecks Sicherstellung der Sublimation der Kohlensäure die Schwankungen gering zu halten, verkleinert werden kann.
Insgesamt wird also durch die erfindungsgemässe Arbeitsweise die Menge Hochdruckluft verringert, welche zur Deckung der Kälteverluste und zur Schaffung des Überschusses an Zerlegungsprodukten, der durch die Speicher herausgeleitet wird, notwendig ist, und damit der Energiebedarf gesenkt.
Das Verfahren wurde voranstehend für das Beispiel der Vorkühlung von Luft vor ihrer Zerlegung durch Verflüssigung und Rektifikation unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher für den Wärmeaustausch beschrieben. Es lässt sich in gleicher Weise bei beliebigen Gasgemischen anwenden, die in Kältespeichern gekühlt werden sollen. Ferner kann die Kälteübertragung zum Teil mittelbar erfolgen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Zerlegung von Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt durch Verflüssigung und Rektifikation unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher für den Wärmeaustausch, dadurch gekennzeichnet, dass dem warmen Ende der Regeneratoren ein Kälteüberschuss, insbesondere durch Verdunstungskühlung zugeführt wird.
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Process for the separation of air with high moisture content by liquefaction and
Rectification.
When air is broken down by liquefaction and rectification, cold stores have recently been periodically changed for the heat exchange, through which the decomposition product flows for a certain time, releasing its cold to the storage mass, while in the next period fresh gas is passed in the opposite direction, which the from absorbs the amount of cold released to the storage mass by the decomposition products in the previous period.
The vapors contained in the fresh gas, such as water vapor or carbonic acid, are deposited on the storage mass during cooling and are evaporated again in the following period by the decomposition products flowing in the opposite direction through the storage and carried out. With regenerators a heat exchange of more than 98% is basically possible, i. H. So, the decomposition product leaves the regenerator at a temperature that is only a few degrees below the inlet temperature of the air.
In practice, it has surprisingly been found that in some cases, especially at higher air inlet temperatures (more than 250 C), it is not possible to achieve a favorable heat exchange even if the regenerators are sufficiently dimensioned and exchange differences of 10 C and more occur.
The present invention is to eliminate the difficulties caused thereby.
According to the invention, although the decomposition product leaves the regenerator too cold, an additional amount of cold is supplied to the warm end of the regenerator in particular by injecting water into the decomposition product for the purpose of evaporative cooling.
The surprising effect of this measure can be interpreted as follows: At high air temperatures, the amount of water vapor contained in the gas, which condenses in the warm part of the storage tank, is so high that its heat of condensation reaches or exceeds the sensible heat of the gas in the same temperature range. The amount of water evenly precipitated from the compressed air during a switching period, even if the air was saturated, is already evaporated by a fraction of the decomposition products after the switchover, i.e. already in the first third or first quarter of the next period, since the decomposition products are in the opposite proportion of prints have a larger volume than air.
As a result, a relatively large amount of cold is supplied to the warm end of the regenerators at the beginning of the cold period, whereby the storage mass becomes so cold that it can no longer warm the decomposition product to the entry temperature of the frying gas during the rest of the period; this causes a large exchange difference in these cases and the associated considerable loss of cold.
According to the invention, an additional amount of cold is now fed to the warm end of the regenerators, in particular in such a way that after the evaporation of the water condensed from the air at the beginning of the cold period, further amounts of water are injected into the unsaturated or dry decomposition product. As a result, the temperature of the emerging decomposition product is further reduced and thus the overall loss of cold apparently increased, but not only this new increase in the loss of cold, but also most of the losses,
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which was caused by the rapid evaporation of the water excreted from the air, is covered by the cheap evaporative cooling.
The part of the cold losses that has to be covered by the valuable peak cold generated in the cutting process at the lowest temperatures is thus considerably reduced.
To the same extent as the temperature of the decomposition product, the temperature of the storage mass also decreases, which means that it is supplied with the cold necessary for rapid water elimination in the steady state.
It has already been proposed to inject water into the decomposition products of air separation in order to pre-cool the air in those cases in which the cold necessary to carry out the decomposition was obtained by throttling the air to be decomposed, as it is known that the cooling capacity is achieved is increased by the pre-cooling. When using periodically changed cold accumulators, however, the bulk of the air is fed to the separation plant at such low pressures that its throttling does not result in any appreciable cooling capacity, so that the cold necessary to cover the losses is generated by a separate cold generation process.
Since the heat of condensation of the vapors is also exchanged when regenerators are used, pre-cooling of the air had to appear superfluous, especially since the heat capacity of the two types of gas, which is practically the same due to the low pressure differences, would not allow the air to absorb the evaporative cooling. The use of evaporative cooling was by no means obvious in the present case.
It has also been proposed to cover the cold losses occurring in an air conditioning system by injecting water into the exhaust air while it flows through periodically changed cold storage for the purpose of heat exchange with the fresh air. In the usual way, the losses occurring in a refrigeration process are covered at the lowest temperature and only because of the low final temperature of the cooling in contrast to air liquefaction it is possible to use evaporative cooling for this purpose.
It was only the realization of the present application that the large exchange differences occurring at higher air inlet temperatures are not mainly due to cold losses in the area of the lowest temperatures, as is usually the case with decomposition processes, but rather to the processes at the warm end of the regenerators, made it possible to resolve these difficulties by using Evaporative cooling.
The method according to the invention is explained in more detail with reference to the figures for the example of the decomposition of air into oxygen and nitrogen. In Fig. 1, 1 represents a two-stage air separation apparatus of the usual design. 2 and 3 are the regenerators in which the heat exchange takes place between the main amount of air and the nitrogen obtained in the separation plant, while the rest of the air takes place in the regenerators 4 and 5 is cooled in heat exchange with the oxygen. The air has a pressure of 5 ata, as a result of which the decomposition products have a volume five times greater at a pressure of about 1 ata.
The water condensed from the air can therefore be evaporated by the decomposition products after switching over in a fifth of the new period, so that in this short time the main amount of the cold that is actually to be transferred over the entire period is released to the storage mass. According to the invention, water in finely divided form is injected into the decomposition products as soon as the water condensed from the air has evaporated. In order to avoid icing, the injection takes place at a point at which the temperature of the gas exceeds 4 ° C. If necessary, the water is fed in at several points. For this purpose, cavities are provided in the stores at 6 a and 6 b, 7 a and 7 b or 8 a and 8 b and 9 a and 9 b, into which water can be introduced by means of an atomizing nozzle.
The water injection is conveniently controlled by the switching machine, which switches the regenerators.
Since evaporative cooling can only be effective above 0 C, i.e. only within the first 10-15% of the total temperature drop in the storage tank, it should be assumed that the water may be introduced at a distance from the warm end of the regenerator at a distance of about a Tenth to one eighth of the length of the regenerator. According to the invention, however, the water is introduced, at least in part, at a point which is a third to a quarter of the regenerator length from the warm end. It has been shown that a regenerator can have an average temperature of 0 C and more even in the middle, although air in it is cooled from room temperature to about −180 C.
The reason for this is that the water separation and evaporation at the warm end of the regenerator causes a considerably higher thermal load on the storage mass. The regenerator tries to compensate for this in such a way that the temperature drop at the warm end is reduced and a larger storage mass is used for the heat exchange in this temperature area at the expense of the cold end.
If you now according to the invention, the warm end of the regenerator, in particular through
Evaporative cooling supplies an excess of cold, the particular advantage is that the temperature differences during the heat exchange in this part of the storage tank are increased, which also increases the temperature gradient, so that the storage tank
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The mass for the exchange of the sensible heat below the condensation area of the water is increased again and the exchange conditions in the cold part of the regenerator are considerably improved.
The advantages of the method according to the invention can also be achieved to a certain extent by other measures, with the help of which an excess of cold can be supplied to the warm end of the storage in a cheap way, which does not come from expensive peak cold at the lowest temperature. So you can z. B. with a refrigeration machine to about 0 C cooled gas in addition to the decomposition products through the warm end of the regenerator or reduce the cold release of the warm part of the memory in the warm period by having some of the air not in the memory, but separately, z . B. cooled by means of a refrigeration machine to about 0 C and only then introduced into the memory.
A slightly different way of working is that the excess cold is not fed directly to the warm end of the regenerators, but rather that the air is sprinkled with water before it enters the storage tank, which has been cooled by the nitrogen drawn off from the separation plant. The amount of water that is evaporated by the nitrogen corresponds to the amount of water injected into the storage tank for the purpose of evaporative cooling, while the remaining part of the water has the same effect as the storage mass.
The two modes of operation are therefore equivalent with the difference that in the first described mode of operation with a fixed storage mass, the gas flow is switched, while in the other, the gas flows continuously and the water serving as storage mass is alternately brought into contact with the various gas flows.
In Fig. 2, 1 represents the air cooler and 2 represents the water cooler used for recooling the water heated in 1. The on the decomposition pressure, z. B. 5 ata compressed, about 450 C warm and saturated with water vapor air is introduced at 3 in the tower 1 and cooled as it rises, the main amount of the water contained in it is deposited. It leaves the tower 1 at 4. The water heated by the cooling of the air is drawn off at 6 and expanded through the valve 7 to the tower 2 and atomized there by means of the distributor 8. At 11, the expanded nitrogen coming from the separation plant is introduced into tower 2.
Although the amount of nitrogen is at most 80% of the amount of air cooled in 1, its volume is a multiple of that of the air due to the pressure difference necessary for the decomposition. As a result, although the nitrogen has absorbed the moisture content of the air in the periodically changed cold store serving for heat exchange, it is largely unsaturated in water vapor. It can therefore evaporate a considerable amount of water in tower 2 and, in addition to its cold content, give off an amount of cold to the water which generally exceeds the amount of cold required to cool the compressed air and to condense the water it contains.
The nitrogen leaves tower 2 at 12, while the recooled water is removed at 9 and conveyed back by the pump 10 to the tower 1, into which it is introduced by means of the distributor 5.
The temperature to which the air is cooled before entering the storage tank in this mode of operation is automatically set as a thermal equilibrium between the regenerators and the pre-cooling. It is mainly based on the amount of nitrogen, its degree of saturation, which depends on the pressure ratio of air to nitrogen, the inlet temperature of the air, the amount of circulating water and the cold losses occurring during pre-cooling.
Even at air inlet temperatures of 45 C and more, with an air: nitrogen pressure ratio of about 5, the air can be cooled to about 5 and thus the water contained in it can be largely separated off, since up to these temperatures the nitrogen saturation with water The amount of cold released exceeds the amount of cold necessary to cool the compressed air and to condense the water it contains in this temperature range. A prerequisite for this, however, is that the amount of water circulating between the air cooler and water cooler is kept as small as possible.
So you will only use a small excess over the necessary minimum amount of water, which is calculated from the fact that its cold content must be sufficient to deliver the amount of cold necessary to cool the air and to condense the water within the temperature differences that occur.
The amount of water to be condensed when the air is cooled is significantly greater at higher temperatures than at low temperatures. As a result, the amount of cold required to cool the air and thus the amount of cooling water is greater than at lower temperatures, even at higher temperatures. The lowest temperature attainable during pre-cooling can now be reduced by not passing the entire amount of water evenly through the towers, as in the method according to FIG. 1, but using a smaller amount of water in the cold part of the cooling towers than in FIG the warm part. At the same time, this reduces the time required to reach the steady state after commissioning.
In Fig. 3, 1 again represents the air cooler, in which the air is introduced at 3 and exits at 4. 2 is the water cooler, in which the water heated at 1 is re-cooled. After being withdrawn at 9 and compressed in the pump 10, the water is returned to the tower 1.
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Part of the water recooled in 2 is removed from the tower at a medium temperature, for example 20 ° C., at 13, compressed by the pump 14 to the decomposition pressure of the air and at 15 introduced into the tower 1 at a point corresponding to its temperature. The diameter of the towers is expediently adapted to the amount of water circulating in them, i.e. H. so, you
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30-50% of the amount circulating in the warm part.
Instead of an air and water cooler, which are operated with different amounts of water in the warm and cold part, you can also set up two coolers each. In one pair, the air or water is cooled down to the mean temperature of about 20 ° C., while in the other pair, the cooling from 20 ° C. to the lowest achievable temperature, for example 5 ° C., takes place. It is also possible to largely adapt the amount of water circulating in the individual parts of the towers to the cooling requirement and, for this purpose, to subdivide the amounts of water several times.
In the method according to the invention, the air is precooled at low cost to a temperature of about 5 ° C. with the correspondingly low moisture content. The cold storage is therefore largely relieved in the warm part, the temperature in the middle of the storage is significantly lowered and thus indirectly a larger storage mass is made available for cooling at low temperatures. This causes a reduction in the temperature fluctuations in the cold part of the store, which means that the part of the decomposition products that must also be led out through the store to keep the fluctuations low to ensure the sublimation of the carbonic acid can be reduced.
Overall, the operation according to the invention reduces the amount of high-pressure air which is necessary to cover the cold losses and to create the excess of decomposition products that is passed out through the storage, and thus the energy requirement is reduced.
The method has been described above for the example of the pre-cooling of air before it is broken down by liquefaction and rectification using periodically changed cold storage for the heat exchange. It can be used in the same way for any gas mixture that is to be cooled in cold storage. Furthermore, the cold transfer can take place indirectly in part.
PATENT CLAIMS:
1. A method for breaking down air with a high moisture content by liquefaction and rectification using periodically changed cold storage for heat exchange, characterized in that the warm end of the regenerators is supplied with excess cold, in particular by evaporative cooling.