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Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Gasmischungen, insbesondere der atmosphärischen
Luft, in ihre Bestandteile.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Trennung atmosphärischer Luft oder anderer Gasmischungen in ihre Bestandteile nach dem Dissolutionsverfahren, bei dem bekanntlich atmosphärische Luft oder das betreffende Gasgemisch durch eine mit flüssigem Stickstoff gefüllte Kolonne aus übereinander angeordneten und in Verbindung miteinander stehenden Platten geleitet wird, die von einer Schlange durchzogen sind, in deren unteren Teil verdichteter, vom obersten Behälter der Kolonne abgezogener, gasförmiger Stickstoff eingeleitet wird ;
dieses Verfahren unterscheidet sich von den bekannten Verfahren dadurch, dass nicht der gesamte Stickstoff an ein und derselben Stelle in die Kolonne eingeleitet wird, sondern dass Teilströme des vom oberen Teil der Kolonne abgesaugten Stickstoffes in verschiedener Höhe in die Kolonne mit Hilfe voneinander getrennter Schlagen eingeführt werden, nachdem sie unter Kühlung auf den der dort herrschenden Temperatur entsprechenden Druck gebracht wurden, der ausreicht, den eingeleiteten Stickstoff zu verflüssigen und die entsprechende Menge flüssigen Stickstoffes zu verdampfen.
Statt, wie bei den bekannten Dissolutionsverfahren. die Gesamtheit des gasförmigen Stickstoffes auf den erforderlichen Höchstdruck zu bringen, ist es erfindungsgemäss möglich, Teile dieser Stickstoffmenge auf bloss niedrigeren Druck zu verdichten und dadurch mit dem geringsten Kraftaufwand die Trennung der Luft in ihre Bestandteile zu bewirken.
Die Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dient, ist sohin dadurch gekennzeichnet, dass in der in bekannter Weise aus übereinander angeordneten und in Verbindung-miteinander stehenden Platten mit Schlangenrohrdurchzug bestehenden Kolonne eine Anzahl von Schlagen für die Einführung des gasförmigen, auf verschiedenen Druck verdichteten Stickstoffes angeordnet sind, die von verschiedenen Höhen in der Kolonne aus emporsteigen und in einen Raum münden, an den das Saugrohr eines Verdichters angeschlossen ist, der den Stickstoff durch die zugehörigen Schlagen drückt.
Zweckmässig wird hierbei die An-
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der Kolonne münden, der durch verzweigende Leitungen mit den Arbeitsräumen eines doppeltwirkenden Verdichters verbunden ist, und andrerseits gruppenweise an diese verschieden hohe Drücke liefernden-Arbeitsräume angeschlossen sind, wobei Regelungsventile in den Anschluss- leitungen die Einstellung auf den erforderlichen Druck ermöglichen.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens in der Anwendung zur Trennung von Luft in ihre Bestandteile beschrieben. Zur Ausführung dieses Verfahrens bedient man sich der in der Zeichnung schematisch dargestellten Vorrichtung, von der Fig. i einen Längsschnitt und Fig. 2 einen Grundriss zeigt.
In einer Kolonne a ist eine bestimmte Anzahl paralleler Platten b angeordnet, die beispielsweise mit Durchbohrungen c und mit Überlaufrohren d versehen sind. Diese Platten werden
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b"l'b"2.,. b"G bezeichnet sind, angeordnet.
Am oberen Ende der Kolonne befindet sich ein Rohr e zum Abführen der Gase, die teil-
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oder mehrere getrennte Verdichter verwenden. Die im unteren Teil angesaugten Gase werden bei einem geeigneten Druck (beispielsweise 4 bis 5 Atm.) \'erdichtet, dann in normalen. Austauschen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, abgekühlt und durch ein Rohr i in ein Schlangenrohr i geschickt, das im Boden der Kolonne, die am Anfange der Operation mit flüssiger
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Die Gase verflüssigen sich und bringen die flüssige Luft zum Sieden, welche die Ver- flüssigungsschlange benetzt.
Diese Schlange setzt sich vom Boden der Kolonne durch alle Platten der Kolonne fort, bis sie oben in ein Querstück endet, das mit einem Regelungsventil k versehen ist, das die im Innern gebildete Flüssigkeit auf die oberste Platte entweichen lässt. Ein Ventil 1, das am Eingang, der Schlange j angebracht ist, gestattet die Einführung der Gase in diese Schlange zu unterbrechen oder zu regeln.
Ein Zweigrohr i', das mit einem Absperrorgan l'versehen ist, gestattet, den Gasstrom ganz oder teilweise in den Teil der Schlange j zu richten, der sich auf der ersten Platte b befindet, die unmittelbar über dem Boden der Kolonne liegt. Es können sich daher die Gase vom unteren Teil des Verdichters in zwei Ströme teilen, die sich in der ersten unteren Platte der Kolonne vereinigen und, nachdem sie verflüssigt worden sind, nach dem oberen Teil der Kolonne aufsteigen.
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Einer dieser Ströme endet in einer Schlange j', die von der ersten Platte b'der zweiten Reihe der Platten bis zum oberen Teile der Kolonne parallel zur ersten geht. Der andere Strom endet in einer dritten Schlange j", die von der ersten Platte b"der dritten Reihe der Platten bis zum
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Beim Beginn der Arbeit erfüllt, wie schon erwähnt, flüssige Luft alle Platten der Kolonne.
Diese flüssige Luft siedet in allen Platten, indem sie schnell ihren Stickstoff verliert und sich fortschreitend nach dem unteren Teil der Kolonne an Sauerstoff anreichert. Die angesaugten und dann in den drei Schlangen verflüssigten Gase können am Anfang nur 7 v. H. Sauerstoff enthalten, denn es sind die Gase, die sich aus der flüssigen Luft unter dem atmosphärischen Druck entwickeln. In dem Masse aber, wie diese verflüssigten Gase sich auf die obere Platte ergiessen werden die angesaugten Gase ärmer an Sauerstoff. Der Gehalt an Sauerstoff wird so fortschreitend vermindert, um schliesslich sehr schnell gleich Null zu werden. Bald hat man chemisch reinen Stickstoff, der gasförmig aus der Kolonne austritt und flüssig wieder auf die erste Platte fliesst.
Während dieser Zeit hat sich die Flüssigkeit im unteren Teil der Kolonne in reinen Sauerstoff verwandelt, denn alle die Überläufe d bringen den flüssigen Stickstoff zum Herabfliessen in der Kolonne. Hierbei nimmt er von Platte zu Platte durch Lösung gasförmigen Sauerstoff auf, während der Stickstoff nach dem oberen Teil der Kolonne verjagt wird. Am unteren Teil der Kolonne ist der ganze Stickstoff abgetrieben und es bleibt nur reiner Sauerstoff.
Die am Anfang vorhandene flüssige Luft wird also in zwei Teile geteilt. Der eine ist reiner Stickstoff am oberen Teil der Kolonne, der andere ist reiner flüssiger Sauerstoff, der besonders rein auf den unteren Platten der Kolonnen ist. Die Temperatur dieser Platten wechselt natürlich je nach ihrer Stellung in der Kolonne zwischen-1820, der Temperatur des unter Druck siedenden flüssigen Sauerstoffes am Boden der Kolonne, und-1950, der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffes am oberen Teil der Kolonne. Dies erklärt die Anordnung der vier Gaseintritte i, t', ; ?, w'
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erhält man hierdurch auf den Platten der Kolonne verschiedene Drücke.
Der durch den Verdichter angesaugte reine Stickstoff muss beispielsweise einem Druck von/).' Atm. unterworfen werden, um vollständig am Boden der Kolonne verflüssigt zu werden, d. h. bei - 1820 ; einem Druck von 3'8 Atm. (durch Stellung des Ventils l'), um auf der Platte b' verflüssigt zu werden ; von 2'5 und 1'2 Atm. schliesslich,. um in den Schlangen j'und 1'''verflüssigt zu werden. Die drei Ventile k, , k"gestatten, den Druck und die Abgabe jeder der Schlangen j, j' und j" getrennt zu regeln.
Diese Drücke und Abgaben kann man in jedem Augenblick mit Hilfe der Manometer o, 0', 0" beobachten, und zwar durch eine Öffnung p, die durch eine in geeigneter Weise angebrachte Glühlampe erleuchtet wird.
Ist einmal die Kolonne in Betrieb gesetzt, so setzt man einen Ventilator (in der Zeichnung nicht dargestellt) und dem schwachen Druck von etwa einem Zwanzigstel Amosphäre in Bewegung. Dieser Druck genügt, um die atmosphärische Luft, die in gewöhnlichen Austauscher, die den Wasserdampf zurückhalten und ihre Temperatur in die Nähe ihres Verflüssigungspunktes bringen, abgekühlt ist, von q aus in die Kolonne einzuführen, und zwar indem man sie durch die Platten von unten nach oben, entgegengesetzt dem Strom reinen Stickstoffes führt. Der Eintrittspunkt q der Luft st ein wenig unterhalb der unteren Hälfte der Kolonne angeordnet, damit die auf der in dieser Höhe angebrachten Platte gebildeten Gase im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die atmosphärische Luft haben.
Der Sauerstoff der so in die Kolonne eingeführten atmosphärischen Luft löst sich vollständig in dem flüssigen Stickstoff der Platten auf und fällt mechanisch herab, indem er nach dem unteren Teil der Kolonne in immer reinerem flüssigen Zustande geführt w rd, während ihr Stickstoff, ohne sich zu verflüssigen, durch die Platten hindurchgeht, sein Volumen auf jeder Platte vermehrt und bis zum Kopf der Kolonne bei e aufsteigt, ohne auch nur die geringste Spur Sauerstoff mitzureissen.
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eine äquivalente Verdampfung des Sauerstoffes und Stickstoffes. Der so erzielte Gehalt an Sauerstoff der gasförmigen Mischung wird vom oberen nach dem unteren Teil der Kolonne vermehrt.
Am unteren Teil erhält man reinen gasförmigen Sauerstoff, der durch das Rohr r entweicht.
Die Manometer o, o'und 0", die Ventile k, k', 1/'und das Beobachten der Flüssigkeit in den drei Schlagen gestattet, die Arbeitsweise der Kolonne derart zu regeln, dass das Volumen der Gase, die bei r entweichen, genau gleich dem Sauerstoffvolumen ist, das durch den Strom atmosphärischer Luft zugeführt wird.
Infolge der Verteilung der vier unabhängigen Entnahmestellen mit verschiedenen Drücken entsteht auf jeder Platte ein Sieden von gleicher Stärke, wenn die Regelung genau ist. Dieses
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sehr starke Sieden zwingt den Stickstoff sehr schnell aus den Flüssigkeiten auf den einzelnen Platten zu entweichen. Dieses Sieden veranlasst die Bildung einer Schicht, die von kleinen Gasbläschen durchzogen wird, deren Oberfläche den aufsteigenden Sauerstoff auflösen. Je beträchtlicher die Schicht wird, um so mehr Stickstoff wird lebhaft aus der Flüssigkeit verjagt und um so mehr halten die Platten durch Lösung den gasförmigen Sauerstoff zurück, der durch sie hindurchgeht.
Die unter beinahe atmosphärischem Druck eingeführte Luft wird also in zwei Gasströme umgewandelt, den oben austretenden reinen Stickstoff und den unten freiwerdenden Sauerstoff.
Die Summe beider stellt das in die Vorrichtung eingeführte Luftvolumen dar.
Die flüssige Luft oder der flüssige Stickstoff, der hier notwendig ist, um das Eintreten von Wärme auszugleichen und um das Verfahren aufrechtzuerhalten, wird in bekannter Weise in die Kolonne durch das Rohr s, das mit einem Ventil s'versehen ist, eingeführt.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Verfahren zur Trennung von Gasgemischen, insbesondere, der atmosphärischen Luft, in ihre Bestandteile nach dem Dissolutionsverfahren durch Hindurchleiten der atmosphärischen Luft oder des Gasgemisches durch eine mit flüsigem Stickstoff gefüllte Kolonne aus übereinander angeordneten und in Verbindung miteinander stehenden Platten, die von einer Schlange durchzogen sind, in deren unteren Teil verdichteter, vom obersten Behälter der Kolonne abgezogener gasförmiger Stickstoff eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Teilströme des abgesaugten Stickstoffes zum Aufsteigen mittels voneinander getrennter Schlagen in verschiedener Höhe in die Kolonne eingeleitet werden, nachdem sie unter Kühlung auf den der dort herrschenden Temperatur entsprechenden Druck gebracht worden sind.
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