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Die Erfindung bezieht sich auf das in der österr. Patentschrift Xr. 80851 beschriebene Verfahren zur Verflüssigung von Luft und anderen Gasgemischen. Bei jenem Verfahren wird das kalte Gasgemisch (z. B. Sauerstoff und Stickstoff) dadurch abwechselnd erwärmt und gekühlt und somit in seine Bestandteile besser zerlegt, dass es mit Rohrschlangen in Berührung gebracht wird, die relativ wärmere und kältere Gase enthalten.
Nun wird gemäss der Erfindung die Erwärmung des Gasgemisches in dem Trennungsraum auch dadurch bewirkt, dass man Gas unter höherem Druck als im Tiennungsraum oder selbst unter kritischem Druck durch eine Rohrschlange o. dgl. führt und dann in den Trennungsraum oder in eine Kühlleitung unter Erzeugung grosser Kälte expandieren lässt.
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besteht darin, dass das Heizmittel nicht den gleichen Druck besitzt, wie solcher im Trennungsraum herrscht, sondern erheblich höheren Druck erhält, um die Heizwirkung auf die Flächeneinheit zu erhöhen und dadurch die Massen der Wärmeübertragungsflächen und Übertragungsmittel zu vermindern.
Man erreicht hierdurch den Vorteil, dass die Verflüssigung des Heizmittels schon bei eiheblich höheren Temperaturen eintritt und dann die entspannte Flüssigkeit bei niedrigerem Druck als Kühlflüssigkeit benutzt werden kann. Benutzt man beispielsweise einen aus dem Trenner entnommenen Teil des Sauerstoffes nach dem vorliegenden Verfahren als Heizmittel und bringt ihn auf höheren Druck als im Trenner oder bis auf seinen kritischen Druck, so erlangt man dadurch den Vorteil, dass die Verflüssigung des Sauerstoffes bei der Siedetemperatur des höheren Druckes oder auch derjenigen seines kritischen Druckes (bei-113 bis-1190 C)
eintritt und daher das unter niedrigem Druck stehende und in der Entspannungsmaschine sich entspannende Gas nur mit der entsprechend höheren Temperatur in die Entspannungsmasehine einzutreten braucht. Um diese Wirkung zu erreichen, lässt man den Kompressor, welcher den Sauerstoff auf höheren oder auf kritischen Druck bringen soll, aus dem Sauerstofflaum der Trennungskolonne einen Teil des Sauerstoffes ansaugen und statt Luft in die Hochdruckleitung drücken und den erhaltenen flüssigen Sauerstoff in den Trennungsraum einspritzen oder durch besondere Kühlleitungen bei niedrigerem Druck oder auch Unterdruck getrennt abströmen.
Legt man dagegen höheres Gewicht auf vollkommene Trennung der Bestandteile, so. lässt man den Kompressor aus dem obersten Teil des Trennungsraumes oder auch hinter der Ent- spannungsmaschine einen Teil des tiefer siedenden Bestandteils (d. h. bei Luft Stickstoff) ansaugen und auf höheren Druck als im Trenner oder auch bis auf seinen kritischen Druck bringen und in den Trennungsraum in der Weise eintreten, dass er darin heizend wirkt und sich selbst verflüssigt, alsdann aber als Flüssigkeit in den Trennungsraum eingespritzt oder in besondere Kühlleitungen unter niedrigerem Druck entspannt wird und durch Verdampfen eine entsprechende Menge Gemisch oder Sauerstoff verflüssigt.
Bei diesem Verfahren erreicht man den technisch wichtigen Vorteil, dass von dem Hochdruckkompressor ein von Unreinigkeiten wie Wasser und Kohlensäure vollkommen freies und
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dadurch eine Reinigungsvorrichtung. Ausserdem erhält man durch den höheren Druck kleine Oberflächen für die Heizspiralen.
Man kommt auf diese Weise ferner sogar mit einem einzigen Kompressor aus, wenn man einen um eine oder zwei Kompressionsstufen'höheren Stufenkompressor benutzt. dessen Hochdruckstufe so Mein bemessen wird, dass sie der zu verflüssigenden Gasmenge entspricht und deren Saugseite durch eine Leitung mit dem unteren oder oberen Teil des Trennungraumes oder anderen passenden Teilen der Gasleitungen in Verbindung steht.
In der Zeichnung sind einige Vorrichtungen dargestellt, die sich zur Ausführung des Verfahrens eignen. Fig. i ist ein lotrechter Schnitt durch eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei dem der Trennungsraum lotrecht steht und von einer Gegenstromvorrichtung umgeben wird ; Fig. 2 ist ein ähnlicher Schnitt durch eine in gleicher Weise arbeitende Vorrichtung, wobei der Trennungsraum liegend statt stehend angeordnet ist ; Fig. 3 zeigt einen Schnitt rechtwinklig zu Fig. 2 ; Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Trennung raumes nach A-B in Fig. g ; Fig. 5 ist ein Schnitt nach C-D in Fig. 4 ; Fig. 6 stellt einen lotrechten Schnitt durch einen lotrecht angeordneten Trennungsraum, welcher die Entspannungsmaschine umgibt, dar ;
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. i dargestellten, nur wird das unter kritischem Druck stehende Gas unmittelbar durch den Exhaustor der Entspannungs-
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maschine vorgekühlt, worauf es'durch eine in dem Trennungsraum befindliche Rohrschlange hindurchgeht. Andere bauliche Unterschiede zwischen dieser Vorrichtung und jener nach Fig. i werden unten weiter erläutert. Fig. 8 ist ein schematischer Schnitt durch eine andere ringförmige Ausführung des Trennungsraumes.
Bei der Vorrichtung nach Fig. i ist eine Gegenstromvorrichtung a vorhanden, die den Trennungsraum d umgibt. Die Gegenstromvorrichtung ist durch eine spiralförmig verlaufende Wandung a'in einen spiralförmigen Kanal a2 geteilt, in dem die Rohrschlange b untergebracht ist.
In diese Schlange wird Niederdruckluft (von 5 bis 10 Atm.) bei n eingeführt, die durch die ganze Länge der Schlange und dann in die Heizschlange i geht, die sich in der Mitte des Trennungsraumes il befindet und bei l endet, so dass die Niederdruckluft, nachdem sie die Rohrschlange i verlässt, in den Trennungsraum. d entweicht. Aus dem Raum d geht die Luft durch das Rohr ? M zu der Entspannungsmaschine c, von wo sie dann in entspanntem, kaltem Zustande durch das Rohr A'
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geordnet ist, dass ihre Windungen zwischen den Windungen der Rohrschlange i liegen.
Das untere Ende der Rohrschlange h mündet in den spiralförmigen Kanal a2, so dass die kalte entspannte Luft, nachdem sie die Schlange h verlassen hat, durch den Kanal a2 im Gegenstrom zu der durch die Schlange b hindurchgehenden Luft hindurchströmt, um diesen Kanal bei o zu verlassen.
Sie geht von hier aus entweder zu einer Vakuumpumpe oder entweicht in die Atmosphäre oder zu der Saugseite des Niederdruckkompressors, der Luft bei n zu der Schlange a liefert.
Es ist klar, dass in dem Raum d die der Rohrschlange i entströmende Luft teilweise verflüssigt wird, da sie erstens durch die kalte entspannte Luft, die von der Rohrschlange h in den Kanal a2 übergeht, zweitens durch unmittelbare Berührung mit der Schlange h in dem Raum d gekühlt wird. Infolgedessen wird der Sauerstoff das Bestreben haben, sich in dem unteren Teil des Raumes d anzusammeln, während der Stickstoff mehr nach oben steigt.
Nun wird von dem unteren Teil'des Raumes d an Sauerstoff reiche Luft durch ein Rohr p zu dem mit Kühlmantei versehenen Kompressor P abgesaugt, in welchem sie auf einen höheren Druck (z. B. auf 40 bis 60 Atm. ) verdichtet wird. Diese hochverdichtet Luft wird dann bei einer Temperatur'yon - 600 C oder mehr durch das Rohr q zurückgedrückt und tritt in die Heizschlange r ein, die innerhalb der Schlange i angeordnet ist und sich durch deren ganze. Länge erstreckt, um endlich in das Drosselventil zu endigen. Durch dieses Ventil entweicht die Hochdruckluft in die Kammer d.
Infolge des hohen Druckes der Luft in dem Rohr r wird sie sich in diesem Rohr verflüssigen, während sie beim Verlassen des Ventils das Bestreben hat, zu expan- dieren und dadurch zur Abkühlung der Luft in dem Raum d beizutragen.
Auf gleiche Weise wird an Stickstoff reiche Luft vom Rohr In durch das Rohr p'zum
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Die Schlange r'endigt in dem Drosselventil l". Durch dieses Ventil entweicht der verflüssigte Stickstoff in den Trennungsraum d, wobei er naturgemäss expandiert und Kälte erzeugt. Ferner führt ein Rohr x von dem unteren Teil des Trennungsraumes d, wo sich Sauerstoff oder an Sauerstoff reiche Luft ansammelt. Dieses Gas tritt in das Rohr x ein und steigt in die in der Kammer y
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die sich ebenfalls in der Kammer y befindet. Infolgedessen tritt Stickstoff oder an Sauerstoff reiche Luft in die Schlange ; 2 ein, um dort verflüssigt und durch das Rohr v'zu dem Trennungsraum d geführt zu werden : Auch hier wird durch die Verdunstung wieder Kälte erzeugt.
Wie bereits ausgeführt, wird durch die Rohrschlange A Luft oder Gas in dem Tiennungs-
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sammelt sich in dem Raum e und wird durch den f abgezapft.
Fig. 2 und 3 zeigen eine wagrechte Vorrichtung, die in gleicher Weise arbeitet, wie die in Fig. i dargestellte. a ist die Gegenstromvorrichtung, in der die Rohischlange b angeordnet ist.
Druckluft von 5 bis 10 Atm. wird bei n eingeführt. Nachdem die Luft durch die ganze Länge der Rohrschlange b hindurchgeströmt ist, tritt sie in die beiden S-förmig gewundenen Rohrschlagen i ein, die sich durch die ganze-Länge des Trennungsraumes d erstrecken und in das Rohr l endigen, das in die Mitte des Raumes d mündet. Der Trennungsraum d wird durch lotrechte Zwischenwände d'in eine Anzahl Abteilungen getrennt, die aber abwechselnd oben und unten durchbrochen sind, so dass die Luft von dem einen Ende der Vorrichtung zu dem anderen strömen kann. Von dem Trennungsraum d tritt die Luft durch das Rohr m in die Expansionsmaschine c ein, um dann durch das Rohr h'zurückzuströmen und in die drei Kühlschlangen A,
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die rechtwinklig zu den Schlangen i liegen, hinüber zu strömen.
Die Röhren lt münden in das Rohr k, das zu der. Gegenstromvorrichtung a führt. Nach dem Verlassen des Raumes a entweicht die Luft durch o nach aussen oder zu einer Saugpumpe oder zu der Saugseite des das Rohr b bei 1t speisenden Kompressors. Der Trennungsraum d kann eine geringe Neigung von dem Ende, an das sich die Expansionsmaschine anschliesst, abwärts nach dem entgegengesetzten Ende zu haben.
Auf jeden Fall sammelt sich aber flüssiger Sauerstoff am rechten Ende und flüssiger Stickstoff am linken Ende des Trennungsraumes d. Sauerstoff oder an Sauerstoff reiche Luft wird durch das Rohr p abgesaugt und auf höheren Druck, ja selbst bis zu 40 bis 60 Atm. verdichtet. Diese Hochdruckluft wird durch das Rohr q zu der Heizschlange r zurückgeführte die parallel zu der Schlange i liegt und in das Ventil l'endigt, so dass der hochverdichtete flüssige Sauerstoff in den Trennungsraum d expandiert.
Vom entgegengesetzten Ende des Raumes d wird Stickstoff durch das Rohr p'angesaugt, der, nachdem er auf hohen Druck bzw. einen Druck von 50 bis 60 Atm. verdichtet worden ist, durch. das Rohr q'zurückfliesst und in die parallel mit der Schlange i angeordneten Schlange r' eintritt, die in das Ventil Z" endigt. Durch dieses Ventil expandiert
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gedeutet-ist. Hier besteht der Trennungsraum aus einer Anzahl einzelner Elemente, die voneinander durch Zwischenwände d'getrennt werden. Der untere Teil oder Flüssigkeitsraum jedes Elementes steht mit dem gleichen Raum des nächsten Elementes durch ein Rohr d2 in Verbindung.
In jedem Element ist eine Zwischenwand d3 mit einer mittleren Öffnung d4 vorgesehen, durch welche die in dem oberen Teil des Raumes gebildete Flüssigkeit zu den unteren Räumen la, 1b gelangt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels dieser unteren Räume ist ein Rohr d5 angeschlossen, das zu dem oberen Teil des nächsten Elementes führt. Quer durch alle Elemente erstrecken sich die Röhren h.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende : Niederdruc1duft von 5 bis 10 Atm., nachdem sie durch die Gegenstromvorrichtung a hindurchgeströmt ist, tritt in eines der mittleren Elemente bei Z ein. Sie verlässt das letzte Element d durch das Rohr m-und tritt in die Expansionsmaschine, die aber in Fig. 4 und 5 nicht dargestellt ist, weil deren Anordnung aus FJg-. 1 und 2 zu ersehen ist.
Die entspannte Luft strömt durch das Rohr A'zu den Röhren A, die sich von dem einen Ende der Vorrichtung zu dem anderen Ende erstrecken und wird alsdann durch das Rohr k zu der Gegenstromvorrichtung geführt.'
Vom rechten Ende der Vorrichtung wird Sauerstoff oder an Sauerstoff reiche Luft durch das Rohr p zu einem Kompressor abgeleitet und auf'hohen Druck (selbst auf einen Druck von 40 bis 60 Atm.) verdichtet. Das Hochdruckgas tritt durch das Rohr q zu der Rohrschlange r in den Raum lu, um dann in eines der mittleren Elemente d durch einen Hahn l'einzutreten.
Vom linken Ende der Vorrichtung wird. Stickstoff oder wenig Sauerstoff enthaltende Luft durch das Rohr p'von einem Kompressor abgesaugt und auf hohen Druck (selbst bis auf 40 bis
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um endlich'durch den Hahn loin eine der mittleren Kammern d zu expandieren.
Die in Fig. 6 veranschaulichte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionszylinder von dem Trennungsraum umgeben ist. Die Kolben J, t'arbeiten in-dem Zylinder C3
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gesehen, durch welche der Kurbelzapfen c6 der Welle c7 hindurchgeht. Der Zylinder c3 wird von der Ventilkammer c8 umgeben, die oben offen und unten geschlossen ist. In dieser Kammer c8 arbeiten die vier. Ventile c", die durch die Exzenter c'0 und Stangen c4 bewegt werden. In einiger Entfernung von der äusseren Wandung der Ventilkammer cl befindet sich die Wandung dG des Trennungsraumes d.
Durch diesen Raum gehen die Röhren A vom Zylinder c hindurch, wobei sämtliche Röhren li in das Rohr k münden, das zu der Gegenstromvorrichtung führt, wie bereits mit Bezug auf Fig. i beschrieben.
Niederdruckluft von 5 bis 10 Atm. wird in die Kammer d bei Z eingeführt und strömt dann durch die Ventile nach dem einen Ende des Zylinders c, um nach der Entspannung durch die Ventile c9 in eine der Röhren h zu treten. In der Kammer d sind verschiedene Querplatten z vorgesehen, welche die Strömung des Gases und der gebildeten Flüssigkeit im Interesse der grösstmöglichen Kälteerzeugung, regeln.
Von dem unteren Teil des Raumes d führt ein Rohr p zu einem Hochdruckkompressor, durch welchen der Sauerstoff oder anderes Gas auf hohen Druck (von 40 bis 60 Atm. ) gebracht wird.
Bei diesem hohen Druck geht das Gas durch das Rohr q zu der Heizschlange r, an deren anderem
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abgelassen, was durch Drehen der Hahnspindel geregelt wird.
Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung arbeitet in gleicher Weise wie jene nach Fig. 1.
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der durch die einander berührenden Windungen der Rohrschlange b gebildet wird. Die Niederdruckluft tritt bei n, n', d. h. an zwei verschiedenen Stellen ein, um gut verteilt zu werden.
Nachdem die Luft den spiralförmigen Kanal durchströmt hat und dadurch abgekühlt worden ist, geht sie durch die Öffnungen l in die Trennungskammer d. Hier steigt infolge der niedrigen Temperatur der Stickstoff hinauf und der Sauerstoff hinab. Die an Stickstoff reiche oder Sauerstoff arme Luft geht durch das Rohr in zu der Expansionsmaschine c, wobei der Eintritt dieser Luft durch das Ventil e gesteuert wird. Die in den Zylinder c eintretende Luft expandiert und entweicht dann durch die Kammer h'und das Rohr h2 in die Rohrschlange b, durch welche sie geht, um schliesslich bei o aus der Vorrichtung herauszutreten. Bei dieser Ausführung übt die expandierte Luft vom Zylinder c keine Kühlwirkung in dem Trennungsraum d aus, da sie unmittelbar in die Gegenstromkühlvorrichtung geführt wird.
Von dem Rohr in zweigt ein Rohr p ab, das in die die Expansionsmaschine und deren Verbindung mit dem Kompressor umgebende Rohrschlange übergeht. Aus dem Kühlrohr p'geht die Luft in das obere Ende des Kompressors dz Durch die aufsteigende Bewegung des Kolbens p3 wird die Luft nach dem unteren Ende des Kompressorzylinders geführt, um bei der Rückkehr des Kolbens auf hohen Druck (bis auf 40 bis 60 Atm.) verdichtet zu werden.
Die Luft verlässt den Kompressor durch die Rohrschlange q'und geht von dieser durch die Rohrschlange dz welche in dem durch die Abgase der Expansionsmaschine c gekühlten Raum h'vorgesehen ist und dann in die Rohrschlange r'über. Diese Schlange r'führt zu dem oberen Ende der Kammer d und schliesst sich dann an die Rohrschlange r2 an, die nach dem unteren Ende der Kammer d führt und dort durch Rohr r3 und die Kammer h'mit der Schlange b in Verbindung steht, die zu dem Austritt o führt. Der sich in dem unteren Teil der Kammer d ansammelnde Sauerstoff strömt durch das Rohr p zu der Schlange ri, die der durch die Schlange/, abgegebenen intensiven Kälte ausgesetzt ist, so dass der Sauerstoff sich verflüssigt und aus dem R. ohr r5 austritt.
Der Expansionszylinnder besitzt bei dieser Ausführungsform einen einfachen Mantel und der Kompressor einen doppelten Mantel 1, 1'.
Die in Fig. 8 veranschaulichte Trennungskammer hat eine ringförmige Gestalt und wird durch das schraubenartig geführte Blech v in einen fortlaufenden ringförmig geführten Kanal geteilt, in dem die Rohrschlangen h und t untergebracht sind. Die Niederdruckluft von 5 bis 10 Atm. wird in den schraubenförmig verlaufenden Kanal bei I eingeführt und geht bei m zu der Expansions-
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in die Rohrschlange h und verlässt deren entgegengesetztes Ende bei h, um in die Gegenstromvorrichtung einzutreten. Am unteren Ende des Kanals d wird Sauerstoff oder an Sauerstoff reiche Luft durch das Rohr p abgesaugt und auf hohen Druck verdichtet, um dann durch das Rohr q in die Rohrschlange r einzutreten.
Die durch diese Schlange strömende Hochdruckluft wird mittels des ein Drosselventil enthaltenden Rohres 'zu der Mitte der Vorrichtung geführt. Der sich in dem Raum d verflüssigende Sauerstoff fliesst über die Platten v'zu dem unteren Ende des durch das Blech v gebildeten Kanals, wobei er die Luft in der Schlange r kühlt. Der flüssige Sauerstoff wird durch das Rohr e abgezapft.
In all diesen Fällen können statt Luft auch andere Gasgemische auf dieselbe Art behandelt werden.
Bei den erläuterten. Vorrichtungen braucht die Temperatur nicht von oben nach unten zu steigen.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Verfahren zur Verflüssigung und Trennung schwer kondensierbarer Gasgemische, insbesondere von Luft mittels abwechselnder Kondensation und Verdampfung nach dem Patente Nr. 80851, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil eines der Bestandteile aus dem Trennungsraum oder aus einer Leitung des betreffenden Bestandteiles ansaugt, auf höheren Druck als im Trennungsraum bzw. bis auf den kritischen Druck verdichtet und im Gegenstrom zur angesaugten Menge nach dem Trennungsraum zurückdrückt, dabei zum Beheizen einzelner Teile desselben verwendet und darauf nach möglichster Verflüssigung unter Entspannung in den Trennungsraum oder in besondere Kühlleitungen des Trenners und Gegenstromaustauschers einspritzt und dadurch als Kühlmittel benutzt.