Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Luft, in ihre Bestandteile. Der Gegenstand der vorliegenden Erfin dung ist ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere v an Luft, in ihre Bestandteile, wobei das zu zerlegende kom primierte Gasgemisch in zwei Teile geteilt wird, von denen der eine Teil, von Atmo sphärentemperatur ausgehend, in einer Ent spannungsmaschine entspannt, durch einen Teil eines von einem abziehenden Zerlegungs produkt gekühlten Wärmeaustauschers ge leitet und in die Drucksäule eines Zwei- s5.ulentrennapparates eingeführt wird,
wäh rend der andere Teil des komprimierten Gas gemisches nach Durchgang durch den von einem abziehenden Zerlegungsprodukt ge kühlten Wärmeaustauscher und den Ver dampfer der Drucksäule in letztere mittelst eines Drosselventils entspannt wird.
In der Zeichnung ist ein zur Ausführung des Verfahrens dienender Apparat in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Der von Atmosphärentemperatur ausge hend in einer Entspannungsmaschine g ent spannte Teil des zu zerlegenden Gasgemi sches, zum Beispiel komprimierter'Luft, geht von 1 durch .2 in einen Teil 7 des Wärme austauschers und, nachdem er gegebenenfalls noch die Rohrschlange 3 des Verdampfers 16 passiert hat und dort verflüssigt worden isl, bei 4 in die Drucksäule 5 des Zweisäulen apparates,
während der andere Teil der kom primierten Frischluft nach Durchgang durch die Leitung 6 durch den ganzen vom abzie henden Stickstoff gekühlten Wärmeaustau- scher 7a, 7 und durch die Rohrschlange 3a des Verdampfers 16 der Drucksäule in letz tere mittelst eines Drosselventils 8 entspannt wird. Dieser Teil der Luft wird vor seiner Entspannung in der Rohrschlange 3a eben falls verflüssigt. Bei 9 geht diese entspannte Luft in die Drucksäule 5.
Der weitere Verlauf des Verfahrens ist so, dass der sich mit Hilfe des Kondenstors 10 bildende flüssige Stickstoff sich in der Schale 1.1 sammelt, dann durch Rohr 12, Ventil 1-3 und Rohr 14 oben bei 15 in die Niederdruckkolonne geschickt wird.
Ebenso wird der im Vendampfungsgefäss 16 'am Bo den sich ansammelnde zirka 40 %ige flüssige Sauerstoff durch Rohr 17 und Ventil 18 durch die Brause 19 an geeigneter Stelle in die obere Säule übergeführt. - - B ist ein Trocknungsaustauscher, in wel chem die überschüssige, vom Tiefkühlaus tauscherteil 7 herrührende Kälte für das Ausgefrieren und Abscheiden der in der Hochdruckluft enthaltenen Feuchtigkeit und 1%ohlensäure verwendet wird.
Das Trocknen tmd Reinigen; der frischen Hochdruckluft von Feuchtigkeit und Kohlensäure kann da bei nur an einer bestimmten Stelle des Aus- tauschers geschehen, denn nicht. jeder Tem peraturbereich eignet sich dafür. Deshalb wird dies mit dem aus.
Teil 7 des Wärmeaus- tauschers durch Rohr 20 ausströmenden Stickstoffstrom, der unten bei 21 in den Trockniuigsaustauscher B geht und oben bei 22 durch Rohr 23 in den Austäuscherteil 7a wieder zurückkommt, bewerkstelligt. Schliess lich entweicht dieser Stickstoffstrom, dessen gälte nunmehr in vollkommener Weise aus- ,-enutzt ist, bei 24 aus dem Apparat. .
Bei 25@ geht die das Rohr 26 durchströ mende Hochdruckluft, die vom Kompressor C kommt, in das Rohrsystem- des Trock- nungsaustauschers B und verlässt dieses bei 274 durch das Rohr 28, das in den Austau- scherteil 7 führt. Es wird also hier so verfahren, dass man durch Ausnutzung der adiabatischen Ent spannung von Luft den Trennapparat dauernd in einem Kälteüberschuss hält, in dem man einen Teil der an sieh für die Tren nung benötigten komprimierten Luft in der Entspannungsmaschine A direkt verarbeitet.
Man ist dadurch imstande, -dem Trenn apparat stets - sofort nach der Inbetriebset zung grosse Mengen tiefgekühlter Luft zuzu führen, was gegenüber dem bisher- gebräuch- liehen Abdrosselungsverfahren den Vorteil bietet, dass man, statt wie sonst graduell (zum Beispiel von + 20 bis - 140 ) und sehr langsam, sofort und ohne Zeitverlust unmit telbar den gältetiefpunkterreicht.
Bisher benutzte man derartig arbeitende Entspannungsmaschinen nur für die Luft verflüssigung in sogenannten Einsäulen- a.pparaten, wo es sich nicht um die Herstel lung hochprozentigen Sauerstoffes handelte. Es ist aber unmöglich; den zur Erzielung eines günstigen Kälte- beziehungsweise Ver- flü.ssigungseffektes benötigten grossen Gas anteil durch die Entspannungsmaschine lau fen zu lassen, ohne dabei die beabsiehtigte Trennung der Gase wesentlich zu stören.
Diese Übelstände lassen sich jedoch gemäss vorliegender Erfindung vermeiden, und es ist erwiesen, dass die Anwendung der Ent spannungsmaschine für die Trennung der Luft in Trennapparaten mit mehrfacher Rektifikation, von beträchtlichen kraftwirt schaftlichen und thermodynamischen Erfol gen begleitet ist.
Die Erklärung dafür fin det sich darin, dass die adiabatisch in der Entspannungsmaschine A entspannte Luft in die erste Trennungssäule 5 (Vorreini- güngs- beziehungsweise Destillatiönssäule) eingeblasen wird, und zwar gelangt dabei die Druckfrischluft ohne irgend welche we sentliche Vorkühlung direkt in die Entspan nungsmaschine. So erzielt man die bestmög liche Verflüssigung der Luft und .erhält in der ersten Säule ein Vorprodukt, das einem Gehalt an Sauerstoff von etwa 40 bis 50 entspricht.
Dadurch, dass man zur Vorküh- lung der entspannten Luft kleinere Wärme mengen benötigt, erhält man das flüssige Produkt auf bedeutend wirtschaftlicherem Wege als früher. Erst diese sauerstoffreiche Flüssigkeit wird dann zwecks weiterer Rek tifikation bei 15 in die Niederdrücksäule in gebräuchlicher Weise weiter geleitet, um dort auf die gewünschte Reinheit des Sauer stoffes von 99 % und mehr verarbeitet zu werden. Dieser Sauerstoff kann als Flüssig keit- aus dem untern Teil der Niederdruck säule entnomrrien werden. Die Vorteile sind folgende: Die Anf ahrzeit des Trennapparates wird wesentlich verringert.
Die Verringerung ist mit etwa 50 % bewertet. Die Kraftersparnis während der Anfahrzeit fällt ebenso ins Ge wicht, um so mehr, als die Entspannungs maschine Kraft abgibt. Die Kraftersparnis wurde mit 10 % .ermittelt, so dass neben der Verringerung der Anfahrzeit noch ein Ener giegewinn resultiert.
Das vorbeschriebene Verfahren ermög licht auch, die Abmessungen des Wärme- austauschers bedeutend kleiner zu wählen als gewöhnlich, da der Austauscher nicht. für die vollständige Vorkühlung der ganzen Luftmenge, sondern nur eines kleineren Teils derselben zu dimensionieren ist.
Da ferner durch den sich abspielenden isentro- pen Prozess mehr Kälte erzeugt wird als für die Kühlung des Hochdruckgasgemi sches dauernd erforderlich ist, so ergibt sich im Trennapparat ein sehr erheblicher Kälte überschuss, der dazu ausgenutzt wird, um dem einen Teil des Druckfrischluftgemi- sches im Trocknungsäustauscher B die ganze Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen (Kohlensäure) zu entziehen. Die überschüs sige Kälte kann für anderweitige, neben industrielle Zwecke, zum Beispiel zu Eis erzeugung oder Kühlung angewendet wer den.
Process for breaking down gas mixtures, in particular air, into their components. The subject of the present inven tion is a method for the decomposition of gas mixtures, in particular in air, into their constituent parts, the compressed gas mixture to be decomposed being divided into two parts, one of which, starting from atmospheric temperature, is divided into an ent tension machine is relaxed, passed through part of a heat exchanger cooled by a removing decomposition product and introduced into the pressure column of a two-column separator,
while the other part of the compressed gas mixture is expanded in the latter by means of a throttle valve after passing through the heat exchanger cooled by a removing decomposition product and the evaporator of the pressure column.
The drawing shows an apparatus used to carry out the method in an exemplary embodiment. The part of the gas mixture to be broken down, for example compressed air, which is released from atmospheric temperature in an expansion machine g, goes from 1 through 2 into a part 7 of the heat exchanger and after it possibly also passes the pipe coil 3 of the evaporator 16 and has been liquefied there, at 4 in the pressure column 5 of the two-column apparatus,
while the other part of the compressed fresh air, after passing through the line 6, through the entire heat exchanger 7a, 7 cooled by the withdrawing nitrogen, and through the coil 3a of the evaporator 16 of the pressure column in the latter by means of a throttle valve 8 is expanded. This part of the air is also liquefied if it is released in the coil 3a. At 9 this relaxed air goes into the pressure column 5.
The further course of the process is such that the liquid nitrogen formed with the aid of the condenser 10 collects in the shell 1.1, is then sent through pipe 12, valve 1-3 and pipe 14 at the top at 15 into the low-pressure column.
Likewise, the approximately 40% liquid oxygen that collects on the floor in the evaporation vessel 16 'is transferred through pipe 17 and valve 18 through shower 19 at a suitable point in the upper column. - - B is a drying exchanger, in wel chem the excess, from the Tiefkühlaus exchange part 7 originating cold is used for freezing out and separating the moisture and 1% carbonic acid contained in the high pressure air.
Drying and cleaning; The fresh high-pressure air of moisture and carbon dioxide can only happen at a certain point on the exchanger, because not. any temperature range is suitable for this. Therefore this will be done with the.
Part 7 of the heat exchanger through tube 20 flowing out nitrogen stream, which goes below at 21 in the dry liquid exchanger B and at the top at 22 through tube 23 comes back again into the exchanger part 7a. Finally, this stream of nitrogen, which would now be fully exploited, escapes from the apparatus at 24. .
At 25 @, the high-pressure air flowing through the pipe 26 and coming from the compressor C goes into the pipe system of the drying exchanger B and leaves it at 274 through the pipe 28 which leads into the exchanger part 7. The procedure here is that by utilizing the adiabatic relaxation of air, the separating apparatus is permanently kept in excess of cold by directly processing part of the compressed air required for the separation in the expansion machine A.
This enables the separator to be supplied with large amounts of deep-frozen air immediately after it has been started up, which has the advantage over the previously used throttling process that, instead of gradually (for example from + 20 to - 140) and very slowly, immediately and without wasting time, reaching the low point.
So far, expansion machines that work in this way have only been used to liquefy the air in so-called single-column a.pparaten, where it was not a question of the production of high percentage oxygen. But it is impossible; Let the large proportion of gas required to achieve a favorable refrigeration or liquefaction effect run through the expansion machine without significantly disrupting the intended separation of the gases.
These inconveniences can, however, be avoided according to the present invention, and it has been proven that the use of the relaxation machine for separating the air in separators with multiple rectification is accompanied by considerable economic and thermodynamic successes.
The explanation for this can be found in the fact that the adiabatically expanded air in expansion machine A is blown into first separation column 5 (pre-cleaning or distillation column), and the fresh compressed air reaches the expansion machine directly without any significant pre-cooling . In this way, the best possible liquefaction of the air is achieved and a preliminary product is obtained in the first column that has an oxygen content of around 40 to 50.
Because smaller amounts of heat are required to pre-cool the relaxed air, the liquid product is obtained in a significantly more economical way than before. Only this oxygen-rich liquid is then passed on to the low-pressure column in the usual way for further rectification at 15, in order to be processed there to the desired purity of the oxygen of 99% and more. This oxygen can be taken from the lower part of the low pressure column as a liquid. The advantages are as follows: The start-up time for the separator is significantly reduced.
The reduction is valued at about 50%. The energy savings during the start-up time are also significant, all the more so since the relaxation machine delivers power. The power saving was determined to be 10%, so that in addition to reducing the start-up time, there is also an energy gain.
The method described above also enables the dimensions of the heat exchanger to be selected to be significantly smaller than usual, since the exchanger is not. is to be dimensioned for the complete pre-cooling of the entire amount of air, but only a smaller part of it
Furthermore, since the isentropic process that takes place generates more cold than is constantly required to cool the high-pressure gas mixture, there is a very considerable excess of cold in the separating apparatus, which is used to remove part of the compressed air mixture Drying exchanger B to remove all moisture and other impurities (carbon dioxide). The excess cold can be used for other purposes besides industrial purposes, for example for making ice or cooling.