Verfahren zum Verflüssigen und Trennen von Gasgemischen. Die bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Rektifikation von Gasgemischen. wie Luft, Wasserglas oder dergleichen. gehen von der Voraussetzung aus, daf@ zur Durchführung der Trennung wenigstens eine Temperatur von -191 an der kältesten Stelle des Sauer- stofftrennungsapparates erforderlich ist, so dass für die Rektifikation nur ein Temperatur interwall von (-182-- (-191), beziehungs weise von (-182-(-193) oder im Vakuum höchstens von (--182 -(19b), d. h. von 9 bis höchstens 14' verfügbar ist.
Der bisherige Stand der Wissenschaft und der Technik hat es nicht als möglich erscheinen lassen, diese Grenzen bei der Sauerstoff- und Stickstoff gewinnung aus flüssiger Luft zu überschreiten.
Die Temperaturen bedingen aber bei der Rektifikation, gleichgültig, ob dieselbe durch die Rektifikation im engere Sinne oder durch sogenannte mehrfache fraktionierte Destil lation bewirkt wird, den nicht zu unter- schützenden Nachteil, dass die zu bewältigen den Volumina für Atmosphärendruck,
sowie auch für geringen Unterdruck sehr gross und daher auch Kälteverluste < lttt-cli Wärmeauf- nahme durch die Wandungen des T'emperatur- gefässes hindurch verhältnismässig bedeutend werden und sogar bis zu 20-25 ,'o ansteigen.
Ausserdem wird die Apparatur recht gross und teuer, was insbesondere für Anlagen kleiner Leistungen die Trennung unwirtschaft lich gestaltet.
Ferner ist auch für den thermodynamischen Wirkungsgrad dieser Verfahren der Umstand, dass man zu tiefen Temperaturen bis -191 und darunter hinabgehen muss, recht ungün stig und für den Dauerbetrieb bekanntlich recht störend.
Nach vorliegender Erfindung sollen diese Nachteile dadurch vermieden werden, dass die Trennung zurr Beispiel durch Rektifikation oder fraktionierte Destillation, bei Oberdruck und dementsprechend kleinem spezifischen Volumen des Gasgemisches in einer Tren nungskolonne vollständig durchgeführt wird.
Hierdurch unterscheidet sich das vor liegende Verfahren von den bekannten Tren nungsverfahren in zwei Stufen, bei denen es sich in der ersten Stufe um eine teilweise Trennung der Luft unter Druck und in der zweiten Stufe um eine vollkommene Trennung des auf Atmosphärendruck entspannten rest lichen Bestandteiles der Luft handelt. Nur für den letzteren Teil findet die Abkühlung der Luft unter dein Siedepunkt des Stick stoffes statt. Es handelt sich in diesen zwei Stufen um die endgültige Trennung von Luft bei einer niedrigsten Temperatur, die untei,- halb von -19l" liegt.
Zum Unterschied von den bekannten Verfahren handelt es sich hier nicht um die Unterkühlung mittelst flüssigen Stickstoffes oder verflüssigter Luft allein, sondern lediglich uni die Unterkühlung mit- telst kalter reiner (rase oder Dämpfe, oder eines Gemisches solcher Gase oder Dämpfe mit Flüssigkeit, also zum Beispiel bei der Trennung der Luft, um Unterkühlung mittelst mit Flüssigkeit gemischter Sauerstoff- und Stickstoffdämpfe.
Die Kühlung mittelst flüs siger Luft oder flüssigem Stickstoff allein erfordert mehr Energie als die Kühlung mit- telst entspannter (xase und beigemischter Flüssigkeit. Die entspannten Gase können durch ihre Entspannung eine Temperatur er halten, welche je nach dem Druck, auf wel chen die Entspannung erfolgt, bis auf -<B>196</B> oder darunter sinken kann, während die Flüs sigkeitskühlung an die Siedetemperatur bei Atmosphärendruck gebunden ist.
Nach dem neuen Verfahren kann die Sauerstoff- und - Stickstoff -Gewinnung arrs atmosphärischer Luft so durchgeführt werden, dass dabei beispielsweise die tiefste Tempera tur vom Innern der Trennungsvorrichtung -170 nicht unterschreitet.
Diese Tempera tur entspricht einer Spannung des Stickstoff- dampfes von zirka 15 Atmosphären. Der Siede punkt des Sauerstoffes liegt für 15 Atino- sphä.ren bei zirka -140 . Man erhält auf diese Weise ein Nutztemperaturgefälle von zirka 170 -1d0 - 30 .
Die vorstehende Temperaturerhöhung von -191 auf -170 hat aber ausserdem noch die neue technische Wirkung, dass der Stick stoffdampf für die Gewichtseinheit bedeutend weniger Sauerstoff gesättigt aufnimmt, als bei den niedrigen Temperaturen und Spannun- gen der älteren Verfahren.
Man hat es bei dem vorliegenden Ver fahren sogar in der Hand, den Sättigungs grad des unter Druck stehenden Stickstoff dampfes an Sauerstoff beliebig klein dadurch zu machen, dass man in einiger Entfernung vor der Stelle, an welcher der Stickstoff ab geführt werden soll, durch besondere Kühl elemente, an welchen der Stickstoffdampf vorüberströmt, eine teilweise starke Unter kühlung desselben unter<B>-1701</B> vornimmt und dadurch die letzten Spuren des Sauer stoffes niederschlägt und daraus fortnimmt.
Mit andern Worten soll dies heissen, dass be kannte, für tiefe Temperaturen und Unter druck bestimmte Verfahren auf höhere Drücke und Temperaturen übertragen und im vor liegenden Verfahren angewendet werden, zum Beispiel zur Entfernung der letzten Spuren des Sauerstoffes ini Stickstoffdampf, wobei der Sauerstoff gewissermassen daraus aas gesiebt wird und weiter zurück in die Tren- nungsvorrichtung fortgeleitet werden kann.
Die wissenschaftliche (Trundlage des neuen Arbeitsverfahrens beruht auf der vom Erfin der gefundenen Tatsache, da(2', gasförmiger Stickstoff bei gleicher Temperatur in der Volumeinheit immer nur dieselbe Menge ge sättigten Sauerstoff aufzunehmen vermag; ganz gleich, unter welchem Druck der Stickstoff steht.
Aus Analogien über die Sättigung der Luft mit Wasserdampf, bei verschiedenen Drücken und au, dem Gesetz der Partial volumina hat der Annielder nämlich gefunden, dass auch für (Teenische von Stickstoff- und Sauerstoffdampf die gleiche Beziehung be steht wie für Wasserdampf.
Bei der vorliegenden F,r,findring lzairn zwecl@- mässig die im Schweiz. Patent f>5414 beschrie bene Trennung durch abwechselnde Konden sation und Verdampfung durchgeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer zur Durch führung des vorliegenden Verfahrens dienen den Trennungskolof)ne ist irr der Zeichnung schematisch dargestellt. Aus einem nicht ge zeichneten Reiniger strömt die hochgespannte Frischluft durch einen Wärnreaustauscher, in dem dieselbe in bekannter Weise vorgekühlt und teilweise verflüssigt wird.
Vor Eintritt in die Trennungskolonne a wird die hochge- spannte Frischluft durch Ventil g nahezu auf den Cberdi#uek entspannt, welcher in der Welonne a- herrscht,
und strömt zwecks wei terer Abkühlung und gleichzeitiger Beheizung von in d befindlicher Flüssigkeit durch eiere Heizspirale f und aus dieser durch eine Lei tun- f ' in den mittleren Teil der Kolonne a. Die kalten Dämpfe steigen von diesem Teil in den obern Teil der Kolonne a auf,
wäh rend die gebildete Flüssigkeit nach dem Bo den d der Kolonne a hinabsinkt. Auf diesem Wege erfolgt in bekannter Weise durch Sauer- stoffdiittipfe, welche im untern Teile durch Beheizung erzeugt werden und nach oben steigen, die Rektifikation der herabfliessenden Flüssigkeit. indem letztere ihren Stickstoff gegen Sauerstoffdämpfe austauscht.
Inn Dauer betriebe sammelt sieh seliliel,ilich in d ledig lich reiner flüssiger Sauerstoff an, welcher durch Leitring h; in der eire Drosselventil z -in geordnet ist, irr einen Sauerstoffvergaser e t;(@leitet wird.
Die in den obern Teil der Kolonne a auf- @teigendcn stickstoffreichen Dämpfe werden durch Kühlschlangen b und c so stark unter- kühlt. dass sich ein Teil derselben an den Arrhenwandungen von b und c verflüssigt.
Die gebildete Flüssigkeit enthält, da sieh Sauerstoff leichter als Stickstoff verflüssigt, verhältnismässig mehr von dein in den auf steigenden Diinpfen enthaltenden Sauerstoff als von dein Stickstof. 1)i:
3 Folge davon ist bekanntlich, dass ini obersten Teil von a. schliel.',lich nahezu reiner Stickstoff erhalten wird, der durch eitre L nigangsleitung ein die Verflüssigungsspirale h' gelangt.
Dort wird durch die Kühlwirkung des in r unter etwa Atniosphärendrtiek verdampfenden flüssigen Sauerstoffes eine entsprechende Menge Stick- stoff verflüssigt und durch Ventil k in die Verdampfer- oder Kühlschlange b entspannt und durch den nicht gezeichneten Wä rnneaus- tauscher
abgeführt. Wesentlich für die gleieli- zeitige Trennung in Sauerstoff und Stickstoff ist, dah von der Frischluft in der Heiz schlange f nur ein kleiner Teil verflüssigt wird,
damit beim Eintritt der Frischluft in den mittleren Teil der Kolonne a die auf steigenden Dämpfe noch genügend Sauerstoff zum Austausch mit denn an den Kühlbclilati- gen b und c aussen sich bildenden flüssige n Stickstoff besitzen. In welcher Vorin sonst die Trennung erfolgt, ist nicht von Belang.
Die kondensierte Flüssigkeit und die kühlen dem Dämpfe siri;inen im Gegensatz zu der bisher gebräuchlichem Arbeitsweise in glei cher Richtung, und zwar zweckmässig mehr fach unterteilt, also ein i.#leichsironi;
denn das Kondensat, das im obern Teil des Tren- nuingsranmes a oder überhaupt im Trennungs- raum an den von den expandierten kalten Dämpfen gekühlten Kühlelementen b und c sieh verflüssigt, flielät an dein Aussenflächen dieser, infolge seines höheren spezifischen Gewichtes herab:
das Kondensat fliesst. also in gleicher Richtung wie die Dämpfe inner halb der Kühlleitungen b und _r. Die Tren nung wird in einem Arbeitsgang in der Tren nungskolonne bewirkt. Weder der in der Kühlschlange b' gebildete flüssige Stickstoff,
noch der aus dein untern Teil<I>d</I> der Kolonne a durelr Leitung h und Ventil i hindureli nach dein Sauerstoffverdampfer r, geführte flüssige Sauerstoff, welcher in Dampfform durch die Kühlleitung c hindurchströmt, werden in das Innere der Kolonne a eingeführt.
Das be- schriebene Verfahren ei-niüglicht es bei jedem Druck für Trennungsrauen, den Sauerstoff und den Stickstoff technisch rein zti erhalten.
Der Druck kann bis zum kritischen Druck des Stickstoffes oder des Sauerstoffes gesteigert werden, ohne da1', das Verfahren gestört wird.
Man erhält in dein Boden der Kolonne a bei d reinen flüssigen Sauerstoff und ein oberer Teil reinen Stickstoff, dessen Danipfwärnie nach Austritt aus < lern Treiirei# ini Gegen- strom tun Verfahren nutzbar gemacht wird.
Die vorliegende Arbeitsweise gestattet ohne weiteres die Vereinigung jedes beliebigen Luftverflüssigungsvurfahrens finit der Tren- nungskolonne in der Weise, da( man vor dein Eintritt der frischen Druckluft in die untere Verflüssigungsspirale f' entweder das erwähnte Entspannungsventil g (Drosselvor richtung)
oder eine Entspannungsmaschine ein- schaltet und hierdurch beim Entspannen auf den Druck der Verflüssigririgsspirale die Er satzkälte zum Dauerbetrieb der Anlage er zeugt. Die aus der Kolonne a austretenden kalten Dämpfe oder Gase geben für Gegen strom ihre Kälte an das frische Druckmittel in bekannter Weise ab.
Process for liquefying and separating gas mixtures. The previously known methods for rectifying gas mixtures. such as air, water glass or the like. assume that at least a temperature of -191 at the coldest point of the oxygen separation apparatus is required to carry out the separation, so that only a temperature interval of (-182-- (-191), rel from (-182 - (- 193) or in a vacuum at most from (--182 - (19b), i.e. from 9 to at most 14 '.
The current state of science and technology has not made it appear possible to exceed these limits in the production of oxygen and nitrogen from liquid air.
In rectification, however, regardless of whether it is effected by rectification in the narrower sense or by so-called multiple fractional distillation, the temperatures cause the disadvantage, which cannot be protected, that the volumes to be managed for atmospheric pressure,
as well as very large for low negative pressure and therefore also cold losses <lttt-cli heat absorption through the walls of the temperature vessel become relatively significant and even increase up to 20-25%.
In addition, the apparatus is quite large and expensive, which makes the separation uneconomical, especially for systems with low capacities.
Furthermore, the fact that one has to go down to low temperatures of -191 and below is also quite unfavorable for the thermodynamic efficiency of these processes and, as is well known, quite disruptive for continuous operation.
According to the present invention, these disadvantages are to be avoided in that the separation, for example by rectification or fractional distillation, is carried out completely in a separation column at elevated pressure and a correspondingly small specific volume of the gas mixture.
In this way, the present process differs from the known separation process in two stages, in which the first stage is a partial separation of the air under pressure and in the second stage a complete separation of the rest of the air component, which is relaxed to atmospheric pressure acts. Only for the latter part does the air cool below the boiling point of the stick material. In these two stages, it is a question of the final separation of air at a lowest temperature which is below -19l ".
In contrast to the known processes, this is not about subcooling by means of liquid nitrogen or liquefied air alone, but merely by subcooling by means of cold, pure (gas or vapors, or a mixture of such gases or vapors with liquid, for example in the separation of air, to avoid hypothermia by means of oxygen and nitrogen vapors mixed with liquid.
Cooling by means of liquid air or liquid nitrogen alone requires more energy than cooling by means of relaxed (xase and admixed liquid. Due to their relaxation, the relaxed gases can maintain a temperature that depends on the pressure at which the relaxation occurs , can drop to - <B> 196 </B> or below, while the liquid cooling is tied to the boiling temperature at atmospheric pressure.
According to the new process, the oxygen and nitrogen recovery in atmospheric air can be carried out in such a way that, for example, the temperature inside the separation device does not fall below -170.
This temperature corresponds to a nitrogen vapor tension of around 15 atmospheres. The boiling point of the oxygen is around -140 for 15 atinospheres. In this way, a useful temperature gradient of around 170 -1d0 - 30 is obtained.
The above temperature increase from -191 to -170 also has the new technical effect that the nitrogen vapor for the weight unit absorbs significantly less saturated oxygen than with the low temperatures and voltages of the older processes.
In the case of the present process, it is even possible to make the degree of saturation of the pressurized nitrogen vapor in oxygen as small as desired by using special devices at some distance from the point at which the nitrogen is to be removed Cooling elements, over which the nitrogen vapor flows, undercooling the same under <B> -1701 </B> in some cases, and thereby precipitating the last traces of oxygen and removing it from it.
In other words, this should mean that known processes intended for low temperatures and negative pressure are transferred to higher pressures and temperatures and used in the present process, for example to remove the last traces of oxygen in nitrogen vapor, with the oxygen to a certain extent Aas is sieved and can be further forwarded back into the separation device.
The scientific (basis of the new working method is based on the fact found by the inventor that (2 ', gaseous nitrogen at the same temperature in the unit of volume can only absorb the same amount of saturated oxygen; no matter what pressure the nitrogen is under.
From analogies about the saturation of air with water vapor, at different pressures and au, the law of partial volumes, the Annielder found that the same relationship exists between nitrogen and oxygen vapor for teenagers as well as for water vapor.
With the present F, r, findring lzairn zwecl @ - moderately that in Switzerland. The separation described in patent f> 5414 can be carried out by alternating condensation and evaporation.
An exemplary embodiment of a separation column serving to carry out the present process is shown schematically in the drawing. The high-tension fresh air flows from a cleaner not shown ge through a heat exchanger, in which the same is pre-cooled and partially liquefied in a known manner.
Before entering the separation column a, the highly pressurized fresh air is released through valve g almost to the Cberdi # uek that prevails in the Welonne a-,
and for the purpose of further cooling and simultaneous heating of the liquid in d flows through a heating coil f and out of this through a pipe f 'into the middle part of the column a. The cold vapors rise from this part to the upper part of column a,
while the liquid formed sinks down to the bottom of the column a. In this way the rectification of the liquid flowing down takes place in a known manner by means of oxygen dips, which are generated in the lower part by heating and rise upwards. in that the latter exchanges its nitrogen for oxygen vapors.
In permanent operations, seliliel collects only pure liquid oxygen, which is fed through guide ring; in which a throttle valve z -in is arranged, irr an oxygen gasifier e t; (@ is conducted.
The nitrogen-rich vapors rising in the upper part of column a are so strongly subcooled by cooling coils b and c. that a part of it liquefies at the arrhen walls of b and c.
The liquid formed, since oxygen is more easily liquefied than nitrogen, contains proportionally more of the oxygen contained in the increasing amount of oxygen than of the nitrogen. 1) i:
3 As a result, it is known that ini the uppermost part of a. Finally, almost pure nitrogen is obtained, which enters the liquefaction spiral h 'through a long line.
There a corresponding amount of nitrogen is liquefied by the cooling effect of the liquid oxygen evaporating in r below approximately atmospheric pressure and is expanded through valve k into the evaporator or cooling coil b and through the heat exchanger (not shown)
discharged. It is essential for the simultaneous separation into oxygen and nitrogen that only a small part of the fresh air in the heating coil f is liquefied,
so that when the fresh air enters the middle part of the column a, the rising vapors still have enough oxygen to exchange with the liquid nitrogen that forms outside at the cooling tanks b and c. It is irrelevant in which way otherwise the separation takes place.
The condensed liquid and the cool to the vapors siri; inen, in contrast to the previously common way of working, in the same direction, and in fact appropriately subdivided several times, thus an i. # Leichsironi;
because the condensate, which liquefies in the upper part of the separation range a or in the separation space at all on the cooling elements b and c cooled by the expanded cold vapors, flows down on the outer surfaces of these, due to its higher specific weight:
the condensate flows. so in the same direction as the vapors within the cooling lines b and _r. The separation is effected in one operation in the separation column. Neither the liquid nitrogen formed in the cooling coil b ',
nor the liquid oxygen passed from your lower part <I> d </I> of the column a through line h and valve i hindureli to the oxygen evaporator r, which flows in vapor form through the cooling line c, are introduced into the interior of the column a .
The described process makes it possible to keep the oxygen and nitrogen technically pure at any pressure for separation roughness.
The pressure can be increased to the critical pressure of nitrogen or oxygen without the process being disturbed.
Pure liquid oxygen and an upper part of pure nitrogen are obtained in the bottom of column a at d, the heat of which is made usable after exiting from the countercurrent process.
The present mode of operation allows any arbitrary air liquefaction process finite the separation column to be combined in such a way that (before the fresh compressed air enters the lower liquefaction spiral f 'either the mentioned expansion valve g (throttle device)
or an expansion machine is switched on and as a result, when the pressure is exerted from the liquefaction spiral, the replacement cooling for continuous operation of the system is generated. The cold vapors or gases emerging from the column a give off their cold to the fresh pressure medium in a known manner for countercurrent.