DE1009207B

DE1009207B - Process for cleaning gas mixtures to be separated

Info

Publication number: DE1009207B
Application number: DEA18956A
Authority: DE
Inventors: Clarence John Schilling
Original assignee: Air Products Inc
Current assignee: Air Products Inc
Priority date: 1953-10-12
Filing date: 1953-10-12
Publication date: 1957-05-29

Description

Verfahren zum Reinigen zu zerlegender Gasgemische Es ist bekannt, bei Fraktionierungsanlagen., in denen der Kühlwert der kalten Fraktionierungsprodukte. in Austauschern zurückgewonnen wird, durch die Ströme von warmer Luft und kalte Fraktionierungsprodukte kontinuierlich auf getrennten Wegen hindurchgesch,ickt werden, den, Kohlendioxyd- und Wassergehalt der Luft vorher soweit wie möglich zu reduzieren, sei es durch die chemische Behandlung oder durch Absorption, da sonst die kalten Enden des Austauschers schnell mit Kohlendiaxyd-Schnee verstopfen.Process for cleaning gas mixtures to be separated It is known in fractionation plants, in which the cooling value of the cold fractionation products. is recovered in exchangers, through the currents of warm air and cold Fractionation products are continuously passed through on separate paths, to reduce the carbon dioxide and water content of the air as much as possible beforehand, be it by chemical treatment or by absorption, otherwise the cold ones Quickly plug the ends of the exchanger with carbon dioxide snow.

Die Notwendigkeit der vorhergehenden Behandlung der Luft kann durch den Gebrauch von Austauschern mit Umkehrdurchlauf verhütet werden. Solche Austauschur sind in zwei in der Wirkung ähnlichen Ausführungen bekannt.The need for prior treatment of the air may be due the use of exchangers with reverse flow are avoided. Such exchange are known in two versions that are similar in effect.

Der sogenannte Kältespeicher von F r ä n k 1 (USA.-Pa.tentschrift 1890 646) besteht aus einem Gehäuse:, welches eine Füllung aus Metallblechen mit möglichst ausgedehnten Oberflächen aufweist, die leicht Wärme absorbieren und wieder abgeben. Das kalte Gas wird durch die Füllung hindurchgeleitet, bis sie am kalten Ende auf die gewünschte niedrige Temperatur gebracht ist. Dann wird Luft durch die Füllung in umgekehrter Richtung geleitet, bis die Luft mit einer genügend niedrigen Temperatur austritt. Um die Anlage kontinuierlich betreiben zu können, werden Doppelaustauscher verwendet, in denen die Luft durch den einen Austauscher hindurchgedrückt wird, während das kalte Gas die Temperatur des anderen reduziert.The so-called cold storage by Frank 1 (USA.-Patent 1890 646) consists of a housing: which has a filling of metal sheets with surfaces that are as extensive as possible, which easily absorb heat and then release it again. The cold gas is passed through the filling until it is brought to the desired low temperature at the cold end. Then air is passed through the filling in the opposite direction until the air exits at a sufficiently low temperature. In order to be able to operate the system continuously, double exchangers are used in which the air is forced through one exchanger while the cold gas reduces the temperature of the other.

In dem Umkehrröhrenaustauscher von Levin (britische Patentschrift 469943) ist das Gehäuse. im Innern mit Röhren ausgestattet. Durch die; Röhren wird (las eine Gas und durch das Gehäuse das andere Gas hindurchgeleitet. Zum Beispiel wird Luft durch das Gehäuse und das kalte Gas durch die; Röhren geführt, bis sich eine noch zulässige Menge, fester Teile außen an den Röhren angesammelt hat. Nach einer bestimmten Zeit, die durch die Menge dein angesammelten festen Teile bestimmt ist, werden der Gas- und der Luftstrom umgeschaltet, so daß Luft durch die Röhren und das kalte Gas durch das Gehäuse fließen.In the Levin reverse tube exchanger (British Patent 469943) is the housing. equipped with tubes inside. Through the; Tubes will (read one gas and passed the other gas through the housing. For example is air through the housing and the cold gas through the; Tubes led up a permissible amount of solid particles has accumulated on the outside of the tubes. To a certain time, which is determined by the amount of your accumulated solid parts is, the gas and the air flow are switched so that air is passed through the tubes and the cold gas flow through the housing.

Da die Dampfdrücke des Wassers und des Kohlendioxydes bei den Temperaturen, mit denen die Gasprodukteaus einer Luftfraktionierungssäule austreten, sehr niedrig sind, können diese Umschaltaustausche.r leicht zur Abkühlung atmosphärischer Luft ohne vorhergehende Reinigung verwendet werden. Die gekühlte Luft ist dann für die Fraktionierung in einem Turm geeignet. Dies ist möglich., da, bei den umschaltbaren Austauschern die festen Teile, die bei der Kühlung der Luft sich in steigendem Maße bilden., durch Verdampfung wieder entfernt werden, wenn umgeschaltet wird und das kalte Gas dort hindurchfließt, wo die festen. Teile sich abgesetzt haben.As the vapor pressures of water and carbon dioxide at temperatures with which the gas products exit an air fractionation column, very low these switching exchanges can easily be used to cool atmospheric air can be used without prior cleaning. The cooled air is then for that Fractionation suitable in a tower. This is possible because, with the switchable Replace the solid parts that are increasingly involved in cooling the air form., are removed again by evaporation when switching and the cold gas flows through where the solid. Parts have separated.

Es hat sich aber gezeigt, daß die Entfernung der Festteile durch Verdampfen nicht immer vollkommen erreicht wird und daß sich gewöhnlich abgesetzte Festteilchen langsam ansammeln und schließlich die Stillsetzung des Austauschers notwendig machen, um ihn durch Erwärmung aufzutauen. Es sind verschiedene Verfahren entwickelt. worden, um die. Verdampfung der Festteilchen zu tsegün.stigen und dadurch die Betriebsdauer des Austauschers zwischen den notwendigen Stillegungen zu vergrößern.But it has been shown that the removal of the solids by evaporation is not always completely achieved and that usually settled solid particles accumulate slowly and eventually make it necessary to shut down the exchanger, to thaw it by heating. Various methods have been developed. been to the. Evaporation of the solid particles is beneficial and thereby the operating time of the exchanger between the necessary shutdowns.

Gemäß einem solchen Verfahren weisen die umschaltbaren Kältespeicher oder austauschbaren Gegenstromwärme.austa.uscher, in denen die zu zerlegenden Gasgemische vor der Zerlegung gekühlt werden, einen zusätzlichen Durchlaß auf, durch. den ein. Gasstrom vom kälterein zum wärmerem Ende des Austatischers geführt wird.According to such a method, the switchable cold accumulators have or exchangeable countercurrent heat exchangers, in which the gas mixtures to be separated be cooled before dismantling, open an additional passage. the one. Gas flow is passed from the kälterein to the warmer end of the oyster.

Von diesem Verfahren geht die Erfindung aus und l)csteht darin, daß der Gasstrom in einem geschlossenen Kreislauf in Wärmeaustausch mit einem kälteren Gasprodukt der Zerlegung gebracht wird.The invention is based on this method and l) c is that the gas flow in a closed circuit in heat exchange with a colder one Gas product of the decomposition is brought.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Zerlegungsanlage auch bei Steuerung des Kreislaufes des zusätzlichen Gasstromes in keiner Weise beeinträchtigt wird, während bei dein bekannten Verfahren, bei dem der Gasstrom, der durch den zusätzlichen l)urchla.ß hindurchgeführt wird, unmittelbar der Fraktionierungsanlage entnommen wird, jede Steuerung dieses Gasstromes Rückwirkungen auf die hraktionierungsanlage auslöst. Der Energieverbrauch für- diesen zusätzlichen Gasstrom ist äußerst gering, da lediglich der Leitungswiderstand übe.rwun.den werden muß. Die Erfindung ist in der Zeichnung an drei Beispielen erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Fraktionierungsan.lage, bei der nur der Sticksto@ff-ffin den zusätzlichen Gaskreislauf eingeschaltet ist; Fig. 2 eine Anlage, bei -der sowohl der Stickstoffals auch der Sauerstoff-Wärmeaustauscher in den zusätzlichen Gaskreislauf eingeschaltet sind, Fig. 3 eine Anlage, bei der sowohl der Stickstoff als auch der Sauerstoff durch einen einzigen Wärme:-austauscher hindurchgeleitet werden., der in dem geschlossenen Gaskreislauf eingeschaltet ist.The advantage of the invention is that the cutting plant even when controlling the circuit of the additional gas flow in no way impaired is, while in the known method in which the gas flow passing through the additional l) urchla.ß is passed, directly to the fractionation system is taken, any control of this gas flow repercussions on the hractionation plant triggers. The energy consumption for this additional gas flow is extremely low, since only the line resistance has to be overcome. the The invention is illustrated in the drawing using three examples. 1 shows a Fractionation plant in which only the nitrogen is used in the additional gas cycle is switched on; Fig. 2 shows a system in which both the nitrogen and the Oxygen heat exchangers are switched on in the additional gas circuit, Fig. 3 shows a system in which both the nitrogen and the oxygen through a single heat exchanger to be passed through., which is in the closed Gas circuit is switched on.

In den Fig. 1 und 2 ist als Austauscher ein umschaltbarer Röhrenaustauscher (Typ L ev i n) dargestellt. Es kann natürlich auch ein Paar Kältespeicher (Typ F r ä n k 1) als Austausch.er verwendet werden, ohne daß sich an dem Verfahren sonst etwas ändert.In FIGS. 1 and 2, the exchanger is a switchable tube exchanger (Type L ev i n) shown. Of course, a pair of cold accumulators (type F r ä n k 1) can be used as an exchange, without otherwise being involved in the process something changes.

Bei der Anlage gemäß Fig. 1 wird die Luft unter einem --geeigneten .Druck- von beispielsweise 45 kg absolut, zurückgeführt auf atmosphärische, Temperatur und frei von. Staub,-aber nicht von atmosphärischer Feuchtigkeit oder Kohlendioxyd, in die Anlage bei 10 eingeführt. Die Zuführungsleitung ist bei 11 geteilt. Der größere Teil der zugeführten. Luftmenge wird durch die Leitung 11a einem Schaltventil 12 zugeführt, das automatisch um 90° gedreht werden kann. Bei Stellung des Ventils gemäß Darstellung strömt die Luft durch den Kanal 13 des Ventils und dic Leitung 14 in den die Rohre 159 umgebenden Raum 15 des Stickstoffaustauschärs 16.In the system according to Fig. 1, the air is under a - suitable .Pressure of, for example, 45 kg absolute, traced back to atmospheric temperature and free from. Dust, but not from atmospheric moisture or carbon dioxide, Introduced into the plant at 10. The feed line is divided at 11. The bigger one Part of the supplied. The amount of air is passed through the line 11a to a switching valve 12 that can be automatically rotated 90 °. When the valve is in position as shown, the air flows through channel 13 of the valve and the conduit 14 in the space 15 of the nitrogen exchanger 16 surrounding the tubes 159.

Durch die Leitung 17 verläßt der Luftstrom den Raum 15 und fließt durch ein Rückschlagven.til und durch eine Leitung 19 zu dem Hochdruckteil 20 eines zweistufigen Fra.ktionierungsturmes. Dieser kann in üblicher Weise ausgebildet sein. - In dem Hochdruckteil wird die Luft zunächst fraktioniert, und Rohsauerstoff von etwa 40 % Reinheit sammelt sich auf dem Grund im Bad 21, während mehr oder weniger reiner Stickstoffdampf in dem Stickstoffverdichter 22 kondensiert. Ein Tail des flüssigen Stickstoffes wird in dem Bad 23 unmittelbar unter dem Verdichter gesammelt, und der LTberschuß fließt abwärts im Turm. Der Rohsauerstoff fließt durch die Leitung 24 und ein. Entspannungsventil 25 zu einem kleinem Austauscher 26 und dann durch Leitung 27 in den Niederdruckteil 28 des Turmes in mittlerer Höhe desselben.The air flow leaves the space 15 through the line 17 and flows through a Rückschlagven.til and through a line 19 to the high pressure part 20 of a two-stage fractionation tower. This can be designed in the usual way. - In the high pressure part, the air is first fractionated, and raw oxygen from about 40% purity collects on the bottom in bath 21, while more or less pure nitrogen vapor is condensed in the nitrogen compressor 22. A tail of the liquid nitrogen is collected in the bath 23 immediately below the compressor, and the excess flows down the tower. The raw oxygen flows through the pipe 24 and a. Expansion valve 25 to a small exchanger 26 and then through Line 27 in the low-pressure part 28 of the tower in the middle of the same.

Flüssiger Stickstoff, der im Bad 23 aufgefangen wird, fließt durch die Leitung 29 zum Austauscher 26, durch den er im Gegenstrom zum Rohsauerstoff hindurchfließt, und gelangt dann durch die Leitung 30 und das Entspannungsventil 31 zum oberen Ende des Niederdruckteiles, in dem er als Rückflußflüssigkeit wirkt. Flüssiger Sauerstoff von der gewünschten Reinheit, beispielsweise 95 %, sammelt sich im Bad 32 und umgibt die Rohre des Kondensators 22.Liquid nitrogen, which is collected in bath 23, flows through the line 29 to the exchanger 26, through which it flows in countercurrent to the raw oxygen flows through, and then passes through line 30 and the expansion valve 31 to the upper end of the low pressure part, in which it acts as a reflux liquid. Collects liquid oxygen of the desired purity, e.g. 95% is in the bath 32 and surrounds the tubes of the condenser 22.

Gasförmiger Stickstoff verläßt mit einem Druck, der etwas höher liegt als der atmosphärische, das obere Ende des Turmes durch die Leitung 33 und gelangt durch das Rückschlagventil34 und die Leitung 35 in die Rohrkammer 36 und, durchströmt die Rohre 15a des Austauschers 16. Nach Wärmeaustausch mit der den Austauscher durchströmenden Luft verläßt der Stickstoff bei atmosphärischer Temperatur dem. Austauschur durch die Leitung 37 und schließlich durch den Kanal 38 des Ventils 12 und die Leitung 39 die Anlage.Gaseous nitrogen leaves with a pressure which is slightly higher than the atmospheric one, the top of the tower through line 33 and arrives through the check valve 34 and the line 35 into the tube chamber 36 and, flows through the tubes 15a of the exchanger 16. After heat exchange with the flowing through the exchanger The nitrogen leaves the air at atmospheric temperature. Exchange through the line 37 and finally through the channel 38 of the valve 12 and the line 39 the plant.

Nach Umschaltung des Ventils verbindet der Kanal 13 die Leitungen 1111 und 37 und läßt die zugeführte Luft durch die Rohre 15a des Austauschers strömen, während die Rückschlagventile 34 und 18 den Stickstoffstrom durch den die Rohre 159 des Austauschers umgebenden Raum 15 umleiten, so daß er durch die Leitung 14, den Kanal 38 des Ventils 12 und die Leitung 39 die Anlage verläßt.After switching over the valve, the channel 13 connects the lines 1111 and 37 and allows the supplied air to flow through the tubes 15a of the exchanger, while the check valves 34 and 18 divert the nitrogen flow through the space 15 surrounding the tubes 159 of the exchanger so that it can pass through the line 14, the channel 38 of the valve 12 and the line 39 leaves the system.

Ein Teil der durch die Leitung 10 der Anlage zugeführten Luft fließt durch die Leitung 40 zu einem umschaltbaren Ventil 41, welches die Luft entweder durch die Rohre 43 oder den diese umgebenden Raum des Sauerstoffaustauschers 44 leitet.Part of the air supplied to the system through line 10 flows through line 40 to a switchable valve 41, which directs the air either through tubes 43 or the surrounding space of oxygen exchanger 44.

Gasförmiger Sauerstoff, der durch das Kochen des Sauerstoffbades 32 entsteht, verläßt den Turm durch die Leitung 45 und fließt entweder durch das eine oder durch das andere Rücksch.lagventil 46 oder 47 und von. dort durch den Teil des Austauschers 44, der nicht von Luft durchströmt wird, Durch die Leitung 48 verläßt der gasförmige Sauerstoff bei atmosphärischem Druck und atmosphärischer Temperatur den Austauscher.Gaseous oxygen produced by boiling the oxygen bath 32 arises, leaves the tower through line 45 and flows either through one or through the other check valve 46 or 47 and from. there by the part of the exchanger 44, through which air does not flow, leaves through the line 48 the gaseous oxygen at atmospheric pressure and temperature the exchanger.

Bei der Anlage gemäß Fig. 1 wird die übergroße Menge an kaltem Gas, die für die vollständige Verdampfung der gefrorenen Festteile erforderlich ist, auf eine neue Weise beschafft., die Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren mit sich bringt. Zunächst ist der Sauerstoffaustausch,er dadurch unausgeglichen, daß ein etwas kleinerer Anteil der gesamtem Luftladung durch ihn hindurchgeschickt wird, als der, der dem prozentualen. Betrag an Sauerstoff von der besagten, Reinheit entsprechen würde. Zum Beispiel beträgt die dem Sauerstoffaustauscher zugeführte Luftmenge etwa 20 bis 21 % der gesamten. der Anlage zugeführten Luftmenge, während 22 0/a dem Ertrag am Sauerstoff von 95 % Reinheit entsprechen würde.In the system according to FIG. 1, the excessive amount of cold gas, which is necessary for the complete evaporation of the frozen solid parts, procured in a new way., the advantages over the known methods with brings itself. First of all, the oxygen exchange is unbalanced by the fact that a slightly smaller proportion of the total air charge is sent through it, than the one that the percentage. Amount of oxygen of the said, correspond to purity would. For example, the amount of air supplied to the oxygen exchanger is approximately 20 to 21% of the total. the amount of air supplied to the system, while 22 0 / a the yield on oxygen of 95% purity would correspond.

Außerdem ist der Stickstoffaustauscher unausgeglichen. durch Verwendung eines geschlossenen Kreislaufes, in dem das Gas zirkuliert, wie es in folgendem zunächst im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wird.In addition, the nitrogen exchanger is unbalanced. by using a closed circuit in which the gas circulates, as in the following will first be described in connection with FIG.

Ein verhältnismäßig kleiner Anteil des im Hochdruckteil 20 ausscheidendem. Stickstoffes, z. B. ein Viertel des Stickstoffgehaltes der Luftfüllung, wird in Gasform und bei etwa 96° K aus der Kuppel des Kondensators 22 durch die Leitung 49 abgezogen und dem Wärmeaustauscher 50 zugeführt, in dem er auf 146° K durch Wärmeaustausch mit einem später beschriebenen Gaskreislauf erwärmt wird. Der erwärmte, unter hohem Druck stehende Stickstoff fließt durch die Leitung 51 zu einer Expansionsmaschine 52, beispielsweise eurer Turbine, in der er auf einen Druck nahe dem atmosphärischen und auf etwa 116° K reduziert wird.A relatively small proportion of that exiting in the high pressure part 20. Nitrogen, e.g. B. a quarter of the nitrogen content of the air filling is in Gaseous form and at about 96 ° K from the dome of the condenser 22 through the line 49 withdrawn and fed to the heat exchanger 50, in which it is heated to 146 ° K by heat exchange is heated with a gas cycle described later. The warmed up, under high Pressurized nitrogen flows through line 51 to an expansion machine 52, for example your turbine, in which it is at a pressure close to atmospheric and is reduced to about 116 ° K.

Der Stickstoff, der durch die Entspannung gekühlt ist, wird durch die Leitung 53 in die Leitung 33 geleitet, durch die er zusammen mit dem Stickstoff aus der Niederdruckstufe 28 in den Wärmeaustausche.r 16 geführt wird und von da aus der Anlage heraus entweicht.The nitrogen, which is cooled by the relaxation, is through the line 53 passed into the line 33, through which it together with the nitrogen from the low pressure stage 28 in the Wärmeaustausche.r 16 is performed and from there escapes from the system.

Der Wärmeaustauscher 16 ist mit einem dritten Durchlag versehen., der aus einem Mantelrohrbestehen kann., das sich über einen Teil seiner Länge erstreckt, in der Zeichnung aber als ein Bündel von Rohren. 54 dargestellt ist. Diese Rohre enden in. Kammern 55 und 56, und das durchgeleitete Medium steht im Wärmeaustausch mit dem durch das Gehäuse des Austauschers 16 gerade hindurchströmenden Medium. Eine der Kammern, beispielsweise die Kammer 56, ist durch. die Leitung 57 und einen Durchlag des Austauschers 58 mit der Einlaßöffnung eines Gebläses 59 verbunden, das das Gas durch die Leitung 60 in den anderem Durchlag des Wärmeaustauschers 58 drückt. Bei diesem Wärmeaustausch wird das in das Gebläse eintretende Gas auf 295° K durch Wärmeaustausch mit dem das Gebläse mit etwa 300° K verlassenden Gas erwärmt. Das Gas hat beim Verlassen der Kammer 56 eine Temperatur von etwa 150° K, und das den Austauscher 58 durch die Leitung 61 verlassende Gas hat etwa 155° K.The heat exchanger 16 is provided with a third passage, which may consist of a jacket tube, which extends over part of its length, but in the drawing as a bundle of tubes. 54 is shown. These tubes end in chambers 55 and 56, and the medium passed through is in heat exchange with the medium flowing through the housing of the exchanger 16. One of the chambers, e.g. chamber 56, is through. the line 57 and one passage of the exchanger 58 are connected to the inlet opening of a blower 59 which pushes the gas through the line 60 into the other passage of the heat exchanger 58. During this heat exchange, the gas entering the fan is heated to 295 ° K by heat exchange with the gas leaving the fan at around 300 ° K. The temperature of the gas exiting chamber 56 is about 150 ° K and the gas leaving exchanger 58 through line 61 is about 155 ° K.

Die Leitung 61 führt zu dem einen Durchla,ß des Austauschers 50, durch dessen anderen Durch.laß, wie bereits beschrieben wurde, der Hochdruckstickstoff strömt. Das diesen Austauscher durch die Leitung 62 verlassende Gas kehrt in die Kammer 55 am kalten Ende des Hauptaustauschers 16 mit etwa. 105° K zurück.The line 61 leads to the one passage, β of the exchanger 50 Its other passage, as already described, is the high pressure nitrogen flows. The gas exiting this exchanger through line 62 returns to the Chamber 55 at the cold end of the main exchanger 16 with about. 105 ° K back.

Dieser Kreislauf besteht also aus den Kammern 55 und 56, dem Nebenaustattscher 58, einem Durchlaß des Nebenaustauschers 50, dem Gebläse 59 und den Verbindungsleitungen und bildet ein. geschlossenes System, welches mit irgendeinem Gas gefüllt sein kann, vorteilhaft einem solchen, das bei der Temperatur, die am kalten Ende. des Austauschers 16 herrscht, nicht verflüssigt, z. B. Stickstoff, Helium oder Wasserstoff.This circuit thus consists of chambers 55 and 56, the secondary equipments 58, a passage of the secondary exchanger 50, the fan 59 and the connecting lines and forms a. closed system, which can be filled with any gas, advantageous one that at the temperature that is at the cold end. of the exchanger 16 prevails, not liquefied, e.g. B. nitrogen, helium or hydrogen.

Angenommen, die Wärmekapazität dieses Gases ist etwa. gleich der des Stickstoffes, so soll die Menge des durch den geschlossenen Kreislauf fließenden Gases ein Viertel der Menge: des gesamten Stickstoffes der Luftladung des Turmes entsprechen, und die gesamte Menge des kalten Gases, das durch den Hauptaustausch.er strömt, soll aus 20 Teilen entspannten Hochdruck-Stickstoffes -E- 60 Teilen Stickstoff niedrigen Druckes, die gemischt durch die Rohre 15° strömen, hestehen, während 20 Teile umlaufendes Gas durch die-Rohre 54 strömen.Suppose the heat capacity of this gas is about. equal to that of the Nitrogen, the amount of that flowing through the closed circuit should be Gas a quarter of the amount: the total nitrogen in the air charge in the tower and the total amount of cold gas that passes through the main exchanger flows, should from 20 parts of relaxed high-pressure nitrogen -E- 60 parts of nitrogen low pressure, which flow mixed through the pipes 15 °, stand, during 20 Parts of circulating gas flow through the tubes 54.

Der geschlossene Kreislauf bietet eine äußerst einfache und anpassungsfähige Möglichkeit., um einem kleinen Wärmebetrag von der warmen Zone des Austaaisc:hers an sein kaltes Ende zu übertragen und die Menge des kalten Gases so. zu vergrößern., daß die gefrorenen. Rückstände im Austauscher bei der Umschaltung vollständig beseitigt werden. Da, kein Druck auf das umlaufende Gas notwendig ist außer dem, um den Leitungswiderstand im Austauscherdurchlaß zu überwinden, ist der Energieverbrauch äußerst gering. 1)a:@ Funktionieren der Säule wird nicht durch die Regulierung des Gasvolumens beeinträchtigt, das in dem geschlossenen Kreislauf umläuft.The closed loop offers an extremely simple and adaptable Possibility to get a small amount of heat from the warm zone of Austaaisc: hers to transfer to its cold end and the amount of cold gas like that. to enlarge., that the frozen. Residues in the exchanger completely removed when switching over will. Since, no pressure on the circulating gas is necessary except to reduce the line resistance To overcome in the exchanger passage, the energy consumption is extremely low. 1) a: @ The functioning of the column is not impaired by regulating the gas volume, that circulates in the closed circuit.

Die Menge des im Kreislauf umlaufenden Gases soll nur so groß sein, wie es für die vollständige Reinigung erforderlich ist und die Menge des Hochdruck-Stickstoffes, der aus dem Turm entnommen wird, entspricht derjenigen" die auf die. günstigste Temperatur für die Expansion in der Turbine! 52 durch Wärmeaustausch im Austauscher 50 gebracht wird.The amount of gas circulating in the circuit should only be so large how it is necessary for the complete cleaning and the amount of high pressure nitrogen, which is taken from the tower corresponds to that "which is the cheapest Temperature for the expansion in the turbine! 52 through heat exchange in the exchanger 50 is brought.

Die Turbine treibt einen Kreiselverdichter 63, der dazu verwendet werden kann., um Luft zu verdichten r,der, wie dargestellt, um gasförmigen Sauerstoff aus der Leitung 48 auf einen höheren Druck zu verdichten und durch die Leitung 64 abzugeben.The turbine drives a centrifugal compressor 63 which is used for this purpose can be. to compress air, which, as shown, to gaseous oxygen from line 48 to a higher pressure and through line 64 submit.

Die Anlage gemäß Fig.2 unterscheidet sich van derjenigen gemäß Fig.1 dadurch, daJ3 sowohl der Sauerstoff- als auch der Stickstoffaustausche@r durch den geschlossenen Gaskreislauf unausgeglichen sind, Der Hochdruck-Stickstoffrückfluß wird durch gasförmiges Stickstoffgas niedrigen Druckes an Stelle von entspanntem Rohsauerstoff gekühlt und stabilisiert. Dies ist a,hor nicht Gegenstand der Erfindung.The system according to FIG. 2 differs from that according to FIG by the fact that both the oxygen and the nitrogen exchange are carried out by the closed gas circuit are unbalanced, the high pressure nitrogen reflux is replaced by low pressure gaseous nitrogen gas instead of relaxed Raw oxygen cooled and stabilized. This is a, hor not the subject of the invention.

Die Luft wird unter Druck bei 70 in das System eingeführt. Ein Teil dieser Füllung, der etwa. dem Ertrag an Stickstoff entspricht, wird durch das Schaltventil 71 entweder durch das Gehäuse oder durch die äußeren Rohre des Stickstoffaustauschers 72 geleitet, Die übrige Menge der eingeführten Luft entspricht etwa dem Sauerstoffertrag des Turmes und wird durch das Schaltventil 73 entweder durch das Gehäuse oder durch die äußeren Rohre des Sauerstoffaustauschers 74 geleitet. Die etwa bis auf ihre Verflüssigungstemperatur abgekühlte Luft passiert die Rückschlagventilpaare 74 und 76 in der bereits beschriebenen Weise, wird in. der Leitung 77 gesammelt und tritt in den Hochdruckteil 78 des Turmes ein, Der sieh im Bad 79 sammelnde, .Rohsauerstoff wird durch die Leitung 80 und das Entspannungsventil 81 in den Niederdruckteil 82 des Turmes übergeführt. Flüssiger Stickstoff sammelt sieh im Bad 83 unter dem Verdichter 84 und gelangt durch die Leitung 85 in den Austauscher 86, in 'dem er gekühlt und stabilisiert wird. Von da gelangt er durch ein Entspannungsventil 87 in das obere Ende des Turmes. Der im Niederdruckteil abgesonderte gasförmige Stickstoff fließt durch die Leitung 88 und den Austauscher 86, den er im Gegenfluß zum flüssigen Stickstoff durchströmt und durch die Leitung 89 zum Stickstoffaustauscher 72 und verläßt die Anlage bei 90.The air is introduced into the system under pressure at 70. A part this filling, which is about. corresponds to the yield of nitrogen, is controlled by the switching valve 71 either through the housing or through the outer tubes of the nitrogen exchanger 72, the remaining amount of air introduced corresponds approximately to the oxygen yield of the tower and is through the switching valve 73 either through the housing or through the outer tubes of the oxygen exchanger 74 passed. Except for hers Air cooled to the condensing temperature passes through the check valve pairs 74 and 76 in the manner already described, is collected in line 77 and enters into the high pressure part 78 of the tower, which see in the bath 79 collecting crude oxygen is through the line 80 and the expansion valve 81 in the low-pressure part 82 of the tower transferred. Liquid nitrogen collects in bath 83 below the compressor 84 and passes through line 85 into exchanger 86, in which it is cooled and is stabilized. From there it passes through an expansion valve 87 into the upper one End of the tower. The gaseous nitrogen released in the low-pressure part flows through line 88 and exchanger 86, which it counterflows to the liquid nitrogen flows through and through line 89 to nitrogen exchanger 72 and leaves the Plant at 90.

Sauerstoff von der gewünschten Reinheit wird in Gasform aus dem Niederdruckteil des Turmes durch die Leitung 91 entnommen und durchfließt den Austauscher 74, um durch die Leitung 92 die Anlage zu verlassen.Oxygen of the desired purity is released in gaseous form from the low pressure part taken from the tower through the line 91 and flows through the exchanger 74 to to leave the system through line 92.

Der geschlossene Kreislauf, durch den die völlige Entfernung der gefrorenen Bestandteile aus den Hauptaustauschern bewirkt werden soll, enthält ein Paar Endkammern. 93 im Stickstoffa.ustauscher 72 und ein ähnliches Paar von Endkammern 94 im Sauerstoffaustauscher 74. Jedes Paar Kammern ist durch ein oder mehrere Rohre verbunden, durch die der umlaufende Gasstrom in einer Richtung kontinuierlich, vorzugsweise entgegen dem Luftdurchfluß, fließt. Das umlaufende Gas, das die Kammern 93 und 94 mit 150° K verläßt, wird durch eine Sammelleitung 95 in den einen Durchlaß des Wänneaustauschers 96 geleitet, in dem es in Wänmea,ustauschbeziehung mit dem gleichen Strom tritt, der in verdichtetem Zustand und auf etwa 295° K erwärmt im anderen Durchlaß en.tgegenströmt. Der Gasstrom passiert dann die Leitung 97 und gelangt in deal Kreiselverdichter 98. Das verdichtete Gas wird, wenn es über 300° K erwärmt ist, bei 99 wassergekühlt und fließt durch die Leitung 100 zu dem anderen Durchlaß des Austauschers 96, in dem es bis auf 155° K gekühlt wird und den zum Verdichter 98 fließenden Strom wärmt.The closed circuit through which the complete removal of the frozen Components to be effected from the main exchangers contains a pair of end chambers. 93 in nitrogen exchanger 72 and a similar pair of end chambers 94 in oxygen exchanger 74. Each pair of chambers is connected by one or more pipes through which the circulating gas flow in one direction continuously, preferably opposite to that Air flow, flows. The circulating gas, which the chambers 93 and 94 with 150 ° K leaves, is through a manifold 95 in the one passage of the heat exchanger 96, in which it enters into exchange relationship with the same stream, which in the compressed state and heated to about 295 ° K counter-flows in the other passage. The gas flow then passes through line 97 and enters the centrifugal compressor 98. The compressed gas is water-cooled at 99 when it is heated above 300 ° K and flows through line 100 to the other passage of exchanger 96, in which it is cooled to 155 ° K and warms the current flowing to the compressor 98.

Das abgekühlte Gas fließt dann durch die Leitung 101 zu dem einen Durchlauf des Austauschers 102, in dem es auf 130° K abgekühlt wird und in Wärmeaustansch. mit dein Hochdruck-Stickstoffgas tritt. Durch die Leitung 103 gelangt das Gas dann in die Turbine 104. in der es bis auf 100° K reduziert wird.. Das entspannte Gas fließt dann durch die: Leitung 105 und die Zweigleitung 106 und 107 in die Kammern 93 und 94 an den kalten Enden der Hauptaustauscber, wodurch der Kreislauf geschlossen ist. Ein kleiner Teil des Stickstoffes, der im Hochdruckteil des Turmes aus der Luft abgetrennt wird (z. B. ein Achtel des gesamten Stickstoffgehaltes der fraktionierten Luft), wird aus dem Hochdruckteil in Gasform durch die Leitung 109 abgezogen und strömt durch den Austaus,cher 102, in dem er, wie beschrieben, in Wärmeaustausch mit dem umlaufenden Gasstrom kommt. Das Hochdruckgas, das in diesem Austauscher auf 146° K erwärmt wird, wird in einer Turbine 111 auf etwa atmosphärischen Druck entspannt, wobei der Stickstoff auf 116° K gekühlt wird. Der entspannte Gasstrom fließt durch die Leitung 112 in die Leitung 89, in, der es sich mit dem gasförmigen Stickstoff aus der Niederdruckstufe mischt und in den. Stickstoffaustauscher 72 geleitet wird. Die Energie für den Verdichter wird durch die beiden Turbinen 111 und 104 geliefert, die miteinander gekuppelt sind. Zweckmäßig wird aber auch eine unabhängige Energiequelle 113 vorgesehen, Wenngleich der Kreislauf gemäß Fig. 2 einige zusätzliche Apparate gemäß dem Kreislauf nach Fig. 1 benötigt, so hat er doch diesen Aufwand ausgleichende Vorteile. Einer derselben besteht darin, daß der Kreislauf sowohl für kleine als auch für große Anlagen (die ersteren benötigen bekanntlich mehr Kühlung als die letzterem:) zufolge der zusätzlichen Kühlung geeignet ist, die durch die Verdichtung des umlaufenden Gases bei 98 und die Entspannung d.essedben bei 104 erzeugt wird. Der Betrag an so erzeugter zusätzlicher Kühlung wird, durch Steuerung der Verdichtung des Gases geregelt.The cooled gas then flows through line 101 to one passage of exchanger 102, in which it is cooled to 130 ° K and in heat exchange. with your high pressure nitrogen gas. The gas then passes through the line 103 into the turbine 104, in which it is reduced to 100 ° K. The expanded gas then flows through the: line 105 and the branch line 106 and 107 into the chambers 93 and 94 on the cold one Ends of the main exchangers, whereby the circuit is closed. A small part of the nitrogen that is separated from the air in the high pressure part of the tower (e.g. one eighth of the total nitrogen content of the fractionated air) is withdrawn from the high pressure part in gaseous form through the line 109 and flows through the exchanger 102 , in which, as described, it comes into heat exchange with the circulating gas flow. The high-pressure gas, which is heated to 146 ° K in this exchanger, is expanded to approximately atmospheric pressure in a turbine 111 , the nitrogen being cooled to 116 ° K. The expanded gas stream flows through line 112 into line 89, in which it mixes with the gaseous nitrogen from the low pressure stage and into the. Nitrogen exchanger 72 is passed. The energy for the compressor is supplied by the two turbines 111 and 104, which are coupled to one another. However, an independent energy source 113 is expediently provided. Although the circuit according to FIG. 2 requires some additional apparatus according to the circuit according to FIG. 1, it has advantages that compensate for this effort. One of these is that the circuit is suitable for both small and large systems (the former, as is well known, require more cooling than the latter :) due to the additional cooling that is produced by the compression of the circulating gas at 98 and the relaxation at 104 is generated. The amount of additional cooling generated in this way is regulated by controlling the compression of the gas.

Ein weiterer Vorteil des abgewandelten Kreislaufes besteht in der Verringerung der Menge des benötigten Hochdruck-Stickstoffes, wodurch die Menge des flüssigen Stickstoffes größer wird, die für den Rückfluß der Niederdruckfraktionie.rung zur Verfügung steht.Another advantage of the modified circuit is the Reducing the amount of high pressure nitrogen needed, thereby reducing the amount of the liquid nitrogen becomes larger, which is necessary for the reflux of the low-pressure fractionation is available.

Bei der Anlage gemäß Fig. 3 ist nur ein einziger Austauscher für die Kühlung und Reinigung der eintretenden Luft durch Wärmeaustausch mit dem zurückströmenden Stickstoff und Sauerstoff vorgesehen. Bei diesem Austauscher sind drei Durchlässe vorhanden. Im ersten Abschnitt des Verfahrens strömt die zugeführte. Luft durch einen Durchlaß des Austauschurs und kommt dabei in Wärmeaustausch mit dem durchströmenden Stickstoffprodukt und dem durchströmenden Sauerstoffprodukt, die durch getrennte Durchlässe in der gleichen Richtung entgegen dem Luftstram -fließen. Während des zweiten Abschnittes des Verfahrens werden der Luftstrom und der Stickstoffstrom umgeschaltet und wechseln daher die Durchlässe im Austauscher, durch die; sie hindurchfließen, ohne jedoch ihre Durchflußrichtung zu ändern.. Der erzeugte Sauerstoff fließt dagegen kontinuierlich. während beider Abschnitte des Verfahrens durch denselben Durchlaß.In the system according to FIG. 3, only a single exchanger is for the Cooling and cleaning of the incoming air by exchanging heat with the returning air Nitrogen and oxygen provided. There are three passages in this exchanger available. In the first section of the process, the supplied flows. Air through a passage of the exchange and comes into heat exchange with the flowing through Nitrogen product and the oxygen product flowing through, which are separated by Passages in the same direction against the air flow -flow. During the The second stage of the process is the air flow and the nitrogen flow switched and therefore change the passages in the exchanger through which; they flow through, but without changing their direction of flow. The generated oxygen flows against it continually. through the same passage during both stages of the procedure.

Die Luft tritt in die Anlage durch die Leitung 120 ein und fließt durch die Durchlässe 122 oder 123 des Austauschers 124, je nach der Stellung des Schaltventils 121. Die abgekühlte Luft verläßt den Austa.uscher durch das eine oder das andere Rückschlagventil 125 und fließt durch die Leitung 121 in den Hochdruckteil 127 des Turmes etwa bei seiner Verflüssigungstemperatur.The air enters the system through line 120 and flows through the passages 122 or 123 of the exchanger 124, depending on the position of the Switching valve 121. The cooled air leaves the exchanger through one or the other check valve 125 and flows through line 121 into the high pressure part 127 of the tower at about its liquefaction temperature.

Rohsauerstoff sammelt sich im Bad 128 und gelangt durch die, Leitung 129 über ein Entspannungsventil 130 zum Niederdrucktei1127' des Turmes. Im Bad 131 sammelt sich flüssiger Stickstoff unterhalb des Verdichters 132 und gelangt durch die Leitung 133 über das Entspannungsventil 134 in das obere- Ende des Turmes, Der im Niederdruckteil abgeschiedene gasrmige Stickstoff fließt durch die. Leitung 135 zum Wärmea.usta,uscher und passiert diesen entweder durch den Durchlaß 122 oder den Durchlaß 123. Bei 136 verläßt der Stickstoff die Anlage.Raw oxygen collects in bath 128 and passes through the line 129 via an expansion valve 130 to the low pressure part of the tower. In the bathroom 131 liquid nitrogen collects below the compressor 132 and passes through the line 133 via the expansion valve 134 in the upper end of the tower, The Gaseous nitrogen separated in the low pressure part flows through the. Line 135 to the heat exchange and passes this either through the passage 122 or the passage 123. At 136 the nitrogen leaves the plant.

Sauerstoff von der gewünschten Reinheit in Gasform wird aus dem Niederdruckteil des Turmes durch die Leitung 137 entnommen und passiert den Austauscher 124 durch den mittleren Durchlaß 138, um die Anlage durch die Leitung 139 zu verlassen.Oxygen of the desired purity in gaseous form is released from the low pressure part taken from the tower through line 137 and passed through exchanger 124 central passage 138 to exit the plant through line 139.

Der geschlossene Kreislauf, der gemäß der Erfindung zum Zweck der Entfernung der gefrorenen Bestandteile aus dem Austauscher vorgesehen ist, enthält einen Durchlaß 140 am kalten Ende des Austauschgers 124, durch den der umlaufende Gasstrom kontinuierlich in einer Richtung, vorzugsweise entgegen dem Luftstrom, fließt. Dieser Durchlaß 140 ist als Rohrmantel am kalten Ende des Austauschers dargestellt. Er kann aber auch andere Formen haben und kann in Wärmeaustauschheziehung mit anderen Durchlässen des Austauschers stehen, beispielsweise zwischen den Durchlässen 122 und 123 angeordnet sein.The closed circuit, which according to the invention for the purpose of Removal of the frozen ingredients from the exchanger is provided a passage 140 at the cold end of the exchanger 124 through which the rotating Gas flow continuously in one direction, preferably against the air flow, flows. This passage 140 is shown as a pipe jacket at the cold end of the exchanger. But it can also have other forms and can be in heat exchange with others Passages of the exchanger stand, for example between the passages 122 and 123 be arranged.

Das umlaufende Gas, welches den Durchlaß 140 durch die Leitung 141 etwa bei 150° K verläßt, fließt durch den einen Durchlaß des Wärmeaustauschers 142, in dem es in Wärmeaustausch mit dem gleichen Gasstrom kommt, der verdichtet und, auf etwa 295° K erwärmt, zurückfließt. Der Strom fließt dabei durch die Leitung 143, das Gebläse 144 und die Leitung 146 zum anderen Durchlaß des Austauschers 142. Bei Verlassen des Gebläses 144 wird der verdichtete Gasstrom, wenn er eine Temperatur oberhalb 300° K hat, bei 145 wassergekühlt. Der Strom verläßt den Austauscher 142 mit etwa 155° K und fließt über die Leitung 147 durch den einen Durchlaß eines Austa.uschers 148 und kehrt dann in den Durchlaß 141 durch. die Leitung 149 zurück. Im Austauscher 148 wird das umlaufende Gas weiterhin bis auf etwa 100° K gekühlt, indem es mit dem Hochdruck-Stickstoffgas in Wärmeaustausch gebracht wird.The circulating gas passing passage 140 through conduit 141 leaves about 150 ° K, flows through one passage of the heat exchanger 142, in which it comes into heat exchange with the same gas flow that compresses and, heated to about 295 ° K, flows back. The current flows through the line 143, the fan 144 and the line 146 to the other passage of the exchanger 142. Upon exiting the fan 144, the compressed gas stream, when it has a temperature above 300 ° K, water-cooled at 145. The stream exits exchanger 142 at about 155 ° K and flows via line 147 through one passage of an exchange 148 and then returns to passage 141. line 149 back. In the exchanger 148 the circulating gas is further cooled down to about 100 ° K by using it with the high pressure nitrogen gas is brought into heat exchange.

Das durch den anderen Durchlaß des Austauschers 148 hindurchfließende Hochdruck-Stickstoffgas wird aus dem Hochdruckteil des Turmes durch die Leitung 150 zugeführt. Es wird durch die Berührung mit dem umlaufenden Gas erwärmt und anschließend in der Turbine 151 auf etwa atmosphärischen Druck entspannt, wodurch die Temperatur auf etwa 116° K sinkt.That flowing through the other passage of exchanger 148 High pressure nitrogen gas is piped from the high pressure part of the tower 150 supplied. It is heated by contact with the circulating gas and then in the turbine 151 relaxed to about atmospheric pressure, thereby increasing the temperature drops to about 116 ° K.

Durch die Leitung 152 gelangt dieses entspannte Stickstoffgas in die Leitung 135, in der es sich mit dem Stickstoffgas aus dem Niederdruckteil des Turmes mischt und dann in den Austauscher 124 geleitet wird.This expanded nitrogen gas passes through line 152 into the Line 135, in which it is with the nitrogen gas from the low pressure part of the tower mixed and then passed into the exchanger 124.

Bei der Anlage gemäß Fig. 3 wechseln der erzeugte Stickstoffstrom und der zugeführte Luftstrom ihre Durchlässe durch den Austauscher. Der erzeugte Sauerstoff wird jedoch niemals in Berührung mit den sich absetzenden. Unreinheiten gebracht. Dieses Verfahren hat verschiedene Vorteile. Der Sauerstoff wird nicht durch die verflüchtigten Unreinheiten verunreinigt. Die. optimale Temperaturdifferenz zwischen der zugeführten Luft und dem Stickstoffprodukt am kalten Ende des Austauschers kann genau einreguliert und beibehalten werden. Obwohl das Sanerstoffprodukt nicht in Kontakt mit den festen oder wieder verdampften Unreinheiten kommt; beeinflußt es das Auftaucil, weil die optimale Temperaturdifferenz am kalten Ende des Austauschers durch Zuführung eines Übermaßes an - kaltem Gas erreicht wird, hilft d-.s kalte Sauerstoffprodukt, das in Wärmeaustausch damit hindurchströmt, das gewünschte Ziel zu erreichcm.In the system according to FIG. 3, the nitrogen stream generated changes and the supplied air stream has its passages through the exchanger. The generated However, oxygen is never in contact with the settling. Impurities brought. This method has several advantages. The oxygen won't polluted by the volatilized impurities. The. optimal temperature difference between the supplied air and the nitrogen product at the cold end of the exchanger can be precisely adjusted and maintained. Although the sanitary product is not comes into contact with the solid or re-vaporized impurities; influenced it thaws because the optimal temperature difference at the cold end of the exchanger is achieved by supplying an excess of - cold gas, d-.s cold helps Oxygen product flowing through in heat exchange with it, the desired target to reachcm.

In manchen Anlagen kann eine angemessene Zirkulation in dem geschlossenen Kreislauf durch Wärmeeinwirkung allein. bewirkt werden., so, daß ein Gebläse nicht erforderlich ist.In some systems there can be adequate circulation in the closed Circuit through the action of heat alone. be effected., so that a fan does not is required.

Die beschriebenen Kreisläufe beeinträchtigen das Fraktionierurigsverfahren nur sehr wenig und ermöglichen, die günstigsten Temperaturverhältnisse für das vollständige und kontinuierliche Auftauen zu schaffen.The circuits described impair the fractionation process very little and allow the most favorable temperature conditions for complete and continuous thawing.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for cleaning gas mixtures to be separated, before dismantling in reversible cold storage or exchangeable countercurrent heat exchangers be cooled, which have an additional passage, ß through which a gas flow from the colder to the warmer end of the exchanger, characterized in that that the gas flow in a closed circuit in heat exchange with a colder one Gas product of the decomposition is brought.

2. The method according to claim 1, wherein for Fractionation in two stages certain air is cooled, characterized in that that for cooling the continuously circulating gas stream from the high pressure stage cold nitrogen gas withdrawn from the fractionation tower is used after. the heat exchange on the lower ones prevailing in the fractionation plant Pressure is relaxed and lower along with the cold nitrogen product. Pressure this system is passed through the common exchanger passage.

3. Procedure according to claim 2, characterized in that the nitrogen gas in a special Plant, for example in a turbine, is relaxed.

4. The method according to claim 1, characterized in that the circulating gas stream after The heat in the exchanger is compressed and the heat of compression is removed.

5. Process according to Claims 2 and 4, characterized in that the in the circuit circulating gas flow after compression and that by heat exchange with the The colder gas product (nitrogen) was cooled in a special system (Turbine 104) is relaxed and thereby additionally cooled.

6. Procedure according to the. Claims 1 to 5, characterized in that the air supplied to the system in two streams is shared, one stream in heat exchange with then in the fractionation plant generated oxygen is brought and is quantitatively less than the oxygen flow, the other stream is brought into heat exchange with the nitrogen produced and with the gases participating in the latter heat exchange, the circulating gas flow is in heat exchange (94) which is directed against the air flow. Into consideration Printed publications: German Patent No. 833 051; USA.-godfather.tschrift No. 2,460,859; Journal »Stahl und Eisen«, 71 (1951), p.709!> Is 711. _.