DE1021000B - Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in 'einer Gastrennanlage mit einer Gastrennkolonne - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einer Gastrennanlage mit einer Gastrennkolonne, der das zu trennende Gasgemisch an einer Stelle zugeführt wird, die zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt, wobei ein Leitungssystem vorgesehen ist, in dem ein Mittel vorhanden ist, das in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf komprimiert wird, wonach es durch Wärmeaustausch Wärme abgeben kann, und sodann expandiert wird, wonach es durch Wärmeaustausch Wärme entziehen kann.

Bei einem bekannten Verfahren führt das Mittel der Kolonne Wärme zu, indem die im Kocher der Kolonne befindliche Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt verdampft wird; der erzeugte Dampf wird der Kolonne zugeführt. Im oberen Ende der Kolonne kann ein Kondensator vorgesehen sein, in dem dieses Mittel der Kolonne Wärme entzieht und in der die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt wenigstens teilweise kondensiert wird, so daß sich ein geschlossener Kreis für das Mittel ergibt. Das Mittel kann jedoch auch aus einer der Fraktionen oder aus dem zu trennenden Gasgemisch bestehen. In gewissen Fällen kann dabei ein offener Kreislauf vorgesehen sein. Dabei wird aus der Kolonne gasförmiges Mittel entzogen, das nach Kompression, Wärmeabgabe und Expansion der Kolonne als Flüssigkeit zugeführt wird und so der Kolonne Wärme entzieht.

Es hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Verfahren der Überschuß an Waschflüssigkeit ungleich über die Höhe der Kolonne verteilt ist. Am oberen und am unteren Ende der Kolonne ist nämlich beim bekannten Verfahren ein großer Überschuß an Waschflüssigkeit vorhanden, der jedoch gegen den Einleitungspunkt hin allmählich abnimmt.

Um die zum Betrieb einer Kolonne notwendige mechanische Energie möglichst klein zu halten, ist es weiterhin bekannt, diese Energie der Kolonne derart zuzuführen, daß der immer in der Kolonne auftretende, von oben bis unten über die ganze Höhe der Kolonne reichende Wärmestrom ausreicht, um an der Eintrittsstelle des Gasgemisches über genügend Waschflüssigkeit verfügen zu können; das hat dann aber zur Folge, daß der Wärmestrom an anderen Stellen der Kolonne zu groß ist, und dies bedingt eine Überdimensionierung der für die Wirkung der Kolonne erforderlichen Kompressoren. Im Gegensatz hierzu ist anzustreben, einen besonderen Wärmestrom nur an denjenigen Stellen hervorzurufen, an denen bei einer kleineren Dimensioriierung des Kompressors oder der anderen mechanischen Triebmittel nicht genügend Waschflüssigkeit zur Verfügung stehen würde; dieser besondere Wärmestrom wird in der Kolonne dadurch hervorgerufen, daß man von einem besonderen Kreislauf Gebrauch Verfahren zum Trennen von Gasgemischen

in einer Gastrennanlage
mit einer Gastrennkolonne

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 11

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 13. Juli 1954

Jacob Willem Laurens Köhler,

Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

macht. Die Wärmezufuhr an die Kolonne und die Wärmeabfuhr von der Kolonne soll sich demzufolge so vollziehen, daß im Teil der Kolonne oberhalb des. Einleitungspunktes oder im Teil unterhalb des Ein-' leitungspunktes oder in beiden Teilen der Überschuß an Waschflüssigkeit gleichmäßiger wird, wodurch eine Energieersparung erzielt wird.

Gemäß der Erfindung erfolgt wenigstens einer dieser Wärmeaustauschvorgänge . an einer Stelle des Gastremiteiles der Kolonne, die zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und dem zu diesem Wärmeaustauschvorgang gehörenden Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann somi£ Wärmezufuhr durch das Mittel zwischen dem Einleitungspunkt .des Gasgemisches und dem Ende der Kolonne mit der höchsten; Temperatur erfolgen. Die Wärmeabfuhr durch das Mittel kann auch zwischen dem Einleitungspunkt und .dem Ende der Kolonne mit der niedrigsten Temperatur erfolgen. In diesem Falle ist somit entweder zwischen der Stelle, an der das Mittel Wärme zuführt, und dem warmen Ende der Kolonne oder zwischen der..Stelle, an der das Mittel Wärme entzieht, und dem. kalten Ende der Kolonne noch ein Gastrennteil vorhanden. Dabei kann das Mittel einen offenen oder'einen geschlossenen Kreis durchlaufen.

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Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfolgen beide Wärmeaustauschvorgänge zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und den Enden des Gastrennteiles der Kolonne, wodurch, eine besonders günstige Verteilung der Waschflüssigkeit erzielbar ist.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren nach der Erfindung können insbesondere dann mit Erfolg Anwendung finden, wenn eine der Fraktionen in flüssigem Zustand gewonnen werden soll. Wenn Luft in Fraktionen getrennt wird, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Verfahren namentlich dann Anwendung finden, wenn Sauerstoff in flüssigem Zustand gewonnen werden soll.

Gemäß einem weiteren Verfahren ist, wenn das Mittel durch einen Kolbenkompressor verdichtet wird, im Normalbetrieb die höchste sich im Arbeitsraum dieses Kompressors ergebende Temperatur niedriger als 0° C, wodurch die Erwärmung des Mittels verringert und ein gegebenenfalls vorgesehener Zwischenwärmeaustauscher zum Erwärmen des Mittels kleiner ausgebildet werden kann. Dabei ist es erwünscht, daß der Kompressorkolben mit einer Kappe versehen ist, so daß der die Kolbenringe tragende Teil des Kolbens an einer Zylinderwand anliegt, die eine höhere Temperatur als das komprimierte Gas aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Mittel dem Kompressor mit einer Temperatur zugeführt, die im wesentlichen gleich der Temperatur des Mittels ist, wie dies die Kolonne verläßt. In diesem Falle kann der Zwischenwärmeaustauscher völlig wegfallen.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird das Mittel nach Expansion der Kolonne an einer Stelle zugeführt, an der die Konzentration der an dieser Stelle vorhandenen Flüssigkeit im wesentlichen derjenigen des flüssigen Mittels entspricht, wodurch die Waschflüssigkeit in der Kolonne die richtige Zusammensetzung behält. Wird der Kolonne an einer Stelle zwischen dem Einleitungspunkt und dem warmen Ende der Kolonne Wärme zugeführt, so wird gemäß einem weiteren Verfahren der Kolonne Flüssigkeit entzogen, wonach das durch Verdampfung dieser Flüssigkeit erzeugte Gasgemisch der Kolonne wiederum an einer Stelle zugeführt wird, an der die Zusammensetzung des vorhandenen Gasgemisches im wesentlichen derjenigen des bei der Verdampfung erzeugten Gasgemisches entspricht. Eine Verringerung der Dampf menge, die bei Expansion des Mittels übrigbleibt, ist erzielbar, wenn das Mittel vor seiner Expansion mit Hilfe von wenigstens einem Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt vorgekühlt wird.

Die Anlage, mit deren Hilfe die Verfahren nach der Erfindung durchgeführt werden können, und die mit einer Gastrennkolonne versehen ist, der das zu trennende Gasgemisch an einer Stelle zugeführt wird, die zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt, wobei die Anlage weiter mit einem Leitungssystem, mit einem Kompressor und einer Expansionsvorrichtung versehen ist, und wobei ein durch das Leitungssystem in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf strömendes Mittel nach Kompression durch Wärmeaustausch Wärme abgeben und nach Expansion durch Wärmeaustausch Wärme entziehen kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem so angeordnet ist, daß wenigstens einer dieser Wärmeaustauschvorgänge zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und dem zu diesem Wärmeaustauschvorgang gehörenden Ende des Trennteiles der Kolonne erfolgt.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In

Fig. 1 ist eine Gastrennanlage dargestellt, bei der sowohl die Wärmezufuhr als auch die Wärmeabfuhr durch das Mittel in einiger Entfernung von den Enden des Gastrennteiles der Kolonne erfolgt;

Fig. 2 zeigt eine Anlage, bei der die Wärmeentziehung in einiger Entfernung vom kalten Ende des Gastrennteiles der Kolonne erfolgt, während in

Fig. 3 die Wärmezufuhr in einiger Entfernung vom warmen Ende des Gastrennteiles der Kolonne erfolgt. Die Anlage nach Fig. 1 enthält eine Kolonne, die mit einem Gastrennteil 1 und einem Kocher 2 versehen ist. Die Kolonne ist eine sogenannte einfache

!5 Kolonne, d. h. eine Kolonne, der das zu trennende Gasgemisch an einer zwischen ihrem warmen und kalten Ende liegenden Stelle zugeführt wird.

Es sei angenommen, daß das zu trennende Gasgemisch Luft ist, weswegen nachstehend das zu trennende Gasgemisch als Luft bezeichnet wird, obgleich das X^erfahren nach der Erfindung auch bei anderen Gasgemischen Anwendung finden kann.

Die mittels einer Pumpe 3 zugeführte Luft fließt durch eine Leitung 4 mit Wärmeaustauschern 5 und 6 nach der Kolonne, in die die Luft bei 7 eintritt und in der sie in der Fraktion getrennt wird. Die zugeführtc Luft wird in den Wärmeaustauschern 5 und 6 gekühlt; durch den Wärmeaustauscher 6, der im Kocher 2 der Kolonne angeordnet ist, wird dem in diesem Kocher befindlichen flüssigen Sauerstoff Wärme abgegeben, wodurch dieser Sauerstoff teilweise verdampft. Der erzeugte gasförmige Stickstoff entweicht durch eine am oberen Ende der Kolonne vorgesehene Leitung 8, die sich in zwei Zweige 9 und 10 teilt. Durch die Leitung 9 wird ein Teil des Stickstoffes einer Kaltgaskühlmaschine 11 zugeführt, mit deren Hilfe der Stickstoff verflüssigt wird, wonach das erzeugte Kondensat durch eine Leitung 12 zur Kolonne zurückgeführt wird, um als Waschflüssigkeit wirksam zu sein. Die Leitung 10 ist an den Wärmeaustauscher 5 angeschlossen, so daß die zu trennende Luft durch den abgeführten Stickstoff vorgekühlt wird.

An einer Stelle 13 oberhalb des Einleitungspunktes 7 wird ein Teil des dort befindlichen Gasgemisches durch eine Leitung 14 hindurch abgesaugt und von einem Kompressor 15, der nur schematisch dargestellt ist, verdichtet. Das abgesaugte Gas hat eine niedrige Temperatur, so daß zur Vermeidung von Schwierigkeiten bei der Schmierung der Kolben des Kompressors 15 mit einer Isolierkappe 16 versehen ist. Das verdichtete Gasgemisch fließt durch eine Leitung 17 zu einem Verdampfer 18, in dem das Gas gekühlt wird, und von dort durch eine Leitung 19 mit einer Expansionsvorrichtung 20 zur Kolonne zurück. Infolge der Expansion ist wenigstens ein Teil des Gases verflüssigt. Das Kondensat wird der Kolonne an einer Stelle 21 zugeführt, an der die Flüssigkeitskonzentration wenigstens im wesentlichen derjenigen des Kondensates entspricht. Deshalb liegt diese Stelle 21 oberhalb der Stelle 13, an der dasGas abgesaugt wird. An einer Stelle 22 unterhalb des Einleitungspunktes 7 der Luft wird ein Teil der dort befindlichen Flüssigkeit abgezapft. Zu diesem Zweck ist bei der dargestellten Ausführungsform der Kolonne diese mit Platten 23 versehen, die auf bekannte Weise ausgebildet und mit Fallrohren 24 versehen sind, so daß auf den Platten der Flüssigkeitspegel im wesentlichen konstant ist. Gewünschtenfalls kann jedoch auch auf andere Weise der Kolonne Flüssigkeit entzogen, werden..

7" und es können auch andere Plattenbauarten Anwen-

dung finden. Auch kann die Verdampfung der Flüssig keit in der Kolonne erfolgen, während die Kolonne als eine Plattenkolonne oder als eine Kolonne mit einer Füllmasse ausgebildet sein kann.

Die aus der Kolonne abgeführte Flüssigkeit fließt durch eine Leitung 25 zum Verdampfer 18, in dem ihr durch das verdichtete Mittel Wärme zugeführt wird, so daß sie verdampft, wonach der Dampf durch eine Leitung 26 zur Kolonne zurückgeführt wird an einer Stelle 27, an der die Dampfkonzentration wenigstens im wesentlichen derjenigen des zugeführten Dampfes entspricht. Die Zufuhrstelle 27 liegt unterhalb der Abfuhrstelle 22. Die Kolonne eignet sich insbesondere zum Erzeugen flüssigen Sauerstoffes, wofür eine Abfuhrleitung 28 vorgesehen ist. Die Pumpe 3 führt die zu trennende Luft unter einem Druck zu, der ausreichend ist, um den Leitungswiderstand zwischen der Pumpe und der Kolonne zu überwinden und um die gasförmige Fraktion aus der Kolonne zu entfernen. In der Kolonne selbst herrscht nahezu Atmosphärendruck.

Die Kaltgaskühlmaschine 11 kann als eine Verdrängermaschine, als eine doppelt wirkende Maschine, als eine Maschine, deren Zylinder in V-Form aufgestellt sind, oder als eine Maschine, deren Arbeitsraum mit demjenigen eines Heißgasmotors kombiniert ist, ausgebildet sein. Eine Kaltgaskältemaschine wird häufig als eine nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kältemaschine bezeichnet. In der Anlage werden der Kolonne somit Wärme und Kälte in einiger Entfernung von ihren Enden zugeführt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind denjenigen der Fig. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei der dargestellten Kolonne wird die Luft der Kolonne zugeführt und der Stickstoff aus der Kolonne abgeführt in ähnlicher Weise wie in Fig. 1.

An der Stelle 13 wird aus der Kolonne ein Gasgemisch, das als das Mittel wirksam ist, das verdichtet und ausgedehnt wird, abgesaugt und durch die Leitung 14 einem Kompressor 29 zugeführt. In der Leitung 14 ist ein Wärmeaustauscher 30 vorgesehen, in dem das Gasgemisch erwärmt wird, so daß es mit verhältnismäßig hoher Temperatur, beispielsweise ± 20° C, in den Kompressor 29 gelangt. In diesem Kompressor wird es verdichtet, wonach es durch die Leitung 17 abgeführt wird. Weil die Kompression bei hoher Temperatur erfolgt, ergeben sich in diesem Falle keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Schmierung, wie sie bei Kompressoren mit niedrigen Temperaturen auftreten. In der Leitung 17 sind ein Wasserkühler 31 zum Ableiten der Kompressionswärme und ein Wärmeaustauscher 30 vorgesehen, in dem das verdichtete Gasgemisch von dem zu verdichtenden Gasgemisch gekühlt wird. Weiterhin ist in der Leitung 17 ein Wärmeaustauscher 32 vorgesehen, der im Kocher 2 der Kolonne angeordnet ist und in dem das Gasgemisch weiter abgekühlt wird. Danach wird das Gasgemisch in der Expansionsvorrichtung 20 entspannt und der Kolonne an einer Stelle 21 oberhalb der Abfuhrstelle 13 zugeführt. Aus dem Kocher 2 wird flüssiger Sauerstoff abgezapft. In diesem Falle ist die Kolonne als eine Kolonne mit Füllmaterial, wie beispielsweise Raschigringen, ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Kolonne somit nur zusätzliche Kälte zugeführt.

Bei der Anlage nach Fig. 3 sind wiederum denjenigen der Fig. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Einfachheitshalber ist die Luftzufuhr hier ähnlich wie bei Fig. 1 dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird jedoch kein Gasgemisch aus der Kolonne abgesaugt, vielmehr durchläuft ein Hilfsmittel, beispielsweise Stickstoff, einen geschlossenen Kreis. Zu diesem Zweck ist im oberen Ende der Kolonne ein Kondensator 33 vorgesehen. Aus diesem Kondensator wird Gas durch die Leitung 14 dem auf niedriger Temperatur arbeitenden Kompressor 15 zugeführt und, ähnlich wie in

ίο Fig. 1, über einen Verdampfer 18 und die Leitung 19 zum Kondensator 33 zurückgeführt.

In der Leitung 19 ist ein zusätzlicher Wärmeaustauscher 34 vorgesehen, in dem das bereits im Verdampfer 18 gekühlte Gas durch wärmeaustauschende Berührung mit der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt weiter abgekühlt wird, so daß die nach der Expansion übrigbleibende Gasmenge herabgemindert werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Kolonne somit nur zusätzliche Wärme zugeführt.

Obgleich die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bei einfachen Kolonnen Anwendung finden, die mit nahezu Atmosphärendruck arbeiten, kann das Verfahren nach der Erfindung gewünschtenfalls auch bei anderen Kolonnen zur Verwendung kommen, beispielsweise bei dem oberen oder unteren Teil einer Doppelkolonne, je nach der Art des zu trennenden Gasgemisches oder der für die Produkte erforderlichen Reinheit.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einer Gastrennanlage, die mit einer Gastrennkolonne versehen ist, der das zu trennende Gasgemisch an einer Stelle zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Gastrennteiles der Kolonne zugeführt wird, wobei ein Leitungssystem vorgesehen ist, in dem ein Mittel vorhanden ist, das in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf komprimiert wird, wonach es durch Wärmeaustausch Wärme abgeben kann, und sodann expandiert wird, wonach es durch Wärmeaustausch Wärme entziehen kann, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer dieser Wärmeaustauschvorgänge an einer Stelle des Gastrennteiles der Kolonne stattfindet, die zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und dem zu diesem Wärmeaustauschvorgang gehörenden Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmeaustauschvorgänge zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und den Enden des Gastrennteiles der Kolonne erfolgen.

3. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Fraktionen in flüssigem Zustand gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Luft in Fraktionen getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff in flüssigem Zustand gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Hilfsmittel durch einen Kolbenkompressor verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb die höchste im Arbeitsraum dieses Kompressors auftretende Temperatur niedriger als 0° C ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel dem Kompressor mit

einer Temperatur zugeführt wird, die im wesentlichen gleich der Temperatur des Mittels ist, wie dieses die Kolonne verläßt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel, das verdichtet und entspannt wird, gasförmig der Kolonne entzogen und nach der Expansion im wesentlichen in flüssigem Zustand wieder der Kolonne zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel nach Expansion der Kolonne an einer Stelle zugeführt wird, an der die Konzentration der an dieser Stelle befindlichen Flüssigkeit im wesentlichen derjenigen des flüssigen Mittels entspricht. .

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Kolonne an einer Stelle zwischen dem Einleitungspunkt und dem warmen Ende der Kolonne Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolonne Flüssigkeit entzogen wird, wonach das durch Verdampfung dieser ' Flüssigkeit erzeugte Gasgemisch der Kolonne wieder an einer Stelle zugeführt wird, an der die Zusammensetzung des vorhandenen Gasgemisches im wesentlichen derjenigen des bei der Verdampfung erzeugten Gasgemisches entspricht.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel

vor der Expansion mit Hilfe von wenigstens einem Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt vorgekühlt wird.

11. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit einer Gastrennkolonne versehen ist, der das zu trennende Gasgemisch an einer Stelle zugeführt wird, die zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt, während die Anlage weiter mit einem Leitungssystem und einem Kompressor und einer Expansionsvorrichtung versehen ist, wobei ein durch das Leitungssystem in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf strömendes Mittel nach Kompression durch Wärmeaustausch Wärme abgeben kann und nach Expansion durch Wärmeaustausch Wärme entziehen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem so angeordnet ist, daß wenigstens einer dieser Wärmeaustauschvorgänge an einer Stelle des Gastrennteiles der Kolonne stattfindet, die zwischen dem Einleitungspunkt des Gasgemisches und dem zu diesem Wärmeaustauschvorgang gehörenden Ende des Gastrennteiles der Kolonne liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung A 13 199 Ia/ 17g
kanntgemacht am 8. 10. 53).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 810/87 12.57