DE1098970B - Verfahren und Einrichtung zur Kaelteerzeugung durch arbeitsleistende Entspannung - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Kaelteerzeugung durch arbeitsleistende Entspannung

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DE1098970B DEG27541A DEG0027541A DE1098970B DE 1098970 B DE1098970 B DE 1098970B DE G27541 A DEG27541 A DE G27541A DE G0027541 A DEG0027541 A DE G0027541A DE 1098970 B DE1098970 B DE 1098970B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kälteerzeugung für die Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemisches durch arbeitsleistende Entspannung eines dem Tieftemperaturteil der Gaszerlegungsanlage entnommenen Gases, das vor der arbeitsleistenden Entspannung durch Anwärmgas erwärmt wird.
Es ist bekannt, zur Kälteerzeugung Gase arbeitsleistend zu entspannen. Dabei werden die Gase vor der Entspannung durch indirekten Wärmeaustausch mit einem warmen Hochdruckgas so weit angewärmt, daß die Temperatur des Gases nach der arbeitsleistenden Entspannung wenig über der Verflüssigungstemperatur liegt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die mittlere Entspannungstemperatur niedrig liegt. Thermodynamische Überlegungen zeigen bekanntlich, daß bei gleicher Druckdifferenz einer Entspannung die Kälteleistung eines Gases um so größer ist, je höher die Mitteltemperatur der Entspannung liegt.
Dem Gegenstand der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kälteerzeugung durch arbeitsleistende Entspannung eines Gases bei höherer Temperatur wirtschaftlicher zu gestalten und die gewonnene Kälte auf das für die Gaszerlegung oder Verflüssigung notwendige tiefe Temperaturniveau zu bringen.
Dies wird dadurch erreicht, daß das arbeitsleistend zu entspannende Gas in einer ersten Anwärmstuf e durch indirekten Wärmeaustausch mit dem entspannten Gas selbst und in einer zweiten darauffolgenden Anwärmstufe vorzugsweise durch ein auf höheren Druck verdichtetes Anwärmgas indirekt um etwa das Temperaturgefälle der arbeitsleistenden Entspannung weiter erwärmt wird.
Das zu entspannende Gas wird kalt dem Tieftemperaturteil einer Gasverflüssigungs- oder Gaszerlegungsanlage entnommen, einem ersten Wärmeaustauscher zugeführt und in diesem durch von einer Entspannungsturbine kommendes Gas etwa auf die Austrittstemperatur aus der Entspannungsturbine angewärmt. Dann wird das Gas in einem weiteren Wärmeaustauscher durch komprimiertes Anwärmgas von höherem Druck um etwa die Temperaturspanne angewärmt, um die es sich bei der Entspannung abkühlt, und anschließend arbeitsleistend entspannt.
Das Anwärmgas wird kalt dem Tieftemperaturteil der Gasverflüssigungs- oder Zerlegungsanlage entnommen. Dabei kann reines Gas oder unzerlegtes Gasgemisch verwendet werden. Man kann solches Gas dem Hoch- oder Niederdruckteil einer Rektifikationssäule oder auch den vorhandenen Regeneratoren oder Wärmeaustauschern entnehmen. Das Anwärmgas wird durch indirekten Wärmeaustausch mit sich selbst erwärmt und anschließend in einem Kompressor vorzugsweise Verfahren und Einrichtung
zur Kälteerzeugung durch arbeitsleistende Entspannung
Anmelder:
Gesellschaft für Linde's Eismaschinen
Aktiengesellschaft,
Zweigniederlassung Höllriegelskreuth,
Höllriegelskreuth bei München
Max Seidel, München-Solln,
ist als Erfinder genannt worden
trocken verdichtet. Das verdichtete und erwärmte Gas wird dann im Gegenstrom mit sich selbst und mit dem arbeitsleistend zu entspannenden Gas durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt. Dabei erwärmt es das arbeitsleistend zu entspannende Gas. In einem weiteren Wärmeaustauscher wird schließlich das Hochdruckgas in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil des unverdichteten Kreislaufgases abgekühlt, dabei ganz oder teilweise verflüssigt und in die Rektifikationssäule abgedrosselt.
Das Anwärmgas kann auch von außen unmittelbar dem Kompressor zugeführt werden und nach Durchströmen der Wärmeaustauscher der Rektifikationssäule oder einer anderen Stelle der Tieftemperaturanlage zugeführt werden.
Weiterhin ist es möglich, nur eine Teilmenge des Anwärmgases dem Tieftemperaturteil kalt zu entnehmen und eine andere ergänzende Teilkreislauf gasmenge erst in indirektem Wärmeaustausch mit dem in der Tieftemperaturanlage zu verflüssigenden oder zu zerlegenden Gas zu erwärmen. Die Menge der auf beiden Wegen dem Kompressor zugeführten Teilgasmengen richtet sich nach dem Temperaturgleichgewicht der Anlage und kann durch Ventile von Hand oder automatisch geregelt werden.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dar. Für die Gastrennanlage wurde ein stark vereinfachtes Schema mit
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Regeneratoren gewählt. Selbstverständlich können für den Wärmeaustausch m"'""der'Anlage auch einfache Gegenströmer oder Reversing exchangers verwendet werden.
1, 2,3,4 sind Regeneratoren, in die über die Leitung 5 Druckluft einströmt. Durcirdie Leitungen 6 und 7 kann Stickstoff bzw. Sauerstoff entnommen werden. 8 ist der untere, 9 der obere Teil einer zweistufigen Rektifikationssäule. 15 ist ein Kompressor,.' 14 eine Entspannungsturbine. 10,11,12,13 sind Wärmeaustauscher. Bei 22 kann flüssiger Sauerstoff entnommen werden.
In Fig. 1 ist eine Anlage dargestellt, bei der als Hochdruckanwärmgas gereinigte und getrocknete Luft über dieLeitunglö dem Kompressor 15 zugeführt wird. Diese strömt dann durch die Leitung 19 und anschließend hintereinander durch die Wärmeaustauscher 12, 11 und 10. Danach wird die Luft im Ventil 25 entspannt und dem unteren Teil 8 der Rektifikationssäule zugeführt. Über die Leitung 26 wird dem oberen Teil 9 Schwersiedendes, im Falle der Luftzerlegung Sauerstoff, entnommen und teilweise dem Wärmeaustauscher 10 zugeführt." Dort wird es erwärmt, wobei gleichzeitig das Anwärmgas abgekühlt wird. Es strömt dann weiter durch die Leitung 17 zum Wärmeaustauscher 12 und kann über die Leitung 18 abgezogen werden. Dem unteren Teil 8 wird über die Leitung 21 Leichtersiedendes entnommen und im Wärmeaustauscher. 13 auf die Austrittstemperatur der in der Entspannungsturbine 14 entspannten Gase angewärmt. Anschließend wird das Gas im Gegenstrom mit dem Anwärmgas im Wärmeaustauscher 11 etwa um das Temperaturgefälle der arbeitsleistenden Entspannung in der Entspannungsturbine 14 weiter angewärmt. Das entspannte Gas strömt durch den Wärmeaustauscher 13 zurück und wird über die Leitung 28 abgeführt. Dabei vereinigt es sich mit dem vom oberen' Teil 9 der Rektifikationssäule kommenden, durch die Leitung 27 entnommenen Leichtersiedenden und verläßt inbekannter Weise durch die Regeneratoren die Tieftemperaturanlage.
In Fig. 2 ist eine Anlage dargestellt, bei der als Anwärmgas das Schwersiedende verwendet wird. Dem oberen Teil 9 der Rektifikationssäule wird in diesem Falle das Gas über Leitung 26 entnommen, hintereinander durch die Wärmeaustauscher 10 und 12 geleitet und dann durch die Leitung 23 dem Kompressor 15 zugeführt. Dann- strömt das Gas durch die Wärmeaustauscher 12,11 und 10 und wird anschließend im Ventil 29 entspannt, um wieder dem oberen Teil 9 der Rektifikationssäule über Leitung 30 zugeleitet zu werden.
Fig. 3 zeigt eine Anlage, in der ebenfalls Sauerstoff als Hochdruckanwärmgas verwendet wird. Hier wird jedoch dem Kompressor 15 nicht nur über Leitung 23 Sauerstoff zugeführt, sondern an der Stelle 24 trifft zu diesem Gasstrom noch der über Leitung 31 zugeführte. Dieser wird bei 33 von dem den oberen Teil 9 der Rektifikationssäule durch Leitung 26 verlassenden Gasstrom abgezweigt und durch die in dieRegeneratoren 1, 2, 3, 4 eingelegten Rohrschlangen 32 geleitet. Die Gasmenge, die auf dem einen oder anderen Wege dem Kompressor 15 zugeführt wird, kann entsprechend dem Temperaturgleichgewicht in der Anlage durch die Ven- ■ tile 34 und 35 von Hand oder durch eine automatische Regelvorrichtung 36 eingestellt werden, die durch thermische Steuerorgane 37 in der Mitte der Regeneratoren oder an einer anderen Stelle gesteuert wird.
In den beschriebenen Anlagen wurde Luft und Sauerstoff als Anwärmgas benutzt. Es lassen sich auch in allen Anlagen durch entsprechende Schaltung bei der Luftzerlegung dafür Luft5: Sauerstoff oder Stickstoff verwenden. Auch für die Kälteerzeugung in der Ent-Spannungsturbine kann durch entsprechende Wahl der Entnahme- und Rückführungsstelle jedes in der Anlage vorhandene Gas benutzt werden.

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Kälteerzeugung für die Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemisches durch arbeitsleistende Entspannung eines dem Tieftemperaturteil der Gaszerlegungsanlage entnommenen Gases, das vor der arbeitsleistenden Entspannung durch Anwärmgas erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das arbeitsleistend zu entspannende Gas in einer ersten Anwärmstufe (13) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem entspannten Gas selbst und in einer zweiten darauffolgenden Anwärmstufe (11) vorzugsweise durch ein auf höheren Druck verdichtetes Anwärmgas indirekt um etwa das Temperaturgefälle der arbeitsleistenden Entspannung (14) weiter erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerlegende Gas Luft ist und daß als Hochdruckanwärmgas Luft, Stickstoff oder vorzugsweise Sauerstoff verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Luftzerlegung zur arbeitsleistenden Entspannung Luft oder vorzugsweise Stickstoff verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anwärmgas auf einen Druck verdichtet wird, bei dem seine Verflüssigungstemperatur nahe bei der für die Anwärmung des arbeitsleistend zu entspannenden Gases erforderlichen Temperatur liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Wärmeaustausch mit dem zu verflüssigenden oder zu zerlegenden Gas wegen des Temperaturgleichgewichts der Hauptwärmeaustauscher (1, 2/3, 4) überschüssige Menge kalter Gase oder Zerlegungsprodukte in indirektem Wärmeaustausch (10, 12) mit dem Anwärmgas erwärmt und entnommen wird (18).
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das auf hohen Druck zu verdichtende Anwärmgas im offenen Kreislauf (26) kalt aus dem Tieftemperaturteil der Gasverflüssigungsoder Zerlegungsanlage vorzugsweise unter Druck entnommen, im indirekten Wärmeaustausch (Ij 2, 3, 4j 10,12) erwärmt, vorzugsweise trocken auf höheren Druck (15) verdichtet, bei der indirekten Anwärmung (11) des arbeitsleistend zu entspannenden Gases und in indirektem Wärmeaustausch (12,10) mit sich selbst abgekühlt, dabei ganz oder teilweise verflüssigt und in den Tieftemperaturteil abgedrosselt (29) wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge (23) des kalt aus dem Tieftemperaturteil entnommenen Kreislaufgases (26) im Wärmeaustausch (12,10) mit dem verdichteten Kreislaufgas und eine ergänzende Teilkreislaufgasmenge in indirektem Wärmeaustausch (3, 4) mit dem in der Tief temperaturanlage zu verflüssigenden oder zu zerlegenden Gas erwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilgasmenge, die in indirektem Wärmeaustausch (3, 4) mit dem in der Tieftemperaturanlage zu verflüssigenden oder zu zerlegenden Gas steht, zur Einstellung des Temperatur-
gleichgewichts der Hauptwärmeaustauscher von Hand oder automatisch (37) geregelt wird.
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsseite der Entspannungsturbine (14) mit dem warmen Ende eines Wärmeaustauschers (11), in dem der Wärmeaustausch mit dem Hochdruckanwärmgas stattfindet, und dessen kaltes Ende mit dem warmen Ende eines weiteren Wärmeaustauschers (13) verbunden ist, in dem der Wärmeaustausch zwischen dem zu entspannenden und dem entspannten Gas stattfindet, wobei der andere Kanal dieses Wärmeaustauschers (13) mit seinem warmen Ende am Austritt der Entspannungsturbine (14) angeschlossen ist.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (11) für das zu entspannende Gas und das Anwärmgas zwischen zwei Wärmeaustauscher (1O-, 12) für das
verdichtete Kreislaufgas und das unverdichtete Gas geschaltet ist.
11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Regeneratoren (1, 2, 3, 4) als Wärmeaustauscher für das zu zerlegende oder zu verflüssigende Gas Rohrschlangen (32) für die eine Teilmenge des Kreislaufgases in die Speichermasse der Regeneratoren eingebettet ίο sind.
12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Regelmittel (36, 37) für die durch die Rohrschlangen (32) zu erwärmende Kreislauf menge, gesteuert durch die Temperatur in der Mitte der Regeneratoren (3,4).
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 833 051, 1 046 640.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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