DE1289061B

DE1289061B - Verfahren zur Tieftemperatur-Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE1289061B
Application number: DEA48054A
Authority: DE
Inventors: Newton Charles Leo
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1964-01-06
Filing date: 1965-01-05
Publication date: 1969-02-13
Also published as: US3285028A; FR1420082A; GB1096781A; NL6500101A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftempe- Gases vor Erreichen der Entspannungstemperatur, ratur-Kälteerzeugung, bei dem ein Gas komprimiert, also an einem mittleren Punkt der Wärmeaustauschdurch im Gegenstrom geführtes Gas gekühlt und strecke, abzuzweigen und arbeitsleistend zu entspandann entspannt wird. Ein derartiges Verfahren wird nen. Dabei ist vorgesehen, daß das arbeitsleistend beispielsweise bei der Verflüssigung von Gasen oder 5 entspannte Gas als Kühlgas zur Gegenstromkühlung im Rahmen der Zerlegung von Luft angewendet. des zuströmenden komprimierten Gases verwendet

Für die bei einem derartigen Verfahren aufzubrin- wird. Durch die Verringerung der Menge des abzugende Arbeit sind die Änderungen der Temperatur kühlenden Gases wird erreicht, daß sich die Abküh- und der Enthalpie des zu kühlenden Gases und des lungskurve unterhalb der Abzweigtemperatur der Kühlgases von maßgebender Bedeutung. Die Enthai- io Erwärmungskurve des im Gegenstrom geführten pie eines Gases ändert sich mit seiner Temperatur, Kühlgases in stärkerem Maße nähert, so daß die für jedoch ist keine vollständige direkte Proportionalität die Kühlung des Gases unterhalb der Abzweigtemgegeben. Die Abkühlungskurve eines Gases im peratur erforderliche Arbeit herabgesetzt ist. Durch Enthalpie-Temperatur-Diagramm weicht somit von diese Maßnahme wird zwar ein günstigerer Verlauf einer Geraden ab. Die Änderungen in der Abhängig- 15 der Abkühlungskurve und damit eine Verbesserung keit zwischen Enthalpie und Temperatur variieren des Verfahrens erreicht, eine vollständige Lösung des mit dem Druck und der Temperatur sowie der Zu- Problems ist jedoch nicht gegeben. Es hat sich gesammensetzung des Gases. Je höher der Siedepunkt zeigt, daß der Verlauf der Abkühlungskurve, der sich eines Gases ist, desto höher ist im allgemeinen die für dieses bekannte Verfahren ergibt, in vielen Fällen Temperatur, bei der die größten Änderungen in der so nicht den günstigsten Verhältnissen entspricht, weil Abhängigkeit zwischen Temperatur und Enthalpie die Abkühlungskurve sich vor dem Abzweigpunkt auftreten. Die auftretenden Schwankungen in der zu stark von der Erwärmungskurve des Kühlgases Abhängigkeit sind dabei auch um so ausgeprägter, entfernt, während hinter dem Abzweigpunkt eine zu je höher der Siedepunkt des Gases liegt. Wird in starke bzw. plötzliche Annäherung der Abkühlungseinem Gegenstromwärmeaustauscher ein Gas durch 35 kurve an die Erwärmungskurve erfolgt. Daher ist ein kälteres Gas, das einen niedrigeren Druck auf- bei diesem bekannten Verfahren ein optimaler Ausweist, gekühlt, wobei weder Wärme von außen auf- gleich zwischen den Anlage- und den Betriebskosten genommen noch nach außen abgegeben wird, so ist nicht möglich.

der Enthalpiewechsel des einen Gasstroms dem Es ist ferner bereits ein Verfahren zur Tieftempe-

Enthalpiewechsel des anderen Gasstroms gleich. Da 30 ratur-Kälteerzeugung bekannt, bei dem zu verflüssisich jedoch die Enthalpie nicht geradlinig mit der gendes komprimiertes Gas durch entspanntes, im Temperatur ändert, variiert die Abhängigkeit zwi- Gegenstrom geführtes Rücklaufgas gekühlt und an sehen der Temperatur und der Enthalpie eines Gas- einer Stelle der Wärmeaustauschstrecke vor der Abstroms längs der Wärmeaustauschstrecke. Stellt man zweigung eines arbeitsleistend entspannten Teils des die Abkühlungskurve bzw. die Erwärmungskurve der 35 komprimiert zugeführten Gases zusätzlich durch ein beiden im Gegenstrom geführten Gase in einem äußeres Kühlmittel gekühlt wird. Durch diese Maß-Temperatur-Enthalpie-Diagramm dar, so zeigt sich nähme, bei der der gesamte abzukühlende Gasstrom dementsprechend, daß die beiden Kurven nicht par- durch ein äußeres Kältemittel gekühlt wird, wird jeallel verlaufen. doch keine Verbesserung im gegenseitigen Verlauf

Die zwischen der Abkühlungskurve und der Er- 40 der Abkühlungskurve und der Erwärmungskurve wärmungskurve vorhandene Fläche stellt ein Maß erreicht.

für die Arbeit dar, die zur Durchführung des Kühl- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das

Vorgangs aufzubringen ist. Aus diesem Grunde ist eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß es erwünscht, daß die beiden Kurven nahe beiein- es sich in wirtschaftlich optimaler Weise durchführen ander liegen, so daß mit geringen Betriebskosten ge- 45 läßt. Das diese Aufgabe lösende Verfahren zur Tiefarbeitet werden kann. Andererseits bedeutet ein ge- temperatur-Kälteerzeugung, bei dem ein Gas komringer Abstand zwischen den beiden Kurven, daß primiert, durch im Gegenstrom geführtes Gas geeine nur geringe Temperaturdifferenz zwischen den kühlt und dann entspannt wird, wobei ein Teil des beiden Gasströmen längs der Wärmeaustauschstrecke Gases vor Erreichen der Entspannungstemperatur zur Verfügung steht. Daher müssen bei einem ge- 50 abgezweigt und arbeitsleistend entspannt wird, ist ringen Abstand der beiden Kurven große Wärme- erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein austauschflächen vorgesehen werden, wodurch sich Teil des komprimierten Gases vor der Kühlung durch die Anlagekosten erhöhen. Aus diesem Grunde er- Rücklaufgas vom Hauptstrom abgezweigt, durch ein weist sich ein bestimmter Verlauf der beiden Kurven äußeres Kühlmittel gekühlt, arbeitsleistend entspannt bzw. Abstand zwischen den beiden Kurven als opti- 55 und in den Kreislauf zurückgeführt wird,
mal. In diesem Zusammenhang ist auch zu berück- Dieses erfindungsgemäße Verfahren, bei dem ein

sichtigen, daß die für die Durchführung des Kühl- Teil des zu kühlenden Gases vor und ein anderer Vorgangs aufzubringende Arbeit um so kostspieliger Teil während der Gegenstromkühlung abgezweigt ist, je niedriger das Temperaturniveau ist, bei dem werden, führt zu den erwünschten zweckmäßigen der Wärmeaustausch bzw. die Kühlung stattfindet. 60 Verhältnissen längs der Wärmeaustauschstrecke der Daher ist ein Auseinanderlaufen der beiden Kurven Gegenstromkühlung. Dabei ergibt sich eine gleichim unteren Temperaturbereich, wie es sich normaler- mäßigere Annäherung der Abkühlungskurve an die weise ergibt, wenn über die gesamte Wärme- Erwärmungskurve, so daß es möglich ist, das Veraustauschstrecke gleichbleibende Gasmengen im fahren bei einem optimalen Ausgleich zwischen An-Gegenstrom miteinander in Wärmeaustausch ge- 65 lage- und Betriebskosten durchzuführen,
bracht werden, besonders ungünstig. Zweckmäßigerweise wird das Verfahren so durch-

Es ist schon bekanntgeworden, bei einem Ver- geführt, daß der Zweigstrom mit der höheren Temfahren der eingangs genannten Art einen Teil des peratur durch das äußere Kühlmittel etwa auf die

Temperatur des anderen Zweigstroms gekühlt wird. In vorteilhafter Weise können dann die beiden Zweigströme vor der arbeitsleistenden Entspannung zusammengeführt werden, so daß sich eine Vereinfachung der Anlage für die Durchführung des Verfahrens ergibt.

Vorteilhafterweise läßt sich das Verfahren so betreiben, daß der unter höherem Druck stehende, zu komprimierende Hauptstrom durch entspanntes Kreislaufgas gekühlt wird. Diese auch bei den bekannten Verfahren bereits verwirklichte Maßnahme empfiehlt sich insbesondere dann, wenn das komprimierte Gas verflüssigt wird, da sich dann die verbleibenden oder entstehenden Dämpfe zur Kühlung des Hauptstroms heranziehen lassen. Auch im Falle einer Tieftemperatur-Gaszerlegung können die bereits abgetrennten Komponenten in vorteilhafter Weise zur Kühlung des noch nicht zerlegten Hauptstroms herangezogen werden, wodurch die aufzubringende Arbeit herabgesetzt wird.

Eine weitere Vereinfachung der Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn das arbeitsleistend entspannte Gas und das bei der Entspannung des Hauptstroms nicht verflüssigte Gas zusammengeführt werden. Dieser Gasstrom kann als Rücklauf zur Gegenstromkühlung des Hauptstroms herangezogen werden.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, das äußere Kühlmittel in einem geschlossenen Kältekreislauf zu führen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Abkühlungskurve und eine zugehörige Erwärmungskurve im Temperatur-Enthalpie-Diagramm;

F i g. 2 ist eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung und zeigt den Verlauf der beiden Kurven für den Fall, daß ein Teil des zu kühlenden Gases während der Gegenstromkühlung abgezweigt wird;

F i g. 3 zeigt den Verlauf der Abkühlungs- und der Erwärmungskurve, der sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt;

F i g. 4 zeigt eine Anlage zur Verflüssigung eines Gases, die vom erfindungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht;

F i g. 5 zeigt eine andere Anlage zur Verflüssigung eines Gases unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 zeigt eine Anlage zur Tieftemperaturzerlegung von Luft unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 7 zeigt eine andere Anlage für die Tieftemperaturluftzerlegung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In F i g. 1 ist eine Abkühlungskurve A und eine zugehörige Erwärmungskurve B im Temperatur-Enthalpie-Diagramm eingezeichnet. Bei beiden Gasströmen handelt es sich um Stickstoff, wobei der längs der Kurvet abgekühlte Stickstoff auf einen überkritischen Druck komprimiert ist, während sich der beim Gegenstromwärmeaustausch längs der Kurve B erwärmte Stickstoff nur auf einem geringen Überdruck befindet. Die Darstellung in F i g. 1 gilt für den Fall, daß über die gesamte Wärmeaustauschstrecke gleichbleibende Mengen an zu kühlendem und an kühlendem Gas miteinander in Wärmeaustausch gebracht werden. Die schraffierte Fläche zwischen den Kurven A und B kennzeichnet das Maß an Arbeit, das zur Durchführung des Kühlvorgangs aufzubringen ist. Es zeigt sich, daß im unteren Temperaturbereich die beiden Kurven A und B einen größeren Abstand voneinander aufweisen, so daß die Kühlung in diesem Temperaturbereich eine erhöhte Arbeit erfordert.

F i g. 2 zeigt eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung, die sich ergibt, wenn ein Teil des zu küh- !enden Gasstroms während der Gegenstromkühlung abgezweigt wird. In diesem Fall erhält die Abkühlungskurve A am Abzweigpunkt einen Knick, und an Stelle des Kurvenstücks A', das dem Verlauf in Fig. 1 entspricht, ergibt sich ein Kurvenstück/1" für den Kühlvorgang unterhalb der Abzweigtemperatur, das gemäß F i g. 2 steiler verläuft, so daß es sich unter Verkleinerung der gleichfalls schraffierten Arbeitsfläche der Erwärmungskurve B in stärkerem Maße nähert.

F i g. 3 zeigt den Verlauf der Abkühlungskurve C und der Erwärmungskurve B für das erfindungsgemäße Verfahren. Das Kurvenstück C" für den Kühlvorgang unterhalb der Abzweigtemperatur, das steiler als das angedeutete Kurvenstück C für den Kühlvorgang ohne Abzweigung während der Gegenstromkühlung verläuft, schließt mit der übrigen Abkühlungskurve C einen vergleichsweise großen Winkel ein, so daß sich die Abkühlungskurve C im Vergleich zu den Abkühlungskurven A der F i g. 1 und 2 flacher und in stärkerem Maße parallel zur Erwärmungskurve B erstreckt, was sich als vorteilhaft erwiesen hat.

Bei der Gasverflüssigungsanlage gemäß F i g. 4 ist eine mit einem Ventil versehene Einlaßleitung 1 für das zu verflüssigende Gas vorgesehen. An diese Leitung schließt sich eine Leitung 3 an, die in die Niederdruckstufe eines Kompressors 5 führt, aus deren Hochdruckstufe das Gas durch Leitung 7 abströmt. Die Leitung 7 teilt sich in jeweils mit einem Ventil versehene Leitungen 9 und 11. Die Leitung 9 führt durch einen Gegenstromwärmeaustauscher 13 und ist hinter dem Wärmeaustauscher mit einem Entspannungsventil 15 versehen, in dem das Gas unter teilweiser Verflüssigung entspannt wird. Das Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit tritt in einen Phasenseparator 17 ein.

Die andere Zweigleitung 11 führt durch einen Wärmeaustauscher 19, in dem das Gas durch ein äußeres Kältemittel gekühlt wird, das im Kreislauf durch eine Kältemittelleitung 21 strömt, in die ein Kompressor 23, ein Nachkühler 25 und ein Expansionsventil 27 eingeschaltet sind.

Ein Teil des in der Leitung 9 durch den Wärmeaustauscher 13 strömenden Gases wird an einer Stelle zwischen den Enden des Wärmeaustauschers 13 über eine mit einem Ventil versehene Zweigleitung 29 abgezweigt und hinter dem Wärmeaustauscher 19 in die Leitung 11 eingeführt. Der gesamte Zweigstrom in Leitung 11 wird dann in einer Entspannungsmaschine 31 unter Leistung von Arbeit isoentropisch entspannt, um dann über Leitung 33 in eine Leitung 35 einzutreten, die zum Wärmeaustauscher 13 führt, durch den das entspannte Gas im Gegenstrom zum Gasstrom in der Leitung 9 strömt, um dann über die Leitung 3 dem Kompressor 5 wieder zugeführt zu werden. Der im Phasenseparator 17 anfallende Dampf wird durch die Leitung 37 gleichfalls der Leitung 33 zugeführt. Die Flüssigkeit, die sich im

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Phasenseparator 17 auf Siedepunkttemperatur be- Wärmeaustauscher 113 zugeführt werden, in dem die rindet, wird durch eine Leitung 39 sowie eine mit Flüssigkeit verdampft, worauf gemäß F i g. 5 der einem Ventil versehene Leitung 41 in einen Speicher- Dampf in das kalte Ende des Wärmeaustauschers behälter 43 geführt, aus dem sie über eine mit einem 97 eingeführt wird. Der im Speicherbehälter 107 anVentil versehene Leitung 45 entnommen werden 5 fallende Dampf wird über eine Leitung 115 in die kann. Der im Speicherbehälter 43 anfallende Dampf Leitung 111 geleitet und damit in den Kreislauf zuwird über eine Leitung 47 in die Leitung 35 und rückgeführt.

damit in den Kreislauf zurückgeführt. Die aus dem Gemäß Fig. 6, die eine Anlage für die Tieftempe-Phasenseparator 17 durch Leitung 39 austretende raturzerlegung von Luft zeigt, wird komprimierte Flüssigkeit kann auch anstatt in den Speicher- io Luft in einer Leitung 117 durch einen Wärmebehälter 43 direkt in die mit einem Ventil versehene austauscher 119 geführt und in den Hochdruckteil Leitung 35 eingeleitet werden, um als Kältemittel 121 einer zweistufigen Kolonne eingeleitet. Eine mit durch einen Wärmeaustauscher 49 geleitet zu werden Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird vom Boden und unter Verdampfung ein anderes Strömungsmittel des Hochdruckteils 121 durch die Leitung 123 abgezu kühlen. 15 zogen und im warmen Ende eines Wärmeaustauschers Bei der in F i g. 5 gezeigten Anlage tritt das zu 125 unterkühlt. Darauf wird die Flüssigkeit in einem verflüssigende Gas über eine mit einem Ventil ver- Expansionsventil 127 entspannt und die erhaltene sehene Leitung 51 in eine Leitung 53, die zur Nieder- Mischung aus Dampf und Flüssigkeit an der ihrer druckstufe 57 eines Kompressors 55 führt. Der Korn- Zusammensetzung entsprechenden Stelle des Niederpressor 55 umfaßt eine Mitteldruckstufe 59 sowie 20 druckteils 129 der Kolonne in diesen eingeleitet. Der eine Hochdruckstufe 61, aus der das Gas über eine Hochdruckteil 121 und der Niederdruckteil 129 sind Leitung 63 austritt und in drei jeweils mit einem in üblicher Weise mit Böden versehen und durch Ventil versehene Leitungen 65, 67 und 79 eintritt. einen Kondensator miteinander verbunden. Der vom Die Leitung 65 führt durch einen Wärmeaustauscher Kopf des Hochdruckteils infolge der Kondensator-69 zu einer Leitung 71, in die ein Expansionsventil 25 wirkung herabtropfende flüssige Stickstoff wird durch 75 eingeschaltet ist. Die Leitung 67 führt durch eine Leitung 131 abgezogen und im kalten Ende des einen Wärmeaustauscher 73 und dann gleichfalls in Wärmeaustauschers 125 unterkühlt. Darauf wird der die Leitung 71, die in einen Phasenseparator 77 unterkühlte flüssige Stickstoff in einem Expansionsmündet. Die Zweigleitung 79 führt durch einen mit ventil 133 entspannt und am Kopf des Niederdruckeinem äußeren Kältemittel gekühlten Wärme- 30 teils 129 in diesen eingeleitet. Der flüssige Anteil des austauscher 81 und dann in eine Expansionsmaschine Stickstoffs bildet den Rücklauf, während der Stick-87, in der das Gas unter Arbeitsleistung entspannt stoffdampf am Kopf des Niederdruckteils durch eine wird. Von der Leitung 65 ist im mittleren Bereich Leitung 135 abgezogen wird und als Kältemittel des Wärmeaustauschers 69 eine Leitung 83 und von durch den Wärmeaustauscher 125 geleitet wird. Der der Leitung 67 im mittleren Bereich des Wärme- 35 Stickstoffdampf wird dann durch eine Leitung 137 austauschers 73 eine Leitung 85 abgezweigt. Beide in eine Leitung 139 eingeleitet, die so durch den Leitungen sind mit einem Ventil versehen und führen Wärmeaustauscher 119 geführt ist, daß die zugein die Leitung 79 zwischen dem Kühler 81 und der führte komprimierte Luft im Gegenstrom gekühlt Expansionsmaschine 87. Das arbeitsleistend auf wird.

einen Mitteldruck entspannte Gas wird zusammen 40 Dampfförmiger Stickstoff wird aus dem Kopf des mit dem aus dem Phasenseparator 77 über Leitung Hochdruckteils 121 über eine Leitung 141 abgezogen 93 entnommenen Dampf über eine Leitung 89 in das und durch das kalte Ende des Wärmeaustauschers kalte Ende des Wärmeaustauschers 73 eingeführt 119 geleitet. Dann wird der Stickstoff in einer Tur- und nach der Gegenstromkühlung des durch die Lei- bine unter Leistung äußerer Arbeit entspannt und rung 67 strömenden Gases am warmen Ende des 45 in die Leitung 137 eingeführt, so daß auch dieser Wärmeaustauschers 73 über eine Leitung 91 ent- Stickstoffanteil zur Gegenstromkühlung der zugenommen und in die Mitteldruckstufe 59 des Korn- führten komprimierten Luft in Leitung 139 durch pressors 55 eingeleitet. den Wärmeaustauscher 119 strömt. An die Stickstoff-Die im Phasenseparator 77 bei einem mittleren leitung 139 ist hinter dem Wärmeaustauscher 119 Druck auf Siedetemperatur befindliche Flüssigkeit 50 eine mit einem Ventil versehene Ablaßleitung 145 wird durch die Leitung 95 abgezogen und in einem angeschlossen.

Wärmeaustauscher 97 unterkühlt. Die unterkühlte An die Leitung 139 schließt sich eine Leitung 147 Flüssigkeit wird in einem Expansionsventil 99 weiter und an diese eine Leitung 149 an, welche in die entspannt und in einen Phasenseparator 101 einge- Niederdruckstufe eines Kompressors 151 führt. Aus leitet. Der im Phasenseparator 101 anfallende Dampf 55 der Hochdruckstufe tritt das Stickstoffgas über eine wird durch eine Leitung 103 abgezogen und zunächst Leitung 153 aus, die in zwei mit einem Ventil vervom kalten zum warmen Ende des Wärme- sehene Leitungen 155, 163 mündet. Die Leitung 155 austauschers 97 und dann vom kalten zum warmen ist durch einen Wärmeaustauscher 157 sowie ein Ex-Ende des Wärmeaustauschers 69 geleitet, um dann pansionsventil 159 geführt, in dem der Stickstoff auf durch die Leitung 53 der Niederdruckstufe 57 des 60 einen unterhalb seines kritischen Drucks liegenden Kompressors 55 zugeführt zu werden. Die sich im Druck entspannt wird, so daß ein Gemisch aus Phasenseparator 101 sammelnde Flüssigkeit wird Dampf und Flüssigkeit entsteht, das in einen Phasenüber eine mit einem Ventil versehene Leitung 105 separator 161 eingeleitet wird. Die Zweigleitung 163 in einen Speicherbehälter 107 geleitet, aus dem sie ist durch einen mit einem äußeren Kühlmittel beüber eine mit einem Ventil versehene Leitung 109 65 triebenen Kühler 165 geführt und mündet dann in entnommen werden kann. Die Flüssigkeit aus dem eine Entspannungsmaschine 169, in der das Gas zu-Phasenseparator 101 kann auch über eine mit einem sammen mit einem Zweigstrom, der über die mit Ventil versehene Leitung 111 als Kältemittel einem einem Ventil versehene Leitung 167 von der Leitung

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155 im mittleren Bereich des Wärmeaustauschers abgezweigt, die durch einen Kühler 209 geführt ist, 157 abgezweigt wird, arbeitsleistend entspannt wird. der mit einem im Kreislauf geführten äußeren Kühl-Das arbeitsleistend entspannte Gas wird zusammen mittel betrieben wird. In den Kreislauf des äußeren mit in dem Phasenseparator 161 anfallendem, über Kühlmittels sind ein Kompressor 211, ein Nacheine Leitung 171 abgezogenem Dampf in das kalte 5 kühler 213 und ein Expansionsventil 215 einge-Ende des Gegenstromwärmeaustauschers 157 einge- schaltet.

leitet. Das vom warmen Ende des Wärme- Aus der Leitung 199 ist an einer Stelle zwischen austauschers 157 abgezogene Gas wird in die zum den Enden des Wärmeaustauschers 201 ein Zweig-Kompressor 151 führende Leitung 149 eingeleitet strom durch die mit einem Ventil versehene Zweig- und damit in den Kreislauf zurückgeführt. io leitung 217 abgezweigt. Dieser Zweigstrom wird zu-

Die Flüssigkeit im Phasenseparator 161 wird über sammen mit der im Kühler 209 gekühlten Luft einer

eine mit einem Ventil versehene Leitung 173 in Entspannungsmaschine 219 zugeführt und in dieser

einen Speicherbehälter 175 eingeleitet, aus dem sie arbeitsleistend entspannt. Das entspannte Gas wird

über eine mit einem Ventil versehene Entnahme- zum Teil in die zum Hochdruckteil 205 der Kolonne

leitung 177 entnommen und der vorgesehenen Ver- 15 führende Leitung 199 und zum Teil über die mit

wendung zugeführt werden kann. Der im Speicher- einem Ventil versehene Leitung 221 in das kalte

behälter 175 anfallende Dampf wird durch eine mit Ende des Wärmeaustauschers 201 eingeleitet. Diese

einem Ventil versehene Leitung 179 abgezogen und zur Gegenstromkühlung verwendete Luft wird durch

zusammen mit dem in der Entspannungsmaschine eine Leitung 223 vom warmen Ende des Wärme-

169 arbeitsleistend entspannten Dampf und dem aus »o austauschers 201 abgezogen und kann abgelassen

dem Phasenseparator 161 abgezogenen Dampf in das oder als Zufuhrluft in den Kreislauf zurückgeführt

kalte Ende des Wärmeaustauschers 157 eingeleitet. werden.

Von der Leitung 179 ist ferner eine mit einem Ventil Vom Boden des Hochdruckteils 205 der Kolonne

versehene Leitung 181 abgezweigt, die in die Leitung wird mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit über

139 mündet, so daß der im Speicherbehälter 175 as eine Leitung 225 abgezogen und in einem Expan-

anfallende Dampf anstatt durch den Wärme- sionsventil 227 entspannt und als Dampf-Flüssigkeits-

austauscher 157 auch durch den Wärmeaustauscher Gemisch an entsprechender Stelle des Niederdruck-

119 geleitet werden kann, um die zugeführte korn- teils 229 der Kolonne eingeleitet. Der vom Konden-

primierte Luft zu kühlen. sator an der Verbindungsstelle des Hochdruckteils

Die durch die Leitung 173 aus dem Phasensepara- 30 205 und des Niederdruckteils 229 herabtropfende

tor 161 abgezogene Flüssigkeit kann anstatt in den flüssige Stickstoff wird über eine Leitung 231 abge-

Speicherbehälter 175 eingeleitet zu werden, auch zogen und in einem Expansionsventil 233 entspannt

über eine mit einem Ventil versehene Zweigleitung und am Kopf des Niederdruckteils 229 eingeleitet.

183 durch einen Kondensator 185 geführt und dann Dabei bildet der flüssige Anteil den Rücklauf. Durch

in die zum Wärmeaustauscher 119 führende Leitung 35 eine Leitung 235 wird dampfförmiger Sauerstoff un-

181 eingeleitet werden. Der Kondensator 185 ist für mittelbar oberhalb des Sauerstoffsumpfes im Nieder-

die Verflüssigung von verhältnismäßig reinem Sauer- druckteil 229 abgezogen und zur Gegenstromkühlung

stoff vorgesehen, der oberhalb des flüssigen Sauer- der zugeführten Luft durch den Wärmeaustauscher

stoffsumpfes der Niederdruckstufe 129 abgezogen 201 geleitet. Vom Kopf des Niederdruckteils 229

wird. Der im Kondensator 185 verflüssigte Sauerstoff 40 wird dampfförmiger Stickstoff über eine Leitung 237

wird in einen Speicherbehälter 189 eingeleitet, aus abgezogen und gleichfalls zur Gegenstromkühlung

dem er über eine mit einem Ventil versehene Leitung der zugeführten Luft durch den Wärmeaustauscher

191 abgezogen werden kann. Der im Speicherbehälter 201 geleitet. Bei dieser Betriebsweise wird die in den

189 anfallende Sauerstoffdampf wird über eine Lei- Zerlegungsprodukten enthaltene Kälteenergie für das

tung 193 wieder in den Niederdruckteil 129 der 45 Verfahren zurückgewonnen, so daß diese Anlage

zweistufigen Kolonne eingeleitet. einen vergleichsweise geringen Kältebedarf hat.

Bei dieser Anlage wird das erfindungsgemäße Ver- Als praktische Ausführung der Erfindung wird im fahren somit innerhalb eines Kühlsystems angewen- folgenden in Verbindung mit der F i g. 5 ein erläudet, das zur Kälteerzeugung für die Luftzerlegung terndes Beispiel gegeben. Es sei angenommen, daß herangezogen wird. Wegen dieser zusätzlichen Kälte- so 12,164 Mol pro Stunde Stickstoff pro Tonne Küherzeugung können die Zerlegungsprodukte flüssig lung die Hochdruckstufe 61 des Kompressors 55 verentnommen werden, ohne daß ihre Kälteenergie zur lassen. Dieses Gas hat eine Temperatur von etwa Kühlung der zugeführten komprimierten Luft aus- 38° C und einen Druck von etwa 211 kg/cm² und genutzt wird und ohne daß die zugeführte Luft aus wird in drei Ströme aufgeteilt, wobei 4,863 Mol pro diesem Grunde übermäßig komprimiert werden 55 Stunde durch die Leitung 65, 2,749 Mol pro Stunde müßte, damit die erforderliche Kälteleistung durch durch die Leitung 79 und 4,552 Mol pro Stunde Expansion der zu zerlegenden Luft erbracht werden durch die Leitung 67 strömen,
kann. Das Gas in der Leitung 65 ist bei Erreichen des

"Bei der in F i g. 7 dargestellten Luftzerlegungs- kalten Endes des Austauschers 69 auf —168° C ab-

anlage wird komprimierte Luft über eine Leitung 197 60 gekühlt. Das Gas in der Leitung 67 ist bei Erreichen

zugeführt und über eine mit einem Ventil versehene des kalten Endes des Austauschers 73 auf —160° C

Leitung 199 durch einen Gegenstromwärmeaustau- abgekühlt. Durch die Leitung 83 werden 1,453 Mol

scher 201 geleitet. In die Leitung 199 ist ein Expan- pro Stunde und durch die Leitung 85 1,090 Mol pro

sionsventil 203 für die gekühlte komprimierte Luft Stunde von den Strömen in den Leitungen 65 bzw.

eingeschaltet, und die Leitung 199 mündet am Bo- 65 67 abgezweigt. Dieses Gas macht zusammen mit dem

den des Hochdruckteils 205 einer zweistufigen Ko- in dem Austauscher 81 gekühlten Gas 5,292 Mol

lonne für die Luftzerlegung. Von der Leitung 197 pro Stunde aus und tritt bei einer Temperatur von

ist eine mit einem Ventil versehene Zweigleitung 207 — 47° C in die Entspannungsmaschine 87 ein, in der

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es isoentropisch auf einen Druck von 11,2 kg/cm² entspannt wird.

Das Restgas in den Leitungen 65 und 67, das von dem kalten Ende der Austauscher 69 bzw. 73 ausgeht, wird im Expansionsventil 75 auf 10,5 kg/cm² entspannt und macht insgesamt 6,872 Mol pro Stunde aus. Davon fallen im Expansionsventil 75 bzw. im Phasenscheider 0,589 Mol pro Stunde als Dampf und 6,283 Mol pro Stunde als Flüssigkeit an. Der Dampf entweicht durch die Leitung 93 und vereinigt sich mit dem arbeitsleistend entspannten Dampf in der Leitung 89, wobei 5,881 Mol pro Stunde mit einer Temperatur von —163° C in das kalte Ende des Austauschers 73 eintreten. Der Temperaturunterschied beträgt hier somit 3° C, während die Temperaturdifferenz am warmen Ende 9° C beträgt, so daß das Gas den Austauscher 73 durch die Leitung 91 mit einer Temperatur von 29° C verläßt.

Die aus dem Phasenseparator 77 abgezogene und ao unterkühlte Flüssigkeit wird im Expansionsventil 99 auf einen Druck von 4,43 kg/cm² und eine Temperatur von —181° C entspannt. Diese Temperatur ist die Speichertemperatur! Das durch die Leitung 103 zu dem kalten Ende des Austauschers 69 zurück- »5 kehrende Gas besitzt eine Temperatur von —170° C, so daß sich ein Temperaturunterschied am kalten Ende des Austauschers 69 von 2° C ergibt. Der Temperaturunterschied am warmen Ende des Austauschers 69 beträgt 9° C, so daß das Gas in der Leitung 53 eine Temperatur von 29° C besitzt und mit 6,283 Mol pro Stunde strömt. Die in diesem Beispiel beschriebenen Zustände setzen voraus, daß die mit einem Ventil versehene Leitung 105 geschlossen ist.

Bei den beschriebenen Bedingungen beträgt der Energiebedarf für den Kompressor 26,887 BHP pro Tonne; der Freonenergiebedarf für den Austauscher 81 beträgt 1,349 BHP pro Tonne, die Energierückgewinnung durch Betreiben eines Generators mittels der Entspannungsmaschine 87 beträgt 1,664 BHP pro Tonne, so daß der Nettoenergiebedarf 26,572 BHP pro Tonne beträgt. Der Carnot-Ergiebigkeitsfaktor, der als Verhältnis von aufgebrachter Arbeit zu Carnot-Arbeit definiert ist, beträgt 2,374.

Aus diesen und ähnlichen Versuchsbeispielen wurde gefunden, daß das Verfahren nach der Erfindung insbesondere für die Kühlung im Temperaturbereich von —162 bis —196° C geeignet ist und insbesondere dort mit Vorteil angewendet wird, wo das zu kühlende Gas einen Druck von wenigstens etwa kg/cm² besitzt. Bei Temperaturen oberhalb etwa —179° C ist ein Verfahren mit einer Entspannung zu bevorzugen, während für die Erzielung von Kühltemperaturen unter etwa —184° C ein Verfahren mit doppelter Entspannung vorzuziehen ist. Hierbei sollte der Zwischendruck zwischen 7 und 14 kg/cm² betragen, und es ist in diesem Falle ferner zweckmäßig, einen Unterkühler 97 zu verwenden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tieftemperatur-Kälteerzeugung, bei dem ein Gas komprimiert, durch im Gegenstrom geführtes Gas gekühlt und dann entspannt wird, wobei ein Teil des Gases vor Erreichen der Entspannungstemperatur abgezweigt und arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des komprimierten Gases vor der Kühlung durch Rücklaufgas vom Hauptstrom abgezweigt, durch ein äußeres Kühlmittel gekühlt, arbeitsleistend entspannt und in den Kreislauf zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweigstrom mit der höheren Temperatur durch das äußere Kühlmittel etwa auf die Temperatur des anderen Zweigstroms gekühlt wird.

"*3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zweigströme vor der arbeitsleistenden Entspannung zusammengeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrom durch entspanntes Kreislauf gas gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das arbeitsleistend entspannte Gas und das bei der Entspannung des Hauptstroms nicht verflüssigte Gas zusammengeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Kühlmittel in einem geschlossenen Kältekreislauf geführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen