DE1551561A1

DE1551561A1 - Herstellung von mit Sauerstoff angereicherter Luft

Info

Publication number: DE1551561A1
Application number: DE19671551561
Authority: DE
Inventors: Smith Donald L
Original assignee: Air Reduction Co Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1966-09-06
Filing date: 1967-07-05
Publication date: 1970-03-19
Also published as: US3412567A; GB1167437A

Description

PATENTANWÄLTE
DR. MOLLER-BORe · DIPL-ING. GRALFS

DR. MANITZ · DR. DEUFEL

8 MÜNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STR. 1

TELEFON 225110

5. Juli 1967

Δ 1Q09

Air Reduction Company» Incorporated! Hew Jersey / USA Bsssasasasaassssesasssssssasssssssssssssssaasssa=: Herstellung von mit Sauerstoff angereicherter Luft

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Apparatur und Methode zur Herstellung von mit Sauerstoff angereicherter Luft. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Niederdruck-Partialkondensationsverfahren zur billigen Säuerstoff anreicherung von Luft zur Erzielung einos Produktes, das in industriellen Verfahren, wie dem Schneisen von Eiseners in einem Hochofen, oder für andere Zwecke verwendet werden kann.

Sie Verwendung von Sauerstoff als Mittel but Verbesserung der Leistung einiger metallurgischer und chemischer Verfahren hat ein Stadium erreicht, wo in einigen Fällen ein einsiger Arbeitsvorgang den gesamten Ausstoß einer großen Lufttrennanlage verbraucht. Nach Voraussagen ist noch ein größerer Anstieg ia Gebrauch von Sauerstoff für diesen Zweck su erwarten, wenn die Kosten wesentlich erniedrigt werden können.

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·. 2 —

Sauerstoff in reiner Porm wird in diesen industriellen Verfahren im allgemeinen nicht gebraucht oder verwendet. Bine Luftbesohickung mit einem Sauerstoffgehalt τοη etwa 23 bis 30 <f> wird üblicherweise angewandt. Bisher lieferten die Lufttrennanlagen Ib allgemeinen ein hochgereinigtes Saueret off produkt von 95 bis 99,5 # Reinheit an den Verbraucher, der dann dieses Produkt mit luft vermischte, um den Sauerstoffgehalt einer Luftbeschlckung auf die gewünschte Konzentration cn erhöhen·

Im allgemeinen kann ein hochgeralnigtes Produkt nur mit relativ hohen Kosten ersielt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines weniger reinen Produktes bei wesentlich verminderten Kosten, das sor Erhöhung das Säuerstoff gehalts der Loftbesohickung verwendet werden kann. Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahrensluftstrom an Sauerstoff bis zn etwa 42 MoI-J^ in einem System angereichert unter Verwendung eines Kondensator-Verdampfers des ursprünglich Dephlegmator genannten Typs, und dieses Produkt wird dann an den Verbraucher geliefert, entweder mit oder ohne Verdünnung, um den endgültigen Sauerstoffgehalt eineustellen.

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Der Kondonaator-Verdampf er bewirkt indirekten Wärmeaustausch zwischen einem aufsteigenden Strom von gesättigter komprimierter Luft und einem absteigenden Strom von kalter flüssigkeit, mn teilweise Kondensation des Luftstroas »u erzielen, während die kalte flüssigkeit verdampft wird. Die Verdampfungswärme sufs Verdampfen der kalten flüssigkeit wird dem ansteigenden Luftstrom entnommen, und die Entfernung dieser Wärme aus dem Luftstrom dient zum Kondensieren des gewünschten 7eils der Luft. Der maximal erreichbare Sauerstoffgehalt des Kondensate bei einem gegebenen Druck wird durch ein stetiges Gleichgewicht bestimmt on der Oberfläche einer KondensatansaaiBlung am Boden des Kondensators im Kontakt mit dem einlaufenden Luftstrom. Das Kondensat enthält bei mäßigen Drucken etwa 30 bis 50 $ Sauerstoff und befindet sich davit in bevorzugten Bereich» der vom Verbraucher gewünscht wird. Das Verfahren kann so geführt werden, daß das Kondensat abgezogen und dem Verdampfer als die erforderliche kalte flüssigkeit zugeführt wird und so, daß diese kalte !flüssigkeit vollständig verdampft wird unter Kondensierung des gewünschten Seils des Luftströme«

Der nichtkondensierte Teil des Binlaßverfahrensstroms, der nach der partiellen Kondensation zurückbleibt, 1st hauptsächlich Stickstoff, der am oberen Ende des Kondensators als

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Abfluß abgezogen wird und eis hauptsächliches Kuhlmittel zur Aufreohterhaltung des Verfahrens verwendet wird· Ein geringerer Teil der erforderliohon Kühlung wird aus dem säuerst off angereichert en Kondensat gewonnen. Beide XUhI-quellen nutzen die Energie, die <lem Einlaßluft strom durch dem Luftkoopreßspr zugeführt werden.

Die prozentuelle Kondensation d:.e in das; Partialkondensat ions verfahr en erzielt wird, νίτά reguliert durch die Höhe doj; Kondenoationssttule, die Tewpuratur dn? kalten Plüssigksit, die am oberen Ende dor Kolonne zugeführt v/ird_f die Pließg©« soliwindigkeit des luftotroMo in. ilen Kondensator und die !ließgeschv/indigkeit des Sticketoffab-.'luasoe vom Obejrioil des Kondensators. Der erzielte Prtceutgahalt an Sauerstoff in dom mi.t Sauerstoff angereicherten Abfluß wird in eainem Maximalwert, wie oben erwähnt, begrenzt durch die uleichgewichtisbedingung zwischen dem zufließenden Luftstrom und der Kondensatansasmlung im Kontakt mit dem Lui.'tstrom bei dem on der Oberfläche der Sonden Batansammlung herrschenden Druck.

Um eine Wärmeströmung vom einlaufenden !luftstrom zu dem mit Sauerstoff angereicherten_tflii8si{;en₉kondeneierten Seil der Luft unter Verdampfen der mit Sauerstoff angereicherten flüssigkeit zw bevfirken, ist es notwendig, die Sättigungstemperatur der

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BAD ORIGINAL

LuXt durch Erhöhung des Druckes des Iiuftetromrj in dem Kondensator zu erhöhen. Zu diesem Zweck ist es üblich* den LuiMietroa vor dem Kühlen auf die Sättigungstemperatur zu kotip2?±Eii«ren· Die erforderliche Kompreeaionsstärke hängt von de;? !Pemperaturdifferenz ab, die zur Bewirkung des gewünschten YiJirmeflnones benötigt wird. Die erforderliche Kompression stellt sich als relativ gering und dementsprechend als billiger heraus, verglichen mit den Erfordernissen der Lufttrennanlagen, dl ? nur Herstellung eines aochgereinigten Saueretoifprodulcfeoa büßtimmt sind«

Es wurde gefunden, daß die Kühlung, die durch die erf or dor liehe mäßige Kompression des luftstroue verfügbar ist, wenn sie wirksam ausgenütst wird, nicht nur daau ausreicht, den kompliziertau Luftstrom auf seine relativ hohe Süttigungsteraperatur ssu reduzieren, sondern auch, um die säuerstoff angereicherte Flüssigkeit auf den nötigen Betrag zu unterkühlen, so daß, werai die säuerst off angereicherte ffiüssigkeit nur gering über Atmosphären·* druck expandiert wird, praktisch die Gesamtmenge flüssig und bei der Sättigungsteaperatur bleibt, die dem reduzierten Druck entspricht und dabei die in dets Kondensator-Verdampfer erforderliche Semperaturdifferenss bewirkt.

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BAD ORIGINAL*

wahrend der Dephlegmator schon Lingo bekannt ist» fand er keine weite Verbreitung in kleinen Anlagen. 3b ist bekannt, daß eine Apparatur von kleinem Volumen und dement sprechendrelativ großem Verhältnis von Obarflache au Volumen feine bessere Isolierung erfordert, um eine gegebene »lodrige Temperatur aufrechtzuerhalten,al3 dies bei einer Apparatur von größerem Volumen und kleineram Verhältnis vor. Oberfläche su Volumen der Pail ist. Als der Dephlegmator dae erste Hai eingeführt wurde, war die sur Verfügung stehende Isolierung sehr viel weniger wirksam als heute, und es beotend kein Bedürfnis für genügend große Einheiten, die auf die gewünschte niedrige Temperatur gekühlt worden konnten.

Obwohl der Proaentgehalt an Sauerstoff, der in säuerstoff angereicherter Luft mit Hilfe des Jlondensator-Verd&upfers gewonnen werden kann, ausgezeichnet but Verwendung des Produktes beim Schneisen von Eisen oder für ähnliche Zwecke geeignet ist, war das Verfahren bisher kommerziell noch nicht v.irt schaffe lieh wegen des Fehlens eines XUhlsystems, das der Verwendung mit dem Kondensator-Verdampfer geeignet angepaßt war.

Sas hauptsächliche Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer mit Sauerstoff angereicherten loft mit Hilfe eines fortschrittlichen Verfahrens» bei dem die Produktionskosten vermindert sind.

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BAD ORIGINAL

Ein weiteres Ziel der Erfindung 1st die Verwendung eines Kondensator-Verdampfers bei der Herstellung von rait Sauerat off angereicherter Luft in einer bisher nicht bekannten Weise.

Ein Merkmal der Erfindung ist ein epeaioll angeordnetes Ktihleyetem unter Ausnutzung der mäßigen Eorapreeuion des einfließenden Luftströmet das sowohl in der säuerstoff angereicherten Flüssigkeit als auch in Stickatoffabfluß beruht, um den zufließenden Luftstrom auf die Sättigungstavperatur herunterzubringen und die sauerstoffsngereicherte flüssigkeit auf eine Temperatur su unterkühlen, die für das gewünschte Partialkondeneationsverfahren günstig ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung einer sur Erläuterung gegebenen Ausführungsform der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.

Pigur 1 stellt ein !fließschema oder achematisches Diagramm einer erfindungsgemäfien Ausführungeform dar und Pigur 2 gibt ein Temperatur-Enthalpiodiagraam wieder, das für das in figur 1 erläuterte Verfahren typisch ist«

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BAD ORIGWAt

In Figur 1 wird diu zufließende Luft durch ein Staubfilter 10 geführt, auf etwa 2,4 atm«abs. alt Hilfe einee Eompreeaore 11 komprimiert, in einem Nachkühler 12 gekühlt und dann Iu ewei Regeneratoren 13 und 14 einer Reihe von vier Regeneratoren 13 bis 16 geleitet. Die Luft wird in den Regeneratoren auf annähernd Süttigungotemperatur gekühlt über sine Wärrceaustauschbezlehung mit den kalten abgehenden Produkten, eile durch die restliche!·. Regeneratoren 15 und 16 geleitet wenden. Sie Charakter ist lira der abgehenden Produkte werden weiter unten beechrieban_r wobei Im Monant die 3'eat st ellung genügt, daß sauerstoffangereiohorte Luft und praktisch reiner gasförmiger Stickstoff die Endprodukte darstellen. Die Strukturoinzelheiten und die Arbeitsweise der Regeneratoren sind dem Fachmann gut bekannt, weshalb eine nfthere Beschreibung derselben unnötig 1st. R~ genügt die Feststellung» daß die Regeneratoren die Luft von annähernd 300° Kelvin bis aur Sättigung bei etwa 90° Kelvin abkühlen. Um Wasserdampf und Kohlendioxid von der einfließenden Luft su entfernen, sind die Regeneratoren in bekannter Weise mit Hilfe nlehtgeseigter Hilfsoittel in geeigneten Abständen ^e"<rerslert.

Aus den Regeneratoren wird die komprimierte und gekühlte Luft in den Kondensator-7erdampfer 13 durch Zuleitung 17 geführt.

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BAD ORIGINAL

Eine von George Claude entworfene und von ihm Dephlegmator genannte Modifikation des klassischen Kondenaator-Yerdaapfere 1st in Figur 1 erläutert. iiie kombiniert Kondeneatloxisteile 19, die aus Rtfftrenbiinöeln bestehen, und Yerdacapiimgateilo 20. Der Barne Kondensatiüna-V©rdaap£or wurde für den Dephlegmator aus offensichtlichen örUnden gewählt. Die erläuterte Anordnung besteht aus einoQ CtohiUie» 25 alt inneren Sndplatten 26 ucd 27« die dem Röhrenbündel 19 einen festen Halt geben. Vie geneigt, sind die Röhren zum oberen Bade 30 und au» unteren Ende 31 der Anordnung offen. Eine geeignete Zahl von in Querrichtung angebrachten Zwiocheni/ändeti oder Böden 32 sind in der Vorrichtung ß'vischon den Röhren befestigt. Die Böden kontrollieren den j?luß der verdampften Flüssigkeit und verhindern die Bildung einer 3?lÜ8oigkeitsansaomlung von gleichmäßiger Zu-eamiaenaeteung, wie weiter unten ausführlicher baschrieban wird.

Kalte Luft wird bei Sättigungstetäperatur und annähernd 2,4 ata.abs. Druck in den Sondensator bei öffnung 35 eingeführt. Diese luft strömt nach oben durch die Röhren 19, wo sie teilveiae kondensiert und reJctifleiert wird« Praktisch reines Stiokstoffgas verl&St das Kopfende bei 36 und eine an Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit bildet eine Ansammlung im unteren Ende 31. Annähernd 50 £ der Luft werden bu einer Plüseigkelt kondensiert, die etwa 42 MoI-^ Sauerstoff enthalt.

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BAD ORIGINAL'

Die i'lüßß.l iLiöit wird r b&esogen durch, öine Leitung 37 und eiae Reiiiö tgb WUnneauataujokaro 40, 41 und 43 geleitet. Die fieitung 36 führt «tee prairfciech re^Jie abfließende Stickstoffgas in öaa kalta Ende des ersten Wärmeaustauschers und dient dazu, die sauerstoffangereicherte Plticsfcigkeit durch einoa ersten Verie>hr«3nesoferitt £5U iinterkülilen. Das Stickstoffgae wird iuen in oin«m lu^bo- Esponäar 50 entspannt wodurch ε eine !FeEper&fur abfällt, und ee wird dann in das kalte Sndo dos zvei'nm ^:. itruieEUDtaucchoro 41 UberiXOirt, wo β3 die 3au3retoJr.f3.nga3?oioherte Plüßaigkelt weiter unterkühlt. Bas Öas wi3:d claim erocjut expandiert in einem Turbo-ßspander und in dao kalte Ende de» Wärmeaustauschera -\2 üborführt» in deo dia lage^a.loiierte PMsaiglceit y/eiter unterkühlt wird. Ein-3 Leitung 32 führt denn das praktiüch. reins Stiohstoffgas in den Regenerator Ί6. vo qb auf Ut^ebun&utetsper&tur durch indirekten WiirKa'-iuatauach rait der in den fie^ciioratoren 13 und 14 einströmenden luft aufgowürat wird.

Aus den Värasauntauschern 42 v/ird die angereicherte Plüssigke in eine Piltrierrorrichtung 55 geführt, die mit Silicagel oder IhnlisheiB Material, das Lur Absorption τοη Acetylen und anderen gefährlichen Kohlenvasarrstoffen geeignet ist, gefüllt sein kanne Die Plüae:!.gkait wird dann durch ein Expansions- oder Drosselventil 56 geleitet, und die entstandene Flüssigkeit

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BAD OßiÖINAL

von iurmßhgrnLÖ. •itJvÄ.fcmoeivliii'ceii. wird clurofc eine Jjoitu»,··; 57 in deß cbarsucm F.ctkm ömb /evcmupforteiln 'Mn VerdiiKpfe'ts 18 g r-ietikct. BI3 Plü«ni_t-;keit !-,'I'lnt vom öl Hoden aiii* &aa ML.ehatstt liiiiiaattOK uiifi vos/Arinipfi· nc.Ui JI.*w?b»

19» 5ie S'.xs iM\:-'ei;e.iegex«iü kΐίπ;>ϊ?3.οι5.ο:ι·ί;β luit aai;l.'a Venn «3SliXießlJ.ch Sie garaiste FHioelgkeit ^r^dampi.;; i«t_c tritt cias iiiiuerötü^raisijßi^iie^iirta ßt.et bei. !53 ona«. Mecem aauerotofitßße:.^:oi.chsrtii GiUi vi3.'a tnsm i.V. Rogira^-aritor 1^l> erwfipiat iinfi dem Verb:?ßUoli0r |-,«15-3fti?t_? 1 it odor ohao Yiii?düaa-3B ciit Luit, um (ien nti&gUlti^oxi L'nv ^:ii?atofi'seiuil^ e.iM'-UHfc

oißt oi*?,Q iiaib.e von-'X»Qi]£o.%tu?.*if63?t3n nil teR Pnnkt.Gia iüi e-Lnsia eus Kr laut «rung tlieneiu'ieu

iVftitar;. Bit· Asxgabösi. in dei.» Sabolle hRBie»}?©n taxi Wortoiv: I'2Uv=k dor dom ΚοΜβηβενϋα? augeililirtee. luft 2,4 &ϊ7ΐ.ε^Β*ϊ Hsvuotk &Ά Auslaß dos FantiXe 5C 1,3 etai.; riieß£^8ehwi&dif£ciit de:? luft; duseb Konpijassor 11s 1' 770 000 l/llX&c '"62 600 stasidard oubio ioet per minute} ? Plieflgescli,wJ.Eidii;:vjaiii; des oattOE3tofftmgerv3io'iiö2rfcen Abetrone: 865 000 l/Misv« (31 300 aefoh FließgöGeliwindigkeit dee Sti.ck otoffabetroöi* ϊ 035 QOO 1/iiin. (31 300 oofs (bei 50 $ Kondensation)).

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BAD ORIGINAL

!Tabelle I Stelle

Einlaß au den Regeneratoren 13, 14 Einlaß zum Kondensator, Leitung 35

Einlaß zum warnen Ende des Austausohers 40

Einlaß zum wärmen Ende den Austausohers 41

Einlaß zum warnen Ende dee Austauschers 42

Auslaß as kalten Ende des Austauschers 42

Auslaß an Ventil 56

säuerstoff angereicherter Dampf, Leitung 58

säueretoff angereicherter Dampf aus Regenerator 15

Stickstoff abatrom Einlaß zum üCurblnenexpander 50 Auslaß aus Expander 50 Einlaß zum Expander 51 Auslaß auf Expander 51

Auelaß aus dem warmen Ende des Austauschers 42

Stickstoff dampf aus Regenorator 16

In der letzten Spalte der !Tabelle Z sind die Teaperaturwert· aufgeschlüsselt auf eine Anzahl von Bezugspunkten in eine« typischen Xemperatur-Enthalpiediagramm, das in figur 2 wiedergegeben wird·

!Temperatur Bezugspunkt der	Piffur 2
⁰KeIrIn
300	103
90	108
89,8	107
88,7	118
86,3	123
84,4	128
83,3	130
87,2
299	101
86,7	110
88,8	115
83,2	116
87,7	121
61,6	124
85,3
299

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Sie Erwägungen in Besag auf Kühlung für dae in figur 1 gezeigte System werden im folgenden unter Bezugnahme auf Tabelle I und figur 2 beschrieben. Sa die absoluten Werte der in frage kommenden Enthalpie nicht wichtig sind, so weit es sich um die Temperaturänderungen in dem Kühlsystem handelt» sind auf der Abszisse des Diagramms relative und nicht absolute Enthalpiewerte aufgetragen. Sie Ordinaten beselohnen die Temperaturen in ° Kelvin.

Ser in dem Beispiel erforderliche Druck des einfließenden luft ströme von 2,4 Atmosphären vdrd von den folgenden Überlegungen bestimmt außer τοη den üblichen Erfordernissen, daß im Verdampfer genügend Druck vorhanden sein muß, um das verdampfte säuerst off reiche Produkt duroh den Regenerator 15 su befördern und daß genügend Druck im Ausfluß des Expanders 51 vorliegen muß, den expandierten Stickstoffabfluß durch den Wärme-= austauscher 42 und den Regenerator 16 su bewegen. In beiden fällen stellen etwa 1,3 Atmosphären einen typischen geeigneten/ Wert für den Niederdruck dar.

Die entspannte säuerstoffreiche flüssigkeit in Leitung 57 wird auf den obersten Boden des Verdampfers bei dem in dem Beispiel angegebenen niedrigen Druck von 1,3 Atmosphären geleitet. Sie flüssigkeit rinnt von Boden au Boden nach unten, siedet dabei

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und ändert ihre Zusammensetzung τοη Boden «u Boden. Während sie mit einer Zusammensetzung von etwa 42 f> Sauerstoff und 58 i Stickstoff eintritt, hat dor letzte vom untersten Boden verdampfende Tropfen eine Zusammensetzung von etwa 72 ί> Sauerstoff und 28 $ Stickstoff. Der Siedepunkt des Gemisches variiert von etwa 83,3° am Kopfende des Kondensators bis zu etwa 8712° am unteren Ende. Diene Temperaturen sind an don Punkten 128 bzw. 130 in Figur 2 wiedergegeben» und die Wärmekurve 104 für den Verdampfer ist praktisch eine gerade Linie zwischen diesen beiden Punkten.

um einen Würmefluß vom Kondensator sum Verdampfer zu erzielen, muß der Kondensator an allen Punkten längs der Höhe des Dephlegmators eine höhere Temperatur als der Verdampfer aufweisen. In einem Dephlegmator von geeigneten Ausmaßen ist eine Temperaturdlfferens von etwa 2,8° am unteren oder warmen finde ausreichend. Dies bestimmt die Temperatur des einfließenden LuftStroms zu 90°, was bei Punkt 103 angezeigt ist. Die KUhlkurve für den Kondensator ist typisoherweise eine praktisch gerade Linie 102 von etwas geringerer Steilheit als die Wärmelinie 104 und bestimmt die Temperatur des Stickstof fabflusses am Kopfende des Kondensators zu 86,7°» was durch Punkt 101 wiedergegeben wird, und ergibt eine Temperaturdifferenz von etwa 3,4° am oberen Ende des Kondensators.

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Um die Sattigungetemperatur der einströmenden Luft auf 90° zu erhöhen, beträgt der erforderliche Brück etwa 2,4 Atmosphären, wie er In dem Beispiel angewandt wird. Die zufließende Luft wird daher auf dienen Druck komprimiert.

Die Kühlkurve für die sauerstoffreiche Flüssigkeit, die durch die Wärmeaustauscher 40_f 41 und 42 strömt, stellt typischerv/eise eine praktisch gerade Linie dar, wie sie bei 100 wiedergegeben wird. Da die Enthalpieskala In der Figur willkürlich gewählt wurde, ist die Steilheit der Linie 100 für die vorliegenden Zwecke ebenfalls willkürlich* Die Wärmekurve für das Stickst of fauafluß-Kühltnitt el in den Wärmeaustauschern 40, 41 und 42 stellt typischerweise eine ebenfalls praktisch gerade Linie dar, wie bei 106 gezeigt wird. Während die Heigung der Linie 106 in der 3?ißur ebenfalls willkürlich ist, steht fest , daß die Neigung der Linie 106 steller ist als die der Linie 100, wie in der figur gezeigt wird. Da der Stickstoffabflufl rom Kopfende des Kondensators in das kalte Ende des Wärmeaustauschers 40, wie bei Funkt 101 angegeben, eintritt, muß die Linie 106 durch den Punkt 101 laufen, wie gezeigt wird.

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Sie Temperatur, nämlioh 89,8°, der eauerstoffreichen Flüssigkeit, die sich am Boden des Kondensator« sammelt, iet etwas niedriger ale die suströmende Luft. Unter der Annähmet daß ein Temperaturgefälle von einem Grad am warmen Ende dee Wärmeaustauschers 40 notwendig iat, wird dae obere Ende der Linie 106 bei Funkt 110 bestimmt, nämlich bei der Temperatur von 88,8°. Ein Grad über Punkt 110, beim selben Enthalpiewert E₂, befindet sieh Punkt 108, der die sauerstoffreiche Flüssigkeit wiedergibt, die den Kondensator-Verdampfer in Leitung 37 verläßt und in das warme Ende des Wärmeaustauschers eintritt.

Wegen der Neigungeunterschiede der Linien 100 und 106 ist es offensichtlich, daß die Temperaturabweichung am kalten Ende des Wärmeaustauschers 42 su groß sein würde, wenn versucht würde, die säuerstoffreiche Flüssigkeit um 5 bis 10° su unterkühlen, ohne besondere VoreichtemaBnahmen su ergreifen. Außerdem würde gefunden, daß im Üblichen Falle der Stickstoff -abtrom kondensieren würde, bevor er genügend gekühlt werden könnte, um dem kalten Ende des Wärmeaustauschers 42 zugeführt su werden. Sie Austauscher 40, 41 und 42 können daher nicht kombiniert werden in einen einsigen Austauscher, obwohl swel ausreichend sein könnten.

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Statt dessen wird daher der Stickstoffabstrom, der aus dem Kopfende des Sondensatore bei 86,7° kommt, dem kalten Ende des Wärmeaustauschers 40 bei Funlct 101 zugeführt und darin auf 88,8° erwärmt, wie bei Punkt 110 gezeigt ist. Die Enthalpie bei Punkt 101 ist mit E, bezeichnet, und dieser Enthalpiewert, der eine Tertikaie Linie darstellt» die die Linie 100 bei Punkt 107 unterteilt» bestimmt die Temperatur, nämlich 88,7°» am kalben Ende des Wärmeaustauschers 40 und ebenso am warmen Ende des Wärmeaustauschers 41. Die Temperatur, nämlich 87»7°» dee Stickstof fab stronas, der das warme Ende des Wärmeaustauschers 41 vorläßt, wird bei Punkt 116 angegeben» und sie wird einen Gxad niedriger gewählt als die säuerstof freiohe Flüssigkeit, die in den Austauscher eintritt·

Der gesamte Druckabfall in den Turbo-Expandern 50 und 51 wird vorzugsweise in zwei Expander in geometrischen Anteilen unterteilt, nämlich von 2,4 auf etwa 1,77 Atmosphären in Expander und anschließend von 1,77 bis 1,5 Atmosphären in Expander 51«

Der Druckabfall des Stickstoffabstrome im Turbinen-Expander 50 von 2,4 Atmosphären auf etwa 1,77 Atmosphären wird durch eint unterbrochene vertikale Linie 112, ausgehend vom Punkt 110, wiedergegeben, wobei dieser Druckabfall den Stickstoff abetroe auf etwa 83,2° am Einlaß in das kalte JEnde de« Wärmeaustauschers 41 abkühlt. Die Wärmelinie 114 fflr den Stickstoffabstro·

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im Wärmeaustauscher 41 ist praktisch parallel aur Linie 106. Die Linie 114 hat ihr oberes Ende bei Funkt 116 und ihr unterer Endpunkt 115 wird durch die Unterteilung der Linie mit der Temperaturllnie für 83#2° bestimmt.

Der Punkt 115 definiert einen Enthalpiewert B^. Die vertikale Linie durch diesen Funkt, die die Linie 100 bei Funkt 118 unterteilt, bestimmt die temperatur von etwa 86,3° der säuerst of freichen Flüssigkeit, die dae kalte Ende des WaTiBe" austau.BOhers 41 verläßt und in das warme Ende des Wärmeaustauschers 42 eintritt. Der Enthalpiewert E* bestirnt auch die Lage des Punktes 124, der einen Grad unter Funkt 118, bei einer !Temperatur von 85,3°_f gewählt wird.

Der Druckabfall des Sticketoff abströme im Turbinen-Expander von etwa 1,77 Atmosphären auf etwa 1,3 Atmosphären wird durch eine unterbrochene vertikale Linie 120, auegehend von Funkt 116, wiedergegeben, die angibt, daß der Stickstoffabstrom auf etwa 81,6° gekühlt wird. Die Wärmelinie 122 für den Wärmeaustauscher 42 läuft praktisch parallel zu den Linien 106 und 114 und hat ihr oberes Ende beim Punkt 124 und ihr unterer Endpunkt 121 wird durch die Unterteilung der .Linie 122 durch die Temperaturlinie for 81,6° bestirnt.

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BAD

Der erwärmte Sticket off abet rom, der das wanne Ende des Wärmeaustauscher ο 42 verläßt, wird «um Regenerator 16 geführt, um beim Verfahren weiter erwärmt eu werden, indem seine rest liehe Ktib.lv/irkung auf den auf ließenden Luftstrom übertragen wird, wie schematisch durch einen Pfeil 125 angezeigt wird.

Der Punkt 121 bestimmt den Enthe.lpiewert E₅, der wiederum die Temperatur von 84,4° der säueretoffreichen Flüssigkeit festlegt, die o.n.ß kalte Ende de» Wärmeaustauschers 42 verläßt, wie bei Punkt 123 angeeeigt ist. Diese flüssigkeit, die sich noch immer auf etwa 2,4 Atmosphären befindet, kann weite:.? gekühlt werden, s.B. durch Droseelentspannung in Ventil 56, vie schematise!! durch eine unterbrochene vertikale Linie 127 angezeigt wird, auf eine Temperatur von 83,3°· Diese expandierte !flüssigkeit wird de» kalten Ende des Verdampfers angeführt, vie bei Punkt 128 angegeben, und ist ausreichend kalt, us die gewünschte partielle Kondensation der Luft in dem Kondensator au bewirken. Die säuerstoffreiche flüssigkeit, die in dem Vordampfer verdampft wird, wird, wie durch die Linie 104 angezeigt, auf eine Temperatur von etwa 87,2° erwärm*«* wie bei Punkt 130 angecei.gt, und dem Regenerator 15 sum weiteren Er/armen zugeführt, wie sohematlsch durch einen Pfeil 130 angesaigt, wobei der Dampf das gewünschte Produkt des erläuterten Verfahrens bildet.

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WUhrai.d ein Arbeitedmok von 2,4 atm.abs. im Kondensatorteil cIgq KenÄeneator~Yerdarapfe:ca angegeben wurde und einen bevorzugten Wert (laratellt, Ißt ein Druckbereich von etwa 2 bis 3 Atme ephüron anwendbar in Abhängigkeit von Faktoren wie Druckabfall in den Wärmeaustauschern 13 und 14 und den Tempera' turgre dienten zwischen ilen Wärmeüberftthrungsoberflächen dee Kondor,sator-Yerdampfera. Je niedriger der Druck, umso größer nind die erforderlichen Wärmeaustauscher und Kondeneator-Yorflarirfer, was zuv Pc-Igo hct, daß die Kapitalinvestierung in die= Anlage erhöht wird. Je höher andererseits der Druck lot, iKGo mehr- Energie ißt erforderlich, um die Kompressoren su bntreiben. In Übernipfitit-rnttafc Bit diesen allgemeinen Richtlinier, wird de:? niedrigst* .DruoK bovorssugt.

ein Druck von otwa 1,3 atm.abs. Ι© Verdampferteil ties Ecindenoator-Teröampfoya angcgeben wurde, ist dieser Wert nicht kritisch. Der Brück kann beliebig niedrig sein, wenn er nur ausreicht, ura die Produkte durch und aus deui System heraus su befördern.

Der Sauerstoffgehalt des angereicherten Luftproduktes variiert etwas mit dem Arbeitsdruck des Eondensators und reicht von et\;a /3 # bei 2 Atmosphären bis zu 41 # bei 3 Atmosphären.

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BAD ORIGINAL

Über fien gesamten Sruckberaioh wird im allgemeinen bevorzugt, den Kondensator-Verdampfer so ainsustellen, daß etwa 50 $> des IiuftotroniB kondensiert werden»

für dj.e Expansion des Stickstoff abet rorns wurde eine Arbeiteexpansion wie in den Turbo-Expandern 50 und 51 angegeben und weniger eine Y&ntilentspannung wie in einem Proeselventil, um eine genügende Kühlung su erzielen und das Verfahren im Laufen au halten. Im allgemeinen ist es nicht nöglich» an diesem Punkt Arbeitsorpanaion durch Yentilexpansion ssu ersetzen, da ein derartiger Ersata eine BUsÄtaliohe Eühleinheit erfordern würde.

Während eine zur Erläuterung dienende form der Apparatur und Methode gemäß vorliegender Erfindung beschrieben und gezeigt wurde, ist offensichtlich, daß zahlreiche Änderungen durchgeführt werden können, ohne die allgemeinen Prinzipien und den Rahmen der Erfindung su verlassen·

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung «ur Herstellung von alt Sauerstoff angnreioherter Luft, gokennssalehnet durch in Kombination miteinander vorhandene Mittel zum Komprimieren eines sugeftthrten Luftstroms auf einen Druck la Bereich yon etwa 2 bis 3 atm»abs„, einen Kandensations-Terdampfer aiui einem Kondensatorfceil in indirekter WMrmoauötauechbeaiehunf; mit einem Verdampf erteil, wobei'der Kondensationsteil so eingestellt 1st, um etwa 50 'ß> eines suströmenden, annähernd gesättigten Loft ströme zn kondensieren und diesen zu rektifizieren unter Mldimg einer sauerstoffangereicherten Flüssigkeit von etwa 41 bis 43 $> Sauerstoffgehalt und eines Stiolorlioffabströme von hoher Reinheit! und woboi der Terdampferteil so eiJigsstellLt 1st, um praktisch den geoanten sauerstoffanger«ioherten Plttesigkeltsauffetoß deo Xondensationsteils su verdampfen» Mittel sum Kühlen das Abströme aus dem Kompressor auf etwa. Stttti£ungstemp«ratur und Leiten desselben bub Kondoiiaationsteil des Kondeneatorverdampfers als dessen 3e8chickun£8Strom₉ Mittel sum Unterkühlen des sauerstoffengereioherten flüsslgkeitsausstoeaes ans dem Kondenßationateil In swei öler mehreren Stufen, Mittel sum Expandieren des unterkühlten Materials auf einen relativ niedrigen Druck, der ausreicht, um die Produkte durch das System su befördern, Mittel sum Leiten des expandierten Materials in den Einlaß des Ver-

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daapfungsteils, Mittel, um den Stickstoffahfluß aus dem Kondeneationsteil In indirekte WärmeaustauochbeZiehung mit dor sauerstoff angereicherton JPlussigfcoit in einer ersten Unter» kühlungsetufe eu bringen, Mittel, um den die erste Unterkühlungößfcufe verlassenden Sticksfcoffßbfluß einer Arbeitsen« pension eu unterwerfen, Mittel, uia das arbeit»entspannte Material in indirekt« Iffirεoaiiatau acherbaaieliuni; »it der eauar

n Iltißeigkeit i:a einer sweitan Unterktihlu^ κ\λ bringen? Mt toi» um den ao entspannten Sticket off abfluB su den Tox-ücic&tungen ssu beföcdern, die den sufliofiandaa Lurtßt^offi Müllen und. einen Seil dar Ktthlung daratellea, und MIttel» um das verdampfte oacieristoffanipereioherte Haterial asid tobei bist XUhlung dee eu.tließenden luftetrciss

2» Vorriefetimg asch Anspruch 1, gekennseiehnet durch Mittel, Λο·ι die s^itc ITiitörldlhXimgßstufe verlassenden Stickstoff»

einer Arbaitßexpanaion εη unterwerfen ,und lütt el, cm das a.vd. ttiesa VJeise arbeitsexpandierte Haterial in indirekte WärrsQatißtauBiiiibsElehung si1; der saueretoffangereicherten Plüssigkeit in einer dritten Unierkühlungsotufa zu bringen«

3· Tori ioht!mg jiacb. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Mittel z\xm Koispritsieren des zufließenden Luftstroaa eit.en

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Druck von praktisoh 2,4 atm.abs. im Kondensationeteil des Kondenoations-Verdampfera bewirken und daß die gebildete sauersbOffangereioherte Flüssigkeit einen Sauerstoffgehalt von annähernd 42 # aufweist..

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad der Druck der expandierten sauerstoff angereicherten Plüssigkeitebeschickung für den VerctaKpi auge teil des Kondensations-Yerdaapfere praktisch 1,3 atm.abci. beträgt.

5. Verfahren «ur Herstellung vc>n sauerstoff angereicherter Luft ir.it etwa 41 bis 43 Mol-56 Sauerstoffgehalt, dadurch gekennseiohnat, daB man praktisch 50 Hol-j6 eines ia wesentlichen gesättigten TerfahreneluftstrcuiB bei eine« ^Druck von etwa 2 bis 4 atm.abs. kondensiert unter Bildung eines Kondensats durch i-ndirekten Wärmeaustausch Bit einem verdampfenden Stroa aus den Sondensat bei einem relativ niedrigen Druck, der aus* reicht„ um das verdampfte Zondeneat durch die nachfolgenden Terfahrensstufen zu. befördern, des Kondensat vor dem 7erdampfuzigsschritt durch indirektes. Värmeaustausoh «wischen dem Kondensat und unkondensiert ob Material, das aus de« Vtrfohrensluftstros stammt» unterkühlt, und daß unterkühlte Kondensat auf den realtiv niedrigen Druck vor dem Verdampfen desselben expandiert.

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BAD ORIGfNAi

6, Verfahren, nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß man den teilweise kondensierten Luftstrom sum Verdampfen praktlaoh der Qeeamtmengo dee Verdaiapfungsstroms des Kondensate verwendet.

7· Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aan. das Unterkühlen, durch abwechselndes Erwärmen des unkondensierten Materials in indirekter Wäraeaustausohbesiehung mit den Kondensat und Suhlen des nichtkondensierten Materials durch Ar be it ß expansion, bewirkt.

8. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß man den luft strom auf einen Druck von praktisch 2,4 ata. abs. komprimiert, wodurch der Sauerstoffgehalt der säuerstoff angereicherten Luft auf praktisch 42 Hol-j6 festgelegt ist.

9· Verfahren sur Herstellung -son mit Sauerstoff angereicherter Luft auf einen Saueret offge&alt τοη etwa 41 bis 45 Mol-9&, dadurch gekennzeichnet, daS man einen Luftstrom auf einen Druck von etwa 2 bis 4 ata.abs. koaprisiert, den komprimierten LuftstroB praktisch auf Sattlgusgsteaperatur kühlt» praktisch 50 Hol-j£ des gekühlten Strom» kondensiert» den suflieeendeA Teil des gekühlten Stroms mit dem gebildeten Kondensat kontaktiert und dabei ein annäherndes Gleichgewicht swieohen dem suflieJea-

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den Strom und den Kondensat einstellt, wobei der Sauerstoffgehalt von 41 bis 43 Mol-# vorbaut iamt wird» das Kondensat duroh indirekten Wärmeaustausch ait dem unkondensierten Seil des Lu-ftströme unterkühlt» das unterkühlte Kondensat auf einen relativ niedrigen Druck entspannt» der ausreicht» un das entspannte Material duroh die nachfolgenden Verfahreneschritte su befördern, das expandierte Kondensat duroh indirekt on Wärmeaustausch nit dem kondensierten Material verdampft und den niohtkondenslerten Seil des luftatrooe nach Gebrauch in der Uhterkühlungsstufe zusammen mit dem verdampften Kondensat rervendot» un die Kühlung des zufließenden koBpriuierten Luftstroae su bewirken.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet» daß Ban die Unterkühlung dutch abweoheelndes Erwärmen des unkondensierten Haterials in indirekter WUrmeaustauschbesishung mit dem Kondensat und Kühlung des unkondensierten Materials durch Arbeitsexpansion bewirkt.

11. Verfahren nach Ansproob 9» dadaroh gekennzeichnet, daß man den luftstrom auf einen Druck von praktisch 2,4 atm.abs. komprimiert und dabei den Sauerstoffgehalt der saueretoffan- .gereicherten Luft auf praktisch 42 Mol-jt festlegt.

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BAD ORfQtNAL

12. Kühlsystem i'ür einen ftaphlegmator, gekennzeichnet durch in Kombination vorliegendem Mittel ssma Komprimieren eines Slarlaßluftetronic ittr den Dephlegmator air? einen relativ hüheren[ Druck von 2 bio 4· atm.abs., wobei der Strom partiell konden« siert werden kann auf »ine auoroiehexuL hohe Temperatur,, üb ein Kondensat en bilden äuroh indirelrten Wärmeaustausch mit einen imterkühlton Strom dos Konilens&ts bei einem relativ niedrigen Druck, tlor ausreicht; um daß Kondensat durch die Verfahr&nsstufen ssu befördert Mittel suui überführen des kosprimierten !«ftstroos zum Kondenrmtionsteil des Dephlegmator₉ Mittel sum Unterktthlen des Konäsneatötrocöß durch KühlmöglichxuaJion, die in dem niclitkoivioiifl". iirfceii Hatorial aus dam Luft» et sob. bei dem relativ höher an Drack vorh?»nuen sind_t Mittel sub Exp&ndieren des unterkiLil^on Stroms auf den rnl&tlv niodrigen Druck, v/ohoi der TZnocsrkuhlto Streu- weiter gekühlt wird auf eine Temperatur« die praktisch anter der niedrigsten Temperatur iti Konciaiieationßtoil des Dephlegaators liegt durch Kühlmöglichkeiten, die in das Kondensat bei dem rel&tiv höheren Druck vorhanden sind, and Mttiel sum Überführen des entspannten Stroms hu dem Verdampferteil des Dephlegmator_t t» diesen su verdampfen·

15· Kühlsystem nach Anspruch 12, daduroh gekennzeichnet, daß der relativ höhere Druck praktisch 2,4 atm·abs. betragt.

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BAD OBiGINAt

14. Verfahren sum Kühlen eines Dephlegmator, dadurch gekenn- * zeichnet, daß man den Elnlaßluftstrom für den Dephlegaator auf einen Druck von 2 bis 4 atm.abs. komprimiert, einen Kondeneatstroo aus den !Dephlegmator unterkühlt unter Verwendung einer Kühlung, die in d_tee nichtkondenaierten Abstrom aue den KondenBfttionatQ.il des Sephlegis&tors bei diese« Druok JLa indirekter Wäraeauntaußchbealehung nit dem Kondensat enthalten ist» und den unterkühlten KondensatstroB weiter kühlt durch Entspannen desselben auf einen niedrigeren Druck, der ausreicht» um den StrojB durch die Yerfahrensstufen au befördern.

15« Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daS wan den Einlaßluitotrom auf einen Druck von praktisch 2,4 ata.abs. kosprieiert.

16. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daß man die Terf&hrensetufä der Unterkühlung durch abwechselndes Erviärcien dos nichtkondensierten Materials und Arbeltsexpansion desselben bewirkt und dabei Kondensation des bis dahin unkondensiert en Materials verhindert.

17* Verfahren und Torrichtung praktisch wie gegeigt und beschrieben.

18. Mit Sauerstoff aiigeraiaherte !Luft gemüß vorliegender

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