DE169564C

DE169564C -

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Publication number: DE169564C
Application number: DE1900169564D
Authority: DE
Filing date: 1900-02-05
Anticipated expiration: 1920-02-06

Description

KAISERLICHES'

PATENTAMT.

Man hat bereits flüssige Luft in ihre Bestandteile dadurch zerlegt, daß man die flüssige Luft mit atmosphärischer Luft beheizte, die bis nahe zu ihrem Verflüssigungs-' punkt abgekühlt ist.

Bisher wurden zur Ausführung dieses Verfahrens Einrichtungen, bestehend aus einer Anzahl gleichzeitig wirkender Apparate, verwendet, von denen ein. Teil zur kontinuierlichen Herstellung der flüssigen Luft bestimmt ist und der andere Teil die Destillation der erhaltenen flüssigen Luft zu bewirken hat. Bei allen bekannten Ausführungsformen des genannten Verfahrens begegnet man folgenden charakte-

ig ristischen Merkmalen:

ι. Es ist ein einziger Kreislauf der Luft vorgesehen, hervorgerufen durch Kompressoren von ioo bis 200 Atm. Betriebsdruck.

2. Die in einem Apparat der Destillation unterworfene Luft stammt immer von derjenigen flüssigen Luft, die aus einem einzigen Drosselventil austritt.

3. Die Luft, welche die Schlangenrohre in den Destillationsapparaten durchzieht, ist immer auf die höchsten Drucke komprimiert, die zu ihrer Verflüssigung durch Expansion erforderlich sind.

Diese drei Merkmale stellen sich als wesentliche Mängel dar, denn sie haben große wirtschaftliche Lasten im Gefolge, indem sie dazu zwingen, die gesamte in die Kom-

... pressoren eingeführte; Luft auf den höchsten Druck des Kreislaufes zu komprimieren.
Das den Gegenstand der vorliegenden Er-

findyhg bildende Verfahren weicht hiervon ,vollständig ab.

Das Wesen dieser Erfindung; besteht 'däfitij;. daß man einen Strom flüssiger:. Luft neben _:/ der zu verflüssigenden Luft hinfließen läßt und die-letztere nur auf einen Druck von weniger als 20 Atm. komprimiert. Um die .durch.. :die Unvollkommenheiten des Apparates bedingten Kälteverluste zu decken, wird dem Apparat von Zeit zu Zeit etwas flüssige Luft zugeführt, die auf beliebige Weise gewonnen sein kann.

Bei Einleitung des Verfahrens wird von einer auf irgend .eine Weise gewonnenen gewissen Menge":;-flüssiger Luft ausgegangen.

Versuche haben gezeigt, daß die flüssige, Stickstoff und. Sauerstoff im gewöhnlichen Verhältnis enthaltende Luft, der reine flüssige Stickstoff und der reine flüssige Sauerstoff verschiedene Siedepunkte haben. Die Verflüchtigutigspunkte des reinen flüssigen Stickstoffes und der flüssigen atmosphärischen Luft liegen sehr nahe beisammen. Der flüssige Sauerstoff siedet bei einer Temperatur, die ungefähr 13 ° höher liegt als die Siedetemperatur der atmosphärischen Luft. Diese Verschiedenheit in den Verflüchtigungseigenschaften der in Frage stehenden Flüssigkeiten erklärt es, daß, wenn man die flüssige Luft verdampfen läßt, die sich entwickelnden Gase in bezug auf ihre Zusammensetzung einer fortwährenden Veränderung unterworfen sind.

Bei Beginn der Destillation der flüssigen atmosphärischen Luft entwickeln sich zunächst sehr stickstoffreiche und sauerstoffarme Gase. Wenn die Destillation einige Zeit gedauert hat und die Flüssigkeit etwa

zur Hälfte verdampft ist, so sind die entweichenden Gase schon sauerstoffreicher und die Flüssigkeit siedet bei einer um 3 bis 4 ° höheren Temperatur als bei Beginn der Destillation. Ist endlich die Flüssigkeit bis etwa auf ein Viertel ihres ursprünglichen Volumens verdampft, so sind die aus der übrigbleibenden Flüssigkeit sich entwickelnden Gase sehr sauerstoffreich und stickstoffarm geworden. Die Siedetemperatur ist von Beginn bis zum Ende des Vorgangs allmählich um etwa 13 ° gestiegen.

Auf diesen physikalischen Tatsachen beruht das vorliegende Verfahren zur Trennung der Bestandteile der atmosphärischen Luft in einem wirtschaftlich rationellen und kontinuierlichen Gange. Dabei können die Ströme der flüssigen und zu verflüssigenden Luft gleich oder entgegengesetzt gerichtet sein. In dem schematisch dargestellten Apparat ist beispielsweise Gegenstrom gewählt. Eine metallene Rohrschlange W wird in eine Reihe von übereinander angeordneten wagerechten Schalen /, /', P, P... derart eingelegt, daß jeder wagerechte Teil dicht über dem Boden einer Schale liegt. Sie stellt ein durchgehendes Rohr ohne Ventil dar, dessen Durchmesser etwas kleiner als die Höhe der Schalenränder ist. Wenn man auf die oberste Schale / eine Flüssigkeit, wie z. B. flüssige Luft, gießt, so fließt diese von Schale zu Schale herunter, indem sie jede Schale vollständig anfüllt, bevor sie über deren oberen Rand nach der nächst tieferen Schale abfließt. Jeder wagerechte Teil der Rohrschlange W ist also dann vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht. Die Überläufe der Schalen werden, wie dargestellt, am besten wechselweise diametral angeordnet.

Sämtliche Schalen /, J¹,1², I³... sind säulenartig übereinander in vorzugsweise gleichen Abständen angeordnet. Sie sind an dem Mantel eines stehenden zylindrischen oder prismatischen Behälters G befestigt, der aus Metall oder aus Holz bestehen kann. Auf einer Seite des Behälters G läßt jede Schale einen Raum frei, durch welchen die Flüssigkeit und das Gas hindurchgehen können. Durch Senken von Schiebern oder Prellplatten Af¹, Af², Af³... derart, daß ihre wagerechten unteren Kanten in die Flüssigkeit eintauchen, kann ein Flüssigkeitsabschluß zwischen je zwei Schalen gebildet werden.

In der Zeichnung ist nur bei jeder zweiten Schale ein solcher Schieber vorgesehen, doch können auch die anderen Schalen mit Schiebern ausgestattet werden.

Das wagerechte Scharnier jedes Schiebers ist an der Stelle der Wandung des Behälters

befestigt, welche dem Überlauf der Schale gegenübersteht. Jeder Schieber Af¹, Af²... kann unabhängig von dem anderen bewegt werden. Wenn ein Schieber in die Flüssigkeit niedergesenkt ist, so daß seine Kante unter den Flüssigkeitsspiegel hinabreicht, so können die Gase nicht mehr widerstandslos von der unteren Schale zu der durch den Schieber abgeschlossenen Schale hinaufsteigen, ebenso können auch die in dieser Schale gebildeten Gase nicht ohne Widerstand nach der unteren Schale übergehen. Dieser Widerstand ist der Eintauchtiefe der Schieberkante unter dem Flüssigkeitsspiegel proportional. Demgegenüber wird, da die Flüssigkeit frei unter der wagerechten Kante des gesenkten Schiebers hindurchgehen kann, der von Schale zu Schale von oben nach unten erfolgende Abfluß der Flüssigkeit in dem Behälter in keiner Weise gehindert. Dieser Unterschied zwischen dem Abfluß der auf den Schalen gebildeten Gase und dem Abfluß der niederfallenden Flüssigkeit ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Einrichtung.

Die freien Enden der Schlange W am oberen und unteren Ende der Schalensäule sind je mit einem Ventil/ bezw. K ausgestattet.

Die Inbetriebsetzung des Apparates geschieht nach Auffüllung der Schalen /, I\ /², /³... mit flüssiger Luft in folgender Weise: go

Es wird atmosphärische Luft auf 2 bis 3 Atm. komprimiert und ihr auf irgend eine Weise der beigemengte Staub und Wasserdampf entzogen. In Austauschapparaten beliebiger Art wird die komprimierte Luft bis nahe zu ihrem Verflüssigungspunkte, d. h. bis zu einer zwischen — 170 und — 194,5° liegenden Temperatur abgekühlt. Diese Austauscher können beispielsweise aus Rohren, welche die komprimierte Luft von außen zuführen, und aus diese Rohre enthaltenden, die austretenden kalten Gase führenden Kanälen zusammengesetzt sein. Austauscher dieser Art sind allgemein bekannt; sie sind daher in der Zeichnung nicht dargestellt.

Die abgekühlte Luft gelangt von den Austauschern zu dem einen, z. B. unteren Ende der Rohrschlange; das Ventil K an. diesem Ende der Schlange ist geöffnet, während das am oberen Ende angeordnete Ventil J geschlossen ist.

Versuche haben ergeben, daß unter einem Druck von^2 bis 3 Atm. die gesamte atmosphärische Luft in der Schlange W sich verflüssigt. Außerdem schlägt sich die gesamte in dieser Luft enthaltene Kohlensäure in Form von feinem Kristallstaub in der in der Schlange gebildeten Flüssigkeit nieder.

Während sich in dieser Weise die Flüssigkeit in dem gesamten Innenraum der Schlange W bildet, findet ein Übergang beträchtlicher Wärmemengen vom Innern der Schlange,

wo sich die Flüssigkeit bildet, nach außen statt, wo sich die anfänglich eingeführte Flüssigkeitsmenge befindet. Man' sieht also, daß die Verflüssigung der Luft wie eine Wärmequelle wirkt, welche einen Teil der die Schlange W umgebenden flüssigen Luft zum Verdampfen bringt.

Da zwischen dem Sauerstoff und dem Stickstoff gar keine chemische Affinität besteht, so müßte theoretisch das Gewicht des mit der atmosphärischen Luft in den Apparat eintretenden gasförmigen Sauerstoffes gleich dem Gewicht des im Apparat sich entwickelnden Sauerstoffes sein, und das gleiche gilt auch vom Stickstoff. Denn es ist selbstverständlich, daß die bei der Verflüssigung eines bestimmten Gewichtes atmosphärischer Luft in der Rohrschlange W frei werdende Wärmemenge gleich sein muß der zur Verdampfung eines gleichen Gewichtes von Flüssigkeit außerhalb der Rohrschlange W verbrauchten Wärmemenge.

Es ist erforderlich, die dargestellten Vorgänge kontinuierlich zu gestalten, um eine kontinuierliche Trennung der Bestandteile der atmosphärischen Luft zu erhalten. Das Ventil J am oberen Ende der Rohrschlange wird zu diesem Zweck etwas geöffnet. Die unter dem Druck von 2 bis 3 Atm. stehende flüssige Luft in der Rohrschlange W fließt dann sofort ab; sie wird durch die Kohlensäurefilter L, L, welche die niedergeschlagene ' kristallinische Kohlensäure zurückhalten, auf die oberste Schale I geführt.

Die Kohlensäurefilter L, L können beliebig eingerichtet sein. Die flüssige Luft tritt vollkommen rein aus diesen Filtern aus und fällt in die obere Schale I der Säule zu der bereits darin befindlichen flüssigen Luft. Ein Teil der Flüssigkeit verdampft hier, der Rest fließt über den Überlauf in die nächste Schale/¹ ab, wo ein weiterer Teil abdestilliert. Von hier sinkt die Flüssigkeit kaskadenartig nacheinander bis zur untersten Schale 7" nieder, wo die Strömung aufhört, da die gesamte zuströmende Luft bis dahin verdampft sein muß.

Es ist festgestellt worden, daß sich in der obersten Schale beinahe reiner Stickstoff entwickelt, in dem nächst tieferen Stickstoff von fortschreitend geringerer Reinheit, während die untersten Schalen mehr und mehr reinen Sauerstoff liefern. In der letzten Schale I" destilliert sehr reiner Sauerstoff ab.

Um den Zwecken der Industrie zu genügen, muß das Gas von den verschiedenen Schalen getrennt aufgesammelt werden. Zu diesem Zweck sind die Schieber oder Prellplatten M', Ai², Ai³... angeordnet, mittels deren die Räume über den einzelnen Schalen voneinander abgeschlossen werden können. Diese Räume können durch Öffnungen im Behältermantel angebohrt werden.

Senkt man z. B. den Schieber der fünften Schale und verbindet die fünf obersten Schalen dadurch, daß man den Schieber Af¹ hebt, so werden die in diesen fünf Schalen sich entwickelnden Gase sich vermischen. Man kann sie durch ein oder mehrere Rohre N in dem oberen Teil der Behälterwandung entweichen lassen. Durch die Rohre N wird das Gas zu den Austauschern und von dort zwecks Aufspeicherung zum Gasometer geführt. Die in dem oberen Teil des Behälters erhaltenen Gase bestehen aus ziemlich reinem Stickstoff, dessen Sauerstoffgehalt man dadurch steigern kann, daß man eine Anzahl von Schalen durch Heben der Schieber Af¹, Af², Ai³... miteinander verbindet.

In der Mitte der Säule werden die Gase ungefähr die gleiche Zusammensetzung wie die atmosphärische Luft und daher kaum einen gewerblichen Wert haben. Sie werden nur nach Austritt durch die öffnung P in den Austauschern zur Abkühlung der kornprimierten Luft benutzt, jedoch nicht in Gasometern aufgespeichert.

In den untersten Schalen entwickeln sich Gase, die merklich reicher an Sauerstoff als die atmosphärische Luft sind. Je nach den Bedürfnissen kann man diese Gase aus dem : Raum über jeder Schale einzeln abziehen und dadurch Gase von verschiedener Reinheit erhalten. Wenn man nur reinen Sauerstoff und außerdem Stickstoff von hohem Reinheitsgrad erhalten will, so genügt es, sämtliche Klappen mit Ausnahme von Ai¹ zu öffnen.

In dieser Weise wird die Trennung der atmosphärischen Luft in ihre Bestandteile kontinuierlich und vollständig unter Erhaltung der ursprünglich als erste Füllung in den Apparat eingeführten Flüssigkeitsmenge bewirkt. Die Kohlensäure wird in festem Zustande aus den Filtern L L entnommen, der Sauerstoff und der Stickstoff werden in zwei getrennten Strömen in gasförmigem Zustande erhalten.

Das beschriebene Verfahren spielt sich natürlich in der Praxis nicht vollkommen no ab, da man mit der Unvollkommenheit der Apparate rechnen muß. Die umgebende Wärme dringt trotz der Schutzumhüllungen, die man nach Belieben vermehren und verstärken kann, in die Apparate ein. Die Oberfläche der Austauscher ist nicht unendlich groß und die Leitungsfähigkeit ihrer metallischen Flächen ist nicht vollkommen. Die Gase treten daher nicht mit der Eintrittstemperatur der in entgegengesetztem Sinne strömenden Gase aus den Austauschern aus. Endlich ist auch die Kohlensäure in gasför-

migem Zustande in den Apparat eingetreten und wird in festem Zustande dem Apparate entnommen und kann daher in den Austauschern nicht zur Kühlung der eintretenden komprimierten Luft mit in Wirkung treten.

Es ist daher nötig, diese Verluste durch Einführung einer gewissen Menge flüssiger Luft zu decken, die auf irgend eine Weise

ίο gewonnen sein kann und die lediglich einen Ersatz für den Überschuß der aus den Schalen abdestillierten über die ihnen zugeführte, in der Rohrschlange W verflüssigte Luftmenge bildet.

Die Einführung dieser flüssigen Luft in den Apparat kann zwecks Ermöglichung einer Kontrolle in abgemessenen Mengen durch ein Meßgefäß O erfolgen, wie dargestellt.

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Claims

Patent-An Sprüche:

1. Verfahren zur Trennung der Bestandteile von flüssiger Luft durch Beheizung mit atmosphärischer Luft, die ihrer Verflüssigung nahe ist, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Strom flüssiger Luft neben der unter weniger als 20 Atm. Druck stehenden zu verflüssigenden Luft hinfließen läßt.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, sowie event, auch zur gleichzeitigen Abscheidung der Kohlensäure aus der atmosphärischen Luft, gekennzeichnet durch eine beliebige Anzahl von in einer mit geeigneten Gasableitungskanälen versehenen Kammer (G) vertikal angeordneten Rohrsystemen (W), in welche die Luft mit einer ihrem Verflüssigungspunkt nahe liegenden Temperatur eintritt und die in aufwärts geführte und oberhalb der Rohrsysteme ausmündende Rohrverbindungen übergehen, aus welchen die in den Rohrsystemen verflüssigte Luft nach event. Durchtritt durch zur Entfernung der Kohlensäure dienende Filter (L, L) ausströmen und mit der die Rohrsysteme durchfließenden, zur Kondensation gelangenden Luft an den Rohrsystemen entlangfließen und dadurch zur Destillation gebracht werden kann.

3. Eine Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Windungen der zur Verflüssigung der Luft dienenden Rohrsysteme (W) auf abwechselnd miteinander in Verbindung stehenden, kolonnenartig angeordneten Böden (I¹,1", I^s usw.,) gelegt sind, längs welchen die flüssige Luft entlangströmen kann und welche durch in die Flüssigkeit eingesenkte Schieber, Prellplatten (M¹, M², M^s usw.j oder dergl. beliebig ausgeschaltet werden können, um je nach Bedürfnis verschiedene Reinheitsgrade und Mischungen der Destillationsprodukte der flüssigen Luft zu erhalten.

Ergänzungsblatt zur Patentschrift 169564, Klasse 12#.

Das Patent 169564 ist durch Entscheidung des Kaiserlichen Patentamts vom [9.

Oktober 1911, bestätigt und abgeändert durch Entscheidung des Reichsgerichts vom

7. Dezember 1912, dadurch teilweise für nichtig erklärt worden, daß Anspruch 1 gestrichen ist und Anspruch 2 folgende Fassung erhalten hat:

»Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der die Luft in das vertikal in einer mit Gasableitungskanälen versehenen Kammer (G) angeordnete Rohrsystem (W) eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Luft nach Verflüssigung in dem Rohrsystem und Ausströmen aus einer oberen Mündung zunächst durch zur Entfernung der Kohlensäure dienende Filter (L L) hindurchtritt, um alsdann an dem Rohrsystem entlang _ zu fließen „und zu verdampfen.«