DE1911765A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 505) H 69/011
Se/bei 7.März 1969
Verfahren und Vorrichtung zur TieftemperaturzerleKung von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eim- Vorrichtung zur
i! Tief tempera turzerlegung von Luft, wobei die für die Zerlegung
!; und eventuelle Verflüssigung von Produkten notwendige Kälte |i durch Verdampfung eines Fremdkältemittels geliefert wird und wobei die übertragung der Kälte vom Kältemittel auf die Luft über ein Hilfsgas erfolgt.
Es ist bekannt (DAS 1 05I 299), die vor der Tieftemperaturzerlegung der Luft erforderliche Abkühlung durch einen Wärmeaustausch zwischen der Luft und einem auf tieferer Temperatur befindlichen verflüssigten Gas zu bewerkstelligen,
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
wobei insbesondere die Verdampfungswärme für dieses Gas der Luft entnommen wird und so eine starke Abkühlung bewirkt. Bei" dem bekannten Verfahren ist zwischen'xlem verdampfenden Kältemittel (Methan) und der Lüftzerlegung, dfe in einem Einsäülen- oder in einem Zweisäulenapparat vorgenommen werden kann, ein separater geschlossener WärmeUbertragungSkreislauf installiert, dem es obliegt, der zu zerlegenden Luft Wärme zu entziehen und auf das flüssige, zu verdampfende Methan zu übertragen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, ist der Hilfsgaskreislauf in zwei Druckstufen unterteilt, die einerseits durch einen Kompressor, andererseits durch ein Entspannungsventil aufrechterhalten werden und wobei die Stufe niederen Druckes den Wärmeaustausch mit der Luft und die Stufe höheren Druckes den Wärmeaustausch mit dem Methan übernimmt. Da somit der bekannte Hilfsgaskreislauf nach dem Prinzip einer Kältemaschine aufgebaut ist, kann, er nicht ohne Kompressor und ohne Entspannungsventil auskommen, was den Nachteil hat, daß die Anlage nicht nur verteuert wird, sondern auch bedeutend störanfälliger ist.
Es ist andererseits bekannt (DAS 1 250 46o), die Wärme-Übertragung zwischen dem Kältemittel und der zu zerlegenden Luft ohne Zwischenschaltung eines Hilfsgaskreislaufes vorzunehmen, doch ist es bei diesem bekannten Verfahren notwendig, die Wärme auf das Kältemittel, welches auch in diesem Fall Methan ist, an zwei verschiedenen Stellen des Prozesses zu übertragen, zürn
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einen am Kopf der Rektifiziersäule -auf die aufsteigenden Dämpfe und zumx anderen auf die .zu zerlegende Luft vor ihrem Eintritt in die Rektifiziersäule. Bei diesem bekannten Verfahren ist es notwendig, das im Kopf der Rektifiziersäule siedende Methan unter Unterdruck verdampfen zu lassen, damit die Luft-Rektifikations-Säule unter einem geeigneten, nicht zu hohen Druck betrieben werden kann. Um den anderen, nicht unter Unterdruck 'befindlichen Teil des Methans thermodynamisch günstig ausnützen zu können, ist es ferner bei dem bekannten Verfahren erforder-
\ lieh, die zu zerlegende Luft bereits vor ihrer Komprimierung mit dem Kältemittel in Wärmeaustausch zu bringen. Das hat aber den Nachteil, daß bei der nachfolgenden Kompression der Luft, die für die Zerlegung unerlässlich ist, den Kompressoren ein bereits sehr kaltes Gas zugeführt wird, was Handhabungsschwierigkeiten und die Gefahr einer vorzeitigen Kondensation in den Kompressoren mit sich bringt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden und eine thermodynamisch äußerst vorteilhafte Verknüpfung einer Luftzerlegung mit der Verdampfung eines verflüssigten Kältemittels ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfiL ndungsgemäß dadurch gelöst, daß als Hilfsgas aus der luftzerlegung bei Zerlegungsdruck entnommener Stickstoff dient, wovon «in Teil im Gegenstrom zu
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unzerlegter Luft auf Raumtemperatur erwärmt, wieder gekühlt und mittels in an sich bekannter Weise bei Unterdruck verdampfendem Kältemittel weiter gekühlt und verflüssigt und anschließend bei annähernd gleichem Druck wieder der Luftzerlegung zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es keinen separaten, in sich geschlossenen Kreislauf eines Hilfsgases zur übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittel und der Luftzerlegung benötigt.
Das Verfahren der Erfindung hat weiterhin den ganz entscheidenden Vorteil, daß das der Luftzerlegung entnommene Gas nicht wie bei dem erwähnten bekannten Verfahren zwei Druckstufen durchlaufen muß, sondern bei annähernd gleichem Druck wieder der Luftzerlegung zugeführt werden kann.
Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens kann das der Luftzerlegung entnommene Gas während des Wärmeaustauschs mit dem dabei verdampfenden Kältemittel von oben nach unten geführt .werden, so daß bei der Rückführung des verflüssigten Gases in die Luftzerlegung ein durch die Gravitation bedingter natürlicher Umlauf erfolgt, der Jede Pumpe überflüssig macht. , -
Sollte eine solche Leitungsführung aus betrieblichen Gründen nicht möglich sein, dann genügt eine kleine Pumpe, um
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i das verflüssigte Gas wieder der Luftzerlegung zuzuführen.
!l Zur Durchführung des Verfahrens wird entweder dem ;! Kopf der Drucksäule eines Zweisäulenapparates oder dem Kopf
i' eines Einsäulenapparates gasförmiger Stickstoff entnommen und
;; mit flüssigem Methan oder Erdgas in Wärmeaustausch gebracht.
i ■ -
Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, den Stick- ; stoff bei einem Druck von 4 bis 8 ata zu kondensieren und dabei Methan bei einem Druck von 0,12 bis 0,j5 ata zu verdampfen. Der verflüssigte Stickstoff wird sodann wieder in den Kopf der Drucksäule des Zweisäulenapparates oder in den Kopf eines Einsäulenapparates zurückgeführt.
| Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Produk-
. tion von PlUssigsauerstoff, FlUssigstickstoff oder FlUsslgargon* ; Die Menge de» oder der flüssig entnommenen Produkte fehlt aber bei der Wärmebilanz des Hauptwärmeaustausche©, der entweder in Regeneratoren oder in reversing exchangers vorgenommen werden kann. Deshalb wird diese für den Hauptwärmeaustausch fehlende i Menge an Kaltgas zusätzlich der Drucksäule des Zweisäulen-' apparates oder dem Kopf des Einsäulenapparates entnommen, zunächst von dem zu verflüssigenden und zurückzuführenden Stickstoff abgezweigt, in einem besonderen Querschnitt eines reversing exchangers oder in in die Regeneratoren eingebetteten Rohrschlangen im Wärmeaustausch mit unzerlegter Luft bis auf Zimmertemperatur angewärmt und anschließend mit flüssigem Methan
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gekühlt. Sodann wird der wieder abgekühlte Stickstoff dem anderen Teil des Stickstoffs zugemisoht und beide vereinigten Ströme im Wärmeaustausch mit bei Unterdruck siedendem Methan verflüssigt und der Luftzerlegung zugeführt.
Ein Zahlenbeispiel möge diese Verhältnisse'veranschaulichen:
Zur Erzeugung von 1 Nnr Plüssigsauerstoff sind 1,4 bis 2 Nm, für die Erzeugung von 1 Nnr Plüssigstiokstoff 1,1 bis 1,6 Nnr. PlUssigstickstoff von 5 ata nötig. Pur die Verflüssigung dieses als Rücklauf benötigten Stickstoffs unter 5 ata sind pro Nnr 0,6 bis 1 Nnr Methan abzusaugen. Zum Ausgleich der Mengenbilanz im Regenerator oder reversing exchanger wird beim Verfahren der Erfindung eine um wenige Prozente größere Stickstoffmenge gebraucht, als die Summe der Mengen an Flüesigsauerstoff und FlUssigstlckstoff, die als Produkte entnommen werden, ausmacht.
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht somit eine außerordentlich billige Plüssigsauerstoff-, Flüssigstickstoff- oder FlUsslgargon-Produktion ohne eine eigene Kälteerzeugung. Das Verfahren ist jedoch auch dort anwendbar, wo Sauerstoff _ oder Stickstoff nicht in flüssiger Form« sondern gasförmig entnommen werden sollen. ' '
Die Produktion von flüssigem Stickstoff läßt sich
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in besonders vorteilhafter Weise in einer Kombination mit einer Stickstoffwäsche oder bei der Wasserstoffgewinnung aus Koksgas, Raffinerieabgas oder sonstigen Industriegasen einsetzen.
M Die Erfindung sei anhand eines schematisch dargesteli-
;j ten AusfUhrungsbeispiels näher erläutert.
Il ■ · ■
·! Durch Leitung 1 tritt Luft von 6 ata in einen Haupt- :· Wärmeaustauscher 2 ein. In dem in der Figur dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist der Hauptwärmeaustauscher 2 ein reversing exchanger mit vier Querschnitten. Er kann jedoch gleichermaßen ji auch durch eine entsprechende Anzahl umschaltbarer Regeneratoren , mit eingebauten Rohrschlangen ersetzt werden. Im Hauptwärmeaus-Ii tauscher 2 wird die Luft von Kohlendloxyd und Wasser befreit ;. und bis nahe an ihre Verflüssigungstemperatur gekühlt. Sie ge-Ii langt durch Leitung 3 in den Fuß der Drucksäule eines Zweisäu- !i lenapparates 4. Vom Fuß der Drucksäule wird mit Sauerstoff auf
[ etwa 4o % angereicherte Luft durch Leitung 5 entnommen, im
;: Drosselventil 6 auf 1,5 bis 2 ata entspannt und in den mittleren r
; Teil der Niederdrucksäule des Zweisäulenapparates eingespeist.
Durch Leitung 7 wird der Drucksäule flüssiger Stickstoff entnoml men, der im Drosselventil 8 entspannt und auf den Kopf der I; Niederdrucksäule als Rückfluß aufgegeben wird. Durch die Lei-,' tungen 9 und 10 können der Rektifiziersäule flüssige Produkte i! (Leitung 9: flüssiger Sauerstoff; Leitung 10: flüssiger Stickstoff) entnommen werden. Gasförmiger Stickstoff bzw. gasförmiger
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Sauerstoff entweichen durch die Leitungen 11 bzw. 12 und dienen im Hauptwärmeaustauscher 2 zur Abkühlung der Rohluft.
Durch Leitung 13 entweicht aus dem Kopf der Drucksäule des Zweisäulenapparates gasförmiger Stickstoff, der bei 14 in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Der Teilstrom 15 wird im Hauptwärmeaustauscher 2 in einem separaten Querschnitt auf etwa Raumtemperatur erwärmt und dient zum Ausgleich der Mengenbilanz im Hauptwärmeaustauscher für die bei 9 bzw. 10 flüssig entnommenen Produkte. Er wird im Wärmeaustauscher 16 im Gegenstrom zu flüssigem, verdampfendem und/oder verdampftem Methan von 1 ata abgekühlt. Sodann wird der Stickstoff mit dem anderen Teil des Stickstoffs, der durch Leitung 17 fließt, vereinigt und im Wärmeaustauscher 18 im Gegenstrom zu flüssigem und dabei unter einem Druck von 0,12 ata verdampfendem Methan verflüssigt, worauf der gesamte verflüssigte Stickstoff durch Leitung 19 wieder dem oberen Teil der Drucksäule des Zweisäulenapparates 4 als Rücklaufflüssigkeit zugeführt wird. Das im Wärmeaustauscher 18 verdampfte Methan wird in der Vakuumpumpe 20 verdichtet und dann bei 21 mit dem unter höherem Druck befindlichen Methan vereinigt.
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird die gesamte zu zerlegende Luft komprimiert und der Drucksäule zugeführt. Das Verfahren der Erfindung könnte jedoch noch dahingehend eine Verbilligung erfahren, daß nicht die ge-
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samt· zu zerlegende Luft, sondern nur etwa 80 % in die Druck- sHule eingeführt werden, während der Rest, etwa 20 %, fast drucklos sofort in die Niederdrucksäule eingespeist werden könnte.
6 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

  1. (H 505)
    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    - 10 -
    H 69/011
    Se/bd 7.März 1969
    Patentansprüche
    hy Verfahren zur Tief tempera turzer legung von Luft, wobei die für die Zerlegung und eventuelle Verflüssigung von Produkten notwendige Kälte durch Verdampfung eines Fremdkältemittels geliefert wird und wobei die Übertragung der Kälte vom Kältemittel auf die Luft über ein Hilfsgas erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas aus der Luftzerlegung bei Zerlegungsdruck entnommener Stickstoff dient, wovon ein Teil im Gegenstrom zu unzerlegter Luft auf Raumtemperatur erwärmt, wieder gekühlt und mittels in an sich bekannter Weise bei Unterdruck verdampfendem Kältemittel weiter gekühlt und verflüssigt und anschließend bei annähernd gleichem Druck wieder der Luftzerlegung zugeführt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas bei Verwendung eines ZweiSäulenapparates aus der Drucksäule entnommen und wieder in diese zurüokgespeist wird,
    3. Verfahren nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Luftzerlegung entnommene Stickstoff in zwei Teilströme
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    . ^ : LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    - 11 -
    aufgeteilt wird, wovon der erste im Wärmeaustausch mit unzerlegter Luft auf Raumtemperatur erwärmt, mit gasförmigem oder flüssigem Kältemittel höheren Drucke vorgekühlt, mit dem zweiten Teilstrom vereinigt und sodann mit bei Unterdruck verdampfendem Kältemittel verflüssigt und wieder der Luftzerlegung zugeführt wird.
    ■ 4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel Methan ist..
    5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel Erdgas ist.
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch eine von einer Rektifiziersäule (4) ausgehende, sich verzweigende Leitung (13), deren einer Zweig (15) mit eii em Querschnitt des Hauptwärmeaustauschers (2) für zu zerlegende Luft und weiterhin mit einem ersten Wärmeaustauscher (16) für sich erwärmendes Kältemittel in Verbindung steht und deren anderer Zweig (I7) als Stichleitung in den ersten Zweig nach dem ersten Warne austauscher (16) einmündet, woran sich ein zweiter Wärmeaustauscher (18) für sich erwärmendes Kältemittel anschließt, der mit einer weiteren Leitung (19) an die Rektifiziersäule (4) angeschlossen ist.
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    Leerseite
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