DE2147110A1

DE2147110A1 - Destillationsverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit innerer Wärmeübertragung zwischen Rektifizierungs- und Abstreifstufe

Info

Publication number: DE2147110A1
Application number: DE19712147110
Authority: DE
Inventors: Arnold West Orange N.J. Günther (V.St.A.)
Original assignee: Treadwell Corp., New York, N.Y. (V.St-A.)
Priority date: 1970-09-21
Filing date: 1971-09-21
Publication date: 1972-03-23
Also published as: IT939810B; AU3335671A; IL37691A0; GB1362825A; BR7106193D0; IL37691A; FR2108358A5; ES395262A1

Description

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Destillationsverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit innerer Wärmeübertragung zwischen xiektifizierungs- und Abstreifstufe

bekannte fraktionierte Trennungen, häufig als fraktionierte Destillationen bezeichnet, werden in btufungen oder Abschnitten erreicht, wobei man sich beispielsweise der t>äulen- oder Kolonnentrennung bedient, bei der große Oberfläcnenbereiche für den Kontakt zwischen Gasen und Flüssigkeiten unter im wesentlichen isobaren bedingungen geschafien werden, d.h. also unter Bedingungen, bei denen der -üruck über den gesamten Verfahrensablauf im wesentlichen constant; ist, während sich die Temperatur von otufe zu ütufe ändert. Die Temperatur verringert sich dabei allgemein vom Boden der cJäule aus, wo die Stufe eine maximale Konzentration nochsiedender Bestandteile enthält, bis zu dem obersten Abscnnitt hin, wo die niedrigsieaenden Bestandteile aampfförmig abströmen, ziur Veranschaulichung ues Verfahrens ist es vorteilhaft, an eine Destillationssaule zu denken, die vertikal angeordnet ist oder die zumindest eine grolie, vertikal verlaufende Komponente aufweist, obwohl auch bäulen, die fast horizontal liegen und insofern geeignete rumpeinrichtungen erforderlich machen,

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die den i'lüssigkeitsfluß von otufe zu ötufe befördern, gebaut wurden. Die vertikale uäulenanordnung ermöglicht jedoch eine einfachere Vorstellung für den .ablauf der einzelnen Verfahrensschritte, so daij in der nacnfolgenden Beschreibung von einer derartigen Anordnung ausgegangen werden soll, wobei hier des Öfteren riientungsangaben nach oben und unten und otuf ealagen im ο υ ex'en Abschnitt und im Bodenbereich benannt werden, wobei eine derartige Nomenklatur der Klarstellung dient.

Isobare Verfahrerisabläufe macnen beträchtliche idezirkulationen erforderlich, wobei ein wesentlicher Anteil der Dämpfe der flüchtigeren l-iaterialien kondensiert und in den oberen Abschnitt einer Kolonne oder bäule eingebracnt wird, was als Rückfluß bezeichnet wird. In gleicher weise wird ein die Lodenstufe einer öäule verlascender 'i'eil der flüssigkeit, welche einen höheren KonzeirGrationsariteil an hochsiedendem Material enthält, aufgekocht, wobei die Dämpfe in den JJoaenbereich dex' oaule eingeführt werden, hierdurch ergibt sich ein Anstieg des Dampfstromes. Die beiden genannten ütröme sind normalerweise konstanr, wenn man von ihrem Kolinhalt ausgeht, d.h., daß ein derartiges Verfahren bei einem sogenannten "konstanten molaren überlauf" abläuft. Bei den fraktionierten Destillationen werden die Beschickungen an demjenigen .tunkt zwischen dem oberen '!eil und dem Bodenbereich der Liäule in diese eingebracht, an dem ein zustand vorliegt, in welchem die vornandenen Bestandteile im wesentlichen in dem gleichen Verteilungsverhältnis vorliegen wie in der Beschickung selbst. Normalerweise wird derjenige Abscnnitt bzw. die btufen der Trennung über dem BeschicKungapunkt eier.· L>üule als iic^tifizierurigszone bezeichnet, wäiirend der unterhalb der Bescüickung liegende Abschnitt die sogenannte

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Abstreifzone oder übstreifstufe darstellt. Diese beiden Bezeichnungen v; erde η nachfolgend auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung Anwendung finden, obwohl, wie weiter unten ausgeführt werden wird, das vorliegende Verfahren sich keineswegs auf bedingungen bezieht, die mit konstantem molarem Überfluß arbeiten.

Eine beträcntliche Steigerung des Wirkungsgrades wurde durch Verfahren möglich, die unterem wesentlichen isothermen bedingungen arbeiten, d.h. unter solchen, bei denen ^ceine merklichen Temperatur änderungen über die einzelnen totufen des Verfahrens auftreten, bei dem jedoch Druckänderungen von Stufe zu Stufe gegeben sind, wobei der Druck vom Loden der jxbstreifzone bis zum obersten Bereich der -vektifiaierungsstufe ansteigt. Dieses im wesentlichen isotherm ablaufende Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung x- 19 15 437·1 ^vom 26. harz 1969 beschrieben.

Da die νοχΊlebende Erfindung entweder unter Anwendung isothermer rrozesse oder mehr oder weniger isobarer Pro_ zesse in verschiedenen Stufen ablaufen kann, stellt sie eine wesentliche Verbesserung beider Verfahren dar. Pur uen j-'all, daß ein maximaler wirkungsgrad angestrebt wird, finden isotherme und quasiisotherme Arbeitsbedingungen mit den l.ui'k^alen dex* vorliegenden Erfindung Anwendung, unter- diesem Desonderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende xu?findun_i;· eine Verbesserung bei isothermen Arbeitsim oben angegebenen Anwendungsbereich dar.

Entsprechend der vorliegenden neuen Lehre zum technischen hanaeln wird die fraktionierte Trennung weiterhin unter en erreicht, bei denen ein Teil der einzelnen

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Stufen oder Phasen der Trennung sich in einer Rektifizierungszone oder einer Rektifizierungsstufe des Verfahrens befinden und ein anderer Teil in einem Abstreifabschnitt oder -stadium vorliegt. Wie oben angegeben, sind die beiden Abschnitte oder Stufen am Punkt der Einbringung der Beschickung voneinander getrennt.

Der wesentliche neue Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht in seiner allgemeinsten Darstellung in der Wärmeübertragung'von den einzelnen Stufen innerhalb der Rektifizierungszone des Verfahrens zu den diesen paarweise zugeordneten Stufen innerhalb der Abstreifzone. Die Wärmeübertragung wird durch indirekte Hilfsmittel und Maßnahmen bewirkt und nicht durch den Kontakt der Dämpfe und der flüssigkeit in den bestehenden Stufen und Stadien des Verfahrens selbst. Da die vorliegende Erfindung nicht auf solche Verfahren beschränkt ist, bei denen die Rektifizierungs- und Abstreifstufen eine gleiche Zahl von Stufungen oder Stadien aufweisen, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die indirekte Wärmeübertragung auf einem Stufenverhältnis von 1 : 1 basiert. Wenn beispielsweise eine geringere Anzahl von Stufen innerhalb des Rektifizierungsabschnittes des Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung vorliegen, dann entwickelt jede der Stufen Wärme, welche·indirekt zu mehr als einem Abstreifabschnitt zu übertragen ist. Die Übertragung der Wärme erfolgt von den oberen Stufen der Rektifizierungszone zu den unteren der Abstreifzone. Jj'alls beide Abschnitte oder Zonen eine gleiche Anzahl von Stufen aufweisen, ist eine ■\sollstandig symmetrische Anordnung möglich, wobei dann die oberste Stufe in der Rektifizierungszone ihre Wärme auf die unterste Stufe der Abstreifzone übertragen wird.

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■ Obwohl es nicht kritisch ist, daß die Enthalpie der ütufen bei dem indirekten Wärmeaustausch exakt gleich ist, ist es jedoch wünschenswert, den Verfahrensablauf so einzustellen, daß wenigstens annähernd gleiche Enthalpiewerte beteiligt sind. Für den Fall, daß nur eine jRektifizierungsstufe mit mehr als einer Abstreifstufe gepaart ist, ist die Enthalpie natürlich erheblich größer und wird sich der Summe der Abstreifstufen, zu welchen die Wärme hin übertragen wird, annähern. Die Tatsache, daß eine absolut vollständige Gleichwertigkeit der Enthalpien nicht wesentlich ist, macht die vorliegende Erfindung zu einem praktisch sehr nützlichen Verfahren, welches ohne die sonst erforderlichen überaus kritischen Steuerungen und Kontrollen auskommt. Beste Verhältnisse liegen selbstverständlich dann vor, wenn annähernd dem Idealzustand gleicher Enthalpiewerte für paarweise zusammengefaßte Stufen nahegekommen wird. Es sollte bereits hier Erwähnung finden, was weiter unten noch näher beschrieben werden wird, daß nämlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Überlauf von. Stufe zu Stufe variiert. Mit anderen Worten, läuft das vorliegende Verfahren nicht unter Bedingungen konstanten molaren Überlaufes ab, sondern vielmehr mit veränderlichem Überlauf. Ein besonders wesentlicher Gesichtspunkt bei der vorliegenden neuen Lehre zum technischen Handeln besteht darin, daß der durchschnittliche Überlauf und damit der minimale Hückfluß auf erheblich geringeren Werten gehalten werden kann als bei isobar ablaufenden Destillationsvorgängen mit konstantem molarem überlauf. Es wird weiter unten noch näher ausgeführt werden, daß dieser Gesichtspunkt einer der Faktoren ist, welcher Ersparnisse in der Zunahme der Entropie mit sich bringt. Es verdient an dieser Stelle Erwähnung zu finden, daß zwei Entropie-Vergrößerungen zu verzeichnen sind, wobei

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die eine auf der Mischung der zu trennenden Komponenten beruht, während sich die zweite Entropiezunahme aus anderen i'aktoren ergibt, wobei dieser Anstieg der Entropie normalerweise wesentlich größer ist als derjenige, der aus der Mischung der einzelnen Bestandteile herzuleiten ist, und welcher durch keinerlei Verfahren vermieden werden kann. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine sehr dichte Annäherung an die nicht weiter zu verringernde, minimale Vergrößerung der -Entropie ψ im Ergebnis erzielt werden kann.

Die mathematische Darstellung des technischen i'ortscnrittes der vorliegenden Erfindung, d.h. die geringere Entropiezunahme wird am besten an speziellen Systemen demonstriert, und es wird daher dieser Teil der allgemeinen Betrachtung der vorliegenden Lehre zum technischen n&ndeln nachfolgend in Verbindung mit einer spezifischen, im wesentlichen isotherm ablaufenden, fraktionierten Trennung eines bestimmten Systems erläutert werden, und zwar anhand der Trennung der Sauerstoff- und Stickstoffgehalte von Luft. Der erzielte Nutzeffekt läßt sich selbstverständlich auch auf alle anderen Systeme anwenden, wobei die mathematische Darstellung nicht bezwecken soll, die vorliegende Erfindung auf das besondere System oder die besonderen Abwandlungen des Verfahrens, welches nachfolgend beschrieben wird, zu beschränken. Darüberhinaus wird, die mathematische Darstellung nur deshalb auf eine Zweikomponencentrennung bezogen, weil eine derartige Ableitung besonders einfach und übersichtlich ist. Des gleichen Tatbestands der Vergrößerung der Nutzleistung erfreuen sich Systeme, die wehr als zwei Komponenten aufweisen, wobei selbstverständlich die Änderung der- tatsächlichen zahlenmäßigen Beträge sich ^x aus den für die größere Anzahl an Bestandteilen erforderlichen Korrekturen ergibt. Die Erfindung ist nicht auf

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ein besonderes System, nämlich auf die beispielsweise Beschreibung der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff beschränkt; sie ist vielmehr allgemein auf alle fraktionierten Destillationen anwendbar, wobei die zahlenmäßigen Beträge und die relative Vergrößerung des Wirkungsgrades natürlich mit dem jeweiligen-besonderen System variieren. Es soll daher besonders betont werden, daß die vorliegende neue Lehre zum technischen handeln nicht auf irgendein spezielles einzelnes System beschränkt ist, obwohl sich die nachfolgende Beschreibung nur auf die Trennung von sauerstoff und Stickstoff bezieht, wobei es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, bei der sehr große Einsparungen erzielt werden können, handelt.

Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Vorrichtung oder Anpassung einer Vorrichtung begrenzt, oo ist es beispielsweise keineswegs notwendig, daß die vorliegende neue Lehre zum Handeln mittels vertikal verlaufender Säulen oder Kolonnen ausgeführt wird, aiese können vielmehr auch horizontal oder anderweitig angeordnet sind. In einigen Fällen können die verlängerten Gas- und Flüssigkeitskontakte in den Stufen mittels konventioneller Fraktionierbodenglocken oder geeignet gepackter Spulen auch ausgeschaltet werden. Für die bloße Beschreibung ist es einfacher, von Stufen auszugehen, die sich auf eine vertikale Kolonne beziehen, was durchaus reläufig ist, wobei jedoch auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Vorrichtung gegeben sein kann. Wenn jedoch keine vertikal verlaufenden Anordnungen für die Destillationssäule Anwendung finden, kann die Flüssigkeitsbewegung von Stufe zu ütufe nicht durch die vorhandene Gravitation erfolgen, diese muß dann vielmehr über andere Hilfsmittel

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bewerkstelligt werden. Die Unterschiede zwischen den vertikalen und horizontalen Anordnungen stellen jedoch keinen wesentlichen Gesichtspunkt der vorliegenden Er-■ findung 'dar. ■

Der Wärmeaustausch zwischen .Rektifizierungsstufe und Abstreifstufe ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Anmeldung und die wichtigste "Verbesserung in bezug auf bisher bekannte Verfahren und Vorrichtungen. Die genauen und einzelnen Mechanischen Hilfsmittel für die indirekte Wärmeübertragung stellen keine Beschränkung der vorliegenden Anmeldung dar. Es ist vielmehr möglich, verschiedenste Vorrichtungen und Mittel zu verwenden.

So ist es beispielsweise möglich, daß die Wärme-von einer einzelnen Rektifizierungsstufe durch Wärmeaustausch mittels einer Hilfsflüssigkeit übertragen werden kann, welche für diesen Zweck in indirekte Austauschbeziehung mit der Abstreifstufe oder mehreren Stufen zu bringen ist, an die die Wärme abgegeben wird. Die Hilfsflüssigkeit kann hierbei einem Phasenwechsel unterliegen oder auch nicht. Zufolge des großen Betrages der latenten Wärme in den Flüssigkeitssystemen mit Phasenwechsel handelt es sich hierbei um ein sehr wirtschaftliches Verfahren, welches später im Zusammenhang mit einer speziellen Ausführungsform nach der Erfindung näher beschrieben werden wird. Eine weitere, sehr wirkungsvolle indirekte Wärmeaustauschmöglichkeit ist durch dünne Schichten bzw. Filme der Flüssigkeitsteile der beiden Zustände gegeben, wobei die abzugebende Wärme an gegenüberliegenden Seiten einer geeigneten festen Wandung herunterfließt und der Wärmeaustausch durch die Ableitung von diesen verursacht wird. Ein Beispiel dieser abgewandelten Ausführungsform wird ebenfalls

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nachfolgend beschrieben werden. Die beiden angedeuteten Ausführungsformen stellen einfache Möglichkeiten für die indirekte Wärmeübertragung dar, wobei auch hier wiederum keinerlei Beschränkung auf diese beiden !Formen gegeben ist. Ein Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß keine besondere spezielle Form der indirekten Wärmeübertragung erforderlich und wesentlich ist, wodurch die erforderliche Einrichtung praktisch sehr flexibel gestaltet werden kann. In Verbindung mit· der mathematischen Ableitung für die Darstellung der Entropieverhältnisse ist es wesentlich und begründet einen grundlegenden .Fortschritt der Erfindung, daß die Entropiezunahme Δ S^, im wesentlichen ausgeschaltet bzw. auf Verhältnisse reduziert ist, die sich zwangsläufig aus der bestehenden Temperaturdifferenz innerhalb des Aufkochers und der Kondensiervorrichtung ergeben. Nach der erfindungsgemäßen Lehre ist im wesentlichen die Entropiezunahme ausgeschaltet, welche aus den irreversiblen Verhältnissen innerhalb der Säule resultiert. Das Verfahren der isothermen Destillation, wie oben beschrieben, vermeidet im wesentlichen die Entropiezunahme, die zufolge des thermischen Flusses zwischen Dampf und Flüssigkeit in Jeder Stufe vorliegt. Dies ergibt sich aus der Einstellung der Druckdifferenzen zwischen den Stufen, wobei die Temperatur über die gesamte Säule gleich ist und damit kein Wärmefluß zwischen den Phasen in irgendeiner der Stufen stattfindet. Der Verfahrensablauf unter isothermen .bedingungen beseitigt jedoch nicht denjenigen Entropieanstieg, welcher sich aus der irreversiblen Änderung der Zusammensetzung der Flüssigkeit und der Dampfphase durch deren Wechselwirkung in jeder Stufe ergibt. Die vorliegende neue Lehre zum technischen Handeln hat die Ausschließung, dieser Entropiezunahme im wesentlichen zum Ergebnis, wobei es sich hier nur noch oder hauptsächlich um

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die Entropiezunahme Δ S handelt, der die irreversible Mischung der beiden Komponenten im Falle eines binären Systems zugrundeliegt, wobei diese Entropiezunahme unvermeidbar ist und insofern eine Beschränkung darstellt, für die es keine Abhilfe gibt, und zwar auch nicht im .Rahmen der vorliegenden Erfindung. Der Wert ώ fcL ist in einer herkömmlichen, unter isobaren bedingungen stehenden Säule selbst unter idealsten Bedingungen stets größer, und zwar ohne Rücksicht auf die Zahl der Stufen und die Beibehaltung des idealen minimalen .Rückflusses. Diese Gegebenheit ist eine Konsequenz des Erfordernisses konstanten molaren !Flüssigkeitsüberlaufs in einer isobaren Säule, der in Jedem Falle größer ist als derjenige, der in Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.

Aus dem Vorstehenden und insbesondere aus der nacnfolgenden Beschreibung der Zeichnungen und Beispiele wird ersichtlich, daß die beiden Entropiearten in ihrer »virkung unabhängig voneinander sind, d.h., daß die Entropiezunahme A.S^ nicht durch die Entropiezunahmen beeinflußt wird, welche sich aus isobarem oder wenigstens teilweise isobarem Betrieb ergibt. Es handelt sich um die letztgenannte Entropiezunahme, welche durch isothermen oder annähernd isothermen Betrieb herabgesetzt werden kann, was einen wesentlichen Gesichtspunkt der obengenannten früheren Anmeldung darstellt. Die Tatsache, daß es möglich ist, die nach der vorliegenden Erfindung erzielbaren Einsparungen mit oder ohne diejenigen zusätzlichen Ersparnisse in der Entropiezunahme zu erhalten, die das Ergebnis einer mehr in der Nähe isothermer Bedingungen durchgeführten oder weniger isobarer Arbeitsweise sind, stellt einen praktischen Vorteil dar. Im Idealfall begleiten natürlich

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die Ersparnisse bei isothermer Arbeitsweise die Einsparung in der EntropiezunahmeAS*, wie sie nach der vorliegenden Erfindung möglich wird. Die beste Kompromißlösung kann daher auf der Grundlage der Ausrüstungskosten und anderer Faktoren auf der einen Seite und der brennstoffkosten auf der anderen Seite gewählt werden, so daß e's möglich ist, den vorteilhaftesten wirtschaftlichen Konixjromiß für die praktische Anwendung zu finden.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher besenrieben werden, und es bedeutet:

i'ig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen isobaren Trennverfahrens;

!•ig. 2 ein hcCabe-Diagramm für isotherm ablaufende Trennprozesse;

iig. 5 eine schematische Darstellung der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff nach vorliegender Erfindung

i'ig. 4 ein McGabe-Diagramm entsprechend der Ausfühx'ungsform nach 3?ig. 3;

iUg. 5 zusammen eine 16-stufige Anordnung; und 5A

i'ig. 6 eine schematische Darstellung einer Reihe von Rektifizierungs- und Abstreifstufen, wobei die Wärmeübertragung mittels einer Hilfsflüssigkeit erfolgt:

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Fig. 7 eine entsprechende Darstellung, bei der für die Wärmeübertragung die Leitung über die Wandungen Anwendung findet;

Fig. 8 eine Diagramm-Darstellung entsprechend den Fig. 5 und 5-A- für ein System mit einer geringeren Zahl von Rektifizierungsstufen und Abstreifstufen, wobei Jede Stufe unter isobaren Bedingungen steht und eine oder mehrere Gleichgewichtsunterstufen enthalten kann, wie in dem Diagramm von Fig. 10 gezeigt;

Fig. 9 eine Diagramme-Darstellung von Wärmeübertragungsalternativen;

Fig. 10 ein tocCabe-Diagramm entsprechend den Fig. 8 und 9 und

Fig. 11 eine schematische Wiedergabe eines Verfahrens, in welchem nur ein Teil der Komponenten, die eine einzelne Stufe bilden, der indirekten Wärmeübertragung zu einer anderen Stufe unterworfen ist.

Fig. 1 zeigt einen isobaren Betrieb, wobei bestimmte vereinfachende Annahmen gemacht wurden, welche auch für die weiteren Figuren, die der Beschreibung der vorliegenden Erfindung dienen, gelten. Zunächst soll angenommen werden, daß es sich bei dem Ausführungsbeispiel um ein Zweikomponenten- oder Binärsystem handelt, und daß die Beschickung des Turmes in Form eines Dampf- bzw. Gasstromes, beispielsweise Luft, an einem Punkt erfolgt, an dem der innerhalb

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des Turmes aufsteigende Dampf die gleiche Zusammensetzung aufweist. Weiter soll davon ausgegangen werden, daß sich die Dämpfe und .Flüssigkeiten ideal im Sinne der Thermodynamik verhalten, und daß die latente molare Wärme der Verdampfung der einzelnen Komponenten identisch ist. Dies ist für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich, es vereinfacht jedoch die nachfolgenden mathematischen Ableitungen der verschiedenen Entropiezunahmen. Es soll hervorgehoben werden, daß die vorliegende Lehre zum technischen Handeln auf reale Flüssigkeiten und Gase anwendbar ist, und daß die sich aus der Ableitung für den Idealfall ergebenden Schlußfolgerungen auch für Realfälle gezogen werden können, wenn geeignete Korrekturen an den angenommenen I'aktoren vorgenommen werden.

Fig. 1 zeigt schematisch eine unter isobaren Bedingungen arbeitende Säule mit zwei Zonen ohne spezifische einzelne Stufen innerhalb der Rektifizierungszone und der Abstreifzone. In der Überkopf-Kondensierungsvorrichtung bzw. einem entsprechenden Verflüssiger ist die Temperatur T₀, wobei hier ein Teil der Dämpfe kondensiert und dem Rückfluß zugeleitet wird, während die Temperatur im sogenannten Aufkocher Tg ist. Die.Figur stellt darüberhinaus die Mole des Produkts in der Beschickung und die Dämpfe und Flüssigkeiten in den beiden Zonen der Säule dar, d.h. in der Rektifizierungszon'e und in der Abstreifzone. Der kondensierte Teil der Überkopfgase bildet den Rückfluß, wobei selbstverständlich eine gleiche Menge an Dämpfen in den Bodenbereich der Säule von dem Aufkocher einzubringen ist. Die Wärme wird in herkömmlicher weise mit Q bezeichnet und der Rückfluß mit R. Die Teile des im Kopfteil der Säule vorliegenden .Produktes A in gasförmiger Form und die im Bo-

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denbereicii B vorliegende Flüssigkeit entsprechen den über die Beschickung eingebrachten holen, wobei selbstverständlich der Rückfluß die zirkulierende l-ienge darstellt. In diesem Zusammenhang soll Erwähnung finden, daß der Rückstrom konstant ist , d.h. mit anderen Worten, daß das isobäre System bei einem konstanten iiolüberlauf der flüssigkeiten, die sich durch die öäule nach unten hindurchbewegen, arbeitet. Der Rückstrom v/ird auf einem Minimum gehalten, das den Betrieb erlaubt, so daß ein guter wirkungsgrad erzielt wird, wie er für isobar e Systeme möglich ist. Es soll hervorgehoben werden, daß, unter den gemachten vereinfachten Annahmen, die isobare Säule die folgenden Eigenschaften aufweist:

1. In jeder und allen Stufen der liektifizierungszone über dem Beschickungspunkt der Säule ist die Zahl der als flüssigkeit nach unten fließenden Mole überall gleich, was ebenso für die Zahl der Gasmoleküle gilt, die im Gegenstrom nach oben fließen, Das Verhältnis der i'lüssigkeitsmole zu den Dampfmolen ist kleiner als 1.

2. In Jeder und allen otufen der Abstreifzone, unter dem Zuführungspunkt der Beschickung, ist die Zahl der Hole der Flüssigkeit, die sich nach unten bewegt, überall die gleiche, wobei von den gleichen Annahmen ausgegangen wird, wie dieses in der darüberliegenden ßektifizierungszone geschehen ist.

Die Zahl der Dampfmoleküle, die durch die Abstreifzone hindurch nach oben bewegt werden, ist überall die gleiche, wobei jedoch ihr Betrag geringer als in der .uektifizierungszone ist. Der Betrag entspricht demjenigen des Dampfes, der in Aufwärtsrichtung durcn die üektifizierungs-

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zone strömt minus der Molzahl, die am Beschickungspunkt der Säule zugeführt wird. Das Verhältnis der Flüssigkeitsmole zu den Dampfmolen ist in der Abstreifzone größer als 1.

Die vorgenannten Arbeitsbedingungen liegen gewöhnlich in einer Säule vor, die mit konstantem molarem Überfluß arbeitet.

Wenn die Enthalpie der Produkte gleich der Enthalpie der .Beschickung ist, weil sich das System unter konstanten Druckbedingungen befindet, ist die geforderte Wärmemenge zur Erzielung der Trennung gleich 0. (Dieses ist in großer Näherung für den IPaIl der Luftrektifizierung gegeben) .

Der Wärmemengenbetrag Q , der abzugeben ist, um ein Absenken auf die Temperatur T (im Kondensator) zu erreichen, ist gleich dem Betrag der Wärmemenge Q-n, der dem Aufkocher bei der Temperatur T™ von einer Wärmequelle zugeführt werden muß, von der angenommen werden darf, daß sie gleichfalls die Temperatur T-, besitzt. Die Entropieänderung in diesem System beträgt dann:

Die Wärmemenge Q₀ = (^d ist direkt proportional den Molen des Rückflusses K.

Die reine Entropiezunahme in dem System ist zusätzlich zu der Entropiezunahme vorhanden, die zufolge der Irreversibilität des Flüssigkeits-Dampf-Austausche innerhalb

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der Säule gegeben ist. Die Entropiezunahme £\ S^ ist größer als die Entropie &ß™ der Mischung der einzelnen Bestandteile A und B.

Somit gibt es eine Entropiezunahme, die, unter Vernachlässigung der Irreversibilität innerhalb der Säule, eine größere Arbeitsleistung erforderlich macht, als für die Trennung der Beschickung in ihre einzelnen Bestandteile erforderlich ist.
Diese Entropiezunahme kann geschrieben werden als:

Sie ist um so größer-, je größer Q und kleiner ^rJ?_m sind, wobei T_m das geometrische Mittel von T^ und Tq ist.

Es ist offensichtlich, daß jedes Verfahren, welches in der Lage ist, das Rückflußverhältnis und damit die Größe Q herabzusetzen, die für die Trennung erforderliche Energie reduziert. Wie oben bereits angenommen, wird jedoch das Rückflußverhältnis und damit die Größe Q auf dem niedrigsten praktisch realisierbaren Viert gehalten, welcher den Verfahrensablauf gerade noch möglich macht und daher kann, soweit es sich um eine isobare Arbeitsweise handelt, die EntropieΔ. S^ durch Herabsetzung der Große Q nicht weiter reduziert werden.

Systeme, die auf Tiefsttemperaturen (cryogenic temperatures), beispielsweise für die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff in Luft gehalten werden, wobei kleine Mengen stabiler Gase, wie etwa Argon, vernachlässigt werden, besitzen eine bedeutende Entropiezunahme £*. S^, die sich durch die geringe

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Größe des Wertes T_m ergibt. Damit ist hier eine verhältnismäßig große Zufuhr mechanischer Energie erforderlich. Zufolge des erfindungsgemäßen Verfahrens werden b.eträchtliche Einsparungen.der Energiezufuhr durch die Herabsetzung des Wertes Q ermöglicht.

Aus dem Vorstehenden wird nunmehr ersichtlich, daß bei den herkömmlichen, unter isobaren Bedingungen arbeitenden Säulen keine Wärmeübertragung zwischen irgendwelchen Stufen der Säule stattfindet.

über die Länge der Säule erfolgt ein Massetransport und als Folge hiervon ergeben sich Konzentrationsänderungen aufgrund der 'temperatur- und Konzentrationsgradienten, die innerhalb der Säule vorliegen. Wie zuvor angezeigt, befaßt sich das vorliegende Ausführungsbeispiel mit einem Zweikomponentensystem. Die Gibb'sche Phasenregel besagt, daß an irgendeinem tunkt der Säule, an dem ein Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen vorliegt, zwei unabhängige Veränderliche vorhanden sind, deren Druck als feststehend angenommen wird. Daher bestimmt die Konzentration in der Flüssigkeit oder in der Gasphase die Temperatur in Jeder Stufe, in welcher sich die Phasen im Gleichgewicht befinden.

Die höchstsiedende Komponente sammelt sich auf der Ebene höherer Temperatur T-n, d.h. am Boden an, während die am niedrigsten siedende Komponente sich im obersten Abschnitt der Säule ansammelt. Aus der gegebenen Temperaturverteilung ergibt sich, daß die Wärme spontan nur vom Bodenabschnitt der Säule in Hichtung des oberen Bereichs fließen kann.

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Die schematische diagraiumartige, vereinfachte Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Säule mit einer oberen iiektifizierungsstufe 1 und einer darunter liegenden Abstreifstufe 2. Die Überkopf-Kondensiervorrichtung 3 und der Aufkocher 4 sind gleichfalls in E¹Ig. 1 gezeigt.

Durch eine Betrachtung der obigen Gleichungen ergibt sich, daß für die Destillation unter cryogenen Bedingungen, wie das etwa für die Trennung von bauerstoff und »Stickstoff der Fall ist, die Größe der Entropiezunahme £> Β,, sehr wesentlich sein kann.

Bei der Diskussion der Figuren 2 bis 7 soll zunächst Erwähung finden, daß ein Faktor in der Lntropiezunahme £\ S^ entsprechend dem Thermalfluß zwischen Dampf und Flüssigkeit in jeder Stufe in diesen Beispielen durch die isotherme Arbeitsweise ausgeschaltet ist. Hierdurch kann die größte praktische Effektivität erreicht werden, d.h. die geringste intropiezunahme, wodurch sich der Wert ^S. auf eine Größe reduziert, die so nahe wie praktisch möglich bei Null liegt, tis bleibt nur der geringe Entropiegang, der zufolge der Mischung der einen Komponenten gegeben ist, übrig. Der Druck im oberen 'Heil der Rektifizierungsstufen, auf den weiter unten zurückgekommen werden wird, ist der Dampfdruck der flüchtigeren Komponente bei der für den isothermen Arbeitsablauf ausgewählten Temperatur, während der Druck in der unteren cjtufe der Abstreifzone dem Dampfdruck der weniger fluch bigen Komponente bei der Arbeitstemperatur entspricht.

Fig. 2 stellt ein hcCabe-Diagramin eines Zjweikomponentensystems dar. Wenn eine Stufe innerhalb der Hektifizierungszone in Betracht gezogen wird, tritt die flüchtigere Komponente enthaltende Flüssigkeit mit einer Molfraktion von

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^XC" +Ό ^von ^⁰¹' unmittelbar über dieser liegenden Stufe ein, während flüssigkeit der Zusammensetzung x· diese Dtufe verläßt. Lntsprechend tritt Dampf mit einer Zusammensetzung y. in die Stufe ein und verläßt diese mit einer Zusammensetzung yy- ,-,. Bei der isothermen Arbeitsweise kondensiert eine gewisse Anzahl von Molen des Dampfes in jeder Stufe, wobei diese Anzahl etwas geringer als die Holzahl der verdampfenden Flüssigkeit ist, und zwar unter der Annahme gleicher MoJLw armen für die Verdampfung der einzelnen Komponenten und einer Null-Wärme für die Lösung. Von dieser Annahme kann ausgegangen werden, weil jeder Stufe Enthalpie durch Kompressionsarbeit zwischen den Stufen hinzugegeben wird, wie schematisch in i'ig. $ durch die Kompressoren angedeutet ist. Falls gewünscht, kann die Kompressionswärme entfernt werden. Für den l'all der isobaren Arbeitsweise entspricht jedes Mol des zu Flüssigkeit kondensierenden Dampfes jeweils einem aus der flüssigen thase verdampfenden Mol. In der Abstreifzone gilt das gleiche entsprechend.

Wie oben bereits betont und nachfolgend noch genauer im Detail in Verbindung mit Beispielen späterer Figurendarstellungen beschrieben werden wird, wird die Wärme indirekt von den ftektifizierungsstufen zu den Abstreifstui'en übertragen. Wo sich diese Wärmen im Gleichgewicht befinden, Defindet sich die gesamte Säule oder das Verfahren in adiabatischem Betrieb, jüs wird ersichtlich werden, daß die obige Beschreibung zu einem variablen Flüssi^.keitsübex'lauf führt, im Gegensatz zu dem konstanten Flüssigkeitsüberlauf, der für die isobare Säule oben beschrieben wurde. Der Flüssigkeitsüberlauf vergrößert sich allmählich vom Punkt der Einbringung des Rückflusses am Kopfende der bäule nach unten bis zum Beschickungspunkt

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derselben hin, wo er ein Maximum erreicht. Vom Beschikkungspunkt aus weiter nach unten läßt man den ETüssigkeitsüberlauf sich verringern; derselbe ist am Austritt der letzten Stufe der Abstreif zone -'gleich dem Rückfluß. Dies erlaubt einen kleineren Rückfluß, als bei isobaren Bedingungen möglich wäre, bei denen ein konstanter molarer überlauf vorliegt. Aus diesem Grunde ergibt sich auch eine Verringerung der Entropiezunahme A £>•]» begründet durch den kleineren Wert Q.

Bei der graphischen Darstellung gemäß S¹Ig. 2 wird angenommen, daß aus Vereinfachungsgründen die Gleichgewichtsund die Arbeitskurven sich in enger Wachbarschaft befinden, und daß die Komponenten als Produkte von 100 j^iger ' Reinheit erhalten werden.

Man betrachtet nun eine Säule, die nach der erfindungsgemäßen Arbeitsweise betrieben wird, zum Zwecke der Vereinfachung und Verdeutlichung unter der Annahme isothermer Arbeitsbedingungen und enger Nachbarschaft der Arbeitsund Gleichgewichtskurven, sowie, daß die Komponenten als Produkte von 100 #iger Reinheit vorlagen.

In Fig. 2 stellt OGB die Gleichgewichtslinie, Oa und AB die Arbeitslinien dar. Unter der vorherigen Voraussetzung, daß die Linien OA und AB sich theoretisch nach links bewegen lassen, so daß sich Punkt A dem runkt G nähert, wenn die Zahl der Stufen anwächst. In der Grenze fallen OA und OG und AB mit CB zusammen. Wenn diese Grenze angenähert wird, ergibt sich eine anwachsende Stufenzahl. Diese Arbeitslinien können in Übereinstimmung mit der Erfindung durch Steuerung der Druckdifferenzen zwischen den Stufen unter Zuhilfenahme von Dampfkompressoren, wie aus Fig. ersichtlich, verschoben werden.

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wenn diese Einregulierungen des Druckes ausgeführt worden sind, zeigt sich, daß, wenn wir vom Boden des Turmes, entsprechend dem .runlet O, aufwärts zum oberen Teil desselben, angezeigt durch den Punkt B steigen, der Druck in den Stufen mit der Höhe anwächst.

Die folgende mathematische Analyse dient der Beweisführung, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung der Komponenten A und B einer aus zwei Bestandteilen oestenenden hischung Anwendung finaen kann, wobei die hierzu erforderliciie Energiemenge in der Hälie des theoretisch möglichen Minimums liegt. Keine andere henbode ist in der Lage, eine Trennung mit derart geringem Energieaufwand zu erreichen. Bei dem bekannten Verfahren unter Verwendung isobarer uestillation ist der erforderliche Energiebetrag wesentlich größer; das Verfahren der isothermen Destillation in der eingangs angedeuteten Weise erfordert einen Energieaufwand, der beträchtlich größer als der nach der vorliegenden Erfindung ist.

Die henge des isotherm zu komprimierenden ü-ases vergrößert sicn von dem runkt O bis zum tunkt C, dem Beschickungspunkt. Wegen der Annahme konstanter relativer Flüchtigkeit der I-iischung ist die Gleichgewichtskurve durch die

y = ax

(a-1,) χ + 1

gegeben, wobei y die molare Fraktion der flüchtigeren Komponente in der Gasphase und χ die molare Fraktion der Komponente in der flüssigen Phase isb, und

ist der Quotient der Dampfdrücke, die die reinen Komponenten α und 15 bei der Temperatur des äyüfcüh.a haben

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BAD

Der Druck an irgendeinem Punkt innerhalb der Säule bzw. des Turmes ist dann

- ^PB

unter der Annahme, dab das System aus den Komponenten A und B dem Raoult'sehen Gesetz entspricht.

Insoweit, als die Üäule adiabatisch ist, entspricht die reine Enthalpie änderung in der itektifizierungszone einer gleichen, aber entgegengesetzten Enthalpieänderung in der Abstreifzone. Die Ansätze für die Dampfflüsse durch aie bäule (unter dvr oben gemachten Annahme der Identität uer Gleichgewichts- und Arbeitslinien) sind die folgenden:

^VR(x) - (a-i3 x * "⁷^ *

γ , "₌ Ca-1) χ + 1 ₍₁ _ d(x) x(1xj Ca1; ^ y~£^J

ϊ ist die Molzahl der Beschickung, y-^, ist die von A in der gasförmigen Beschickung, V^ sind aie hole des Dampfes an irgendeinem tunkt in der liekcifizierungszone, wo χ die holfraktion der Komponente A in der lliissigkeit ist, und V_c sind die Mole des Dampfes an irgendeinem tunkt χ der Abstreifzone.

Die ivompressionsarbeit, die an den Dämpfen geleistet wird, ist gleich der Öumme der folgenden beiden Integrale:

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Die intejjrationsgrenzen des ersten Integrals sind 0, entsprechend einer Komponente ß bei 100 ^iger .Reinheit, und Xj₁, welches die I-iolfraktion von A in der flüssigen xiuxe im Gleichgewicht mit der Moli'raktion y™ in der gasförmigen rhase ist, während die Grenzen des zweiten Integrals χ™ und 1 sind, wobei 1 der Komponente A bei 1üü >oiger Reinheit entspricht.. H ist die Gaskonstante und ΐ die absolute '.Temperatur.

wird P_r ν als Funktion von χ geschrieben, so erhält man:

wie aus i'ig. ~t> ersichtlich ist, besitzt diese Destillationssäule auch eine iiektifizierungszone 1 und eine Abstreifzone 2, wie es in iⁿig. 1 der EaIl ist. Die Arbeitsweise dieser bäule ist zu der erstgenannten jedoch unterschiedlich. Die beiden Zonen sind in einzelne Stufen unterteilt, wobei die Dämpfe zwischen den Stufen mittels einer ±ieihe von Kompressoren 5 zusammengedrückt werden. ijer isetrag der Kompressionen ist so gewählt, daß die '■Temperatur über die ganze Säule in beiden Zonen im wesentlichen konstant bleibt, so daß die Entropiezunahme, aie sich andernfalls aus der isobaren Arbeitsweise ergäbe, i-eüuziert oder im wesentlichen eliminiert werden kann. Bei dieser Anordnung werden tlberkopf-Dämpfe mit erheblich höheren Drücken erzeugt als das Produkt B, das den Boden dei· L-äule verläßt und einem Kocher-Kondensator zufließt. Die Dämpfe kondensieren, wie angezeigt, zu einer Flüssigkeit, die den itückfluß bildet. Zur Vereinfachung ist der

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äußere Fluß der komprimierten Dämpfe in der Dampfphase bei By und die zurückgeführte kondensierte Flüssigkeit bei Hj gezeigt. Darüberhinaus ist ein Wärmeaustauscher vorhanden,, welcher mit dem Überschuß der Überkopf-Dämpfe in Verbindung steht. Die eingegebene Beschickung, Luft und das Produkt B des Kondensors 6 befinden sich wenigstens teilweise in der dampfförmigen Phase.

Der Kompressor 8 stellt den Druck des Produktes B zur Umgebung wieder her." Zur gleichen Zeit komprimiert der Plompressor 9 die Luft auf den Beschickungsdruck in der Säule. Da hierdurch eine weitere Erwärmung eingebracht wird, wird die überschüssige Wärme der Kompressionsarbeit mittels des Kühlers 10 wieder entfernt. Der Wärmeaustauscher 7 stellt sicher, daß die tatsächlich in die Säule eingebrachte Luft sich auf der geforderten Arbeitstemperatur T innerhalb der Säule befindet. Der Kompressor 9 schafft den bäulenarbeitsdruck P^₁ für die zugeführte Beschickung.

Die Kompressionsarbeit in der Säule W schafft einen äquivalenten Wärmebetrag Q . Wie aus Fig. J ersichtlich, wird diese Wärme abgeführt, um die Temperatur auf die Umgebungstemperatur mittels einer Kältemaschine mit 100 % Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses abzusenken. Die Arbeitszufuhr zu der Kältemaschine ist W„. Die flüchtige Komponente A wird von ihrem Druck P^ auf einen Druck von 1 atm. entspannt, wodurch die Arbeit W-g frei wird. Dies zeigt, daß bei Anwendung vorliegender Erfindung dann, wenn die Netto-Arbeitszufuhr zu dem System unter idealen Bedingungen durch den Wert W^ vorgegeben ist,

W_n S - ^N

ist.

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Diese .Entropiezunahme ist die gleiche wie diejenige, die aus der Mischung zweier reiner, gasförmiger Komponenten A und B zur Bildung von F bei einer Temperatur l¹· und

1 atm. Druck auftritt.

Ein derartiges Ergebnis kann niemals mit herkömmlichen _isobaren Säulen bzw. unter isobaren Bedingungen erreicht werden, auch nicht unter den idealen Bedingungen. Mit einer herkömmlichen Säule, ungeachtet der Zahl der Stufen, die unter idealen minimalen Rückflußbedingungen für isobare Betätigungsabläufe arbeitet, ist die Entropiezunahme stets größer als die Entropie der Mischung. Dieses ergibt sich als Konsequenz der Notwendigkeit des konstanten molaren Flüssigkeitsüberflusses in der Säule. Dieser Überfluß ist stets größer für isobare Arbeitsbedingungen, als er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich ist.

Nachfolgend wird ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung zur Trennung von N₂ und O₂ in Luft gegeben. Zur Vereinfachung der Berechnungen wird der geringe Gasgehalt der Luft außer acht gelassen, wobei jedoch verstanden werden sollte, daß die Erfindung in gleicher rfeise vorteilhaft anwendbar ist,, wenn die.seltenen Gase in die Berechnung mit einbezogen v/erden.

Me ü'-Lguren 5 und 5k zeigen schematisch eine Säule mit acnt Stufen in der Hektifizierungszone 1 und acht Stufen innerhalb der Abstreifzone 2. Fig. 4 zeigt das Mc-Cabe-Diagramm für diese Säule. Die Temperaturen betragen 9O⁰K in allen Stufen innerhalb der Abstreifzone und 93°K in der Kektifizierungszone. Die Produkte werden als Sauerstoff mit einer Reinheit von 99>5 $ und Stickstoff mit einer Heinheit von 95 % angenommen. Der Druck in der

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untersten Stufe liegt annähernd bei 1 ata und in der obersten Stufe bei 4,1S ata. Die Beschickung der Säule erfolgt in einer Stufe, in der die Dampfzusammensetzung gleich derjenigen der Beschickung selbst ist, wobei ein Anteil von annähernd 0,79 Molanteilen an Stickstoff vorliegt. Der Druck der Beschickung liegt bei 3,27 ata und die Temperatur bei 93°K, welche einem leicht übererhitzten Dampf entspricht.

Die Dämpfe jeder Stufe werden zur Abgabe in die nächste Stufe über der jeweils vorhergehenden komprimiert, was mittels eines Zentrifugalkompressors 5 (s. hierzu i^lig. 3) geschieht, wobei alle Kompressoren 5 auf der gleichen Welle der Turbinen (E_Q bis ~£*ß) sitzend angetrieben werden. Die Kompressionsw&rme wird über die Wärmeaustauscher (H/E-o) bis (H/E-16) zu dem Stickstoffgas abgeführt, welches in folgen über die Turbinen entspannt wird. Auf diese Weise wird der Stickstoffdruck allmählich verkleinert und die Kompressionswärme liefert die erforderliche energie zum Antrieb der Turbinen.

Die mittlere Temperaturdifferenz über die Gasaustauscher liegt zwischen 3° und 5°C. Die gezeigten Drücke und Temperaturen schließen die Auswirkung der Ineffizienzen für die Kompressoren und Expandiervorrichtungen unter der Annahme einer 86 ^igen adiabatischen Ausnutzung ein. In diesem besonderen Beispiel ist der holanteil des Stickstoffs, d.h. des flüchtigeren Bestandteils, in dem jj'Iüssigkeitsrückfluß, der dem oberen Teil der .abstreifzone zugeführt wird, gleich 0,5716 Mol. Dieser iiolanteil der Flüssigkeit entspricht einem holanteil von u,y^cj in der Gasphase.

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!Diese beiden werte (Koordinaten) bestimmen den unteren .tunkt der Rektifizierungsarbeitslinie. Der obere Punkt der Arbeitslinie wird gefunden, wenn man von der Erwägung ausgeht, daß die Dampfzusammensetzung, die die erste Stufe verläßt, dann, wenn, sie gegen den flüssigen Sauerstoff am Boden der Säule kondensiert, eine Dampfzusammensetzung ergeben sollte, die gleich der in dem Gasprodukt gewünschten ist (in diesem Falle 95 tf> Stickstoff). Diese Arbeitslinie ergibt acht Stufen für die Rektifizierungszone.

Die Arbeitslinie für die Abstreifzone wird durch die paarweise Zusammenfassung jeder der Stufen in der Rektifizierungszone mit einer Stufe in der Abstreifzone gefunden. Die paarweise Zusammenfassung von Stufe zu Stufe geht von der Grundlage gleicher Enthalpieübertragung aus.

Die Auswahl einer der Arbeitslinien ist teilweise willkürlich. Beispielsweise wird hier von einer oberen Arbeitslinie als einer geraden Linie ausgegangen. Ist diese Annahme einmal gemacht, dann ist die 3?orm und Lage der unteren Arbeitslinie nicht langer willkürlich, da die Enthalpie, die hinzuzufügen oder wegzulassen ist, die 2,wischenpunkte der zweiten Arbeitslinie bestimmt.

3?ig. 4- zeigt die Stufen im McGabe-Diagramm mit den entsprechenden Arbeits- und Gleichgewichtslinien.

In den Figuren 5 und 5A sind schematisch die Anordnung der Stufen gezeigt und die Dampf- und 3?lüssigkeitsströme, die jeweils in jede Stufe eintreten und diese verlassen, angegeben.

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Die· Wärmeübertragung zwischen den ßektiflzierungs- und Abstreifstufen ist in dieser Zeichnung nicht wiedergegeben, sie wird in späterem Zusammenhang noch Erwähnung finden.. Die folgende Darstellung d,er Arbeitsweise geht von einer Beschickung von einem Mol Luft aus.

Die Luft wird bei 30O⁰K mit einem Druck von 3»26 ata zugeführt und im Gegenstrom" von den erzeugten Dämpfen auf 93°K abgekühlt," die in den Wärmeaustauscher H/E-0 mit 9O⁰K und einem Druck von annähernd 1 ata eintreten.

Diese Luftbeschickung bei 93°K wird in die achte Stufe eingebracht, wo sie mit Dampf vermischt wird, der aus dem Kompressor C-9 kommt, nachdem er von erzeugtem Stickstoff in dem Wärmeaustauscher H/E-8 abgekühlt worden ist. Der Stickstoffmolaribeil in der Gasphase beträgt 0,79» wobei die -Gesamtzahl der in die Stufe 8 eintretenden Mole 1*43925 beträgt.

Der die Stufe 8 verlassende Flüssigkeitsstrom beträgt 0,60856 Mole und sein Molanteil ist 0,5716. Die unterschiedlichen Temperaturen und Drücke in jeder Stufe können in der Zeichnungsdarstellung verfolgt werden.

Um eine Wärmeübertragung von den Hektifizierungsstufen zu den Abstreifstufen zu erreichen, muß eine Temperaturdifferenz zugelassen werden, wofür im Ausführungsbeispiel 3°0 gewählt wurden. Je geringer diese Temperaturdifferenz ist, um so höher ist der Wirkungsgrad der Trennung in bezug auf die erforderliche Energie.

Gleichzeitig vergrößert sich die für die Wärmeübertragung notwendige Oberfläche, wobei es eine Angelegenheit

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der Wirtschaftlichkeit ist, die passende Temperaturdifferenz auszuwählen. Die Dämpfe, die die erste Stufe verlassen, werden bei 93°K auf den erforderlichen Druck komprimiert, um das gewünschte N^-Produkt zu erhalten, wenn es durch den indirekten Kontakt mit dem quasi kochenden, flüssigen Sauerstoffprodukt teilweise kondensiert wird. Dieses geschieht im Op-Verdampfer. Der kondensierte Teil bildet den Hückflußstrom, der in den obersten Abschnitt der Säule gegeben wird, was in der Darstellung mit den Bezugszeichen L , X angedeutet ist. Der nicht kondensierte Teil ist der Produkt-Stickstoff und wird unter einem Druck von 4,$14 ata ausgetragen. Die durch die Kompression entstehende Wärme der zwischenstufigen Dampfströme wird von dem System entfernt, und es erfolgt ein .absenken auf die Umgebungstemperatur.

Es ist möglich, irgendeinen geeigneten Kälteerzeuger für diesen Zweck zu verwenden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde bevorzugt ein unter Druck gesetzter Strom aus Produkt-Stickstoff für die oben genannten Zwecke verwendet. Wie aus den Darstellungen in i'ig. 5 und Fig. 5A ersichtlich, wird dieser Stickstoffstrom über Expandiervorrichtungen E-O entspannt, -um dessen Temperatur so weit herabzusetzen, daß ein Wärmeaustausch mit dem den Kompressor 0-1 verlassenden Dampf möglich ist. In diesem Fall war die durchschnittliche Temperaturdifferenz auf 5°0 festgelegt·, .bei dieser Arbeitsweise fällt die Temperatur von 93⁰K auf 73»2⁰K ab, und die Expandiervorrichtung liefert einen bestimmten Betrag der an der Welle zu leistenden Arbeit. Die in dem Compressor 0-1 entwickelte Wärmemenge wird über den Wärmeaustauscher H/E-1 auf den Stickstoffstro'm übertragen, dessen Temperatur auf 88,438⁰K ansteigt.

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Die Entspannung dieses erwärmten Stickstoffstromes über die Turbine E-1 liefert die für die Kompressor C-1 erforderliche Energie. Dabei fällt der Druck von 3,31485 auf 3*12982 ata. Offenkundig entsprechen die Vorrichtungen Turbo-Kompressoren, bei denen die Kompressor- und Turbinenräder auf ein und derselben Welle befestigt sind, was für den hier in Betracht zu ziehenden Anwendungszweck besonders vorteilhaft ist. Somit wird im Endeffekt die Wärme der Kompression in die Arbeit an der Welle gesteckt, und zwar auf Kosten eines Druckabfalls des Stickstoff-Stroms.

Die in den Figuren 5 und 5A gezeigten Mengen spiegeln den schlechten Wirkungsgrad (adiabatisch) für die.. Turbo -Kompressoren wieder, der bei 14 ⁰P liegt. Ijach Durchgang durch alle Expandiervorrichtungen verläßt der Stickstoff die Expandiervorrichtung E-16 bei 8'7,2⁰K mit einem absoluten Druck von 0,86688 atm. Dieser Stickstoffstrom wird nun erneut auf 0,9536 atm. komprimiert und durch den Kompressor C-O, der seine Energie von der Turbine E-O bezieht, auf den genannten Druck und 90⁰K gebracht. Die Turbine E-O gibt einen Energiebetrag ab, der etwas über dem für den Kompressor C-O erforderlichen liegt und mittels einer Bremse (Luftventilator) aufgebraucht wird.

Der Gesamtwirkungsgrad in diesem Ausführungsbeispiel, und zwar der Energieverbrauch zur Kompression des zugeführten Luftsti'omes auf 3 »267 ata und des Stickstoffes von 0,9536 ata auf 1 ata, verglichen mit dem theoretischen Energiebetrag, welcher für die Trennung von O₂ und N₂ aus der Luft erforderlich ist, ergibt sich zu etwa 25 fö (die Entropiezunahme der Mischung bei Raumtemperatur bestimmt die absolute Temperatur).

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Me näherungsweisen Beiträge zur vollständigen Leistungsuni' ähigkeit sind die folgenden:

1. Die Ineffizienz in den Turbo-Entspanneinheiten liegt bei 50 Si₁

2. die Ineffizienz der Hauptluftkompressoreinrichtung bei 25 ^c/o.

5. Die Ineffizienz bzw. nicht vorhandene Effektivität, die sich durch die Wärmeübertragung zwischen den Eektifizierungs- und Abstreifstufen, den Gas- zu Gaswärmetauschern, dem Oo-Verdampfer und dergleichen ergibt, liegt bei 25 #.

hieraus kann geschlossen werden, daß jede Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades der Kompressions- und !expansionseinrichtung die Gesamteffektivität des Verfahrens sehr erheblich verbessern würde.

Die vvärrneübertragung zwischen entsprechenden Stufen mit dem gleichzeitigen Massentransport auf jeder Stufe kann auf verschiedene V/eise erreicht werden. Ein möglicher Weg besteht in der Verwendung einer zwischengeschalteten flüssigkeit, die die Wärmeübertragung durch Kochen bewirken würde, wenn eine Wärmeübertragung von einer der iiektifizierungsstufen zu ihr stattfindet und das Kondensieren und die Wärme zu der entsprechenden Arbeitsstufe übertragen würde. Die Wärmeübertragung würde hierbei mittels herkömmlicher Wärmeaustauscher vorgenommen werden.

Dieses Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung arbeitet mit einer zwischengeschalteten Flüssigkeit, die hier-

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bei einer Phasenänderung unterworfen wird. Dieser Fall ist in Fig. 6 dargestellt, wobei beispielsweise eine Wärmeübertragung von der Stufe 3 von Fig. 5 zu der Stufe 14 von Fig. 5-Ä-, wie dargestellt, er-folgt. Die Figur zeigt das Fließbild des Verfahrens, wobei die beiden Wärmeaustauscher von herkömmlicher Rohr- oder Mantelform bzw. in kapseiförmiger Ausbildung Anwendung finden. Darüberhinaus ist der erste Wärmeaustauscher mit einer leitfläche versehen.

Wie in bezug auf die Stufe 3 ersichtlich, werden die Verfahrensströme über den Hohlkörper des Wärmeaustauschers · gegeben, während das Wärmeübertragungsmittel innerhalb der .Rohre fließt, wobei es sich eng an die Wandung anschmiegt und durch Aufbau eines Flüssigkeitspooles, welcher in das Innere der Bohre, wo es zum Sieden gebracht wird, überfließt, in geeigneter V/eise zugeführt und verteilt wird. Der erzeugte Dampf gelangt in den Bodenbereich der Hohlraumseite, wird teilweise kondensiert, indem er nach oben strömt, wobei er in Berührung mit dem flüssigen Strom tritt, welcher in den oberen Bereich der Hohlraumseite eintritt, so daß hierdurch hassentransporte gegeben sind.

Der gleiche Vorgang erfolgt bei dem anderen Wärmeaustauscher, aber an .der gegenüberliegenden Seite der Rohrwandung. Insofern sei auf Fig. 6 verwiesen, die für sich selbst spricht. Die Übertragungsflüssigkeit kann aus einer Zahl von Substanzen, die sich bei dieser Temperatur (91,5°K) in flüssigem Zustand befinden, ausgewählt werden. Für den vorliegenden speziellen Fall würde flüssiger Stickstoff bei annähernd 4 atm. Druck als geeignete Substanz in Frage kommen.

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Eine weitere Möglichkeit zur Wärmeübertragung zwischen sich entsprechenden Stufen ist in Fig. 7 dargestellt. Hier wird von zwei Flüssigkeitsschichten ausgegangen, von denen jeweils eine auf jeder Seite der Rohre nach unten fließt und hierbei in geeigneter Weise mittels Leitflächen 14 verteilt' werden, die flüssigkeitssammelnd und -gasausrichtend wirken.

Die Stufe 3 besteht aus der Höhlraumseite, die Stufe 14 aus der Rphrseite. Die in die Stufe 14 eintretenden Flüssigkeits- und Gasbeschickungen entsprechen der Darstellung gemäß Fig. 6. Innerhalb des Hohlraumes sind die Leitflächen mit ihren freien Enden nach oben gebogen, so daß sie eine Art Sammelschale bilden und einen ringförmigen Abstand um die Rohre freigeben, wodurch die Flüssigkeit an der Rohrwandung nach unten fließen kann. Eine derartige Anordnung wirkt darüberhinaus als Wiederverteiler. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, fließen Gas und Flüssigkeit im wesentlichen im Gegenstrom.

In dem gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel finden sechzehn Zwischenstufen-Kompressoren mit unterschiedlichen Druckverhältnissen Anwendung. Es kann stellenweise wünschenswert sein, den gleichen Fraktionierungsgrad (Luft) bei Verwendung von weniger Kompressoren zu erreichen, wobei die Kompressoren einheitlichere Kompressionsverhältnisse besitzen.

In Fig. 8 ist ein B_eispiel gezeigt, in dem nur sechs Zwischenstufen-Kompressoren erforderlich sind. Hierbei ist aus den angezeigten Drücken ersichtlich, daß die Kompressionsverhältnisse zwischen 1,176 und 1,58 liegen.

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Die Abstreifzone ist aus fünf Abschnitten zusammengesetzt, von denen jeder isobar arbeitet, wobei die Temperatur zwischen 88⁰K und 90⁰K variiert. Wie ersichtlich, sind die Abschnitte mit den Zahlen I bis V versehen. Der Rektifizierungsabschnitt besteht aus zwei Stufen, von denen jede isobar arbeitet. Die Temperatur variiert hier von 92°K bis 94°K.

Fig. 9 stellt ein Diagramm für die Wärmeübertragung dar, in welchem, wie hervorgehoben werden soll, Wärme von paarweise gruppierten Rektifizierungsstufen auf größere einzelne Abstreifstufen übertragen wird,

Fig. 10 zeigt ein McCabe-Diagramm für die letztgenannte Arbeitsweise.

Diese Anordnung ermöglicht eine Reinheit von Sauerstoff von 99,5% und eine Stickstoff-Reinheit von 95%, wobei der Gesamtwirkungsgrad etwas geringer als 25% ist.

Ein anderes Beispiel für eine Rektifizierung bei höheren Temperaturen als die der Umgebung und mit einem relativ geringen Verflüchtigungsverhältnis sind Mischungen aus Propan-Propylen.

Die Beschickung besteht hierbei aus einer Mischung von 60% Propylen und 40% Pronan und wird bei einem Druck von 17,1 atm. zugegeben. Es können 99,8% Propylen mit einer Reinheit von 9,9,8% und Propan mit einer Reinheit von 97% hergestellt werden.

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Die Abstreifzone wird auf einem Druck von 12,9 atm. gehalten, während innerhalb der Rektifizierungszone 17,1 atm. vorliegen.

Die die Abstreifzone verlassenden Dämpfe werden auf den in der Rektifizierungszone herrschenden Druck komprimiert, was mittels geeigneter Zentrifugal-Kompressoren geschieht, und die hierbei entstehende Wärme wird mittels eines Zwischenkühlers entfernt.

Der Temperaturbereich in der Rektifizierungszone liegt zwischen 43,3°C im obersten Bereich und 46,1°C am Boden. Der Temperaturbereich in der Abstreifzone beträgt 34,15°C im obersten Bereich und 37,8°C am Boden. Die Wärmeübertragung zwischen den Stufen der Rektifizierungszone und der Abstreifzone wird in gleicher Weise, wie oben in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel für Luft beschrieben wurde, durchgeführt (s. Fig. 8).

Die Enregiezufuhr für dieses System (Kompressionsarbeit) beträgt annähernd 1290 JTkcal (4800 BTU) pro 0,454 kp MpI der Beschickung in der Säule.

Für Vergleichszwecke sei auf eine herkömmliche Säule, die mit konstantem Molüberfluß arbeitet, verwaisen, wobei dieser gleiche dem Überfluß der erfindungsgemäüen Säule in der Beschickungsstufe sei. Bei einer derartigen Säule beträgt die Energiezufuhr in dem Aufkocher etwa 17640 ITkcal (70000 BTU) pro 0,454 kp Mol der Beschickung oder das fünfzehnfache dessen, was beim erfindungsgemäßen Verfahren an Energieaufwand erforderlich ist.

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In Fig. 11 ist schließlich noch ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die innere Kompression nur zwischen Abstreifzone und Rektifizi'erungszone erfolgt*

Es soll noch E_rwähnung finden, daß der Total-Temperaturbereich jedes Abschnittes, und zwar am Boden und an den oberen Stufen, von 90⁰K bis 83,72°K in der unteren und von 93,67°K bis 90,36⁰K in der oberen Stufe variiert. Dies kann fast nicht me"hr isothermer Betrieb genannt werden. In diesem Ausführungsbe'ispiel sind darüberhinaus zwei neue Variationen eingebracht.

Eine hiervon bezieht sich auf die Art und Weise, in der von der Rektifizierungszone zu der Abstreifzone übertragen wird.

Die andere bezieht sich auf eine abgestufte Kompression zwischen Abstreif- und Rektifizierungszone, die derart ausgeführt wird, daß das im oberen Bereich anfallende Produkt (Stickstoff) einen Enddruck von im wesentlichen 1 atm. aufweist. Dies wird durch Auswahl eines geeigneten Druckes für das Beschickungsgas (Luft), welches in die Säule eintritt, erreicht. Aus den Darstellunge ist auch ersichtlich, daß die gesamte Massen- und Wärmeübertragung, die in irgendeiner einzelnen Stufe bewirkt wird, in zwei Teile untergliedert werden kann, von denen der eine eine Massenübertragung ohne irgendwelche äußere Wärmeübertragung bewirkt, während der andere den gesamten externen Wärmetransport bewirkt, sowie etwas Masseübertragung. Bei geeigneter Auswahl der Fraktion des Dampfstromes, der die Stufe verläßt, die derjenigen folgt, in der die Wärmezurückweisung in der Rektifizierungszone erfolgen soll, und ferner diejenige geeignete Fraktion der Flüssigkeit,

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die die Stufe, die derjenigen vorhergeht, in der die Wärmeaufnahme in der Abstreifzone erfolgen soll, verläßt, wird ein Dampfstrom erhalten, der in das Innere des Hohlraumes bzw. in den V/ärmeaustauschereintritt und durch den sich durch die Kondensierung zwei Ströme ergeben, und zwar ein flüssiger Strom und ein Dampfstrom, die im wesentlichen im Gleichgewicht miteinander stehen.

Der. auf der Rohrseite eintretende Flüssigkeitsstrom, der entlang derselben als fallender Überzug nach unten läuft, ergibt eine am Boden dor Rohre austretende Flüssigkeit und einen Dampf, der den oberen Abschnitt der Rohre verläßt, wobei dieses System im wesentlichen im Gleichgewicht steht.

In Fig. 11 ist beispielsweise die Wärmeübertragung von der Stufe 3 der Abstreifzone zu der Stufe 3¹ in der ^ektifizierungszone gezeigt.

Der die Stufe 4 verlassende Dampfstrom nach Vereinigung mit dem Dampfstrom des Wärmetauschers, der dem gezeigten folgt, wird in zwei Ströme V« und Voraufgespalten.

Der letztgenannte Strom V¹^j tritt in die Mante^lseite des Kondensators ein und wird hier teilweise zu einem Flüssigkeitsstrom L'qq niedergeschlagen, wobei dieser die gleiche Zusammensetzung wie der die Stufe 3 verlassende Flüssigkeitsstrom L_OD aufweist. Beide Ströme vereinigen

Ott

sich nunmehr und treten gemeinsam in die Stufe 4 ein.

Der nicht kondensierte Teil V₃₀ verbindet sich mit dem Dampfstrom V₃₀ -, welcher die Stufe 3 verläßt, und der vereinigte Strom V« _Λ wird nun aufgespalten in einen Teil,

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welcher in die Stufe 2 eintritt, während der restliche Teil einem Wärmetauscher, der dem dargestellten vorgeschaltet ist, zugeführt wird.

Der Flüssigkeitsstrom von der Stufe 2¹ zur Stufe 3¹ wird aufgespalten in einen Teil L'oq» der in die Rohrseite des Wärmetauschers eintritt, wobei hier in geeigneter Weise eine Verteilung in Filmen über die Rohrwandungen erfolgt.

Die auftretende teilweise Verdampfung hat cfeinen Dampfstrom V'₃Q zur Folge, welcher die Rohre des Wärmetauschers verläßt und sich mit dem Dampf verbindet, der aus der Stufe 3¹ austritt, wobei beide Dämpfe eine gleiche Zusammenstzung besitzen. Der nicht verdampfte Teil L¹O₀ verläßt den Wärmetauscher und vereinigt sich mit dem Flüssigkeitsstrom, der von der Stufe 3¹ abgegeben wird, wobei auch hier beide Komponenten die gleiche Zusammensetzung haben. F_lls die Zahl der Stufen in einer der Zonen

el

unterschiedlich zu der Zahl der Stufen der anderen Zone ist, wird eine entsprechende Zahl parallel geschalteter Wärmetauscher verwendet, wobei ein entsprechender. Zufluß zu jedem von ihnen die Wärmeübertragungeserfordernisse der einzelnen Stufen erfüllt.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur fraktionierten Trennung von Substanzen unterschiedlicher Flüchtigkeit bzw. mit verschiedenen Siedepunkten, dadurch gekennzeichnet , daß die sich aus einer Mischung von zu trennenden Materialien zusammensetzende Beschickung für eine Trennsäule oder dergleichen durch eine Rektifizierungszone bei einer Temperatur hindurchgegeben wird, bei der eine Verdampfung wenigstens einer der flüchtigeren Bestandteile stattfindet, wobei ein Kontakt zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase aufrechterhalten wird, bis im wesentlichen ein Gleichgewichtszustand in dem System erreicht ist, daß wenigstens ein Teil des Dampfes kondensiert und in die Rektifizierungszone als Rückfluß zurückgeführt wird, daß die Flüssigkeit von der Rektifizierungszone zu einer Abstreifzone, die wenigstens eine Stufe aufweist, übertragen wird, daß Flüssigkeit aus der Abstreifzone, die mit einem hochkochenden Anteil der zu trennenden Mischung angereichert ist, entnommen wird, daß ein Aufkochen eines Teiles und ein Hindurchgeben der Dämpfe von unten nach oben durch die Abstreif- und Rektifizierungszonen erfolgt, ein veränderlicher Rückfluß aufrechterhalten wird, der nach unten durch die Rektifikationszone bis auf ein Maximum am Beschickungseinlaß ansteigt, um dann durch die Abstreifzone abzunehmen, wobei das System bei unterschiedlichem molarem Flüssigkeitsüberlauf arbeitet und in der Rektifizierungszone überschüssige Wärme mehr als in der Abstreifzone, anfällt, die durch indirekten Wärmeaustausch von den Rektifizierungszonen zu den entsprechenden Abstreifzonen übertragen wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Rektifizierungszone und die Abstreifzone Mehrfachstufungen aufweisen und die indirekte . Wärmeübertragung zwischen paarweise zusammengehörenden Stufen von der Rektifizierungs- zur Abstreifzone erfolgt, wobei die Stufe am Ende der Rektifizierungszone die Wärme zu der Stufe am Ende der Abstreifzone usw. überträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch- gekennzeichnet, daß die Rektifikations- und Abstreifzonen im wesentlichen unter isothermen Bedingungen betrieben und der Druck von Stufe zu Stufe von dem Aufkocher (reboiler) zur letzten Stufe der Rektifizierungszone hin erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärme von der Rektifizierungszone indirekt auf eine Hilfsflüssigkeit übertragen wird, die einem Phasenwechsel bei einer Temperatur unterhalb derjenigen der Stufe, bei welcher eine Verdampfung der Flüssigkeit eintritt, aber oberhalb der in der Abstreifzone vorhandenen Temperatur unterliegt, daß Dampf für den indirekten Wärmeaustauschkontakt mit der entsprechenden Abstreifstufe übertragen wird, was zur Kondensation führt, und daß die kondensierte Flüssigkeit in die Rektifizierungsstufe zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Flüssigkeit von einer Rektifizierungsstufe in Form eines dünnen Filmes entlang einer WärmeIeitwandung und Flüssigkeit von der entsprechenden Abstreifstufe in einer gleichfalls dünnen Schicht auf der gegenüberliegenden Seite der genannten Wandung, einen Wärmeaustausch auf diese Weise ermöglichend, fließen läßt.

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