DE262728C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 262728 KLASSE Mg. GRUPPE

Dr. GEORGE FRANCOIS JAUBERT in PARIS.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. September 1911 ab.

° ° ^D ° 14. Dezember 1900

auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom 9. Mai 1911 anerkannt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur unmittelbaren Zerlegung der atmosphärischen Luft und Gewinnung ihrer drei Bestandteile, nämlich des Stickstoffs, des Sauerstoffs und der seltenen Gase in reinem Zustande. Durch die Erfindung wird insbesondere die Erzielung einer sehr niedrigen Temperatur bezweckt, die nicht nur zur völligen Verflüssigung des Stickstoffs und des Sauerstoffs der Luft sowie zur gleichzeitigen Abscheidung der leichten seltenen Gase genügt, sondern niedriger als die zur Verflüssigung von Stickstoff und Sauerstoff erforderliche Temperatur ist, um einen möglichst guten Wirkungsgrad der Rektifikationskolonne zu erreichen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.

Fig. ι ist eine schema tische Gesamtdarstellung der Einrichtung.

Fig. 2 ist eine Einzelansicht.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht hauptsächlich darin, die Luft zunächst auf bekannte Weise durch einen Kühlprozeß zu verflüssigen, darauf die flüssige Luft unter den Siedepunkt des dann den flüchtigsten Bestandteil der Flüssigkeit bildenden Stickstoffs abzukühlen und schließlich bei dieser Temperatur in eine Rektifikationskolonne überzuleiten.

Hierdurch wird bezweckt, einerseits die ganzliehe Verflüssigung des Sauerstoffs und des Stickstoffs unter Abscheidung der leichten seltenen Gase, anderseits die völlige Zerlegung der flüssigen Luft in reinen Stickstoff und reinen Sauerstoff in der Rektifikationskolonne zu erzielen. ■ "

Die zu zerlegende Luft wird von einer Pumpe α durch einen Kühler, Reiniger und Trockner δ in eine Wärmeaustauschvorrichtung c gedrückt, die vier Rohrschlangen 1, 2, 3, 4 enthält. Die Luft durchströmt die Rohrschlange ι von oben nach unten, während die Schlangen 2, 3, 4 in entgegengesetztem Sinne durchflossen werden, und zwar die Schlange 2 von den aus der flüssigen Luft abgeschiedenen seltenen Gasen, die Schlange 3 von reinem Sauerstoff und die Schlange 4 von reinem Stickstoff. Die beiden letztgenannten Gase werden in der letzten Stufe des Verfahrens gewonnen, wie weiter unten beschrieben ist. Die beim Verlassen der ersten Wärmeaustauschvorrichtung c schon auf eine unter —100⁰C. liegende Temperatur abgekühlte Luft wird nunmehr durch ein Rohr d in eine Rohrschlange e geleitet, die im unteren Teile einer Rektifikationskolonne f in flüssigem Sauerstoff liegt, der durch die die Schlange e durchströmende Luft vergast wird, Die mehr oder

weniger vollständig verflüssigte Luft gelangt dann durch ein Rohr g in eine zweite Wärmeaustauschvorrichtung h, die sie in einer Rohrschlange 5 von oben nach unten durchfließt. Diese Wärmeaustauschvorrichtung durchströmen in entgegengesetztem Sinne in einer Rohrschlange 6 Gase, die stark abgekühlt sind. Die Luft wird in der Vorrichtung h vollkommen verflüssigt und unter den Siedepunkt

ίο des Stickstoffs abgekühlt, der in diesem Zeitpunkt den flüchtigsten Bestandteil der Flüssigkeit bildet. Die Luft wird in einem Behälter i gesammelt, in dem der leichte Teil ihrer nicht verflüssigten seltenen Gase abgeschieden wird, der nunmehr in eine Rohrschlange 7 der Wärmeaustauschvorrichtung h und dann • in die Schlange 2 der Vorrichtung c emporsteigt.

Die im Behälter i befindliche flüssige Luft, die jetzt lediglich aus Stickstoff und Sauerstoff sowie gegebenenfalls einer unbeträchtlichen Menge von schweren seltenen Gasen besteht, wird nun durch eine mit einer Drosselvorrichtung m versehene Leitung k in den oberen Teil der Rektifikationskolonne f geführt, in der sich in bekannter Weise die endgültige Trennung des Stickstoffs und des Sauerstoffs vollzieht. Der Stickstoff entweicht in reinem Zustande am oberen Ende der Kolonne f durch eine Leitung η und kehrt zu der Wärmeaustauschvorrichtung c. zurück, deren Rohrschlange 4 er von unten nach oben durchströmt, wobei er zur Abkühlung und teilweisen Verflüssigung der in der Schlange 1 befindlichen Luft beiträgt. Der Sauerstoff verläßt dagegen die Kolonne f an ihrem unteren Ende durch ein Rohr 0 und fließt ebenfalls in die Vorrichtung c zurück, deren Rohrschlange 3 er in entgegengesetztem Sinne wie die Luft durchströmt.

Die Kühleinrichtung, mit deren Hilfe die vollständige Verflüssigung des Sauerstoffs und des Stickstoffs in der Vorrichtung h bewirkt werden soll, besteht aus einem Verdichter p, der die Gase durch einen Kühler, Reiniger und Trockner q in die Rohrschlange s einer Wärmeaustauschvorrichtung r drückt, aus der sie durch eine Druckmindervorrichtung i in die zu der Wärmeaustauschvorrichtung h gehörige Rohrschlange 6 strömen, um schließlich durch ein Rohr u in eine von der Wärmeaustauschvorrichtung r umschlossene Rohrschlange ν und durch ein Rohr χ zum Verdichter p zurückzukehren. Der in dieser Einrichtung vor sich gehende Kühlprozeß zeichnet sich Vor den bekannten Verfahren dadurch aus, daß dabei Gase ohne Sauerstoffgehalt und mit einem unter dem Siedepunkt des Stickstoffs liegenden Siedepunkt verwendet werden, beispielsweise der leichte Teil der seltenen Gase der atmosphärischen Luft.

Um den in der Rektifikationskolonne f aufsteigenden Gasstrom zu zwingen, einen der Bahn der zu rektifizierenden Flüssigkeit entgegengesetzten Weg zu nehmen, und um die Bauart und die Zusammensetzung dieser Kolonne zu vereinfachen, bestehen deren Elemente in der Hauptsache aus je zwei zu einem bikonvexen Hohlkörper zusammengesetzten Kalotten 10, 11, die mit feinen Öffnungen versehen sind und den oberen Abschluß einer zylindrischen Kammer 12, 13 (Fig. 2) bilden. Bei dieser Anordnung können die einzelnen Elemente der Kolonne vor dem Zusammenbau fertiggestellt werden und brauchen dann einfach ineinandergesteckt und beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden zu werden.

Die in der Kolonne nach unten fallende Flüssigkeit trifft auf die Mitte der obersten nach oben gewölbten Kalotte 10 und fließt nach deren Umfange zu, wobei sie auch an der unteren Fläche dieser Kalotte haften bleibt; der größte Teil der Flüssigkeit fließt erst dicht am Umfange auf die darunterliegende, nach unten gewölbte Kalotte 11. Auf dieser breitet sich die Flüssigkeit ebenfalls aus und fließt erst in der Mitte auf die nächste, nach oben gewölbte Kalotte 10 übef.

Das in der Kolonne von unten nach oben emporsteigende Gas, das den Weg vom geringsten Widerstand einzuschlagen sucht, trifft zunächst auf die nach unten gewölbte Kalotte 11, durchströmt diese am Umfange und gelangt dann zu der folgenden nach oben gewölbten. Kalotte 10, die es erst nach der Mitte zu durchdringt, nachdem es mit der in der Kolonne nach unten fallenden Flüssigkeit in innige Berührung gekommen ist. Auf diese Weise folgen die Flüssigkeit und das Gas den durch die Pfeile F bzw. G in Fig. 2 angegebenen Wegen, d. h. sie strömen in entgegengesetzter Richtung aneinander entlang.

Die beschriebene Erfindung hat folgende Vorzüge:

1. Dadurch, daß bei dem Kühlprozeß ein Gas ohne Sauerstoffgehalt verwendet wird, können die Verdichterzylinder mit Öl geschmiert werden. Wird für den Kühlprozeß entspannte Luft verwendet, so dürfen bekanntlieh zur Vermeidung von Explosionen in den Zylindern .die Verdichter nur mit Wasser geschmiert werden, oder man muß die Zahl der Verdichtungsstufen erhöhen, so daß die von der adiabatischen Verdichtung in jeder Stufe herrührende Erwärmung vermindert wird. Im letzten Falle kann zwar unter Umständen ohne zu große Gefahr öl zur Schmierung verwendet werden, der Preis der Verdichteranlage ist dann aber wesentlich erhöht.

2. Dadurch, daß bei dem Kühlprozeß ein Gas zur Verwendung kommt, dessen Siede-

punkt sehr niedrig (niedriger als der Siedepunkt des Stickstoffs) ist, kann die Entspannung dieses Gases in einem Expansionsmotor zur Arbeitsleistung unter erheblich besseren Bedingungen nutzbar gemacht werden als bei Verwendung von Luft als Treibmittel. Der Expansionsmotor kann bei einer unter der Verflüssigungstemperatur der Luft (— 191 °) liegenden Temperatur laufen. Wird dagegen

ίο Luft als Treibmittel für den Expansionsmotor benutzt, so ist bekanntlich das Unterschreiten einer Temperatur von —140 ° C. unmöglich, ohne daß eine vorzeitige Verflüssigung im Zylinder eintritt, die den Lauf des Motors beeinträchtigt und seine Kühlwirknng herabsetzt. 3. Durch Abkühlung der flüssigen Luft unter den Siedepunkt des Stickstoffs und durch Einführen der flüssigen Luft bei dieser niedrigen Temperatur in die Rektifikationskolonne wird erreicht, daß die in dieser Kolonne aufsteigenden Gase unter äußerst günstigen Be-. dingungen rektifiziert werden. Obgleich flüssiger Sauerstoff oben in die Kolonne eingeführt wird, so wird bei dem beschriebenen Verfahren doch eine vollkommene Ausscheidung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff erzielt, weil flüssiger Sauerstoff bei einer. derartig niedrigen Temperatur nur eine geringe Dampfspannung besitzt.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Verfahren zum Zerlegen atmosphärischer Luft und Gewinnen ihrer Bestandteile in reinem Zustande, dadurch gekennzeichnet, daß die in bekannter Weise verflüssigte Luft vor ihrer Einleitung in die Rektifikationskolonne durch einen besonderen Kühlprozeß unter den Siedepunkt des Stickstoffs abgekühlt wird, zum Zweck, einerseits die gänzliche Verflüssigung des Sauerstoffs und des Stickstoffs unter gleichzeiti-. ger Abscheidung der leichten seltenen Gase, anderseits die völlige Zerlegung der flüssigen Luft in reinen Stickstoff und reinen Sauerstoff in der Rektifikationskolonne zu erzielen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Kühlprozeß für die Unterkühlung der verflüssigten Luft ein Gas oder Gasgemisch ohne Sauerstoffgehalt, beispielsweise aus leichten sel-

   . tenen Gasen der Luft, unter Entspannung verwendet wird, dessen Siedepunkt unter dem Siedepunkt des Stickstoffs liegt, zum Zweck, nicht nur eine außerordentlich niedrige Temperatur zu erzielen, sondern auch die Schmierung der Verdichterzylinder mit öl zu ermöglichen.
3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine in der Anlage zur Verflüssigung der Luft liegende Wärmeaustauschvorrichtung (c), die von der zu verflüssigenden Luft in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird wie von den in der letzten Stufe des Verfahrens gewonnenen Stickstoff- und Sauerstoffgasen, und aus der die Luft in ein am unteren Ende einer Rektifikationskolonne (f) befindliches Sauerstoff bad gelangt, worauf sie im Gegen strom zu dem Kühlmittel eine Wärmeaustauschvorrichtung (h) durchströmt, in welcher sie durch ein besonderes Kühlmittel vermittels einer Rohrschlange (6) unter den Siedepunkt des Stickstoffs herabgekühlt wird und durch welche gleichzeitig die im Sammelbehälter (i) für die unterkühlte Luft sich abscheidenden seltenen Gase im Gegenstrom vermittels einer Rohrschlange (7) abziehen.
4. 4. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element der Rektifikationskolonne (f) aus zwei einander entgegengesetzt gewölbten, am Umfange miteinander verbundenen und mit feinen Öffnungen versehenen Kalotten (10, 11) besteht, die an eine zylindrische Kammer (12, 13) angeschlossen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.