DE2638084A1

DE2638084A1 - Verfahren zur isentropen expansion von gasen

Info

Publication number: DE2638084A1
Application number: DE19762638084
Authority: DE
Inventors: Richard Ernest Filippi; Leonard James Hvizdos; Richard Edward Luybli
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1977-03-10
Also published as: JPS5232879A; IT1066146B; US4202678A; CA1054048A; GB1541643A; FR2322341A1

Description

Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pennsylvania 18105, USA

Verfahren zur isentropen Expansion von Gasen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes isentropes Verfahren zur Verflüssigung eines Gases, vorzugsweise eines kryogenen Mediums und umfaßt das Bilden einer kritischen Flüssigkeit und deren isentrope Expansion in einem Peltonrad auf einen Druck unterhalb des kritischen Druckes zum Verflüssigen des Gases und zum Abführen von Arbeit. Der Wirkungsgrad des Peltonrades beim Abführen von Arbeit wird erhöht durch Abziehen des verflüssigten Gases aus dem Peltonrad bei der Sättigungstemperatur oder einer Temperatur, die unter der Sättigungstemperatür liegt, wobei um das Peltonrad herum eine Dampfatmosphäre aufgebaut und erhalten wird, indem ein zweites Gas bei der Sättigungstemperatur oder einer geringfügig darüberliegenden Temperatur des verflüssigten Gases in das Peltonrad zugeführt und außerdem die Enthalpie des verflüssigten Gases so erhöht wird, daß sie über der Entalpie einer gesättigten Flüssigkeit liegt. Die

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Erfindung kann zur Verflüssigung verschiedener Gase Anwendung finden, insbesondere zum teilweisen Verflüssigen eines Luftstromes, der nachfolgend in seine Komponenten aufgespalten wird.

Bei diesen Tieftemperaturverfahren sind große Kälteleistungen erforderlich, um die Gase zu verflüssigen. Üblicherweise kommen drei Verfahren zur Abkühlung von Gasen zur Verwendung:

1. der Wärmeaustausch des abzukühlenden Gases gegen die Verdampfungswärme einer Flüssigkeit,

2. die Anwendung des Joule-Thompson-Effektes bei Gasen und

3. die Expansion des Gases in einer Maschine, die äußere Arbeit verrichtet.

Das weitverbreiteste Verfahren zur Großproduktion ist das dritte Verfahren, bei welchem äußere Arbeit durch die Expansion des Gases in einer Expansionsmaschine erzeugt wird. Dieses Verfahren wird häufig als ein isentropes Expansionsverfahren bezeichnet, während das Joule-Thompson-Verfahren als isenthalpes Expansionsverfahren bezeichnet wird.

In einer Luftaufspaltungsanlage, die nach dem Pumpoder Spalt-Kreislaufverfahren arbeitet, wobei man Sauerstoff und Stickstoff produziert, wird die Luft üblicherweise auf einen Druck von etwa 7 bar oder höher komprimiert und in einen größeren und in einen kleineren Teil aufgespalten. Der größere Teil wird durch umkehrbare Wärmetauscher geführt und dabei die Luft zumindest soweit abgekühlt, daß Wasser und

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Kohlendioxyd entfernt werden. Der geringere Anteil des Luftstromes, der einen wesentlichen Anteil des Kältebedarfs zum Ausgleich des Energiebedarfs der Anlage liefert, wird auf einen Druck von etwa zwischen 80 - 210 bar gebracht und normalerweise in einem Wärmeaustauscher durch die Kälteprodukte abgekühlt, die aus der Trennanlage oder einer Hilfskühlanlage stammen, falls das Endprodukt als Flüssigkeit entnommen wird. Wenn eine zusätzliche Kühlung zum Betrieb der Trennanlage erforderlich ist, wird üblicherweise eine Hilfskühleinrichtung, beispielsweise eine Freonkühleinheit, verwendet. Die Abkühlung des kleineren Teiles kann auch auf andere Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Joule-Thompson-Expansion, d.h. einer Expansion bei gleicher Enthalpie, erfolgen oder durch eine isentrope Expansion oder durch eine Kombination beider, bevor der kleinere Teil dem größeren Teil zur Destillation zugeführt wird.

Aus wirtschaftlichen Gründen ist es natürlich wünschenswert, den Energiebedarf zur Verdichtung des Luftstromes möglichst gering zu halten und auch die Hilfskühlung minimal zu halten, die zum Betrieb der Luftkühlvorrichtung erforderlich ist. Dies kann einmal durch Verringerung des Energiebedarfs für den Hochdruckteil der Anlage erfolgen, in welchem das Gas verdichtet, gekühlt und expandiert wird oder andererseits durch einen wirksameren Abkühlvorgang.

Kühlkurven, d.h. der Graph einer Temperatur-Enthalpiebeziehung eines zu erwärmenden oder abzukühlenden Gases, geben Hinweise über den Wirkungsgrad der Anlage. Bekanntlich ist der Abstand zwischen den Kühlkurven ein Maß für den Energiebedarf

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zur überführung des zugeführten Luftstromes in den Austrittsluftstrom und außerdem ein Maß für die Irreversibilität des Prozesses. Als allgemeine Regel gilt, daß, je größer der Abstand zwischen den Kurven ist, desto größer ist die Energie, die erforderlich ist, um eine ausgeglichene Anlage zu erhalten. Wenn die Kühlkurven nahe beieinanderliegen, ist der thermodynamische Wirkungsgrad des Prozesses höher. Es sind dann weniger Energie, aber dafür umso größere Wärmetauscherflächen erforderlich, um den Kältebedarf möglichst gering zu halten. Nimmt also der Abstand zwischen den Kühlkurven zu, so wachsen die Kosten für das Verfahren. Nehmen dagegen die Abstände der Kühlkurven ab, so verringern sich auch die Kapitalkosten.

Die Kühlkurven einer Anlage, die Hochdruckgase produziert, d.h. Gase mit einem Druck von über 40 bar, zeigen, daß sie sich im rechten unteren Teil des Diagramms, d.h. bei Temperaturen unter etwa 160 K voneinander entfernen. Demzufolge wäre es vorteilhaft, die Kühlkurven erst ab 160K zusammenzudrücken, um den thermodynamischen Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.

Dies läßt sich durch zwei verschiedene Maßnahmen erreichen. Die erste besteht in einer Zusatzkühlung von diesem Punkt an und die zweite besteht darin, daß ein Teil des Gases aus dem Wärmetauscher entnommen wird, so daß das verbleibende Gas weiter abgekühlt werden kann. Eines der Hauptprobleme bei der Zusatzkühlung bei tiefen Temperaturen, insbesondere im unteren rechten Teil des Diagramms liegt darin, daß die Abkühlung sehr teuer ist, besonders im Vergleich zu einer Kühlung im oberen linken Teil des

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Diagramms. Wenn man einen Teil des einströmenden Luftstromes mitten aus dem Wärmetauscher herausführt, verbleibt dort weniger Gas, das durch das Endprodukt gekühlt wird.

Ältere Expansionsmaschinen arbeiteten unter Bedingungen, bei denen während der Expansion die Temperatur des Gases vom Einlaß bis zum Auslaß auf der Temperatur des Sättigungspunktes oder geringfügig darüber gehalten wird. Bildete sich dabei Flüssigkeit vor dem Auslaß, so führte dies zu Klopfen der Maschine, was Ausfälle nach sich führen kann.

Andere Systeme verwenden eine Expansionsmaschine, die äußere Arbeit verrichtet, wobei am Einlaß Temperatur und Druck so eingestellt sind, daß keine oder nur wenig Flüssigkeit am Auslaß der Expansionsmaschine gebildet wird.

Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, ein Peltonrad als hydraulische Turbine oder Motor zur Gasverflüssigung zu verwenden, wie es in der US-PS 3 203 191 gezeigt ist. Wie bei anderen Verfahren mit Hydraulikraotoren ist hier in dem Peltonrad nur eine einzige Phase vorhanden. Die Flüssigkeit wird dabei dadurch in dem Peltonrad erhalten, daß der Gegendruck des Motors den Sättigungsdruck der Flüssigkeit übersteigt.

Ein anderes Verfahren beinhaltet eine isenthalpische und eine isentropische Expansion, um die Kühlkurven einer Lufttrennanlage einander näherzubringen, was durch adiabatische Expansion der Luft erfolgt, nachdem diese in einem ersten Wärmetauscher abgekühlt wurde und ferner durch isentropische Expansion eines

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Luftnebenstromes, nachdem dieser durch einen zweiten Wärmetauscher geleitet wurde und schließlich durch Rückgewinnung der Kälte durch die Arbeit der expandierten Luft im ersten Wärmetauscher. Bei diesem Verfahren wird die Luft isentropisch expandiert, bevor sie in eine kritische Flüssigkeit umgewandelt wird, d.h. bei einer Temperatur von etwa 228 K und nicht bei wesentlich tieferen Temperaturen. Der Energieinhalt des Luftnebenstromes für die Expansionsarbeit ist daher stark begrenzt, um das Zusammenrücken der Kühlkurven bei niederen Temperaturen, d.h. zwischen etwa 172 K und 161 K zu verhindern. Außerdem werden durch das Abführen des Luftnebenstromes an dieser Stelle die Kühlkurven nicht wesentlich in der rechten unteren Seite des Diagramms, d.h. unter etwa 160 K, nähergerückt.

Ein anderes Verfahren zum Reinigen verdichteter Gasmischungen sieht die Entfernung von Wasser und Kohlendioxyd vor der Trennung vor. Bei einem solchen Verfahren wird ein Gasnebenstrom vom umkehrbaren Wärmetauscher zur Arbeitsgewinnung expandiert, um eine Tieftemperaturabkühlung zu erreichen und um die Wärme im umkehrbaren Wärmetauscher auszugleichen. Die Bedingungen bei diesem Verfahren sind so gewählt, daß nur eine geringe Gasmenge durch den Expander geführt wird, wobei die Einlaßtemperatur so gewählt ist, daß die größtmögliche Kälte erreicht wird, ohne daß in der Turbine Flüssigkeit kondensiert.

Im weitesten Sinne betrifft die Erfindung eine Verbesserung eines isentropen Verfahrens zur Verflüssigung eines ersten Gases, vorzugsweise jener kryogenen Gase, die einen Siedepunkt unter etwa 200 K haben, indem eine kritische Flüssigkeit gebildet und

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diese durch ein Peltonrad expandiert wird, bis auf einen Druck unter dem kritischen Druck wobei Arbeit abgeführt wird und daß durch Abziehen des ersten Gases aus dem Peltonrad bei oder unter dessen Sättigungstemperatur um das Peltonrad eine Dampf-Umgebung aufgebaut und erhalten wird, indem entweder ein zweites Gas in das Peltonrad injiziert wird, welches eine mindestens der Sättigungstemperatur des ersten Gases entsprechende oder eine geringfügig darüberliegende Temperatur aufweist oder daß die Enthalpie des verflüssigten ersten Gases nach dessen Durchgang durch das Peltonrad soweit angehoben wird, daß sie über der Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit liegt.

Eine besondere Anwendung der Erfindung betrifft ein Kühlverfahren zur Erzeugung eines Luftstromes, der in seine Komponenten zerlegt wird. Dabei wird der Luftstrom zunächst komprimiert und dann in mindestens einen größeren und einen kleineren Teil aufgespalten wird und daß sowohl der größere als auch der kleinere Teil zumindest teilweise gekühlt werden, um Kohlendioxyd und Wasser zu entfernen und daß der kleinere Teil soweit weiter abgekühlt wird, daß, wenn er wieder mit dem größeren Teil vereinigt wird, ein Luftstrom mit vorgewählter Temperatur und Druck entsteht. Dieses Verfahren umschließt die Kompression des kleineren Teiles bis auf einen dicht über dem kritischen Druck liegenden Druck; wenn der Gasdruck unter dem kritischen Druck liegt, wird der kleinere Teil bis mindestens unter die kritische Temperatur abgekühlt, wodurch sich eine kritische Flüssigkeit ergibt, die dann in einem Peltonrad isentropisch expandiert wird und zwar vorzugsweise unter Bedingungen, die es ermöglichen, die verflüssigte Luft bei

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ihrer Sättigungstemperatur oder darunter aus dem Peltonrad abzuziehen, so daß das Peltonrad in einer DampfUmgebung arbeitet, die dadurch erzeugt und aufrechterhalten wird, daß ein zweites Gas bei oder geringfügig über der Sättigungstemperatur dem Peltonrad injiziert wird und daß ferner die Enthalpie der verflüssigten Luft bis über die Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit angehoben und schließlich der expandierte kleinere Teil wieder mit dem größeren Teil vereinigt wird, so daß sich ein Luftstrom mit vorgewählter Temperatur und Druck bildet.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der kleinere Teil isentropisch auf einen ersten Druck und dann isenthalpisch auf den vorgewählten Druck expandiert.

Schließlich kann erfindungsgemäß auch der kleinere Teil bis auf eine Temperatur unter etwa 160 K abgekühlt werden, wobei diese Temperatur aber höher sein soll als diejenige, bei welcher sich die Kühl- und Erwärmungskurven um mehr als 5,5 K voneinander entfernen. Dann erfolgt eine Aufteilung in eine erste und eine zweite Fraktion, von denen die erste isenthalpisch auf den vorgewählten Druck expandiert und die zweite unter die kritische Temperatur gekühlt und dann, wie beschrieben, isentropisch expandiert wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende:

1. die Möglichkeit, eine einfache hydraulische Turbine, z.B. ein Peltonrad, zu gebrauchen, um einen besseren Wirkungsgrad bei der Durchführung

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der Arbeit zu erreichen und dabei die bei der Verflüssigung der Gase zu erzielende Kühlwirkung zu steigern;

2. die Möglichkeit, äußere Abkühlung, d.i* Freon-Einheiten, zu umgehen und die Verflüssigungsanlage besser auszunutzen, indem ein wesentlicher Teil der in der noch komprimierten Luft enthaltenen Energie zurückgewonnen wird;

3. die Möglichkeit, hochkomprimierte Gase von über 40 - 210 bar oder verflüssigte Gase in einer thermodynamisch wirksamen Weise zu erzeugen;

4. die Möglichkeit, die Luftmenge auf der Hochdruckseite der Anlage zu vermindern und damit die erforderliche Kompressorleistung gering zu halten;

5. die Möglichkeit, eine einfache Vorrichtung zur Gewinnung von Arbeit aus der Flüssigkeit zu verwenden, die teuere Hilfskühleinrichtungen, wie z.B. Freon-Kühlaggregate, ersetzt.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung werden im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hydraulikturbine mit einem Peltonrad mit den zughörigen Anschlußleitungen;

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Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Druck-Enthalpiediagramm für Stickstoff, woraus die als Beispiel gewählten Prozeßbedingungen ersichtlich sind;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Druck-Enthalpiediagramm für Methan, aus welchem die gewählten Prozeßbedingungen ersichtlich sind;

Fig. 4 eine scheraatische Darstellung einer Lufttrennanlage mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur isentropischen und isenthalpischen Expansion;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Temperatur-Enthalpiebeziehung beim Kühlen des kleineren Teiles und beim Erwärmen der Produktgase, d.h. von Stickstoff und Sauerstoff, die auf der Ordinatel als Summe aufgetragen sind, während die Enthalpieänderung pro Mol Druckluft auf der Abszisse erscheint, wobei das Diagramm Gültigkeit für die in Fig. 1 dargestellte Anlage hat;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer

Sauerstofftrennanlage mit den Vorrichtungen zur isenthalpischen und isentropen-Expansion des kleineren Teils;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Temperatur-Enthalpiebeziehung beim Kühlen des kleineren Teiles und beim Erwärmen der Produktgase, wobei hier

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wiederum die Temperatursumme von Stickstoff und Sauerstoff über der Ordinate aufgezeichnet sind und die Enthalpieänderung pro Mol Druckluft auf der Abszisse erscheint und dieses Diagramm für die Anlage gemäß Fig. 3 Gültigkeit besitzt.

In Fig. 1 ist ein Hydraulikmo-tor nach Art eines Peltonrades dargestellt. In einem Gehäuse 10 mit einem ersten Gaseinlaß 11 und einem zweiten Gaseinlaß 12 und einem Flüssigkeitsauslaß 13 lagert auf einer Achse 15 das Peltonrad 14. Dieses ist mit einer Vielzahl radial ausgerichteter Schaufeln 16 ausgestattet, auf welche das zu verflüssigende Gas auftrifft und somit das Peltonrad in Drehung versetzt. Üblicherweise ist die Achse 15 mit einem Hochgeschwindigkeitskompressor oder einer anderen Vorrichtung gekuppelt, damit das Peltonrad während des Verfahrenablaufs Arbeit verrichten kann.

Bevor jedoch eine im wesentlichen isentrope Expansion eines Gases und die Arbeitsrückgewinnung mittels des in Fig. 1 dargestellten Gerätes bewerkstelligt werden können, muß das Gas, beispielsweise also Helium, Luft, üthylen, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Amoniak, Methan, Agon, Neon, Äthan, Propan, Propylen oder Kohlenmonoxyd verdichtet und soweit abgekühlt werden, daß es nach einer isentropischen Expansion verflüssigt werden kann, üblicherweise wird das Gas auf einen Druck gebracht, der über dem kritischen Druck liegt und soweit abgekühlt, daß die Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt, so daß eine kritische Flüssigkeit gebildet wird. Wie aus einem Druck-Enthalpie-Diagramm ersichtlich ist, liegt eine

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kritische Flüssigkeit im oberen linken Gebiet und im entgegengesetzt unteren rechten Gebiet vor, wo die größte isentrope Expansion stattgefunden hat. Meistens werden die Bedingungen für eine isentrope Expansion in das Gebiet der kritischen Flüssigkeit hineingelegt, so daß sich eine wesentliche Enthalpieänderung bei der Expansion des Gases ergibt. Es ist verständlich, daß, wenn die Bedingungen so gelegt werden, daß nur geringe Enthalpieänderungen während der isentropischen Expansion stattfinden, die Entropielinien im Diagramm im wesentlichen senkrecht verlaufen und daß wenig Arbeit abgeführt wird, so daß die Hydraulikturbine nichts weiter als eine Joule-Thompson-Expansion durchführen würde.

Nachdem also das Gas verdichtet und auf einen Punkt im Gebiet einer kritischen Flüssigkeit abgekühlt wurde, wird das Gas über den Einlaß 11 in das Gehäuse 10 eingeführt. Der Einlaß 11 ist ein Drosselventil, welches so gerichtet ist, daß die Flüssigkeit nach Verlassen des Ventils auf die Schaufeln des Peltonrades 14 auftrifft und dieses dadurch in Drehung versetzt. Die kinetische Energie des verflüssigten Gases wird also, wenn es das Drosselventil verläßt, in mechanische Arbeit umgewandelt. Diese mechanische Energie wird üblicherweise an einen nicht dargestellten Kompressor oder Generator abgegeben, der an die Achse 15 des Peltonrades angekuppelt ist.

Zwei wesentliche Bedingungen müssen im Gehäuse 10 um das Rad 14 herum, während der Verflüssigung des ersten Gases aufrechterhalten werden. Erstens müssen die Bedingungen so gesteuert werden, daß im wesentlichen einphasige Flüssigkeitstropfen 17 gebildet und vom Rad 14 abgezogen werden können. Die Flüssigkeits-

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tropfen 17 fallen vorzugsweise im unterkühlten Zustand von den Schaufeln ab, d.h. um etwa 0,5 bis 3 K, insbesondere aber um 0,5 bis 1 K, unterkühlt. Mit dem Ausdruck "unterkühlt" ist gemeint, daß die Tropfen eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur aufweisen. Dies ist wichtig, um die Tropfen bei oder unter ihrer Sättigungstemperatur und nicht darüber abziehen zu können. Falls die Temperatur der Tropfen die Sättigungstemperatur wesentlich überschreitet, entstehen nämlich zweiphasige Tropfen aus Gas und Flüssigkeit. Die Erzeugung eines zweiphasigen Systemes in einer wesentlichen Menge, d.h. über 10% im Peltonrad 14 bzw. im Gehäuse 10, wurde die Drehung des Peltonrades verlangsamen, wodurch der Wirkungsgrad verringert würde, was zu erhöhtem Verschleiß und damit zu Maschinenausfällen führt.

JDie zweite wesentliche Bedingung zum Verbessern des Wirkungsgrades des Peltonrades besteht im Aufbau und in der Erhaltung einer DampfUmgebung um das Rad. Dies kann durch zwei verschiedene Methoden erreicht werden.

Bei der ersten Methode wird ein zweites Gas über den Einlaß 12 in das Gehäuse 10 eingespritzt, wobei die Temperatur geringfügig über oder bei der Sättigungstemperatur des ersten Gases liegt. Es ist natürlich vorteilhaft, das Gas genau bei der Sättigungstemperatur einzuführen, um damit die in das System eingeführte Wärmemenge möglichst gering zu halten. Es ist jedoch meistens sehr schwierig, die Temperatur des Gases so genau einzuhalten, so daß das Gas meistens bei einer Temperatur von 0,5 bis 2 K über der Sättigungstemperatur eingeführt wird.

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Da die Flüssigkeitstropfen,, wenn sie vom Peltonrad abfallen, sich in einem unterkühlten Zustand befinden, bewirken sie eine Abkühlung des Gases um das Peltonrad. Wenn das zweite Gas dasselbe ist wie das erste, kühlt sich das zweite ab und kondensiert und zusätzliches Gas muß daher zugeführt werden, um die Kondensationsverluste auszugleichen. Dies kann durch Verbinden des zweiten Einlasses 12 mit der Dampfseite des Speicherbehälters für das verflüssigte Gas erfolgen. Bei einer ständigen Verbindung mit einer Dampfquelle wird das Peltonrad ganz nach Bedarf mit Dampf versorgt.

Es ist jedoch andererseits auch möglich, daß das zweite Gas eine andere Zusammensetzung hat als das erste Gas. Vorzugsweise ist dieses Gas inert und unlöslich im ersten Gas. Mit inert ist gemeint, daß keine chemische Reaktion zwischen dem zweiten und dem ersten Gas stattfindet. Das zweite Gas sollte auch im ersten Gas bei den Verfahrensbedingungen unlöslich sein, so daß sich die beiden Gase nicht vermischen. Mit "unlöslich" ist dabei gemeint, daß nur geringe Mengen des zweiten Gases während des Verfahrens kondensieren und sich dadurch mit dem ersten Gas vermischen. Beispielsweise kann Helium als zweites Gas zur Erzeugung einer Dampfumgebung um das Peltonrad bei der Verflüssigung von Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff, Stickstoff, Amoniak u. dgl. verwendet werden.

Wenn das zweite Gas dem ersten unähnlich ist, ist es möglich, das Gas in das Gehäuse des Peltonrades bei einer Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des ersten Gases zuzuführen. Da jedoch ein wesentlicher Anteil des flüssigen Gases zusammen mit dem

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zweiten Gas zum Bilden einer Dampfumgebung durch das Peltonrad geführt wird, erwärmt sich das zweite Gas sehr schnell auf die Sättigungstemperatur des ersten Gases. Wegen dieser Erwärmung des zweiten Gases wird es bei einer Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des ersten Gases in das Gehäuse eingeführt, wobei die Bedingungen so betrachtet werden können, als ob das eingespritzte Gas die Sättigungstemperatür des ersten Gases hätte.

Die zweite Methode zum Bilden einer DampfUmgebung um das Peltonrad 14 im Gehäuse 10 besteht in der Steuerung der Expansion der kritischen Flüssigkeit durch das Peltonrad. Indem die Verluste des Peltonrades, d.h. Wärme- und Reibungsverluste, benutzt werden, um die Enthalpie der Flüssigkeitsschicht 18 auf eine Enthalpie bei der Sättigungstemperatur oder eine Enthalpie geringfügig über der Sättigungstemperatur zu erhöhen, so daß dabei Dampf erzeugt wird. Dieser Dampf wird dann durch die Leitung 12 abgeführt. Andere Bedingungen im Peltonrad 14, d.h. die Entfernung der Tropfen 17, bewirken dasselbe.

Die Erzeugung eines Gases aus der Flüssigkeitsschicht unter dem Peltonrad steht im Gegensatz zur Erzeugung eines Zweiphasensystemes, da die Flüssigkeit gegen die Schaufelblätter des Peltonrades trifft. Wenn das Gas aus der Flüssigkeitsschicht unter dem Rad erzeugt wird, besteht nur geringe Tendenz, den Wirkungsgrad der Anlage zu verringern. Andererseits verringert die Erzeugung eines Zweiphasensystemes im Drosselventil oder im Peltonrad den Wirkungsgrad.

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Da jedoch die Temperaturregelung im System auf etwa 1 K genau sehr schwierig ist, gibt es während des Betriebes Augenblicke, in denen Gas durch Kondensieren des Gases um das Peltonrad herum in die Flüssigkeitsschicht darunter gelangt und in denen Gas aus der Flussigkeitsschicht unter dem Peltonrad verdampft und abgeführt wird. Da diese beiden genannten Zustände während des kontinuierlichen Betriebes des Peltonrades in etwa gleich wahrscheinlich sind, ist es vorzuziehen, daß das Gas, welches zum Aufrechterhalten der Dampfumgebung um das Peltonrad verwendet wird, die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie das zu verflüssigende Gas.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zum besseren Verständnis als Beispiele erläutert. Die Erfindung soll jedoch dadurch nicht auf diese Beispiele beschränkt werden.

Beispiel 1

In Fig. 2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm für Stickstoff dargestellt, wobei gasförmiger Stickstoff zur Verflüssigung vorbereitet wird, indem er auf einen Druck von 206,8 bar und auf eine Temperatur von 100,4 K gebracht wird, so daß sich eine kritische Flüssigkeit bildet, wie es bei Punkt 19 angezeigt ist. Diese Bedingungen sind so vorgewählt, daß es möglich ist, den Vorteil einer wesentlichen Enthalpieänderung zu nutzen, der sich aus einer wesentlichen isentropen Expansion des Gases ergibt. Das Stickstoffgas wird dann im wesentlichen isentrop expandiert, wie es durch die Kurve 20 dargestellt ist und erreicht dabei einen Druck von 7,3 bar, der durch den Punkt 21 gekennzeichnet ist. Am Punkt 21 liegt der

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Druck des verflüssigten Gases leicht über dem Sättigungsdruck bzw. liegt die Temperatur leicht unter der Sättigungstemperatur. Die sich auf diese Weise bildenden Tropfen verflüssigten Stickstoffs werden dem Peltonrad in unterkühlten Zustand entzogen, d.h. bei einer Temperatur von etwa 97 K.

Stickkstoffgas von einer Temperatur von etwa 98,7 K, welche also etwas über der Sättigungstemperatur liegt, wird dem Peltonrad über den Einlaß 12 in Fig. 1 zugeführt, damit das Peltonrad in einer DampfUmgebung laufen kann. Da die Temperatur des verflüssigten Stickstoffs, wenn er aus dem Peltonrad abgezogen wird, unter der Sättigungstemperatur liegt und weil die Temperatur des Stickstoffs, welcher in das Peltonrad eingespritzt wird, leicht über der Sättigungstemperatur liegt, besteht eine Tendenz des das Peltonrad umgebenden Stickstoffs zu kondensieren, und unter dem Rad eine Flüssigkeitsschicht zu bilden, die etwa Sättigungstemperatur hat. Daraus ergibt sich, daß eine kontinuierliche Versorgung mit Stickstoff verfügbar sein muß, welcher dem Peltonrad zugeführt wird, um die DampfUmgebung aufrechtzuerhalten.

Falls das Peltonrad nicht mit einer gesonderten Dampfquelle zur Aufrechterhaltung der Dampfumgebung versehen ist, kondensiert die unterkühlte Flüssigkeit den Dampf über dem Peltonrad und der Flüssigkeitsspiegel im Gehäuse wird soweit steigen, bis schließlich das Peltonrad untertaucht. Wie bereits gesagt, steigt jedoch der Wirkungsgrad des Peltonrades, wenn das Rad in einer Dampfumgebung läuft und nicht in einer Flüssigkeit.

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Das verflüssigte Gas mit einem Druck von etwa 7,3 bar und einer Temperatur von 97 K kann zusätzlich durch Expansion des flüssigen Gases über ein Joule-Thompson-Ventil, d.h. durch eine isenthalpe Expansion, weiter abgekühlt werden, so daß schließlich der gewünschte Druck des AusgangsProduktes von beispielsweise 4,1 bar erreicht wird, wie es durch den Punkt 22 im Diagramm dargestellt ist. Das Peltonrad wird für diese Expansion vom Punkt 21 zum Punkt 22 nicht benutzt, da hierbei Dampf erzeugt würde, was zu entgegengesetzten Resultaten führen könnte. Außerdem verläuft die Kurve vom Punkt 21 zum Punkt 22 im wesentlichen senkrecht, so daß aus der Expansion nur sehr wenig Arbeit gewonnen werden könnte.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. das Erzielen einer isentropen Expansion im Gegensatz zu einer isenthalpen Expansion, mit der eine größere Flüssigkeitsmenge erreichbar ist, wird durch den Vergleich der Ergebnisse einer isenthalpen Expansion unter den gleichen Bedingungen gezeigt und ist durch die Kurve 23 dargestellt. Der Abstand 24 zwischen den Punkten 22 und 25, die die Enddrücke der isentropen und der isenthalpen Expansion der Verfahren darstellen, weist auf die größere Flüssigkeitsmenge, die sich beim ersten Verfahren gebildet hat. Unter diesen Bedingungen lassen sich bei der isentropen Expansion etwa 13% mehr Flüssigkeit erzeugen. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage mit dem Peltonrad, welches sich in einer DampfUmgebung dreht, liegt über 75%, wohingegen der Wirkungsgrad konventioneller Hydraulikturbinen oder Peltonräder, die sich in einer Flüssigkeit drehen, wesentlich tiefer liegt.

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Beispiel 2

Gemäß Fig. 3, welche ein Druck-Enthalpie-Diagramm für Methan darstellt, wird Methan durch Kompression auf einen Druck von 206,8 bar und durch Kühlen auf eine Temperatur von etwa 155,4 K zur Verflüssigung vorbereitet, wobei sich dabei eine kritische Flüssigkeit bildet, wie es durch den Punkt 26 gekennzeichnet ist. Die kritische Flüssigkeit wird bei im wesentlichen konstanter Entropie auf einen Druck von etwa 9,7 bar expandiert. Die Ausgangstemperatur des verflüssigten Gases, wenn es von den Schaufeln des Peltonrades abfällt, liegt bei etwa 147 K, wie es durch Punkt 27 gekennzeichnet ist. Diese liegt etwa 1,1 K unter der Sättigungstemperatur .

Obwohl die Düse einen Wirkungsgrad von etwa 96% besitzt, ist der Wirkungsgrad des Peltonrades im Gehäuse nicht so groß, so daß sich ein Gesamtwirkungs grad von etwa 75% ergibt. Die Verluste können dazu benutzt werden, die Enthalpie der Flüssigkeitsschicht unter dem Peltonrad anzuheben, so daß die Enthalpie über dem Spiegel der gesättigten Flüssigkeit zu einer Temperatur führt, die über der Sättigungstemperatür, beispielsweise 147 K, liegt, wie es durch den Punkt 28 gekennzeichnet ist. Durch Anheben der Enthalpie der Flüssigkeitsschicht wird Gas erzeugt und es bildet sich eine Dampfatmosphäre, in welcher das Peltonrad laufen kann. Durch sorgfältiges Einhalten der Bedingungen des verflüssigten Gases, wenn es die Düse verläßt und durch experimentelles Bestimmen der Maschinenverluste ist es möglich, die Verlustwärme anstatt zusätzlicher Wärme zur Enthalpie anhebung der Flüssigkeit zu benutzen, um auf diese

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Weise eine Dampfatmosphäre zu bilden, in welcher das

Peltonrad umlaufen kann. Dadurch, daß das Peltonrad

in einer DampfUmgebung umlaufen kann, erhöhen sich die Wirkungsgrade der Maschine.

In den Fig. 4 und 6 sind schematische Ansichten einer Luftanlage dargestellt. Auf der linken Seite liegen dabei die Kühlkreisläufe zum Erzeugen eines Luftstromes mit vorgewählter Temperatur und Druck, der dann durch konventionelle Destillations- und Seperationsanlagen auf der rechten Seite in seine Komponenten verlegt wird. Die Berechnungen basieren auf einem mol trockener Luft, die in die Anlage mit einem Druck von 6,2 bar und einer Temperatur von 311 K eingeführt wird, wobei dann als Endprodukt Sauerstoff von 310 K und einem Druck von etwa 108 bar und Stickstoff von einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 310 K vorliegt.

Bei der Anlage gemäß Fig. 4 werden 27077 mol/h durch den Einlaß 101 in den Kompressor 102 geführt, auf einen Druck von etwa 6,2 bar komprimiert und zu einer mit komprimierten Sauerstoff arbeitenden Kreislaufanlage geführt. Der Kompressor 102 erfordert eine Leistung von 23190 KW. Die Temperatur der Luft beträgt etwa 311 K nach einer Luft- oder Wasserkühlung nach der Kompression. Die Luft wird vom Kompressor 102 in die Leitung 103 gedrückt und dort in eine größere Fraktion und eine kleinere Fraktion aufgespalten. Der größere Teil von etwa 72% wird durch die Leitung 104 zu den Regeneratoren oder umkehrbaren Wärmetauschern 105 und 106 geführt, die mit Steuerventilen 107A, 107B, 107C, 107D und 107E versehen sind. Die Luft wird in den Regeneratoren und 106 gekühlt, d.h. auf eine Temperatur von etwa

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103 K gebracht (typisch etwa zwischen 100 und 105 K), so daß sich Kohlendioxyd und Wasser niederschlagen und bei der nachfolgenden Regeneration entfernt werden können. Durch geeignete Steuerung der Ventile 108A und 108B wird die Luft über die Leitung 109 von den Regeneratoren 105 und 106 zur Trennvorrichtung der Anlage geführt. Der kleinere Teil, d.h. 7581 mol/h bzw. etwa 28% gelangen durch die Leitung 110 zum Kompressor 111 und werden dort auf einen Druck von etwa 134,4 bar und eine Temperatur von 311 K gebracht und schließlich durch die Leitung 112 abgeführt. Die Leistung des Kompressors 111 beträgt 12658 KW. Dieses Hochdruckgas passiert einen Schlangenkühler 113, wo es zunächst auf eine Temperatur von etwa 278 K gebracht wird, um einen Teil des in der Luft enthaltenen Wassers zu kondensieren. Das Wasser wird im Phasenseparator 114 entfernt und durch geeignete Steuerung der Ventile 115A, 115B, 115C und 115D zu den Absorbern 116 und 117 zum Entfernen des verbliebenen Wassers und des Kohlendioxyds geleitet. Üblicherweise sind in den Absorbern 116 und 117 Molekularsiebe oder andere Trocknungsmittel vorhanden. Der von Wasser und Kohlendioxyd befreite Luftstrom gelangt durch die Leitung 118 zurück in den Schlangenwärmetauscher 113 und wird auf eine Temperatur von 116,5 K gebracht. Im allgemeinen wird der kleinere Teil auf eine Temperatur von etwa 111 bis 122 K abgekühlt.

Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem in Fig. 6 dargestellten, welches einen geringfügig größeren thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist, da die Kühlkurven im unteren rechten Teil, welcher in Fig. 5 mit A bezeichnet ist, nicht bis auf 3 K aneinandergebracht werden. Falls jedoch bei dieser speziellen

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Kühlkurve ein größerer thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt werden soll, muß die Anlage gemäß Fig. 6 verwendet werden. Andererseits ist das Verfahren nach Fig. 4 einfacher, da der Wärmetauscher weniger kompliziert ist.

Gemäß Fig. 4 verläßt die Luft bei 116,5 K den Wärmetauscher 113 durch die Leitung 118 über das Drucksteuerventil 119 und passiert schließlich den Peltonradexpander 120. Das Drucksteuerventil 119 erhält in der Leitung 112 einen geeigneten Druck des kleineren Teils aufrecht. Eine verstellbare Düse in der Peltonturbine kann die Funktion des Drucksteuerventils 119 ersetzen.

Der Expander 120 ist ein Peltonradexpander, wie er in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde. Die hochkomprimierte kalte Luft von 116,5 K und 131 bar wird im Expander 120 auf etwa 13 bar isentropisch expandiert, wobei unter diesen Bedingungen Flüssigkeitstropfen vom Peltonrad durch die Leitung 124 gelangen und im Phasenseparator 123 unter dem Expander 120 einen Flüssigkeitsspiegel bilden. Die Flüssigkeitstropfen, die vom Peltonrad fallen, haben bei diesem Druck Sättigungstemperatur oder eine geringfügig niedere Temperatur. Arbeit kann durch einen Kompressor, Generator oder andere nicht dargestellte Vorrichtungen während der Expansion geleistet und daher ein Teil des Energiebedarfs der Anlage, beispielsweise zur Kompression der Luft zu Hochdruck, abgeben werden. Der theoretisch maximal mögliche Energiebetrag, der bei der Expansion zurückgewonnen werden kann und mit dem der Leistungsbedarf der Anlage verringert wird, liegt bei etwa 205 BTü/LB mol oder bei etwa 341,5 KW, bei einem Wirkungsgrad von

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75%. Der Wirkungsgrad des Peltonrades kann größer sein als 75%, jedoch ist für die vorliegenden Rechnungen ein Wirkungsgrad von 75% angenommen worden.

Es ist möglich, alle Druckverluste im Peltonradexpander zu absorbieren, vorausgesetzt, daß das Gas genügend gekühlt ist, d.h. eine Temperatur von etwa 102,6 K aufweist, so daß am Ende der Expansion die Tropfen die Sättigungstemperatur oder eine geringfügig niedere Temperatur aufweisen. Bei 116,5 K führt die Expansion auf 6,2 bar zur Bildung einer wesentlichen Dampfmenge in der Düse, was ungünstige Einflüsse auf den Wirkungsgrad der Maschine und ihre Lebensdauer hat. Die verbleibende Expansion erfolgt also über ein konventionelles Joule-Thompson-Ventil oder ein ähnliches Ventil, bis der vorgewählte Druck erreicht ist. Da die Entropielinien in diesem Teil des Druckenthalpiediagramms im wesentlichen senkrecht verlaufen, kann bei der Expansion von 13 auf 6,2 bar nur sehr wenig Arbeit zurückgewonnen werden, wobei der Wirkungsgrad des Verfahrens nicht ungünstig beeinflußt wird.

Im Peltonradexpander 120 wird eine DampfUmgebung aufrechterhalten, die den Wirkungsgrad des Peltonrades bei der Arbeit erhöht. Der Dampf wird durch die Leitung 121 abgezogen. Der Dampf im Expander 120 wird durch Steuerung des Expansionsdruckes mit dem Drucksteuerventil 119 so aufrechterhalten, daß Flüssigkeitstr_#opfen, wenn sie von den Schaufeln des Peltonrades fallen, im wesentlichen die Sättigungstemperatur aufweisen oder eine Temperatur besitzen, die geringfügig, d.h. etwa 1 bis 5 K, darunterliegt. Verluste, beispielsweise Wärme- oder Reibungs-

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Verluste, erhöhen die Enthalpie der Tropfen, so daß sich die Flüssigkeitstropfen in einen kleinen Dampfanteil umwandeln, welcher ausreicht, das Peltonrad in einer DampfUmgebung zu halten. Wenn der durch das Drucksteuerventil 119 aufrechterhaltene Druck die Sättigungstemperatür der Flüssigkeit übersteigt, steigt die Flüssigkeit im Phasenseparator 123 durch die Leitung 124 und füllt den Peltonradexpander 120. Wenn der Druck zu niedrig ist, bildet sich in der Düse ein wesentlicher Anteil Dampf, der den Wirkungsgrad der Maschine und ihre Lebensdauer in der bereits genannten Weise beeinflußt.

Die Flüssigkeit (27,8%), die sich bei einer Temperatur von 111 K im Peltonradexpander 120 befindet, wird über die Leitung 124 abgeführt und gelangt durch den Phasenseparator 123. Die Flüssigkeit wird durch die Leitung 125 vom Boden des Phasenseparators 123 abgezogen und wird durch das Drucksteuerventil 126 auf einen Druck von 6 bar gebracht und dann der Dampfleitung 121 und schließlich der Destillationsleitung 109 zugeführt. Das Drosselventil 126 hält nicht nur einen geeigneten Flüssigkeitsspiegel im Phasenseparator 123 aufrecht, sondern es bewirkt auch eine isenthalpische Expansion auf den vorgewählten Druck und eine Kühlung auf etwa 98,7 K.

Auf der rechten Seite der Fig. 4 ist schematisch eine konventionelle Anlage zur Auftrennung von Luft in ihre Komponenten dargestellt, wobei geeignete Leitungen zum Kühlkreislauf zurückführen, um die Kälte der Endprodukte zurückgewinnen zu können. Die Destillationsleitung 109, die einen Druck von 6 bar und eine Temperatur von 100,4 K aufweist, ist in die

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Hochdruckdestillationssäule 127 eingeführt, der eine weitere Niederdrucksäule 128 folgt. Sauerstoff läßt sich vom Boden der Hochdrucksäule 127 durch die Leitung 129 abziehen, der dann im Wärmetauscher 130 gekühlt und dann durch die Regeneratxonsabsorber 131 und 132 zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen und anderen Unreinheiten geleitet wird. Der Fluß durch die Absorber 131 und 132 wird durch die Ventile 140A, 14OB, 140C und 140D gesteuert. Der flüssige Sauerstoff wird anschließend isenthalpisch durch das Drosselventil 133 in der Niederdrucksäule 128 expandiert. Flüssiger Stickstoff wird von der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule 128 durch die Leitung 134 abgeführt, die durch den Wärmetauscher 130 zum Kühlen durch das Produkt Stickstoff geleitet wird, woraufhin der flüssige Stickstoff durch das Drosselventil 135 isenthalpisch expandiert wird und von wo er schließlich dem Oberteil der Niederdrucksäule 128 ■zugeführt wird.

Niederdruckstickstoff von etwa 1,4 bar (77,7%) wird aus dem Oberteil der Niederdrucksäule 128 durch die Leitung 136 abgeleitet und im Wärmetauscher 130 durch den flüssigen Sauerstoff und den flüssigen Stickstoff der Hochdrucksäule 127 erwärmt und bei einer Temperatur von 97 K mittels der Leitung 136 dem Kühlkreislauf der Anlage zurückgeführt, wo die Kälte des Stickstoffs zurückgewonnen wird. Etwa 7,071% des Stickstoffs werden aus der Leitung 136 über die Leitung 137 dem Wärmetauscher 113 zugeführt und bei einer Temperatur von etwa 310 K und einem Druck von 1 bar durch die Leitung 138 abgeleitet. Der in der Leitung 136 verbleibende kalte Stickstoff wird in die Regeneratoren 105 und 106 geführt, wobei die Ventile 139A und 139B so gesteuert werden, daß der Hauptteil

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auf 102,6 K gekühlt wird. Der Stickstoff wird bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 308,6 K durch die Steuerventile 107C, 107D und 107E abgeleitet.

Niederdrucksauerstoff (19,3%) von etwa 94,3 K und 1,5 bar wird der Niederdrucksäule 128 durch die Leitung 140 entzogen und in einer Pumpe 141 auf einen Druck von etwa 110 bar verdichtet. Die Temperatur des Sauerstoffs, der die Pumpe 141 verläßt, liegt bei 99,3 K. Beruhend auf den Wirkungsgradberechnungen der Pumpe wird dem System schätzungsweise 38,9 BTü/mol Luft oder 330 kw zugeführt. Der Hochdrucksauerstoff verläßt die Pumpe 141 durch die Leitung 142 und wird durch die Schlangen des Wärmetauschers 113 geführt, um dort die Kälte zurückgewinnen zu können. Etwa 0,193 mol Sauerstoff/mol zugeführter Luft von einer Temperatur von etwa 310 K und einem Druck von 107,9 bar werden durch die Leitung 143 abgezogen.

In Fig. 5 sind die Kühl- und Erwärmungskurven für eine Anlage gemäß Fig. 4 dargestellt, wobei die Kühlkurve für den kleineren Teil von 28% bzw. 0,28 mol Luft pro mol Zuführung bei einem Druck von 134,4 bar gilt und die Erwärmungskurve für die Summe von 0,19332 mol Sauerstoff bei einem Druck von 107,9 bar und von 0,07071 mol Stickstoff bei einem Druck von 1,3 bar pro mol Zuführung gilt, wobei hier anzumerken ist, daß die erforderliche Luftmenge auf der Hochdruckseite der Anlage im Vergleich zu herkömmlichen Kreisläufen sehr gering ist. Ferner liegt die Kühlkurve für den kleineren Teil sehr dicht an der Erwärmungskurve, was auf einen ausgezeichneten thermodynamischen Wirkungsgrad des Verfahrens hindeutet. Ein größerer thermodynamischer Wirkungs-

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grad kann am rechten unteren Ende der Kühlkurve bei A erreicht werden, wenn ein Nebenstrom von etwa 144,3 K entfernt wird, da sich die Kühlkurven von diesem Punkt bis zur Abkühltemperatur von etwa 116,5 K wesentlich, d.h. um mehr als 5,5 K voneinander entfernen. Eine weitere Erläuterung erfolgt bei der Beschreibung der Anlage gemäß Fig. 6.

In den Kühlkreislauf der Anlage gemäß Fig. 6 werden 27043 LB mol/h Luft durch den Einlaß 301 zugeführt und im Kompressor 302 auf 6,2 bar verdichtet. Nach der Kühlung mit Luft oder Wasser auf 311 K wird sie durch die Leitung 303 abgegeben. Der Kompressor 302 erfordert eine Leistung von 23158 KW. Basierend auf der Zuführung von 1 mol trockener Luft, der Wasser und Kohlendioxyd entfernt wurden, wird der Luftstrom in einem größeren und einem kleineren Teil aufgespalten. Der größere Teil von 69% bzw. 0,69 mol/mol Zuführung wird durch die Leitung 304 zum umkehrbaren Wärmetauscher 305 und 306 geleitet. Nur Luft oder Stickstoff fließt in jeden Regenerator, wobei die Operation durch die Verwendung der Ventile 3O7A, 3O7B, 3O7C, 3O7D und 3O7E gesteuert wird. Da der Regenerator kalt ist, wird der warme größere Teil soweit abgekühlt, daß Wasser und Kohlendioxyd entfernt werden können. Etwa 0,662 mol/mol Zuführung verlassen den Boden der umkehrbaren Wärmetauscher und 306 bei einer Temperatur von 102,6 K und gelangen bei geeigneter Steuerung der Ventile 3O8A und 3O8B in die Destillationsleitung 309.

Der kleinere Teil von etwa 31% bzw. 0,31 mol Luft/mol Zuführung oder 8383 mol/h gelangt durch die Leitung 310 zum Kompressor 311 und wird dort auf einen Druck

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von etwa 134,4 bar komprimiert. Er wird dann auf eine Temperatur von 311 K gekühlt und bildet dann die Hochdruckseite des Kühlkreislaufs. Der Kompressor erfordert eine Leistung von etwa 13.998 kw. Die Hochdruckluft vom Kompressor 311 gelangt über die Leitung 312 in den Schlangenwärmetauscher 313. Die Luft wird zunächst auf eine Temperatur von etwa 277,6 K abgekühlt. Der kleinere Teil wird dann aus dem Wärmetauscher 313 entfernt und durch den Separator 314 zur Entfernung von Wasser geleitet und dann durch geeignete Steuerung der Ventile 315A, 315B, 315C und 315D den Absorbern 316 und 317 zugeführt. Die Absorber 316 und 317 enthalten ein Molekularsieb oder andere Trocknungsmittel zur Entfernung von Kohlendioxyd und Wasser.

Der kleinere Teil der Luft wird über die Leitung zurück in den Wärmetauscher 313 geleitet und weiter auf eine Temperatur von etwa 166,5 K abgekühlt. An diesen Punkt (Punkt C in Fig. 7) wird eine erste Fraktion oder 0,08406 mol Luft/mol Zuführung dem Wärmetauscher 313 über die Leitung 319 entzogen und über das Drosselventil 320 auf einen Druck von etwa 6,2 bar isenthalpisch expandiert und anschließend in den Phasenseparator 321 geleitet. Der Punkt C auf der Kühlkurve ist gewählt worden, um hier einen Nebenstrom abzuzweigen, da sich hier die Kühlkurve wesentlich von der Erwärmungskurve zu entfernen beginnt, wie es durch die Linie C-C dargestellt wird, wenn nichts abgezweigt wird. Das Abzweigen eines Nebenstromes mit einer Menge von 0,08406 mol pro mol Zuführung vom Wärmetauscher 313 am Punkt C bewirkt, daß die Kühlkurve innerhalb von etwa 3 K an der Erwärmungskurve bleibt, wobei dadurch gleichzeitig der Kühlvorgang für die verbleibenden 0,22594 mol pro mol Zuführung

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thermodynamisch wirksamer gemacht wird, wie es durch die Linie C-C' dargestellt ist.

Obwohl die Temperatur beim Abziehen des Nebenstroms in dieser Ausführungsform etwa zwischen 166,5 und 161 K liegt, kann sie jedoch gegebenenfalls von diesen Werten abweichen. Beispielsweise kann eine Temperatur von etwa 144 K gewählt werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Der Abzugspunkt liegt im allgemeinen zwischen etwa 166 K und 133 K, was von der Gasmenge auf der Hochdruckseite und vom Druck und der Temperatur der Endprodukte abhängt. Die wirksamste

Art, den Nebenstrom abzuzweigen, besteht darin, die Temperatur so zu wählen, daß sich die Kühlkurve bei einer Temperatur von unter etwa 166 K gerade zu erweitern beginnt und nur soviel abzuzweigen, daß die Kurven sich nicht weiter als um etwa 5,5 K, jedoch vorzugsweise etwa 3 K während des verbleibenden Kühlkreislaufs voneinander entfernen. Durch diese -Maßnahmen wird der Wärmetauschvorgang thermodynamisch wirksamer gemacht. Die zweite Fraktion bzw. 0,2259 mol Luft/mol Zuführung verbleibt im Schlangenwärmetauscher 313 und wird weiter auf 102,6 K gekühlt und dabei in eine kritische Flüssigkeit umgewandelt. Dadurch liegt der Gasdruck über dem kritischen Druck, d.h. in diesem Fall bei etwa 134,4 bar und bei einer Temperatur unter der kritischen Temperatur, d.h. etwa 134,4 K. Das Gas, welches nun eine kritische Flüssigkeit darstellt, wird über die Leitung 318 durch das Drucksteuerventil 346 zum Peltonradexpander 322 zur isentropen Expansion auf 6 bar geführt. Bei diesem Verfahren wird die gesamte Expansion auf den vorgewählten Druck im Peltonradexpander 322 vorgenommen .

Im Expander 322 wird eine Dampfatmosphäre aufrechterhalten, um die Wirksamkeit der Expansion zu

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erhöhen, was durch eine Dampfzuleitung durch die Leitung 323 von der Dampfleitung 324 vom Phasenseparator 321 bewerkstelligt wird. Wenn die Flüssigkeitströpfchen im Peltonradexpander 322 unterkühlt sind, d.h. unter der Sättigungstemperatur liegen, wird Dampf in den Peltonradexpander 322 durch die Dampfleitung 323 gezogen und kondensiert. Andererseits, wenn der Druck so groß ist, daß die Flüssigkeitstropfen Sättigungstemperatür haben und die Enthalpie der Flüssigkeitsschicht unter dem Peltonradexpander 322 bis zur Sättigungstemperatur oder leicht darüber durch Wärme- oder Reibungsverluste, wie in Fig. 4, angehoben ist, wird Dampf erzeugt, der dann durch die Dampfleitung 323 in Verbindung mit der Dampfleitung 324 abgezogen wird und in die Destillationsleitung 309 gelangt. Die Flüssigkeitstropfen im Peltonradexpander 322 gelangen durch die Leitung 325 und werden mit der Flüssigkeit in der Leitung 326 vom Phasenseparator 321 vermischt. Die sich ergebende Flüssigkeit gelangt durch das Flüssigkeitssteuerventil 327 zur Dampfleitung 323, die zur Destillationsleitung 309 geführt ist, in welcher ein Zufuhrstrom für die Destillation bei einer vorgewählten Temperatur und einem vorgewählten Druck vorhanden ist.

Bei diesem Verfahren werden bei der isentropen Expansion etwa 200 BTü/LB mol frei. Da die zweite Fraktion eine niedrigere Temperatur als der kleinere Teil für die Anlage gemäß Fig. 4 aufweist, kann die gesamte Expansion im Peltonrad erfolgen. Es ist nicht erforderlich, auf einen ersten Druck zu expandieren und dann isenthalpisch auf den vorgewählten Druck. Die 200 BTü/LB mol, die bei der vollständigen Expansion frei werden, entsprechen einer Leistung von

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268,5 kw. Diese Leistung ist geringer als bei der Anlage gemäß Fig. 4, da die zweite Fraktion kleiner ist, als der kleinere Teil in der Anlage in Fig.

Auf der rechten Seite in Fig. 6 ist schematisch eine konventionelle Anlage zur Aufspaltung der Luft in ihre Komponenten dargestellt, wobei geeignete Leitungen zurück zum Kühlkreislauf führen, um die Kälte der Endprodukte zurückgewinnen zu können. Die Destillationsleitung, die einen Druck von etwa 6,2 bar und eine Temperatur von etwa 100,4 K aufweist, wird in die Hochdrucksäule 328 geleitet, um die Luft in ihre Komponenten aufzuspalten, wonach eine Destillation in der Niederdrucksäule 329 erfolgt. Flüssiger Sauerstoff vom Boden der Hochdrucksäule 327 wird durch die Leitung 330 abgezogen und durch den Wärmetauscher 331 geführt. Das abgekühlte Produkt wird dann durch die Absorber 332 und 333 über die Steuerventile 334A, 334B, 334C und 334D geleitet, um Kohlenwasserstoffe und andere Unreinheiten zu entfernen. Der flüssige Sauerstoff gelangt dann über das Drosselventil 335 in die Niederdrucksäule 329. Flüssiger Stickstoff wird der Hochdrucksäule 328 durch die Leitung 336 entzogen, die durch den Wärmetauscher 331 führt, wo eine Abkühlung erfolgt und anschließend durch das Drosselventil 337 eine isenthalpische Expansion stattfindet, wonach der Stickstoff schließlich in das Oberteil der Niederdrucks äule 329 gelangt.

Niederdruckstickstoff (0,7788 mol/mol Zuführung) bei einem Druck von 1,4 bar wird dem Oberteil der Niederdrucksäule 329 mit der Leitung 338 entnommen und im Wärmetauscher 331 erwärmt und bei einer

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Temperatur von etwa 97 K abgezogen und schließlich über die Leitung 338 dem Kühlkreislauf der Anlage zur Rückgewinnung der Kälte aus dem Stickstoff zurückgeführt. Etwa 0,101 mol Stickstoff aus der Leitung

338 werden in den Wärmetauscher 313 über die Leitung

339 gebracht und bei einer Temperatur von etwa 310 K und bei einem Druck von 1 bar durch die Leitung abgezogen. Der verbleibende Teil von 0,677 mol kaltem Stickstoff in der Leitung 336 wird über die Steuerventile 341A und 341B in die Regeneratoren 305 und 306 geschickt, um eine Abkühlung zu bewirken und schließlich bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 308,6 K über die Ventile 3O7C, 3O7D und 3O7E abgezogen.

Niederdrucksauerstoff von etwa 94,2 K und 1,5 bar wird der Niederdrucksäule 329 über die Leitung 342 entzogen und durch die Pumpe 343 auf einen Druck von etwa 110,3 bar verdichtet. Die Temperatur des Sauerstoffs, wenn er die Pumpe 343 verläßt, beträgt etwa 99,3 K. Der Hochdrucksauerstoff verläßt die Pumpe 343 durch die Ausgangsleitung 344 und passiert den Schlangenwärmetauscher 313 zur Kälterückgewinnung. Sauerstoff ( 0,193 mol) mit einer Temperatur von etwa 310 K und einem Druck von etwa 108 bar wird über die Leitung .345 abgeleitet.

Beim Vergleich der erforderlichen Leistungen der in den Fig. 4 und 6 dargestellten Anlagen mit konventionellen Luftspaltungsanlagen ergeben sich nachfolgende Verhältnisse. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat den geringsten Leistungsbedarf, um die gleiche Produktmenge bei den definierten Drucken und Temperaturen zu erstellen. Bei dem Verfahren gemäß

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Fig. 6 ist der Leistungsbedarf um 1,04 mal größer als bei der Anlage in Fig. 4. Bei herkömmlichen Anlagen, d.h. solchen mit Freon-Aggregaten und bei denen andererseits eine isenthalpische Expansion erfolgt, liegt der Leistungsbedarf um mindestens 1,05 mal höher als bei der Anlage gemäß Fig. 4. Daraus ist klar zu ersehen, daß die Anlagen und ^fahren gemäß Fig. 4 und Fig. 6 den konventionellen Verfahren die eine isentropische oder eine Kombination von einer isentropischen und isenthaIpisehen Expansion benutzen, bei der Produktion kryogener Produkte überlegen sind.

Eine geringfügige Verbesserung bei den in Fig. 4 und Fig. 6 dargestellten Anlagen, insbesondere bei der gemäß Fig. 6, kann erfolgen, indem der Nebenstrom oder die erste Fraktion, die aus dem Hauptwärmetauscher abgeleitet werden, isentropisch auf einen ersten Druck und dann isenthalpisch auf den vorgewählten Druck expandiert werden. Wenn beispielsweise dieses Verfahren bei der Anlage gemäß Fig. 4 angewendet wird, nähern sich die Kühlkurven in dem mit A bezeichneten Gebiet, wobei der Nebenstrom auf eine Temperatur von etwa 144,3 K gebracht und isentropisch auf einen Druck von etwa 31 bar und anschließend isenthalpisch auf den vorgewählten Druck expandiert wird. Dadurch kann Energie zurückgewonnen werden, die gewöhnlich bei der isenthalpischen Expansion auf den vorgewählten Druck verlorengeht. Dadurch kann auch der Leistungsbedarf der Anlage gemäß Fig. 4 vermindert werden. Da dies jedoch eine komplizierte Anlage mit zwei Expandern erfordert, können die Kapitalkosten für die Anlage die Vorteile, die sich durch eine Verminderung des Leistungsbedarf ergeben, zunichte machen.

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Claims

Patentansprüc h e:

n zur isentropen Expansion von Gasen, wobei durch Bildung einer kritischen Flüssigkeit ein erstes Gas verflüssigt und beim Durchgang durch ein Peltonrad von einem hohen Druck auf einen Druck unter dem kritischen Druck expandiert und zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Peltonrad Arbeit abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abziehen des verflüssigten ersten Gases aus dem Peltonrad bei oder unter dessen Sättigungstemperatur um das Peltonrad eine DampfUmgebung aufgebaut und erhalten wird, indem entweder ein zweites Gas in das Peltonrad injiziert wird, welches eine mindestens der Sättigungstemperatur des ersten Gases entsprechende oder eine geringfügig darüberliegende Temperatur aufweist oder daß die Enthalpie des verflüssigten ersten Gases nach dessen Durchgang durch das Peltonrad soweit angehoben wird, daß sie über der Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DampfUmgebung des Peltonrades durch Injizieren eines zweiten Gases bewirkt wird, welches eine der Sättigungstemperatur des ersten Gases entsprechende oder eine darüberliegende Temperatur aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas verschieden ist vom ersten Gas und in diesem unlöslich und im wesentlichen nicht kondensierbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas dasselbe wie das erste ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes und zweites Gas Stickstoff verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes und zweites Gas Methan verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes und zweites Gas Luft verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Gas Luft ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom izunächst komprimiert und dann in mindestens einen größeren und einen kleineren Teil aufgespalten und der größere Teil zumindest teilweise gekühlt wird und daß der kleinere Teil, falls dessen Druck unter dem kritischen Druck liegt, über diesen hinaus verdichtet und soweit abgekühlt wird, daß er in eine kritische Flüssigkeit umgewandelt wird, worauf diese kritische Flüssigkeit in einem Peltonrad isentropisch expandiert wird unter Bedingungen, die es ermöglichen, die verflüssigte Luft bei ihrer Sättigungstemperatur oder darunter aus dem Peltonrad abzuziehen und daß das Peltonrad in einer DampfUmgebung betrieben wird, die dadurch erzeugt und aufrechterhalten wird, daß entweder ein zweites Gas bei oder geringfügig über der Sättigungstemperatür dem Peltonrad injiziert wird, oder daß die Enthalpie der verflüssigten Luft bis über die Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit angehoben und schließlich der expandierte kleinere Teil wieder mit dem größeren Teil zur Bildung eines Luftstromes mit vorgewählter Temperatur und Druck vereinigt wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfumgebung des Peltonrades durch Erhöhen der Enthalpie der verflüssigten Luft auf die Enthalpie des gesättigten Produktes aufgebaut und erhalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil der Luft komprimiert wird bis auf einen Druck von etwa 37,9 bar bis 206,8 bar.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil der Luft vor der isentropen Expansion bis auf eine Temperatur von 122 K bis 110,9 K abgekühlt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, daß der kleinere Teil der Luft isentropisch bis auf einen ersten Druck und dann isenthalpisch bis auf den vorherbestimmten Druck expandiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des komprimierten ersten kleineren Teils der Luft bis auf eine Temperatur unter 166,5 K, aber nicht bis unter eine Temperatur erfolgt, bei der sich die Kühlkurven eines Temperatur-Enthalpie-Diagrammes mehr als 5,5 K voneinander entfernen und daß der kleinere Luftteil bei dieser Temperatur mindestens in eine erste und eine zweite Fraktion aufgespalten und die erste Fraktion adiabatisch expandiert wird, während die zweite Fraktion soweit abgekühlt wird, bis sie sich in eine kritische Flüssigkeit umwandelt, worauf beide Fraktionen mit dem größeren Teil der Luft zur Bildung eines Luftstromes mit vorgewähltem Druck und Temperatur vereinigt werden.

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14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die DampfUmgebung des Peltonrades durch Anheben der Enthalpie der flüssigen Luft auf eine Enthalpie, die über der der gesättigten Flüssigkeit liegt, erreicht und aufrechterhalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil der Luft auf einen Druck von etwa 37,9 bis 206,8 bar komprimiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Teil der Luft vor dem Abziehen der ersten Fraktion bis auf eine Temperatur von 166,5 K bis 99,8 K abgekühlt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fraktion vor der isentropischen Expansion auf etwa 110,9 K bis 99,8 K abgekühlt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion isenthalpisch bis zum vorgewählten Druck expandiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fraktion isentropisch bis zum vorgewählten Druck expandiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fraktion isentropisch bis auf einen ersten Druck und dann isenthalpisch auf den vorgewählten Druck expandiert wird.

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