DE321819C - Verfahren zum Verfluessigen von Gasen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Verflüssigen von Gasen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flüssigmachen von schwer zu verflüssigenden Gasen durch Entspannen ohne Wiedergewinnung von äußerer Arbeit. Die Erfindung beruht auf folgenden Erwägungen Bekanntlich läßt sich ein Gas durch Entspannen ohne Wiedergewinnung äußerer Arbeit um so leichter verflüssigen, je unvollkommener es ist. Ferner-wächst, wie ebenfalls bekannt ist, die Unvollkommenheit eines Gases mit der Erniedrigung seiner Temperatur allmählich. Deshalb wird z. B. beim Lindeschen Luftverflüssigungsverfahren die zu verflüssigende Luft vor ihrem Eintritt in den Austauscher einer Kühlung mittels einer Ammoniakkältemaschine unterworfen, wodurch sie vor ihrem Eintritt in den Austauscher eine Temperatur von -35 bis -4o° erhält. Dieser Kältekreislauf erhöht die Ausbeute an flüssiger Luft bereits um etwa 40 Prozent. In dem Austauscher folgt das zu verflüssigende Gas den gewöhnlichen Gesetzen der Temperaturerniedrigung, indem es an die im Gegenstrom geführten kalten Stoffe Wärme abgibt.
• Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf dem Anwachsen der Unvollkommenheit eines Gases mit der Erniedrigung seiner Temperatur und besteht darin, daß das zu verflüssigende Gas nicht vor seinem Eintritt in den Austauscher einer Vorkühlung unterworfen, sondern auf seinem Wege durch den Austauscher, nachdem seine Unvollkommenheit bereits sehr groß geworden ist, eine zusätzliche Kühlung erhält, die mittels einer Kältemaschine von der Art der bekannten Kaltluftmaschinen hervorgerufen wird; zum Betriebe dieser Maschine wird vorzugsweise das gleiche wie das zu verflüssigende Gas verwendet.
• Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen von Einrichtungen dargestellt, mit denen das Verfahren ausgeführt werden kann. Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in Fig. z eine nach dem bekannten Lindeschen Luftverflüssigungsverfahren mit Vorkühlung arbeitende Einrichtung schematisch veranschaulicht. Fig. 2 zeigt das Schema einer Luftverflüssigungseinrichtung nach der Erfindung, Fig. 3 eine Einrichtung zur Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff. Fig, ¢ und 5 zeigen zwei geänderte Ausführungsformen der Einrichtung nach Fig. 2.
• In Fig. x bezeichnet a den Austauscher, b die Rohrleitung für die zu verflüssigende Luft, c das Entspannungsventil, d den Behälter für die flüssige Luft.
• Nach dem Verfahren von Linde wird die Luft vor ihrem Eintritt in den Austauscher a einer Vorkühlung unterworfen, indem sie durch einen Kühler f gefühzt wird, den sie entgegen der Strömungsrichtung eines durch eine Kältemaschine h in Umlauf gesetzten Ammoniak- Kältemittels durchströmt. Beim Austritt aus dem Kühler f hat die Luft z. B. eine Temperatur von - 35 bis - qo°- gegenüber einer Eintrittstemperatur von beispielsweise +.15 °. Im Austauscher a erniedrigt sich die Temperatur nach bekannten Gesetzen, bis die Verflüssigung des Gases eintritt.
• Bei der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung, die nach der vorliegenden Erfindung arbeitet, entfällt die Vorkühlung der Luft. Die durch die Rohrleitung b zugeführte, zu verflüssigende Luft wird im Austauscher a einer zusätzlichen Kühlung unterworfen, die durch einen Kältekreislauf i bewirkt wird, den eine nach Art der bekannten Kaltluftmaschinen ausgeführte Kältemaschine j erzeugt. Das in der Maschine arbeitende Gas ist vorzugsweise von derselben chemischen Beschaffenheit wie das zu verflüssigende Gas, mit anderen Worten, bei einer Einrichtung zur Verflüssigung von Luft wird für den zusätzlichen Kältekreislauf vorzugsweise Luft verwendet. Der Kältekreislauf wird in folgender Weise erzeugt Die Druckluft, die unter demselben oder auch einem anderen Druck steht wie die Luft des Verflüssigungskreislaufes, tritt durch eine Rohrleitung h in die Kältemaschine j ein. Vor ihrem Eintritt wird sie, entgegen der Strömungsrichtung zurückströmender kalter Gase, durch einen Kühler in geleitet, damit sie auf eine möglichst tiefe Temperatur gekühlt wird. Die Luft kann z. B. mit einer Temperatur von-95' in die Kältemaschine eintreten und sie mit einer Temperatur von -175 ° verlassen, um dann bei etwa -17o ° in den Austauscher a zu gelangen und mit etwa - i oo ° wieder auszutreten. Die Anordnung der Eintritts- und Austrittsstelle des zusätzlichen Kältekreislaufs am Austauscher a richtet sich nach der im Austauscher herrschenden Temperaturabstufung. Da das Gas des Kältekreislaufs i von der nämlichen Beschaffenheit ist wie das zu verflüssigende Gas, kann man den Kältekreislauf unmittelbar durch den Austauscher a führen und infolgedessen das Gas dieses Kreislaufs sich mit den von dem Behälter d zurückströmenden Gasen, ja sogar, wenn dies für zweckmäßig gehalten wird, mit den durch die Rohrleitung b strömenden Gasen entweder vor oder nach deren Durchgang durch das Entspannungsventil c vermischen lassen, vorausgesetzt, daß die erforderlichen bekannten Anordnungen getroffen werden, damit die Mischung der Gasströme nicht durch Druckunterschiede beeinträchtigt wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird z. B. der Austauscher a von unten nach oben von den Gasen durchströmt, die von der im Gefäß d enthaltenen flüssigen Luft abdampfen. Wenn die tiefste Temperatur des Kältekreislaufs i -170° beträgt, läßt man ihn dort in (Ieii Austauscher a eintreten, wo das zurückströmende Gas eine etwas höhere Temperatur, z. B. -165 °, hat, während der Austritt des Kältekreislaufs aus dem Austauscher a dort stattfinden kann, wo die Temperatur etwa - ioo °. beträgt. Zwischen der Eintrittsstelle x und der Austrittsstelle y des Kreislaufs i wird somit die zu verflüssigende Luft einer zusätzlichen Kühlung unterworfen, die zu der normalerweise im Austauscher erfolgenden Kühlung hinzutritt, wodurch die Verflüssigung wesentlich beschleunigt wird.
• In Fig. 3 ist eine erweiterte Einrichtung zur Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff dargestellt. Die Anordnung stimmt im wesentlichen mit der beschriebenen überein, sie unterscheidet sich nur darin von jener, daß die Rohrleitung b bis auf den Boden des Behälters d hinabreicht und in eine Sauerstoffverdampferschlange n von bekannter Ausführung übergeht. Die Schlange n schließt sich an ein zweites Luftzutrittsrohr o an, das durch einen Austauscher P hindurchführt, durch den der verflüssigte Sauerstoff abzieht. In dem Behälter d steigt ein Rohr q auf, das von der Verbindungsstelle des Rohres o mit der Schlange n abzweigt und in einem Schwanenhals mit dem Entspannungsventil r endigt, aus dem sich die verflüssigte Luft auf Platten s ergießt, die in dem die Rektifikations- und Verdampfungseinrichtung bildenden Behälter il liegen. Der in dem Behälter d freiwerdende Stickstoff entweicht durch den Austauscher a und vermischt sich mit dem zusätzlichen Kältekreislauf i, il, während der am Boden des Behälters d sich ansammelnde flüssige Sauerstoff durch die Rohrleitung p abzieht.
• Das zum Betriebe des Kühlers m dienende Kühlmittel kann an einer beliebigen Stelle der Einrichtung entnommen werden. So zweigt bei der Einrichtung nach Fig. 3 die zur Zuführung des Kühlmittels in den Kühler nz dienende Rohrleitung il an der Stelle y von dem Au'stauscher a ab, während bei der Ausführungsform nach Fig. 4 das entsprechende, mit i2 bezeichnete Rohr von der von der Kältemaschine j kommenden Förderleitung i abgeht. Bei der in Fig. 4. dargestellten Einrichtung nimmt das von der Kältemaschine y geförderte Kühlmittel den aus . den in dieser Figur eingezeichneten Pfeilen ersichtlichen Verlauf, d. h. ein Teil geht in den Austauscher a und der Rest kehrt durch das Rohr i2 in den Kreislauf zurück. Damit das Kühlmittel in den Austauscher a gelangen kann, muß sein Druck höher sein als der in dem Austauscher herrschende Druck. Schließlich kann man auch das Kühlmittel am oberen, zu diesem Zweck verengten Teil a1 des Austäuschers a entnehmen, z. B. durch. ein Rohr i3 (Fig. 5). Der Erfindungsgegenstand weist folgende Vorzüge auf: Da die durch die Kältemaschine i in Umlauf versetzten Gase von der nämlichen Beschaffenheit sind wie die zu verflüssigenden Gase, können die Gase der beiden Kreisläufe entweder vor oder nach der Verflüssigung beliebig miteinander gemischt werden, wobei lediglich auf ihre Temperatur und ihren Druck Rücksidht genommen zu werden braucht. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dies nicht möglich ist, wenn zwei Kreisläufe mit Gasen von verschiedener ' chemischer Beschaffenheit verwendet werden, beispielsweise etwa Luft und Ammoniak, wie bei dem Vorkühlungsverfahren von Linde.
• Infolge der Möglichkeit, die beiden Kreisläufe zu mischen, kann natürlich eine ganz innige Berührung der beiden Gasströme, nämlich des. Kältekreislaufs und des zugeführten oder nach der Verflüssigung zurückströmenden Gases, erreicht werden. Es erfolgt also ein vollkommener Austausch der Temperaturen, der unmöglich -ist, wenn beide Gaskreisläufe durch eine metallische Wand getrennt sind, selbst wenn letztere die beste überhaupt erreichbare Leitfähigkeit hat. Da in der Kältemaschine ein unter Druck stehendes kaltes Gas von der Beschaffenheit des zu verflüssigenden Gases verwendet wird, so ist die Erreichung von außerordentlich niedrigen Temperaturen möglich, die bis zum Verflüssigungspunkt des betreffenden Gases gehen können, so daß die zusätzliche Kühlung an einer dem Entspannungsventil möglichst nahegelegenen Stelle erfolgen kann. Dies ist von Wichtigkeit, weil die Unvollkommenheit eines Gases viel schneller zunimmt als seine Temperaturerniedrigung, wie aus den Arbeiten von Wittkowsky bekannt ist (vgl. A. W. W i t t k o ws k y, Proprietes thermodynamiques de fair »Rozprawy« de l'Acaddmie des Sciences de Cracovie Vol. XXIII (189z). Übersetzung des Philosophical Magazine April 1896, Tafel Seite 3o9). So ist z. B. für Luft von - 35 ° und 5o Atm. Druck die Unvollkommenheit nur ungefähr 5 Prozent von der bei o', während bei -14o°, einer mit Kaltluftmaschinen leicht zu erhaltenen Temperatur, und bei einem Druck von nur q.o Atm. die Unvollkommenheit des Gases 33o Prozent von der bei o ° vorhandenen Unvollkommenheit beträgt. Ein anderer gleichfalls wichtiger Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß man infolge der zusätzlichen Kühlung mit dem Druck des zu behandelnden Gases jederzeit wesentlich unter 59 Atm. gehen kann, während man bei dem üblichen Verfahren zur Erzielung eines brauchbaren Ergebnisses, die Luft, wenigstens beim Anfahren, bis auf etwa Zoo Atm. verdichten muß.

Claims (3)

1. PATENT-ANsPRÜcHE: 1. Verfahren zum Verflüssigen von Gasen durch Entspannen ohne Rückgewinnung äußerer Arbeit, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verflüssigende Gas auf seinem Wege durch den Austauscher, nachdem seine Unvollkommenheit bereits sehr groß geworden ist, eine zusätzliche Kühlung durch einen Kältekreislauf erhält, d. h. der Einwirkung von Auspuffgasen aus einer Entspannungskältemaschine ausgesetzt wird, welche mit einem schwer zu verflüssigenden Gase betrieben wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der Kältemaschine entweder durch einen Teil des zu verflüssigenden Gases oder durch ein aus einer anderen Quelle stammendes, gleichartiges Gas unterhalten wird, dessen Temperatur nach Verdichtung auf den Druck des zu verflüssigenden Gases oder einen von diesem verschiedenen Druck durch ein Kühlmittel entsprechend erniedrigt wird, das von den zurückströmenden Gasen aus dem Austauscher entnommen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den Kältemaschinenkreislauf das ganze zurückströmende Gas, das seine Kälte noch nicht vollständig abgegeben hat, verwendet wird.