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Verfahren zur Zerlegung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff unter
gleichzeitiger Gewinnung hochprozentigen Argons. Bei -den bekannten Apparaten zur
Trennung der Luftbestandteile durch Verflüssigung wird der flüssige Sauerstoff,
der in den »Verdampfer« benannten unteren Teil der Rektifikationskolonne gelangt,
auf Kosten der zu behandelnden komprimierten Luft in diesem Teile selbst verdampft.
Von dem in dieser Weise verdampften Sauerstoff steigen ungefähr 4/" in der Rektifikationskolonne
empor, um dortselbst die eingebrachten Flüssigkeiten fortschreitend in flüssigen
Sauerstoff umzuwandeln, der den vorherigen ersetzt. Das letzte '/" welches dem Sauerstoff
der behandelten Luft entspricht, tritt direkt aus dem Apparat heraus und bildet
das eine der Fabrikationsprodukte. Die aufsteigenden Case, welche während ihres
Aufstieges bei Berührung der Flüssigkeiten progressiv umgewandelt werden, treten
andererseits als Stickstoff aus. Zufolge des Vorhandenseins des Argons insbesondere,
spielen sich aber die Torgänge in der Praxis keineswegs so einfach ab. Das Argon,
dessen Siedepunkt sehr nahe demjenigen des Sauerstoffs liegt, trennt sich sehr schwer
von diesem, und zur Gewinnung von sehr reinem Sauerstoff, der in der Industrie immer
stärker begehrt wird, muß zusammen mit dem Argon auf der Stickstoffseite ein erheblicher
Teil des Sauerstoffs der behandelten Luft zurückgedrückt werden, was die Ausbeute
an Sauerstoff verringert und dem Stickstoff seinen Wert nimmt.
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In dem französischen Patent 437013 vom 6. Februar 191z, dessen
Fig. 1 und 2 auf der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben sind, ist ein Mittel zur
Behebung des letztgenannten Übelstandes und zur Gewinnung sehr reinen Sauerstoffs,
ohne der Reinheit des Stickstoffs zu schaden, angegeben. Dieses Mittel besteht darin,
idaß man den flüssigen Sauerstoff, der dem obenerwähnten'/v entspricht, in einen
besonderen Raum (Fig. 1) abfließen läßt, wo er durch Rektifikation und Verdampfung
getrennt wird: einesteils in einen schwachen, fast die Gesamtmenge des Stickstoffs
und des Argons mitreißenden Teil, andernteils in eine aus fast reinem Sauerstoff
gebildete Hauptmasse. Die durch den Stutzen W gesondert entnommene erste Wortion
verunreinigt sonach in keinerlei Weise durch ihren Sauerstoff und Argon den durch
die Hauptrektifikation.ssäule gelieferten Stickstoff. Entsprechend den durch das
Patent verfolgten Zielen' kann das System zur Verflüssigung der komprimierten Luft
mittels des zu verdampfenden Sauerstoffs ein beliebiges, z. B. eine Rohrschlange
S (Fig. 2), sein.
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Dieses Verfahren' beseitigt jedoch keines-
Wegs den
obenerwäbnten Übelstand einer mangelhaften Ausbeute an reinem Sauerstoff, da ein
beträchtlicher Teil dieses Gases an der Stelle W in Mischung mit Stickstoff und
Argon austritt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung, gemäß welcher
.das nach dem vorerwähnten Verfahren ge"vonnene Gemisch von Stickstoff, Argon und
Sauerstoff so behandelt wird, daß der Sauerstoff, welcher bestrebt ist mit dem Stickstoff
und Argon durch W zu entweichen, zurückgehalten wird.
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Gemäß dem neuen Verfahren wird das sehr sauerstoffreiche, aber noch
Stickstoff und Argon enthaltende Gemisch, welches dem unteren Teile des- an und
für-sich bekannten Apparats zur Zerlegung der Luft in ihre Bestandteile entnommen
wird, in drei Fraktionen umgewandelt, nämlich: in eine Fraktion, die, praktisch
genommen, den gesamten Stickstoff enthält, in eine zweite Fraktion, die aus fast
reinem Sauerstoff, und in eine dritte, sozusagen stickstofffreie Fraktion, die aus
Argon in Mischung mit einer gewissen Gewichtsmenge Sauerstoff besteht.
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Zu diesem Zwecke wird der in der üblichen Rektifikationskolonne erzeugte
flüssige Sauerstoff, der fast die Gesamtmenge des Argons der behandelten Luft und
etwas Stickstoff enthält, in einen Verflüssigungs- und Rektifikatioiishilfskreislauf
eingeleitet, in welchem ein Gemisch dieser drei Gase, aber sehr argonreich, in bestimmter
Menge kreist. Dieses Gas wird -komprimiert, dann verflüssigt und in flüssigem Zustand
zur Rektifikation der aus dem vorerwähnten unreinen, flüssigen Sauerstoff sich entwickelnden
Dämpfe benutzt. Diese -letzte erzeugte Flüssigkeit strömt abwärts mit der durch
die Hilfsrektifikation gewonnenen, und zwar über Rektifikationsböden, wie dies Fig.
z und 2 veranschaulichen. Hierdurch wird hinsichtlich des Sauerstoffs der Reinheitsgrad
der Flüssigkeit erhöht, wogegen das Argon, welches die hauptsächliche Verunreinigung
des flüssigen Sauerstoffs bildete, am oberen der Hilfsrektifikation dienenden Teil
der Kolonne, unter Mitnahme von nur sehr wenig Sauerstoff, entweicht, und zwar in
gasförmigem Zustand zusammen mit dem Argon des Hilfskreislaufs. Was den im anfänglichen
unreinen, flüssigen Sauerstoff enthaltenen Stickstoff anlangt, so entweicht dieser
ebenfalls mit dem Argon der beiden vorherigen Provenienzen. Man kann aber das geschlossen
kreisende argonreiche Volumen so groß nehmen, daß die kleine Stickstoffmenge, welche
in dem behandelten unreinen, flüssigen Sauerstoff enthalten war und in dem austretenden
Argon sich zum größten Teile wiederfindet, einen schwachen Bruchteil bildet, der
praktisch vernachlässigbar ist. Diesem sehr wenig Stickstoff enthaltenden argonreichen
Gemisch wird die demnächst nach außen abzuführende Argonmenge entnommen, welche
derjenigen entspricht, welche mit dem unreinen; flüssigen Sauerstoff der Hauptkolonne
eingeführt wurde.
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Der nicht nach außen abgeführte, also zurückbleibende und geschlossen
kreisende Teil des Argongemisches wird von neuem komprimiert und unter Zurückströmen
der verflüssigten Teile verflüssigt, um einerseits' stark argonhaltige Flüssigkeit
zu liefern, welche, wi° oben gezeigt, von neuem als Rektifikationsflüssigkeit dient,
und um anderseits einen stickstoffreichen Rückstand zu hinterlassen, der praktisch
den ganzen Stickstoff enthält, den man nach außen abführt, wodurch verhütet wird,
daß dieses Gas sich im Kreislauf aufspeichert: .
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Um dem Hilfskreislauf das zu seiner Entstehung nötige Gas zu verschaffen,
bedient man sich einfach bei seiner Ingangsetzung der Gase, weiche sich aus dem
die Hauptkolonne verlassenden unreinen, flüssigen Sauerstoff entwickeln. Diese Gase
werden in dem vorbeschriebenen Hilfskreislauf komprimiert und verflüssigt und haben
das Bestreben, sich zu dem vorerwähnten argonreichen Gemisch zu entwickeln, was
nach dem wohlbekannten grozeß der Selbstreinigung geschieht, gemäß welchem jedes
Gasgemisch bestrebt ist, sich mit dem flüchtigsten seiner Bestandteile anzureichern,
welche Anreicherung durch das Waschen der Gase mittels der von ihrer Wiederverflüssigung
herrührenden Flüssigkeiten bewirkt wird. Selbstredend wird während dieser Operation
kein Gas nach außen entnommen, da das Argon nur dann entnommen wird, wenn sein Gehalt
genügend hoch ist.
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Fig. 3 zeigt einen zur Ausübung des neuen . Verfahrens geeigneten
Apparat, in dessen oberem, aus einem Verdampfer K und einer Rektifikationskolonne
I_ bestehenden Teil die Luft in bekannter Weise zerlegt wird. In diesen bekannten
Teil des Apparats wird die zu behandelnde Luft einerseits durch den Stutzen A unter
Drück und gekühlt, anderseiis an der Stelle T" in flüssigem Zustand eingeführt.
Die Verflüssigung selbst findet im Schlangenrohr S statt, worüber an weiterer Stelle
näheres ausgeführt ist. Diese in dieser Weise in den bekannten Teil des Apparats
eingeführte Luft wird. in Stickstoff und in ein flüssiges, sehr sauerstoffreiches;
aber noch Argon und Stickstoff enthaltendes Gemisch zerlegt, welches im Verdampfer
K sich ansammelt, wogegen der ari erster Stelle genannte Stickstoff durch den oberen
Stutzen B der Rektifikationskolönne entweicht.
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Der untere, den Gegenstand .der Erfindung bildende Teil des Apparats
umfaßt die Sekundärrektifikationskolonne
R', den Verdampfer G,
das für teilweise Verflüssigung bestimmte RöhrenbündelF, das Verflüssigungsschlangenrohr
S, den Wärmeaustauscher E und den Kompressor C. In diesen einzelnen Organen erfolgt
die vorerwähnte Zerlegung des sauerstoffreichen, aber noch Argon und Stickstoff
enthaltenden, im Verdampfer K sich ansammelnden Gemisches.
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Zum Zwecke der Behandlung wird das an Sauerstoff sehr reiche, an-Argon
und Stickstoff weniger reiche Gemisch durch das Rohr T aus der Hauptrektifikatiönskolonne
auf die unteren Teller der Sekundärkolonne R' übergeleitet, wo es im Gegenstrom
zu den aufsteigenden Gasen von Teller zu Teller herabwandert und sich dabei mit
Sauerstoff anreichert. -Der Abgang des in den Verdampfer G übertretenden Gemisches
wird durch die im Schlangenrohr S stattfindende totale Verflüssigung einer gleichwertigen
Menge komprimierter Luft ausgeglichen, die in flüssiger Form an der Stelle T" in
die Hauptkolonne eintritt.
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Die am oberen Teil der Sekundärkolonne durch den Stutzen W entweichenden
Gase durchströmen zunächst einen Wärmeaustauscher E und gelangen; dann in den Kompressor
G, wo sie verdichtet werden. Darauf strömen sie in entgegengesetztem Sinne von neuem
durch den Austauscher E und erreichen rücklaufend das in den Verdampfer G tauchende
Röhrenbündel F, wo sie sich zum Teil wieder verflüssigen. Der von dieser Verflüssigung
herrührende schwache Gasrückstand wird an der Stelle H entnommen und besteht der
Hauptsache nach aus dem gesamten Stickstoff, der in den bei W aus der Sekundärkolonne
entweichenden Gasen enthalten war, wogegen die erzeugte Flüssigkeit demzufolge nur
noch Sauerstoff und Argon enthält.
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Diese Flüssigkeit wird nun an der Stelle T' in den oberen Teil der
Sekundärkolonne eingeführt, und da, von geringen Verlusten abgesehen, die in dem
Bündel F erzeugte Flüssigkeitsmenge der an der Außenseite- dieses Bündels durch
Verdampfung entstehenden, in der Kolonne aufsteigenden Gasmenge äquivalent ist,
so ist die der Stelle T' zuführbare Flüssigkeitsmenge keinen Einschränkungen unterworfen.
Man hat es vielmehr mit einem geschlossenen Hilfskreislauf zu tun, in dem sich endlos
eine gleiche Gasmenge bewegt, die der Regel nach in: unvergleichbarem Maße größer
ist als die durch Rohr T zufließende Flüssigkeitsmenge, so daß die in der Sekundarkolonne
sich abspielenden Rektifikationsvorgänge vornehmlich durch den Flüssigkeitsgehalt
dieses Hilfskreislaufs, aber sehr wenig durch das dem Rohr T entströmende Quantum
beherrscht werden. Die in dem Rohrbündel F erzeugte Flüssigkeit besteht aber aus
einem stickstofffreien Gemisch von Argon und Sauerstoff. Hieraus und unter dem Einfluß
der durch das Waschender Gase mittels einer von der Wiederverflüssigung dieser Gase
herrührenden Flüssigkeit hervorgerufenen, auf die wohlbekannten Vorgänge der Selbstreinigung
zurückführbaren Erscheinungen ergibt sich, daß die bei .W abziehenden Gasesich bei
Ingangsetzung des Apparats in wachsendem Maße mit dem flüchtigsten Element des Gemisches,
nämlich dem Argon, anreichern.
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_ Was den in dem vom Rohr T abströmenden Gemisch enthaltenen Stickstoff
anlangt, so erreicht cr zwar zufolge seiner größeren Flüchtigkeit in toto die Stelle
W im oberen Teil der Se?:undärl:olonne, tritt aber dort nur in sehr schwachen Mengen
auf, da ja das im Hilfsstromkreis strömende Argon- und Sauerstoffgemisch relativ
enorm ist und aus dem Röhrenbündel F abgezogen wird. Die an der Stelle W abströmenden
Gase enthalten sonach stets nur einen äußerst geringen Gewichtsteil Stickstoff,
den man nötigenfalls noch bis auf weniger als ein Prozent herabdrücken kann. Diese
Gase stellen mithin ein Gemisch dar, das sehr reich an Argon und praktisch stickstofffrei
ist. Sobald der normale Arbeitsgang sich eingestellt hat, kann man an der Stelle
h einen Teil dieses dem gesamten durch Rohr T zugeführten Argon annähernd entsprechenden
Argon- und Sauerstoffgemisches als Fabrikationsprodukt abzapfen.
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Aus dem Gesagten ist ersichtlich, daß das zu. behandelnde, aus Sauerstoff,
Argon und Stickstoff bestehende Gemisch durch das neue Verfahren zerlegt wird: in
eine Fraktion, die den gesamten Stickstoff enthält und bei 1-I entnommen wird, in
eine weitere aus praktisch reinem Sauerstoff bestehende, am der Stelle U entnehmbare
Fraktion, und in eine dritte bei- Y abzapfbare Fraktion, welche aus einem praktisch
stickstofffreien Gemisch von Argon und Sauerstoff besteht.-Durch das vorliegende
Verfahren wird sonach die erhebliche Einbuße an Sauerstoff vermieden, welche sich
aus der Anwendung des Verfahrens nach dem französischen Patent .f37013 ergibt. Wenn
die Verdampfung der in der Rektifikationskolonne kreisenden Gase quantitativ gerade
gesichert wird durch -die Verflüssigung des nochmals komprimierten Gases in dem
flüssigen Sauerstoff (von den entnommenen Stickstoff- und Argonmengen abgesehen),
so versteht sich, daß die Verdampfung des Sauerstoffs, der eines der Fabrikationsprodukte
bildet und durch den Stutzen U abzieht, in dem Rohrsystem S auf Kosten eines Teiles
der behandelten Luft erzielt
wird. Von dieser Luft müssen etwa
4;5 im Rohrsystem K, K' des Hauptapparats und etwa x/, im Rohrsystem S der
Kammer G verflüssigt werden, aus der die erzeugte Flüssigkeit durch Rohr T" nach
der Hauptkolonne hochgeleitet wird, um den Abgang des flüssigen Sauerstoffs durch
Rohr T auszugleichen.