DE332548C - Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Gasgemischen mittels Rektifikation - Google Patents

Description

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AUSGEGEBEN ABI 7. FEBRUAR 1921

W. Lachmann in Dresden.

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerlegung von Gasgemischen, wie z. B. atmosphärischer Luft, und anderen Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen mittels kontinuierlicher fraktionierter Destillation (Rektifikation) und bezieht sich hierbei auf solche Rektifikationen, bei welchen in bekannter Weise im oberen Teil der Rektifikationssäule der aufsteigende Dampf durch in das obere Säulenende eingeleitete, am flüchtigeren Bestandteil sehr reiche und dementsprechend" sehr kalte Flüssigkeit oder mit anderen Worten durch Kühlung dephlegmiert wird, um das obere Zerlegungsprodukt rein erhalten zu können.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in dem über der mittleren Zuleitung des zu zerlegenden Gemisches gelegenen Säulenabschnitt durch dessen obersten Teil pro Mengeneinheit, des abwärts fließenden, verflüssigten Gases kontinuierlich weniger Dampf aufwärts strömen läßt, als durch den darunterliegenden Teil jenes Säulenabschnitts, und bezweckt, die Reinheit der Zerlegungsprodukte zu steigern.

Wie schon erwähnt, betrifft die Erfindung auch eine zur Ausführung des Verfahrens dienende Vorrichtung. Dieselbe kennzeichnet sich durch einen zur Ableitung von Rektifiziergut aus der Säule dienenden Auslaß (Vorauslaß), welcher im obersten Teil der letzteren unter der Entnahmestelle des flüchtigeren Zerlegungsproduktes angebracht ist.

Fig. ι zeigt von dieser Vorrichtung ein Ausführungsbeispiel, welches nachstehend nach Ausbildung und Wirkungsweise beschrieben ist, wobei zur Ermöglichung kürzerer Ausdrucksweise und einfacherer Darstellung als zu zerlegendes Gasgemisch trockene und kohlensäurefreie atmosphärische Luft angenommen und deren Gehalt an Argon und seltenen Gasen vernachlässigt ist.

In Fig. ι ist die Rektifikationssäule mit den bekannten, durchlochten Platten ausgestattet, an deren Stelle aber natürlich auch andere Einrichtungen treten können, welche eine großflächige Berührung zwischen der abwärtsfließenden Flüssigkeit und den aufsteigenden, wärmeren Dämpfen und dadurch einen Temperaturausgleich herbeiführen, demzufolge Rektifikation eintritt, nämlich ein Austausch von Bestandteilen, darin bestehend, daß Stickstoff der Flüssigkeit verdampft und dafür Sauerstoff des Dampfes in praktisch, gleich großer Menge kondensiert wird.

Die abgebildete Rektifikationssäule erhält an einer mittleren Stelle das zu zerlegende Rohgut 1 zugeführt, sei es im gasförmigen, sei es im flüssigen Zustand. Im Zusammenhange mit den besprochenen Wärmewirkungen und der nachfolgend beschriebenen Ausbildung gestattet sie, wenn man sich die Ableitung 5 zunächs't beseitigt denkt, gleichzeitige Gewinnung von sehr sauerstoftreichem Produkt 3 am unteren Ende und sehr stickstoffreichem Gas 4 am oberen Ende. 6, 7 bezeichnet die Beheizung (durch jeweiliges komprimiertes Gas), welche die ebenenvähnte Gewinnung von sehr sauerstoffreichem unterem Produkt ermöglicht, indem die nach unten gelangende Flüssigkeit auf höheren Sauerstoffgehalt eingedampft wird. 2 bedeutet flüssigen Stickstoff, dessen obere Zuführung Anwendung von »Dephlegmation« bedeutet und

es ermöglicht, als oberes Produkt ein Gas von sehr hohem Stickstoffgehalt zu erzielen.

Mit einer solchen Rektifikationssäule, auch wenn von großen Abmessungen, vermag man kontinuierlich entweder nur reinsten Sauerstoff oder nur reinsten Stickstoff, nicht aber gleichzeitig beide Gase im reinsten, kompressionswürdigen Zustand zu erzeugen, gleichgültig, ob die Beheizung wie in Fig. ι auf den untersten ο Teil (Verdampfer) der Säule beschränkt oder auf einen mehr .oder minder großen Teil der Kolonnenhöhe (evtl. die ganze Höhe) verteilt wird. A, das untere, oder B, das obere Produkt, resultiert stets in um so größerer Reinheit, je geringere Menge davon als Nutzprodukt entnommen wird und A je mehr unten entwickelter Sauerstoff dampf daher zur Rektifikation der abwärts rieselnden Flüssigkeit verbleibt, bzw. B je weniger aufsteigender Dampf durch die sticko stoffreiche Flüssigkeit rektifiziert und dephlegmiert*-zu werden braucht.

Die Erfindung ermöglicht nun bei solchen Säulen, nicht bloß wie bisher fast allen Sauerstoff der Luft, sondern auch fast all ihren Stickstoff in reinstem, kompressionswürdigen Zustand zu gewinnen. Sie sei unter nachstehenden Annahmen beschrieben:

Der Rektifikationssäule wird an der mittleren Stelle die gasförmige, oder flüssige.atmosphärio sehe Luft in gegebener, unveränderlicher Menge- und am oberen Ende der flüssige Stickstoff stets im reinen Zustand zugeführt, an -ihrem unteren Ende aber als Zerlegungsprodukt reinster Sauerstoff entnommen bzw. angestrebt. Ferner sei der Einfachheit halber angenommen, die Säule arbeite wie in Fig. ι mit nur unterster Beheizung und Verdampfung.

-Ist nun das aus dem oberen Säulenende entweichende Abgas 4 unreiner Stickstoff, so könnte ο größere Reinheit von ihm dadurch angestrebt werden, daß die oben zugeführte Menge reinen, flüssigen Stickstoffes pro Mengeneinheit aufwärtssteigenden Gases vergrößert wird. In der .Tat .ist die anfängliche Wirkung dieser Maßnähme die gewünschte. Bald darauf macht sich aber aus nachstehenden Gründen eine andere Wirkung geltend. Um reinen Nutzsauerstoff zu erzeugen, muß das oben aus Stickstoff bestehende, flüssige Gas auf seinem Wege bis zum ;o unteren. Säulenende durch gasförmigen Sauerstoff in reinen, flüssigen Sauerstoff umgewandelt (rektifiziert) werden. Beim anfänglichen Zustand genügte hierzu annahmegemäß die aus dem unteren Verdampfer in die Säule geleitete Sauerstoffmenge. Die vergrößerte Menge flüssigen Stickstoffes aber erfordert auch eine größere Menge von Sauerstoffdampf. Man muß letztere daher verstärken. Dadurch vergrößert sich aber auch die nach oben gelangende Abgasmenge, so daß die pro Mengeneinheit Ab- : gases verstärkte Zufuhr flüssigen Stickstoffes wieder geschwächt wird und der entströmende j Stickstoff, welcher in der Tat reinen Zustand erlangt hatte, wieder unrein wird. Die gewünschte Wirkung trat also nur vorübergehend ein.

Nach der Erfindung wird nun dieser Übelstand dadurch vermieden, daß man, wie schon oben angegeben, in dem über der mittleren Zuleitung der zu zeilegenden Luft gelegenen Säulenabschnitt durch dessen obersten Teil pro Mengeneinheit des abwärtsrieselnden, verflüssigten Gases kontinuierlich weniger Dampf aufwärtsströmen läßt als durch den darunterliegenden Teil jenes Säulenabschnitts. Dies läßt sich dadurch erzielen, daß man zwischen dem erwähnten obersten und dem darunterliegenden Teil der Säule von einem der beiden/ die letztere durchströmenden Stoffe, nämlich I von dem aufsteigenden Gas oder II von der abwärts strömenden Flüssigkeit, kontinuierlich einen angemessenen Teil aus der Säule ableitet, und zwar im Falle II zugleich unter entsprechender Verstärkung der Dephlegmation (welch letztere wie beschrieben in der Einleitung von S5 am flüchtigeren Bestandteil sehr reicher Kühlflüssigkeit in das obere Säulen ende besteht).

Fig. ι zeigt in Veranschaulichung der Erfindung unter dem.obersten Auslaß für das gasförmige Zerlegungsprodukt 4 noch einen zweiten Auslaß, den »Vorauslaß«, für das gasförmige oder flüssige Rektifiziergut 5, und es bezeichnet

3 reines Produkt (Sauerstoff);

4 reines Produkt (Stickstoff) ;

5 unreines Produkt (unreiner, nämlich sauerstoffhaltiger Stickstoff, gasförmig oder flüssig).

Der Vorauslaß steht bei der dargestellten Säulenart ungefähr um ¹Z₅ bis. ¹Z₁S der ganzen wirksamen Höhe der eigentlichen Säule (Aufsatzes) von deren oberem Ende ab, so daß in der Zeichnung h ungefähr ¹Zs bis ¹Z₁₅ von // beträgt. In der Zeichnung ist ¹Z₁₀ gewählt.

Zum Unterschiede vom allerersten Zustande wird jetzt in beiden Fällen I und II das Rektifiziervermögen des flüssigen Stickstoffes pro Mengeneinheit desselben auf eine geringere Menge von bis zum obersten Säulenende aufsteigendem Abgas, sozusagen konzentriert, so daß man dieses bis zu größter Reinheit elephlegmieren kann. In beiden Fällen wird keine größere Menge flüssigen Gases zum unteren Säulenende geleitet, und man braucht daher, um die Erzeugung reinsten Sauerstoffes aufrechtzuerhalten, im Gegensatz zu früher keine größere Menge Sauerstoff dampf nach oben zu führen, so daß der in buiden Fällen I und II relative und im Falle. II auch absolute Verstärkung der oberen Zufuhr flüssigen Stickstoffes nicht wieder entgegengewirkt wird. Dem früheren, verunreinigenden Restgehalt des Abgases an Sauer- »20

stoff entspricht im Falle I der' erhöhte

Sauerstoffgehalt des am Vorauslaß entweichen-

don Teiles, des Abgases, während im'Falle II jener Restgehalt mittels Rektifikation auf den am Vorauslaß entnommenen, ursprünglich ganz reinen, flüssigen Stickstoff übertragen wird. Die verlorengehende Menge Sauerstoff bleibt praktisch die gleiche wie zu allem Anfang, und aus allen diesen Gründen auch die Menge und volle. Reinheit des unten entnommenen Nutzsauerstoffes. Bei Verfahren II führt man zwar

ίο eine zusätzliche Menge reinen, flüssigen Stickstoffes zu, jedoch wird dieselbe fortlaufend in der notwendigen und hinreichenden Menge bei der Wiederverdampfung des am Vorauslaß abgeleiteten, verflüssigten · Gases gewonnen, was auch aus Späterem hervorgeht.

Es ist ohne weiteres klar, daß die die Rein-, heit: beider Rektifikationsprodukte steigernde Wirkung des Verfahrens bestehen bleibt, wie ! groß oder gering auch immer das Rektifiziervermögen der jeweiligen Säule sein möge.

Ferner ist es gleichgültig, ob die atmosphärische Luft an. der mittleren Stelle der Säule gasförmig oder flüssig eingeleitet wird. Bei oben besprochenem Verfahren II ist es sehr zweckmäßig, das am Vorauslaß abgeleitete flüssige Gas durch komprimierten Stickstoff zu , verdampfen, welcher hierbei sich verflüssigt und '· darauf mit in das obere Ende der Säule geführt wird, um dorthin die nötige zusätzliche Menge flüssigen Stickstoffes zu liefern. Beheizt man : die Säule durch reinen Stickstoff, welcher von außen durch den Kälteaustauscher hindurch, zugeleitet wird, so kann letzteres auch mit dem zusätzlichen Stickstoff geschehen, und zwar in gemeinschaftlicher Leitung. Wendet man aber bei der Beheizung der Säule Vorzerlegung der Luft an, welche u. a. Stickstoffgas ergibt, so kann man mit solchem sehr vorteilhaft auch die Vorauslaßflüssigkeit beheizen und verdampfen. Der zusätzliche Stickstoff durchströmt dann also den Kälteaustauscher in Form ' von. atmosphärischer Luft.

.Bei Anwendung der Erfindung läßt sich eine ; ■ Stickstoffsauerstoffsäule leicht in der Weise auf gleichzeitige Reinheit beider Gase einstellen, daß man sie zunächst auf Reinheit des unteren Produktes (Sauerstoffes) einstellt und man darauf, durch Regulierung des Vorauslasses, ent-• ■ weder entsprechend Verfahren I so viel Gas kontinuierlich aus dem Vorauslaß ableitet, oder entsprechend Verfahren II kontinuierlich so viel zusätzlichen flüssigen Stickstoff in das obere Säulenende einleitet und am Vorauslaß als unreinen, flüssigen Stickstoff wieder ableitet, daß dem obersten Gasauslaß als das obere, gasförmige Nutzprodukt nur reinster Stickstoff (bzw. Stickstoff von der gewünschten hohen Reinheit) entströmt.

Bei Anwendung des Verfahrens dürfen Ver-Vollkommenheiten der Apparatur und Störungen-in deren Wirkungsweise und Betrieb in hohem Maße vorliegen oder eintreten, ohne daG man ein befriedigendes Arbeiten des Apparates verfehlte und letzteren mühselig regulieren müßte. In dieser Hinsicht wirkt das Verfahren daher auch vergleichmäßigend und als Sicherung.

Das aus dem Vorauslaß abgeleitete Gemiscl j läßt sich auf verschiedene Weise weiter verar : beiten. Da es sehr arm an Sauerstoff ist ^; empfiehlt es sich nicht, aus ihm diesen Bestand

■ teil mittels Rektifikation in reinem Zustan< abzuscheiden. Hingegen läßt sich der Stickstof sehr wirtschaftlich durch das folgende einfach Ergänzungsverfahren, völlig rein gewinnen, wo

bei sich außerdem ein sauerstoffreiches Produk '-. ergibt, welches z. B. zur Erzielung sehr hohe Verbrennungshitze ausgezeichnet verwertbar lsi ! Das aus der Säule (Hauptsäule) unter ihrer obersten Teil (am Vorauslaß) kontinuierlich al

■ geleitete Rektifiziergut wird unmittelbar — da her unter Erübrigung von zusätzlichem Kälte austausch und Druckänderung .— in den mitl leren Teil einer zweiten. Säule (Ergänzungssäuli siehe späterbesprochene Fig; 2 Säule links obei geführt, welche man an ihrem oberen EnC

, gleichfalls mit Dephlegmation durch am flucht

■ geren Bestandteil (Stickstoff) sehr reiche Küh flüssigkeit arbeiten läßt, um das obere Zerleg ungsprodukt (Stickstoff) rein erhalten zu köi nen, und welche man behufs Anreicherung d< in ihr abwärts fließenden, verflüssigten Gas« am schwerer flüchtigen Bestandteil (Sauerstoi beheizt, sei es nur in ihrem untersten Teil (Blas Verdampfer), sei es in Verteilung auf ihre Höh

Wie oben besprochen, kann das am Vorausli abgeleitete und im vorliegenden Fall in die E gänzungssäule übergeführte Rektifiziergut ga förrnig sein (Fall I), oder flüssig (Fall II).

Die Dephlegmation der Ergänzungssäule kai man so stark wählen, daß sich als oberes Zt legungsprodukt reinster Stickstoff ergibt, wi eher natürlich dem von der Hauptsäule erzeu ten zugemischt und darauf mit ihm in gemei schaftlicher Rohrleitung durch den Kältcai tauscher nach außen geführt werden kann. V« ziehtet man auf Reinheit des Stickstoffes, kann man dafür reinsten Sauerstoff als untei Zerlegungsprodukt erhalten, jedoch nur in £ ringer Menge, da das von der Hauptsäule ( lieferte Rohgut ja nur wenig Sauerstoff enths

Die sauerstoffanreichernde Beheizung der ] gänzungssäule kann durch irgendein geeigne Gas erfolgen, jedoch wird bei den wichtigsi Rektifikationsverfahren die Apparatur und W kungsweise ganz besonders einfach, wenn Beheizungsgas der flüchtigere Bestandteil, a Stickstoff, gewählt wird. Denn solchen ka man ohne weiteres der Keizgasleitung der Hau säule entnehmen, wenn diese ihren Dephlegmi Stickstoff durch den Kälteaustauscher hindu von außen zugeführt erhält oder wenn sie

wie in Fig. 2 ■— mit Vorzerlegung der sie beheizenden Luft arbeitet. Wie früher angegeben, ergibt sich bei dieser Vbrzerlegung außer einem sauerstoffreichen Gemisch auch Stickstoffgas, welches nach seiner Verflüssigung den Dephlegmierstickstoff der- Hauptsäule bildet und im vorliegenden Falle eben auch denjenigen der Ergänzungssäule bilden kann.

Bei Beheizung der Ergänzungssäule mit Stick-

o stoff läßt sich im Falle II die Dephlegmation der Hauptsäule äußerst einfach dadurch in dem erforderlichen Maße verstärken, daß von dem verflüssigten Heizstickstoff, der Ergänzungssäule ein Teil, welcher gleich der am Vorauslaß übergeleiteten Flüssigkeitsmenge ist, in die Hauptsäule und nur der Rest in die Ergänzungssäule an ihren oberen Enden als Dephlegmierstickstoff eingeleitet wird. Die von der Heizgasleitung der Hauptsäule abzweigende, aus ihr Stickstoffgas,entnehmende Heizleitung der Ergänzungssäule mündet daher im Falle II, nach Durchlaufung des Verdampfers oder der Verdampfer der; Ergänzungssäule, mit je einer Zweigleitung in das obere Ende sowohl der Ergänzungssäule wie auch der Hauptsäule, wohingegen letztere Zweigleitung wegfällt, wenn nur gasförmiges Rektifiziergut übergeführt wird (Fall I).
Die eben beschriebene, mit der Hauptrektiiikation aufs engste zusammenhängende Ausfiihrungsweise der Ergänzungsrektifikation wird in Verbindung mit der Hauptsäule durch die schon erwähnte Fig. 2 veranschaulicht.

Auf dieser ist das Innere der Säulen ebenfalls · mit den bekannten durchlochten Platten o. dgl. ausgestattet zu denken. Wo nicht zugleich systematischer, wesentlicher Druckabfall (Ent- ! spannung) vorliegt, sind an den Rohrleitungen Regulierventile u. dgl. weggelassen. Die Heiz- ', räume 6, 7 und 6', 7' können natürlich auch > wie in Fig. 1 als Rohrschlangen ausgebildet I sein. j

Zugrunde gelegt ist der Fig. 2 das Hazard- | Flamandsche Verfahren. In der unteren der I beiden übereinanderliegenden Säulen erfolgt j mittels reiner Rektifikation die Vorzerlegung j der Luft, in der darüberliegenden Säule die die j Endprodukte liefernde Nachzerlegung (Haupt- i zerlegung, Endzerlegung) und in der seitlichen, ! kleineren Einzelsäule die Ergänzungszerlegung. ^: Diese Arbeitsweise ist in der Skizze ohne weiteres zu erkennen.

Wird am Vorauslaß Flüssigkeit abgeleitet (Fall II), so kommt die strichpunktierte Rohrleitung als zusätzliche Rohrleitung hinzu.

Bei Zerlegung von atmosphärischer Luft haben die Bezeichnungen (Ziffern) der Hauptsäule die gleiche Bedeutung wie nach der Patentbeschreibung in Fig. i, ebenso die Zeichen der Ergänzungssäule, die lediglich noch mit einem , Strich als Index versehen sind. Entsprechend j diesen Zeichen ist für die Ergänzungssäule angenommen, daß sie auf reinstem Stickstoff (4') arbeitet und daher als unteres Zerlegungsprodukt nicht reinsten Sauerstoff ergibt. Die Ziffer 3' fehlt daher.

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, wie z. B. atmosphärischer Luft" und anderen Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen mittels kontinuierlicher fraktionierter Destillation (Rektifikation), bei welcher im oberen Teil der Rektifikationssäule der aufsteigende Dampf in bekannter Weise durch in das obere Säulenende eingeleitete, am ftüchtl·- geren Bestandteil sehr reiche Flüssigkeit oder mit anderen Worten durch Kühlung dephlegmiert wird, um das obere Zerlegungsprodukt rein erhalten zu können, dadurch gekennzeichnet, daß man in 4em über der mittleren Zuleitung des zu zerlegenden Gemisches gelegenen Säulenabschnitt durch dessen obersten Teil pro Mengeneinheit des. abwartsfließenden, verflüssigten Gases kontinuierlich weniger Dampf aufwärts strömen läßt, als durch den darunterliegenden Teil jenes Säulenabschnittes, um die Reinheit der Zerlegungsprodukte zu steigern.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem in Anspruch ι erwähnten obersten Teil des angegebenen oberen Säulenabschnitts und dessen darunterliegendem Teil aus der Säule (am Vorauslaß) kontinuierlich Gas abgeleitet

   . wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem in Anspruch ι erwähnten obersten Teil des angegebenen, oberen Säulenabschnitts und dessen darunterliegendem Teil aus der Säule (am Vorauslaß) kontinuierlich Flüssigkeit abgeleitet und daß zugleich im Maße dieser Ableitung von Flüssigkeit die Dephlegmation verstärkt wird. .
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verdampfung der am Vorauslaß abgeleiteten Flüssigkeit in mittelbarer Berührung mit derselben (z. B.

   in Rohrspiralen) eine entsprechende, unter no höherem Druck stehende Menge des flüchtigeren Bestandteils (Stickstoffes bei Luftzerlegung) verflüssigt und diese darauf dem oberen Ende der Säule zugeführt wird.
5. 5. Rektifikationssäule (Ergänzungssäule) n₅ zur Ausführung ergänzender Rektifikation (Ergänzungsrektifikation) λόιι aus dem Vorauslaß der ersten .Säule (Hauptsäule) abgeleitetem, der Ergänzungssäule an mittlerer . Stelle zugeführtem, entweder α entsprechend Patentanspruch 2 gasförmigem oder b entsprechend Patentanspruch 3 flüssigem Ge-

   misch, dadurch gekennzeichnet, daU ihre Heizgasleitung von derjenigen der Hauptsäule abzweigt und im Falle α in das obm-Ende nur der Ergänzungssäule (nicht auch der Hauptsäule) mündet (Fig. i, unter Weglassung der strichpunktierten Rohrleitung), im Falle h aber in das obere Ende sowohl der Ergänzungssäule wie. auch der Hauptsäule mündet (Fig. 2, mit der strichpunktierten als zusätzlichen Rohrleitung).

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.