DE460927C - Verfahren zur Verfluessigung und Trennung schwer kondensierbarer Gase und Gasgemische unter Zuhilfenahme aeusserer Arbeitsleistung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verflüssigung und Trennung schwer kondensierbarer Gase und Gasgemische unter Zuhilfenahme äußerer Arbeitsleistung. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Verfahren der Gasverflüssigung und Gastrennung, bei dem Entspannung mit äußerer Arbeitsleistung Anwendung findet. Das neue Verfahren will nur einen Teil der Kälteleistung in einer Expansionsmaschine leisten lassen; es unterscheidet sich von den bisherigen wesentlich dadurch, daß es nicht die Gasmenge teilt, sondern das Druckgefälle.
• Wie es gedacht ist, zeigt die beiliegende Zeichnung. Abb. i ist ein Schema, Abb. 2 die Darstellung des Verlaufes in einem Schaubilde, welches zu Koordinaten hat den spezifischen Wärmeinhalt i und den Logarithmus des Druckes log p, wie es zum Vergleiche derartiger Prozesse hervorragend geeignet ist (vgl. »Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie« 1922, S. 77 ff .). Die Zahlenangaben beziehen sich auf Luft. Die geschwungenen Kurven sind Isothermen für die eingeschriebenen absoluten Temperaturen, die gestrichelten Wagrechten Drosselkurven, ihr Abstand entspricht je 2o kcal/kg; die Senkrechten sind Isobaren, außerdem ist die Grenzkurve eingezeichnet und Linien gleicher Dampfnässe. Entsprechende Punkte sind in beiden-Abbildungen mit der gleichen Ziffer bezeichnet. Es ist als Beispiel ein Luftverflüssigungsprozeß mit doppeltem Kreislaufe gewählt.
• Im Hochverdichter a wird die Luft bei 29o° abs. von 20 auf 200 at. abs. isotherm verdichtet, durch den ersten Teil des Gegenströmers b gedrückt, hierbei auf 238° isobar gekühlt, dann im Expansionszylinder f auf i.:1.2 at. adiabatisch entspannt, wobei sie sich auf 2i3° abkühlt und 7 kcal/kg Arbeit leistet; hierauf wird sie weiter isobar im zweiten Teile des Gegenströmers b gekühlt und dann im Drosselventile c-auf 2o at. gedrosselt, wobei sie sich von i55° auf iigc abkühlt und zu 37 °/a verflüssigt; der verbleibende Dampf gibt in b wieder seine Kälte ab und -wird von a wieder angesaugt-; die Flüssigkeit dagegen wird ein - zweites Mal im Ventile d auf i at. gedrosselt, -wobei sie sich auf 8o° abkühlt und zu .a.9 °/o wieder verdampft. Die verbleibende Flüssigkeit ist das gewünschte Endprodukt, der kalte Dampf wird unter gleichem Drucke und Wärmeaufnahme durch b geleitet und @>om Niederverdichter e zugleich mit der nötigen Menge Frischluft dem Saugstutzen von a isotherm wieder zugedrückt.
• Dadurch,- _ daß noch, ein Teil der - Kälte-'leistung-=durch -Drosselung bei tiefer. Temperatur erzielt wird, ist- es _ möglich; - den anderen Teil bei erheblich höherer Temperatur erfolgen zu lassen; infolgedessen sind die betrieblichen Schwierigkeiten der- Kraftmaschine sehr vermindert. - - - ; - - -An sich könnte theoretisch die adiabatische -Kälteleistung auch auf eine äöbere oder tiefere Temperatur, als im Beispiel angegeben, verlegt werden; je nachdem müßte sie einen geringeren oder größeren Bruchteil der -esamten Kälteleistung betragen. Man kann nämlich die ganze Expansion als eine Art Vorkühlung der Hochdruckluft auffassen; der Vorteil gegenüber der bekannten Vorkühlung mit Kaltdampfmaschine besteht, abgesehen von dem Wegfall der ganzen besonderen hierzu nötigen Anlage, darin, daß nicht nur keine Arbeit aufgewendet werden muß, sondern sogar noch welche gewonnen wird. Natürlich ist, wenn der Zustand 5 am Ende der Expansion festgelegt ist, auch der Zustand q. beim Eintritt in den Zylinder nicht mehr frei auf der Adiabate wählbar, sondern die nötige Kälteleistung ist wegen des Wärmeüberganges im Gegenströmen eindeutig bestimmt. Auf die Art der Berechnung braucht jedoch .hier nicht näher eingegangen zu werden, es genüge der Hinweis auf den eingangs erwähnten Zeitschriftenaufsatz. Praktisch wird man mit der Temperatur am Ende der Expansion so tief gehen, daß der Betrieb und die Schmierung der Maschine noch anstandslos und ohne jegliche Schwierigkeiten zu .bewerkstelligen .ist.
• Wenngleich es theoretisch .desto besser ist, j e mehr von der gesamten Kälteleistung durch äußere Arbeit geleistet wird und hierin die alten Verfahren überlegen scheinen, so darf man doch nicht übersehen, daß sich bei dem neuen Verfahren die theoretisch als richtig erkannte adiabatische Entspannung ungleich besser in die Praxis umsetzen Iäßt. Erstens nämlich läßt sich die Isolierung -des -Zylinders gegen Wärmezufuhr von außen - wesentlich besser durchführen, denn er wird einmal lange nicht so kalt als bei den bisher bekannten Verfahren, und dann ist er ganz erheblich kleiner, weil seine Größe natürlich ,durch das Volum der Luft am Ende der Entspannung bestimmt wird, diese 'bei denn neuen Verfahren aber dann noch :unter höherem Drucke steht. Zweitens machen sich bei allen Kolbenmaschinen besonders die Wandungsverluste störend bemerkbar (das ist der irreversibele Wärmeübergang zwischen ein- und austretendem Gase); diese sind jedoch direkt proportional der im Zylinder vorkommenden Temperaturdifferenz. Auch diese ist nach dem neuen Verfahren erheblich kleiner als nach den alten Verfahren. Endlich sind bei dem neuen Verfahren die-Verluste infolge des schädlichen Raumes - erheblich geringer, weil das Druckverhältnis .ganz erhe'bli`eh.i#leiner-ist als -nach den alten Verfahren.
• Natürlich kann statt der Kolbenmaschine auch eine Kreiselradmaschrne zur Arbeitsleistung benutzt werden. Auch kann die äußere Arbeit in zwei oder mehr nicht unmittelbar zusammenhängenden Stufen geleistet werden, zwischen denen ein Stück Gegenstrom eingeschaltet ist.
• Das Verfahren ist ferner auch geeignet zur Verflüssigung von Wasserstoff oder Helium. Man braucht die Expansionsmaschine lediglich so zu betreiben, daß die Endtemperatur der Expansion etwas unterhalb der integralen Inversionstemperatur für den betreffenden Druck liegt, was zwar schwierig, aber nicht ausgeschlossen erscheint.
• Auch für den Fall, daß die Verflüssigung des Gases nicht Endzweck ist, sondern nur Mittel zur Trennung in seine Bestandteile, welche also warm und gasig entnommen werden sollen, behält das Verfahren seine Berechtigung. Im Gegenströmen herrschen dann zwar quantitativ andere, qualitativ aber dieselben Verhältnisse: es sind die rückströmenden Gase zwar der Menge nach gleich den hinströmenden, aber ihre spezifische Wärme ist im -entspannten Zustande geringer. Infolgedessen kann auch hier ein Teil der Kälteleistung `bei mäßiger Temperatur geleistet werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: r. Verfahren zur Verflüssigung und Trennung schwer kondensierbarer Gase und Gasgemische unter Zuhilfenahme äußerer Arbeitsleistung, dadurch gekennzeichnet, daß -die gesamte durch den Kreislauf gehende Gasmenge zunächst im Gegenstrom vorgekühlt, hierauf in einer Maschine unter Abgabe von äußerer Arbeit bis zu einem mittleren Druck entspannt; darauf im Gegenstrom weitergekühlt, dann durch einfache Drosselung auf den Druck der Verflüssigungs- bzw. Trennvorrichtung entspannt und darauf dieser zugeführt wird. a. Verfahren nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Entspannung in zwei oder mehreren Stufen erfolgt, zwischen denen je ein Stück Gegenstromwärmeaustausch eingeschaltet ist. 3. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen r und z auf die Verflüssigung von Wasserstoff, Helium oder sie enthaltende =Gasgemische, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand am Ende der letzten arbeitsleistenden Entspannung innerhalb der integralen Umkehrkurve der Drosselwirkung liegt.