DE527479C - Tiefkuehlverfahren zur Verfluessigung oder Zerlegung von Luft oder anderen Gasen unter Verwendung von Regeneratoren - Google Patents

Description

Es sind Verfahren zur Zerlegung von Gasen durch Tiefkühlung bekannt, bei denen zwecks ökonomischer Kälteerzeugung nur ein Teil des behandelten Gasgemisches auf hohen Druck verdichtet wird, der Rest dagegen nur auf einen mäßigen, für die Durchführung der Gaszerlegung nötigen Druck komprimiert wird. Wird die Abkühlung des behandelten Gasgemisches in Kältespeichern durchgeführt,

ίο um die Vorreinigung des behandelten Gasgemisches von solchen Stoffen, die sich bei der Abkühlung fest ausscheiden, zu ersparen, so ist man in der Wahl des Niederdruckes nicht mehr frei. Es hat sich nämlich gezeigt, daß für den letztgenannten Druck eine bestimmte untere Grenze innegehalten werden muß, damit die angestrebte Wiederverdampfung der in der Einblasperiode im Kältespeicher fest ausgeschiedenen Verunreinigungen

ao während der Ausblasperiode durch die Zerlegungsprodukte bewirkt werden kann. Wird diese Grenze für den Druck nicht erreicht, so verlegen sich die Querschnitte des Kältespeichers allmählich mit den fest ausgeschiedenen Verunreinigungen, und der Gasdurchgang durch die Kältespeicher ist behindert. Dieser Mindestdruck kann wie folgt berechnet werden, wobei vorausgesetzt wird, daß der Gehalt an Verunreinigungen am Regeneratoranfang der Sättigungskonzentration entspricht und am Regeneratorende Null ist.
Ist V₁ das Gesamtvolumen und T₁ die Temperatur des abzukühlenden Gemisches an einer bestimmten Stelle des Regenerators und (^s)₁ der Sättigungspartialdruck: des kondensierenden Bestandteiles, so beträgt die Molzahl des noch im Dampf befindlichen Anteils des kondensierenden Gases

wobei R die auf ein Mol bezogene Gaskonstante bedeutet und die Gültigkeit des idealen Gasgesetzes vorausgesetzt ist. Beträgt die Menge der am warmen Ende des Regenerators eintretenden Verunreinigungen A Mol, so sind bis zum betrachteten Querschnitt des Regenerators insgesamt .^—%Mol abgeschieden. Dieselbe Menge muß in der Kaltperiode des Speichers vom zurückströmenden kalten Gas zwischen dem beobachteten Querschnitt und dem warmen Ende des Regenerators durch Verdampfung wieder aufgenommen werden. Ist während der Kaltperiode im betrachteten Speicherquerschnitt der Sättigungsdruck (/^)₂ erreicht und hat das zurückströmende Gas in diesem Querschnitt das Volumen V₂ und die Temperatur T₂, so kann das kalte Gas bis dahin

^MoI

²~ R-T₂

der zu verdampfenden Substanz aufgenommen haben. Wenn es nun die ganze Menge

des zwischen angenommenem Querschnitt und dem warmen Regeneratorende abgelagerten Kondensates aufnimmt, dann muß

A — % = A —

sein oder auch

bzw.

Die beim Kältespeicherbetrieb auftretende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Gasen beeinflußt zwar die Sättigungsdrucke (Ps)₁ und (ps)z erheblich, aber nicht die Absolutwerte der Temperaturen T₁ und T₂, die daher praktisch einander gleichgesetzt werden können. Die obige Bedingungsgleichung kann daher stets genau genug in der einfächeren Gestalt

beschrieben werden. Um also die im Reganerator durch Kondensation sich ablagernden Bestandteile durch das austretende Gas wieder zu entfernen, ist der Druck des eintretenden Gases so hoch zu wählen, daß das Produkt aus dem Sättigungspartialdruck des kondensierenden Bestandteiles mal dem Gesamtvolumen für das einströmende Gasgemisch kleiner wird als für das zurückströmende kalte Gas. Diese neu aufgestellte Regel gilt allgemein für den Betrieb von Kältespeichern. Sie gibt bei bekannter Menge der durch den Speicher in der Ausblasperiode geleiteten Zerlegungsprodukte an, wie hoch der Druck des zu zerlegenden Gasgemisches bemessen werden muß, damit alles im Speicher abgeschiedene Kondensat wieder verdampft werden kann. Praktisch wird man den Druck noch etwas höher wählen, damit für die vollständige Wiederverdampfung der auskondensierten Bestandteile genügende Sicherheit besteht.

Im speziellen Fall der Zerlegung eines Gasgemisches durch Tiefkühlung unter Verdichtung eines kleinen Teiles der Gasmenge auf Hochdruck und der Hauptmenge auf Niederdruck gestattet die neue Regel den Niederdruck so zu bemessen, daß alle im Speicher abgeschiedenen Kondensate aus dem Speicher ständig wieder verdampft werden können, und gibt so die Möglichkeit, das wirtschaftlieh vorteilhafte Verfahren der Teilung des zu zerlegenden Gasgemisches in Hochdruck- und Niederdruckteil auf den Kältespeicherbetrieb anzuwenden. Es ergibt sich als Gegenstand des vorliegenden Zusatzpatents ein Tiefkühlverfahren zur Verflüssigung und Zerlegung von Luft oder anderen Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases lediglich unter solchem Überdruck in die Regeneratoren eingeführt wird, daß an jeder Stelle des Regenerators das Produkt aus Partial druck jedes Kondensates und effektivem Gesamtvolumen bei der Einströmperiode kleiner ist als das Produkt der gleichen Größen in der Ausströmperiode an der gleichen Regeneratorstelle. Die Vorteile dieses Verfahrens sind bereits oben dargelegt. Sie machen sich besonders geltend bei der Zerlegung von Luft nach diesem Verfahren.

An einem Beispiel sei das neue Verfahren geschildert:

Es sollen iooocbm Luft zerlegt werden und 750 cbm Stickstoff von o° und 1 ata für die Wiederverdampfung der aus Kohlensäure bestehenden Abscheidung im Regenerator zur Verfügung stehen. Von 1000 cbm Luft sollen 300 auf hohen Druck und 700 auf niederen Druck komprimiert werden. Der Druck des Stickstoff s imRegenerator sei p₂=i, iata. Ein bestimmter Regeneratorquerschnitt möge in der Wärmeperiode die mittlere Gastemperatur T₁ = 146⁰ und in der Kaltperiode die mittlere Gastemperatur T₂ = 138° besitzen. Dann sind die mittleren zugehörigen Kohlensäuresättigungsdrucke Ps₁ = 3,5 mm Hg und p_sz = ι mm Hg. Das effektive Stickstoffvolumen V₂ in dem beobachteten Querschnitt ist dann

^J^

V₂

273

Nach der neuen Regel muß dann sein

3.5 · K = ι · 344 und es ergibt sich

V₁ = 98 cbm

für das Volumen der eintretenden 700 cbm Luft bei T₂ =146°. Bei o° nehmen diese 98 obm ein Volumen ein von

89 · 273
146

= 185 cbm,

was einer Kompression der eintretenden Luft auf 3,8a ata entspricht. Dieser Druck ist der Mindestdruck, auf den die Niederdruckluft zu fördern ist.

Neben der Wiederverdampfung der abgeschiedenen Kondensate hat die Anwendung des nach der obigen Regel ermit|elten Drukkes noch den weiteren Vorteil, daß in vielen Fällen die Regeneratoren wesentlich kleiner als üblich gebaut werden können. Wenn nämlich die Druckdifferenz zwischen dem ein- und austretenden Gas nicht zur Erzeugung von Kälte .durch Entspannung oder zu anderenZwecken benötigt wird, so kann man diese Differenz dazu ausnützen, um die Gase selbst

mit viel höherer Geschwindigkeit, als es sonst möglich ist, durch die Regeneratoren zu treiben. Da hierdurch der Wärmeübergang erheblich verbessert wird, so genügt zur Übertragung einer bestimmten Wärmemenge eine Speichermasse mit wesentlich geringerem Gewicht und kleinerer wirksamer Oberfläche als bei den bisher üblichen Ausführungen. Abgesehen von der Ersparnis an Materialkosten besteht der große Vorteil dieses Verfahrens darin, daß hierdurch die Abkühlzeit der Regeneratoren auf einen geringen Bruchteil der bisher erforderlichen Abkühlzeit vermindert werden kann.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Tiefkühlverfahren zur Verflüssigung oder Zerlegung von Luft oder anderen Gasen unter Verwendung von Regeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases lediglich unter solchem Überdruck in die Regeneratoren eingeführt wird, daß an jeder Stelle des Regenerators das Produkt aus Partialdruck jedes Kondensates und effektivem Gesamtvolumen bei der Einströmperiode kleiner ist als das Produkt der gleichen Größen in der Ausströmperiode an der gleichen Regeneratorstelle.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überdruck der einströmenden Gase, soweit er nicht für die Entspannung unter Kälteleistung be- . nötigt wird, dazu benutzt wird, um die Gase zwecks Erzielung eines günstigen Wärmeüberganges mit großer Geschwindigkeit durch die Austauscher hindurchzutreiben.