-
Verfahren zum Zerlegen tiefsiedender Gasgemische unter Verwendung
von Kältespeichern Das Zerlegen tiefsiedender Gasgemische, beispielsweise Luft,
in ihre Hauptbestandteile wurde bisher sehr behindert durch den Umstand, daß erstens
die in der Luft enthaltenen Wasser- und Kohlensäuredämpfe in den Röhrengegenstromkältetauschern
ausfrieren und dadurch Verstopfungen herbeiführen, so daß die Zerlegungsapparatur
bei den zur Zeit bekannten Verfahren in kürzerer oder längerer Betriebszeit regelmäßig
aufgetaut «-erden mußte, auch wenn das Gasgemisch chemisch oder thermisch vorbehandelt
wurde.
-
Des weiteren wird zweitens nach den bestehenden Verfahren die Wirtschaftlichkeit
sehr beeinträchtigt durch den Umstand, daß zur Deckung der Kälteverluste mindestens
ein Teil der zu zerlegenden Luft auf einen höheren Druck verdichtet werden muß,
als die Zerlegung an sich erfordert.
-
Drittens entsteht ein Arbeitsverlust durch den bekannten Umstand,
daß von der bei 3 bis .4 Atm. Überdruck verflüssigten Waschluft stets ein wesentlicher
Teil (bis zu 2o "") wieder verdampft, wenn die Flüssigkeit auf den niederen Druck
des oberen Rektifikators der Nachzerlegung entspannt wird.
-
Viertens fußen alle bekannten Verfahren mit Ausnahme des Lachmannschen
(Patent 167931) auf der Totalverflüssigung des zu zerlegenden Gasgemisches, die.
bekanntlich einen höheren Kraftbedarf erfordert als die Teilverflüssigung. Das Lachmannsche
Verfahren besitzt aber den Nachteil, daß die Enffeuchtung des zu zerlegenden Gasgemisches
und die Ausscheidung der Kohlensäure sehr erschwert wird, weil hier ein größerer
Teil des Gemisches ohne Überdruck zerlegt werden soll.
-
Die Ansammlung von Reif in den Kältetauschern ist nur beim Kältespeicherumschaltwechselbetrieb
zu verhindern, bei dem der Reif durch Sublimation von den herausgeleiteten Zerlegungsprodukten
wieder aufgenommen wird. Die Anwendung dieses Kältetauschersystems mit Sublimationswirkung
ist aber nur dann besonders wirtschaftlich, wenn das Gasgemisch nicht wesentlich
höher als atü verdichtet werden muß, andernfalls machen sich die Verluste an Verdichtungsenergie
stark bemerkbar, weil beim jedesmaligen Umschalten, das .etwa alle 3 Minuten vor
sich gehen soll, die Druckluftfüllung der Kältespeicher v erlorengeht und neu zu
ersetzen ist.
-
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Niederdruckverfahren mit Teilverflüssigung
und Totalverdichtung, aber ohne Überverdichtung des Gasgemisches (über den zur Zerlegung
erforderlichen Kondensatordruck hinaus) in Verbindung mit dem Kältespeicherumschaltwechselbetrieb
zur Übertragung des Feuchtigkeits- und Kohlensäuregehaltes auf die Zerlegungsprodukte
und mit dem Betrieb einer Expansionsmaschine durch den verfügbaren t'berschuß an
Niederdruckgas, bei dem auch die Verluste an Waschflüssigkeit durch Verdampfen während
der Entspannung vom Kondensatordruck auf den niedrigeren Druck des
oberen
Rektifikators der Nachzerlegung zum großen Teil vermieden werden.
-
Die Teilverflüssigung steht hier scheinbar im Widerspruch zur Totalverdichtung,
denn die Teilverflüssigung sollte auch eine Teilverdichtung zur Voraussetzung haben.
Dem steht aber entgegen, daß die Beseitigung des Reifes aus dem Wasserdampf- und
Kohlensäuregehalt des Gasgemisches durch Sublimation unbedingt eine Totalverdichtung
erforderlich macht.
-
Demnach müßte hier die Reifausscheidung durch den erhöhten Kraftaufwand
der Totalverdichtung auf Kondensator-druck erkauft werden.
-
Dieses scheinbare Opfer wird aber hier dadurch umgangen, daß von der
zuviel verdichteten Niederdruckgasgemischmenge nach der Vorzerlegung unter Teilverflüssigung
das Leichtsiedende (bei Luft also der Stickstoff) insoweit wieder aus dem Trennen
mit Überdruck unverflüssigt entnommen und arbeitleistend in einer Expansionsmaschine
entspannt wird (um damit die Kälteverluste zu decken), als diese Gasmenge nicht
zur Bildung der erforderlichen Waschflüssigkeit gebraucht wird.
-
Die zuviel verdichtete Gasgemischmenge dient also hier als Betriebsluft
der Expansionsmaschine, in der sie nach vorausgegangener Vorzerlegung als leichtsiedendes
Zerlegungsprodukt arbeit- und kälteleistend entspannt wird, um als Auspuff zum Nachkühlen
den Waschflüssigkeit zu dienen, ehe diese entspannt und in den oberen Rektifikator
der Nachzerlegung ausgegossen wird.
-
Dieses Niederdruckverfahren kann aber auch so durchgeführt werden,
daß die zuv iel verdichtete Gasgemischmenge ohne Vorzerlegung in der Expansionsmaschine
entspannt und erst als Auspuff im oberen Rektifikator, d. h. durch Nachzerlegung,
zerlegt wird, um sodann ebenfalls in Form des leichtsiedenden Zerlegungsproduktes
durch den Waschluftnachkühler geleitet zu werden.
-
Die vier Vorgänge: Niederdrucktotalverdichtung behufs Verhütung der
Reifansammlung durch Sublimation im Kältespeicherumschaltwechselbetrieb, Teilverflüssigung
zwecks Minderung des Kraftbedarfs, Entspannung des zuviel verdichteten Gasgemisches
in einer Expansionsmaschine und Nachkühlen der Waschflüssigkeit mit dem Auspuff
aus einer Expansionsmaschine zur Verhinderung des Wiederverdampfens des Flüssigkeitsüberschusses
(während dem Entspannen vom Druck der unteren Drucksäule auf den Druck des oberen
Rektifikators), um mit diesem Überschuß die Kälteverluste decken zu können, stehen
gegenseitig im engsten Zusammenhang, denn nur durch Totalverdichtung und Kältespeicherumschaltwechselbetrieb
ist ohne anderweitige Vorbehandlung die Reifansammlung zu vermeiden, andererseits
kann aber nur durch die Teilverflüssigung der Kraftbedarf wesentlich herabgesetzt
werden, und dies ist nur durch ein möglichst ausgiebiges Nachkühlen der Waschflüssigkeit
im vollen Ausmaß und ohne Verlust an Verdichtungsarbeit möglich, denn der während
dem Entspannen auf :den oberen Rektifikatordruck wieder verdampfende Anteil an Waschflüssigkeit
bedingt einen nutzlosen Mehraufwand an Verdichtungsenergie. Gleichzeitig erfordert
aber bekanntlich jeder Betrieb von Gasgemischzerlegungsanlagen einen Kältezuschuß
in Form von flüssigem Gas. Hier wird nun der Überschuß an Verdichtungsarbeit der
Totalverdichtung über den Bedarf der Teilverflüssigung dazu verwendet, um in der
Expansionsmaschine Zusatzkälte zu leisten, und die Kälteleistung wird dazu benutzt,
um die Waschflüssigkeit nachzukühlen, ehe sie entspannt wird, so daß auf diese Weise
ein ständiger Überschuß an Flüssigkeit zur Deckung der Kälteverluste entsteht und
auch ein Verlust an Verdichtungsaufwand durch wiederverdampfende Waschflüssigkeit
während der Entspannung vermieden wird. Die Anwendung des: Kältespeicherumschaltwechselbetriebes
ist aber an die Niederdruckverdichtung des Gasgemisches und an die Nachkühlung der
Waschflüssigkeit gebunden. Ohne die letztere wäre ein Kälteverlust in den Speichern
nicht zu vermeiden, weil das herauszuleitende Leichtsiedende der Zerlegungsprodukte
stets eine um io bis 2o° tiefere Temperatur besitzt als das durch die Kältespeicher
eingeleitete verdichtete Gasgemisch. Bei Anlagen mit Totalverflüssigung und mit
kontinuierlich wirkenden Röhrenkältetaüschern ist die Nachkühlung der Waschflüssigkeit
durch das Leichtsiedende der Zerlegungsprodukte schon in Vorschlag gebracht worden;
bei diesen ist sie aber ganz zwecklos, denn bei der Totalverflüssigung besteht ohnedies
ein Überschuß von Waschflüssigkeit, und aus der tieferen Temperatur des abziehenden
Leichtsiedenden entsteht kein Nachteil, weil dieser in Form von tieferer Temperatur
bestehende Kälteüberschuß des Leichtsiedenden in diesen Tauschern, eine teilweise
Vorverflüssigung des eingeleiteten Gasgemisches hervorruft. Das tritt zwar auch
in den Kältespeichern ein, allein in diesen kommt diese Flüssigkeit nicht zum Abfluß,
da sie sich nur als Tau an den Flächen des unteren Speichereinsatzes ansetzt, wenn
verdichtetes Gasgemisch in die Speicher eingeleitet wird, welche vorher durch das
um io bis 2o° kältere Leichtsiedende unterkühlt wurden. Dieser Tau -verdampft aber
sofort, wenn durch das nachfölgende-Um=
schalten der betreffende
Speicher wied'er drucklos wird, und dieser Kälteanteil wird dann oben herausgetragen.
-
Bei der Zerlegung von Luft verläuft dieser Vorgang wie folgt: Die
auf etwa 4 atü verdichtete Luft verflüssigt sich bereits bei einer Temperatur von
-17S-', der abziehende Stickstoff besitzt aber eine Temperatur von -19C v, ist also
um 18' kälter, wodurch der betreffende Kältespeicher, durch den jeweils der Stickstoff
herausgeleitet werden soll, stark unterkühlt wird. Wenn nun nachfolgend wieder Druckluft
von .I atü in diesen Speicher eingeleitet wird, dann verflüssigt sich ein kleiner
Teil davon an den unterkühlten Flächen des unteren Speichereinsatzes, bleibt aber
an diesen als Tau haften. Wird nun dieser Speicher wieder auf Stickstoffausgang
umgeschaltet, dann verdampft dieser Tau sofort vollständig, weil er im drucklosen
Zustand erst bei -193° weiterbestehen kann, und damit geht dieser sehr beträchtliche
Kälteanteil verloren, indem damit die kalte Zone der Speichereinsätze immer höher
und dadurch der Kälteüberschuß des Leichtsiedenden nach geraumer Zeit oben herausgetragen
wird. Dies zu vermeiden, wird daher das Leichtsiedende zuerst im Kältetausch mit
den wärmeren Waschflüssigkeiten annähernd bis auf die Verflüssigungstemperatur des
verdichteten Gasgemisches erwärmt.
-
Sobald einer der vier Teile, in die sich das Gesamtverfahren gliedert,
in Fortfall kommen würde, können die anderen für sich nicht bestehen, ohne daß die
Wirtschaftlichkeit oder die Einfachheit des Verfahrens und der Anlage darunter leidet.
-
Mit diesem Verfahren kann nunmehr Luft durch einfache Verdichtung
auf 3 bis 4 atü ohne weitere Vorbehandlung in ihre Hauptbestandteile zerlegt werden,
und die ganze Einrichtung hierzu besteht nur noch aus einem Niederdruckverdichter
(für große Anlagen als Turbokompressor), der Expansionskolbenma-schine oder -turbine
und zwei Paar Kältespeichern nebst dem zweistufigen Trenner für Vorzerlegung und
Nachrektifikation.
-
Bei der Gewinnung von reinem Handelssauerstoff ist nur ein Kältespeicherpaar
und an Stelle des zweiten ein Gegenstroinröhrentauscher erforderlich.
-
Bisher war immer noch ein Mindestüberdruck von 15 atü für den Betrieb
solcher Anlagen nötig, um neben der Zerlegung auch noch die Deckung der unvermeidlichen
Kälteverluste zu bestreiten, oder es muBte ein Teil des zu zerlegenden Gasgemisches
auf 5o bis ()o atü verdichtet werden. Diese Drücke sind aber für den Kältespeicherumschaltwechselbetrieb
unwirtschaftlich.
-
Des weiteren war dabei stets noch eine be-
| sondere Vorbehandlung der zu zerlegenden |
| Luft zur Verhinderung der Reifansammlung |
| durch Chemikalien, Laugenberieselung oder |
| Kühlung zu betreiben und teuere mehrstufige |
| Verdichter anzuschaffen. Ein Turbobetrieb |
| @.v ar bisher des hohen Druckes wegen ebenfalls |
| nicht anwendbar, wenn nicht eine besondere |
| Anlage zur Erzeugung der flüssigen Zusatz- |
| luft zur Aufstellung kam, und ebenso ist ein |
| Kältespeicherumschaltwechselbetrieb für den |
| Kältetausch ausgeschlossen, wenn der Be- |
| trieb wesentlich über 4 atü hinausgeht, weil |
| dann der Druckluftverlust beim Umschalten |
| zu groß wird. |
| Dabei war es aber bisher trotz der ange- |
| wendeten umständlichen Vorbehandlung der |
| zu zerlegenden Luft mit Chemikalien, Lau- |
| genberieselung und Kühlung nicht möglich, |
| solche Anlagen ohne Unterbrechung durch |
| Einfrieren zu betreiben, und die Einrichtung |
| hierfür verteuerte zusammen mit der kost- |
| spieligen Verdichteranlage solche Werke so |
| sehr, daß eine allgemeine Einführung der |
| Stickstoffausscheidung aus der Luft für den |
| Betrieb von Eisenhüttenwerken und die |
| chemische Industrie schon an den hohen An- |
| schaffungskosten scheiterte, von dem zu |
| hohen Kraftbedarf, der Vielgestaltigkeit, dem |
| Chemikalienverbrauch und den Betriebsunter- |
| brechungen durch Einfrieren ganz abgesehen. |
| Letzteres wirkt sich auch insofern un- |
| günstig auf die Anlagekosten aus, als aus |
| diesem Grunde gewöhnlich eine Reserve- |
| apparatur mitzubeschaffen ist. |
| Auf beiliegender Zeichnung ist die Ein- |
| richtung zur Durchführung des Verfahrens |
| in einem Ausführungsbeispiel schematisch |
| dargestellt. |
| Diese besteht aus den Druckluftkältespei- |
| chern A', A" und B', B", dem Verdampfer- |
| kondensator b, dem unteren (Überdruck-) |
| Rektifikator c', dem oberen (Fach-) Rektifi- |
| kator c", dem Nachkühler für die Wasch- |
| flüssigkeit d und der Expansionsmaschine h. |
| Von der zu zerlegenden Luft werden 3j4 bis |
| % mit 3 bis 4 atü durch das Umschaltventil h' |
| in den Druckluftkältespeicher A' eingeleitet. |
| Diese kühlt sich in diesem bis - 175° ab und |
| wird nun im unteren Rektifikator c' in gas- |
| förmigen Stickstoff und 4o °jaigen flüssigen |
| Sauerstoff zerlegt und der Stickstoff dann |
| auf der Kondensatorseite des Sauerstoff- |
| verdampfers b zur Hälfte bis zu 31,, ver- |
| flüssigt, worauf die Stickstoffflüssigkeit mit |
| Leitung i auf den Kopf und die Sauerstoff- |
| flüssigkeit mit Leitung a in der Mitte des |
| oberen Rektifikators ausgegossen wird, um |
| als Waschflüssigkeit für die Sauerstoff- |
| dämpfe aus dem Verdampfer b zu dienen. |
| Zu einem Viertel bis zur Hälfte wird der |
| gasförmige Stickstoff mit -17j-° durch Lei- |
tung q. der Expansionsmaschine 1a zugeleitet, in dieser auf o,i
atü entspannt und dabei auf --i96° gekühlt, wobei sich bereits. etwas verflüssigt,
so daß ein übersättigter Dampf mit etwa 5 °j, Flüssigkeitsgehalt in Nebelform entsteht,
der dann bei o mit Leitung 3 durch den Nachkühler d geleitet wird. Die erzielbare
Kälteleistung beträgt theoretisch 8 Cal, praktisch jedoch nur etwa 5 Cal/kg Luft.
-
Der Auspuffstickstoff wird zusammen mit dem ausgeschiedenen Stickstoff
durch den Nachkühler d für die Waschflüssigkeit geführt, gibt dort seine fühlbare
Kälte von -ig6° bis -i8o° ab und kühlt damit die unter einem Druck von 3 atü entstandene
Waschflüssigkeit von -i78° bis auf -igo° nach, um deren teilweise Verdampfung bei
der Entspannung zu vermindern, woraus sich ein Gewinn an Flüssigkeit einstellt,
der zur Deckung der Kälteverluste dient.
-
Aus dem Nachkühler wird der Stickstoff sodann durch den Kältespeicher
A" oben bei .ii' herausgeleitet, nachdem er in diesem seine Kälte abgegeben hat.
Im Abstand von einigen Minuten wird jeweils umgeschaltet und die Druckluft in Speicher
A" bei h" eingeleitet. Dabei nimmt die Druckluft aus dem vorher vom
kalten Stickstoff durchströmten Speicher stets die Kälte wieder auf, welche derselbe
an die Metallmasse des Speichers vorher abgegeben hat.
-
Der Sauerstoff dagegen wird abwechselnd durch die beiden Kältespeicher
B' und B"
bei ii und si' herausgeführt, durch welche abwechselnd %
bis 'f, der zu zerlegenden Luftmenge bei t' und t" eingeleitet wird, um die fühlbare
Kälte des Sauerstoff. s aufzunehmen.
-
Um beispielsweise 25o cbm Sauerstoff von 75 °/o Reinheit zu
gewinnen, sind i ooo cbm Luft auf 3 atü zu verdichten, durch die Kältespeicher einzuleiten
und im untenen (Überdruck-) Rektifikator c' zu qo °foigem Sauerstoff und unreinem
Stickstoff vorzuzerlegen. Aus dem Rektifikator c' werden 300 cbm der Expansionsmaschine
zugeführt, in dieser auf o,2 atü entspannt und zusammen mit dem ausgeschiedenen
reinen Stickstoff aus dem oberen (Nach-) Rektifikator c" als Auspuff durch den Nachkühler
d geschickt. Die durch Arbeitsleistung in der Expansionsinaschine praktisch erzielbare
Kälteleistung aus diesen 300 cbm _-- 36o kg Luft beträgt: 36o X 5 - i 8oo
Cal. .
-
Die Expansionsmaschine liefert nun zwar diese Kälteleistung, aber
nicht in Form von flüssiger Luft, sondern als fühlbare Kälte des Auspuffs.
-
Die Aufgabe besteht nun darin, die fühlbare Auspuffkälte dadurch in
flüssige Luft umzusetzen, daß die flüssige Waschluft mit dem Kälteinhalt des Auspuffs
im Verein mit dem ausgeschiedenen Stickstoff aus der Nachzerlegung nachgekühlt wird,
während die Betriebsluft der Expansionsmaschine durch Überdruckvorzerlegung in ihre
Hauptbestandteile zerlegt wird.
-
Diese Zerlegung der Expansionsmaschinenbetriebsluft kann aber auch
nachträglich als Auspuff vor sich gehen. In diesem Falle wird die Betriebsluft der
Expansionsmaschine nicht als Stickstoff aus der Überdruckvorzerlegung entnommen,
sondern als Luft, und der Auspuff wird nun zuerst durch den oberen Nachrektifikator
geleitet, dort zerlegt und erst dann gemeinsam mit dem ausgeschiedenen Gesamtstickstoff
durch den Nachkühler geführt, -um die Waschluft nachzukühlen. -Diese Abwandlung
des Verfahrens mit Nachzerlegung des Auspuffs ist ebenfalls veranschaulicht. Die
Entnahme der Betriebsluft für die Expansionsmaschine erfolgt hier bei x und der
Auspuff wird bei z mit Leitung 5 in den oberen Rektifikator der Nachzerlegung geleitet.
-
Gegenüber der Überdruckvorzerlegung besitzt es den Nachteil, daß der
Umsatz im oberen (Nach-) Rektifikator sich um die Auspuffmenge vergrößert und durch
den stoßweisen Auspuffbetrieb die Rektifikation etwas behindert wird. Auch entsteht
durch den Widerstand im Rektifikator ein höherer Auspuffgegendruck. Des weiteren
ist der Stickstoff aus der Vorzerlegung als Betriebsgas für die Expansionsmaschine
geeigneter, weil er sich bis -r96° abkühlen läßt, Luft dagegen nur bis -igi°.
-
Dies wirkt sich hier besonders ungünstig aus, weil die nachzukühlende
Waschflüssigkeit schon eine Temperatur von -18o° besitzt, so daß nur noch ein Temperaturgefälle
von ii° gegen i6° beim Stickstoffbetrieb verfügbar ist. Nachdem man aber stets auch
noch mit einer Übertragungsdifferenz von 5° rechnen muß, so verbleiben nur noch
i i - 5 6° gegen 16 - 5 _--- i i °, also wenig über die Hälfte als nutzbare
Leistung beim Luftbetrieb.
-
Da diesen Nachteilen keine Vorteile gegenüberstehen, so ist im allgemeinen
die Vorzerlegung der Expansionsmaschinenbetriebsluft vorzuziehen, zumal beim Betrieb
mit nicht zerlegter Luft im Sättigungsgebiet eine teilweise Vorverflüssigung des
Sauerstoffs in der Maschine eintritt, was die Kälteleistung der Expansionsmaschine
sehr beeinträchtigt.
-
Die Verhütung der Reifbildung durch Sublimation ist nur im Kältespeicherumschaltwechselbetriebe,
nicht aber beim kontinuierlichen Kältetauscherbetrieb möglich, denn diese setzt
voraus, daß die Zerlegungsprodukte
durch denselben Raum teerausgeleitet
werden, durch den sie einziehen. Beim kontinuierlichen Kältetausch ist das aber
nicht der Fall. denn da sind die Ein- und Ausströmräume voneinander durch die Wand
der Übertragungsfläche getrennt.
-
Die zweite Voraussetzung besteht darin, daß die eingeleitete Luft
auf einige Atmosphären Überdruck verdichtet wird, die Zerlegungsprodukte dagegen
ohne Druck teerausgeleitet werden, damit das ausziehende Voluinen wesentlich größer
ist als das einziehende, denn die Feuchtigkeitsaufnahme ist eine Funktion des Volumens,
nicht aber des Gewichtes der Gase.
-
Die drucklos teerausgeleiteten Zerlegungsprodukte vermögen daher im
Umschaltwecliselbetrieb aus den Kältespeichern leicht die Feuchtigkeit wieder aufzunehmen,
die sich beim Einleiten der verdichteten Luft an den Flächen als Reif während einer
kurzen Umschaltperiode von einigen Minuten angesetzt hat.