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Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen mittels Verflüssigung und
zweistufiger Rektifikation Bekanntlich bestehen gewisse Vorrichtungen für die Zerlegung
von Gasgemischen, wie z. B. Luft, die mit Verflüssigung und Rektifikation arbeiten
und bei der Verwendung von Luft einerseits Sauerstoff und anderseits Stickstoff
liefern, aus einer ersten Rektifikationssäule, die unter einem bestimmten Druck
arbeitet, und einer zweiten Rektifikationssäule, die unter einem geringeren Druck
steht; hierbei dient der Kondensator am oberen Teil der ersten Säule gleichzeitig
als Verdampfer für den unteren Teil der zweiten Säule. Im nachfolgenden wird aus
Gründen der Einfachheit die erste Säule mit Hochdrucksäule und die zweite Säule
mit Niederdrucksäule bezeichnet. Bei solchen Vorrichtungen ist es auch bekannt,
den aus der Hochdrucksäule gasförmig gebliebenen Rest in einem außerhalb der Säulen
angeordneten Hilfskondensator zu verflüssigen. Mit den erwähnten Vorrichtungen werden
jedoch nur zwei Gase verflüssigt und in reinem Zustande getrennt; die Erfindung
betrifft demgegenüber ein Verfahren, welches unter Beibehaltung der oben beschriebenen
Vorrichtungen erlaubt, ein Gemisch von mehr als zwei Gasen in seine Bestandteile
zu zerlegen, und zwar durch aufeinanderfolgende Verflüssigung, gegebenenfalls mit
Ausnahme des am wenigsten Verflüssigbaren.
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Das Verfahren besteht darin, daß man in dem Kondensatorverdampfer
oben an der Hochdruckrektifikationssäule nur einen Teil des Gasgemisches verflüssigt
und den Rest dieses Gemisches in einem oder mehreren zusätzlichen, in der Niederdruckrektifikationssäule
befindlichen Kondensatoren, die in Flüssigkeiten von immer mehr abnehmenden Temperaturen
angeordnet sind. Außerdem wird die Flüssigkeit, die unten an der Hochdruckrektifikationssäule
erhalten wird, in der Niederdrucksäule durch den nicht nach außen abgezapften Teil
der Gase rektifiziert, die durch den oben an der Hochdrucksäule. angebrachten Kondensatorverdampfer
verdampft werden; der Teil der in diesem Kondensator durch die teilweise Verflüssigung
unter Druck erhaltenen Flüssigkeit, der nicht für die Rektifikation unter Druck
Verwendung findet, wird durch das Gas rektifiziert, welches von der vorhergehenden
Rektifikation stammt. Diesem wird der nicht nach außen abgezapfte Teil des Gases
zugefügt, welches durch den ersten Hilfskondensator verdampft worden ist. Die in
diesem Kondensator und in den ihm folgenden gebildeten Flüssigkeiten werden auf
entsprechende Stellen der Niederdrucksäule gebracht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar für den Fall, in welchem das Gasgemisch vier Gase, nämlich
A', B', C und D'
enthält, die immer schwieriger
zu verflüssigen sind, in der Weise, daß das letzte, D', nur sehr schwer v erflüssigbar
ist (im Verhältnis zu den drei anderen).
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Das komprimierte Gasgemisch, welches in den üblichen Vorrichtungen
vorher gereinigt und gekühlt worden ist, tritt in die Hochdruckrektifikationssäule
X entweder in gas= förmigem oder, wenn es, wie in der Zeichnung dargestellt, durch
eire Verflüssigungsrohrschlange A geströmt ist, in teilweise flüssigem Zustande
ein. Das Gas oder das Gemisch aus Flüssigkeit und Gas wird in der erwähnten Säule
X rektifiziert, und das hierbei an ihrem oberen Teil sich ergebende Gas wird nur
teilweise in dem oberen Kondensatorderdampfer B verflüssigt; das Rückstandsgas von
dieser Verflüssigung wird zu seiner teilweisen Verflüssigung in einen Hilfskondensator
D geleitet, der im Innern der unter einem in der Nähe des Atmosphärendrucks liegenden
Druck arbeitenden Niederdrucksäule C liegt. Die an dem Gasbestandteil A' reiche
Flüssigkeit, welche unten an der Hochdrucksäule X erhalten wird, wird bei E in die
Niederdrucksäule gebracht, nachdem sie im Bedarfsfalle in dem Austauscher F durch
das an dem Bestandteil B' reiche Gas abgekühlt worden ist. Die hauptsächlich aus
dem Gasbestandteil B' bestehende gebildete Flüssigkeit, die in den Rohren des K.ondensatorverdampfers
B kondensiert worden ist, fließt teilweise in die Hochdrucksäule X zurück und wird
teilweise bei G in den Teil der NTiederdrucksäule emporgeführt, der sich oberhalb
des Hilfskondensators D befindet; im Bedarfsfalle durchströmt sie vorher einen Austauscher
F', in welchem sie durch die Gase abgekühlt wird, die oben an der Niederdrucksäule
entweichen.
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In dem Kondensator D wird hauptsächlich der Gasbestandteil
C verflüssigt; dieser wird oben auf die Rektifikationssäule gebracht, nachdem
er nach Bedarf in dem Austauscher T das von der Verflüssigung in D rückständige
Gas abgekühlt hat; letzteres wird durch teilweise Verflüssigung in T gereinigt und
entweicht bei V am oberen Teil von T in Gestalt eines Gases; das hauptsächlich
den am meisten flüchtigen Bestandteil D' enthält. Die bei U
oben an
der Niederdrucksäule C entweichenden Gase bestehen hauptsächlich aus dem Gasbestandteil
C. Dagegen entweicht das an dem Bestandteil B' reiche Gas nach außen durch
die Leitung Y oberhalb der Flüssigkeit des Verdampfers D, und das an dem Bestandteil
A' reiche Gas gelangt durch die Leitung Z oberhalb des Verdampfers B nach außen.
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Das Rohr H gestattet den Gasen der Niederdrucksäule, die sich unterhalb
des Hilfskondensators D befinden, nach dem Teil oberhalb dieses Kondensators zu
strömen, in gleicher Weise, wie das Rohr I einem Teil der Flüssigkeit außerhalb
des Kondensators D erlaubt, in den Teil der Rektifikationssäule herabzugehen, der
sich unter ihm befindet.
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Bei einer Vorrichtung und einem Gasgemisch von gegebener Zusammensetzung
bestimmt man versuchsweiss während der ersten Inbetriebsetzung der Vorrichtung die
Größe, welche man der Oberfläche der verschiedenen Kondensatoren geben muß, die
von verdampfender Flüssigkeit umspült wird, in der Weise, daß man alle getrennten
Bestandteile in dem gewünschten Reinheitsgrad erhält; zu diesem Zweck regelt man
in geeigneter Weise die Standhöhe der erwähnten Flüssigkeit. Auf die angegebene
Art vermehrt man nach Belieben die Größe der Verflüssigungen, die sich in den verschiedenen
Kondensatoren abspielen, und indem man in geeigneter Weise diese Flächen zwischen
den verschiedenen Kondensatoren verteilt, kann man eine mehr oder weniger vollkommene
Trennung der Gase erzielen, die um so besser sein wird, je weiter die Siedepunkte
der verflüssigten Produkte auseinanderstehen.
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Im übrigen kann man nach Wunsch die Reinheit des Produktes
C verbessern, indem man dieses nach seinem Austritt oben aus der Niederdrucksäule
dem bekannten Selbstreinigungskreislauf unterwirft; in diesem wird es verdichtet
und verflüssigt, z. B. in der Flüssigkeit um den Hilfskondensator D, und die so
erzeugte Flüssigkeit wird oben auf die in geeigneter Weise verlängerte Niederdrucksäule
gebracht.
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Das vorliegende Verfahren ist u. a. auch auf das äthylenhaltige Gasgemisch
anwendbar, welches bei der teilweisen Verflüssigung von Koksofengas zur Herstellung
von Wasserstoff oder von Wasserstoff-Stickstoff-Gemischen erhalten wird.
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Bei den in Frage kommenden Vorrichtungen strömt das Koksofengas, z.
B. von oben nach unten, nach dem Durchgang durch einen ersten Wärmeaustauscher in
umgekehrter Richtung zu den getrennten Produkten in einen zweiten Austauscher, der
bei Temperaturen von ungefähr -5o bis -r5o° arbeitet; am unteren Teile dieses Austauschers
gewinnt man eine Flüssigkeit, die Äthylen in einer Menge von ungefähr 15"/, enthält.
Diese Flüssigkeit rektifiziert man in der Vorrichtung selbst in einer Rektifikationssäule,
deren unterer Teil durch eine Abzweigung des Koksofengases geheizt wird; die erwähnte
Rektifikation verflüchtigt den größten Teil der am meisten flüchtigen Produkte,
nämlich Wasserstoff, Stickstoff und Methan. Die in dem Verdampfer der Rektifikationssäule
gesammelte Flüssigkeit enthält ungefähr 5o0/4
Äthylen. 3o°4 Äthan,
io°o schwere Kohlenwasserstoffe, wie Propylen, Pentan usw., und 10°1'o Wasserstoff,
Stickstoff, Methan; diese Flüssigkeit wird in einem besonderen Raum des ersten Wärmeaustauschers
verdampft. Das so erhaltene Gas kann nach dein Verfahren der Erfindung behandelt
werden, es sei denn, daß man vorzieht, in der Verflüssigungsvorrichtung zur Gewinnung
des Wasserstoffs selbst und gemäß dem vorliegenden Verfahren die äthylenhaltige
Flüssigkeit zu behandeln, die man unten in dem obenerwähnten Verdampfer erzielt
hat.
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In allen Fällen erhält man bei T' ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff
und Methan, bei U ein an Ätlivlen reiches Gas, bei Y ein Gas mit einem ziemlich
großen Anteil Äthan und bei Z ein an schweren Kohlenwasserstoffen reiches Gas.