DE554706C

DE554706C - Process for the separation of air or other gas mixtures

Info

Publication number: DE554706C
Application number: DEG81125D
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1931-11-13
Filing date: 1931-11-13
Publication date: 1932-07-22
Also published as: DE527479C

Description

Verfahren zur Zerlegung von Luft oder anderen Gasgemischen Im Hauptpatent ist ein Verfahren zur Verflüssigung oder Zerlegung von Luft oder anderen Gasen unter Verwendung von Regeneratoren, durch welche das zu zerlegende Gemisch und die Zerlegungsprodukte abwechselnd hindurchgeführt werden, beschrieben worden, bei welchem die Wiederverdampfung der bei der Abkühlung des zu zerlegenden Gases ausgeschiedenen Kondensate dadurch sichergestellt wird, daß an jeder Stelle des Regenerators das Produkt aus Partialdruck des Kondensates und effektivem Gesamtvolumen bei der Einströmperiode kleiner ist als das Produkt der gleichen Größen in der Ausströmperiode an der gleichen Regeneratorstelle. Bei diesem Verfahren muß also das zu zerlegende Gas auf einen so hohen Druck komprimiert «erden, daß die vorgenannte Bedingung erfüllt wird.Process for the separation of air or other gas mixtures In the main patent is a process for liquefying or breaking down air or other gases under Use of regenerators, through which the mixture to be broken down and the decomposition products are passed alternately, has been described, in which the re-evaporation the condensates separated during the cooling of the gas to be decomposed thereby it is ensured that at each point of the regenerator the product of partial pressure of the condensate and the effective total volume during the inflow period is smaller as the product of the same sizes in the outflow period at the same regenerator point. In this process, the gas to be separated must therefore be compressed to such a high pressure «Ground that the aforementioned condition is met.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren, bei welchem der gleiche Zweck der vollständigen Wiederverdampfung der Kondensate erreicht wird, ohne daß das Gas auf hohen Druck komprimiert werden muß, bei welchem also an Kompressionsenergie gespart werden kann. Nach der Erfindung wird dies dadurch ermöglicht, daß die Temperaturdifferenz. zwischen ein- und Gasen an ein und derselben Stelle der Regeneratoren in denjenigen Gebieten, in welchen Kondensate abgelagert werden, so stark verringert wird, daß auch ohne Kompression des zu zerlegenden Gases auf einen höheren Druck als den für die Zerlegung ohnedies erforderlichen die Regel des Hauptpatentes erfüllt wird. Das Mittel, durch welches die Temperaturdifferenz auf den erforderlichen Betrag verkleinert wird, besteht in der Veränderung des Mengenverhältnisses von ein- und ausströmenden Gasen in dem fraglichen Regeneratorabschnitt. Es wurde gefunden, daß auch bei Regeneratoren, bei denen durch reichliche Abmessungen eine kleine Temperaturdifferenz am warmen Ende erzielt wird. in einzelnen Abschnitten größere Temperaturdifferenzen nicht zu vermeiden sind. Wenn z. B. Luft unter 3 atü mit der gleichen Menge Stickstoff von Atmosphärendruck ihre Wärme austauscht und eine. Temperaturdifferenz an den Regeneratoren oben von y° erreicht wird, so stellt sich an deren unterem Ende infolge der höheren spezifischen Wärme der komprimierten Luft sowie infolge von Kälteverlusten durch Austausch mit der Umgebung eine Temperaturdifferenz von 5 bis 7° ein. Das untere Ende ist nun gerade diejenige Stelle, bei welcher die Bedingungen für die Wiederverdampfung von fest ausgeschiedenem Kohlendioxyd besonders ungünstig sind. Der Volumenunterschied ist im vorliegenden Falle nicht ausreichend, um den Sättigungsdruckunterschied, der der Temperaturdifferenz entspricht, zu kompensieren, so daß nach kurzer Zeit eine Verstopfung des unteren Endes mit Kohlendioxyd eintreten muß.The present invention is a method in which the the same purpose of complete re-evaporation of the condensates is achieved, without the gas having to be compressed to high pressure, i.e. at which compression energy can be saved. According to the invention this is made possible in that the temperature difference. between one and gases at one and the same point of the regenerators in those Areas in which condensates are deposited is reduced so much that even without compressing the gas to be decomposed to a pressure higher than that for the dismantling is fulfilled anyway the rule of the main patent. The means by which the temperature difference is reduced to the required amount is reduced, consists in changing the ratio of one and outflowing gases in the regenerator section in question. It was found that even with regenerators, which have a small temperature difference due to their large dimensions is achieved at the warm end. larger temperature differences in individual sections cannot be avoided. If z. B. Air below 3 atmospheres with the same amount of nitrogen of atmospheric pressure exchanges their heat and one. Temperature difference at the Regenerators is reached by y ° at the top, then at their lower end as a result the higher specific heat of the compressed air and as a result of cold losses a temperature difference of 5 to 7 ° through exchange with the environment. That The lower end is precisely the point where the conditions for the Re-evaporation of solid carbon dioxide in particular are unfavorable. The volume difference is not sufficient in the present case, to compensate for the saturation pressure difference, which corresponds to the temperature difference, so that after a short time the lower end becomes clogged with carbon dioxide got to.

Erfindungsgemäß wird nun im unteren Teil des Regenerators das Verhältnis der Stickstoffmenge zu der durchgehenden Luftmenge vergrößert, und zwar soweit, daß der Einfluß der größeren spezifischen Wärme der komprimierten Luft ausgeglichen und die Temperaturdifferenz auf 2 bis 3° verringert wird.According to the invention, the ratio is now in the lower part of the regenerator the amount of nitrogen is increased to the amount of air passing through, to the extent that that the influence of the greater specific heat of the compressed air is balanced and the temperature difference is reduced to 2 to 3 °.

Dieses Mengenverhältnis Stickstoff zu Luft wird nur in dem Teil des Regenerators aufrechterhalten, in welchem merkliche Unterschiede der spezifischen Wärmen bestehen; im übrigen Teil des Regenerators wird die Mengengleichheit wiederhergestellt, wodurch Kälteverluste vermieden werden, die auftreten müßten, wenn durch die ganze Länge des Regenerators eine größere Stickstoff- als Luftmenge hindurchgeführt würde. Die Verkleinerung der Temperaturdifferenz hat zur Folge, daß nunmehr das Volumen des austretenden Stickstoffs ausreichend groß ist, uni die vollständige Wiederverdampfung der Kohlensäure zu bewirken.This nitrogen to air ratio is only used in that part of the Regenerators maintained in what noticeable differences of the specific Warming insist; in the remaining part of the regenerator the quantity equality is restored, thereby avoiding cold losses that would have to occur if through the whole Length of the regenerator a larger amount of nitrogen than air would be passed through. The reduction in the temperature difference has the consequence that now the volume of the exiting nitrogen is sufficiently large for complete re-evaporation to effect the carbonic acid.

Für die Ausführung des Erfindungsgedankens stehen zwei Wege offen: Man kann die Menge der durch den Regenerator hinausgeführten Gase vergrößern um eine Zusatzmenge, die anderweitig abgekühlt und gegebenenfalls nach Durchlaufen der Zerlegungseinrichtung den Regeneratoren an geeigneter Stelle kalt zugeführt wird. Ein zweiter Weg besteht darin, daß von dem eintretenden Gas ein Teil nach Durchlaufen eines Regeneratorabschnittes abgezweigt und getrennt weiter abgekühlt wird, um in die Zerlegungseinrichtung eingeführt zu werden.There are two ways of carrying out the idea of the invention: The amount of gases carried out by the regenerator can be increased by an additional amount that is otherwise cooled and optionally after passing through fed cold from the decomposition facility to the regenerators at a suitable point will. A second way is that of the incoming gas a part after Branch through a regenerator section and further cooled separately to be introduced into the dismantling facility.

Die Ausführung des Verfahrens sei an Hand -zweier Beispiele beschrieben, in denen die Zerlegung von Luft behandelt wird, wobei es also auf die Wiederverdampfung von Eis und Kohlendioxyd ankommt.The execution of the procedure is described using two examples, in which the decomposition of air is dealt with, with it therefore on re-evaporation of ice and carbon dioxide arrives.

Abb. i stellt eine Luftzerlegungsanlage dar; 1, ja, 2 und 2a sind zwei Paare von Regeneratoren, die für den Wärmeaustausch zwischen Luft und Sauerstoff einerseits, Luft und Stickstoff andererseits dienen. Die auf beispielsweise 2 atü komprimierte Luft tritt bei 3 bzw. q. in die Regeneratoren i und 211 ein. Die Hauptmenge der Luft tritt bei 5 und 6a aus und geht in die Rektifikationseinrichtung, während gleichzeitig Sauerstoff und Stickstoff durch die Regeneratoren ja und 2 hindurchgehen. Mittels der in der Zeichnung angedeuteten Umschaltorgane werden in regelmäßigen Zeitabschnitten die Regeneratoren in bekannter Weise gewechselt.Fig. I shows an air separation plant; 1, yes, 2 and 2a are two pairs of regenerators that are used for heat exchange between air and oxygen on the one hand, and air and nitrogen on the other. The air compressed to 2 atmospheres, for example, occurs at 3 or q. into regenerators i and 211. Most of the air exits at 5 and 6a and goes into the rectifier, while oxygen and nitrogen pass through the regenerators ja and 2 at the same time. By means of the switching devices indicated in the drawing, the regenerators are changed in a known manner at regular intervals.

Ein kleiner Teil der Luft, etwa 5 °/o, wird nach Abkühlung bis auf etwa - ioo°, d. h. auf eine Temperatur, bei welcher noch kein Kohlendioxyd fest ausgeschieden ist, aus den Regeneratoren bei 7 und 8a herausgeführt (z. B. durch gesteuerte Ventile 9 und ioa).A small part of the air, about 5 per cent., Becomes up to after cooling down about - ioo °, d. H. to a temperature at which carbon dioxide does not yet solidify is eliminated, led out of the regenerators at 7 and 8a (e.g. by controlled valves 9 and ioa).

Die weitere Abkühlung dieser abgezweigten Luft erfolgt im Ausführungsbeispiel im Gegenstromaustauscher 13 durch kalten Stickstoff auf dessen Weg vom Druckrektifikator zur Expansionsmaschine. Um eine Verstopfung dieses Gegenströmers durch festes Kohlendioxyd zu vermeiden, wird die Luft vor Eintritt in den Gegenströmer 13 von CO, befreit, indem man sie im Gegenstromwärmeaustauscher i i auf Zimmertemperatur erwärmt, im Absorptionsbehälter i2 mit Natronlauge wäscht, im Kompressor 17 auf etwas höheren Druck verdichtet und sodann in z i wieder abkühlt. Nach Durchlaufen des Kühlers 13 wird die abgezweigte Luft in die Rektifikationseinrichtung eingeführt. Die Zerlegung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff erfolgt in bekannter Weise, wobei erforderlichenfalls die Zerlegungsprodukte durch die Austauscher 15, 16 hindurchgeschickt werden können, um eine Vorkondensation von Luft in den Regeneratoren zu vermeiden.The further cooling of this branched off air takes place in the exemplary embodiment in the countercurrent exchanger 13 by cold nitrogen on its way from the pressure rectifier to the expansion machine. In order to avoid clogging of this countercurrent with solid carbon dioxide, the air is freed from CO before entering the countercurrent 13 by heating it to room temperature in the countercurrent heat exchanger ii, washing it with caustic soda in the absorption tank i2, and compressing it to a slightly higher pressure in the compressor 17 and then cools down again in zi. After passing through the cooler 13, the branched off air is introduced into the rectification device. The air is broken down into oxygen and nitrogen in a known manner, with the decomposition products being able to be sent through the exchangers 15, 16 if necessary in order to avoid precondensation of air in the regenerators.

Infolge der Abführung eines Teiles der Luft bei 9 und ioa strömt durch den unteren `Teil der Regeneratoren i und 2a nunmehr eine kleinere Menge Luft als im oberen Teil. In letzterem sind die Luftmengen so bemessen, daß sie gleich denen der entgegenströmenden Mengen Sauerstoff und Stickstoff sind. Das Mengenverhältnis von Luft zii Sauerstoff bzw. Stickstoff beträgt also im oberen Teil i, im unteren Teil etwa o,95. Die Wirkung dieser Maßnahme ist, daß infolge der vergrößerten Kältemenge, die der Stickstoff dem unteren Regeneratorabschnitt zuführt, die Temperaturdifferenz zwischen Luft und den Zerlegungsprodukten auf etwa 2° zurückgeht und somit die ausgeschiedene feste Kohlensäure restlos wieder verdampft.As a result of the evacuation of part of the air at 9 and ioa flows through the lower part of the regenerators i and 2a now have a smaller amount of air than in the upper part. In the latter, the amounts of air are so dimensioned that they are equal to those of the opposing amounts of oxygen and nitrogen. The quantity ratio of air zii oxygen or nitrogen is therefore i in the upper part and i in the lower part Part about o.95. The effect of this measure is that as a result of the increased amount of cold, that the nitrogen feeds to the lower regenerator section is the temperature difference between air and the decomposition products decreases to about 2 ° and thus the excreted solid carbon dioxide completely evaporated again.

Würde man das Mengenverhältnis Luft zu Zerlegungsprodukt - 0,95 auch in den oberen Regeneratorteilen aufrechterhalten, in welchen die spezifische Wärme der komprimierten Luft (bezogen auf die Volumeneinheit), nicht merklich größer ist als die von Luft bzw. Sauerstoff und Stickstoff unter Atmosphärendruck, so wäre die Folge, daß im oberen Regeneratorteil sich eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen ein- und austretenden Gasen einstellt, die nicht nur einen Kälteverlust bedeutet, sondern auch die Wiederverdampfung des ausgeschiedenen Wassers unmöglich macht. Diese Schwierigkeiten werden jedoch bei der beschriebenen Ausführung vollständig vermieden.If the ratio of air to decomposition product - 0.95 were also maintained in the upper regenerator parts, in which the specific heat of the compressed air (based on the volume unit) is not noticeably greater than that of air or oxygen and nitrogen under atmospheric pressure, then The consequence would be that in the upper part of the regenerator there would be a considerable temperature difference between incoming and outgoing gases, which not only meant a loss of cold, but also made the re-evaporation of the separated water impossible. However, these difficulties are completely avoided in the embodiment described.

Eine zweite Ausführungsform ist in Abb. 2 schematisch dargestellt, die sich im übrigen an die Abb. i anlehnt. Hierbei ist die Luftmenge, welche durch die Regeneratoren hindurchgeht, über die ganze Länge der Regeneratoren gleichbleibend. Dagegen wird durch den unteren Teil eine größere Menge des Zerlegungsproduktes herausgeführt als durch den oberen Teil, so daß das Mengenverhältnis Luft zu Zerlegungsprodukt ähnlich wie im Beispiel i geändert wird. Eine zusätzliche Luftmenge wird bei i9 unter höherem Druck, z. B. 2o atü, in die Austauscher 17 eingeführt (und zwar zweckmäßig nach vorheriger Entfernung von Wasser und Kohlendioxyd) und durch entgegenströmende Zerlegungsprodukte gekühlt. Die weitere Abkühlung der Luft erfolgt im Ausführungsbeispiel durch arbeitleistende Expansion, bis auf den Druck, unter dem die Hauptmenge der Luft eingeführt wird. Beide Luftströme vereinigen sich sodann und werden in bekannter Weise zerlegt. Gemäß der Abb. 2 verläßt ein Teil des einen Zerlegungsproduktes, z. B. Sauerstoff, den Regenerator 0 bei 711 an einer Stelle, an welcher eine Temperatur von etwa - ioo° herrscht. Dieser Sauerstoff gibt im Gegenstronikühler 17 die Kälte an die bei i9 eintretende Zusatzluft ab und tritt bei 18 niit nahezu Zinnnertemperatur aus.A second embodiment is shown schematically in Fig. 2, which is based on the rest of Fig. i. Here is the amount of air that passes through passes through the regenerators, constant over the entire length of the regenerators. In contrast, a larger amount of the decomposition product is discharged through the lower part than through the upper part, so that the ratio of air to decomposition product similar to example i is changed. An additional amount of air is used with i9 under higher pressure, e.g. B. 2o atü, introduced into the exchanger 17 (and expediently after previous removal of water and carbon dioxide) and by countercurrent Decomposition products cooled. The further cooling of the air takes place in the exemplary embodiment through labor expansion, except for the pressure under which the bulk of the Air is introduced. Both air currents then unite and become more familiar Way disassembled. According to Fig. 2, a part of the decomposition product leaves z. B. oxygen, the regenerator 0 at 711 at a point at which a temperature of about - ioo ° prevails. This oxygen gives the cold in the counter electronic cooler 17 to the additional air entering at 19, and at 18 it reaches almost the tin-ner temperature the end.

Die vorstehende Beschreibung des Verfahrens stellt nur zwei spezielle Ausführungsbeispiele dar. Die Verwirklichung des ErfineIungs#edanlcens kann aber auch in anderer Weise erfolgen. Es ist dabei belanglos, ob Luft oder andere Gase verarbeitet werden und ob die Zerlegung, wie in Abb. i gezeichnet, durch -zweistufige Rektifikation oder durch andere bekannte Zerlegungsmethoden durchgeführt wird. Statt der im Beispiel a beschriebenen Arbeitsweise zu folgen, bei welcher ein Teil der Luft unter höherem Druck durch einen zusätzlichen Gegenstromkühler eingeführt wird, kann man auch eines der Zerlegungsprodukte, z. B. Stickstoff, unter liölierein Druck einführen und nach genügender Abkühlung sodann unmittelbar mit dein von der Zerlegungseinrichtung kommenden Stickstoff zusammen in den Regenerator einleiten. Ferner ist das Verfahren auch anwendbar, wenn an Stelle von Regeneratoren, durch welche jeweils nur eines der Gase hindurchgeht, Austauscher verwendet werden, durch die gleichzeitig beide Gase hindurchgeführt werden mit periodischem Wechsel der Gasquerschnitte.The above description of the method represents only two special ones Exemplary embodiments. The realization of the invention can, however can also be done in other ways. It is irrelevant whether it is air or other gases processed and whether the decomposition, as shown in Fig. i, by two-stage Rectification or by other known decomposition methods. Instead of to follow the procedure described in example a, in which part of the Air is introduced under higher pressure through an additional counterflow cooler, you can also use one of the decomposition products, e.g. B. nitrogen, under liölierein pressure and then, after sufficient cooling, immediately with your from the cutting device Introduce the incoming nitrogen together into the regenerator. Further is the procedure also applicable if instead of regenerators, through which only one at a time the gases passing through it, exchangers are used, through which both simultaneously Gases are passed through with a periodic change of gas cross-section.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Process for the separation of air or others Gas mixtures by deep-freezing, in which the mixture to be broken down and the decomposition products alternately passed through the same cross-sections of the heat exchanger are, according to Patent 527 4.79, characterized in that the ratio of the amount of mixture on the amount of decomposition products taking into account the various specific Heat the gases to be exchanged in individual sections of the exchanger is that at the points where condensate precipitated from the gas to be decomposed be sufficiently small for complete re-evaporation of the condensates Temperature difference between incoming and outgoing gases in the same cross section of the exchanger is achieved. a. Method according to claim i, characterized in that that of the mixture to be broken down after passing through a section of the exchanger a part is branched off and led out to, if necessary after exemption from Impurities, otherwise cooled and then together with the bulk of the Gas to be decomposed. 3. The method according to claim i, characterized in that Gases that are otherwise (e.g. due to the expansion of gases during work) have been cooled to a low temperature, if necessary after having passed through the dismantling facility, with the decomposition products are led out through part of the exchanger.