DE555818C

DE555818C - Verfahren zum Zerlegen tiefsiedender Gasgemische unter Verwendung von Kaeltespeichern

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Publication number: DE555818C
Application number: DE1930555818D
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1929-04-19
Filing date: 1930-11-13
Publication date: 1932-08-03
Also published as: DE522068C; US1945634A; GB352570A; FR694035A; DE534555C; NL38758C; NL31736C; US2048076A; BE377118A; FR710425A; GB246172A; DE604119C; GB371966A; US1989190A; BE369658A; DE543684C; DE513683C; GB355257A

Description

Nach dem Verfahren des Hauptpatents soll der unter einem Überdruck von 2 bis 4 Atm. in der Vorzerlegung bei einer Temperatur von ·—187⁰ (bei 2 atü für 450/0igen Sauerstoff) und von —178⁰ bei 4 atü Kondensationsdruck (für 90 bis 99 °/_oigen Sauerstoff) gasförmig ausgeschiedene Stickstoff unmittelbar der Expansionsmaschine zugeleitet und in dieser auf etwa 0,2 atü entspannt werden, wobei er sich bis — 195⁰ abkühlt. Hierauf soll derselbe mit der Waschflüssigkeit in Kältetausch gebracht werden, um diese von —175 bis —190⁰ nachzukühlen und auf diese Weise die Kälteverluste der Anlage zu decken. Hier wird also die Kälteleistung der Expansionsmaschine nachträglich nutzbar gemacht, indem der tiefgekühlte Stickstoff nach dem Austritt aus der Expansionsmaschine das in derselben erzeugte Temperaturgefälle auf die Waschflüssigkeit überträgt.

Diese Ausführung des Verfahrens besitzt jedoch den Nachteil, daß sich in der Expansionsmaschine bereits Flüssigkeit bildet und damit zu einer Minderung an Kälteleistung führt, wenn die Eintrittstemperatur schon —175° oder noch tiefer ist, weil sich dabei der Arbeitsprozeß in der Expansionsmaschine vollständig im Sättigungsgebiet abwickelt.

Dieses Verfahren kann wesentlich verbessert werden, wenn dem in der Expansionsmaschine verkehrenden Druckstickstoff vor seinem Eintritt in die Maschine so viel Kälte entzogen wird, als dem in der Expansionsmaschine erreichbaren Temperaturgefälle entspricht.

Bei 4 atü Kondensationsdruck in der Vorzerlegung (wenn Sauerstoff von mehr als 90 °/o erzeugt werden soll) hat der mit 4 Atm. Überdruck gasförmig ausgeschiedene Druckstickstoff eine Temperatur von ■—· 178⁰. Das erreichbare Temperaturgefälle in der Expansionsmaschine beträgt hierbei praktisch etwa 33°, so daß dem Druckstickstoff seine Kälte bis 178—-33 = 145° entzogen werden kann. Das geschieht dergestalt, daß der Druckstickstoff mit einer entsprechenden Menge Luft oder Stickstoff von 25 Atm. in einem Röhrenkälietauscher in kontinuierlichen Kältetausch gebracht wird, wobei sich das auf 25 Atm. verdichtete und vorher bis —140⁰ vorgekühlte Gas restlos verflüssigt.

Wenn Sauerstoff mit etwa 45 ^tt/₀ O₂-Gehalt erzeugt werden soll, dann ergibt sich ein Kondensationsdruck von 2 atü, eine Temperatur des mit 2 Atm. Überdruck ausgeschiedenen Druckstickstoffs von —187⁰ und ein Temperaturgefälle in der Expansionsmaschine von etwa 20⁰. Der Druckstickstoff wird dann mit einem auf 15 atü verdichteten und bis —165⁰ vorgekühlten Gas (Luft oder Stickstoff) vor seinem Eintritt in die Expansionsmaschine in Kältetausch gebracht, um dieses

auf I5atü verdichtete und bis —i6o° vorgekühlte Gas zu verflüssigen und damit die Kälteverluste der Anlage zu decken.

Bis zu 45 °/o O₂-Gehalt im gewonnenen Gemisch kann der Prozeß vollständig in der unteren Vorzerlegungssäule durchgeführt werden, darüber hinaus muß· eine Nachrektifikation bis zur gewünschten Reinheit in einer oberen Säule stattfinden. Beim 45 °/_oigen Sauerstoff wird daher der betreffende Stickstoffanteil ausschließlich als Druckstickstoff ausgeschieden und in der Expansionsmaschine entspannt, während bei reinem Sauerstoff ein Teil des in der Vorzerlegung ausgeschiedenen Druckstickstoffs verflüssigt und auf die obere Säule aufgegossen werden muß, um für die Nachrektifikation als Waschstickstoff zu dienen.

Aus je 5 cbm Luft stehen somit für den Betrieb der Expansionsmaschine beim 45 "/eigen Sauerstoff rund 2,5 cbm Druckstickstoff mit 2 atü zur Verfügung, beim 95 °/_oigen Sauerstoff dagegen nur 1,5 cbm aber mit 4 atü. Die erzielbare Kälteleistung ist in beiden Fällen gleich groß.

Da bei der Erzeugung von 45 °/_oigem Sauerstoff der gesamte ausgeschiedene Druckstickstoff in der Expansionsmaschine entspannt wird, nachdem mit seinem Kälteinhalt vorher eine entsprechende Menge Gas von 15 atü verflüssigt wurde, wobei er sich bis 165 ° erwärmt hat, so kommt er hier für eine Nachkühlung der Flüssigkeit nicht mehr in Frage, weil der entspannte Stickstoff bei seinem Austritt aus der Expansionsmaschine nicht mehr kälter ist als die Flüssigkeit selbst.

Bei der Erzeugung von reinem Sauerstoff hingegen wird ein Teil des Stickstoffs erst in der Nachzerlegung, d. h. ohne Überdruck ausgeschieden. Dieser Teil besitzt eine Temperatur von — 195⁰, ist also . noch um 20⁰ kälter als die Waschflüssigkeit und kann daher mit Vorteil zum Nachkühlen derselben benutzt werden, um das teilweise Wiederverdampfen beim Entspannen von 4 atü auf 0,2 atü zu vermeiden.

Ebenso ist der gewonnene Sauerstoff in beiden Fällen, gleichviel ob 45 °/_oiger oder 95 °/oiger Sauerstoff erzeugt wird, um 8° kälter als die Luft, wenn sie in die Vorzerlegung eintritt.

Dieser Kälteüberschuß des Stickstoffs und Sauerstoffs gegenüber der Luft beim Eintritt in die Vorzerlegung würde bei Anlagen üblicher Bauart, welche mit Röhrenkältetauschern (Gegenströmer) betrieben werden, keinen Nachteil mit sich bringen, weil damit ein entsprechender Teil der Druckluft im Gegenströmer verflüssigt werden kann, beim Kältespeicher-So umschaltwechselbetrieb dagegen geht fast alles verloren, was in die Kältespeicher an Kälte mehr zugeführt wird, als von der Luft bis zu ihrer Verflüssigung aufgenommen werden kann. Eine Verflüssigung der Druckluft in den Kältespeichern durch Unterkühlung derselben darf niemals stattfinden, denn beim nachfolgenden Umschalten auf Stickstoff- und Sauerstoff austritt würde die als Tau an den Flächen der Kältespeicher haftende Flüssigkeit sofort verdampfen, weil sie dort im drucklosen Zustand als Flüssigkeit nicht bestehen kann. Deshalb muß unter allen Umständen dafür gesorgt werden, daß weder der Stickstoff noch der Sauerstoff kälter in die Regeneratoren eintritt als der Verflüssigungstemperatur der zu zerlegenden Luft entspricht. Ist diese Temperatur z. B. —i75°, so müssen die Zerlegungsprodukte ebenfalls mindestens bis —i8o° erwärmt werden, ehe sie durch die Regeneratoren herausgeleitet werden. Dies kann durch den Kältetausch mit den Waschflüssigkeiten erreicht werden. Dazu wird der ausgeschiedene Stickstoff zuerst mit dem Waschstickstoff und dann mit der sauerstoffreichen Waschflüssigkeit in Kältetausch gebracht, der Sauerstoff dagegen nur mit letzterer.

Bei Anlagen für 45 °/_oigen Sauerstoff wird nur die Kälte des Sauerstoffs übertragen, und zwar von — 188 bis — i8o°.

Um dem Betriebsstickstoff der Expansionsmaschine vor seinem Eintritt in die Expansionsmaschine die Kälte bis —145⁰ (bei der Erzeugung von 95 °/_oigem Sauerstoff bzw. bis —165⁰ bei 45 °/_oigem Sauerstoff) entziehen zu können, muß, wie bereits angeführt, eine entsprechende Menge Gas (Luft oder Stickstoff) auf 25 bzw. 15 atü verdichtet werden, damit es mit dem Kälteinhalt des Stickstoffs verflüssigt werden kann. Diese Verdichtung auf den höheren Druck ist unerläßlich, weil sonst eine Verflüssigung bei der Temperatur des Druckstickstoffs von —145 bzw. 165 ° nicht möglich wäre.

Ehe dieses Gas aber verflüssigt wird, muß es bis — 140 bzw. i6o° vorgekühlt werden. Zu diesem Behufe wird eine entsprechende Menge des in der Vorzerlegung ausgeschiedenen Druckstickstoffs in einem Gegenströmer herausgeleitet, in welchem er seine Kälte an den auf 25 bzw. 15 Atm. verdichteten Stickstoff abgibt, um diesen bis — 140 bzw. i6o° abzukühlen ehe er verflüssigt wird.

Um ι cbm Stickstoff von 25 atü zu verflüssigen, müssen 6 cbm Stickstoff ihre Kälte von —178 bis —145° abgeben. Davon werden 5 cbm mit 145° in die Expansionsmaschine geleitet und 1 cbm wird durch den Gegenströmer zum Vorkühlen des zu verflüssigenden Stickstoffs mit 4 Atm. Überdruck herausgeführt, wobei er sich bis -f- 20⁰ erwärmt, um sodann im Kreislauf vom Korn-

pressor angesaugt und von 4 auf 25 atü verdichtet zu werden, worauf er wieder durch den Gegenströmer hineingeleitet, bis — 140° vorgekühlt und sodann verflüssigt wird.
Bei der Erzeugung von 45 °/_oigem Sauerstoff wird der Stickstoff durch den Vorkühler mit 2 atii herausgeführt, im Kreislauf auf 15 atü verdichtet, bis — i6o° vorgekühlt und dann verflüssigt. Hier sind zur Verflüssigung ι cbm Stickstoffs 10 cbm Druckstickstoff durch den Verflüssiger zu leiten, wovon sodann 9 cbm in die Expansionsmaschine gehen und ι cbm durch den Vorkühler herausgeleitet wird.

In den beiliegenden Zeichnungen ist das Verfahren durch die zugehörigen Einrichtungen in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, und zwar in Abb. 1 für Sauerstoff von 40 bis 45 °/o Oo-Gehalt im Gemisch und in Abb. 2 für Sauerstoff mit mehr als 90 % Reinheit, in beiden Fällen beim Betrieb der Expansionsmaschine mit Stickstoff aus der Drucksäule.

Die Anlage besteht im Fall 1 aus zwei Paar Regeneratoren für Druckluftstickstoff Α',Λ" und Druckluftsauerstoff B', B", dem Kondensator c, der gleichzeitig als Verdampfer des flüssigen Sauerstoffs wirkt, dem Mitteldruckverflüssiger d, dem Mitteldruckgegenströmer f, dem Mitteldruckverdichter'g, der Expansionsmaschine h, der Vorzerlegungsdrucksäule k und dem Flüssigkeitsnachkühler r für die Übertragung des im Sauerstoff enthaltenen Kälteüberschusses an den flüssigen Sauerstoff. Für die Gewinnung von Sauerstoff mit mehr als 50 °/o Reinheit ist dann noch eine Nachzerlegungssäule m (Abb. 2) erforderlich und an Stelle des Nachkühlers für flüssigen Sauerstoff ein soleher für beide Waschflüssigkeiten r.

Die zu zerlegende Luft wird in Abb. 1 abwechselnd durch Leitung 1' und 1" aus den Regeneratoren bei p mit 2 atü in die Vorzerlegungsdrucksäule k übergeleitet, dort mit

♦5 diesem Überdruck zu 40 bis 45 "feigem Sauerstoff und nahezu reinem gasförmigen Stickstoff zerlegt und der ausgeschiedene Stickstoff mit — 188° durch Leitung 2 dem Mitteldruckverflüssiger d zugeführt, in welchem er sich auf —165⁰ erwärmt und durch seine Kälteabgabe den in der Rohrschlange t des Verflüssigers d befindlichen Stickstoff von 15 atü verflüssigt.

Von da werden nun ⁹/io dieser auf —165⁰ erwärmten Stickstoffmenge mit Leitung 3 in die Expansionsmaschine h geleitet und in dieser auf 0,2 atü entspannt, wobei sich der Stickstoff wieder auf —· i88° abkühlt, worauf er mit Leitung 4 und Leitung 5', 5" abwechselnd durch einen der beiden Regeneratoren A' und A" aus der Apparatur herausgeführt wird.

¹J₁₀ dieser Stickstoffmenge dagegen wird aus dem Verflüssiger mit Leitung 6 durch den Mitteldruckgegenströmer f in den Verdichter g geleitet, dort auf 15 atü verdichtet und mit Leitung 7 wieder dem Gegenströmer f zugeführt, in dessen Rohrspirale s sie bis — i6o° gekühlt wird, um dann mit Leitung 8 in den Verflüssiger d geleitet und dort verflüssigt zu werden. Die auf diese Weise erzeugte Flüs- 7» sigkeit wird mit Leitung 9 dem Kondensator c zugeführt und dient zur Deckung der Kälteverluste.

Der flüssige 40 bis So°/_Oige Sauerstoff wird durch den Nachkühler r für flüssigen Sauerstoff mit Leitung 10 auf die Verdampferseite des Kondensators übergeleitet, dort verdampft und mit Leitung 11 wieder dem Flüssigkeitsnachkühler r zugeführt und in demselben durch Kältetausch mit dem flüssigen Sauerstoff etwas erwärmt zu werden, ehe er mit Leitung 12 in die Leitung 13' und 13" übertritt, womit er abwechselnd durch den Regenerator B' und B" herausgeführt wird.

Die Abb. 2 zeigt eine Einrichtung zur Aus- 8g führung des Verfahrens für die Gewinnung von Sauerstoff mit mehr als 50 °/₀ O₂-GeImIt.

Diese Ergänzung besteht darin, daß in einer oberen, bei Atmosphärendruck betriebenen Rektifikationssäule K' noch eine Nachzerlegung des Rohsauerstoffs in an sich bekannter Weise stattfindet. Außerdem muß der Nachkühler r zweiteilig ausgeführt werden, um den flüssigen Rohsauerstoff und den flüssigen Waschstickstoff im Teil r' des Nachkühlers getrennt führen zu können. Hier wird in der unteren (Drucksäule) die Luft zuerst einer Vorzerlegung in Rohsauerstoff und flüssigen Waschstickstoff unterzogen. Der Rohsauerstoff wird mit Leitung 10 in dier Mitte der Nachzerlegungssäule aufgegossen und der flüssige Waschstickstoff mit Leitung 14 auf den Kopf derselben.

Ein Teil des Stickstoffs wird wie im Fall I unverflüssigt aus dem Kondensator entnommen und der Expansionsmaschine zugeleitet, nachdem er im Kältetausch mit der zu verflüssigenden Mitteldruckluft vorher etwas erwärmt wurde.

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbesserung des Verfahrens des Hauptpatents dahingehend, daß

ι. dem in die Expansionsmaschine zu leitenden Druckstickstoff (oder der Niederdruckluft) vor dem Eintritt in die Expansionsmaschine durch Kältetausch mit höher oder gleich hoch verdichteter und wärmerer Luft so viel Kälte entzogen wird, als bei der nachfolgenden Entspannung in der Expansionsmaschine wieder Kälte erzeugt werden kann,

2. so viel Luft oder Stickstoff mit dem

Überdruck der Vorzerlegung durch einen Gegenströmer herausgeleitet wird, als zur Vorkühlung der zu verflüssigenden höher verdichteten Gasmenge erforderlich ist, 3. diese durch den Vorkühler herauszuleitende Luft- oder Stickstoffmenge vor dem Eintritt in den Vorkühler zusammen mit dem in die Expansionsmaschine zu leitenden Druckstickstoff oder getrennt davon zuerst durch den Verflüssiger geleitet wird,

4. die durch den Vorkühler herausgeleitete Luft- oder Stickstoffmenge im Kreislauf vom Mitteldruckkompressor angesaugt, auf 15 bis atü oder höher verdichtet und durch den Vorkühler nebst Verflüssiger im verflüssigten Zustand der Vor- oder Nachzerlegung wieder zugeführt wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zum Zerlegen tief siedender Gasgemische unter Verwendung von Kältespeichern im Umschaltwechselbetrieb und Totalverdichtung des gesamten zu zerlegenden Gasgemisches auf Kondensationsdruck, das nur teilweise unter Druck verflüssigt, zum anderen Teil dagegen in einer Expansionsmaschine entspannt wird, nach dem Patent 538 920, dadurch gekennzeichnet, daß dem in die Expansionsmaschine zu leitenden Gasanteil vor dem Eintritt in dieselbe so viel Kälte durch Übertragung auf das zu zerlegende Gasgemisch oder an eines der Zerlegungsprodukte entzogen wird, als durch die Arbeitsleistung in der Expansionsmaschine bei der Entspannung vom Druck der Vorzerlegung bis auf etwa 0,2 atü nachträglich wieder an Kälte erzeugt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Kälteinhalt des in die Expansionsmaschine mit dem Überdruck der Vorzerlegung zu leitenden Anteils des Leichtsiedenden der Zerlegungsprodukte vor dem Eintritt in die Expansionsmaschine ein Teil dazu benutzt wird, um einen anderen höher verdichteten Teil des Gasgemisches oder der Zerlegungsprodukte zu verflüssigen und damit die Kälteverluste der Anlage zu decken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem in der Vorzerlegung mit dem Überdruck derselben ausgeschiedenen leichtsiedenden Zerlegungsprodukt ein kleiner Anteil durch einen Gegenströmer herausgeleitet, im Kreislauf durch einen Kompressor auf höheren Druck verdichtet und in diesem Gegenströmer durch den Kälteinhalt des herausgeleiteten Anteils bis zur Verflüssi- So gungstemperatur gekühlt wird, um dann nach Anspruch 2 verflüssigt zu werden, worauf diese Flüssigkeit wieder der Vorzerlegung zugeführt wird, aus welcher das Leichtsiedende im gasförmigen Zustand entnommen wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im Kreislauf verkehrende Anteil des Leichtsiedenden auch zuerst durch den Verflüssiger nach Anspruch 2 geleitet wird, ehe er im Gegenströmer seine Kälte an sich selbst wieder abgibt, indem er sich im Gegenströmer erwärmt, im Verdichter auf höheren Druck gebracht und durch den Gegenströmer wieder eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Leichtsiedenden ein Anteil des zu zerlegenden Gasgemisches im Kreislauf durch den Gegenströmer und Verdichter in Verkehr gebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen