-
Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen im Kältespeicher-Umschalt-Wechselbetrieb
Nach :dem neuen Vorschlag soll beim Betrieb von Gaszerlegungsanlagen mit Kältespeichern
im Umschalt-Wechselbetrieb der Verlust an Verdichtungsenergie, welcher normalerweise
bei der Luftzerlegung unter Totalverdichtung eintritt, dadurch vermieden werden,
daß die zu zerlegende Luft nur zur Hälfte auf den Druck der Kondensation verdichtet
und dieser Druck außerdem noch dadurch um etwa 1J3 herabgesetzt wird, daß der Sauerstoff
aus dem Verdampfer mit einem Unterdruck von etwa o,6, ata abgesaugt wird.
-
Die andere Hälfte der zu zerlegenden. Luft wird dann ohne Überdruck
in die obere Säule eingeblasen, in welcher die Rektifikation bei annähernd atmosphärischem
Druck erfolgt.
-
Die zur Zerlegung der Luft erforderliche Verdichtung wird also hier
dergestalt aufgeteilt, daß die Verdichtung etwa zur Hälfte vor der Zerlegung bewirkt
wird und zur anderen Hälfte nach derselben erfolgt, indem der bei o,6 ata aus :dem
Verdampfer abgesaugte Sauerstoff auf atmosphärischen Druck verdichtet wird.
-
Auf diese Weise wird sowohl für die eine Hälfte der zu zerlegenden
Luft, welche mit etwa 2 ata durch das eine Regenerativ-Kältespeicherpaar eingeleitet
wird, und dem durch dieses Kältespeicherpaar abwechselnd herausgeleiteten überdrucklosen
Stickstoff ein genügender Volumenunterschied für die restlose Sublimationswirkung
erzielt als auch für die andere Hälfte .der Luft, die ohne eigentlichen Überdruck
durch das andere Regenerativ-Kältespeicherpaar eingeleitet werden soll, durch welche
abwechselnd der Sauerstoff mit o,6 ata durch Absaugen herausgeführt wird.
-
Dergestalt kann ohne Energieverlust eine restlose Sublimation des
Reifes herbeigeführt werden, welcher aus der eingeleiteten Luft in den Kältespeichern
zufolge des Feuchtigkeits-und Kohlensäuregehalts ausfriert und sich dort vorübergehend
absetzt.
-
Es ist zwar durch die Patentschrift 496 o66 bereits bekannt geworden,
einen Teil des Gasgemisches in :die Trennsäule ohne Überdruck einzublasen und aus
einem hierfür vorgesehenen zweiten Verdampfer den Sauerstoff mit Unterdruck abzusaugen,
jedoch wird davon der neue Erfindungsgedanke nicht vorweggenommen, welcher auf die
Sicherstellung einer restlosen Sublimationswirkung ohne Energieverschwendung bei
der Gewinnung von 42- bis 5o°1oigem Sauerstoff abgestellt ist mit nur einem Kondensator/Verdampfer
und zur Hälfte im Drucksäulenbetrie@b durchgeführt werden soll.
-
Während bei der Patentschrift 496 o66 das Absaugen des zu entnehmenden
Sauerstoffs nur deshalb geschieht, um den in der Rektifikationssäule ohne Überdruck
ausgeschiedenen Stickstoff noch soweit kdndensi-eren zu können, als solcher für
die Waschflüssigkeit gebraucht wird, erfolgt das Absaugen des Sauerstoffs aus dem
Verdampfer bei der vorliegenden Erfindung nur zum Zwecke der Herstellung eines Volumenunterschiedes
im Regeneratorenbetrieb zwischen der eingeleiteten
Gebläseluft und
dein herausgeleiteten Sauerstoff, und deshalb wird auch, ganz im Gegensatz zur Patentschrift
496o66, die Gebläseluft durch diejenigen Kältespeicher eingeleitet, durch welche
der Sauerstoff herausgeführt wird.
-
Wenn Sauerstoff mit 4z0/0 0,-Gehalt im erzeugten Gemisch gewonnen
werden soll, dann decken sich auch die Mengen gegenseitig genau, denn es wird dabei
die Hälfte der zerlegten Luft als sauerstoffreiches Gemisch und die andere Hälfte
als Stickstoff aus der Apparatur herauskommen, so daß durch beide Kältespeicherpaare
je die Hälfte der Luftmenge eingeführt werden kann. Die eine Hälfte wird verdichtet
und verflüssigt und dient als Waschflüssigkeit, die andere Hälfte wird eingeblasen
und aus derselben durch die W aschflüssigkeit.der Sauerstoff ausgewaschen.
-
Sobald aber ein sauerstoffreicheres Gemisch als mit 42010 0,-Gehalt
verlangt wird, entsteht eine Unstimmigkeit im Mengenverhältnis Gebläseluft-Sauerstoffgemisch
und Druckluft-Stickstoff, denn je mehr Sauerstoff das Gemisch enthalten soll, desto
mehr Stickstoff wird ausgeschieden, und um so kleiner wird die sauerstoffreiche
Gemischmenge.
-
Bei einem verlangten Gemisch mit 4790 0,-Gehalt z. B. werden je Kubikmeter
Gesamtluftumsatz 0,55 cbm Stickstoff ausgeschieden und 0,45 cbm Gemisch mit
470j0 02 Gehalt gewonnen.
-
Die Anreicherung der Waschflüssigkeit (welche hier aus reinem flüssigen
Stickstoff besteht) auf 470/0 erfordert 55 Teile Gebläsemft, während zur Erzeugung
von 45 Teilen Sauerstoffgemisch nur 45 Teile Druckluft benötigt werden. Nun müssen
aber hier die 55 Teile Stickstoff durch dasjenige Kältespeicherpaar herausgeleitet
werden, durch das abwechselnd nur 45 Teile Druckluft eingeführt werden können, und
andererseits sollen durch das andere Kältespeicherpaar den 45 Teilen Sauerstoffgemisch
55 Teile Gebläseluft abwechselnd entgegengeführt werden, was natürlich aus Rücksicht
auf das thermische Gleichgewicht in den Kältespeichern nicht zulässig ist.
-
Zum Ausgleich dieser Unstimmigkeit soll nun hier in derselben Weise
wie bei dem Verfahren des Hauptpatents mehr Druckluft durch das eine Kältespeicherpaar
eingeleitet werden, als tatsächlich für die Bildung der erforderlichen. Waschflüssigkeit
gebraucht wird, und zwar 55 Teile statt 45.
-
Die zuviel eingeleiteten io Teile Druckluft werden nun unverflüssigt
mit einem Druck von 2 ata gasförmig aus der Zerlegungsapparatur wieder entnommen,
zuerst durch einen Gegenstromkältetauscher geführt, nachher durch einen Luftverflüssiger
und anschließend wieder durch einen Gegenstromkältetauscher geleitet und damit bis
etwa -i-- i5° erwärmt, in einem Kompressor auf io bis 15 ata weiterverdichtet und
wieder durch denselben Kältetauscher hineingeführt, um in diesem bis etwa - ioo°
vorgekühlt und nachfolgend in einer Expansionsmaschine auf atmosphärischen Druck
entspannt zu werden, wobei sie sich auf - 17o° abkühlt. Der Auspuff wird sodann
in dem zuerst genannten Gegenstromkältetauscher bis etwa - igo° nachgekühlt und
in die obere Rektifikationssäule am unteren Ende eingeblasen.
-
Demzufolge finden die zuviel verdichteten io Teile Druckluft schließlich
als Gebläseluft im Rektifikator Verwendung, und damit wird der mengenmäßige Ausgleich
für den Kältespeicherbetrieb geschaffen, da auf diese Weise die fehlende Gebläseluftmenge
durch die Stickstoffkältespeicher hereingeführt werden kann, für die sich sonst
ein Überschuß an herauszuleitendem Stickstoff ergeben würde, so daß durch die Sauerstoffkältespeicher
nur noch so viel Gebläseluft einzuleiten ist, als Sauerstoff herausgeführt wird.
-
In beiliegender Zeichnung ist auf Blatt i die zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Einrichtung in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
-
Durch die Kältespeicher A' und A" werden abwechselnd rund 55010 der
zu zerlegenden Luftmenge mit einem Druck von etwa z ata durch Leitung i', i" und
a eingeleitet und eine gleich große Menge ausgeschiedener Stickstoff durch Leitung
3, 4' und 4" herausgeführt.
-
Die Druckluft wird zu etwa 8o0[0 in der Drucksäule b' in 430/0igen
Sauerstoff und nahezu reinen Stickstoff zerlegt, wobei durch Verflüssigung auf der
Kondensatorseite des Verdampfers c' etwa aus der Hälfte der verdichteten Luft eine
Flüssigkeit mit etwa 4390 0,-Gehalt und zur anderen Hälfte flüssiger Stickstoff
entsteht. Die 430/0ige Flüssigkeit wird nun durch Leitung 5 im unteren Viertel der
oberen Rektifikationssäule b" aufgegossen und der flüssige Stickstoff auf dem obersten
Boden derselben mit Leitung 6.
-
Auf dem Wege nach dem oberen Rektifikator werden beide Flüssigkeiten
durch die Nachkühler p (für die 430[0ige Sauerstoffflüssigkeit) und r (für den flüssigen
Waschstickstoff) geleitet und durch den aus der oberen Säule b" mit Leitung 3 gasförmig
abziehenden Stickstoff gekühlt.
-
Durch die Kältespeicher B' und B" werden abwechselnd
rund 4500 der zu zerlegenden Luft durch Leitung 7',_ 7" und 8 ohne Überdruck eingeleitet
und ebensoviel Sauerstoff von etwa 47010 0,-Gehalt mit einem Unterdruck von. o,6
ata durch Leitung 9, 1 o' und
io" herausgeführt. Die Einblaseluft
wird dem unteren Ende der oberen Säule mit Leitung 8 zugeführt und in derselben
aufwärts strömend zuerst der 43%igen Flüssigkeit und dann dem flüssigen Stickstoff
entgegengeleitet, wodurch aus der Einblaseluft der Sauerstoff ausgewaschen und beide
Flüssigkeiten bis etwa .17% 0.-Gehalt angereichert werden.
-
Der Anteil von etwa 2o0/, der Druckluft, welche nicht verflüssigt
werden soll, wird mit Leitung i i zuerst durch einen Kältetauscher d dann durch
einen Luftv erflüssiger f und schließlich durch einen weiteren Kältetauscher g herausgeführt,
im Kompressor lt auf io bis 15 ata weiterverdichtet, mit Leitung 12 durch
den Kältetauscher g wieder hineingeleitet, in diesem bis etwa - ioo° vorgekühlt,
mit Leitung 13 in die Expansionsmaschine k geleitet, in dieser nahezu auf
atmosphärischen Druck entspannt und mit Leitung 1d. als Auspuff in die obere Säule
b" eingeblasen. Der gasförmig ausgeschiedene Stickstoff wird oben aus der oberen
Säule mit Leitung 3 abgeleitet, durch die Nachkühler p und r geleitet und durch
die Kältespeicher A' und A" abwechselnd herausgeführt, während der Sauerstoff mit
etwa 47 % 0z Gehalt durch Leitung 9 aus der Verdampferseite c' des Kondensators
c mit o,6 ata Unterdruck abwechselnd durch die Kältespeicher B' und B" abgesaugt
wird. In den Verflüssiger f wird bei s eine bestimmte Menge hochverdichteter Luft
eingeleitet, welche vorher durch eine (nicht dargestellte) Ammoniakkältemaschine
bis -45° vorgekühlt wurde, und von dem herausgeleiteten Druckluftanteil verflüssigt,
um damit die unvermeidlichen Kälteverluste zu decken.
-
Die Zusatzflüssigkeit wird sodann mit Leitung 15 in die Drucksäule
b' geleitet.
-
Anstatt die zuvsel verdichtete Luft in der Expansionsmaschine zu verarbeiten
und den Auspuff dann im N achrektifikator zu zerlegen, kann dieser Luftanteil auch
im Vorrektifikator mit dem Überdruck der Kondensation zerlegt und für den Betrieb
der Expansionsmaschine unverflüssigter Stickstoff mit Leitung i i (Abb. 2) aus der
Drucksäule entnommen werden, der dann ebenfalls durch den Kältetauscher
d, den Verflüssiger f und den Kältetauscher g mit etwa 2 ata herausgeleitet,
auf io bis 15 ata weiterverdichtet, mit Leitung 12 in den Kältetauscher g
geleitet, dort wieder bis etwa - ioo° vorgekühlt und sodann mit Leitung
13 in die Expansionsmaschine k geleitet und in dieser auf atmosphärischen
Druck entspannt wird, worauf er nach weiterer Abkühlung bis etwa - i85° im Tauscher
d mit Leitung 14 (Abb. 2) in die Kältespeicher A' und A" geführt und durch diese
aus der Apparatur herausgeleitet wird. Auf diese Weise kann ebenfalls die erforderliche
Gebläseluftmenge mit der lierausgeleiteten Sauerstoffmenge in Übereinstimmung gebracht
werden, weil dabei eine größere Menge Sauerstoff in der Drucksäule erzeugt und dafür
um denjenigen Betrag weniger flüssiger Waschstickstoff auf die obere Säule aufgegossen
wird, als Stickstoff im gasförmigen Zustand aus der Drucksäule für den Betrieb der
Expansionsmaschine entnommen wird.
-
Einerseits bringt also die in der Drucksäule ohne Gebläseluftbedarf
erzeugte Mehrmenge an Sauerstoff eine Gebläseluftersparnis, und andererseits mindert
sich der Bedarf an Gebläseluft noch durch die verkleinerte Menge an flüssigem Waschstickstoff,
welcher auf die obere Säule aufgegossen wird.
-
Diese Ausführungsform des Verfahrens nach Abb, 2 unterscheidet sich
von der Ausführung nach Abb. i nur dadurch, daß nicht Luft aus dem unteren Ende
der Kältespeicher für den Betrieb der Expansionsmaschine benutzt und der Auspuff
nachträglich durch Einblasen in die obere Säule zerlegt, sondern Druckstickstoff
gasförmig aus der Drucksäule entnommen wird, um nach erfolgter Erwärmung und Höherverdichtung
mit nachfolgender Vorkühlung in der Expansionsmaschine entspannt und durch die Kältespeicher
herausgeleitet zu werden, nachdem der Auspuff vorher noch durch den Druckstickstoff
bis etwa - i85° nachgekühlt wurde.
-
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung bestehen somit darin, daß
im Gegensatz zum Hauptpatent i. an Stelle der Totalverdichtung das Gasgemisch nur
etwa zur Hälfte und nur halb so hoch als beim reinen Überdruckverfahren verdichtet,
zur anderen Hälfte dagegen unverdichtet eingeblasen wird, dafür aber das schwer
siedende Zerlegungsprodukt aus der Verdampferseite des. Kondensators abgesaugt wird
und der unverdichtet eingeblasene Gasgemischanteil in demjenigen Kältespeicherpaar
verkehrt, durch welches das schwer siedende Zerlegungsprodukt durch Absaugen herausgeleitet
werden soll, um. auch für die unv erdichtet eingeblasene Gasgemischmenge den zur
restlosen Kublimationswirkung in den Kältespeichern erforderlichen Volumenunterschied
herzustellen, ohne einen größeren Teil des Gasgemisches verdichten zu müssen, als
für die Durchführung des Zerlegungsprozesses nötig ist; 2. daß bei der Gewinnung
von Sauerstoff mit mehr als 4.20[o 02-Gehalt über den zur Bildung der Waschflüssigkeit
erforderlichen Anteil an verdichteter Gasgemischmenge hinaus noch ein weiterer Anteil
des Gasgemisches verdichtet, aber nicht mit diesem niedrigen
Druck
der Expansionsmaschine zugeleitet, sondern nach erfolgter Wiedererwärmung erst noch
höher verdichtet und dann erst in der Expansionsmaschine entspannt wird, nachdem
dieser Anteil wieder bis etwa ioo° vorgekühlt wurde; 3. daß der Auspuff aus der
Expansionsmaschine durch einen Kältetausch mit diesem überschüssig verdichteten
Anteil des Gasgemisches oder des leicht siedenden Bestandteiles daraus erst noch
tiefer abgekühlt wird,
ehe er durch die Regeneratoren herausgeführt oder in
die obere Rektifikationssäule eingeleitet werden soll.