DE589916C

DE589916C - Verfahren zur Gewinnung von an Sauerstoff angereicherten Gemischen aus Luft

Info

Publication number: DE589916C
Application number: DEG83171D
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1932-07-21
Filing date: 1932-07-21
Publication date: 1933-12-20
Also published as: DE617841C; US2066115A

Description

DEUTSCHES REICH

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AUSGEGEBEN AM
20. DEZEMBER 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 17g GRUPPE 2

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. Juli 1932 ab

von 45 ⁰Z_n Sauerstoff

Die Zerlegung von Gasgemischen durch Verflüssigung und Rektifikation, z. B.
Luft in ein Gemisch von 45⁰Z₀
und praktisch reinem Stickstoff, erfordert auch bei den günstigsten bisher bekanntgewordenen Verfahren etwa das Sechsfache des Energieaufwandes, der sich als Mindestbetrag bei der Berechnung der theoretischen Trennungsarbeit für den Fall umkehrbarer Durchführung der Vorgänge ergibt. Verfolgt man näher, wie bei den einzelnen Teilvorgäugen des \^rerfahrens der wirkliche Arbeitsaufwand sich zum theoretischen verhält, so ergibt sich, daß der größte Teil des Mehraufwandes an Arbeit gegenüber der Theorie für die Ausführung des eigentlichen Rektifikationsvorganges benötigt wird. so daß auch bei verlustfreier Durchführung aller Verdichtungs-, Entspannungs- und Wärmeaustauschvorgänge der Arbeitsaufwand für die Zerlegung immer noch ein Vielfaches des theoretischen Mindestbetrages ausmachen würde. Der Grund hierfür ist, daß l)ci der praktischen Rektifikation in den meisten Teilen der Rektifikationssäule zwischen den gegeneinanderströmenden Dämpfen und Flüssigkeiten eine erhebliche Temperaturdifterenz besteht, während beim theoretischen Idealprozcß die Temperaturdifferenzen verschwindend klein sein müssen.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Zerlegungsverfahren, das es ermöglicht, diese Temperaturdifferenzen beliebig zu verkleinern und sich damit dem theoretischen Idealprozeß in einem Grade zu nähern, der bisher als imerreichbar angesehen werden mußte.

Nach der Erfindung wird nach den an sich bekannten Methoden der teilweisen oder totalen Kondensation und der Rektifikation aus der Luft eine Flüssigkeit von gewünschtem Sauerstoffgehalt gewonnen und diese Flüssigkeit sodann unter vollständiger Übertragung der Verdampfungskälte auf die zu kondensierende Luft in der Weise verdampft, daß die gebildeten Dämpfe im Gleichstrom mit der verdampfenden Flüssigkeit geführt werden.

Die Wiederverdampfung einer Flüssigkeit im Gleichstrom mit ihren Dämpfen und im Wärmeaustausch mit einem zu zerlegenden Rohgas ist an sich bekannt. Man hat dieses Verfahren auf die Zerlegung von Gasgemischen, wie z. B. Koksofengas, angewendet, bei denen die Siedespanne zwischen den einzelnen Bestandteilen so groß ist, daß in einem Bade infolge der Anreicherung der höchstsiedenden Anteile ihre Wiederverdampfung und die Kondensation tiefer siedender Bestandteile außerordentlich erschwert wird. An die Anwendung dieses Verfahrens auf die Luft-

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zerlegung iit bisher deshalb nicht gedacht ■worden, '.veil· diese Schwierigkeiten hier nicht auftreten. Wenn jetzt gemäß der Erfindung die Gleichstromverdampfung auf die Luftzer-

S legung angewendet \vird. so erreicht mau hierdurch einen völlig anderen Zweck, nämlich die Temperatur- und Druckdifferenzen zwischen verdampfendem und kondensierendem Gemisch weitgehend auszugleichen. Es ist

ο durchaus neu und war in keiner Weise vorherzusehen, daß es durch Anwendung dieses Verfahrens gelingt, sauerstoffreiche Gemische aus Luft in einfacher Weise mit einem Energieaufwand zu gewinnen, der ganz erheblich hinter dem bisher erforderlichen zurückbleibt. Aus dem Beispiel der Gewinnung von 45°/_nigem Sauerstoff aus Luft durch fraktionierte Rücklaufkondensation nach Claude sei das Verfahren näher erläutert.' Die zu dieser

ο Zerlegung nötige Kälte wird durch die Wiederverdampfung der bei der Kondensation gewonnenen Flüssigkeit geliefert. !Man ist dabei bisher so vorgegangen, daß man diese Flüssigkeit in einem den Kondensator umgebenden Bade verdampft hat. Wenn im Kondensator 45ⁿ.'₀iger Sauerstott erzeugt wird, so müssen im Beharrungszustand die das Bad verlassenden Dämpfe ebenfalls 45 ⁰O Sauerstort enthalten. Dem Gleichgewicht mit

ο diesem Gasgemisch entsprechend reichert sich die Flüssigkeit bis auf 7/ °/₀ Sauerstoff an und siedet demgemäß bei 85.2° unter 1 ata.

Auf diese Temperatur stellt sich das gesamte Bad ein. während im Rücklaufkondensator mit zunehmendem Sauerstoffgehalt die Temperatur kontinuierlich von der Eintrittsstelle der Luft aus abnimmt. Dadurch ist es aber unmöglich, die Temperaturen im Verdampfer und Kondensator einander anzuglei-

:> chcn, wie es für eine ideale Rektifikation nötig ist.

Xach der Erfindung wird nun die Verdampfung so geleitet, daß im Verdampfer ein Temperaturgefälle erzeugt wird, welches dem im

j Kondensator völlig entspricht. Dies geschieht in der Weise, daß der Kondensator mit dem in ihm erzeugten Gemisch berieselt wird und die bei der Verdampfung entstehenden Dämpfe in gleicher Richtung mit der Flüssigkeit und

j in thermischem und stofflichem Gleichgewicht mit ihr geführt werden, wobei die letzten Flüssigkeitstropfen verdampfen, wenn das Gemisch an dem der Eintrittsstelle entgegengesetzten Ende des Verdampfer.-* angekommen ist.

Dadurch wird im 'Verdampfer das gewünschte Temperaturgefälle erzeugt, indem die Temperatur gemäß dem steigenden Sauerstoffgehalt von der Eintrittsstelle des Gc-

) misches (,Siedebeginn des 45"/„ig^eu Sauerstoffs bei 8o,8^G) bis zur Austrittsstelle (85,2° ^; der im Gleichgewicht mit dem 45^ü;'oiS^eii Eudgase stehenden 77ⁿ/„igeii Flüssigkeit) ansteigt. Dieses Temperaturgcfälle entspricht nun völlig dem im Rücklaufkondensator, in welchem das gleiche Gemisch durchgesetzt wird und der Sauerstoffgehalt in gleicher Richtung und in gleicher Weise zunimmt. Die Differenz der Temperaturen zwischen Kondensator und Verdampfer wird hierdurch über die ganze Länge des Austauschers hin nahezu gleich, so daß es bei diesem Verfahren zum erstenmal' möglich wird, bei entsprechender Bemessung der Wärmeaustauschflächen diese Temperaturdiffereuz außerordentlich klein zu halten und sich so dem theoretischen Idealprozeß in ungeahnter Weise zu nähern, Um mit dem früher benutzten Bade von j 85,2° Stickstoff kondensieren zu können, benötigte man theoretisch einen Druck von 2,35 ata, auf welchen die zu zerlegende Luft daher mindestens gebracht werden mußte. Nach der Erfindung wird jedoch schon der Siedebeginn des im Kondensator erzeugten Gemisches bei 8o,8° zur Stickstoffkondensation verwendbar, wodurch die Luft nur noch auf den Druck von 1,5 ata gefördert zu werden braucht. Dies bedeutet eine erhebliche Arbeitsersparnis.

Der Vorzug des Erfinclungs\*erfahrens, die Rektifikation von Luft unter sehr niedrigem Druck zu ermöglichen, kommt besonders dann zur Geltung, wenn man auch den Wärmeaustausch zwischen der zu zerlegenden Luft und ihren Zerlegungsprodukten mit einem sehr geringen Druckverlust ausführen kann. Dies ist möglich durch die Anwendung periodisch gewechselter Kältespeicher. Erst die Kombination dieses Wärmeaustauschverfahrens mit dem Zerlegungsverfahren ermöglicht, die Vorteile des letzteren voll auszunutzen.

Die Drucke, unter denen Zerlegung und Wiederverdampfung erfolgen, sind miteinander durch die oben dargelegten Temperaturbeziehungen verknüpft, dagegen kann ihre absolute Höhe beliebig gewählt werden. Man kann daher die Kondensation unter Atmosphärendruck oder geringem Überdruck und die Verdampfung der sauerstoffreichen Flüssigkeit unter cutsprechendem Unterdruck, also nicht wie üblich die Verdampfung unter Atmosphärendruck und die Kondensation unter Überdruck vornehmen. Da die verdampfende Menge durch die Anreicherung kleiner ist als die verarbeitete Luftmenge, erzielt man hierdurch eine Ersparnis an Kompressionsarbeit. Ermöglicht wird diese Anwendung der niedrigen Drucke durch die Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher. Die Kälte, die wie bekannt zur Durchführung all dieser Verfahren nötig ist, kanu bei der Zerlegung unter Druck gewonnen wer-

den, indem man das bei der Kondensation gasförmig bleibende stickstoft'reiche Gemisch unter Leistung äußerer Arbeit expandieren läßt, während bei der Zerlegung unter Atmo-Sphärendruck die Kälte auf andere Weise, z. B. durch eine getrennte Luftverflüssigungsanlage, geliefert werden muß.

Von der Erfindung kann man zur Erzeugung von Sauerstoff höherer Reinheit auch in

ίο der Weise Gebrauch machen, daß man mittels des Verfahrens der zweistufigen Rektifikation aus Luft Gemische mit mehr als 45°/₀ Sauerstoff herstellt und die gewonnene bauerstoffreiche Flüssigkeit in gleicher Weise wie die 45°/₀ige Flüssigkeit gemäß der Erfindung benutzt. Durch Verdampfung dieser Flüssigkeit kann in beschriebener Weise 45°/₀iger Sauerstoff erzeugt werden, der mit dem in der (.•rsteii Zerlegungsstufe erzeugten vereinigt wird.

Eine andere Arbeitsweise bestt-ht darin, daß der Teil der Luft, der mit dem sauerstoffreichen Gemisch in Wärmeaustausch kommt, total verflüssigt und dann in die Rektifikationseinrichtung eingeführt wird. In diesem Falle kann man von einer anderen Ausführungsweise des gleichen Verfahrens Gebrauch machen. Man läßt die Luft in den Kondensator von oben eintreten, während die zu \^-erdampfende Flüssigkeit von unten in den A'erdampfungsraum eingeführt wird, wobei Strömungsgeschwindigkeit und Querschnitte so bemessen werden, daß die entstehenden Dämpfe die noch unverdampfte Flüssigkeit mit sich nach oben tragen. Hierdurch erreicht man wesentliche konstruktive Vorteile.

Die angegebenen Verfahren lassen sich ebenso für andere in gleicher Weise zerlegbare Gasgemische verwenden.

Eine besonders praktische Ausführung

eines Rücklaufkondensator-Gleichstromverdampfers besteht in der Form eines Röhrcn-

. kondensator, bei dem jedoch im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen die Kondensation außerhalb und die Verdampfung innerhalb der Rohre stattfindet wobei durch geeignete Einlaufeinrichtung die Flüssigkeit völlig gleichmäßig auf alle Rohre verteilt wird.

Tn beiliegender Zeichnung ist die Gewinnung von 45ⁿ _oigem Sauerstoff schemattsch dargestellt.

Bei ι wird die bis auf die Verflüssigungslempcratur vorgckühlte Luft eingeleitet und strömt in dem Kondensator 2 nach oben, wobei sie einer Rücklaufkoudensation unterworfen wird. Der hierbei gewonnene flüssige Rohsauerstoff von etwa 45 % O_ä-Gehalt sammelt sich auf dem Boden 3 des Kondensators, während der gasförmig gebliebene stickstoffreiche Teil der Luft bei 4 abzieht. Die sauersioffreiche Flüssigkeit wird durch die Leitung 5 und das A'entil 6 in den oberen Teil von 2 und von dort im Gegenstrom zur aufsteigenden Luft in 2 nach unten geleitet. 6g Während des Herabrieselns verdampft der Sauerstoff in mittelbarem Wärmeaustausch mit der aufsteigenden Luft und wird gasförmig bei 7 abgezogen.

Claims

Patentansprüche:

ι. Verfahren zur Gewinnung von an Sauerstoff angereicherten Gemischen aus Luft durch fraktionierte Kondensation und Rektifikation bei niedrigem Kondensationsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der gewonnenen sauerstoffreichen Flüssigkeit im Gleichstrom mit den entstehenden Dämpfen unter gleichzeitiger Ausnutzung der Verdampfungskälte zur fraktionierten Kondensation und Rektifikation der Luft erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zu zerlegenden Luft im Gegenstromwärmeaustausch mit verdampfender sauerstoffreicher Flüssigkeit, die im Gleichstrom mit ihren Dämpfen geführt wird,, verflüssigt wird.
3. \^erfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung und Wiedererwärmung der Luft in periodisch gewechselten Kältespeichern erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung der Luft unter Atmosphärendruck und die Verdampfung des sauerstoffreichen Gemisches unter entsprechendem Unterdruck erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der durch Kondensation und Rektifikation in einer ersten Stufe unmittelbar gewonnenen Flüssigkeit die durch eine weitere Rektifikation derselben gewonnene sauerstoffreichere Flüssigkeit der Gleichstrom\-erdampfung unter gleichzeitiger Kondensation von Luft unterworfen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifikation der Luft in zwei Stufen durchgeführt wird und von der unter Überdruck in die erste Zerlegungsstufe eingeführten Luft ein Teil abgezweigt und zur Gleichstromvcrdampfung der in der zweiten Zerlegungsstufe gewonnenen sauerstoffreichen Flüssigkeit verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation der Luft unter Rücklauf der Kondensate im Gegens.trom zu den nichtkondensierenden Dämpfen unter -Rektifi-

kationswirkung erfolgt, während die zu verdampfende Flüssigkeit von oben nach unten durch die Verdampferseite des Rücklaufkondensators geführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdampfende Flüssigkeit von unten nach oben durch den Austauscher in der Weise geführt wird, daß die Flüssigkeit von den Dämpfen emporgetragen wird, während die zu kondensierende Luft von oben nach unten durch den Austauscher strömt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen