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Verbundverfahren zum Zerlegen tiefsiedender Gasgemische Um ein Gemisch,
z. B. Luft, in ihre Hauptbestandteile Sauerstoff und Stickstoff zu zerlegen oder
auch nur einen Teil des Stickstoffs aus :der Luft auszuscheiden, muß man bekanntlich
je nach der auszuscheidenden Stickstoffmenge ¢5 bis 6o % der Luft verflüssigen,
diese Flüssigkeit durch Rektifikation mit Sauerstoff anreichern und sie dann. wieder
verdampfen.
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Der hierzu erforderliche Energiebedarf wird maßgebend von dem -zur
Kondensation des leichter siedenden Bestandteils eines Gasgemisches, bei Luft also
des Stickstoffs, erforderlichen überdruck bestimmt, da verflüssigtes Leichtsiedendes,
bei Luft verflüssigter Stickstoff, alsWaschfiüss:igkeitgebrauchtwird.
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Dieser Überdruck kann um so kleiner sein, je mehr sich die Kondensationstemperatur
der zu verflüssigenden Phase der Verdampfungstemperatur der zu verdampfenden Phase
nähert.
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Für die Gewinnung eines Rohsauerstoffs mit etwa 45 bis 5o00 Sauerstoffgehalt
kann die Herabsetzung des erforderlichen Überdruckes auf dem Wege über das sog.
Gleichstromverdampfungsverfahren erreicht werden, wobei die zu verdampfende sauerstoffhaltige
Flüssigkeit von oben -nach unten durch einen Verdampfer geleitet und dabei restlos
verdampft wird.
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C?m eine zu hohe Selbstanreicherung der Sauerstoffflüssigkeit bei
der restlosen Eindampfung zu vermeiden, werden dort die stets stickstoffreicheren
Dämpfe in Gleichstrom zur Flüssigkeit geführt, Zoobei durch einen fortlaufenden
Übergang von Stickstoff an die Flüssigkeit die Selbstanreicherung über 75 bis 8o%
Sauerstoff hinaus verhindert werden kann. Auf diesem Wege kann man aber bei einstufiger
Verdampfungsrektifikation nur 45-bis 5o010igen Sauerstoff erhalten, weil von der
mit 45 bis 500J0 oben in den Verdampfer eingeleiteten Flüssigkeit der ganze Stickstoffgehalt
zusammen mit dem Sauerstoff unten herauskommt.
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Gegenstand der Erfindung ist nun die Umkehrung des Prozesses dergestalt,
daß zwar, wie vorbeschrieben, die sauerstoffreiche Flüssigkeit mit etwa 45 bis 5o0/0
02 Gehalt ebenfalls oben in den Verdampfer geleitet, in diesem aber nicht restlos,
sondern nur zu etwa 6o bis 5o 0/0 verdampft und die .anderen 4o bis 5o 0J0 unten
wieder aus dem Verdampfer flüssig abgleitet werden, um sie in einem zweiten Verdampfer
mit Unterdruck zu verdampfen.
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Die Dämpfe werden hierbei aber nicht unten, -sondern oben aus dem
Verdampfer abgeleitet und bewirken somit bei ihrer Durchdringung der verdampfenden
Flüssigkeit eine Anreicherung derselben durch Rektifikation bis 8o oder 9o 11, Sauerstoff.
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Zufolge der Entnahme von 4o bis 50 00 der oben zugeleiteten sauerstoffreichen
Flüssigkeit kann sich diese aber hier trotzdem nicht
über 8o bis
go °/0 02 Gehalt anreichern. Dadurch wird- wegen der Zulässigkeit eines niedrigen
Kondensationsdruckes in bezug auf die Energieersparnis dieselbe Wirkung erzielt
wie bei der Gleichstromverdampfung, wobei aber hier eine Sauerstoffreinheit von
8o bis go 010 erzielt werden kann.
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Die Gewinnung von Sauerstoff über go 01,
ist auf diesem Wege
nicht möglich, ohne die bis 8o oder go 01, mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit
einem weiteren Rektifikationsverfahren zu, unterziehen. Dabei müßte aber die vorher
erzielte Energieersparnis wieder geopfert werden.
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In beiliegender Zeichnung (Abb, i).-ist in einem Ausführungsbeispiel
eine Einrichtung für die Durchführung des neuen Verfahrens schematisch angegeben.
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Die Ausscheidung des Stickstoffgehalts der Luft wird hier bis zu etwa
65 010 durch fraktionierte Kondensation derselben in zwei hintereinändergeschalteten
Kondensatoren und Verdampfern dergestalt bewirkt, daß im ersten Kondensator I der
gesamte Sauerstoffgehalt der Luft unter Mitnahme von einer annähernd gleichgroßen
Stickstoffmenge in Form von 45010igem Rohsauerstoff auskondensiert und im Kondensator
II ein Teil des verbleibenden Stickstoffs verflüssigt wird, währen der andere Teil
des gasförmig'verbleibenden Stickstoffs in einer .Expansionsmaschine oder Turbine
entspannt wird, - üm so die Kälteverluste der Anlage zu decken.
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Der Rohsauerstoff wird nun mit Leitung i auf die Verdampferseite d
des Kondensators I übergeleitet und dort unter gleichzeitiger Rektifikation etwa
zur Hälfte verdampft, wobei eine Flüssigkeit mit etwa 8o j0 Sauerstoffgehalt entsteht,
die sodann auf die Verdampferseite b des Kondensators II geleitet und dort durch
Absaugen des Sauerstoffs bei einem Unterdruck von etwa 0,5 ata verdampft
wird.
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Der Kondensator l umfaßt den Verdampfer a vollständig und den
Verdampfer b noch etwa zu zwei Fünftel, während der restliche Teil des Verdampfers
b dem Kondensator II zugehörig ist.
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Im Verdampfer a wird der Verdampfungsprozeß so durchgeführt, daß die
reit etwa 45 % Sauerstoffgehalt am oberen Ende bei k aus dem Kondensator I eingeleitete
Flüssigkeit bei ihrem Ablauf -nach unten etwa zur Hälfte verdampft und dabei auch
gleichzeitig durch Rektifikation mit Hilfe der Rektifkationseinsätze na bis zu etwa
8o 0% angereichert wird, indem die Dämpfe von unten nach oben, durch die Rektifikatiönseinsätze
in strömen und bei p. mit Leitung 2 in den Rektifikator qu geleitet werden, auf
dessen Kopf der flüssige, im Kondensator II kondensierte Waschstickstoff (etwa ein
Sechstel der Zerlegungsluftausmachend) ausgegossen wird, um den Sauerstoff aus den
Dämpfen auszuwaschen, die vom Verdampfer a mit Leitung 2 in den Rektifikator qu
geleitet werden. Dabei werden weitere 25 010 Stickstoff ausgeschieden.
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Aus dem Rektifikator qu fließt dann die auf - etwa 50 0%0 02 Gehalt
angereicherte Flüssigkeit in Leitung 3 zusammen mit der Flüssigkeit aus Kondensator.
I in den Verdampfer d, aus welchem die Dämpfe stammen.
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Die gesamte zu zerlegende Luft wird hier auf etwa 2 ata verdichtet
und abwechselnd durch zwei von den vier Regeneratoren A', A", B', B" in den
Kondensator I und von da in den Kondensator II eingeleitet.
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Dieser Druck genügt, um die Kondensation im Kondensator I zu bewerkstelligen,
denn hier wird im Gegenstrom zu der auf der Verdampferseite abfließenden Flüssigkeit
der leichter zu verflüssigende Sauerstoff auskondensiert, im Kondensator II hingegen,
wo nur noch der schwerer zu verflüssigende Stickstoff kondensieren soll, wird ein
größerer Druckunterschied zwischen der Verdampfer- und Kondensatorseite erforderlich,
und zwar etwa i : 4 gegen i : 2 im Kondensator I.
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Nachdem aber nun die gesamte Luft unbedingt zuerst durch den Kondensator
I geführt werden muß, in welchem nur ein Druck von 2 ata bestehen kann, so kann
er natürlich im Kondensator II nicht auf 4 ata gebracht werden.
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Erfindungsgemäß wird nun diese Unstimmigkeit -in der Weise beseitigt,
daß im Verdampfer b ein Unterdruck von etwa o,5 ata durch Absaugen des Sauerstoffs
unterhalten wird, woraus sich das erforderliche Druckverhältnis
ergibt.
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Der Verdampfer b ist ebenfalls als Ablaufverdampfer mit Rektifikationseinsätzen
ausgeführt, und die Flüssigkeit läuft auch hier wie im Verdampfer a von oben nach
unten ab, ohne daß dieser mit Flüssigkeit gefüllt ist, und muß auf diesem Wege nach
unten vollkommen verdampfen.
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Im Gegensatz zum Betriebe des Verdampfers a dagegen werden hier die
Dämpfe im Gleichstrom zur ablaufenden Flüssigkeit geführt und unten bei x abgeführt,
während auf der Kondensatorseite 1I der zu kondensierende Stickstoff von unten nach
oben strömt. Diese Gleichstromführung der Dämpfe mit der Rieselflüssigkeit im Verdampfer
b bringt zwar -einige nicht unwesentliche Vorteile mit sich, ist -aber keine unerläßliche
Bedingung für die Durchführung des neuen Verfahrens. Es könnte für den Verdampfer
b gegebenenfalls auch ein " Verdampfer nach bekannter Bau- und Betriebsart, der
mit Flüssigkeit gefüllt
ist, Anwendung finden, wenn auf diese Vorteile
verzichtet wird.
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Im Verdampfer ca hingegen ist es von ausschlaggebender Bedeutung,
daß die Dämpfe im Gegenstrom zur Flüssigkeit von unten nach oben geleitet werden,
d. h. im Gleichstrom zum Gasgemisch auf der Kondensatorseite, während die zu verdampfende
Flüssigkeit im Gegenstrom zu letzterem von oben nach unten fließen muß, denn nur
auf diese Weise ist es möglich, mit einem Druck von nur 2 ata die Verflüssigung
des Rohsauerstoffs im Kondensator I zu betreiben, weil sich dadurch die Verdampfungs-
und Kondensationstemperaturen sehr nahe = kommen, welche für den erforderlichen
Kondensationsdruck maßgebend sind. Außerdem aber muß die Flüssigkeit auch schon
deshalb von oben noch durch den Verdampfer a fließen, weil ein Teil davon unten
entnommen und mit etwa 8o °/o Sauerstoff durch Leitung 4 in den Verdampfer b übergeleitet
werden muß. Dieser Teil kann nicht etwa oben entnommen werden, weil dort die Flüssigkeit
nur 45 bis 50 % 02 Gehalt besitzt. Nach erfolgter Zerlegung der Luft wird der Sauerstoff
aus dem Verdampfer b durch Leitung 5 abwechselnd durch den Regenerator
B' und B" durch Absaugen bei etwa 0,5 ata herausgeleitet und
der Stickstoff aus dem Rektifikator qu durch die Leitung 7 mit dem aus der Entspannungsturbine
f durch Leitung 8 kommenden Stickstoff zusammengebracht und abwechselnd durch den
Regenerator A' und A" herausgeleitet. Der flüssige Waschstickstoff
wird aus dem Kondensator II mit Leitung 6 auf den Kopf des Rektifikators qu ausgegossen.
Der nicht verflüssigte Anteil des Druckstickstoffs wird mit Leitung g der Entspannungsturbine
f zugeführt.
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Praktische Bedeutung kann das neue Verfahren jedoch nur in Verbindung
mit dem Kältespeicherumschaltwechselbetrieb erhalten, denn diese neue Verdampfungsart
hat eine wesentliche Minderung des erforderlichen Druckes im Gefolge, auf den das
Gasgemisch für die Kondensation verdichtet werden muß, während andererseits durch
das Absaugen des Sauerstoffs das Volumen noch größer wird. Mit abnehmendem Druck
wächst aber der Bedarf an Übertragungsfläche für den Kältetausch zwischen dem Gasgemisch
und den Zerlegungsprodukten bei der Abkühlung bis zur Verflüssigungstemperatur,
welche der Zerlegung stets vorangehen muß.
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Da es sich bei der Gewinnung von Sauerstoff mit etwa 7o bis go °'a
Sauerstoff nur um Anlagen für sehr große Leistungen handeln kann, die für den Großbetrieb
der Eisenhütten- und chemischen Industrie und sonstige Zwecke des Hochtemperaturgebietes
der Metallurgie bestimmt sind, die Anschaffungskosten solcher Anlägen aber ausschlaggebend
vom Herstellungspreis der Kältetauscher beeinflußt werden, so ist eine Anwendung
des neuen Verfahrens nur im Zusammenhang mit clem Kältespeieherumschaltwedhselbetrieb
zu denken, zumal der Wirkungsgrad des Kältetausches auch für den Energiebedarf mitbestimmend
ist und mit kontinuierlich wirkenden Kältetauschern diese Verluste nicht auf ein
erträgliches Maß herabgesetzt werden können.
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Dieses Verfahren ist natürlich auch für andere Gasgemische als Luft
anwendbar, und es kann auch in der Weise durchgeführt werden, daß die zu zerlegende
Luft unverdichtet in den Kondensator eingeblasen und dafür der Stickstoff mit o,5
ata Unterdruck, der Sauerstoff dagegen mit o,25 ata abgesaugt wird, da auch auf
diese Weise die erforderlichen Druckverhältnisse von i : 2 bzw. i : 4 herbeigeführt
werden können.
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Eine Ergänzung des neuen Verfahrens be steht darin, daß gemäß Abb.
2 in demselben Ausmaß als Sauerstoff aus. der Anlage durch die Regeneratoren
B' und B" abwechselnd mit etwa 0,5 ata Unterdruck entnommen
wird, Luft ohne Überdruck abwechselnd durch die Regeneratoren B' und B" in den Rektifikator
qic eingeblasen und dort in Sauerstoff und Stickstoff unverflüssigt zerlegt wird.
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In diesem Falle brauchen nur etwa 75'1" der Luftmenge auf 2 ata verdichtet
.werden, aber es muß dann etwas mehr Stickstoff im Kondensator II als Waschstickstoff
und weniger Rohsauerstoff verflüssigt werden, und zwar beinahe die doppelte Menge
Waschstickstoff, d. h. ein Betrag, der etwa 2511, des Gesamtluftumsatzes gleichkommt,
während ohne Einblasebetrieb nur etwa 150/() der zu zerlegenden Luftmenge als Waschstickstoff
benötigt werden.
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Wenn beispielsweise stündlich ioooo cbm Luft in 8o °(oigen Sauerstoff
und technisch reinen Stickstoff zerlegt werden sollen, so müssen ohne Einblasebetrieb
im Kondensator I 4500 cbm Luft in Form von Rohsauerstoff fraktioniert verflüssigt
werden und im Kondensator II i 50o cbm Waschstickstoff, während mit Einblasebetrieb
im Kondensator I nur 350o cbm Rohsauerstoff verflüssigt werden müssen, im Kondensator
II aber 250o cbm Waschstickstoff.
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In beiden Fällen sind daher 6ooo cbm Luft zu verflüssigen, aber ioooo
bzw. 750o cbm auf 2 ata zu verdichten und 250o cbm Sauerstoff mit o,5 ata abzusaugen,
im zweiten Falle (Einblasebetrieb) sind 250o cbm Luft mit i,i ata in den Rektifikator
einzublasen.
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Im Falle I stehen daher 4000 cbm Druckstickstoff zur Entspannung in
einer Entspannungsturbine
für die Deckung -der -Kälteverluste zur
Verfügung, im Falle II dagegen nur z5oo cbm.
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Da im Verdampfer II eine Flüssigkeit mit 8o °/o Sauerstoffgehalt verdampft
werden muß, so würde sich diese zuletzt bis 99 °/o mit Sauerstoff anreichern, was
eine Erhöhung des erforderlichen Unterdruckes bedingt. . Dies zu vermeiden, soll
nun der Verdampfer II entweder im Gleichstromverdampfungsverfahren oder dergestalt
betrieben werden, daß ein künstlicher Flüssigkeitsumlauf in diesem herbeigeführt
wird.
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Das Schutzbegehren baut sich ysomit auf vier Vorgängen auf, deren
Zusammenwirken die Voraussetzung für das Erreichen des angestrebten Effekts einer
bedeutenden Energieersparnis bei der Zerlegung von Gasgemischen bildet, und zwar
r. Einheitlicher Kondensationsdruck in zwei hintereinandergeschalteten Kondensatorverdampferhälften.
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2. Unterschiedlicher Verdampferdruck in zwei hintereinandergeschalteten
Koridensatorverdampferhälften.
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3. Fraktionierte Kondensation auf der Kondensatorseite der ersten
Hälfte und Eindampfen dieser Flüssigkeit auf der Verdampferseite der ersten Hälfte
bei gleichzeitiger Rektifikation in dieser Verdampferhälfte selbst, im Gegenstrom
zur fraktionierten Verfüssigung auf deren Kondensatorseite.
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4. Überleiten des auf einen hohen Gehalt an Schwersiedendem durch
Eindampfen und Rektifikation angereicherten Flüssigkeits= festes in die zweite Verdampferhälfte,
welche mit Unterdruck betrieben wird, auf dessen Köndensatorseite aber nach Anspruch
x keine fraktionierte Verflüssigung mehr stattfinden soll, wohl aber nach Anspruch
3.
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Nach Anspruch 3 wird -auch aus der Kondensatorseite der zweiten Verdampferhälfte
noch ein Teil der Kondensationsflüssigkeit in die Köndensatorseite der ersten. Verdampferhälfte
abgeleitet, um auch die letzten Reste des Schwersiedenden noch gewinnen zu können.
' Aus der Patentliteratur ist- die Unterteilung des Kondensatorverdampfers in 'zwei
Hälften an sich bereits bekannt; nicht aber der Betrieb mit unterschiedlichem Verdampferdruck
bei gleichzeitiger Rektifikation im Verdampfer selbst, die als Hauptvoraussetzung
für die angestrebte Energieersparnis anzusehen ist, indem sie im Gegenstrom- zur
fraktionierten Verflüssigung auf der Kondensatorseite betrieben wird und wobei ein
einheitlicher Kondensationsdruck für beide Köndensatorhälften nur in Verbindung
mit einem unterschiedlichen Verdampferdruck anwendbar ist, weil in der zweiten Verdampferhälfte
eine- an Schwersiedendem viel reichere Flüssigkeit verdampft, auf der Kondensatorseite
aber ein fast nur aus Leichtsiedendem bestehendes Gas verflüssigt werden muß, was
einen größeren Druckunterschied zwischen Verdampfer--und Kondensatorseite bedingt
als in der ersten Hälfte, in welcher unten, wo die verdampfende Flüssigkeit reicher
an Schwersiedendem- ist, vornehmlich die schwersiedende Fraktion des Gasgemisches
verdampft wird, oben aber, wo das zu kondensierende Gasgemisch fast nur noch aus
Leichtsiedendem besteht, auch: die zu verdampfende Flüssigkeit noch reich ari Leichtsiedendem
ist.
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Eine Energieersparnis kann somit durch das an sich bekannte Unterteilen
der Kondensatorverdampfer in zwei Hälften nicht erzielt werden ohne gleichzeitige
Rektifikation in der ersten Verdampferhälfte; ein einheitlicher Kondensationsdruck
hat dabei zur Voraussetzung, daß die beiden Verdampferhälften mit -unterschiedlichem
Druck betrieben werden.