DE625419C - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung der schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase, insbesondere aus Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung der schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase, insbesondere aus Luft

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DE625419C
DE625419C DEI49950D DEI0049950D DE625419C DE 625419 C DE625419 C DE 625419C DE I49950 D DEI49950 D DE I49950D DE I0049950 D DEI0049950 D DE I0049950D DE 625419 C DE625419 C DE 625419C
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DEI49950D
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Dipl-Ing Karl Erb
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IG Farbenindustrie AG
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IG Farbenindustrie AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25JLIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642Recovering noble gases from air
    • F25J3/04745Krypton and/or Xenon

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung der schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase, insbesondere aus Luft Für die Trennung von Flüssigkeiten oder verflüssigten Gasen werden vielfach Rektifizier- oder Waschsäulen verwendet. Diese müssen geheizt werden, und zwar geschieht dies entweder durch Beheizung der ganzen Säule oder durch Beheizung eines am unteren Ende angeordneten Flüssigkeitsbehälters, der Blase oder Verdampfer genannt wird. Die Bauweise dieser Blasen als mehr oder weniger große Töpfe bedingt eine dauernde Mischung des Flüssigkeitsinhaltes, so daß die Zusammensetzung der Flüssigkeit an allen Stellen einer Blase praktisch die gleiche ist. Die in der Blase befindliche Flüssigkeitsmenge ist, verglichen mit der Menge, die ihr aus der zugehörigen Trennsäule laufend zufließt, groß, so daß auch für den Fall, daß dauernd ein Teil des Blaseninhaltes flüssig abgezogen wird, ein nur langsames Durchspülen des Verdampfers stattfindet. Je kleiner die der Blase entnommene Flüssigkeitsmenge ist, um so ungünstiger gestaltet sich das Durchspülen.
  • Bei der Gewinnung der schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase, in erster Linie des Kryptons, aus der Luft oder anderen geeigneten sauerstoffhaltigen Ausgangsgemischen spielen die geschilderten Verhältnisse insofern eine Rolle, als man sich hierbei vielfach der Rektifikation bedient. Es ist aber auch ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem flüssiger, bei der Lufttrennung gewonnener Sauerstoff in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen eingedampft wird. Bei der Durchführung der Rektifikation bzw. der mehrfachen Verdampfung reichern sich die in Betracht kommenden Edelgase am unteren Ende der Rektifikationssäulen bzw. in den Eindampfgefäßen im flüssigen Sauerstoff an. In diesem wächst aber- gleichzeitig auch der Gehalt an anderen, schwerer als Sauerstoff siedenden Bestandteilen, die im Ausgangsgas vorhanden sind, soweit sie nicht vor Eintritt desselben in die Trennsäulen durch geeignete Vorkehrungen zurückgehalten wurden. Die hier vor allem eine Rolle spielenden verhältnismäßig schwer flüchtigen Bestandteile sind die Kohlenwasserstoffe, deren Siedepunkte teilweise noch höher liegen als jene der zu gewinnenden Edelgase. Bei weitgehender An-' reicherung dieser letzteren in der Sauerstoffflüssigkeit der Blase, also bei nur geringer Entnahme von flüssigem Sauerstoff aus der Rektifikationssäule kann nun der Gehalt an Kohlenwasserstofen in der Flüssigkeit so weit ansteigen, daß sie auskristallisieren. Vielfach kommt es schon zu Ausscheidungen, ohne daß die durchschnittliche Kohlenwasserstoffkonzentration des Blaseninhaltes das erwarten ließe.' Es -inuß das u. 'ä. darauf zurückgeführt werden, daß an manchen Stellen der Heizflächen nur ab ünd-zü-verdampfende Flüssigkeit gelangt und daß dann dort Auskristallisationen vor sich gehen. Dadurch ist aber, wie ausreichend bekannt ist, die Möglichkeit einer Explosion im Verdampfer gegeben. Je nachdem, wieviel Kohlenwasserstoffe in dem Ausgangsgemisch vorhanden sind, kann die gekennzeichnete Gefahr auch noch bei recht beträchtlichen Flüssigkeitsentnahmen aus der Blase eintreten. Um sicher zugehen, muß man dann unter Umständen so große Mengen flüssig abziehen, daß deren Edelgasgehalt zu klein und der Trennvorgang unwirtschaftlich wird.
  • Um die geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung so vorgegangen, daß man die bei der Rektifikation des mehr oder weniger verflüssigten Ausgangsgemisches, in erster Linie Luft, erhaltene Sauerstoffflüssigkeit- in einer langgestreckten, im Verhältnis zur Säule engen Blase und nicht oder nur zum Teil in einer Blase der üblichen topfartigen Bauweise bis auf eine bestimmte Menge abzuziehender Restflüssigkeit eindampft. Der anfallende Dampf, der zufolge des einfachen Verdampfungsvörganges noch verhältnismäßig viel Edelgase enthält,-wird zur Weiterführung der Rektifikation in die Trennsäule zurückgeführt, aus der die verdampfte Flüssigkeit stammt oder in eine ändere Säule eingeleitet. Man kann bei dieser Arbeitsweise, ohne den Betrieb zu gefährden und ohne größere Edelgasverluste in Kauf nehmen 'zu müssen, mit der Kohlenwasserstoffkonzentration und damit auch mit dem Edelgasgehalt der Restflüssigkeit erheblich höher gehen als bisher, d. h. die der Blase entnommene Flüssigkeitsmenge läßt sich verhältnismäßig klein halten. Es ist das .deshalb möglich, weil eine obiger Vorschrift entsprechende Blase fortwährend kräftig durchspült wird und die e?nzelnen Abschnitte dauernd von neu ankommender Flüssigkeit durchströmt werden. Ferner ist ein Vermischen der schon stärker eingedampften Teile mit wenig oder noch gar nicht eingedampften Teilen hintangehalten. Nur die am Blasenende vorhandene, verhältnismäßig sehr geringe Menge Sauerstoffflüssigkeit hat so neben einem hohen Gehalt an Edelgasen eine hohe Kohlenwasserstoffkonzentration. Das bedeutet eine beträchtliche Erhöhung der Betriebssicherheit.
  • Da die meisten der Kohlenwasserstoffe noch schwerer flüchtig sind als beispielsweise das Krypton, haben siesich, insbesondere das gefährliche Acetylen, während der Eindampfung in stärkerem Ausmaße in der jeweils noch vorhandenen Flüssigkeit angereichert als das Krypton, während sich dementsprechend das Mengenverhältnis des Kryptons zu den Kohlenwasserstoffen in dem entstandenen Dampf_ zugunsten des Kryptons verschoben hat. Gemäß der Erfindung wird nun vorzugsweise so vorgegangen, daß der angefallene Dampf in die Trennsäule zurückgeführt wird, aus der er stammt. Der aus der Blase kommende Dampf bringt dabei natürlich eine, wenn auch kleine Menge Kohlenwasserstoffe in die Säule mit zurück. Man muß daher den Flüssigkeitsrest der Blase so bemessen, daß keine störenden Kohlenwasserstoffmengen in die Säule gelangen können. Gegebenenfalls führt man bei entsprechend weniger Restflüssigkeit den gebildeten Dampf ganz oder teilweise in eine andere Trennsäule. In -dieser wird das in dem Sauerstoffdampf noch enthaltene Krypton in üblicher Weise ausgewaschen. Die Säule ist entweder mit einer Blase gemäß der Erfindung oder mit einer, der bisher üblichen Blasen ausgestattet. Die Restflüssigkeit der ersten Blase und die der Blase der zweiten Säule entnommene Flüssigkeit werden mittels beliebiger, an sich bekannter chemischer oder physikalischer Trenn- und Reinigungsverfahren weiterbehandelt, um die zu gewinnenden, schwer siedenden Edelgase in der gewünschten Reinheit zu erhalten.
  • Bei Anwendung einer erfindungsgemäßen langgestreckten Bluse können die zur Verdampfung kommende Flüssigkeit und der sich bildende Dampf im Gegenstrom oder im Gleichstrom oder teils im Gegenstrom, teils im Gleichstrom geführt werden. Besonders zweckmäßig ist die Anwendung des Gleichstroms, weil sich vor allem bei ihm große Strömungsgeschwindigkeitenbei entsprechend kleinem Blasenquerschnitt durchführen lassen. Für den Fall der Gegenströmung ist es vorteilhaft, entsprechend der allmählich abnehmenden Gesamtmenge von Flüssigkeit und Dampf den Blasenquerschnitt nach und nach zu verringern.
  • Am einfachsten werden die Blasen als von innen oder außen beheizte Rohrschlangen ausgeführt. In einem am Ende einer Blase vorgesehenen Flüssigkeitsabscheider wird der nicht verdampfte Flüssigkeitsrest von dem entstandenen Dampf abgetrennt.
  • Bei längerer Betriebszeit einer Blase könnten nun trotz sehr wirksamer Durchspülung unter Umständen dennoch Ausscheidungen von Kohlenwasserstoffen an den Wänden auftreten. Damit sie kein schädliches Ausmaß erreichen können, werden zwei parallel geschaltete Blasen vorgesehen, von denen die eine gereinigt wird, solange die andere im Betrieb ist. Zum Zwecke des Reinigens wird die Flüssigkeitszufuhr zur Blase .abgestellt, während die Beheizung weitergehen kann, unter Umständen bei etwas erhöhter Temperatur. Durch die abgeschaltete Blase wird ein geeignetes trockenes Gas geschickt, durch das etwa an den Wandungen befindliche Ausscheidungen allmählich entfernt werden.
  • An Hand der beiliegenden schematischen Zeichnung, die entsprechende Vorrichtungen betrifft, werden nun einige. Ausführungsweisen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. In die Rektifikationssäule i der Abb. i wird durch Leitung 2 flüssige Luft, durch Leitung 3 dampfförmige Luft eingeführt. Beide Luftmengen, zum mindesten die letztere, enthalten die zu gewinnenden schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase. Die herunterrieselnde Flüssigkeit gelangt in die verhältnismäßig enge und lange Blase 4, in der sich verdampfende Sauerstoffflüssigkeit und entstandener Dampf entgegenströmen. Der untere Blasenteil hat einen geringeren Querschnitt als der obere Teil. Die Beheizung erfolgt mittels des Rohres 5, durch das verdichtete Luft geschickt wird. Diese verflüssigt sich und liefert die durch Ventil 6 und Leitung -q auf die Säule aufzugebende Flüssigkeit. Die in der Blase nicht verdampfte Flüssigkeit, welche die schwer siedenden Edelgase und natürlich auch die Kohlenwasserstoffe und andere schwer siedende Verunreinigungen in entsprechender Konzentration enthält, wird dem Flüssigkeitsabscheider 7 durch Ventil 8 entnommen. Rohrleitung g ermöglicht es, gegebenenfalls einen Teil des entstandenen Dampfes mittels @@entil io in die Ausgangssäule zurückzuleiten. Nach einer bestimmten Betriebszeit werden die Ventile io und i i gesehlossen und dafür die Ventile 12 und 13 der Blase 14 geöffnet. Im ersten Teil derselben strömen Flüssigkeit und Dampf gegeneinander, während deren Strömungsrichtungen im zweiten, nach oben führenden Teil die gleichen sind. Die Heizluft gelangt jetzt durch das umgestellte Dreiwegventil 15 in die Heizschlange 16 des Verdampfers 14, um verflüssigt die Waschflüssigkeit für die Säule zu liefern. Im ersten Blasenteil strömt der entstandene Dampf unmittelbar wieder in die Trennsäule zurück, während er im zweiten Teil in den Abscheider 17 gelangt, in dem die Restflüssigkeit abgetrennt wird, um dann weiter durch Leitung 18 oberhalb der Blase in die Säule i einzutreten. , Die edelgashaltige Flüssigkeit im Abscheider 17 wird durch Ventil ig abgelassen. Nur um die hiermit gleichzeitig aus dem Rektifikationsvorgang entfernte Sauerstoffmenge ist das die Säule bei 2o verlassende Gasgemisch sauerstoffärmer als die zugeführte Luft, sofern nicht im unteren Teil der Säule oder der Blase noch mehr oder weniger dampfförmiger Sauerstoff abgezogen wird. Von dem bei 2o entweichenden, nahezu kryptonfreien Gas wird ein Teil abgezweigt und mittels Leitung 21 und Dreiwegventil 22 in die zu reinigende Blase 4 bzw. 14 eingeleitet. Das Gas verläßt die Blasen durch die Ventile 23 bzw. a4.
  • In Abb. 2 ist eine Trennsäule 25 gezeichnet, der aus einem nicht dargestellten, beispielsweise zweistufigen Lufttrennapparat bei 26 kryptonhaltiger, flüssiger Sauerstoff zugeführt wird. Am unteren Ende der Säule 25 ist eine Blase 27 vorgesehen, in der ein Teil des Säulendampfes in der bisher üblichen Weise erzeugt wird. Ein weiterer Teil desselben entsteht jedoch in der engen und langgestreckten, als Rohrschlange ausgebildeten Blase 28. Verdampfende Sauerstoffflüssigkeit und entstandener Dampf strömen hier nach abwärts. Die Flüssigkeitshöhe über der Stelle der Blase, an welcher die Verdampfung beginnt, ist so hoch gewählt, daß sie ausreicht, um Flüssigkeit und Dampf durch die Blase zu drücken und den Dampf mittels Leitung 29 in die Säule 25 zurückzuführen. Dem Abscheider 30 wird der nicht verdampfte Flüssigkeitsrest bei 46 in geeignetem Ausmaße entnommen. Die Beheizung der Blase 27, in der eine Voranreicherung an Krypton bewirkt wird, und der Blase 28 geschieht beispielsweise durch verdichteten Stickstoff aus dem bereits erwähnten, nicht gezeichneten Lufttrennapparat. Er gelangt durch Leitung 31 in die Heizschlange 32 und in den Raum 33, der die von außen beheizte Blase 28 umgibt. Der sich durch die Verdampfung des Sauerstoffs verflüssigende Stickstoff kann durch Ventil 34 und Leitung 35 dem Lufttrennapparat wieder zugeführt werden.
  • Den im Abscheider 30 von der Flüssigkeit befreiten Dampf kann man ganz oder teilweise auch in der Säule 36 weiterbehandeln, zu welchem Zwecke Ventil 37 geschlossen oder gedrosselt und Ventil 38 entsprechend geöffnet wird. Die Beheizung der zur Säule 36 gehörigen Blase geschieht mittels Rohrschlange 39, durch welche beispielsweise verdichtete Luft geleitet wird, die sich darin verflüssigt. Die verflüssigte Luft könnte man dem schon mehrfach erwähnten Lufttrenner zuführen. Man kann sie auch, wie es hier gezeichnet ist; als Waschflüssigkeit bei 4o in die Säule 36 aufgeben. Diese besitzt noch einen Kondensator 41, der hier mit flüssigem Stickstoff beschickt ist. Dieser wird mittels Ventil 42 und Leitung 43 von dem in 33 erhaltenen flüssigen Stickstoff abgezweigt. Bei 44 wird eine die schwer siedenden Edelgase enthaltende Sauerstoffflüssigkeit abgezogen, welche in geeigneter Weise weiterverarbeitet wird. Ein von diesen Edelgasen weitgehend befreiter - Sauerstoff verläßt die Säule 36 bei 45.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: z. Gewinnung der schwerer als Sauerstoff siedenden Edelgase durch weitgehende Verdampfung der durch Rektifikation bzw. Waschung verflüssigter Luft erhaltenen edelgashaltigen Sauerstoffflüssigkeit unter Einführung der entstehenden Dämpfe in einen Rektifikatiöns-oder Auswaschvorgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung ausschließlich oder zum Teil in einer engen langgestreckten Blase erfolgt.
  2. 2. Verfahren gemäß Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die nochmalige Rektifikation oder Waschbehandlung des entstandenen _ Dampfes in der Rektifikationseinrichtung vorgenommen wird, aus der die eingedampfte Sauerstoffflüssigkeit stammt.
  3. 3. .Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, für den Fall, daß verdampfende Flüssigkeit und entstandener Dampf in gleicher Richtung durch die Blase strömen, vor der Stelle, an welcher die Verdampfung beginnt, eine zusammenhängende Flüssigkeitssäule vorgesehen wird, deren Druck ausreicht, um Flüssigkeit und Dampf durch die Blase hindurchzudrücken und den Dampf in die Trennsäule zurückzuführen.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren gemäß den Ansprüchen i bis 3, gekennzeichnet durch eine Trennsäule, an deren unteren Teil sich ein oder mehrere beheizte, langgestreckte Blasenräume von verhältnismäßig engem Querschnitt anschließen.
  5. 5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, daß die Blasenräume abschaltbar und zur wechselweisen Beschickung mit flüssigem Sauerstoff eingerichtet sind.
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