DE625424C

DE625424C - Process for separating low-boiling gas mixtures

Info

Publication number: DE625424C
Application number: DEG86543D
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1929-04-19
Filing date: 1933-10-04
Publication date: 1936-02-10

Description

Verfahren zum Zerlegen tiefsiedender Gasgemische In dem Hauptpatent ist ein Verfahren zur Zerlegung tiefsiedender Gasgemische, insbesondere von Luft, in zwei Stufen unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher beschrieben, bei dem die Luft lediglich auf denjenigen Druck komprimiert wird, der ihre Verflüssigung bzw. die des Stickstoffs in Wärmeaustausch mit siedendem Sauerstoff gestattet. Die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte wird bei diesem Verfahren zum Teil durch Entspannen eines Teiles der verdichteten Luft bz-%v. des unter Druck abgetrennten Stickstoffes bei tiefer Temperatur unter Leistung äußerer Arbeit gewonnen. Durch diese Art der Kälteerzeugung allein wird jedoch die Güte der Rektifikation unmittelbar mit der Kälteleistung gekuppelt, weil der Kältebedarf die- Gasmenge bestimmt, die zwecks Entspannung in der Expansionsmaschine der Drucksäule entnömmen werden muß und hierdurch für die obere Säule als Waschflüssigkeit verlorengeht. Um die Zerlegungsanlage im Gleichgewicht zu halten, ist es nun notwendig, nach dem Kältebedarf zu regeln. Man wird daher nur selten das Optimum erreichen, bei dem Kältebedarf und Güte der Rektifikation gerade aufeinander abgestimmt sind, sondern meistens wird entweder durch einen Mangel an Waschflüssigkeit die Rektifikation eine schlechte Ausbeute liefern, oder ein Überschuß an Waschflüssigkeit kann nicht ausgenutzt werden.Method for separating low-boiling gas mixtures In the main patent is a process for the separation of low-boiling gas mixtures, especially air, described in two stages using periodically changed cold storage, in which the air is only compressed to the pressure required to liquefy it or that of nitrogen in heat exchange with boiling oxygen. the In this process, the necessary cold to cover the losses is partly carried out Relaxation of part of the compressed air or% v. the separated under pressure Nitrogen obtained at low temperature with the performance of external work. By however, this type of refrigeration alone directly affects the quality of the rectification coupled with the cooling capacity because the cooling demand determines the amount of gas that must be removed from the pressure column for the purpose of relaxation in the expansion machine and is thereby lost as washing liquid for the upper column. To the cutting plant to keep it in balance, it is now necessary to regulate according to the cooling demand. You will therefore rarely achieve the optimum with the refrigeration requirement and quality of the Rectifications are straight, but mostly will either due to a lack of washing liquid, the rectification results in a poor yield deliver, or an excess of washing liquid cannot be used.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit war in dem Hauptpatent vorgeschlagen worden, im Beharrungszustand die Expansionsmaschine dauernd mit einer gleichbleibenden Luft- oder Stickstoffmenge zu betreiben und den Teil der Luft, der zur Anwärmung des Gases vor der Expansion zwecks Vermeidung einer Verflüssigung hierbei dient, auf so hohen - Druck zu verdichten, daß bei seiner Entspannung die jeweils zusätzlich notwendige Kältemenge gewonnen wird.To avoid this difficulty, it was proposed in the main patent been, in the steady state the expansion machine continuously with a constant Air or nitrogen to operate and the part of the air that is used for heating of the gas before expansion in order to avoid liquefaction, to compress the pressure so high that when it is relaxed the additional necessary amount of cold is obtained.

Gemäß vorliegender Erfindung wird nun nicht die Hauptmenge der zur Deckung der Verluste notwendigen Kälte durch die Expansion von Luft oder Stickstoff gewonnen und die dann noch fehlende Kältemenge durch die Abdrosselung der Hochdruckluft erzeugt, sondern die Menge Stickstoff, die der Expansionsmaschine zugeführt wird, wird weitgehend vermindert und die Hauptmenge der erforderlichen Kälte durch Drosselung der vorgekühlten Hochdruckluft gewonnen. Hierdurch wird eine wesentlich größere Menge an Waschflüssigkeit für die obere Säule verfügbar, die erfindungsgemäß ausgenutzt wird,'um zusätzlich Luft unter geringem Überdruck in diese Säule einzublasen, wodurch der Energiebedarf für die Zerlegung gegenüber .dem Verfahren des. -1-Iauptpatentes eine beträchtliche Senkung @rf@Aftd"r.According to the present invention, the main amount of the for Covering the necessary cold losses through the expansion of air or nitrogen gained and the still missing amount of cold by the throttling of the high pressure air generated, but the amount of nitrogen that is fed to the expansion machine, is largely reduced and the main amount of cold required by throttling obtained from the pre-cooled high pressure air. This makes a much larger one Amount of washing liquid available for the upper column, which is used according to the invention is, 'to additionally blow air under a slight overpressure into this column, whereby the energy required for dismantling compared to the process of. -1 main patent a considerable reduction @ rf @ Aftd "r.

Die Verwendung von Luft unter drei verschiedenen Drucken mag zunächst als eine unvorteilhafte Erschwerung erscheinen, zumal bei der Verwendung von Kältespeichern die Schwierigkeiten der richtigen Verteilung der Gasmengen, die zur Erzielung eines vollkommenen NVärmeaustausches notwendig ist, um so größer werden, je mehr Gasströme und damit je mehr Regeneratoren erforderlich sind. In Wirklichkeit läßt sich jedoch jede Komplikation vermeiden, wenn man erfindungsgemäß die Menge Luft, welche in die obere Säule eingeblasen wird, gerade gleich der Menge des gewonnenen Sauerstoffs wählt. In diesem Fall kommt man mit den auch sonst notwendigen zwei Paaren von Regeneratoren aus, von denen das eine den Wärmeaustausch zwischen Stickstoff und der auf Kondensationsdruck verdichteten Luft, das andere den Wärmeaustausch zwischen Sauerstoff und Gebläseluft vermittelt. Die Abkühlung des kleinen auf hohen Druck komprimierten Teiles der Luft, der auch sonst aus praktischen Gründen zur Kälteübertragung benötigt wird, erfolgt stets in kontinuierlich wirkenden Gegenstromern.The use of air under three different pressures may seem like first appear to be an unfavorable complication, especially when using cold accumulators the difficulties of correctly distributing the amounts of gas necessary to obtain a complete heat exchange is necessary, the larger the more gas flows and thus the more regenerators are required. In reality, however, it can avoid any complication if, according to the invention, the amount of air which is in the upper column is blown in, just equal to the amount of oxygen recovered chooses. In this case you come with the otherwise necessary two pairs of regenerators off, one of which is the heat exchange between nitrogen and that on condensation pressure compressed air, the other the heat exchange between oxygen and fan air conveyed. The cooling of the small part of the air compressed to high pressure, which is otherwise required for cold transfer for practical reasons, takes place always in continuously acting countercurrent.

Das Verfahren wird an Hand der Fig. i und 2 für das Beispiel der Gewinnung von 65 °/oigem Sauerstoff aus io ooo cbm Luft/h näher erläutert. 7000 cbmfh der zu zerlegenden Luft werden auf Kondensationsdruck, d. h. etwa ¢ ata, verdichtet, in den Regeneratoren i bzw. ä in Wärmeaustausch mit dem abgetrennten Stickstoff bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt, sodann in die Drucksäule 4. eines zweistufigen Zerlegungsapparates 3 eingeführt und dort in üblicher Weise zerlegt. Wenn man die Kondensation der Luft in einem Rücklaufkondensätor vornimmt und den flüssigen Sauerstoff in Gleichstrom mit seinen Dämpfen verdampft, erniedrigt sich der Kondensationsdruck auf etwa 3,2 ata. Von dem in der Drucksäule bzw. im Rücklaufkondensator ausgeschiedenen Stickstoff werden etwa 1350 cbm/h gasförmig entnommen und unter Leistung äußerer Arbeit in der Turbine 9 entspannt, während der Rest als Waschflüssigkeit auf die obere Säule 5 aufgegeben wird. 3000 cbm Luft/h, ebensoviel wie man Sauerstoff gewinnt, werden in einem Gebläse auf o,4 atü verdichtet, in Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff in den Regeneratoren 6 bzw: 7 bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt und gasförmig in die obere Säule eingeblasen.The method is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2 for the example of obtaining 65% oxygen from 100,000 cbm of air / h. 7000 cbmfh of the air to be separated are compressed to condensation pressure, ie about ¢ ata, cooled in the regenerators i or ä in heat exchange with the separated nitrogen to the condensation temperature, then introduced into the pressure column 4 of a two-stage decomposition apparatus 3 and there in the usual way Way disassembled. If the air is condensed in a reflux condenser and the liquid oxygen is evaporated in cocurrent with its vapors, the condensation pressure drops to about 3.2 ata. About 1350 cbm / h of the nitrogen separated in the pressure column or in the reflux condenser are withdrawn in gaseous form and expanded under the performance of external work in the turbine 9, while the remainder is applied to the upper column 5 as washing liquid. 3000 cbm of air / h, as much as oxygen is obtained, are compressed to 0.4 atmospheres in a fan, cooled to the condensation temperature in heat exchange with the oxygen in the regenerators 6 and 7 and blown in gaseous form into the upper column.

Zur Deckung der Kälteverluste werden etwa 500 cbm Luft/h auf einen Druck von Zoo at verdichtet und nach Vorkühlung in Gegenstromwärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten abgedrosselt und nach Bedarf in die z. oder 2. Zerlegungsstufe eingeführt. Es ist hierbei zweckmäßig, die vorgekühlte Hochdruckluft in dem Gegenströmer 8 in Wärmeaustausch mit dem Stickstoff zu bringen, der in der Expansionsmaschine oder Turbine entspannt werden soll, um eine Verflüssigung bei der Entspannung zu vermeiden und die bei der Entspannung frei werdende Kälte in günstiger Weise auf den Zerlegun;sprozeß zu übertragen. Um die durch Entspannen der Hochdruckluft erzielbare Kälteleistung zu steigern, wird gegebenenfalls die Hochdruckluft vor dem Wärmeaustausch mit Zerlegungsprodukten mittels einer gesonderten Kältemaschine vorgekühlt. Wenn man gemäß der zweiten in Patent 538 92,0 sowie im Hauptpatent vorgesehenen Arbeitsweise nicht einen Teil des unter Druck abgeschiedenen Stickstoffs sondern einen Teil der verdichteten Luft in einer' Expansionsmaschine oder Turbine entspannt, gestaltet sich die Arbeitsweise wie folgt: Der auf Kondensationsdruck verdichtete Teil der Luft wird wieder in den Regeneratoren i bzw. 2 (Abb. 2) in Wärmeaustausch mit dem Stickstoff auf Kondensationstemperatur abgekühlt. Ein Teil dieser Luft wird in dem Gegenstromer 8 in Wärmeaustausch mit der Hochdruckluft so weit erwärmt, daß bei der anschließenden Expansion in der Turbine 9 keine Verflüissigung eintritt und dann nach der Entspannung der in den Regeneratoren 6 bzw. 7 in Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff abgekühlten Einblasluft beigemischt. Der Rest der auf Kondensationsdruck verdichteten Luft wird, ebenso wie die in dem Ventil io abgedrosselte Hochdruckluft in die Drucksäule- 4 .des zweistufigen Zerlegungsapparates eingefhrt. Die gesamte in der Drucksäule q. aus der Luft ausgeschiedene Stickstoffmenge wird an dem Kondensator 3 verflüssigt und als Waschflüssigkeit auf die obere Säule 5 aufgegeben, in die der Rest der zu verarbeitenden Luft, der nur auf geringen Überdruck verdichtet war, zusammen mit dem Auspuff der Turbine in gasförmigen Zustand eingeblasen wird.To cover the cold losses, about 500 cbm of air / h are compressed to a pressure of Zoo at and, after pre-cooling in countercurrent heat exchange with decomposition products, throttled and, if necessary, into the z. or 2nd decomposition level introduced. It is useful here to bring the precooled high pressure air in the countercurrent 8 into heat exchange with the nitrogen that is to be expanded in the expansion machine or turbine in order to avoid liquefaction during expansion and the cold released during expansion in a favorable manner to transfer the dismantling process. In order to increase the refrigeration capacity that can be achieved by releasing the high pressure air, the high pressure air may be precooled by means of a separate refrigeration machine before the heat exchange with decomposition products. If, according to the second procedure provided in patent 538 92.0 and in the main patent, not part of the nitrogen separated under pressure but part of the compressed air is released in an expansion machine or turbine, the procedure is as follows: The part compressed to condensation pressure the air is cooled again in the regenerators i and 2 (Fig. 2) in heat exchange with the nitrogen to the condensation temperature. Part of this air is heated in the countercurrent 8 in heat exchange with the high pressure air to such an extent that no liquefaction occurs during the subsequent expansion in the turbine 9 and then after the expansion of the blow-in air cooled in heat exchange with the oxygen in the regenerators 6 and 7 mixed in. The rest of the air compressed to condensation pressure, like the high pressure air throttled in the valve 10, is introduced into the pressure column 4 of the two-stage decomposition apparatus. The total in the pressure column q. The amount of nitrogen excreted from the air is liquefied in the condenser 3 and applied as washing liquid to the upper column 5, into which the rest of the air to be processed, which was only compressed to a slight excess pressure, is blown in a gaseous state together with the turbine exhaust.

Die Vorteile des neuen Verfahrens beruhen darauf, daß der Mehraufwand an Energie, der notwendig wird, um wenige Prozent der auf Kondensationsdruck `verdichteten Luft für den Kälteerzeugungsproz,eß auf Hochdruck weiterzuv:erdichten, kleiner ist als die Energieersparnis, die dadurch erzielt wird, daß eine der Sauerstoffmenge gleiche Menge Luft statt auf Kondensationsdruck nur auf geringen Überdruck gefördert zu werden braucht. Da die Menge der Einblasluft automatisch der Reinheit des Sauerstoffs angeglichen wird, besitzt das Verfahren eine große Anpassungsfähigkeit, so daß es trotz des die Rektifikation bekanntlich erschwerenden Einblasens von Luft sogar -möglich wird, Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99 °/o herzustellen. Bei der Gewinnung weniger reinen Sauerstoffs wird eine größere Luftmenge praktisch unverdichtet zerlegt und hierdurch der Energiebedarf der Zerlegung - über die Herabsetzung des Kondensationsdruckes hinaus - zusätzlich gesenkt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß die Verluste an verdichtetem Gas bei jedem Umschalten der Regeneratoren dadurch geringer werden, daß der Druck des durch die Sauerstoffregeneratoren strömenden Frischgases sehr niedrig ist. Infolgedessen wird auch der Sauerstoff durch die beim Umschalten in den Regeneratoren verbleibende Luft in geringerem Maße verunreinigt als bisher, also der Sauerstoff in höherer Reinheit gewonnen. .The advantages of the new method are based on the fact that the additional effort of energy that is required by a few percent of that compressed to condensation pressure Air for the refrigeration process, which has to be compressed at high pressure, is smaller than the energy saving achieved by using one of the amount of oxygen the same amount of air is conveyed to a slight overpressure instead of condensation pressure needs to become. As the amount of air blown automatically depends on the purity of the oxygen is adapted, the method has great adaptability, so that it despite the fact that the rectification is blown in, which is known to make it more difficult air it is even possible to produce oxygen with a degree of purity of more than 99%. When extracting less pure oxygen, a larger amount of air comes in handy uncompacted decomposed and thereby the energy requirement of the decomposition - via the reduction of the condensation pressure - additionally reduced. Another advantage of the procedure is that the loss of compressed gas every time the regenerators are switched be reduced by the fact that the pressure of the flowing through the oxygen regenerators Fresh gas is very low. As a result, the oxygen through the at Switching air remaining in the regenerators contaminated to a lesser extent than before, so the oxygen was obtained in a higher purity. .

Das Verfahren wurde vorstehend für das Beispiel der Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff besehrieben. Es läßt sich in gleicher Weise zur Zerlegung anderer tiefsiedender Gasgemische in zwei Komponenten verwenden. Die leichter siedende Komponente tritt dann an die Stelle des Stickstoffs und die schwersiedende an die des Sauerstoffs.The procedure has been given above for the example of the decomposition of Describe air in oxygen and nitrogen. It can be used in the same way Use to split other low-boiling gas mixtures into two components. The easier The boiling component then takes the place of nitrogen and the high-boiling component to that of oxygen.

Claims

PATENT CLAIMS: r. Process for breaking down low-boiling gas mixtures, in particular of air using cold accumulators in changeover mode according to patent 604 zig, characterized in that the main amount of the cover the losses necessary cold by throttling off a small amount of high pressure air is generated, which in heat exchange with the excreted under pressure nitrogen before the relaxation of which was liquefied with the performance of external work and that a the amount of oxygen obtained is the same amount of air uncompressed into the rectification column is blown in. z. Process for separating low-boiling gas mixtures, in particular of air using cold accumulators in changeover mode according to the patent 604 119, characterized in that the bulk of the to cover the losses necessary cold generated by throttling a small amount of high pressure air which is in heat exchange with part of the condensed on condensation pressure and air cooled to the condensation temperature before it is expanded under power external work was liquefied, and that one equal to the amount of oxygen obtained Amount of air is blown uncompressed into the rectification column.