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- Verfahren zum Zerlegen von Gasgemischen Die Verwendung von periodisch
gewechselten Kältespeichern bei der Zerlegung von Luft durch Tiefkühlung für den
Wärmeaustausch zwischen Luft und ihren Zerlegungsprodukten bietet den großen. Vorteil,
daß die in der Luft enthaltenen Dämpfe, wie Wasserdampf und Kohlensäure, nicht vorher
entfernt zu werden brauchen, sondern sich bei der Abkühlung in den Kältespeichern
als Reif niederschlagen und in der nachfolgenden Periode von dem in umgekehrter
Richtung durch den Speicher strömenden Zerlegungsprodukt wieder verdampft und hinausgeführt
werden. Diese Verdampfung erfolgt, da das Zerlegungsprodukt beim Hinausströmen seine
Kälte an den Regenerator abgibt und ihn hierdurch abkühlt, bei niedrigerer Temperatur
-als die Kondensation beim Durchströmen der Luft in der Warmperiode. Wenn die Temperaturdifferenz
zwischen Warm- und Kaltperiode der Regeneratoren einen gewissen Wert überschreitet,
dann reicht bei dem verminderten Dampfdruck der Kondensate infolge der gegenüber
der Kondensationstemperatur erniedrigten Verdampfungstemperatur der Volumenunterschied
zwischen Frischgas und Zerlegungspiodukt nicht mehr aus, um die Sublimation der
Kondensate zu ermöglichen.
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Im Hauptpatent ist zur Beseitigung dieser Schwierigkeit vorgeschlagen
worden, eine größere Menge kalten Gases durch die Regeneratoren hinauszuführen,
als warmes Gas in sie eintritt, um durch diesen Kältezusatz die Temperaturdifferenz
zwischen Warm-und Kaltperiode, insbesondere im kalten Teil der Regeneratoren, so
klein zu halten, daß die Wiederverdampfung der Kondensate unbedingt sichergestellt
wird. Zu diesem Zwecke sollte eine hierfür erforderliche Menge Luft auf hohen Druck
verdichtet, in einer Expansionsmaschine entspannt und der kalte Auspuff durch die
Regeneratoren hinausgeführt werden. Zur Sicherstellung der Sublimation ist hierbei
also ein gesonderter Hilfsprozeß und erhöhter Energieaufwand erforderlich.
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Das vorliegende Verfahren besteht nun darin, die zur Deckung der Verluste
verwendete Kälteerzeugung dem Zerlegungsverfahren so anzupassen, daß die geringe
Menge Gas, welche zur Sicherstellung der Sublima= tion zusätzlich durch die Regeneratoren
geführt werden muß; beim Kälteerzeugungsverfahren gewissermaßen nebenbei anfällt
und nicht besonders beschafft zu werden braucht. Zu diesem Zweck wird nicht nur
eine geringe Menge Hochdruckluft unter Leistung äußerer Arbeit entspannt, sondern
ein weiterer Teil Hochdruckluft nach -Vorkühlung abgedrosselt und so nach dem bekannten
Heylandt-Verfahren die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte erzeugt.
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Bisher hat man bei Gaszerlegungsverfahren, sofern nicht flüssige Produkte
(flüssiger Sauerstoff) gewonnen wurden, darauf verzichten
müssen,
dieses Verfahren zur Kälte-. erzeugung zu verwenden, da die bei der Entspannung
unter Leistung äußerer Arbeit frei werdende Kälte sich nur' unvollkommen auf Frischgas
übertragen läßt. Man mußte entweder auf einen vollkommenen Wärmeaustausch verzichten
und so unmittelbar Kälte verloren geben oder einen mittelbaren Kälteverlust dadurch
in Kauf nehmen, daß man den durch die Expansiönsmäschine gehenden Teil der Hochdruckluft
stärk verkleinerte. Infolge der kleinen Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung
waren außerdem besonders große Austauscher notwendig.
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Diese Nachteile des Verflüssigungsverfahrens werden nun nach vorliegender
Erfindung durch die Anwendung von Regeneratoren für den Kälteaustausch in einen
besonderen Vorteil verwandelt, da der zur Sicherstellung der Sublimation der Kondensate
zusätzliche Kältebedarf nun durch den sonst nicht ausnutzbaren Kälteüberschuß .
des Verflüssigungsverfahrens gedeckt wird.
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Hierdurch gewinnt man gleichzeitig folgenden Vorteil.
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Bei verschiedenen bekannten Verfahren zur Zerlegung von Luft, bei
denen die Luft lediglich auf denjenigen Druck verdichtet wird, der ihre Verflüssigung
bzw. die des Stickstoffs in Wärmeaustausch mit siedendem Sauerstoff gestattet, wird
die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte durch Entspannen eines Teiles der
verdichteten Luft bzw. des unter Druck ausgeschiedenen Stickstoffs bei tiefer Temperatur
unter Leistung äußerer Arbeit gewonnen. Durch diese Art der Kälteerzeugung 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 entnommen 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,
vielmehr wird meistens entweder durch einen Mangel an Waschflüssigkeit die Rektifikation
eine schlechte Ausbeute liefern, oder ein Überschuß an Waschflüssigkeit kann nicht
ausgenutzt werden.
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Die neue Arbeitsweise hat bei ungefähr gleicher Kälteerzeugung pro
PSh wie die bekannten Verfahren den Vorteil, daß die in der Drucksäule aus der gesamten
verarbeiteten Luft ausgeschiedene Stickstoffmenge vollständig als Waschflüssigkeit
für die, obere Säule verfügbar wird. Infolgedessen scann man unter sonst gleichen
Bedingungen eine höhere Reinheit des abgeschiedenen Stickstoffs und damit eine bessere
Ausbeute erzielen und außerdem zusätzlich Luft unter geringem Überdruck gasförmig
in die obere Säule einblasen.
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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 Wärmeaustausches notwendig sind, um so größer werden, je mehr Gasströme
und damit je mehr Regeneratoren erforderlich sind. Diese Schwierigkeit läßt sich
vermeiden, wenn man die Menge Luft, welche in die obere Säule eingeblasen wird,
gerade gleich -der Menge des gewonnenen Sauerstoffs wählt. In diesem Falle 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 verdichteten Teils der Luft
erfolgt in kontinuierlich wirkenden Gegenströmern.
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Das Verfahren wird für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Figur näher
erläutert. Die auf Kondensationsdruck verdichtete Luft wird in den Regeneratoren
z und z in Wärmeaustausch mit dem ausgeschiedenen Stickstoff auf Kondensationstemperatur
abgekühlt und in die Drucksäule q. des zweistufigen Zerlegungsapparates 3 üblicher
Bauart eingeführt. Eine der gewonnenen Sauerstoffmenge gleiche Menge Luft wird in
Wärmeaustausch mit ersterem in den Regeneratoren 6 und 7 abgekühlt und gasförmig
in die Rektifikationssäule 5 eingeblasen. Die Kälteerzeugung bei diesem Verfahren
geschieht dadurch, daß ein Teil der auf Zoo at verdichteten Hochdruckluft in der
Expansionsmaschine 9 entspannt wird, während der Rest nach Vorkühlung in dem Gegenströmer
ä in dem Ventil ro abgedrosselt und in die Drucksäule q. eingeführt wird. Die Vorkühlung
des Teiles der Hochdruckluft, welcher abgedrosselt werden soll, erfolgt entweder
in Wärmeaustausch mit dem expandierten Teil der Hochdruckluft oder der kalorisch
gleichen Menge Zerlegungsprodukt.
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Eine etwas abweichende Arbeitsweise besteht darin, daß man zur Kälteerzeugung
statt nach dem Verfahren von H e y 1 a n d t zu arbeiten, ein anderes Luftverflüssigungsverfahren
verwendet, bei dem ein Teil der Luft unter Leistung äußerer Arbeit, der Rest
durch
Drosselung entspannt wird. So kann man z. B. den größeren Teil der zur Kälteerzeugung
dienenden Luft auf etwa 16 at verdichten und nach Vorkühlung in einer Expansionsmaschine
entspannen, während der Teil der Luft, der nach Vorkühlung mit der Expansionsluft
abgedrosselt wird, auf. etwa 4o at verdichtet wird.
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Die Entspannung der Hochdruckluft kann bis zum Druck der ersten oder
zweiten Zerlegungsstufe geführt werden. In letzterem Falle ist die Kälteleistung
etwas größer, jedoch wird hierbei die in die obere Säule eingeblasene Luftmenge
vergrögert, in ersterem Falle wird zwar weniger Kälte erzeugt, dafür steht in der
oberen Säule eine größere Menge an Waschflüssigkeit zur Verfügung. Man wird also
je nach Kältebedarf und Ansprüchen an die Reinheit des Stickstoffs die entspannte
Hochdruckluft in die erste oder zweite Zerlegungsstufe einführen.
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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 Kälteerzeugungsprozeß auf Hochdruck weiter zu verdichten, 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 Kondensationsdrucks 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.
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Das Verfahren wurde vorstehend für das Beispiel der Zerlegung von
Luft in Sauerstoff und Stickstoff beschrieben. 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 schwerer siedende
an die des Sauerstoffs.