DE659884C - Verfahren zur Herstellung von fluessiger Luft oder fluessigem Sauerstoff - Google Patents

Description

REICHS

Bei der Gewinnung von Sauerstoff durch Verflüssigung und Rektifikation von Luft werden die aus der Trennsäule austretenden Stickstoff- und Sauerstoffgase durch einen Temperaturwechsler im Gegenstrom zu der komprimierten Luft geführt und üben eine Kühlwirkung auf sie aus. In entsprechender Weise wird bei der Herstellung von flüssiger Luft mit der unverflüssigten Luft nach ihrer Expansion verfahren.

In manchen modernen Anlagen ist der Temperaturwechsler unterteilt, und die komprimierte Luft, die von dem einen Teil des Temperaturwechslers zu dem anderen übergeht, durchströmt den Kühler einer Kältemaschine, in welcher Kälte bei nahezu konstanter Temperatur durch Verdampfung eines Kältemittels erzeugt wird.

Da nun die Gasmenge, die nach der Expansion durch den Temperaturwechslei· strömt, um den Betrag der Sauerstoff- oder Luftmenge, die in flüssigem Zustande der Anlage entnommen wird, geringer ist als die Menge der komprimierten Luft, die den Temperaturwechsler durchströmt, und da ferner die spezifische Wärme des expandierten Gases geringer ist als die spezifische Wärme der komprimierten Luft, muß stets ein beträchtlicher Temperaturunterschied zwischen dem expandierten Gas und der komprimierten Luft vorhanden sein, um das erstere zu befähigen, die letztere zu kühlen. Denn die Wärmemenge, welche das expandierte Gas aufzunehmen imstande ist, ist nur ein Bruchteil derjenigen, welche die komprimierte Luft abgeben muß, um dieselbe Temperaturänderung zu erfahren.

Überdies wird, wenn eine gewöhnliche Kältemaschine zwischengeschaltet ist, in welcher Kälte bei im wesentlichen einer einzigen Temperatur durch die Verdampfung eines Kältemittels erzeugt wird, ein Temperaturunterschied zwischen der komprimierten Luft und dem Kältemittel auftreten, der beim Eintritt der komprimierten Luft in den Kühler sehr beträchtlich ist und dann erst abnimmt.

Aus den vorstehenden Gründen kann die Kältemaschine die komprimierte Luft nicht in der wirtschaftlichsten Weise abkühlen, nämlich mit einem äußerst kleinen Temperaturunterschied zwischen dem Kältemittel und der komprimierten Luft.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht nun darin, in einer Luftverflüssigungs- oder

Sauerstoffgewinnungsanlage die zur Abkühlung der komprimierten Luft erforderliche zusätzliche Kälte mit einem Mindestaufwand an Energie zu erzeugen. Zu diesem Zwecke wird gemäß der Erfindung die Kälte für die zusätzliche Kühlung der komprimierten Luft durch Verdampfung eines Kältemittels bei stetig zunehmendem Druck erzeugt, so daß auch die Temperatur der Kälteerzeugung ίο stetig zunimmt, wie die in umgekehrter Richtung strömende Luft an Temperatur abnimmt, Hierzu wird eine Diffusionskältemaschine benutzt, in welcher der Partialdruck des Kältemittels bekanntlich in dem Maße wächst, wie das in ihr umlaufende Gasgemisch sich mit gasförmigem Kältemittel anreichert. Von dem verdampfenden Kältemittel kann die Kälte auf die im Temperaturwechsler strömende komprimierte Luft auch durch ein Zwischenmedium übertragen werden. Das Zwischenmedium kann z. B. auch ein Teil des expandierten Gases sein, das den Temperaturwechsler bereits durchströmt, das aber, anstatt ins Freie zu entweichen, durch den Verdampfer einer Diffusionskältemaschine rückgekühlt und dann von neuem durch den Temperaturwechsler geleitet wird.

Die Tatsache, daß die zusätzlichen Abkühlungseinrichtungen nicht die gesamte zusätzlich erforderliche Kälte bei der tiefsten Temperatur zu liefern brauchen, sondern in einem Bereiche zwischen der tiefsten und irgendeiner wesentlich höheren Temperatur, macht die Erzeugung der Kälte wesentlich billiger. Z. B. würde eine Kältemenge, die sich über einen Temperaturbereich von —115⁰C bis -(-15⁰C erstreckt, angenähert dasselbe kosten wie die gleiche Kältemenge bei— 50° C (d. h. bei der mittleren Temperatur), obwohl eine so niedrige Temperatur wie —115⁰C an dem einen Ende des Temperaturbereiches geleistet wird.

Ein besonders günstiges Ergebnis läßt sich erzielen, wenn die zusätzliche Kühlung der komprimierten Luft mit einer Kältemaschine durchgeführt wird, die eine Temperatur bis zu —130⁰ C erreicht, weil unterhalb dieser Temperatur sehr wenig Gegenstromkühlung durch die expandierten Gase erforderlich ist, um den kritischen Punkt von Luft (— 140⁰ C) zu erreichen. Bei dieser Temperatur ist die latente Verdampfungswärme von Luft gleich Null, und die Luft geht ohne weiteres in den flüssigen Zustand über, wenn der Druck oberhalb des kritischen Druckes ist. Dadurch wird die Anlaufzeit der Anlage beträchtlich abgekürzt und die erforderliche Antriebsenergie weitgehend verringert. In dem zweistufigen Lindeschen Expansionsverfahren zur Erzeugung flüssiger Luft ermöglicht eine zu- !

sätzliche Kühlung auf — 130⁰ C die Herabsetzung der Antriebsleistung, die für die Verflüssigung von Luft erforderlich ist, auf ein Drittel derjenigen Leistung, die bei den bisher benutzten Verfahren erforderlich war. Ausführüngsbeispiele von Anlagen, welche die Erfindung enthalten, sind auf der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt. Hierin ist

Fig. ι der Längsschnitt einer bekannten Luftverflüssigungs- und Rektifikationsanlage, aber mit zusätzlicher Kühlung mittels einer Diffusionskältemaschine.

' Fig. 2 ist der Längsschnitt einer bekannten Luftverflüssigungsanlage, jedoch mit zusätzlicher Kühlung.

In Fig. ι ist β ein zweistufiger Luftkompressor, in dem Luft auf einen Druck von 40 Atm. verdichtet wird. Von dem Kornpressor α strömt die verdichtete Luft durch ein Rohr b¹ zu dem einen Ende eines Temperaturwechslers b. Von dem anderen Ende des Temperaturwechslers b strömt die verdichtete Luft durch ein Rohr c¹ zu dem einen s₅ Ende eines zweiten Temperaturwechslers c. Von dem anderen Ende des zweiten Temperaturwechslers c strömt die verdichtete Luft durch ein Rohr d^l zu einer Rohrschlange d, die am Boden der unteren Stufen einer zwei- _go stufigen Trennsäule^/ angeordnet ist, dessen obere Stufe mit /bezeichnet ist.

Die verdichtete Luft wird bei ihrem Durchgang durch die beiden Temperaturwechsler b und c abgekühlt, und zwar, wie weiter unten beschrieben, auf ihre Verflüssigungstemperatur, und in der Tat wird infolge des Druckes von 40 Atm. ein Teil in dem zweiten Temperaturwechsler c verflüssigt.

Von der Rohrschlange d strömt die verdichtete Luft durch ein Rohr g¹, in dem ein Reduzierventil g^% angeordnet ist, zu einer Expansionsdüse g, die in der unteren Rektifikationskolonne e angebracht ist und durch welche die Luft in diese Kolonne mit einem _Io5 Druck von ungefähr 5 Atm. abs. gelangt. Die dementsprechende Herabsetzung der Temperatur hat die Verflüssigung eines weiteren Teiles der Luft zur Folge.

Die Düse g ist in einer bestimmten Höhe n₀ der Kolonne e angebracht, und die flüssige Luft, die in der Düse g entsteht und aus ihr austritt, fließt über Teller e¹ in der Kolonne e in den unteren Teil der Kolonne e, wo die Rohrschlange d, welche von der verdichteten Luft auf ihrem Wege zu der Düse g durchströmt wird, angeordnet ist. Da die Luft in dieser Rohrschlange d eine höhere Temperatur hat als das verflüssigte Gas am Boden der Kolonne e, beginnt ein Teil des verflüssigten Gases zu sieden. Gleichzeitig verflüssigt sich ein Teil der verdichteten Luft in

der Rohrschlange d, so daß während des normalen Betriebes tatsächlich ein Gemisch von - flüssiger und gasförmiger Luft sich aus der Expansionsdüse g in die Rektifikationskolonne e ergießt, nachdem ein Teil der Flüssigkeit schon vorher in dem Temperaturwechsler c gebildet worden war.

Die Dämpfe, die von der siedenden Flüssigkeit am Boden der Rektifikationskolonne e to emporsteigen, treten durch die Tropf schalen e¹, und wenn sie das obere Ende der unteren Kolonne e erreichen, sind sie so weitgehend rektifiziert, daß sie praktisch nur noch aus Stickstoff bestehen.

Der obere Teil der unteren Kolonne e mündet in einen rohrartig ausgebildeten Rückflußkondensator h, durch den er nach oben hin abgeschlossen wird. Eine Anzahl der Röhren dieses Kondensators lassen Flüssigkeit zu der Kolonne e zurückfließen, und andere, die am Umfange liegen, leiten Flüssigkeit in einen Behälter h¹. Die Rohre des Rückflußkondensators h werden umspült und gekühlt durch flüssigen Sauerstoff, der am Boden der oberen Rektifikationskolonne / siedet. Der Druck von 5 Atm., der in der unteren Kolonne e herrscht, ist genügend hoch, um Stickstoff gas in den Röhren des Kondensators h kondensieren zu lassen. Ungefahr die Hälfte des so entstandenen flüssigen Stickstoffes fließt zurück abwärts innerhalb der unteren Kolonne e und wäscht Sauerstoff aus den aufsteigenden Dämpfen aus, während der Rest sich in dem Behälter h¹ sammelt. Der flüssige Stickstoff, der sich in dem Behälter h¹ angesammelt hat, wird infolge des Druckes, der in der Kolonne e herrscht, durch ein Reduzierventil i¹ und ein Rohr i² in eine Düse i gedrückt, durch die er in den oberen Teil der unter niedrigerem Druck stehenden oberen Rektifikationskolonne/ austritt. Die Flüssigkeit, die sich am Boden der unteren Kolonne e sammelt und die zu etwa 40 0/0 aus Sauerstoff besteht, wird durch ein Reduzierventil j¹ und ein Rohr;'² zu einer Düse; und in die obere Kolonne/ gefördert, jedoch in einer mittleren Höhe dieser Kolonne.

Stickstoff und Sauerstoff expandieren angenähert auf Atmosphärendruck, sobald sie in die obere Kolonne / gelangen, in der die Rektifikation vollendet wird. Die flüssigen Bestandteile fallen auf Tropfschalen f¹, und die Flüssigkeit, die sich unten in der oberen Kolonne ansammelt, ist im wesentlichen reiner Sauerstoff. Wie bereits erwähnt, kühlt dieser flüssige Sauerstoff infolge seines Verdampfens den Rückflußkondensator h.

Der flüssige Sauerstoff gelangt durch einen

Überlauf und das Rohr k¹ vom unteren Teile der oberen Kolonne/ in einen Vorratsbehälter k, aus dem er in flüssigem Zustande durch ein Rohr k² und einen Absperrhahn k^s entnommen werden kann.

Ein Teil des Sauerstoffes strömt durch das Rohr k¹ in gasförmigem Zustande in den Vorratsbehälter k und von da durch ein Rohr k* zum zweiten Temperaturwechsler c, den es im Gegenstrom zu der verdichteten Luft durchströmt. Von dem Temperaturwechsler c gelangt das Sauerstoffgas durch ein Verbindungsrohr k^s zu dem ersten Temperaturwechsler b, den es in gleicher Weise im Gegenstrom zu der verdichteten Luft durchströmt, bis es schließlich durch einen Absperrhahn k⁶ entnommen wird oder entweicht.

Der expandierte Stickstoff strömt gasförmig aus dem oberen Teil der oberen Kolonne / durch ein Rohr I₁ das in Wärmeaustausch mit dem von flüssigem Stickstoff durchströmten Rohr i² steht, und gelangt zu dem zweiten Temperaturwechsler c, den es im Gegenstrom zu der verdichteten _<Luft durchströmt. Von dem Temperaturwechsler c gelangt der expandierte Stickstoff durch ein Verbindungsrohr I¹ zu dem ersten Wärmeaustauscher b, den er ebenfalls im Gegenstrom zu der verdichteten Luft durchströmt, bis er zu einer Austrittsöffnung I² für überschüssiges Stickstoffgas gelangt.

Die expandierten Sauerstoff- und Stickstoffgase, die im Gegenstrom zu der verdichteten Luft fließen, üben eine kühlende Wirkung auf die letztere aus, deren Vergrößerung aus den oben angegebenen Gründen wünschenswert ist. Zu diesem Zwecke wird expandierter Stickstoff, nachdem er den Temperaturwechsler b durchströmt hat, durch einen Ventilator oder rotierenden Kompressor m¹ angesaugt und durch ein Rohr m gefördert, das durch den Verdampfer η einer Diffusionskältemaschine geführt ist. Hier wird der Stickstoff auf die Temperatur des Stickstoffes abgekühlt, der in den Temperaturwechsler b durch das die Temperaturwechsler b und c verbindende Rohr I¹ eintritt. Nachdem das Rohr m den Verdampfer η durchlaufen hat, ist es an den Temperaturwechsler b an demselben Ende wie das Verbindungsrohr P- gemeinschaftlich mit ihm angeschlossen. Die Kühlleistung, die das Stickstoff gas im Temperaturwechsler b auf die im Gegenstrom strömende verdichtete Luft ausübt, kann durch die Abkühlung eines Teiles des Stickstoffgases im Verdampfer η so weit vergrößert werden, daß der Temperaturunterschied zwischen der verdichteten Luft und dem Stickstoffgas und Sauerstoffgas in dem Temperaturwechsler in einem verhältnismäßig großen Temperaturbereich ganz gering sein kann, eben gerade ausrei-

chend, um den Wärmeübergang zu gewährleisten.

Die Diffusionskältemaschine an sich bekannter Bauart, von der der Verdampfer η ein Teil ist, besteht aus einem Kessel O₁ der durch eine Rohrschlange o¹ geheizt wird, mit einem darüberliegenden Rektifikationsraum, der durch ein Kühl wasser rohr ο² gekühlt wird, einem Kondensator^ der durch ein ίο Kühl wasserrohr p¹ gekühlt wird, und einem Absorber q, der durch ein Kühlwasserrohr q¹ gekühlt wird. Durch den Absorber q und den Verdampfer η wird ein neutrales Gas mit Hilfe eines Ventilators q² und der Rohre q³ und n¹, welche die betreffenden Enden des Absorbers q und! des Verdampfers η verbinden, in Umlauf gesetzt. Das flüssige Kältemittel, das durch ein Rohr ρ² aus dem Kondensator p geleitet wird und durch ein mit Ausflußöffnungen versehenes Ringrohr«² in den Verdampfer η gelangt, verdampft im Verdampfer η in die neutrale Gasatmosphäre unter allmählich ansteigendem Partialdruck, Infolge'dessen wird im Verdampfer η ein Bereich fortschreitend steigender Temperaturen erzeugt. Der Stickstoff im Rohre m strömt im Gegenstrom zu dem neutralen Gas im Verdampfer η und ist dementsprechend dem Temperaturverlauf des Verdampfers unterworfen.

Das Gasrohr q⁵, welches das obere Ende des Absorbers q mit dem Eintrittsende des Verdampfers η verbindet, ist so durch den Verdampfer η hindurchgeführt, daß das neutrale Gas vom Absorber im Gegenstrom zu dem neutralen Gas im Verdampfer strömt und durch dieses und das verdampfende Kältemittel in fortschreitendem Maße abgekühlt wird, bevor es in das Einlaßende des Verdampfers ausströmt.

Die reiche Lösung wird aus dem Absorber q mit Hilfe einer Pumpe q^& durch ein Rohr q⁶, einen Temperaturwechsler q¹ und ein Rohr q⁸ in den Kessel 0 gefördert. Die arme Lösung wird aus dem Kessel 0 durch ein Rohr o³, den Temperaturwechsler q⁷ und ein Rohr ο⁴ in den Absorber q geleitet.

Die Diffusionskältemaschine kann auch eine gleichfalls bekannte Resorptipnsmaschine sein, bei der die verdampfende Flüssigkeit eine stark angereicherte Absorptionslösung ist.

Statt daß ein zurückgeführter Teil des Stickstoffgases durch die Kältemaschine gekühlt wird, kann ein Teil der verdichteten Luft, die vom Kompressor« geliefert wird, vor' dem Durchlauf durch den Temperaturwechsler b abgezweigt und statt dessen in unmittelbaren Gegenstromwärmeaustausch mit dem Verdampfer η gebracht werden. Solche unmittelbare Kühlung der verdichteten Luft durch den Verdampfer ist wirksamer als die mittelbare Kühlung durch den Stickstoff geringeren Druckes, und zwar infolge des höheren Wärmeübergangskoeffizienten. der verdichteten Luft, der eine Folge ihrer größeren Dichte ist. Statt dessen kann das verdampfende Kältemittel im Verdampfer η auch den Temperaturwechsler b unmittelbar kühlen, indem man den Temperaturwechsler b in unmittelbaren Gegenstromwärmeaustausch mit dem Verdampfer η bringt.

Statt daß man die Rohrschlangen o², p¹ und q¹ mit Wasser kühlt, kann man sie auch durch Sole kühlen, die durch eine andere Kältemaschine auf tiefe Temperatur gebracht wird, wodurch man eine wohlbekannte mehrstufige Kälteanlage erhält.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer Anlage zur Erzeugung flüssiger Luft, bei der die Luft in zwei Stufen expandiert und die expandierte Luft hinter der ersten Stufe zu einer richtig gewählten Zwischenstufe des Kompressors zurückgeleitet wird. Dies ist besonders wirtschaftlich, da der größere Teil der Luft in der ersten Expansionsstufe -unverflüssigt bleibt und daher der größere Teil der Luft nur von einem Zwischendruck wieder zu komprimieren ist.

Mit α ist ein zweistufiger Kompressor bezeichnet, der komprimierte Luft durch ein Rohr ί und ein Reduzierventil j¹ in einen Raum t fördert, wo sie auf einen Zwischendruck expandiert. Von dem Raum ί führt ein Rohr u die entspannte Luft zurück zu einer Zwischenstufe des Kompressors α. Das Rohr η ist in Wärmeaustausch mit dem Rohr j angeordnet, welches die verdichtete Luft zu dem Räume t leitet, und die entspannte Luft und die verdichtete Luft durchlaufen ihre betreffenden Rohre im Gegenstrom.

Ein Teil der entspannten Druckluft wird im Räume t verflüssigt, und dieser Teil wird in einem Rohre ν durch ein Reduzierventil v¹ in den Expansions raum w der zweiten Stufe geführt. Im Räume w verdampft ein Teil der Luft und wird durch ein Rohr χ im Gegenstrom mit der flüssigen Luft im Rohre V und der verdichteten Luft im Rohre j zu einem Ablaßrohr χ¹ geführt. Flüssige Luft kann von dem Räume w durch ein Rohr w¹ abgezapft werden, das durch einen Absperrhahn w² verschlossen ist.

Die oben beschriebene Gegenstromwärmeaustauschkühlung der verdichteten Luft ist bei dieser Art von Luftverflüssigungsanlagen üblieh und wird gemäß der Erfindung dadurch ergänzt, daß die Luft durch einen Ventilator y in ein Rohr ζ gedrückt wird, das im Wärmeaustausch mit dem Verdampfer η einer Diffusionskältemaschine verläuft. Das Rohr ζ ΐ2ο führt die so gekühlte Luft zu einem Punkte des Rohres x, wo die Temperatur der-Luft

im Rohre χ dieselbe ist wie diejenige, auf welche die Luft im Rohre ζ abgekühlt worden ist.

Der Druck, auf welchen die Luft durch den Kompressor α in der Anlage gemäß Fig. 2 verdichtet wird, beträgt z. B. 80 Atm. Die erste Expansionsstufe im Räume t beträgt 20 Atm., und die zweite Expansionsstufe im Räume w ist 5 Atm. abs.'

to Bei der Gattung von Luftverflüssigungsanlagen, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, hat man die Luft bisher gewöhnlich auf 200 Atm. verdichtet. Die zusätzliche Kühlung gemäß der Erfindung ermöglicht es, die Anlage wirksam mit einer Verdichtung der Luft auf nur 80 Atm. zu betreiben und in viel geringeren Mengen, um die gleiche Ausbeute flüssiger Luft zu erhalten. Das bedeutet eine offensichtliche Ersparnis an Antriebsleistung.

Obwohl die Erfindung in ihrer Anwendung auf Luftverflüssigungs- und Rektifikationsanlagen beschrieben worden ist, ist sie doch auch anwendbar auf die Verflüssigung und Trennung anderer Gasgemische, wie z. B. auf die Trenriung des Wasserstoffes von Kohlenoxyd, Kohlenwasserstoffgasgemischen, Wassergas und gleichartigen Gemischen von Gasen mit niedrigen Verflüssjgungstemperatüren.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Herstellung von flüssiger Luft oder flüssigem Sauerstoff durch Kompression und Expansion von Luft und Kühlung der komprimierten Luft durch Gegenstromwärmeaustausch mit dem expandierten Gas unter Zuhilfenahme einer zusätzlichen Kühlung bei stetig absinkender Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte für die zusätzliche Kühlung durch Verdampfung eines Kältemittels unter zunehmendem Partialdruck, also in einer Diffusionskältemaschine erzeugt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kühlung durch eine Diffusionskältemaschine unmittelbar auf den Temperaturwechsler des Gasverflüssigungsapparates übertragen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entspannte Gas zuerst in einem Gegenstromtemperaturwechsler seine Kälte an die komprimierte Luft abgibt, dann durch die Diffusionskältemaschine von neuem gekühlt wird und schließlich zu demjenigen Punkt des Gegenstromtemperaturwechslers zurückgeführt wird, der mit dem gekühlten Gas auf gleicher Temperatur steht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft in Teilströme zerlegt wird, deren einer Teil durch Gegenstromwärmeaustausch mit den expandierten Gasen gekühlt wird, ein anderer Teil dagegen durch Gegenstromwärmeaustausch mit dem Kältemittel, das in einem Bereich fortschreitender Temperaturen in der Diffusionskältemaschine verdampft wird.
5. 5. Anwendung des Verfahrens gemäß den vorstehenden Ansprüchen 1 bis 3 auf die Verflüssigung oder Trennung anderer Gase als Luft und Sauerstoff, die ebenfalls niedrige Verflüssigungstemperaturen haben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen