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Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff und Sauerstoff aus Luft Im
Hauptpatent 676 861 ist ein Verfahren beschrieben zur gleichzeitigen Gewinnung von
reinem Sauerstoff und reinem Stickstoff durch Verflüssigung und Rektifikation von
Luft in unter niedrigem Druck arbeitenden Lufttrennungsapparaten, in denen der Wärmeaustausch
in Kältespeichern im Unischaltwechselbetrieb erfolgt. Bei diesem Verfahren wird
aus dem mittleren Teil der oberen der beiden zur Rektifikation verwendeten Säulen
eine geringe Menge eines Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches entnommen, die zur Kühl
g von hochverdichteter Luft, welche beim Entspannen die zur Deckung der Kälteverluste
notwendige Kälte liefert, verwendet werden kann.
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Diese Arbeitsweise ist insofern nicht ganz befriedigend, als dabei
das der oberen der beiden Rektifikationssäulen entnommene Gasgemisch nach Abgabe
seiner Kälte ungenützt entweicht und zum Ausgleich hierfür eine erhöhte Menge Luft
hochverdichtet und nach Entspannen in die Rektifikationssäule eingeführt werden
muß. Es wird daher im Hauptpatent noch vorgeschlagen, das entnommene Gasgemisch
nach dem Kälteaustausch der zu zerlegenden Luft zuzusetzen oder es aiif hohen Druck
zu verdichten und an Stelle der zur Kälteerzeugung dienenden Hochdruckluft zu verwenden.
Aber auch diese Lösungen sind nicht voll befriedigend. Im ersten halle wird zwar
eine gewisse Verminderung des Hochdruckluftbedarfs erreicht, es hat sich jedoch
gezeigt, daß dabei immer noch mehr Hochdruckluft benötigt wird als bei dem bekannten
Luftzerlegungsverfahren zur Gewinnung
von reinem Sauerstoff allein
unter Verwendung von Kältespeichern. Insbesondere bei Anlagen, in denen Luftzerlegungsapparate
zur gleichzeitigen Gewinnung von reinem Sauerstoff und reinem Stickstoff nach dem
Hauptpatent und daneben Apparate zur Gewinnung von reinem Sauerstoff allein nach
dem bekannten Verfahren verwendet werden, wobei alle Apparate von einem gemeinsamen
NN iederdruckluftnetz aus gespeist werden, wird durch Zusatz des aus der oberen
Rektifikationssäule entnommenen Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches in die zu zerlegend.-
1Tiederdruckluft, da diese auf alle Apparate gleichmäßig verteilt wird, an den Apparaten
zur gleichzeitigen Gewinnung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff die benötigte
Hochdruckluftmenge praktisch nicht vermindert.
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Auch im zweiten Falle, d.li. bei Verdichtung des abgezogenen Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches
auf Hohen Druck und Verwendung, an Stelle der sonst zugeführten Hochdruckluft, verringern
sich die Kompressionskostenr nicht, da die Gesamtmenge der auf hohen Druck zu verdichtenden
Gase (Luft und abgezogenes Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch) nicht verringert werden
darf, wenn eine dauernde Entfernung der in den Kältespeichern abgesetzten Verunreinigungen
gewährleistet sein soll.
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Es wurde nun gefunden, daß man die Nachteile dieser Ausfülirun;sformen
des Verfahrens nach dem Hauptpatent vermeiden kann, wenn man (las aus (ler oberen
der beiden zur Rektifikation verwendeten Säulen entnommene Stickstoff-Sauerstoff-Geinisch,
zweckmäßig unter Ausnützung der beim Entspannen der hochverdichteten Luft frei werdenden
Energie, unmittelbar in die untere Säule einführt. Dies kann in der Weise geschehen,
daß man das Gemisch von der der unteren Säule zugeführten hochverdichteten Luft
hinter dein Entspannungsventil durch eine Strahldüse ansaugen läßt, wodurch es auf
den Druck der unteren Säule verdichtet wird.
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Diese Maßnahme ermöglicht es, die erforderliche Hochdruckluftmenge
auf die bei dein bekannten Verfahren zur Gewinnung von reinem Sauerstoff allein
benötigte 'Menge herabzusetzen und doch gleichzeitig reinen Sauerstoff und reinen
Stickstoff aus der Luft in nahezu ioo°!oiger Ausbeute zu gewinnen.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß man
das Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, z. B. mittels eines rotierenden Kompressors,
auf den erforderlichen Druck der unteren Rektifikationssäule bringt. Der Kompressor
kann dabei durch die Energie angetrieben werden, die beim Entspannen der in die
untere Säule einzuführenden Hochdruckluft oder eines Teils davon in einer Entspannungsmaschine,
zweckmäßig einer KolbenentspannungsinascIiine, frei wird.
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Durch diese Art der Rückführung eines Stickstoff-Sauerstoff-Geniischesaus
der oberen Säule in die untere wird nicht nur die nach dem Verfahren des Ilauptpatents
notwendige Erhöhung der Hoclidruckluftinenge vermieden, sondern es wird auch bei
der Entspannung der Hochdruckluft unter äußerer Arbeitsleistung eine wesentlich
größere Kälte-, menge gewonnen als durch den Thompson-Joule-Effekt allein, wie bei
dem Verfahren nach dem Hauptpatent, so da13 die zur Dekkung der Kälteverluste, soweit
diese nicht in bekannter und billiger Weise durch Entspannung von \Tiederdruckstickstoff
in einer Expansionsturbine gedeckt «erden, erforderliche Hoclidruckluftmenge noch
weiter verringert werden kann. Das Verfahren ermöglicht somit die gleichzeitige
Gewinnung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff aus Luft in nahezu ioo°,`oiger
Ausbeute mit äußerst geringem Energieaufwand.
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Ein Kälteaustausch zwischen dem entnoininenen Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch
und der Hochdruckluft, vor deren Entspannung, findet bei diesem Verfahren nicht
statt. I1ian kann aber auch einen Teil des Gemisches zuerst in Kälteaustausch mit
der Hochdruckluft bringen und dann zusammen finit dem anderen Teil des Gemisches
in der angegebenen Weise in den unteren Teil des Rcktifikationsturmes einbringen.
Statt des Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches kann auch eine kleine Menge reiner Stickstoff
vor den Regeneratoren entnommen und zum Abkühlen der hochverdichteten Luft verwendet
werden.
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Die Abb. i und -2 zeigen beispielsweise Ausfülirungsforineit des @-erfahrens.
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:1, I3, C und D sind Kältespeicher, die in bekannter
Weise wecliselscitig betrieben werden. Eist eilt "lweis@iulenluftzcrlegungsaliparat.
F ein Cegenstronitv:irineatistausclier, l ein ie(ler(lrtickluftttirl)okonipressor,
R ein Entspannungsventil, K eine Strahldüse, I_ eine Hochdruckespansionsniaschine
und JI ein Gaskompressor.
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\acli Abh. i wird die durch den Kompressor l
auf etwa 4.5 atii
verdichtete Luft in (Ien hültespeichern
A, I3, (.' tui(1
D bis nahezu
auf Ve rHÜ,sigungstenilicratur al@gckühlt und durch die Leitung a.' in (lieuntere
S:itile des Zerlegungsapparates E zur Rcktiiikation eingefülirt. Aul.4erdetu wird
eine bestimmte ''enge auf etwa Zoo atii verdichtete. von @\@a:,er und Kohlendioxyd
befreite Luft durch die Leitung h, durch (las Entspannungsventil I2 und die Strahl(lüse
K in die untere Rektitikationssäule entspannt. Die kalten Zerlegungsprodukte Sauerstoff
und Stickstoff striiiiieii durch die Leitungen c (Stiel:st(lft) tuict il (Sauer-
| Stoff) in die I`iiltcspeiclier A, ß. C und
7), aus |
| (leiten sie nach Abgabe ihrer Xiilte durch c' |
| und d' abgeführt werden. Etwa aus (leg llittc |
| der olleren Rektiükationssäule wird durch f |
| eine geringe lIenge eines Stickstoff-Sauer- |
| stoff-Geinisches entnommen und durch die |
| Straltldiise K in die untere Rektifkationssiiule |
| eingeleitet. Die Hochdruckluft wird vor ihrer |
| Ellt#pallllung I11 elneln Kältenustauscher F |
| durch eitle kleine 'Menge Stichstoff, der aus |
| der Leitung c abgezweigt und durch Leitung J |
| nach F geführt wird, tiefgekühlt. |
| 1)ie _lusführungsfornl nach _11111; 2 unter- |
| .zcheiclet sich voll der -Arbeitsweise nach :111b. i |
| dadurch, dal3 die Entspannung der Hoch- |
| li-tickluft in einer Expansionsmaschine er- |
| folgt, (lie einen Gaskompressor treibt, der (las |
| atis der olleren Säule durch f abgezogene |
| Stickstoff-Satterstoft-Getnisch auf den Druck |
| eler unteren Säule bringt 1111d es in diese ein- |
| fiihrt. Die Hochdruckluft wird dabei vor |
| ihrer I@Ilt@panlltlllg durch einen Teil des kal- |
| ten Sticlcstoff-Satierstoff-Gciliisclies. (las aus |
| T.citunh f ahgeztvei## t#t und durch Leitung g |
| stach I# geführt wird, vorgekühlt. |