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Verfahren zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen Es ist bekannt,
wertvolle Bestandteile aus Gasen, die in diesen in verhältnismäßig geringer Menge
enthalten sind, z. B. Krypton und Xenon aus der Luft, durch Tiefkühlung und rektifizierende
Waschung des Gases zu gewinnen. Die für den Beharrungszustand einer solchen Waschanlage
erforderliche Dekkung der Kälteverluste erfolgt dabei im wesentlichen durch eine
oder mehrere Entspannungsturbinen, die in den aus der Waschsäule ein- oder austretenden
Hauptgasstrom geschaltet sind und- in denen das Gas unter Überwindung eines Druckgefälles
von weniger als 5 at arbeitleistend entspannt wird. Unter Hauptgasstrom ist dabei
der überwiegende Teil des in die Waschanlage ein- oder austretenden Gases zu verstehen.
Daneben können geringe Mengen Gas der Waschanlage gasförmig oder flüssig zugeführt
oder ihr entnommen werden, die nicht an der arbeitleistenden Entspannung teilnehmen,
z. B. das die wertvollen Bestandteile enthaltende Waschprodukt, ohne daß dadurch
die Kälteleistung der Entspannungsturbinen praktisch beeinträchtigt wird.
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Neben der arbeitleistenden Entspannung sind bisher stets noch andere
Kältequellen benutzt worden, insbesondere um die Spitzenkälte, die bei der Erzeugung
der Waschflüssigkeit wegen der unvermeidlichen Kälteverluste im Beharrungszustand
ständig ergänzt werden muß, zu decken, d. h. also, um jene Kälte zu erzeugen, die
bei der tiefsten im System auftretenden Temperatur gebraucht wird. Als Kältequelle
hierfür wurde hauptsächlich die Drosselentspannung einer geringen, auf hohen Druck,
z. B. Zoo at, verdichteten Gasmenge benutzt. Es ist für die Luftzerlegung
auch
vorgeschlagen worden, bei Totalverdichtung der Luft auf einen mittleren Druck, einen
Teil derselben in einer Entspannungsmaschine und eitlen Teil in eitlem Drosselventil
zu entspannen, wohei wiederum durch die Drosselentspannung die Spitzenkälte gedeckt
wird. Es ist ferner bekannt. bei Gaszerlegungsanlagen zur Erzeugung der tiefsten
in dem System auftretenden Temperatur die gebildete Flüssigkeit unter Unterdruck
zti verdampfen. Dieses Verfahren ist jedoch bei der Waschung grol,ler Gasmengen
wegen der hohen Vakuumarbeit im allgemeinen ungeeignet. Es ist auch ein Verfahren
zur zweistufigen Luftzerlegung bekanntgeworden, bei dein die gesamte erforderliche
Kälte nur durch arbeitleistende Entspannung eines Teiles der auf einen mittleren
Druck verdichteten Luft oder eines Teiles des unter dem gleichen Druck stehenden
Stickstoffes der Drucksäule erzeugt wird. Da hierbei die Hauptmenge der Luft nicht
arbeitleistend entspannt «-erden kann, ist dieses Verfahren nicht besonders wirtschaftlich,
abgesehen davon, da?) es sich nicht auf das der Erfindung zugrunde liegende Waschverfahren
anwenden läßt.
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Obwohl bei den Entspannungsmaschinen verhältnismäßig gute thermodynamische
kungsgrade his zu o,7 und dariiber erreicht werden, wurden trotzdem bei allen großen
Anlagen zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen durch rektifizierende Waschung,
insbesondere c. B. bei Anlagen zur Gewinnung des Krypton aus der Luft. mehrere der
erwähnten Kälteerzeugungsrerfahren nebeneinander verwendet, also außer der arbeitleistenden
Entspannung der Hauptnienge des auf verhältnismäßig geringen Druck verdichteten
Gase: auch die Drosselentspannung eines auf hohen Druck verdichteten Teiles des
in die Anlage eintretenden Gases. Hierbei war die Überlegung maßgebend, daß dies
für die Kälteerzeugung günstiger ist, als die gesamte Gasmenge auf einen etwas höheren
Druck zu verdichten.
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Die Erfindung bricht mit diesem Vorurteil. Sie geht von der Erkenntnis
aus, daß es in bestimmten Fällen aus verschiedenen Gründen günstiger und vor allem
billiger sein kann, die gesamte Gasmenge nur auf den Druck zu verdichten, der ohnehin
für die Verarbeitung des Gases oder der Luft erforderlich ist, und claß es für die
Deckung des gesamten Kältebedarfes völlig genügt, das geringe, weniger als 5 at
betragende Druckgefälle, soweit es nicht durch den Strömungswiderstand in der Anlage
verbraucht wird, in einer oder mehreren parallel arbeitenden Entspannungsturbinen
auszunutzen, wobei geinäß der Erfindung die arbeitleistende Entspannötig rles Gases
unter Ausschluß anderer 1`älte(luellen bis auf die tiefste im System auftretende
Temperatur erfolgt, so @ daß durch die Entspannungsturbine tatsächlich der gentte
Kältebedari im Beharrungszustand einscliliel:,licli der Spitzenkälte im S:ittigungs-'biet
gedeckt wird.
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Bei der Durchführung der Erfindung kommen alle für die sonst übliche
Hochdruckverdichtung benötigten Apparate und Maschinen (Kompressoren. I_atigetyäsclte,
Trocknung;-zailage, Kompressionskälteanlagen tisw.) in Fortfall, wodurch so@i-ohl
die Lau- als auch die l,etriel)sl;osteii gesenkt werden. Dabei ,rird der Energieauft@-and
für die hä lteerzeurung praktisch nicht oder kaum geändert.
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Bevor die für die Anwendung des erfindungsgeinäßen Verfahrens in Frage
kommenden, meist verhältnismäßig großen Anlagen ini Beharrungszustand betriebstitäßig
arbeiten, müssen sie bis auf die Betriebstemperatur abgekühlt werden. Es ist zweckmäßig,
auch bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung hierfür eine zusätzliche Kälteanlage,
z. E. Hochdruck mit arbeitleistender und Drosselentspannung, zu benutzen, die Jedoch
nach Abkühlen der Anlage für den Beharrung:- und Betriebszustand wieder abgeschaltet
wird. Besonders zweckmäßig ist die Anordnung einer solchen Kühlanlage, wenn mehrere
Anlagen gemäß der Erfindung parallel betrieben werden. Es gerügt dann eine einzige
Kühlanlage, die nach Bedarf zum Aniahren auf eine der Anlagen gentäl.l <leg Erfindung
geschaltet werden kann, um sie bis zur oder bis nahe an die Betriebstemperatur abzukühlen.
1e mehr Anlagen gleichzeitig nebeneinander betrieben werden, um so größer sind dann
die Vorteile des erfindungsgeniäf,en Verfahrens, da die einzige vorhandene hiililanlage
für die Inbeti-iet)setztint; praktisch beliebig vieler Anlagen gemäß der Erfindung
genügt.
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Bei den bisher angewendeten Verfahren erfolgt die Kälteregulierung
während des Beharrungszustandes durch Druck- oder Mengenänderung des Hochdruckgases.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt dagegen bei wechselndemKältebedarf dieKälteregulierung
ng zweckmäßig durch Änderung der Belastung der Entspannungsturbine. Wenn die Entspannungsturbine
mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt ist, kann die Änderung der Belastung
z. P. auf der elektrischen Seite erfolgen. Sie kann aber auch mechanisch
be-
wirkt werden, z. L. durch Betätigung eines Parallelventils zur Entspannungsturbine.
Ist der Kältebedarf geringer als die größte Kälteleistung der Turbine, so wird die
richtige Kälteleistung entweder durch Verringerung der elektrischen Belastung oder
durch geringes
Öffnen des Parallelventils einreguliert. In beiden
Fällen wird die nach außen abgegebene Arbeit und damit die Kälteleistung der Turbine
herabgesetzt. In Verbindung hiermit besteht auch die Möglichkeit zur selbsttätigen
Regulierung des wechselnden Kältebedarfes der Anlage durch Änderung der Belastung
der Entspannungsturbine in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Sammelgefäß der
Waschsäule mittels Fernsteuerung; denn Kälteschwankungen, insbesondere im Gebiet
der Spitzenkälte, äußern sich durch schwankende Verdampfung dieser Flüssigkeit.
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Wird eine erfindungsgemäße Anlage in Verbindung mit periodisch umschaltbaren
Kältespeichern betrieben, in welchen das eintretende Gas abgekühlt und das austretende
Gas angewärmt wird, so ist es für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern
ausgeschiedenen Verunreinigungen des Gases bei verhältnismäßig geringen Druckunterschieden
erforderlich, daß aus den Kältespeichern mehr Gas heraus- als hereingeführt wird.
Hierzu diente bei den bisherigen Anlagen die Hochdruckluft. Ferner ist es unter
Umständen zweckmäßig, zur Erzielung einer Waschflüssigkeit, welche von den zu gewinnenden
Bestandteilen frei ist, einen Teil des zu verarbeitenden Gases einer Vorrektifikation
zu unterziehen. Auch dieser Gasanteil kann über periodisch umschaltbare Kältespeicher
der Anlage zugeführt werden. In allen solchen Fällen ist es zweckmäßig, daß das
für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern ausgeschiedenen Bestandteile
erforderliche zusätzliche Gas der Anlage gemäß der Erfindung unter dem gleichen
oder nahezu gleichen Druck zugeführt wird wie die Hauptmenge des zu verarbeitenden
Gases, oder, falls mehrere Paare von Kältespeichern vorhanden sind, höchstens unter
dem gleichen oder nahezu gleichen Druck, welcher dem höchsten in den Kältespeichern
angewendeten Druck entspricht. Auch diese Gasmenge muß natürlich vor der Zuführung
in die Anlage gereinigt und gekühlt werden. Da es sich aber bei dieser Gasmenge
nur um einen verhältnismäßig geringen Prozentsatz der Gesamtmenge handelt, genügt
es, wenn sie über Gegenströmer zugeführt wird, welche zum "Zwecke der gelegentlichen
Reinigung durch Anwärmung austauschbar sind. Diesen Gegenströmern wird dann eine
etwas größere Menge zugeführt als den Kältespeichern zugesetzt werden muß, so daß
der Rest dieses Gasanteils in entspanntem Zustand durch die Gegenströmer wieder
zur Aufrechterhaltung ihres Kältegleichgewichts herausgeführt werden kann. Diese
Gasmengen werden natürlich auch über die 'Waschanlage und die Entspannungsturbine
geführt. Ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung
wird nachstehend unter Fortlassung alles Nebensächlichen an Hand der Abbildung beschrieben,
welche eine Kryptonge«#innungsanlage darstellt.
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Die Hauptmenge der Luft tritt mit etwa o,8 atü in die Gegenstromanlage
G1, z. B. Kältespeicher, ein und ein weiterer Teil, etwa 5:°10, mit etwa 3 atü in
die Gegenstromanlage G., z. B. Kältespeicher. Die abgekühlte Luft wird von G1 in
die Flüssigkeit der Waschsäule W geleitet, die entsprechende Luft aus G. in die
Flüssigkeit der Vorsäule I#', wo sie einer Vorrektifikation unterzogen wird. Die
kryptonfreie Luft wird am Kopf der Säule l' entnommen, in dem Gegenströmer G, verflüssigt
und dann als Waschflüssigkeit auf die Säulen I' und W verteilt, wobei nötigenfalls
das Druck-und Niveaugefälle durch die Flüssigkeitspumpe P überwunden wird. Die verarbeitete
Luft tritt am Kopfe der Säule W wieder aus, wird in der Turbine T bis nahezu auf
Atmosphärendruck entspannt, wobei sie sich bis auf die tiefste im System auftretende
Temperatur abkühlt, die eben hierdurch erzeugt wird, und verläßt die Anlage nach
Durchströmen des Verflüssigers G3 durch die Gegenstromanlagen G1 und G, in denen
sie ihre Kälte auf die eintretende Luft überträgt. Die Kälteregulierung der Turbine
T erfolgt durch das zur Turbine parallel angeordnete Regulierventil E, welches z.
B. in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau der M'aschsäule f' gesteuert «erden kann.
Die gewonnene, mit Krypton angereicherte Luft wird am Boden der Waschsäule entnommen,
im Gegenströmer G3 verdampft und v erläßt die Anlage durch den Gegenströmer G2;
sie kann vor der Verdampfung auch in bekannter Weise einer Nachrektifikation zwecks
höherer Anreicherung der Krvptonfraktion unterzogen werden.