DE830805C - Verfahren zur Gas-, insbesondere zur Luftzerlegung - Google Patents

Verfahren zur Gas-, insbesondere zur Luftzerlegung

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DE830805C
DE830805C DEG390A DEG0000390A DE830805C DE 830805 C DE830805 C DE 830805C DE G390 A DEG390 A DE G390A DE G0000390 A DEG0000390 A DE G0000390A DE 830805 C DE830805 C DE 830805C
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Dr-Ing Johannes Wucherer
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Linde GmbH
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Description

  • Verfahren zur Gas-, insbesondere zur Luftzerlegung 1?s ist bekannt, lrei der Gaszerlegung durch Verdichtung. Tiefkühlung und Rektifikation das betrettende Gasgemisch. z. B. Luft, auf einheitlichen Druck zu verdichten und nach im Wärmeaustausch erfolgter Vorkühlung zur Kälteerzeugung in dem tiefsten im System auftretenden Temperaturgebiet ausschließlich oder nahezu ausschließlich arbeitleistend zu entspannen (s. Patentschrift 734;573). Hierbei werden andere Kältequellen, insbesondere ein Hochdruckkreislauf mit Drosselentspannung, vermieden. Es genügt, (las Ausgangsgas auf einen verhältnismäßig geringen Druck. z. B. unter 5, ja selbst unter a atü zu verdichten, wobei sich trotz des geringen Verdichtungsgrades eine große Kälteleistung durch die arbeitleistende Entspannung erzielen läßt. 1)ie verwendeten geringen Drucke lassen die Anwendung der mit besonders günstigen thermodynamischem und mechanischem Wirkungsgrad arbeitenden Kaltluftturbinen zu, die überdies außerordentlich betriebssicher sind und praktisch keine Bedienung erfordern. Das geschilderte Verfahren eignet sich besonders dort, wo ein höher Kältebedarf erforderlich ist. wie z. B. bei der Edelgasgewiiuiung, entsprechend der genannten Patentschrift. l)ie Kälteerzeugung ist hei diesem Verfahren energetisch zwar kaum nennenswert günstiger als bei Anwendung eines Hochdruckkreislaufes finit arbeitleistender Entspannung in Kolbenmaschinen. dagegen ist es technisch wegen des Fortfalles von Hochdruckkolbenkompressoren, Kolbenentspannungsmaschinen und allem Zubehör erheblich einfacher und daher letzten Endes billiger. Es ist ferner bekannt und bereits von Claude beschrieben worden, eine zweistufige arbeitleistende Entspannung zum Zwecke der Ltiftverflüssigupg vorzunehmen, wobei die gesamte aus der ersten Entspannungsstufe austretende Luft auch über die zweite Entspannungsstufe geführt wird. Abgesehen davon. daß 1>e0 solchen Anlagen Kolbenmaschinen für die arbeitleistende Entspannung verwendet werden, liegt die arbeitleistelde Entspannung der gesamten Gasmenge in der zweiten Stufe nicht im Sinne der Erfindung, da sie nicht die für die Gaszerlegung erforderlichen großen Mengen Flüssigkeit von etwa Sättigungstemperatur des Gases 111 einfacher Forin zu gewinnen ermöglicht.
  • Die Erfindung besteht in der Verbesserung; und .\1lwetldung der bekannten Verfahren auf solche Hille, in denen Gasgemische in an sich bekannter \Veise durch Rektifikation zerlegt werden, in denen jvclocli ein tiefsiedendes Zerlegungsprodukt entwecler flüssig oder unter besonders hohem Druck. z. I3. 2oo at oder mehr, gewonnen werden soll. In Beiden Fällen ist der Kältebedarf besonders groß: bei der Gewinnung eines flüssigen tiefsiedenden Gases, weil die Verflüssigungskälte ständig neu erzeugt werden muh; bei der Gewinnung eines sehr hochgespannten Gases. weil die Förderung des Gases auf den (lohen Druck ebenfalls mit holten Kälteverlosten verbunden ist, wobei vorausgesetzt ist, daß es sich nicht um eine nachträgliche Verdichtung des Gase: außerhalb der Zerlegungsablage handeln :oll. Die Förderung des erzeugten Gases auf hohen Druck innerhalb der Zerlegungsanlage. und- zwar, bevor es \vieder verdampft ist, also im Hüssigen Zustand. ist trotz der erwähnten holten l@älteverltiste ininier noch wesentlich günstiger als die nacliträ gliche Verdichtung des gasförmigen. warmen Gases, und zwar sowohl wegen der geringen zit 1>ewältigendeit Volumina wie wegen des I.lortf2illes der Kompressoren.
  • Entsprechend vorstehendem bezieht sich die ErtiiicLuiig auf ein Verfahren zur Gas- bzw. LuftzerIegung (Lurch Verdichtung .des Gases auf einen einheitlichenDruck.Tiefkühlung und Rektifikation, bei Erzeugung der Kälte durch iin wesentlichen arheitleistende inehrstutige Entspannung in den tiefsteil itn Svstetn auftretenden Temperaturgebieten und zur Gewinnung eines tiefsiedenden, flüssigen ockr hochgespanntenZerlegungsproduktes. l >ie 1?rfindung besteht im besonderen darin, daß die wesentliche Kälteerzeugung in mindestens 'zwei Inntereinandergeschalteten Entspannungsturbinen öder in eitler mehrstufigen Turbine, gegebenenfalls mit Zwischenerwärmung erfolgt und ein Teil des in der vorgeschalteten Stufe auf Zwischendruck entspannten Gases entnommen und nur der Rest in der nächsten Stufe weiter entspannt wird.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß (furch die in warmen Temperaturgebieten an sich bekannte mehrstufige Entspannung von Dämpfen in Turbinen, die dort unter weitgehender .=\usltitzung (leg vorhandenen Druckdifferenzen zum Zwecke der .\rl>eitsg:winnting erfolgt, bei der Gaszerlegung Besonders geeignet ist, einen erhöhten Kälti°1>edarf
    günstig zu decken. \atiirliclt muß bei einer zwei-
    stufigen Entspannung das Ausgangsgas höher ver-
    dichtet werden, als für die einstufige Entspannung
    eingangs angegeben N\ordeii ist. Wenn man für
    beide Entspanltllgsstufen annähernd gleiche
    Druckverhältnisse zwisclieti ein- und anstretendeni
    Gas zugrunde legt, s() l;oninit inan trotzdem nicht
    zu höheren Verdichtungsdrucken für (las Aus-
    gangsgas als hücllstens 20 bis 30 at; in den weitaus
    meisten Fällen wird jedoch gerade bei dein Ver-
    fahren nach der Erfindung der Kältebedarf auch
    hei geringeren I?iiddrücken durch die zweistufige
    Entspannung gedeckt wei-(1_en l;i>1nen. Die Verdich-
    tung des gesamten .\usgangsgases für die Gaszer-
    le-ung auf diese verh:iltnism:il.iig geringen Drucke.
    ilie in rotierenden honllii-essoren statt in Kolben-
    kompressoren erfolgen kann, ist technisch wieder-
    um wesentlich einfacher und bequemer als die Ver-
    dichtung; eitr°r Teilmenge des Ausgangsgases auf
    geringeren Druck und des bestes iit Hochdruck-
    konipressoreil auf hohen Druck. Es ist ersichtlich.
    <1a1.1 der \lasciiiiieiil)eclarf hei dein \ ei-faliren nach
    der Erfindung besonders gering ist. Die großen
    durch die Turl»ilen (lurchgesetztf#n Gasmengen er-
    i '#-lichen trotz (Ic" geringeii Tciiil).eratur##efällcs
    die n' Erzeugung großer K:ilteleisttingeti in dem
    tiefen Tenilrerattirgeliiet. (las (licht llci der Sättigung
    clts nietrettenden (ja- es lie't.
    Gemäß der Erfindung wird aber nicht die ge-
    samte in der erstell Stufe entspannte Gasmenge
    auch iilwr die zweite Stufe geführt. Es wird viel-
    lnelir ein wesentlicher "heil des auf Zwischendruck
    111d allllällerl1d Sättigttligsteniperatur entspannten
    Gases, und zwar bis zu @oc!@o, abgezweigt und nach
    Verflüssigllg in stetigem \V:ii-ineatistausch mit
    bereits vorhandenem thissiI1et1 Sauerstoff, der
    hierbei verdampft wird, als \\'ascliflüssigkeit auf
    die l@ektihziersäule aufgegeben. Der restliche An-
    teil des auf Zwischendrudk entspannten Gases wird
    zweckntäßigerweise so weit angew:irint, daß in der
    zweiten Etnspamitingsstufe kein( wesentliche Ver-
    fliissigumg erfolgt. und sodann der zweiten Ent-
    spatinttilgssttife ztigrfiiiii-t. wo sie auf den Betriebs-
    druck der Rektiliziersäule ctitspamit wird, der sie
    mit Sä ttigutigsteinperatur gastiirmig zugeführt
    wird. Die ilieseni l,;tsanteil vor der Entspannung
    entzogene Kälte kann z. 13. zur Vorkühlung des 111
    die erste I?ltspannungsstufe eintretenden Rollgases
    herangezogen werden.
    13e0 cler nach (]uni trtindungsgen tä ßen \-erfahren
    zur Verfügung stehcnd:n grol.ieti h:ilteleistung läßt
    sich niinetestetis ein Zerlegungsliro(lukt flüssig ge-
    winnen und kann, falls dies gewünscht wird, in
    flüssiger Form entnommen werden. Soll dagegen
    (las Zerlegungsprodtiktgasförmig unter besonders
    hohem Druck entnommen werden, so wird es nach
    einer weiteren Maßnainne der Ei-tindung im (kalten,
    flüssigen Zustand durch c°ilie Fliissigkeitspumpe atit
    (fett gewün#chten 11011e11 D1-ttCk, z. 13. Zoo at oder
    mehr. (gefördert 1n(1 anschlieIJend ini Wärmeaus-
    tausch ,mit in die Anlage eintretendem Rohgas ver-
    dampft und auf etwa lZatimteinperatur angewärmt.
    \aclistelieiid \cird rill I3cispi-el einer ."nlage, in
    der (las erfindungsgemäß-e Verfahren angewendet wird, an Hand der Zeichnung beschrieben.
  • _1us der Leitung i tritt auf i 5 atü verdichtete Luft von Raumtemperatur in die Gegenstromatilage .-I -(z. 13. periodisch gewechselte Kältespeicher) ein, in der sie bis auf etwa 118° abs. abgekühlt wird. Durch die Leitung 2 gelangt diese kalte Luft zum Gegenströmer B, in der sie eine weitere Abkühlung auf etwa 1i5° abs. erfährt. Mit (lie.ser "Temperatur tritt sie über Leitung 3 in die erste Entspannungsstufe (z. B. Turbine GI) ein, in der sie arbeitleistend auf etwa 4atü entspannt wird, wobei eine Kälteleistung von etwa 3 kcal je kg durch die Turbine durchgesetzter Luft bei einer Abkühlung derselben his auf 96° abs. erzielt und die Sättigungsgrenze erreicht wird. Sollte die Sättigungsgrenze unter Umständen überschritten werden. so kann die hierbei auftretende geringfügige Verflüssigung als unschädlich betrachtet w erden. I-'-in "feil dieser Luft (bis zu 50%) wird in dein bereits erwähnten Gegenströmer B über Leitung 4 itn Wärmeaustausch mit der noch nicht entspannten Luft auf etwa 113° abs. angewärmt, um sodann über Leitung 5 zur zweiten EntspannungsstufY (z. 13. Turbine C.,) zu gelangen, in der sie arbeitleistend auf etwa o,6 atü, das ist der Betriebsdruck der Rektifiziersäule, entspannt wird, wobei eine weitere Kälteleistung von etwa 4,5 kcal je kg der durchgesetzten Luft bei einer Abkühlung derselben bis auf etwa 84° abs. erzielt wird. Auch hierbei wird wiederum die Sättigungsgrenze erreicht oder überschritten. Die aus der zweiten Entspannungsstufe mit Sättigungstemperatur austretende Luft wird über Leitung 6 etwa in die \l itte der Rektifiziersäule D eingeblasen.
  • Der Rest der aus der ersten Entspannungsstufe austreten(len Luft wird über Leitung 7 dem Vertlüssiger 8 zugeführt, um sodann über Leitung 9 und Gegenströmer E bei io als Berieselungsflüssigkeit auf die Rektifiziersäule D aufgegeben zu werden. Der flüssige Sauerstoff wird bei 12 entnommen. 1?r kann entweder über Ventil 13 flüssig abgelassen wer(len, oder er wird über Ventil 14 der Flüssigkeitspumpe F zugeführt und auf den gewünschten li011eti Druck. z. B. 200 bis 40o at, gefördert. Über Leitung 15 wird dieser flüssige Sauerstoff der Ganenstronianlage A zugeführt, wo er verdampft und bis auf Raumtemperatur angewärmt wird. Bei 16 steht er sodann gasförmig unter dem höhen Druck zur Verfügung. Der Stickstoff wird der Rektifiziersäule D bei 17 entnommen und über Leitung 18 und Gegenstromanlage A geführt und bei t9 fortgeleitet.
  • Die beiden Entspannungsmaschinen Cl und C2 geben die frei werdende mechanische Arbeit an den Stromerzeuger G ab. Die FlüssigIkeitspumpe F, welche bei der tiefen Temperatur des flüssigen Sauerstoffes arbeitet, kann z. B. durch eine Kolbenstange aus schlecht wärmeleitendem Material von außen angetrieben werden. In keinem Fall läßt sich die Wärmezufuhr bzw. die Wärmeerzeugung bei der Purnparbeit so weitgehend vermeiden, daß die Verdampfung des flüssigen Sauerstoffes völlig vermieden wird. Vielmehr muß eine geringfügige Verdampfung des Sauerstoffes innerhalb der Pumpe in Kauf genommen werden. Der hierbei anfallende Dampf wird über Leitung 20 in die Rektifiziersätile zurückgeführt.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. -'erfahren zurGas-, insbesondere zur Luftzerlegung durch Verdichtung auf einheitlichen Dru(lk, Tiefkühlung und Rektifikation bei Erzeugung der Kälte durch im wesentlichen arbeitleistende, mehrstufige Entspannung in den tiefsten im System auftretenden Temperaturgebieten und zur Gewinnung von tiefsiedenden, flüssigen oder hochgespannten Zerlegungsprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß die wesentliche Kälteerzeugung in mindestens zwei 'hintereinandergeschalteten Entspannungsturbinen oder in einer mehrstufigen Turbine, gegebenenfalls mit Zw ischenanwärmung, erfolgt und ein Teil des in der ersten Stufe auf Zwischendruck entspannten Gases entnommen und nur der Rest in der nächsten Stufe weiterentspannt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch r. dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen zwei Entspannungsstufen entnommene Gasteil nach erfolgter Verflüssigung als Waschflüssigkeit für die Rektifikation verwendet wird.
  3. 3. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen i und 2 zur Gewinnung eines Zerlegungsproduktes unter hohem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Rektifikation flüssig gewonnene Zerlegungsprodukt im kalten und flüssigen Zustand auf hohen Druck, z. B. Zoo at oder mehr, gefördert und anschließend unter diesem Druck mit in die Anlage eintretendem Rohgas, z. B. Luft, verdampft und angewärmt wird.
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