DE847292C

DE847292C - Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen durch fraktionierte Kondensation unter Druck

Info

Publication number: DE847292C
Application number: DEP31185A
Authority: DE
Inventors: Pieter Jan Haringhuizen
Original assignee: NIEDERLAENDISCHE STAAT
Current assignee: NIEDERLAENDISCHE STAAT
Priority date: 1944-02-22
Filing date: 1949-01-08
Publication date: 1952-08-21
Also published as: GB660113A; NL66694C

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 2\. AUGUST 1952

ρ .-?/ iSß IaI ι'χ P

Heerlen (Holland)

Die KiTindung bezieht sich auf ein Verfahren und (.'ine Hinrichtung zur Trt inning von (Iasgeniischeu durch fraktionierte kondensation unter Druck.

Ks ist bekannt. (lateinische durch Kühlen des (komisches unter Druck zu trenntn und die nacheinander koudensierUii Bestandteile getrennt aufzufangen. Die dazu benötigte Kälte wird einesteils «lurch Verdampfung des gebildeten Kondensats und durch die gekühlten (!ase, andernteils von eiiver zusätzlichen Kaltequelle iidiefert. Diese zusätzliche Kidti'(|u< lic ist zur Deckung von kälteverlusKn und zur Litferuiifi von Kälte bei niedriger Teni])eratur erforderlich.

Ks ist weiter bekannt, durch Herabsetzen des Druckes in einer Kxpansionsmaschine unter T.ieferunji äul.lerer Arbeit die Gasfraktionen, die während des Prozesses L,^rasförmi«· hkiben, expandieren zu lassen. Der dabei frei werdende Kältebetrag kann zur Deckung der Kälteverlustc verwendet werden. Der .Yutzettekt des \ erfahrens wird dadurch weiter verbessert.

!ebenfalls isf vorgeschlagen worden (vgl. dieanieri-

kanische Patentschrift 2122238), den Kältehaushalt des Verfahrens weiter zu verbessern, und zwar nicht nur durch Herabsetzen dies Druckes der während des Prozesses nicht kondensierbaren Fraktionen in der erwähnten Weise, sondern auch durch Herabsetzen des Druckes der verflüssigten Fraktionen. Das Herabsetzen des Druckes erfolgt dabei nicht sofort auf atmosphärischen Druck, sondern ganz oder teilweise auf einen Druck, der zwischen dem Trenn- und dem atmosphärischen Druck liegt. Im Anschluß daran wird verdampft und nochmals erwärmt, wonach die weitere Expansion bis auf atmosphärischen Druck unter Lieferung von Kälte und Arbeit erfolgt. Die dadurch gelieferte Kälte kann ebenfalls zur Deckung von Kälteverlusten verwendet werden.

Das Verfahren gemäß der genannten amerikanischen Patentschrift gibt jedoch nur die Möglichkeit zusätzlicher Kältegewinnung durch Expansion der kondensierbaren Fraktionen von einem Zwischendruck auf atmosphärischen Druck unter Lieferung von Kälte und Arbeit in einer Weise, die jener der Kältegewinnung durch eine derartige Expansion der nicht kondensierbaren Fraktionen vollkommen j ähnelt, \vährend die Erkenntnis fehlt, daß die Verdampfung bestimmter Mengen abgezweigten Kondensats unter l>estimmten Drucken den Nutzeffekt wesentlich zu verbessern vermag, unabhängig davon, ob das gebildete Gas später in einer Expansionsmaschine weiter expandiert wird. Hauptaufgabe der Erfindung- ist es, die Menge des abzuzweigenden Kondensats und den Druck, auf den es durch Drosselung entspannt wird, festzulegen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgal>e verhindert, daß die Temperaturunterschiede in den Wärmeaustauschern unnötig groß werden. Als ein weiterer Vorteil kann gegel>enenfalls das Methan unter Druck gewonnen werden.

Die Erfindung richtet sich demnach auf ein Ver- +0 fahren zum Trennen von Gasgemischen durch fraktionierte Kondensation unter Druck, bei dem ein oder mehrere Teile des gebildeten Kondensats abgezweigt und unter einem höheren als Atmosphärendruck verdampft werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Anteil der Kondensatmenge, welcher unter dem höheren Druck verdampft wird, und dieser Druck optimal und derartig gewählt werden, daß an jedem Punkt des Temperaturgefälles, das die Gase bzw. Kondensate durchlaufen, einem Kältedefizit auf der Seite höherer Temperatur ein mindestens el>enso großer Kälteüberschuß auf der Seite niedriger Temperatur entspricht.

Die Erfindung kann beispielsweise zum Trennen von Koksofengas Verwendung finden, bei dem ein Teil der verflüssigten Methanfraktion unter höhe- ! rem als Atmosphärendruck verdampft wird, wobei j der Gesamtdruck, bei dem die Trennung durchgeführt wird, nach der Erfindung vorzugsweise so zu wählen ist, daß die Kälteverluste bei verhältnismäßig hohem Temperaturniveau, beispielsweise über annähernd —75° C, durch Kälte gedeckt werden, die durch Expansion der unter höherem als Atmosphärendruck verdampften Methanfraktion unter Leistung äußerer Arbeit frei wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen \^rerfahrens findet vorteilhaft eine Vorrichtung Verwendung, bei der das zu trennende Gas zunächst durch Wärmeaustauscher und dann durch mindestens eine Trennsäule geleitet wird, wobei an die Stelle eines üblichen Fremdkühlers mindestens ein Leitungssystem für einen Teil des zu verdampfenden Kondensats tritt und eine oder mehrere Expansionsmaschinen in eines oder mehrere dieser Leitungssysteme eingeschaltet sind¹.

Eine solche Vorrichtung, die insbesondere zur Trennung von Koksofengas Verwendung finden kann, zeichnet sich durch eine Abzweigung für das Kondensat des letzten Wärmeaustauschers aus, wobei diese Abzweigung die Entspannung des Kondensats auf höheren als Atmosphärendruck bewirkt. Ferner ist in dieser Vorrichtung eine Leitung in vorhergehenden Wärmeaustauschern sowie in dem oder den Eintrittswärmeaustauschern eine Expansionsvorrichtung, in der das Gas unter Leistung äußerer Arbeit auf Atmosphärendruck entspannt wird, und eine Rückführungsleitung zur Wiedervereinigung dieses Kondi-nsatteiles mit dem Rest des Kondensats vor Eintritt in dem oder die Eintrittswärmeaustauscher vorgesehen. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, wenn die Abzweigung für den unter höheren Druck verdampfenden Kondensatteil an eine Ferngasleitung angeschlossen ist, wodurch sich die Verwendung von Förderpumpen erübrigt.

Zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens soll im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines Beispiels und mehrerer graphischen Darstellungen erläutert werden.

DaIx¹I wird als Beispiel ein einfacheres Gemisch als Koksofengas, nämlich ein Gasgemisch aus 26 Volumprozent CH₄ und 74 Volumprozent H., behandelt.

In Fig. ι sind für dieses Gemisch zweier Gase, von denen das eine Gas (C H₄) im Verlauf des Prozesses durch Abkühlung kondensiert wird, während der andere Bestandteil nicht kondensiert, einige Linien gezogen, die die Beziehung zwischen Temperatur t bzw. partiellem Druck p und der Menge des im Gemisch noch vorhandenen nicht kondensierten C H₄-Dampfes, berechnet auf die insgesamt vorhandene zu kondensierende Menge, angegeben. Die verschiedenen Linien sind für verschiedene Gesamtdrückei'j, P₂ und P_v bei denen die Trennung durchgeführt wird, aufgezeichnet; hierbei ist P₃>P₂>P_vz.B. P₁=T₁O, P₂ = 2oundP₃= 13 at. Aus der Figur geht, wie auch erwartet werden kann, hervor, daß, wenn.ein derartiges Gasgemisch z.B. bis zu einer Temperatur t., bei dem höheren Trenndruck P₃ heruntergekühlt wird, mehr CH₄ als bei dem niedrigeren Druck !'<, (α., >/;>.,) kondensiert, während bei dem Trenndruck P₁ noch nichts kondensiert ist. Es ist üblich, Gasgemische durch Kühlung des Gemisches unter Anwendung eines bestimmten Trenndruckes /·* zu trennen, wobei die Verdampfung des gebildeten Kondensats einen Teil der erforderlichen Kälte liefert, die von dem zu

kühlenden Gasgemisch auf dem Wege des Wärmeaustausches aufgenommen wird.

In Fig. 2 sind die Linien, die den Kältebedarf (ausgezogene Linie) und die Kältelieferung (gestrichelte Linie) bei i°C Abkühlung bzw. Erwärmung eines Mols des Gemisches, entsprechend 26 Volumprozent CH₄ und 74 Volumprozent Tf,,, darstellen, über der Temperatur aufgetragen.

Es stellt sich heraus, daß der größte Kältebetrag Ix'ini Kondensationsbeginn benötigt wird. In dem Maße, in dem sich Kondensat bildet, verringert sich allmählich die Menge Gas, die je Grad kondensiert, so daß auch der Kältebedarf je Mol und Grad l>ei fallender Temperatur stetig abnimmt. Die Linie der Kältelieferung zeigt ein scharfes Maximum, das weit über den Redarf bei der Temperatur hinaus geht, l>ei der das gebildete Kondensationsprodukt wieder verdampft, weil sämtliche Kälte, die zur Kondensierung nötig war und ülxir eine große Temperaturstrecke aufgenommen wurde, bei dieser Temperatur wieder frei wird. An welcher Stelle der Temperaturstrecke dieser Kälteüberschuß liegt, ist durch den Druck bedingt, l>ei dem die Verdampfung erfolgt. In der Regel ist dieser Druck an eine Mindestgrenze von annähernd 1 ata gebunden, da bei Entspannung t>ei niedrigerem Druck die Möglichkeit des Eindringens von Luft entsteht, was bei entzündbaren Gasen gefährlich ist und überdies eine Verunreinigung zur Folge hat. Mit diesem Kälteüberschuß kann, auch wenn man von den Verlusten absieht, das Kältedefizit bei höherem Temperaturniveau gedeckt werden. Die auf niedrigerem Temperaturniveau erforderliche Kälte muß dagegen von einer zusätzlichen Kältequelle geliefert werden.

Dieser Kältebetrag ist von der Menge Gas, die unterhalb dieses Temperaturniveaus kondensiert werden soll, abhängig und wird kleiner, wenn der Gesamtdruck, bei dem die Trennung erfolgt, größer wird (vgl. in Fig 1 die Mengen a_v I)₁ und T₁). Prüft man nun, wie groß Menge und Druck sein können, wenn man bei diesem einfachen Gemisch z. B. einen Teil des Kondensats oberhalb des atmosphärischen Druckes, aber unterhalb des Trenndruckes verdampfen will, so ergibt sich folgendes (vgl. Fig. 3, die eine der Linien der Fig. 1 darstellt): Wählt man den Druck p., groß, so ist die verfügbare Menge Kondensat a.,, die bei diesem Druck verdampft werden kann, gering und umgekehrt. Wo das Niveau liegt, das am vorteilhaftesten ist, läßt sich nicht ohne weiteres sagen. Man muß hierbei berücksichtigen, daß auch die Kondensatmenge a_v die unterhalb des Temperaturniveaus t_t beispielsweise durch Verflüssigen in einer Trennsäule entstanden ist, bei höherem Druck verdampft werden kann.

Diese Kondensatmenge O₁ ist durch Zufuhr zusätzlicher Kälte von außen her entstanden, während die Menge Kondensat, die oberhalb t_x entstanden ist, die benötigte Kälte durch Verdampfen einer gleich großen Menge Kondensat, abgesehen von Verlusten, erhält. Die Menge α, und die darin aufgespeicherte Kälte spielen mithin l>ei der Kondensation oberhalb t_x keine Rolle. Die von außen her zugeführte Kälte, die dieses Kondensat aufgenommen hat, ist daher gleichsam überkomplett. Sie kann auf jedem beliebigen Niveau frei werden, und man ist somit in der Wahl des Druckes, bei dem man diesen Teil verdampfen will, frei.

Die Fig. 4, die sich auf den Fall bezieht, daß der Trenndruck P = 20 at beträgt, zeigt in graphischer Darstellung den Kältebetrag, der l>ei Expansion in einer Expansionsmaschine des durch Verdampfung bei höherem als atmosphärischem Druck entstandenen Gases frei wird, und zwar abhängig von diesem Druck.

Die Kurve in Fig. 4 zeigt zuerst ein Maximum, verläuft dann abwärts, um schließlich stetig anzusteigen. Alan kann sich diese Kurve zusammengesetzt denken aus einer Kurve, die die Expansionskälte der Menge verdampften Kondensats α., der Fig. 3 angibt, und aus einer Kurve, die die Expansionskälte der Menge O₁ der Fig. 3 zeigt. Da sich die Menge a.,, wie bereits erwähnt, abhängig von der Temperatur t bzw. dem Partialdruck p ändert, entsteht für die von a, herrührende Kurve ein Maximum, während für die in der Trennsäule ausgewaschene Menge O₁ ein stetig mit dem Druck wachsender Kurvenverlauf vorhanden sein muß.

In Fig. 5 ist eine ähnliche graphische Darstellung gezeichnet, die sich aber auf den Fall bezieht, daß das Gemisch bei dem höheren Druck P = 30 at getrennt wird. Die Fig. 4 und 5 unterscheiden sich somit im wesentlichen nur durch den gewählten Trenndruck P.

Betrachtet man nun Fig. 2 und vergegenwärtigt sich, welche Veränderungen; durch Verdampfen von Kondensatteilen unter verschiedenen Druckverhältnissen in der Kältewirtschaft herbeigeführt werden, dann zeigt sich folgendes: Bei Verdampfung des Kondensats zeigt die Kältelieferung auf der zugehörigen Temperatur ein Maximum. Da bei dieser Temperaturstelle sämtliche Verdampfungskälte frei wird, die während des gesamten Kondensationsprozesses, folglich sowohl oberhalb als unterhalb dieses Temperaturniveaus, verbraucht ist, muß die von diesem Maximum eingeschlossene Fläche der Fläche gleich sein, die von der den Kältebedarf angebenden Linie umschlossen wird, soweit diese Fläche über den waagerechten Linien der Kältelieferung liegt (vgl. Fig. 2). Liegt die Fläche zwischen der Kältelieferungslinie und der Kältebedarfslinie über der Kältebedarfslinie, so stellt diese Fläche einen Kälteüberschuß dar, während die Flächen unter der Kältebedarfslinie an beiden Seiten des Maximums, soweit sie über der waagerechten Linie der Kältelieferung liegen, Kältedefizite bedeuten. Wenn man nun einen Teil des Kondensats bei einem höheren Druck, mithin auf einem höheren Temperaturniveau />.,, t₂, verdampfen läßt, verringert sich der Kälteüberschuß bei t_v während ein Kälteüberschuß bei t₂ entsteht. In Fig. 6 ist sowohl der Kältebedarf des zu zerlegenden Gasgemisches als auch die Kältelieferung des einen flüssig gewonnenen und in den Wärmeaustauschern wieder verdampften' Zerlegungsproduktes dargestellt. Die dal>ei gewählte Temperaturskala ist nicht örtlich auf irgendwelche Punkte der Anlage

bezogen, sondern stellt den Temperaturverlauf in der gesamten Zerlegungsanlage dar.

Die Höchstmenge Kondensat, die man bei t₂ verdampfen kann, wird¹ von der Größe des Kältedefizits zwischen t.-, und J₁ bestimmt. Dieses Defizit nämlich muß von dem noch verbleibenden Überschuß l>ei I₁ gedeckt werden. Man darf folglich von der bei ij verdampfenden Menge nur so viel Kondensat abspalten, daß genug übrigbleibt, um das Defizit zwisehen t._} und t_t zu decken. Nähme man mehr, so müßte man, um das Gleichgewicht wieder herzustellen, in irgendeiner Weise, beispielsweise durch Zufuhr von Kälte, von außen her auf einem Niveau, das gleich oder niedriger als J₁ ist, das Defizit aus gleichen. Man hat folglich die Wahl zwischen der Abspaltung einer großen Menge Kondensat und seiner Verdampfung auf einem entsprechend niedrigen Niveau und der Abspaltung einer geringen Menge Kondensat und seiner Verdampfung auf entsprechend hohem Niveau. Oder man spaltet eine große Menge Kondensat ab und verdampft diese auf entsprechend hohem Niveau, wobei man für die Wiederherstellung· des Kältegleichgewichts durch Zufuhr von Kälte von außen her auf niedrigem Temperaturniveau Sorge tragen muß.

Wenn man nun die Mengen Kondensat und die Drücke, unter denen, bzw. die Temperaturen, bei denen man die Kondensatmengen verdampfen läßt, zweckmäßig wählt, ist der Nutzeffekt des Verfahrens maximal. Die dafür erforderliche Rechenarbeit läßt sich verhältnismäßig leicht durchführen. Dies ist nicht nur der Fall für ein Gemisch, das so einfach ist wie das als Beispiel gewählte, sondern auch für Gemische, die komplizierter sind¹, wie z. B. Koksofengas, wobei die kondensierbaren Bestandteile nicht nur l>ei einer einzigen Temperatur, sondern über einen ganzen Temperaturbereich verteilt verdampfen. Wenn das Schema der Apparatur einmal gegeben ist. kann man die Linie des KältelKxlarfs über die gesamte Temperaturstrecke vorzeiclinen. Auch die Linie der Kältelieferung lätlt sich festlegen, und nur die Stelle und Größe der frei werdenden Kältebeträge der verdampfenden Fraktionen sind noch von der Anzahl der Teile des Kondensats, die man getrennt verdampfen läßt, und von dem Druck, bei dem man dies vorzunehmen wünscht, ab- J hängig. '

Die Bestimmung des optimalen Wertes der abzuzweigenden Kondensatmengen und des Zwischen- ! druckes kann dabei sowohl theoretisch als auch auf experimentellem Wege erfolgen. Die theoretische Berechnung stützt sich auf einen fiktiven oder gedachten Carnot-Prozeß. Zuerst wird, da es, wie bereits erwähnt, ohne Schwierigkeiten möglich ist. die Kältebedarfs- und Kältelieferungskurve für jede n(K"h so komplizierte Anlage zu bestimmen, die , Menge des für die Verlagerung auf ein bestimmtes, ! höheres Temperaturniveau abzuzweigenden Kondensatanteils ermittelt. Nunmehr wählt man ein be- i liebiges, jedoch vorzugsweise unterhalb des tiefsten j Temperaturniveaus der Anlage, beispielsweise unterhalb der Temperatur der Trennsäule liegendes j Temperaturniveau T.,- und berechnet die bei einem fiktiven Carnot-Prozeß erforderliche Arbeit zur Verlegung des Kältebetrages <lvs abzuzweigenden Kondensatanteils von seinem Yerlagerungsniveau auf dieses Temperaturniveau T_x. Führt man dieses Bereehnungsverfahren für verschiedene Zwischendrücke ρ durch und trägt die erforderliche fiktive Arbeit gegen die Zwischendrücke auf, so erhält man eine Kurve, die ein deutliches Maximum aufweist. Dieses Maximum liegt über dem Zwischendruck, der optimal ist, d. h. zu Temperaturunterschieden in den Wärmeaustauschern führt, bei denen Kälteverluste am vorteilhaftesten vermieden werden.

Das experimentelle Verfahren zur Bestimmung dieser optimalen Werte soll später beschrieben werden.

In Fig. 8 ist zur Erläuterung ein Schema einer Anlage, in der Koksofengas zerlegt wird, dargestellt. In Fig. 9 sind die Linien eingetragen, die dem für die Teilstrecken des Temperaturverlaufs unterschiedlichen Kältebedarf bzw. den Kältclieferungen entsprechen, die beim Tierunterkühlen des Koksofengases bzw. beim Erwärmen der vorher gebildeten Fraktionen ausgetauscht werden.

Die in Fig. 8 dargestellte Anlage wirkt wie folgt: Koksofengas, das eine Temperatur von ι ν Chat, tritt bei einem Druck von 30 ata bei 1 in den Wärmeaustauscher 2 ein. wo es im Gegenstrom gekühlt wird, um alsdann miteinerTemperatur von — 75^rC durch die Leitung 3 auszutreten, wobei es einem zweiten Wärmeaustauscher 4 zugeht, in dem die Äthylenfraktion kondensiert. Inter Zuhilfenahme eines Reduzierventils 5 wird die Äthylenfraktion expandiert und anschließend über die Wärmeaustauscher 4 und -\ in denen die Äthylenfraktion als Kühlmittel Verwendung findet, zurückgeleitet.

Der nach dem Entzug der bisher verflüssigten Bestandteile übrigbleibende Teil des Koksofengases wird über eine Leitung (> einem dritten Wärmeaustauscher 7 zugeleitet, in dem sich ein Teil der Methan fraktion verflüssigt und aus dem dieser verflüssigte Teil durch die Leitung 8 abgeführt wird.. Das restliche Gas wird anschließend der Rektifiziersäule 10 zugeführt, wo es mit flüssigem Stickstoff, der über die Ventile 1 1 bzw. 1 J mit einem Druck von 200 at zugeleitet wird, gekühlt und ausgewaschen wird.

Flüssiges CC) und flüssiger N., werden über ein Ventil 13 abgeführt und expandiert, der Wasserstoff verläßt die Säule durch eine Leitung 14, und die drei Gase werden über die Wärmeaustauscher zurückgeleitet und finden als Kühlmittel Verwendung.

Der Rest des Methans verflüssigt sich im unteren Teil der Säule 10 und wird über eine mit der Leitung 8 verbundene Leitung 15 abgeführt.

Wie in der Figur durch eine stark ausgezogene Linie angedeutet ist, können beide Methanfraktionen mit Hilfe eines Ventils 16 auf atmosphärisehen Druck expandiert werden. Beide Fraktionen dienen dann weiter als Kühlmittel. Um im Sinne der Kältewirtschaft möglichst günstig zu arbeiten, muß man aber nach der Erfindung wenigstens einen 'JViI des flüssigen Methans über das Ventil 17 bis auf einen Druck entspannen, der zwischen dem

Trenndruck, heispit Isweise 30 at. und dem atmosphärischen I'ruck ]i-fjH't. 1 )arauf wird die verdampfende Menge durch die Wärmeaustauscher geleitet, wie es durch die gestrichelt;" Linie angedeutet ist. 1 )ie gebildeten l)ämpfe wudeii dann, beispielsweise mittels einer Expansionsturbine lS, auf atmosphärischen l)ruck entspannt. Die dabei entstehenden gekühlten (iase werden in den anderen Methankreislauf zurückweichet.

Wenn man die Menge Methan, die über das Ventil 17 expandiert wird, und den Druck, bei dem diese !Expansion des Methans stattfindet, nach der Krfindung optimal wählt, läl.it sich das Verfahren mit höchster Wärmewirt Schädlichkeit durchführen.

Mithin mn 1.1 mau zuerst den zum Kondensieren der verschiedenen Fraktionen in den W ärmeaustauschern lizw. der kektiliziersäule benötigten Kältebedarf und die Kältebetrage bestimmen, die durch λ erdampfen dieser I'"raktionen frei werden.

In Fig. 9 sind der während des Kondensieren* auftretende Kältebedarf (gestrichelte Linie) und die Kältelieferungen während des Verdampfens (ausgezogene Linie) eingetragen.

W ie aus Fig. 9 hervorgeht, setzt die Kondensierung der Athylenfraktioii im zweiten Wärmeaustauscher beim Punkt-/ ein. während-sie Ικ'ί B aufhört. Da sich das Methan anschließend zum Teil verflüssigt, steigt die Kurve an. bis sich bei ( ein Maximum bildet.

Von diesem l'unkt an senkt sich die Kurve allmählich, da der l'artialdruck des Methans mit sinkender Temperatur allmählich abnimmt und anschließend die Koudensierung des Kohlenoxyds einsetzt.

Der Rest des Methans wird mittels flüssigen Stickstoffs verflüssigt. Die Kälte, die zu dieser Kondensieruiig erforderlich ist, wurde nicht in der graphischen Darstellung vermerkt, weil sie dem System zusätzlich, d. Ii. von außen her. zugeführt wird.

Bei der in den W ärmeaustauschern durch Zurückleiten erfolgenden Krw ärmung der Gase zeigt sich zuerst ein kleines Maximum auf der Temperaturverlaufsstrecke/) bis /:. Dieses Maximum ist auf die Kidte, die infolge der Verdampfung geringer Mengen Stickstof!. Kohlenmonoxyd und Wasserstoff frei wird, die auf dem W eg über das Ventil 13 (vgl. Fig. Si abgeführt werden, und auf jene Kälte zurückzuführen, die vom Wasserstoff, der auf dem Weg über das \ entil 14 dem W ärmeaustauscher zugeleitet wird, abgegeben wird. Die Kältelieferung durch Verdampfen der Methanfraktion setzt beim l'unkt /·' ein: zuerst verdampft hier Kohlenmonoxyd. sodann bei einer Temperatur, die etwas höher liegt, das Methan: beim l'unkt (, ist sämtliches Methan verdampft.

Wie im folgenden noch erklärt wird, hängt die Kältewirtschaftlichkeit des so zur Durchführung gelangenden \ erfahrens insbesondere von der richtigen Ausnutzung der in der Methanfraktion aufgespeicherten Kälte ab.

Bei höheren Temperaturen wird durch die Verdampfung der AthylenfraktioH nur wenig Kälte erzeugt, so dal! sich dort ein Kältedefizit ergeben muß.

Die von der Methanfraktion herrührende Kälte muß demnach auf ein höheres Temperaturniveau verlegt werden, um das dortige Kältedefizit auszu-

J gleichen.

Die in F"ig. 9 angegebenen Zahlen entsprechen den Kälteüberschüssen und Kältedefiziten in Kalorien je (iasmol.

Die Kälte, die zur Kondensierung von Gasen bei

, 'Temperaturen rechts vom Maximum F-G, d. h. bei einer 'Temperatur, die niedriger als jene liegt, die durch Verdampfen der Methanfraktion im dritten Wärmeaustauscher erzeugt wird, benötigt wird. läßt sich durch Lkferung zusätzlicher Kälte, beispielsweise durch Zufuhr von flüssigem Stickstoff, j der auf 200 at komprimiert ist, erhalten.

DiL Kidte. «lit. auf diese Weise dem Svster

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stern zurt wird, ist jedoch nicht zur Kondensierung

auf höheren Temperaturniveaus erforderlich, weil dazu die Verdampfungskälte der flüssigen Methanfraktion verwendet werden kann. Das Äquivalent des m;ii dem flüssigen Stickstoff eingebrachten Kältebetrags, z. B. ein Teil der Verdampfungskälte der Methanfraktion, kann auf jedem lK'liebigen Temperaturniveau nutzbringend verwendet werden. Man hat infolgedessen völlig freie Wahl l>ezüglich des Druckes, bei dem dieser Teil der Methanfraktion verdampft werden kann.

Wenn nur ein Teil des flüssigen Methans bei einem Zwischendruck p verdampft worden ist, d.h. bei einem Druck, der über dem minimal zulässigen Atmosphärendruck liegt, wird sich der Kälteül>erschui.l bei G verringern; hingegen wird auf einem höheren 'Temperaturniveau, beispielsweise am Maximum H bei der Temperatur i.,, ein Kälteüberschuß verfügbar sein.

Die Höchstmenge, die bei der Temperatur f., oder dem Druck/'., verdampft werden kann, wird durch die Größe des Kältedefizits zwischen t.> und i, bestimmt. Dieses Defizit muß von einem Überschuß bei /, ausgeglichen werden können. Es ist somit nur zulässig, so viel flüssiges Methan von der ursprünglichen Menge, die bei t_i verdampft, abzuscheiden. daß die restliche Menge genügt, um das Defizit zwischen f, und i., zu decken.

Scheidet man mehr flüssiges Methan ab. so bleibt ein Kältedefizit, und im vorliegenden Kali ist es nur möglich, dieses Defizit durch eine kostspielige und

j daher unwirtschaftliche Zuleitung zusätzlicher Kälte bei der Temperatur Z₁ oder etwas darunter

; auszugleichen, wodurch die Wiederherstellung des ■ Gleichgewichts in der Kältebilanz erreicht wird.

S In Fig. 10 ist. wie l>ereits erwähnt, die Beziehung zwischen der fiktiven Arbeit eines gedachten Caruot- Prozesses und dem Verdampfungsdruck ρ aufgetragen. Des weiteren zeigt diese F'ig. \o eine gestrichelte Linie, die die Beziehung angibt, die zwisehen dem mittels einer Expansionsmaschine (mit einem thermodynamischen Nutzeffekt von 70⁰O bei einer Temperatur des eintretenden Gases von o^c C und einem Druck von 1,5 ata, bei dem expandiert wird) erzeugten Kältebetrag und dem Verdamp-

fungsdruck besteht. Der in der Kältemaschine i8 erzeugte Kältebetrag ergibt für jeden Drosselenddruck bei IJ einen Wert, der bei geeigneter Wahl des Maßstabes in der Nähe der Werte der vollausgezogenen Kurve der Fig. io liegt. Damit ist eine Möglichkeit gegeben, die optimale Wahl des Zwischendruckes nicht nur theoretisch, sondern mit Hilfe der Expansionsmaschine i8 auch experimentell zu bestimmen.

to Wie aus dieser graphischen Darstellung hervorgeht, gibt es bei dem gleichen zwischenliegenden Verdampfungsdruck von 7 ata ein Maximum, sowohl was die fiktive Arbeit anbelangt als auch für die Kälte, die mittels der Expansionsmaschine erzeugt wird.

Man erzielt den besten Nutzeffekt, wenn der mittlere Druck genau dem Druck entspricht, der zu dem Höchstwert fiktiver Arbeit gehört. Selbstverständlich läßt sich ein gleich gutes Ergebnis erzielen, wenn man den mittleren Druck um ein geringes ändert. Eine Änderung der Mengen Kondensat, die abgespalten und unter zwischenliegendem Druck verdampft werden, ruft einen starken Rückgang der fiktiven Arbeit hervor. Ändert man demnach diese Kondensatmengen, so gehen die Vorteile, die die Erfindung bietet, rasch verloren.

Hinsichtlich des ausschließlichen¹ Rechtes sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß nur Abweichungen bis zu 10% des Höchstwerts an fiktiver Arbeit, und zwar bezogen auf die niedrigste bei diesem System auftretende Temperatur, zulässig sind.

Selbstverständlich ist im allgemeinen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei jedem Prozeß möglich, bei dem mittels fraktionierter Kondensation Gase voneinander getrennt werden, und zwar für jede bei diesem Prozeß kondensierende Fraktion.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich insbesondere mit Vorteil bei der Zerlegung von Koksofengasen anwenden. Läßt man, wie in dem vorher erwähnten Beispiel, einen Teil der kondensierenden Methanfraktion oder mehrere Teile dieser Fraktion verdampfen und entspannt man diese mittels einer Expansionsmaschine bis auf atmosphärischen Druck, so können bei geeigneter Wahl des Gesamtdrucks, bei dem die Kondensierung des Gases durchgeführt wird, die Ammoniakkühler, derer man sich bedient, um die Kälteverluste bei relativ hohem Temperaturniveau auszugleichen, weggelassen werden, während die von den Expansionsmaschinen herrührende Arbeit für jeden geeigneten Zweck verwendet werden kann.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Anlage zur Zerlegung von Koksofengas gemäß einem bekannten Verfahren, bei dem Ammoniakkühler zur Verwendung gelangen. Der Lauf des Methankondensats und des Methandampfes ist mit einer stark ausgezogenen Linie angegeben.

Fig. 8 zeigt hingegen ein Schema einer ähnlichen Anlage, bei dem das Verfahren gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangt. Ein Teil der kondensierten Methanfraktion wird dabei unter höherem als atmosphärischem Druck entspannt (starke, gestrichelte Linie) und verdampft bei diesem Druck, während der erzeugte Dampf anschließend bis zum atmosphärischen Druck weiter entspannt wird. Der bis zu etwa atmosphärischem Druck entspannte Teil des Kondensats durchläuft die Apparatur in normaler Weise (starke ausgezogene Linie).

Die zusätzlich gewonnene Kälte genügt zur Deckung der auf der Temperaturverlaufstrecke über z. B. — 7 5^P1C auftretenden Kai te Verluste. Die Ammoniakkühler können demnach weggelassen werden, was außer einem Energiegewinn eine merkliche Vereinfachung der Anlage bewirkt.

Außerdem ist es natürlich möglich, einen Teil der durch Verdampfung unter Druck erhaltenen Methanfraktion ohne Vermittlung eines Kompressors in eine Ferngasleitung zu leiten, statt die Fraktion in einer Expansionsmaschine zu expandieren. Jedoch sind in diesem Fall die Ammoniakkühler wieder erforderlich.

Claims

P A T E N T A N S P K C C HK:

i. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen durch fraktionierte Kondensation unter Druck in Verbindung mit einer Kältezurückgewinnung durch Wiederverdampfung der kondensierten Fraktionen in solcher Weise, daß die erhaltenen, relativ tiefsiedenden Kondensatmengen in zwei oder mehrere Teile geteilt werden, von denen der eine Teil auf etwa 1 ata herabgedrosselt und in einem Wärmeaustauscher mit dem eintretenden Gasstrom wieder verdampft und abgeführt wird, während der bzw. die anderen Teile zuerst auf einen über 1 ata liegenden Druck herabgedrosselt, im Wärmeaustauscher weiter erwärmt und verdampft und ebenso abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatmengen, die man unter höheren Drücken verdampfen läßt, ebenso wie diese Drücke selbst derart gewählt werden, daß an jedem Punkt des Temperaturgefälles, das die Gase bzw. Kon densate durchlaufen, dem Kältedefizit auf der hohen Temperaturseite ein Kälteüberschuß auf der niedrigen Temperaturseite, der mindestens gleich groß ist, gegenübersteht und daß der Wert der fiktiven Arbeit, die bei einem Gedankenexperiment im Sinn des Carnot-Kreisprozesses zur Verlegung der bei der Verdampfungdes Kondensats frei werdenden Kältebeträge von den Temperaturniveaus, auf welchen sie frei werden, zu dem niedrigsten Temperaturniveau, das die Gase durchlaufen, erforderlich ist, mindestens 90 °/o des möglichen Maximums beträgt.
2. Verfahren zur Zerlegung von Koksofengas gemäß Anspruch 1, bei dem ein Teil der flüssigen Methanfraktion unter höherem als atmosphärischem Druck verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruck, bei dem man die Trennung ausführt, so groß, z. B. über 20 ata, ist, daß die Kälteverluste auf relativ hohem Temperaturniveau, z.B. über —/5° C, mit Hilfe von

Kälte gedeckt werden, die durch Expansion der unter höherem als atmosphärischem Druck verdampften Methanfraktion unter Leistung äußerer Arbeit frei wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2, die sich aus einer üblichen Reihe von Wärmeaustauschern (2, 4, 7) zusammensetzt, in welchen das Koksofengas unter Druck kondensiert und die kondensierten Fraktionen nach Expansion verdampfen, nachdem sie wieder zurückgeführt worden sind, gekennzeichnet durch eine Abzweigung der Leitung für das Kondensat (CH₄) aus dem letzten Wärmeaustauscher (7), wobei die Abzweigleitung eine Drosselvorrichtung (17) und eine Expansionsvorrichtung (18) enthält, während die üblichen Ammoniakkühler fehlen.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung für den unter höherem Druck verdampfenden Kondensatteil an eine Ferngasleitung angeschlossen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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