DE859900C

DE859900C - Method for separating a gas mixture

Info

Publication number: DE859900C
Application number: DEB16088A
Authority: DE
Inventors: Roger William Herbert Sargent
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1951-07-29
Filing date: 1951-07-29
Publication date: 1952-12-18

Description

Verfahren zur. Trennung eines Gasgemisches Vorliegende Erfindung betrifft die Trennung von Gasgemischen, welche in zwei oder mehr Fraktionen von verschiedenen Siedepunkten getrennt werden können und beim vorausgehenden Abkühlen eine. homogene, flüssige Phase geben. Ein typisches solches Gasgemisch ist Luft, weshalb die Bedeutung der nachfolgend beschriebenen Erfindung sich besonders leicht am. Beispiel der Luft darstellen läßt.Procedure for. Separation of a gas mixture The present invention relates to the separation of gas mixtures, which are divided into two or more fractions of different Boiling points can be separated and in the previous cooling one. homogeneous, give liquid phase. A typical such gas mixture is air, which is why the meaning The invention described below is particularly easy to use using the example of air can represent.

Die bisherigen Methoden zur Herstellung von praktisch reinem Sauerstoff und Stickstoff umfassen zwei Verfahrensgruppen: Die Anwendung des bekannten Zweisäulenapparates und die Anwendung von. Stickstoff als Hilfsgas im Kreislauf mit Wiederve@rndichtung des Stickstoffs. In beiden Fällen wird jedoch der Stickstoff im indirekten Wärmeaustausch mit dem siedenden, Sauerstoff, in der Basis der bei Atmosphärendruck arbeitenden Trennsäule verflüssigt. Im ersten Fall wied der Stickstoff durch teilweise Rektifikation der Luft in der Trennsäule gewonnen; bei der Verwendung als Waschflüssigkeit wird der Stickstoff in der Haupttrennsäule auf Atmosphärendruck expandiert, nachdem er in der vorher, beschriebenen Weise verflüssigt worden ist. Im zweiten Fall wird: dieser Stickstoff in einer zusätzlichen Apparatur, wie z. B. dem im britischen Patent 632 329 beschriebenen Anreicherer, gewonnen oder vom Kopf der Haupttrennsäule bei Atmosphärendruck gasförmig abgezogen, auf erhöhten Druck gebracht und durch Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff, wie zuvor beschrieben, in -der Basis der Trennsäule verflüssigt.The previous methods for the production of practically pure oxygen and nitrogen comprise two groups of processes: the use of the known two-column apparatus and the use of. Nitrogen as an auxiliary gas in the circuit with re-sealing of the nitrogen. In both cases, however, the nitrogen is liquefied in indirect heat exchange with the boiling oxygen in the base of the separating column operating at atmospheric pressure. In the first case, the nitrogen is obtained by partially rectifying the air in the separation column; when used as a washing liquid, the nitrogen in the main separation column is expanded to atmospheric pressure after it has been liquefied in the manner previously described. In the second case: this nitrogen in an additional apparatus, such as. B. the enrichment described in British Patent 632 329 , obtained or withdrawn in gaseous form from the top of the main separation column at atmospheric pressure, brought to elevated pressure and liquefied by heat exchange with the oxygen, as described above, in the base of the separation column.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches in eine. niedrigsiedende Fraktion und in mindestens eine Fraktion mit höherem Siedepunkt mit Hilfe einer einzigen Trennsäule, wobei die niedrigsiedende Fraktion in keinem Fall auf einen höheren Druck gebracht wird als dem der Trennsäule.The invention relates to a method for separating a gas mixture in a. low-boiling fraction and at least one fraction with a higher boiling point with the help of a single separation column, with the low-boiling fraction in none Case is brought to a higher pressure than that of the separation column.

Demzufolge umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches in eine niedrigsiedende Fraktion und in mindestens eine Fraktion mit höherem Siedepunkt folgende Stufen: Verdichtung des Gasgemisches, Bildung eines. gesättigten Dampfes durch Abkühlen des verdichteten Gasgemisches im Wärmeaustausch mit wenigstens einem Teil der erzielten Fraktionen, Kondensation wenigstens eines Teiles dieses Dampfes durch Wärmeaustausch mit der siedenden Fraktion vom höheren Siedepunkt und zumindest teilweise Verwendung dieses verflüssigten Gemisches zur Gewinnung von Waschflüssigkeit durch Verflüssigung von Dampf der niedrigsiedenden Fraktion, Wieärverdichten des verdampften Gemisches auf mindestens Atmosphärendruck, Kühlen und' Expandieren dieses wiederverdichteten Gasgemisches bis zum Sättigungspunkt, Trennung dieses Gasstromes in die vorgenannten Fraktionen in einer Rektifikationsvorrichtung im gegenläufigen Kontakt mit der Waschflüssigkeit und Wiedergewinnung der Kälte aus allen kalten Dämpfen zur Abkühlung des Frischgases.Accordingly, the method of the present invention for separating a Gas mixture in a low-boiling fraction and in at least one fraction with higher boiling point the following stages: compression of the gas mixture, formation of a. saturated steam by cooling the compressed gas mixture in heat exchange with at least part of the fractions obtained, condensation of at least one Part of this vapor through heat exchange with the boiling fraction from the higher Boiling point and at least partial use of this liquefied mixture for Obtaining scrubbing liquid by liquefying steam from the low-boiling point Fraction, re-compression of the vaporized mixture to at least atmospheric pressure, Cooling and expanding this recompressed gas mixture to the point of saturation, Separation of this gas stream into the aforementioned fractions in a rectification device in opposite contact with the washing liquid and recovery of the cold from all cold vapors to cool the fresh gas.

Die Waschflüssigkeit für die Rektifikation kann teilweise aus der abgetrennten, niedrigsiedenden Fraktion genommen werden, die im indirekten ' Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gasgemisch verflüssigt wird, oder der obere Teil der Rektifikationssäule ist als Anreicherer ausgebildet, in welchem sich die an niedrigsiedenden Anteilen reichen Dämpfe im indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gasgemisch zur Waschflüssigkeit kondensieren.The washing liquid for the rectification can partly come from the separated, low-boiling fraction are taken in the indirect 'heat exchange is liquefied with the liquid gas mixture, or the upper part of the rectification column is designed as an enricher, in which the low-boiling fractions rich vapors in indirect heat exchange with the liquid gas mixture to the scrubbing liquid condense.

Dieses Verfahren erlaubt die Anwendung bereits bekannter Methoden des Wärmeaustauschs und der Reinigung des zugeführten Gasgemisches von kondensierbaren Verunreinigtingen.This procedure allows the use of already known methods the heat exchange and the purification of the gas mixture supplied from condensables Contaminants.

Die zum Ausgleich von Isolationsverlusten und anderen wohlbekannten Verlusten notwendige zusätzliche Kälte kann gleichfalls in üblicher Weise, wie z. B. durch Expansion des Gases in einer Turbine oder einer anderen Expansionsmaschine, erhalten werden.The ones that are well known to compensate for insulation losses and others Losses necessary additional cold can also be done in the usual way, such as. B. by expanding the gas in a turbine or other expansion machine, can be obtained.

Die Vorrichtung zur Rektifikation arbeitet entweder bei Atmosphärendruck, in welchem Fall das F lüssigkeits-Gas-Gemisch unter reduziertem Druck verdampft, oder bei erhöhtem Druck, so daß das Flüssigkeits-Gas-Gemisch. in der Hauptsache unter Atmosphärendruck verdampft.The rectification device works either at atmospheric pressure, in which case the liquid-gas mixture evaporates under reduced pressure, or at elevated pressure, so that the liquid-gas mixture. in the main evaporated under atmospheric pressure.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun in Anwendung auf die Trennung von Luft im einzelnen unter Bezug auf die Fig. z bis 4 der Zeichnungen beschrieben. Die Figuren geben schematisch vier Anwendungsbeispiele des Verfahrens wieder. In allen Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Die Strömungsrichtung in dem verbindenden Leitungssystem ist durch Pfeile eingezeichnet. In allen Figuren sind Regeneratoren zum Abkühlen der verdichteten Luft angegeben. Jedes zusammengehörende Paar Regeneratoren trägt die gleiche Ziffer; die Teile eines jeden Paares sind mit den Buchstaben a oder b bezeichnet, wobei a jeweils den kühlenden Regenerator, b den gekühlt werdenden Regenerator bezeichnet.The method according to the invention will now be described in more detail as applied to the separation of air with reference to Figures z to 4 of the drawings. The figures show schematically four application examples of the method. In all figures, the same parts are denoted by the same reference numerals. The direction of flow in the connecting line system is indicated by arrows. Regenerators for cooling the compressed air are indicated in all figures. Each pair of regenerators that belong together has the same number; the parts of each pair are denoted by the letters a or b , where a denotes the cooling regenerator, b denotes the regenerator to be cooled.

Um die Beschreibung nicht überflüssig zu verbreitern, sind mehrere typische Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens, welche Fachleuten an sich bekannt sind, aus den Zeichnungen weggelassen. So ist natürlich in der Praxis die Entfernung der Feuchtigkeit und der Kohlensäure aus dem gekühlten Gasgemisch beim Verlassen der Regeneratoren vorgesehen, ebenso die übliche Filtration der verflüssigten Gase vor ihrer Expansion; auch werden die Dämpfe vor der isentropischen Expansion überhitzt und die Gasströme mit Hilfe des zusammengehörigen Paares Regeneratoren auf die erforderliche Temperatur gebracht, genau so wie die Kondensate vollständig entfernt werden und ein Umschaltmechanismus zwischen den Batterien der zusammengehörenden Regenerato-ren vorgesehen ist. Alle solche Einrichtungen sind wohlbekannt und der Einfachheit halber hier weggelassen worden.In order not to widen the description unnecessarily, there are several typical facilities for carrying out the procedure, which per se to those skilled in the art are known are omitted from the drawings. This is of course the case in practice Removal of moisture and carbon dioxide from the cooled gas mixture during Leaving the regenerators provided, as well as the usual filtration of the liquefied Gases before their expansion; also the vapors before isentropic expansion overheated and the gas flows with the help of the associated pair of regenerators brought to the required temperature, just like the condensates completely be removed and a switching mechanism between the batteries belonging together Regenerators is provided. All such facilities are well known and the Has been omitted here for the sake of simplicity.

Nach Fig. z wird die Luft in einem Turbokompressor z auf ungefähr 4,9 ata verdichtet und in einem Regeneratorenpaar 2a, 2b (a bedeutet den kühlenden, b den gekühlf werdenden Regeneratflr) auf den Sättigungspunkt durch Wärmeaustausch im Gegenstrom zu der abgetrennten Stickstofffraktion abgekühlt. Durch indirekten Wärmeaustausch mit dem in der Basis der Trennsäule 3 siedenden Sauerstoff wird sie dann vollständig kondensiert. Im Kühler 4 wird die flüssige Luft im Wärmeaustausch mit Stickstoff aus dem Kopf der Trennsäule 3 sowie mit Hilfe der unter Niederdruck verdampften Luft tiefgekiihlt. Die tiefgekühlte Flüssigkeit wird durch das Drosselventils auf ungefähr 0,49 ata expandiert und durch indirekten Wärmeaustausch im Austauscher 6 durch einen Teil des Stickstoffs vom Kopf der Trennsäule 3 verdampft. Der dabei verflüssigte Stickstoff wird als Waschflüssigkeit der Trennsäule zugeführt. Die verdampfte Luft nimmt beim Unterkühlen der verflüssigten Luft im Kühler 4 bereits etwas Wärme auf und wird in einem zweiten Paar Regeneratoren 7a und 7b durch Wärmeaustausch mit frischer Luft auf etwa Lufttemperatur gebracht. Die Niederdruckluft wird dann auf etwa 2,45 ata in zwei Stufen in einem .Turbokompressor 8 verdichtet; nach der ersten Stufe wird außerdem noch Luft von Atmosphärendruck zugeführt und in der zweiten Stufe mitverdichtet. Ein Teil dieser Zwischendruckluft wird dann im Gegenstrom zu der Niederdruckluft in den Regeneratoren 7" und 7b, der Rest im Gegenstrom zum Sauerstoffstrom aus der Basis der Trennsäule 3 in .den Regeneratoren 9a und gb abgekühlt. Die ganze Zwischendruckluft wird dann zusammen im Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom aus dem Unterkühler q. im Austauscher io weiter herabgekühlt. Die Notwendigkeit, die Luft vor der -Zufuhr in die Turbine zu überhitzen, ist durch diese Stufe nicht ausgeschaltet. Der Stickstoffstrom kann auch auf eine andere Weise erwärmt werden, indem er einen Luftstrom, der zum Ausgleich der Temperatur der Regeneratoren dient, kühlt (in der Figur nicht gezeichnet). Der abgetrennte Stickstoff passiert weiter das Regeneratorenpaa.r 2a und 2b; die Zwischendruckluft passiert die Expansionsturbine i z, wobei sie auf die Sättigungstemperatur abgekühlt wird, und verläßt dann die Turbine mit dem Druck der Trennsäule, der sie an geeigneter Stelle gasförmig zugeführt wird.According to Fig. Z, the air is compressed in a turbo compressor z to approximately 4.9 ata and cooled to the saturation point in a pair of regenerators 2a, 2b (a means the cooling, b the cooled regenerate) by heat exchange in countercurrent to the separated nitrogen fraction. It is then completely condensed by indirect heat exchange with the oxygen boiling in the base of the separation column 3. In the cooler 4, the liquid air is deeply cooled in heat exchange with nitrogen from the top of the separation column 3 and with the aid of the air evaporated under low pressure. The deep-frozen liquid is expanded to approximately 0.49 ata through the throttle valve and evaporated by indirect heat exchange in exchanger 6 through part of the nitrogen from the top of the separation column 3. The nitrogen that is liquefied in the process is fed to the separation column as washing liquid. The evaporated air already absorbs some heat when the liquefied air is supercooled in the cooler 4 and is brought to approximately air temperature in a second pair of regenerators 7a and 7b through heat exchange with fresh air. The low pressure air is then compressed to about 2.45 ata in two stages in a .Turbokompressor 8; After the first stage, air at atmospheric pressure is also fed in and compressed in the second stage. Part of this intermediate pressure air is then cooled in countercurrent to the low pressure air in the regenerators 7 ″ and 7b, the remainder in countercurrent to the oxygen flow from the base of the separation column 3 in the regenerators 9a and gb The nitrogen flow from the subcooler q. Is further cooled in the exchanger io. The need to superheat the air before it is fed into the turbine is not eliminated by this stage. The nitrogen flow can also be heated in another way by creating a flow of air, which serves to equalize the temperature of the regenerators, cools (not shown in the figure). The separated nitrogen passes through the regenerator pairs 2a and 2b; the intermediate compressed air passes through the expansion turbine iz, where it is cooled to the saturation temperature, and then leaves the Turbine with the pressure of the separation column, to which it is fed in gaseous form at a suitable point.

Die kondensierbaren Verunreinigungen der Frischluft setzen sich in den beiden Regeneratorenpaaren 2a und 2b, 7a und 7b ab; sie werden anschließend in die austretenden Gasströme verdampft. Es wurde gefunden, daß trotz des Unterschiedes in den spezifischen Volumen der die Regeneratoren 7a und 7b passierenden, eintretenden und austretenden Luftströme die Kondensate in den -Regeneratoren doch schon vor dem Ende eines Zyklus durch den austretenden Luftstrom wieder vollständig verdampft werden. Es wird deshalb zum Ende des Zyklus die kalte Niederdruckluft beim Verlassen des Regenerators praktisch von wiederverdampften Kondensaten frei sein, was mit Vorteil dazu benutzt werden kann, die Kälte aus dem Sauerstoffstrom wiederzugewinnen. Da dieser Endlauf keine kondensierbaren Verunreinigungen enthält, kann jeder übliche Austauschen benutzt werden, ohne befürchten zu müssen, daß eine Blockierung desselben durch Ansammlung von Niederschlägen eintritt oder der Sauerstoff verunreinigt wird.The condensable impurities in the fresh air settle in the two pairs of regenerators 2a and 2b, 7a and 7b; they will subsequently evaporated into the exiting gas streams. It was found that despite the difference in the specific volume of those entering the regenerators 7a and 7b and escaping air streams the condensates in the regenerators completely evaporated again at the end of a cycle by the exiting air flow will. Therefore, at the end of the cycle, it will be the cold, low-pressure air when exiting of the regenerator be practically free of re-evaporated condensates, what with Advantage can be used to recover the cold from the oxygen flow. Since this end run does not contain any condensable contaminants, any common one can do Exchange can be used without having to fear that the same occurs due to the accumulation of precipitation or the oxygen is contaminated.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ist im wesentl@ichen der in Fig. i ähnlich, mit Ausnahme des Umstandes, daß der Austauschen 6.durch einen Anreicherer 12 auf der Trennsäule 3 ersetzt ist. Nach Expansion durch das Drosselventil 5 auf einen Druck von ungefähr 0,84 ata passiert die flüssige Luft den Anreicherer 12, worin sie die stickstoffreichen Dämpfe kondensiert, welche die Waschflüssigkeit für die Trennsäule 3 bilden.The arrangement shown in Fig. 2 is essentially that in Fig. i similar, with the exception of the fact that the exchange 6. by an enricher 12 on the separation column 3 is replaced. After expansion through the throttle valve 5 on the liquid air passes the enricher 12 at a pressure of approximately 0.84 ata, wherein it condenses the nitrogen-rich vapors that make up the washing liquid for the separation column 3 form.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. i ähnliche Anordnung, den Umstand ausgenommen, daß in diesem Fall nur ein Teil der unterkühlten flüssigen Luft durch das Drosselventil 5 in den Austauschen 6 expandiert wird, während der Rest durch das Drosselventil 13, praktisch auf Atmosphärendruck entspannt, der Trennsäule 3 flüssig zugeführt wird.Fig. 3 shows an arrangement similar to Fig. I, except that in this case only part of the supercooled liquid air is expanded through the throttle valve 5 in the exchanges 6, while the remainder is expanded through the throttle valve 13, practically to atmospheric pressure , the separation column 3 is supplied in liquid form.

Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Anordnung mit einer flüssigen Beschickung der Trennsäule 3 entsprechend der Anordnung der Fig. 3 in Verbindung mit einem Anreicherer i2, wie er bereits in der Anordnung der Fsg. 2 beschrieben worden ist.Fig. 4 also shows an arrangement with a liquid charge the separation column 3 according to the arrangement of FIG. 3 in connection with an enricher i2, as already mentioned in the arrangement of Fsg. 2 has been described.

In jedem der in den Figuren gezeigten Zyklen kann das zweite Regeneratorenpaar 7a und 7b wegfallen. Die Niederdruckluft wird nach der Verdampfung direkt einer Strahlpumpe zugeführt. Zum Betrieb dieser Pumpe wird aus dem ersten Regeneratorenpaar 2a und 2b ein Nebenstrom in bekannter Weise abgezweigt. Dieser Nebenstrom passiert eine Expansionsturbine und kühlt sich dabei auf den Sättigungspunkt ab und verläßt die Turbine mit dem zum Betrieb der Gasstrahlpumpe notwendigen Druck. Das von der Pumpe Geförderte hat praktisch die Temperatur der Trennsäule und wird dieser gasförmig zugeführt.In each of the cycles shown in the figures, the second pair of regenerators 7a and 7b are omitted. The low pressure air becomes a directly after evaporation Jet pump fed. The first pair of regenerators is used to operate this pump 2a and 2b branched off a secondary stream in a known manner. This side stream happens an expansion turbine and thereby cools down to the saturation point and leaves the turbine with the pressure required to operate the gas jet pump. That of the Pump conveyed has practically the same temperature as the separation column and this becomes gaseous fed.

Es versteht sich ohne weiteres, daß der nach irgendeiner dieser Methoden gewonnene Sauerstoff nachBedarf weiter zurHerstellung einer mitArgon angereicherten Fraktion und praktisch reinem Sauerstoff und/oder einer mit Krypton und Xenon angereicherten Fraktion verwendet werden kann.It is readily understood that any of these methods Extracted oxygen, if required, can be used for the production of an argon-enriched Fraction and practically pure oxygen and / or one enriched with krypton and xenon Fraction can be used.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Method for separating a gas mixture, in particular Air, in a low-boiling fraction and in at least one fraction of higher Boiling point, which comprises the following stages: The compression of the gas mixture (i), formation of a saturated one Steam by cooling the compressed gas mixture in heat exchange with at least a part of the obtained: fractions (2), condensation of at least part of this Steam through heat exchange with the boiling fraction of higher boiling point (3), at least partial use of this liquid mixture for the formation of washing liquid by liquefying steam from the low-boiling fraction (6, i2), recompression the vaporized mixture to at least atmospheric pressure (8), cooling (7) and Expand (i i) this recompressed gas mixture to the saturation point Separation of the gas stream into the aforementioned fractions in a rectification plant (i3) in countercurrent contact with said washing liquid and recovery .the cold from all cold vapors to cool down the fresh gas supply (Fig: i to 4).

2. The method according to claim i, according to which the washing liquid for rectification partly from the separated low-boiling fraction, which for this purpose is liquefied by indirect heat exchange with the liquid gas mixture (Fig i and 3).

3. The method according to claim i, according to which the device for rectification consists of a separating column with attached concentrator (i2) in which the an Vapors are sufficient as washing liquid for the separation column be liquefied in indirect heat exchange with the liquid gas mixture (Fig. 2 and 4).

4. The method according to eirnern of the preceding claims, according to which only one Part of the liquid mixture to liquefy the low boiling point fraction is needed; the rest is after expansion (i3) on the pressure in the separation column the same supplied in liquid form at a suitable point (Fig. 3 and q.). Procedure according to Any one of the preceding claims, wherein the vaporized mixture prior to its recompression (8) for cooling another stream of the compressed gas mixture in alternating Heat exchange shears (7a, 7a) is needed (Fig. I to 4.).