DE880893C - Verfahren zur Zerlegung von Luft bei gleichzeitiger Gewinnung von fluessigem oder komprimiertem Sauerstoff - Google Patents

Description

• Verfahren zur Zerlegung von Luft bei gleichzeitiger Gewinnung von flüssigem oder komprimiertem Sauerstoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, besonders von Luft, durch Verflüssigung und nachfolgende Rektifikation, wobei dasjenige Gas, das unter Druck benötigt wird, z. B. der Sauerstoff, im flüssigen Zustand mittels einer entsprechenden Pumpe auf den betreffenden Druck, beispielsweise 2o oder Zoo ata, verdichtet und dann anschließend in einem Wärmeaustauscher unter Abgabe seiner Kälte an das zu zerlegende Gasgemisch etwa auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Ein ältererVorschlag hinsichtlich dieses Verfahrens besteht darin, daß die zu zerlegende Luft unter mindestens zwei verschiedenen Drücken (diese beiden Luftströme seien im folgenden als Hochdruckluft und Mitteldruckluft bezeichnet) in die Zerlegungsapparatur oder zumindest in die bei den tiefsten Temperaturen arbeitenden Apparaturteile eintritt. Um den Rektifikationsprozeß in der Mitteldruckkolonne M (vgl. Abb. r) zu ermöglichen, muß in dieser Kolonne ein Dampfstrom aufsteigen. Er kann erzeugt werden entweder durch Einblasen eines Teilstroms der Luft am unteren Kolonnenende, oder, was noch günstiger ist, durch Teilverdampfung des am unteren Kolonnenende sich sammelnden Rohsauerstoffs R. Die hierfür notwendige Wärmemenge muß natürlich der zu zerlegenden Luft entnommen werden. Dies geschieht dadurch, daß mindestens ein Teil der Luft durch ein in das Rohsauerstoffbad eingelegte Rohrschlange geführt, anschließend auf den Druck in der Mitteldruckkolonne entspannt und an passender Stelle in diese eingeführt wird.
• Bei Anlagen., bei denen der Sauerstoff flüssig aus der Kolonne entnommen wird, wie das nicht nur bei Anlagen für flüssigen Sauerstoff, sondern. auch bei den hier beschriebenen-Anlagen mit Pumpe für flüssigen 02 der Fall ist, muß auch, die in die Kolonne eintretende Luft verhältnismäßig kalt sein, denn im stationären Betrieb muß- ja - bis- auf, die meist zu vernachlässigenden Kälteverluste der mittlere Wärmeinhalt der in die Kolonne einströmenden Luft gleich dem mittleren Wärmeinhalt der aus. der Kolonne abströmenden Zerlegungsprodukte sein. Da die Luft also: schon verhältnismäßig kalt in das Rothsauerstoffbad eintritt und ihre Temperatur hier nur bis einige Grad über die Temperatur dieses Bades gesenkt werden kann, ist es bei derartigen Anlagen, bisher erforderlich gewesen, einen größeren Anteil der gesamten Luftmenge auf Hochdruck zu verdichten, als für den Kältehaushalt der gesamten Apparatur an sich notwendig wäre, was natürlich zu einer unerwünschten Erhöhung .des Kraftbedarfs der gesamten Anlage führt.
• Es -hat sich aber überraschenderweise gezeigt, daß sich ein niedrigerer Kraftbedarf der gesamten Anlage erzielen läßt, wenn die Ausdampfung des Röhsauerstoftbades nicht wie bisher .durch die Hochdruckluft, sondern durch -die- Mitteldruckluft bewirkt wird. Dazu muß diese sich auf einem Druck befinden, der ausreicht, um bei einer Temperatur, die etwa 3° oberhalb der Temperatur des Rohsauerstof-tbades liegt, ihre Verflüssigung zu erzwingen. Unter den üblichen Verhältnissen sind hierfür 8 bis r r ata erforderlich. Obwohl wegen der höheren Verdichtung der Mitteldruckluft ein größerer Energiebetrag für ihre Verdichtung aufgebracht werden muß, so ergibt sich doch insgesamt eine Senkung des Energiebedarfs, da die Energieeinsparung durch Verringerung der Hochdruckluftmenge wesentlich größer ist. Die Neuheit des Verfahrens beruht also auf einer Ausdampfung; des Rohsauerstoffbades -durch die gesamte oder einen Teilstrom .der entsprechend :höher verdichteten Mitteldruckluft. Dagegen tritt die Hochdruckluft im allgemeinen mit einer Temperatur in die Kolonne ein, die schon: etwa der des Röhsauerstoffbades entspricht, so daß dieser Luftanteil meist unmittelbar, Ü. h. ohne vorher eine im Rohsauerstoffbad eingebaute Schlange passiert zu haben, an einer passenden Stelle in die Mitteldruckk:olonne entspannt wird. -Eine beispiel'hafteAusführungsart'der Erfindung ist in Abb. r gegeben. Die bei A eintretende Hochdruckluft wird im Wärmeaustauscher WA im Gegenstrom zu dem bei. B austretenden Sauerstoff und dem bei C austretenden Stickstoff gekühlt. Ein Teil der Hochdruckluft wird bei O abgenommen. und in der Expansionsmaschine Ex zur Erzeugung von Kälte entspannt, jedoch nicht wie sonst üblich auf den Druck in der Mitteldruckkolonne M, sondern erfindungsgemäß auf einen höheren Druck von beispielsweise to ata, der durch das Entspannungsventil. EVIa so einreguliert wird, daß diese Mitteldruckluft in der im Rohsauerstoffbad R befindlichen Schlange kondensiert. Die hierbei an das Rohsauerstoffbad abgegebene Wärme dient zur Auskochung dieses Bades. Der Rest der Hochdruckluft wird durch Entspannungsventil EVI b ebenfalls auf Mitteldruck entspannt. Die Luft wird sodann, wie bekannt, in der Mitteldrurkkolonne in die beiden Vorfraktionen Rohsauerstoff und Waschstickstoff zerlegt, diedurch-dieEntspannungsventile EVII bzw. EVIII in die Niederdruckkolonne N eingeleitet werden. Der im Unterteil der Niederdruckkolonne sich sammelnde Sauerstoff wird im flüssigen Zustand durch die Pumpe P auf den gewünschten Druck von 2o oder auch Zoo ata verdichtet und geht ebenso wie der Stickstoff durch einen Rohrzweig des Austaüschers WA zurück. An Stelle des Austauschers WA werden praktisch natürlich meist mehrere neben- oder hintereinandergeschaltete Austauscher verwandt.
• Eine andere Ausführungsart der Erfindung ist durch Abb. 2 dargestellt. Bei dieser Art der Ausführung werden zwei Teilströme von Luft verwandt, nämlich .die durch A i eintretende Mitteldruckluft, die zur Ausdampfung des Ro'hsauerstoffbades dient und im Ventil Ehla von einem, Druck von etwa ro ata auf Mitteldruck, d. .h. etwa 6 ata, entspannt wird, und die durch A2 zugeführte Hochdruckluft, die teilweise in der Turbine T unter Leistung äußerer Arbeit, teilweise im Ventil Eh I b entspannt wird. Es ist hierbei angenommen:, daß die Luft schon vor Eintritt in den hier gezeichneten Austauscher WA durch einen vorgeschalteten Kältetrockner od. dgl, so weit gekühlt ist, daß bei Entspannung in der Turbine T eine Temperatur erreicht wird, die etwa der Temperatur in der NiederdruckkoIonne N entspricht.
• Der übrige Vorgang derLuftzerlegungentspricht dann genau dem weiter oben bereits Gesagten, so daß sich die nähere Beschreibung erübrigt.
• Bei der Verfahrensweise nach Abb. 3, die hauptsächlich für große Anlagen und für verhältnismäßig niedrige ,Sauerstoffdrücke in Frage kommt, ist die gesamte Luftmenge nur auf einem Druck von etwa r2 ata verdichtet. Falls dieser Druck noch nicht zur Deckung des Kältebedarfs der Anlage ausreicht, kann noch ein zusätzlicher Hochdruckkreislauf Verwendung finden. Ein Teil der Mitteldruckluft wird wieder bei O abgezweigt, in der Turbine T entspannt und in die Mittel:druckkolonne M eingeblasen. Werden keine hohen Reinheiten gefordert, so kann die aus der Turbine austretende Luft abweichend vom gezeichnetere Schema auch ganz oder zum Teil an passender Stelle in die Niederdruckkolonne eingeblasen werden. Die nicht in der Turbine entspannte Mitteldruckluft dient wieder wie oben, zur Ausdampfung des Rohsauerstoffbades R und wird -dann anschließend im Entspannungsventil EVI auf Mitteldruck entspannt. Der übrige Zerlegungsvorgang entspricht genau dem schon weiter oben Ausgeführten.
• Es sind ferner Verfahren bekanntgeworden, bei denen die Luft auf einheitlichen Druck verdichtet, dann aber, meist nach einer Kühlung auf -3o bis -8o°, in zwei Teilströme aufgespalten wird. Der eine dieser Teilströme wird unter äußerer Arbeitsleistung in einer Expansionsmaschine oder Turbine entspannt, dagegen dient der andere nach weiterer Kühlung durch die rückströmenden Zerlegungsprodukte zur Ausdampfundes Rohsauerstoffbades und wird dann schließlich auf Mitteldruck entspannt.
• Diese Anordnung kann gemäß dem Verfahren der Erfindung in der Weise vervollkommnet werden, daß zur Ausdampfung des Röhsauerstoffbades nicht mehr Luft unter dem vollen Druck der eintretenden Luft verwendet wird, sondern Luft, die aus der Turbine an einer Stelle abgezapft wird, in der der Druck 8 bis i i ata, d. h. den zur Ausdampfung des Rohsauerstoffbades notwendigen Wert erreicht hat.
• Die sich hierbei ergebende Anordnung ist durch Abb. .4 dargestellt. Die bei A eintretende Luft wird im Kältetrockner KT gekühlt und getrocknet und dann im Punkt 0 in zwei Teilströme S i und S.4 zerlegt. Ein Teilstrom S i wird zunächst in der Turbine T i auf einen Druck von, i i bis 8 ata entspannt und dann noch einmal unterteilt; dabei wird der eine Teilstrom S2 in der Turbine T2 auf Mitteldruck entspannt und unmittelbar oder nach Durchgang durch einen W ärmeaustauscher in die Mitteldruckkolonne 31 eingeleitet. Der andere Teilstrom S3 dient zur Ausdampfung des Sauerstoffbades R, wobei durch Regulierung des Entspannungsventils RV I b der Druck so. hoch gehalten wird, daß eine Verflüssigung dieses Teilstroms in der in das Rohsauerstoffbad eingelegten Schlange erfolgt. Der noch auf dem ursprünglichen Druck befindliche Teilstrom S¢ wird im Wärmeaustauscher ff-'-A im Gegenstrom zu den Zerlegungsprodukten möglichst tief gekühlt, und dann entweder direkt, oder nach Durchgang durch eine in das Rohsauerstoffbad R eingelegte Schlange durch Entspannungsventil. Eh I a in die Mitteldruckkolonne 31 entspannt. Er dient zur Beibringung der in der Kolonne notwendigen tiefsten Kälte. Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens wird im allgemeinen statt der in Abb. d. dargestellten getrennten Turbinen T i und T2, eine einge'häusige Turbine verwendet, die mit einer entsprechenden Anzapfung für den Luftstrom S3 ausgerüstet ist. Im übrigen entspricht der Zerlegungsvorgang vollständig der den Anordnungen nach Abb. i bis 3, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Zerlegung von Luft bei gleichzeitiger Gewinnung von komprimiertem Sauerstoff in einem. Zweisäulenapparat, wobei die Luft unter zwei verschiedenen Drücken in die Zerlegungsapparatur oder zumindest in die bei den tiefsten Temperaturen arbeitenden Apparaturteile eintritt und der zunächst flüssig anfallende Sauerstoff im flüssigen Zustand auf den geforderten Enddruck verdichtet und anschließend in Wärmeaustauschern wieder auf Raumtemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdampfung des Rohsauerstoffbades nicht durch den höher verdichteten Anteil (Hochdruckluft), sondern durch die gesamte oder einen Teil der auf niedrigerem Druck befindlichen Mitteldruckluft bewirkt wird, wobei der Druck dieses Anteils der Luft so hoch (etwa 8 bis i i ata) gewählt wird, daß er in einer im Rohsauerstoffbad befindlichen Schlange verflüssigt werden kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch. i, wobei ein Teilstrom der zunächst auf einheitlichen Druck verdichteten Luft zur Kälteerzeugung in einer Entspannungsmaschine, z. B. Turbine oder Kolbenexpansionsmaschine, entspannt -wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdruck aus der Entspannungsvorrichtung so hoch gewählt wird, daß diese Mitteldruckluft in einer in das Rohsauerstoff bad eingelegten Verdampferschlange unter Abgabe ihrer Wärme- an dieses Bad verflüssigt werden kann (vgl. Abb, i).
3. 3. Verfahren nach Anspruch i, wobei die Luft auf zwei verschiedene Drücke verdichtet in den Apparat eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Mitteldruckluft noch so hoch gewählt wird, daß sie in. einer in das Rohsauerstoffbad eingelegten Verdampfersc.hlang° verflüssigt werden kann (vgl. Abb. :2). q.. Verfahren nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Aufkochung des Rohsauerstoftbades nicht benötigte Anteil der Mitteldruckluft zum Zweck der Kälteerzeugung in einer geeigneten Entspannungsvorrichtung, z. B. Expansionsmaschine mit hin und her gehenden Kolben oder Expansionsturbine, auf den Druck der Mitteldruck-oder Niederdruckkolonne entspannt wird (vgl. Abb. 3). 5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausdampfung des Rohsauerstoffbades ein Teilstrom der gesamten Luftmenge verwendet wird, der an einer solchen Stelle aus der Entspannungsturbine entnommen wird, daß sein Druck noch so hoch ist, daß er in einer, in das Rohsauerstoffbad eingelegten Schlange verflüssigt werden kann.