DE936215C

DE936215C - Gastrennanlage mit einer Trennsaeule, der unter Zuhilfenahme einer Kaltgaskaeltemaschine Waerme entzogen wird

Info

Publication number: DE936215C
Application number: DEN9179A
Authority: DE
Inventors: Johannes Van Der Ster
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-07-15
Filing date: 1954-07-13
Publication date: 1955-12-07
Also published as: NL93772C; US2867985A; GB784747A; BE530347A; CH328571A; FR1153063A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gastrennanlage mit einer Trennsäule, der mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entzogen wird, und mit einem Kochgefäß, bei der dort, wo der Säule das zu trennende Gasgemisch zugeführt wird, atmosphärischer oder nahezu atmosphärischer Druck herrscht. Unter einer Kaltgaskältemaschine ist im vorliegenden Fall eine sogenannte nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kältemaschine zu verstehen. Bekanntlich können diese Kältemaschinen verschiedenartig ausgebildet werden, z. B. als eine Verdrängermaschine, eine doppelt wirkende Maschine, als Maschine, deren Arbeitsraum mit dem eines Heißgasmotors kombiniert ist, oder als eine Maschine mit V-förmig angeordneten Zylindern.

Es ist im allgemeinen bei Säulen, denen das zu trennende Gasgemisch unter einem den atmosphärischen Druck übersteigenden Druck zugeführt wird, möglich, infolge des Druckunterschiedes zwischen dem Kochgefäß und dem atmosphärischen Druck einen Teil der dampfförmigen Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt aus dem Kocher abzublasen.

Führt man aber das zu trennende Gasgemisch unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck zu, was namentlich dann erfolgen kann, wenn der Säule mittels einer Kaltgaskältemaschine Kälte entzogen wird, so wird im allgemeinen der Druck im Kocher nicht hinreichen, um den Dampf abzublasen. Dies trifft insbesondere zu, wenn der aus dem Kocher abgeführte Dampf

durch einen Wärmeaustauscher hindurchgeführt wird, in dem der Dampf mit dem zu trennenden Gasgemisch in wärmeaustauschender Berührung steht. Dieser letztgenannte Fall trifft aber gerade häufig zu.

Die Erfindung will eine Bauart schaffen, die es

ermöglicht, die dampfförmige Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt ohne Pumpe oder nur unter Zuhilfenahme einer Pumpe von geringer Leistung

ίο aus dem Kocher abzuführen.

Gemäß der Erfindung setzt sich in der Anlage zwischen der Stelle, wo der Säule das abzuscheidende Gasgemisch zugeführt wird, und dem Kocher dem aus dem Kocher aufsteigenden Dampf ein derartiger Strömungswiderstand entgegen, daß ein Teil dieses Dampfes auch zufolge des vom Strömungswiderstand herbeigeführten Druckunterschiedes zwischen dem Kocher und der Atmosphäre, abgeführt wird. Hierbei ist unter »Abfuhr« einer Fraktion das Entfernen einer Fraktion aus der Anlage zu verstehen. Der erforderliche Strömungswiderstand ist durch eine geeignete Bemessung und Füllung der Säule erzielbar, z. B. wenn die Säule mit Füllmaterial gefüllt ist, durch eine geeignete Wahl der Abmessungen des Füllmaterials.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung ist bei einer Säule zwischen der Stelle, wo der Säule das abzuscheidende Gasgemisch zugeführt wird, und dem Kocher eine Wand vorgesehen, und weiter ist mindestens eine Verbindung zwischen dem Raum über dem Flüssigkeitspegel im Kocher und der Säule vorhanden mit einem derartigen Strömungswiderstand für den durch diese Verbindung(en) aufsteigenden Dampf, daß auch infolge des hierdurch herbeigeführten Druckunterschiedes zwischen dem Kocher und der Atmosphäre ein anderer -Teil des Dampfes aus dem Kocher abgeführt wird. Die Wand kann an verschiedenen Stellen angebracht werden. Befindet sie sich in der Säule selbst, so muß sie mit mindestens einer öffnung versehen sein, um das Kondensat durchzulassen.

Es ist aber-auch möglich, den Boden der Säule, zu diesem Zweck zu verwenden. In diesem Falle, wenn also eine Wand zwischen der Trennsäule und dem Kocher angeordnet ist, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung außer den Verbindungen zwischen den· Räumen unter und über der Wand eine Leitung zwischen der Säule und dem Kocher vorhanden, die bis in den normalen Flüssigkeitspegel im Kocher reicht und' während des normalen Betriebes der Säule wenigstens teilweise mit der aus der Säule austretenden Flüssigkeit gefüllt ist.

Bei diesen Bauanordnungen ist der erforderliche Strömungswiderstand durch eine richtige Bemessung der Verbindungen erzielbar, wodurch im Zusammenhang mit dem Strömungswiderstand an die Säule selbst keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden brauchen.

Bei einer einfachen Bauart steckt gemäß einer Ausbildung der Erfindung durch die Wand zwischen der Säule und dem Kocher eine bis unterhalb des Flüssigkeitspegels reichende Leitung im Kocher.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung schließt der Kocher unmittelbar an die Säule an, und in der Zwischenwand zwischen der Säule und dem Kocher ist für den aus dem Kocher entweichenden Dampf mindestens eine öffnung vorgesehen, die dem Dampf einen derartigen Strömungswiderstand entgegensetzt, daß auch infolge des hierdurch herbeigeführten Druckunterschiedes zwischen Kocher und Atmosphäre ein Teil des Dampfes aus dem Kocher abgeführt wird.

Bei den oben geschilderten Anlagen ist es erwünscht, daß bei einer Verringerung der Kälteleistung der Kältemaschine weniger Dampf abgeblasen wird, während bei einer Steigerung der Kälteleistung mehr Dampf abgeblasen werden soll. Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden deshalb das zu scheidende Gasgemisch und wenigstens ein Teil der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt der Säule entsprechend der Kälteleistung der Kaltgaskältemaschine zu- bzw. abgeführt.

Diese Zu- bzw. Abfuhr entsprechend der Kälteleistung ist in einfacher Weise durchführbar, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der aus der Säule_ aufsteigende Dampf verflüssigt wird, während der Säule ein Teil des Kondensats zurückgeführt und ein anderer Teil durch eine Leitung mit einem Flüssigkeitsschloß abgeführt wird.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den

Fig. ι und 2 sind schematisch eine Gastrennanlage gemäß der Erfindung dargestellt, bei der Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie H-II in Fig. ι ist;

Fig. 3 zeigt in größerem Maßstabe eine bei der Anlage verwendbare Kaltgaskältemaschine.

Die Anlage nach Fig. 1 besitzt eine Trennsäule i, die. aus zwei Teilen 2 und 3 besteht, von denen der Teil 2 einen größeren Durchmesser als der Teil 3 hat. Die Verlängerung der Begrenzungswand 4 des Teiles 2 umschließt die Begrenzungs- wand 5 des sich einem Kocher 6 anschließenden Teiles 3. Zwischen den beiden Begrenzungswänden ist ein ringförmiger Raum 7 vorhanden. Der Teil 3 der Gastrennsäule ist mittels einer Wand 8 von dem Kocher 6 getrennt. In dieser Wand ist ein n₀ Rohr 9 und ein zweites Rohr 10 angeordnet, durch die der Raum in Säule und im Kocher miteinander in Verbindung stehen. Das Rohr 10 reicht bis dicht .zum Boden 11 des mit vorstehenden Teilen versehenen Kochers. Dieser Boden besitzt eine öffnung 12, an die ein Rohr 13 anschließt. Im Kocher befindet sich beim Betrieb eine flüssige Menge der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt, und das Rohr 13 überragt den normalen Flüssigkeitspegel. An die Öffnung 12 schließt an der Unterseite des Bodens ein Rohr 14 an, das' im folgenden als »Träger« bezeichnet wird. Der Träger 14 ist an der Außenseite mit vorstehenden Teilen 15 versehen, in denen Löcher 16 angebracht sind, die, wie aus Fig. 2 hervorgeht, zueinander versetzt sind. Innerhalb des Trägers 14 sind vorstehende

Teile iy mit Öffnungen 18 angeordnet. Rings um die vorstehenden Teile 15 ist ein Mantel 19 aus Wärmeisolierstoff angeordnet. An der Unterseite sind öffnungen 20 und 21 vorgesehen. Die Öffnungen 20 schließen einerseits an die Räume zwischen den vorstehenden Teilen 15 und andererseits an eine Leitung 22 an. Die Öffnung 21 schließt an das Rohr 14 und an eine Abfluß leitung 23, der ringförmige Raum 7 an den Raum zwischen den vorstehenden Teilen 15 an.

Der obere Teil der Säule ist über eine Leitung 24 mit einer Kaltgaskältemaschine 25 verbunden, die in Fig. 3 in größerem Maßstabe abgebildet ist. Mittels der Kältemaschine 25 wird der aus der Säule entweichende Dampf verflüssigt. Das Kondensat wird in der ringförmigen Rinne 26 aufgefangen. Diese ist mit zwei Abfluß leitungen 27 und 28 versehen. Die Abflußleitung 2j führt zur Trennsäule zurück, und das der Säule durch diese Leitung zugeführte Kondensat dient als Rückfluß. Ein anderer Teil des Kondensats wird durch die Leitung 28 abgeführt. Diese Leitung ist mit einem sogenannten Flüssigkeitsschloß 29 ausgestattet.

Die Wirkungsweise der Anlage ist wie folgt. Das zu trennende Gasgemisch, z. B. Luft, wird durch die Leitung 22 zugeführt und strömt durch die Öffnungen 20 an den vorstehenden Teilen 15 entlang; dadurch wird das Gasgemisch gekühlt, und die gegebenenfalls im Gasgemisch vorhandenen Verunreinigungen, z. B. Wasserdampf und CO₂, werden an den vorstehenden Teilen ausgefroren. Zu diesem Zweck ist es erwünscht, daß der Temperaturunterschied zwischen den aufeinanderfolgenden vorstehenden Teilen nicht zu groß ist und z. B. 20° C nicht übersteigt. Weiter ist es erwünscht, daß die Temperatur derjenigen vorstehenden Teile, wo die Ausscheidung anfängt, den Taupunkt des Wasserdampfes in der zu trennenden Luft nicht um mehr als 20⁰ C unterschreitet. Um dies zu erreichen, wird der Träger 14 derart gebaut, daß er einen gewünschten Wärmewiderstand besitzt.

Die gekühlte Luft durchfließt unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck den Raum 7 zur Gastrennsäule, wo die Luft in Fraktionen getrennt wird. Das Kochgefäß enthält eine flüssige Menge der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt, z. B. Sauerstoff, und dieser Sauerstoff wird durch die über den Träger 14 zugeführte Wärme verdampft. Der verdampfte Sauerstoff wird durch die aus der Säule in das Rohr 10 herabströmende sauerstoffreiche Flüssigkeit angefüllt. Ein Teil des verdampfenden Sauerstoffes wird der Säule durch das Rohr 9 zugeführt. Ein anderer Teil wird durch das Rohr 13, den Träger 14 und das Rohr 23 aus dem Kocher abgeführt. Die Säule setzt infolge der vorhandenen Trennwand 8 mit Öffnung 9 dem aufsteigenden Dampf einen solchen Strömungswiderstand entgegen, daß, wenn die Säule unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck arbeitet, ein so großer Druckunterschied zwischen dem Kochgefäß und der Stelle, wo der Säule das zu trennende Mittel zugeführt wird, besteht, daß diese Fraktion infolge des Druckunterschiedes zwischen Kocher und Atmosphäre abgeführt werden kann. Für diese Abfuhr muß also der Strömungswiderstand des Rohres 13, des Trägers 14 mit den vorstehenden Teilen 17 und des Rohres 23 überwunden werden.

Bei der dargestellten Anlage wird die zu trennende Luft mittels des vom Flüssigkeitsschloß hervorgerufenen Unterdrucks zugeführt. In der Leitung 28 stellt sich ein Flüssigkeitspegel ein, der gerade hinreicht, um die zu trennende Luft zuzuführen. Das Verhältnis zwischen der der Säule zugeführten Menge an Kondensat und der durch die Leitung 28 abgeführten Menge an Kondensat ist konstant. Wird der Säule eine geringere Menge der zu trennenden Luft zugeführt, so wird bei dieser Anlage auch weniger Dampf aus dem Kocher abgeblasen. Das in Fraktionen zu trennende Mittel und die gebildeten Fraktionen werden der Säule entsprechend der der Säule entzogenen Wärme zugeführt bzw. abgeführt.

Fig. 3 zeigt in größerem Maßstabe die in Fig. τ abgebildete Kältemaschine. Wie bekannt, können diese Maschinen verschiedenartig ausgebildet werden, z. B. als Verdrängermaschinen, doppelt wirkende Maschinen, Maschinen mit V-förmig aufgestelltem Zylinder und Maschinen, deren Arbeitsraum mit dem eines Heißgasmotors kombiniert ist. _go Mit solchen Maschinen sind in einer Stufe sehr niedrige Temperaturen, z. B. von — 200⁰ C, erreichbar.

Die in diesem Beispiel als Verdrängermaschine ausgebildete Maschine besitzt einen Zylinder 30, in gg dem ein Verdränger 31 und ein Kolben 32 spielen. Zu diesem Zweck ist der Verdränger 31 mittels eines Triebstangenmechanismus 33 mit einer Kurbel 34 einer Kurbelwelle 35 gekuppelt; der Kolben 32 ist durch einen Triebstangenmechanismus 36 mit Kurbeln 37 der gleichen Kurbelwelle 35 gekuppelt. Die Kurbel 34 einerseits und die Kurbeln 37 andererseits bilden einen Winkel von z. B. 90⁰ C, so daß sich der Kolben und der Verdränger mit einem konstanten P'hasenunterschied^r auf und ab bewegen. i_Og Ein Raum 38 über dem Verdränger 31 ist der sogenannte Gefrierraum, der über einen Gefrierer 39, einen Regenerator 40, einen Kühler 41 mit einem Raum 42, dem gekühlten Raum, verbunden ist.

Das von der Kaltgaskältemaschine zu kühlende n₀ Mittel wird einem Raum 45 durch eine Öffnung 43 in einem Mantel 44 mit Wärmeisoliereigenschaften zugeführt. In diesem Raum wird das Mittel gekühlt, wodurch sich z. B. ein Dampf verflüssigt. Ein Teil des Kondensats kann durch die Leitung 46 z. B. zu einer Gastrennsäule, ein anderer Teil durch eine Leitung 47 aus der Anlage abgeführt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Gastrennanlage mit einer Trennsäule, der mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entzogen wird, und mit einem Kochgefäß, bei der dort, wo der Säule das abzuscheidende Gas-

gemisch zugeführt wird, atmosphärischer oder annähernd atmosphärischer Druck herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage zwischen der Stelle, wo der Säule das zu trennende Gasgemisch zugeführt wird, und dem Kocher einen derartigen Strömungswiderstand für den aus dem Kocher entweichenden Dampf hat, daß ein Teil dieses Dampfes, auch infolge des vom Strömungswiderstand hervorgerufenen Druckunterschiedes zwischen Kocher und Atmosphäre, abgeführt wird.
2. Gastrennanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand (8) zwischen der Stelle, wo der Säule das zu trennende Gasgemisch zugeführt wird, und dem Kocher angeordnet ist, und mindestens eine Verbindung zwischen den Räumen über und unter der Wand mit einem solchen Strömungswiderstand für den durch diese Verbindung (en) aufsteigenden Dampf vorhanden ist, daß auch infolge des hierdurch herbeigeführten ' Druckunterschiedes zwischen Kocher und Atmosphäre ein Teil des Dampfes aus dem Kocher abgeführt wird.
3. Gastrennanlage nach Anspruch 2, bei der eine Wand zwischen der Trennsäule und dem Kocher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Verbindungen zwischen den Räumen unter und über der Wand eine Leitung zwischen der Säule und dem Kocher vorhanden ist, die bis in den normalen Flüssigkeitspegel im Kocher reicht und während des normalen Betriebes der Säule wenigstens teilweise mit der aus der Säule austretenden Flüssigkeit gefüllt ist.
4. Gastrennanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wand zwischen der Säule und dem Kocher eine bis unterhalb des Flüssigkeitspegels reichende Leitung (10) im Kocher steckt.
5. Gastrennanlage nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kocher unmittelbar an die Säule anschließt und in der Trennwand (8) zwischen Säule und Kocher mindestens eine öffnung (9) für den aus dem Kocher aufsteigenden Dampf vorgesehen ist, die dem Dampf einen derartigen Strömungswiderstand entgegensetzt, daß auch infolge des hierdurch herbeigeführten Druckunterschiedes zwischen Kocher und Atmosphäre ein Teil des Dampfes aus dem Kocher abgeführt wird.
6. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gasgemisch und mindestens ein Teil der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt der Säule entsprechend der Kälteleistung der Kaltgaskältemaschine zu- bzw. abgeführt werden.
7. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Säule aufsteigende Dampf verflüssigt, zur Säule ein Teil des Kondensats zurückgeführt und ein anderer Teil durch eine Leitung mit einem Flüssigkeitsschloß abgeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen