DE936751C

DE936751C - Gastrennanlage

Info

Publication number: DE936751C
Application number: DEN9158A
Authority: DE
Inventors: Jacob Willem Laurens Koehler; Johannes Van Der Ster
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-07-09
Filing date: 1954-07-08
Publication date: 1955-12-22
Also published as: CH328570A; FR1143603A; US2875587A; NL97504C; GB759315A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gastrenn anlage mit einer Gastrennsäule, der mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entzogen wird. Die bisher bekannten Gastrennanlagen, bei denen der Säule nicht mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entnommen wird, sind im allgemeinen mit einem verhältnismäßig verwickelten Mechanismus versehen, der es ermöglicht, z. B. mittels Hähnen od. dgl. die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von mindestens einer der in der Gastrennanlage gewonnenen Fraktionen zu ändern. Diese bekannten Anlagen erfordern deshalb laufend Überwachungspersonal, um nötigenfalls einzugreifen und einen oder mehrere Hähne zu verstellen. Eine vollständig selbsttätige Anpassung der Zu- und/oder Abfuhr unter geänderten Umständen ist bei diesen Anlagen verhältnismäßig schwierig.

Es wurde bereits bei einer Gastrennanlage mit einer Gastrennsäule vorgeschlagen, dieser Säule mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme zu entziehen. Hierdurch ist es möglich, die Anlage mit einer verhältnismäßig einfach ausgebildeten Säule zu versehen und trotzdem Erzeugnisse von einer

Reinheit zu erhalten, die der mit den bisher üblichen Anlagen mit verwickeiteren Säulen erzielten entspricht.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß es in diesem Falle außerdem in einfacher Weise möglich ist, bei dieser Anläge die Zu- und Abfuhr selbsttätig einander anzupassen.

Gemäß der Erfindung wird mindestens eines der der Anlage zuzuführenden und/oder von ihr ab ίο zuführenden Mittel entsprechend der Kälteleistung der Maschine zugeführt bzw. abgeführt. Diese Abhängigkeit wird derart gewählt, daß der Säule stets eine Menge Mittel zugeführt oder von ihr abgeführt wird, die die Anlage zu verarbeiten vermag. Die Abhängigkeit ist von dem sich dem Mittel entgegensetzenden Widerstand und von den Isolationsverlusten der Anlage abhängig. Unter Kälteleistung ist hierbei die Kälteerzeugung je Zeiteinheit zu verstehen.

Es gibt an verschiedenen Punkten der Anlage eine verschiedene Größe der Abhängigkeit von der Kälteleistung der Kaltgaskältemaschine.

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung wird die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von wenigstens einer der Fraktionen entsprechend dem Druckunterschied gewählt, der sich infolge des Strömungswiderstandes über mindestens einen Teil der Leitung für den Dampf zwischen der Säule und der Kältemaschine ergibt. Dieses Verfahren kann namentlich dann Anwendung finden, wenn in der Gastrennsäule selbst ein Druck. herrscht, der den atmosphärischen Druck übersteigt. Herrscht an der Säule, wo das zu trennende Gasgemisch zugeführt wird, ein Druck, der den atmosphärischen unterschreitet, so ist nach einer Ausbildung der Erfindung auch eine andere Bauart verwendbar, bei der die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von wenigstens einer der Fraktionen entsprechend dem Unterschied eines in der Gastrennanlage auftretenden Druckes und des atmosphärischen Druckes geregelt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr -von wenigstens einer der Fraktionen mittels eines Flüssigkeitsmessers--gemessen, der in einer Leitung untergebracht ist, die von einer Menge Kondensat durchflossen wird_l die dem je Zeiteinheit von der Kaltgaskältemaschine erzeugten Kondensat entspricht. Dieser Flüssigkeitsmesser vermag z. B. eine Menge, ein Gewicht, eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder einen Flüssigkeitspegel zu messen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von wenigstens einer der Fraktionen entsprechend der Temperatur des Kopfes der Kaltgaskältemaschine geregelt. Diese Temperatur kann z. B. an der Begrenzungswand des Gefrierraumes oder an den Rippen des Gefrierers gemessen werden.

Bei Anlagen, bei denen wenigstens eine der Fraktionen in flüssiger Form abgeführt wird, ist eine sehr einfache Ausführung dadurch ermöglicht, daß in der Abfuhrleitung für diese Fraktion ein Flüssigkeitsschloß .angeordnet ist. In diesem Fall· sind für die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches zur Säule keine weiteren Mittel erforderlich.

Wird die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt dampfförmig aus der Säule abgeführt, so ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung möglich, die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt derart zu regeln,' daß bei einer Änderung der Kälteleistung immer die riehtige Menge dieser Fraktion abgeführt wird.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausfüh¹ rungsbeispiele erläutert.

Fig. ι zeigt eine Gastrennanlage, bei der das zu trennende Gasgemisch entsprechend dem Druckunterschied in der Leitung für den Dampf zwischen der Kaltgaskältemaschine und der Säule zugeführt wird; in

Fig. 2 herrscht an der Säule, wo ihr das zu trennende Gasgemisch zugeführt wird, ein den atmosphärischen Druck unterschreitender Druck; dieses Gasgemisch wird entsprechend dem Druckunterschied zwischen einem Punkt der Anlage und der Atmosphäre zugeführt;

Fig. 3 zeigt einen Teil einer Anlage, bei der die Temperatur des Kopfes der Kaltgaskältemaschine für die Menge des zugeführten zu trennenden Gasgemisches maßgebend ist;

Fig. 4 zeigt einen Flüssigkeitsmesser, der bei der Anlage zur Verwendung kommen kann;

Fig. 5 stellt eine Gastrennanlage dar, bei der das zu trennende Gasgemisch der Säule mittels eines Flüssigkeitschlosses zugeführt wird; in

Fig. 6 ist eine Gastrennanlage abgebildet, bei der die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in Dampf form gewonnen wird;

Fig. 7 zeigt eine Kaltgaskältemaschine, die bei den geschilderten Anlagen verwendbar ist.

Die Gastrennanlage nach Fig. 1 besitzt eine Gastrennsäule ι mit einem Kocher 2. Dieser Kocher enthält einen Wärmeaustauscher 3 mit einer Zuleitung 4, in der ein Wärmeaustauscher 5 untergebracht ist und die an einen Kompressor 6 anschließt. Dieser Kompressor, der auf der Welle einer Kaltgaskältemaschine 7 läuft und zugleich mit dieser Kältemaschine von einem Elektromotor 8 angetrieben wird, besitzt eine Saugleitung 9. In dieser Saugleitung 9 befinden sich ein Hahn 10 und Gefäße n und 12, in denen das vom Kompressor 6 angesaugte Gasgemisch, z. B. Luft, gereinigt wird. Der Wärmeaustauscher 3 steht durch eine Leitung 13 mit der Säule in Verbindung. Am oberen Ende weist die Säule eine Leitung 14 auf, durch die der sich dort befindende Dampf der Kaltgaskältemaschine 7 zugeführt wird. In dieser Kaltgaskältemaschine verflüssigt sich der Dampf; ein Teil des Kondensats wird der Säule durch eine Leitung 15 als Rückfluß zugeführt, während ein anderer Teil durch die Leitung 16 aus der Anlage abgeführt wird. Aus dem Kocher wird die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt durch die

Leitung 17 und den Wärmeaustauscher 5 abgeführt. Die Leitung 14 für den Dampf ist mit zwei Meßpunkten 18 und 19 versehen, an denen der Druckunterschied über diese Leitung gemessen wird. Der Druckunterschied wird Servomechanismen 20 und 21 übertragen, durch welche der Hahn 10 verstellbar ist. Die Säule ist mit einer Drucksicherheitsvorrichtung 22 ausgestattet.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist

ίο folgende: Das zu trennende Gasgemisch, z. B. Luft,' wird mittels des Kompressors 6 den Wärmeaustauschern 5 und 3 zugeführt. Die angesaugte Luft ist in den Gefäßen 11 und 12 von Wasserdampf und Kohlensäure gereinigt worden.

Im Wärmeaustauscher 5 wird die Luft durch den aus dem Kocher entweichenden Sauerstoff gekühlt; eine weitere Kühlung erfolgt im Wärmeaustauscher 3, wo der Flüssigkeit im Kocher Wärme abgetreten wird; diese Flüssigkeit verdampft infolgedessen. Die gekühlte Luft wird anschließend der Säule durch die Leitung 13 zugeführt. In der Säule wird die Luft in Fraktionen getrennt. Am oberen Ende strömt der dort befindliche Dampf, das heißt Stickstoff, durch die Leitung 14 zur Kühlmaschine, während ein Teil des von der Kühlmaschine gebildeten Kondensats durch eine Leitung 15 zur Säule zurückfließt.

Wenn die Kälteleistung der Kühlmaschine zunimmt, wird der Druck in dem Raum der Kaltgaskältemaschine, in dem sich der Dampf verflüssigt, abnehmen, wodurch die Leitung 14 von einer größeren Dampfmenge durchflossen und derDruckunterschied zwischen den Punkten 18 und 19 zunehmen wird. Mittels der Servomechanismen 20 und 21 wird infolgedessen der Hahn 10 so verstellt, daß der Säule eine größere Menge an Gasgemisch zugeführt wird. Ist hingegen die wirksame Kälteleistung der Kaltgaskältemaschine gleich Null, so wird der Kältemaschine kein Dampf zufließen, so daß es keinen Druckunterschied zwischen den Punkten 18 und 19 gibt und der Hahn 10 die Leitung 9 abschließt, so daß der Säule kein Gasgemisch zugeführt wird. Die geschilderte Regelung erfüllt ihre Aufgabe unabhängig von der Tatsache, ob in der Säule ein Überdruck, ein atmosphärischer Druck oder ein Unterdruck herrscht.

Fig. 2 zeigt eine Anlage, die im wesentlichen der nach Fig. 1 entspricht; entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dieser Anlage wird die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in flüssiger Form durch eine mit einem Hahn versehene Leitung 23 abgeführt. In der Leitung 14 ist ein Druckmeßgerät 24 angeordnet; der Unterschied dieses Druckes und des mittels der Leitung 25 gemessenen atmosphärischen Druckes bedingt unter Zuhilfenahme der Servomechanismen 20 und 21 die Stellung des Hahnes 10. Der Kompressor 6 führt das zu trennende Gasgemisch unter einem so geringen Überdruck zu, daß am Punkte der Säule, wo der Säule das Gasgemisch zugeführt wird, ein den atmosphärischen Druck unterschreitender Druck herrscht.

Nimmt bei dieser Ausbildung die Kälteleistung zu, so wird mehr Dampf verflüssigt, wodurch der Druck am Meßpunkt 24 abnimmt. Infolgedessen wird über die Servomechanismen 20 und 21 der Hahn 10 verstellt, so daß der Säule eine größere Menge Gasgemisch zugeführt wird.

Sinkt aber die Kälteleistung, so wird der Druck in der Leitung 24 anwachsen, wodurch der Hahn 10 geschlossen wird. Bei dieser Ausbildung kann außer in der Leitung 14, entsprechend der Figur, auch an anderen Punkten, z. B. in der Säule oder im Raum, wo sich der Dampf verflüssigt, der Druck gemessen werden.

Fig. 3 zeigt eine Kaltgaskältemaschine, die bei den oben geschilderten Anlagen verwendbar ist. Die Kaltgaskältemaschine 7 und der Kompressor 6 werden auch hier vom Elektromotor 8 angetrieben. Die Saugleitung 9 des Kompressors enthält einen Hahn 10. Mittels eines Temperaturmeßgerätes 26 wird die Temperatur des Kopfes der Kaltgaskältemaschine gemessen. Diese gemessene Temperatur bedingt mittels eines Servomechanismus 27 die Stellung des Hahnes 10. Nimmt die Kälteleistung zu, so wird der Hahn 10 geöffnet; sinkt hingegen die Kälteleistung, so wird der Hahn geschlossen. Das Temperaturmeßgerät kann z. B. ein Dampfdruckthermostat oder ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten sein.

In Fig. 4 ist ein Flüssigkeitsmesser dargestellt, der in einer Abflußleitung untergebracht werden kann, durch welche das mit der Kaltgaskältemaschine gewonnene Kondensat oder ein proportionaler Teil desselben abgeführt wird. Das Flüssigkeitsmeßgerät schließt in diesem Fall an eine Zuleitung 28 für das Kondensat an. Das Kondensat wird in einem Behälter 29 mit Öffnungen 30 aufgefangen, durch welche das Kondensat abfließt. Im Behälter befindet sich ein Schwimmer 31 mit einem Arm 32. Eine Verstellung dieses Armes kann über einen nicht dargestellten Servomechanismus eine Änderung der Hahnstellung in der Zu- oder Abflußleitung bewirken. Wächst die Kälteleistung der Kältemaschine, so wird mehr Kondensat gebildet, wodurch der Schwimmer steigt und eine größere Menge Gasgemisch zugeführt oder eine größere Menge Produkt abgeführt werden kann. Nimmt hingegen die Leistung ab, so wird der Schwimmer sinken und der Hahn 10 wird geschlossen.

Die Gastrennanlage nach Fig. 5 entspricht im wesentlichen den oben geschilderten Anlagen; entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Kaltgaskältemaschine 7 ist mit einer sich senkrecht erstreckenden Abflußleitung 33 mit einem Flüssigkeitsschloß 34 ausgestattet. In der Abflußleitung 33 befindet sich infolge des Unterdruckes im Raum der Kaltgaskältemaschine, in dem sich der aus der Säule abgeführte Dampf verflüssigt, eine Flüssigkeitssäule, die bei hinreichender Länge des Rohres ausreicht, um der Säule das zu trennende Gasgemisch zuzuführen. Das Gasgemisch durchfließt zunächst die Gefäße 11 und 12, in denen es gereinigt wird, dann den

Wärmeaustauscher 3 und strömt dann durch die Leitung 13 zur Säule, in der es in Fraktionen getrennt wird.

Nimmt bei dieser Anlage die Kälteleistung zu, so wird der Unterdruck im Raum, in dem der Dampf verflüssigt wird, auch zunehmen, wodurch eine höhere Flüssigkeitssäule in der Leitung 33 entsteht und der Säule eine größere Gasmenge zugeführt wird.

Nimmt die Kälteleistung ab und sinkt diese bis auf Null, so wird auch die Flüssigkeitssäule in der Leitung 33 sowie der Pegelunterschied in bezug auf die obere Krümmung 35 des Schlosses gegen Null heranrücken, so daß der Säule kein. Gasgemisch zugeführt wird.

Bei der Anlage nach Fig. 6 sind wieder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Anlage besitzt die Leitung 14 eine sich an den Wärmeaustauscher 5 anschließende Abflußleitung 36, durch welche ein Teil der in der Säule gebildeten dampfförmigen Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt abgeführt werden kann. Die Säule besitzt am oberen Ende zwei Meßpunkte 18 und 19, um den Druckunterschied in dieser Leitung zu messen; eine Änderung dieses Druckunterschiedes führt durch die Servomechanistnen 20 und 21 und den Hahn 10 eine Änderung der dem Kompressor 6 zugeführten Gasmenge herbei. Bei dieser Ausbildung ist die Abhängigkeit von der der Säule zugeführten Gasmenge und der Kälteleistung derart, daß bei einer Änderung der Kälteleistung die richtige Menge dieser Fraktion abgeführt wird. Dies kann durch Verstellung des Hahn 37 in der Abflußleitung 36 des Stickstoffes erfolgen, welcher Hahn ebenfalls mittels der Servomechanismen 20 und 21 verstellbar ist (nicht in der Zeichnung dargestellt). Die oben geschilderte Abhängigkeit ist durch den Widerstand der Leitung 36 mit dem Wärmeaustauscher 5 und durch die Isolationsverluste der Anlage bedingt.

Fig. 7 zeigt eine Kaltgaskältemaschine in größerem Maßstabe. Diese Kaltgaskältemaschine hat einen Zylinder 40, in dem ein Verdränger 41 und ein Kolben 42 spielen. Zu diesem Zweck ist der Verdränger 41 mittels eines Triebstangensystems 43 mit einer Kurbel 44 einer Kurbelwelle 45 gekuppelt; der Kolben 42 ist durch Triebstarigensysteme 46 mit Kurbeln 47 gekuppelt. Die Kurbeln 44 und 47 schließen miteinander einen · Winkel ein, wodurch sich der Kolben und der Verdränger mit einem konstanten Phasenunterschied auf- und abbewegen. Oberhalb des Verdrängers befindet sich ein hierdurch beeinflußter Raum 48, der sogenannte Gefrierraum, der durch einen Gefrierer 49, einen Regenerator 50 und einen Kühler 51 mit einem Raum 52 zwischen Verdränger und Kolben in Verbindung steht. An der oberen Seite der Kältemaschine . befindet sich eine wärmeisolierende Wand S3, so daß ein Raum 54 gebildet wird, in dem ein Mittel verflüssigt werden kann. Dieser Raum hat eine Zufuhröffnung 55 und einen Ringkanal 56 für das Kondensat; dieserRingkanial ist mit einer Abflußöffnung57 für das Kondensat versehen.

Die dargestellte Kaltgaskältemaschine ist als eine Verdrängermaschine ausgebildet. Es ist aber auch möglich, die Kaltgaskältemaschine als eine doppeltwirkende Maschine oder als eine Maschine auszubilden, deren Arbeitsraum mit dem eines Heißgasmotors kombiniert ist. Mit Kaltgaskältemaschinen lassen sich in einem Schritt sehr niedrige Temperaturen, z. B. von —200⁰ C, erreichen, so daß diese Maschinen zum Verflüssigen vom Dämpfen mit einem niedrigen Siedepunkt verwendbar sind, z. B. zum Verflüssigen von Stickstoff unter atmosphärischem Druck.

Bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen wird die Menge des zugeführten oder abgeführten Gases durch Verstellung eines Hahnes geändert. Es kann diese Menge aber auch durch andere Mittel geändert werden, wie z. B. durch eine Änderung der Kompressordrehzahl oder durch Änderung der Hubzahl einer Kolbenpumpe.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gastrennanlage mit einer Gastrennsäule. der mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der d'er Anlage zuzuführenden und/oder von ihr abzuführenden Mittel entsprechend der Kälteleistung der Kältemaschine zugeführt bzw. abgeführt wird.

2. Gastrennanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von mindestens einer der Fraktionen entsprechend dem Druckunterschied infolge des Strömungswiderstandes über mindestens einen Teil der Leitung für den Dampf zwischen der Säule und der Kältemaschine geregelt wird.

3. Gastrennanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der dort, wo der Säule das zu trenende Gasgemisch zugeführt wird, ein Druck herrscht, der niedriger als der atmosphärische ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von wenigstens einer der Fraktionen entsprechend dem Unterschied eines in der Gastrennanlage auftretenden Druckes und des atmosphärischen Druckes geregelt wird.

4. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von wenigstens einer der Fraktionen mittels eines Flüssigkeitsmessers geregelt wird, der in einer Leitung untergebracht ist, die von einer Menge Kondensat durchflossen wird, die der Menge an von der Kaltgaskältemaschine je Zeiteinheit erzeugtem Kondensat entspricht.

5. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, daduch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und/oder die Abfuhr von mindestens einer der Fraktionen entsprechend der Temperatur des Kopfes der Kaltgaskältemaschine geregelt wird.

6. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine der Fraktionen in flüssiger Form gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abfuhrleitung für diese Fraktion ein Flüssigkeitsschloß untergebracht ist.

7. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt dampfförmig aus der Säule abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zu trennenden Gasgemisches und die Abfuhr der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt derart geregelt wird, daß bei einer Änderung der Kälteleistung immer die richtige Menge dieser Fraktion abgeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen