DE947710C

DE947710C - Verfahren zum Scheiden eines Gasgemisches in einer Gasscheidungsanlage und Einrichtung zum Durchfuehren dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE947710C
Application number: DEN9690A
Authority: DE
Inventors: Herman Fokker; Jacob Willem Laurens Koehler; Herre Rinia
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-11-07
Filing date: 1954-11-05
Publication date: 1956-08-23
Also published as: US2820352A; FR1114520A; NL97466C; GB753980A; CH325973A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Scheiden eines Gasgemisches in einer Gassdheidungsanlage, die mit einer unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck wirksamen Gasscheidungssäule versehen ist, wobei der oberen Seite der Säule Wärme entzogen und der in dem zur Säule gehörenden Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit Wärme durch ein Hilfsmittel zugeführt wird, das komprimiert wird, worauf wenigstens einem Teil Wärme durch Wärmekontakt mit der Flüssigkeit im Kochgefäß entzogen wird und das

Hilfsmittel nach Verringerung des Druckes der Säule Wärme entzieht.

Bei den bekannten Anlagen, in denen das vorstehend geschilderte Verfahren durchgeführt wird, ist oft ein geschlossener Kreislauf vorhanden, in dem ein Hilfsmittel einen thermodynamischen Umlauf vollführt. Dieses Hilfsmittel wird komprimiert und durch Wärmekontakt mit dem in dem zur Gasscheidungssäule gehörenden Kochgefäß vorhandenen Teil mit dem höchsten Siedepunkt gekühlt, welcher Teil infolgedessen verdampft. Darauf wird das

Hilfsmittel expandiert, und es entzieht der Säule Wärme, was oft in einem Sonderkondensator stattfindet. Dann strömt das Hilfsmittel wieder zum Kompressor zurück. Es ist -üblich, das zum Kompressor zurückgeströmte Mittel durch Wärmeaustauschkontakt mit dem komprimierten Mittel etwa auf Zimmertemperatur zu erwärmen. Es kann jedoch auch auf diesen Wärmeaustausc'hkontakt verzichtet werden, so daß im Kompressor eine sehr ίο niedrige Temperatur vorherrscht.

In beiden Fällen, ist es erforderlich, daß der Gasscheidungsanlage außer der durch den Hilfsmittelkreislauf entzogenen Wärmemenge eine zusätzliche Menge an Wärme entzogen wird. Dies läßt sich auf verschiedene Weise bewerkstelligen. Bei den bekannten Anlagen wird dies z. B. dadurch durchgeführt, daß ein zur Gasscheidungsanlage gehörendes Mittel abwechselnd komprimiert und expandiert wird.

Man könnte jedoch auch wenigstens einen Teil des Bestandteils mit dem niedrigsten Siedepunkt unmittelbar mittels einer Kaltgas-Kühlmaschine kondensieren. Es soll dabei unter einer Kaltgas-Kühlmaschine eine sogenannte nach dem umgekehrten Heißgaskolbenmotorprinzip wirksame Kühlmaschine verstanden werden. Diese Maschinen können auf verschiedene Weise ausgebildet werden, z. B. als Verdrängermaschine, doppelt wirkende Maschine, als Maschine, bei der zwei Zylinder einen Winkel einschließen, oder als eine Maschine, deren Arbeitsraum mit dem eines Heißgasmotors kombiniert ist. Mittels dieser Maschinen lassen sich in einem einzigen Vorgang sehr niedrige Temperaturen, z. B. von —200° C, erreichen. Die Anmelderin hat gefunden, daß der Wirkungsgrad der Gasscheidungsanlage erhöht werden kann, wenn die Kaltgas-Kühlmaschine an einer anderen Stelle als an der vorerwähnten der Gasscheidungs· anlage Wärme entzieht, so daß die Wärme nicht bei .40 der Temperatur der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt entzogen wird.

Gemäß der Erfindung wird nun wenigstens einem

Teil des Hilfsmittels, nachdem es komprimiert, aber bevor dessen Druck erniedrigt ist, mittels einer Kaltgas-Kühlmaschine Wärme entzogen, so· daß die Wärme bei einer höheren Temperatur entzogen . .wird.

Obgleich bei diesem Verfahren die Menge an Hilfsmittel, die durch den Kompressor komprimiert werden muß, die bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren überschreitet, steigt der endgültige Wirkungsgrad der Anlage doch an, wie Anmelder in festgestellt hat, infolge der Tatsache, daß der Wirkungsgrad und die Kälteproduktion der KaItgas-Kühlmaschine wesentlich zunehmen, wenn die Maschine einen kleineren Temperaturunterschied in einem einzigen Schritt überbrücken muß. Es'hat sich ergeben, daß der erhaltene Gewinn an Wirkungsgrad nicht unerheblich ist.

Wie vorstehend beschrieben, kann das Hilfsmittel einen geschlossenen Kreislauf vollführen. Wird jedoch Luft in Fraktionen getrennt und besteht das Hilfsmittel aus Stickstoff, so kann gemäß einer weiteren Aus f uhr ungs form der Erfindung der Stickstoff mit niedriger Temperatur, z. B. —196⁰ C, der Kolonne zugeführt werden, wobei der Kolonne Wärme entzogen wird, während eine größere Gewichtsmenge Stickstoff aus der« Kolonne abgeführt wird, wobei ein Teil des Stickstoffs komprimiert und nach Kondensation der Kolonne zugeführt wird, während ein .anderer Teil aus der Anlage abgeführt wird.. Wie bemerkt, ist die der Kolonne zugefü'hrte Stickstoffmenge !kleiner als die aus der Kolonne abgeführte Stickstoff menge, während der Unterschied zwischen den beiden Mengen aus der Anlage entfernt wird.

'Die vorstehend beschriebenen Verfahren können mit besonderem Erfolg durchgeführt werden, wenn die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in flüssigem Zustand erhalten wird.

Die Einrichtung zur Durchführung vorstehend beschriebener Verfahren hat das Merkmal, daß sie eine Gasscheidungskolonne enthält, der Wärme durch ein Hilfsmittel, entzogen und die mit einem Kompressor zur .Erhöhung des Druckes dieses Hilfsmittels und weiter mit einer Expansionsvorrichtung versehen ist, in der das Mittel im Druck erniedrigt wird, wobei weiter eine Kaltgas-Kühlmaschine vorgesehen ist, die im Leitungssystem zwischen dem Kompressor und der Expansions- go einrichtung liegt und in der wenigstens einem Teil des Hilfsmittels Wärme entzogen wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kolonne als einfache Kolonne ausgebildet. Es wird dabei unter einer einfachen Kolonne eine Kolonne verstanden, bei der auf der oberen Seite die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt abgeführt und das zu trennende Gasgemisch an einem Punkt zwischen der oberen und der unteren Seite zugeführt wird.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gemäß

Fig. ι entzieht eine Kaltgas-Kühlmaschine dem Hilfsmittel Wärme, nachdem dieses in Wärmeaustauschkontakt mit der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt gewesen ist; nach

Fig. 2 wird das Hilfsmittel mittels einer Kaltgas-Kühlmaschine gekühlt, bevor es in Wärmeaustauschkontakt mit der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt gewesen ist, wobei der Kompressor auf niedriger Temperatur arbeitet;.

Fig. 3 zeigt eine Anlage, bei der ein Teil des Hilfsmittels' in Wärmeaustauschkontakt mit einer Kaltgas-Kühlmaschine und ein anderer Teil mit der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in Berührung ist.

Die Gasscheidungsanlage nach Fig. 1 hat eine asscheidungskolonne 1 mit einem Kochgefäß 2. i Anlage hat weiter einen Kompressor 3, in dem ein Hilfsmittel, z. B. Stickstoff, bis zu etwa 5 Atm. komprimiert wird. Das Hilfsmittel strömt darauf durch die Leitung 4 zu einem Wärmeaustauscher 5, in dem dessen Temperatur erniedrigt wird, und durch eine Leitung 6 zu einem Wärmeaustauscher 7 im Kochgefäß 2 der Kolonne. Im Wärmeaustauscher 7 kondensiert das Hilfsmittel zum größten

Teil und strömt darauf durch eine Leitung 8 zu einer Kaltgas-Kühlmaschine 9, die durch einen Motor

10 angetrieben wird. Mittels dieser Kaltgas-Kühlmaschine 9 wird dem Hilfsmittel Wärme entzogen.

Das Hilfsmittel strömt darauf durch eine Leitung

11 zu einer Expansionseinrichtung 12, in der dessen Druck bis zu atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Wert erniedrigt wird, worauf das Hilfsmittel durch eine Leitung 13 der Kolonne zugeführt wird.

Das zu trennende Gasgemisch, z. B. Luft, wird durch einen Kompressor 14 angesaugt, und dessen Druck wird dermaßen erhöht, daß der Widerstand des Leitungssystems zwischen dem Kompressor und der Kolonne überwunden werden kann. Das Gasgemisch strömt nach einer gewissen Komprimierung durch eine Leitung 15 zu dem Wärmeaustauscher 5, in dem es gekühlt wird, worauf es durch eine Leitung 16 zu dem Wärmeaustauscher 17, strömt, der im Kochgefäß 2 der Kolonne liegt. Das Gasgemisch wird darauf durch eine Leitung 18 zu der einfachen Kolonne 1 geführt. In dieser Kolonne wird das Gasgemisch in Fraktionen getrennt, wobei die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt, also bei dem Ausführungsbeispiel der Sauerstoff, nach unten fließt und im Kochgefäß 2 gesammelt wird. Die Flüssigkeit im Kochgefäß verdampft zum größten Teil infolge der Wärmezufuhr durch die Wärmeaustauscher 7 und 17. Der dabei entstehende Dampf steigt wieder in der Kolonne auf. Ein Teil der Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt wird als Flüssigkeit durch eine Leitung 19 aus der Kolonne abgeführt. Die in der Kolonne aufsteigende Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt, z. B. Stickstoff, kondensiert teilweise oben in der Kolonne infolge der Zufuhr des Hilfsmittels mit sehr niedriger Temperatur, das durch die Leitung 15 der Kolonne zugeführt wird. Ein Teil dieser Fraktion und das verdampfte Hilfsmittel treten jedoch aus der Kolonne und werden durch eine Leitung 20 zu dem Wärmeaustauscher 5 geführt, in dem das Mittel dem komprimierten Hilfsmittel, das durch die Leitung 4 diesem Wärmeaustauscher zugeführt wird, und dem zu trennenden Gasgemisch Wärme entzieht. Darauf strömt ein Teil des Mittels durch eine Leitung 21 zu dem Kompressor 3; ein anderer .Teil tritt durch eine Leitung 22 aus der Anlage. Bei dem vorliegenden Beispiel wird Luft in Fraktionen getrennt. Die 'Temperatur auf der oberen Seite der Kolonne beträgt —196⁰ C, während die Temperatur im Kochgefäß —183⁰ C beträgt. Trotz der Tatsache, daß eine größere Hilfsmittelmenge komprimiert werden muß, als in dem Falle, wenn die Kaltgas-Kühlmaschine der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt Wärme entzieht, kann bei der Anlage nach der Erfindung eine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung; entsprechende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Gasscheidungsanlage besteht wieder aus einer einfachen Kolonne 1 und einem Kochgefäß 2. Das Hilfsmittel wird durch einen Kompressor 30, der

in dieser Ausführungsform auf niedriger Temperatur arbeitet, komprimiert. Darauf strömt das 65 Mittel durch eine Leitung 6 zu der Kaltgas-Kühlmaschine 31, in der dessen Temperatur erniedrigt wird und in der es sogar kondensiert werden kann, worauf es durch eine Leitung 32 dem Wärmeaustauscher 7 im Kochgefäß zugeführt wird und durch 70 die Leitungen 11 und 13 mit der Expansionsemrichtung 12 zu einem sich oben in der Kolonne befindenden Kondensator 33 strömt. In diesem Kondensator verdampft das Hilfsmittel, wobei es der Kolonne Wärme entzieht, worauf der Dampf durch 75 die Leitung 20 zu dem Kompressor 30 zurückströmt. In dieser Ausführungsform durchströmt das Hilfsmittel also einen geschlossenen Kreisgang. Das zu trennende Gasgemisch wird durch einen Kompressor 14 zugeführt und strömt durch eine 80 Leitung 15 zu einem Wärmeaustauscher 34, in dem dessen Temperatur erniedrigt wird, worauf das Mittel durch eine Leitung 35 dem Wärme? ustauscher 17 zugeführt wird und durch die Leitung 18 zu der Kolonne strömt. In der Kolonne wird das 85 Gasgemisch in Fraktionen getrennt, wobei die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt im Kochgefäß 2 gesammelt und als Flüssigkeit durch eine Leitung 19 aus der Anlage abgeführt wird. Die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt steigt in der 90 Kolonne auf und wird teilweise im Kondensator 33 kondensiert, worauf das Kondensat als Waschflüssigkeit in der Kolonne wirksam ist, während der andere gasförmige Teil dieser Fraktion durch eine Leitung 36 zu dem Wärmeaustauscher 34 strömt, in 95 dem das zu trennende Gasgemisch gekühlt wird. Die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt wird darauf durch eine Leitung 37 aus der Anlage abgeführt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind auch die denen der Fig. 1 entsprechenden Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Hilfsmittel wird in dem Kompressor 3 komprimiert und strömt dann durch die Leitung 4 zu dem Wärmeaustauscher 5, in dem es gekühlt wird. Ein Teil des Hilfsmittels wird darauf durch die Leitung 6 zu dem Wärmeaustauscher 7 geführt, in dem es kondensiert und der im Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit Wärme abtritt. Ein anderer Teil des Mittels strömt durch eine Leitung 40 zu einer Kaltgas-Kühlmaschine 41, in der es kondensiert wird; das Kondensat wird durch eine Leitung 42 zu der Leitung 11 abgeführt, die sich an den Wärmeaustauscher 7 anschließt. Das Hilfsmittel, ähnlich wie bei Fig. 1, strömt durch die Leitung 11, die Expansionseinrichtung 12 und die Leitung 13 zu der einfachen Gasscheidungskolonne. Ähnlich wie bei der Konstruktion nach Fig. 1 treten an der oberen Seite der Kolonne das verdampfte Hilfsmittel und die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt aus, die vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung haben. Das Mittel strömt durch die Leitung 20 zu dem Wärmeaustauscher 5, während ein Teil des Mittels durch die Leitung 22 aus der Anlage abgeführt wird. Das zu trennende Gasgemisch wird durch einen Kornpressor 14, die Leitung 15, den Wärmeaustauscher 5,

die Leitung i6, den Wärmeaustauscher 17 und die Leitung 18 zu der Gasscheidungskolonne geführt.

Auch bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2

und 3 kann eine wesentliche Wirkungsgraderhöhung der Anlage erzielt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Verfahren zum Scheiden eines Gasgemisches in einer Gasscheidungsanlage, die mit einer unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck wirksamen Gasscheidungskölonne versehen ist, wobei ein Hilfsmittel der oberen Seite der Kolonne Wärme entzieht und der in dem zu der Kolonne gehörenden Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit Wärme zuführt, welches Hilfsmittel komprimiert wird, worauf gegebenenfalls wenigstens einem Teil durch ■ Wärmeaustauschkontakt mit der Flüssigkeit im Kochgefäß Wärme entzogen wird, während das Mittel nach erfolgter Druckerniedrigung der Kolonne Wärme entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Teil des Hilfsmittels, nachdem es komprimiert, aber 'bevor dessen Druck erniedrigt ist, Wärme durch eine Kaltgas-Kühlmaschine entzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Luft in Fraktionen getrennt wird und das Hilfsmittel aus Stickstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolonne Stickstoff mit niedriger Temperatur zugeführt wird und Wärme der Kolonne entzogen wird, während aus der Kolonne eine größere Stickstoffmenge abgeführt wird, von der ein Teil komprimiert und nach Kondensation wieder der Kolonne zugeführt wird, während ein anderer Teil aus der Anlage abgeführt ,wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt in flüssigem Zustand erhalten wird.
4. Einrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Gasscheidungskolonne enthält, der Wärme durch ein Hilfsmittel entzogen wird und die mit einem Kompressor zur Druckerhöhung des Hilfsmittels versehen ist, wobei weiter eine Expansionseinrichtung, in der der Druck des Mittels erniedrigt wird, und eine Kaltgas^Kühlmaschine vorgesehen ist, die im Leitungssystem zwischen dem Kompressor und der Expansionsei'nrichtung liegt und durch die wenigstens einem Teil des Hilfsmittels Wärme entzogen wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolonne als einfache Kolonne ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 509 660/336 2.56 (609 589 8.56)