DE970214C

DE970214C - Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einer Gastrennkolonne

Info

Publication number: DE970214C
Application number: DEN10914A
Authority: DE
Inventors: Herman Fokker
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1954-07-14
Filing date: 1955-07-12
Publication date: 1958-08-28
Also published as: NL95304C; US2808710A; CH333672A; FR1135779A; BE539795A; GB774252A

Description

AUSGEGEBEN AM 28. AUGUST 1958

N10914Ia/i?g

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einer Gastrennkolonne, bei dem das zu trennende Gasgemisch der Kolonne an einer zwischen ihren Enden liegenden Stelle zugeführt und ihr mittels einer Kaltgas^- kältemaschine Wärme entzogen wird. Unter einer Kaltgaskälternaschine ist hier eine sogenannte nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kältemaschine zu verstehen. Diese Kältemaschinen können verschiedenartig ausgebildet werden, beispielsweise als eine Verdrängermaschine, als eine doppeltwirkende Maschine, als eine Maschine mit in V-Form aufgestellten Zylindern oder als eine Maschine, deren Arbeitsraum mit demjenigen, eines Heißgasmotors in offener Verbindung steht.

Es ist bekannt, die aus der Gastrennsäule entweichende Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt mittels einer Kaligaskältemaschine zu verflüssigen, wonach das Kondensat der Säule als Waschflüssigkeit zugeführt wird. In diesem Fall verflüssigt die Kaltgaskältemaschine das Gas bei der Temperatur, bei der dieses Gas die Kolonne verläßt, beispielsweise, wenn Luft in Fraktionen getrennt wird, bei —196⁰ C. Der Wirkungsgrad von Kälte-

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maschinen kann jedoch gesteigert werden, wenn die Maschine die Kälte bei einer höheren Temperatur leistet.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Kaltgaskältemaschine bei einer höheren Temperatur Kälte leisten zu lassen, so daß der Wirkungsgrad der Maschine gesteigert wird. In diesem Fall wird die Kälte beim Siedepunkt der Fraktion mit der höchsten Temperatur geleistet, im Fall von Luft bei

ίο —183⁰ C. Zwar muß die Anlage dabei mit einer Kompressions- und Expansionsvorrichtung versehen werden, aber trotz der erforderlichen Kompressionsarbeit nimmt der Gesamtwirkungsgrad dennoch zu. Eine andere Lösung, bei der die Kältemaschine gleichfalls bei einer höheren Temperatur Kälte leistet und bei der der Wirkungsgrad der Anlage gleichfalls gesteigert werden kann, ist erzielbar, wenn nach der Erfindung ein Teil der in der Kolonne erzeugten Fraktion mit dem niedrig-

ao sten Siedepunkt nach seiner Kompression mittels eines nicht verdichteten Teiles der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt wird, wonach der verdichtete und gekühlte Teil mittels von der Kaltgaskältemaschine geleisteter Kälte weitergekühlt und nach Expansion zu der Kolonne zurückgeführt wird, während ein nicht verdichteter Teil der Fraktion aus der Anlage abgeführt wird.

Wenn in diesem Zusammenhang von einer Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt die Rede ist, ist hierunter das auf der kalten Seite der Kolonne befindliche Mittel zu verstehen, das sich aus einer oder mehreren Komponenten zusammensetzen kann, die sich am warmen Ende der Kolonne befinden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der von der Kaltgaskältemaschine gekühlte Teil vor seiner Expansion weiter durch die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Anlage weitersteigern läßt.

Gemäß einem weiteren Verfahren wird ein Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt durch einen Kompressor verdichtet, wobei der Höchstwert der sich im Arbeitsraum des Kompressors ergebenden Temperatur niedriger als o° C ist, während der andere, nicht verdichtete Teil dieser Fraktion den verdichteten Teil kühlt, wonach dieser andere, nicht verdichtete Teil aus der Anlage abgeführt wird. In diesem Fall kann, wenn der Kompressor ein Kolbenkompressor ist, der Kolben mit einer Kappe versehen werden, so daß die Kolbenringe sich stets gegenüber einem Wand^- teil mit einer höheren Temperatur befinden, wodurch Schwierigkeiten in bezug auf die Schtnierung vermieden werden können.

Vorzugsweise wird die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt in zwei Teile verteilt, sobald sie den verdichteten und bereits von der Kältemaschine gekühlten Teil weitergekühlt hat.

Gemäß einem weiteren Vorfahren wird ein Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt mittels eines Kompressors verdichtet, wobei der Höchstwert der sich im Arbeitsraum des Kompressors ergebenden Temperatur über o° C hinausgeht, während der verdichtete Teil nach der Kühlung in wärmeaustauschender Berührung mit dem dem Kompressor zugeführten Teil ist.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren können, wenn Luft in Fraktionen getrennt werden soll, insbesondere zum Gewinnen von Sauerstoff in flüssigern Zustand Anwendung finden. Außerdem kann die Kolonne sehr einfach ausgebildet werden, und es kann das zu trennende Gasgemisch von dem Einleitungspunkt in die Anlage bis zur Kolonne höchstens eine halbe Atmosphäre Überdruck aufweisen, so daß sich ein Kompressor erübrigt.

Die Anlage nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gastrennkolonne aufweist, der das zu trennende Gasgemisch an einer zwischen den Enden liegenden Stelle zugeführt wird, eine Leitung enthält, mittels der die Fraktionen mit dem niedrigsten Siedepunkt der Kolonne entzogen werden, und die sich in zwei Teile teilt, von denen ein Teil an einen Kompressor angeschlossen ist und der andere zum Abführen des Produktes dient, ferner in der Hochdruckleitung des Kompressors einen Wärmeaustauscher besitzt, in welchem das verdichtete Gas mittels eines nicht verdichteten Teiles der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt wird, wobei die Hochdruckleitung an eine Kaltgaskältemaschine angeschlossen ist, die durch eine Leitung, in der sich eine Expansionsvorrichtung befindet, mit der Kolonne verbunden ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in gs der von der Kaltgaskältemaschine zur Kolonne führenden Leitung ein Wärmeaustauscher vorgesehen, in dem das die Kaltgaskältemaschine verlassende Mittel mit Hilfe' der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt wird, welcher Wärmeaustauscher zwischen der Kältemaschine und der Expansionsvorrichtung angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in der Hochdruckleitung des Kompressors ein Wärmeaustauscher vorgesehen, in dem das verdichtete Gas in wärmeaustauschender Berührung ist mit dem nicht verdichteten Teil, der aus der Anlage abgeführt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in der Hochdruckleitung des Kornpressors der Reihe nach ein Kühler und ein Wärmeaustauscher vorgesehen, in welchem Wärmeaustauscher das verdichtete Gas durch den Teil des Gases weitergekühlt wird, der dem Kompressor zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. ι zeigt eine Gastrennanlage, bei der der verdichtete Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt in wärmeaustauschender Berührung mit dem nicht verdichteten Teil ist, während in

Fig. 2 der verdichtete Teil dieser Fraktion mit dem dem Kompressor zugeführten Gas in wärmeaustauschender Berührung ist.

Bei diesen Ausführungsbeispielen wird der Ein- ias fachheit halber das zu trennende Gasgemisch als

Luft bezeichnet, doch kann die Erfindung auch Anwendung finden, wenn andere Gasgemische in Fraktion getrennt werden müssen.

Die Anlage nach Fig. ι ist mit einer einfachen Gastrennkolonne ι versehen. Die Luft wird der Leitung 3 mittels einer Pumpe 2 zugeführt, so daß der Überdruck der Luft höchstens eine halbe Atmosphäre beträgt. In der Leitung 3 ist ein Wärmeaustauscher 4 vorgesehen, in dem die Luft gekühlt wird. Danach fließt die Luft nach einem Wärmeaustauscher 5, der in einem Kocher 6 der Kolonne 1 angeordnet ist. Dann fließt die Luft durch eine Leitung 7 nach der Kolonne; die Einführung der Luft in die Kolonne erfolgt an einer Stelle, die zwischen den beiden Enden der Kolonne liegt. Die Kolonne selbst arbeitet mit nahezu atmosphärischem Druck. In der Kolonne wird die Luft in Fraktionen getrennt. Im Kocher 6 wird Sauerstoff oder ein sauerstoffrekhes Gemisch gesammelt,

ao während gasförmiger Stickstoff oder ein stickstoffreiches Gemisch oben aus der Kolonne durch eine Leitung 8 entweicht.

Das aus der Kolonne entweichende Gas wird in einem Wärmeaustauscher 9 erwärmt, wonach die Gasmenge in zwei Teile geteilt wird. Ein Teil fließt durch eine Leitung 10 zu einem Kompressor 11, während der andere Teil durch eine einen Wärmeaustauscher 13 enthaltende Leitung 12 und über den bereits erwähnten Wärmeaustauscher 4 die Anlage verläßt.

Der verdichtete Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt fließt durch eine Leitung 14 zu dem Wärmeaustauscher 13 und dann zu einer KaItgaskälternaschine 15. In dieser wird das Gas weiter gekühlt, wonach es durch eine Leitung 16 und den Wärmeaustauscher 9 zu einer Expansionsvorrichtung 17 fließt, in der der Druck des Gases herabgesetzt wird. Das sich infolgedessen ergebende Flüssigkeitsgasgemisch wird der Kolonne zugeführt, wobei die Flüssigkeit als Waschflüssigkeit wirksam ist.

Aus dem Kocher wird durch eine Leitung 18 flüssiger Sauerstoff abgeführt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel leistet die KaItgaskältemaschine nicht bei —196⁰C Kälte, sondern bei einer höheren Temperatur, z. B. bei — 187⁰C. Der Kompressor 11 arbeitet bei niedriger Temperatur, weil das Gas angenähert bei dieser Temperatur dem Kompressor zugeführt wird. Wenn der Kompressor als Kolbenkompressor ausgebildet ist, sind infolge dieser niedrigen Temperatur Schwierigkeiten hinsichtlich der Schmierung zu erwarten. Deshalb ist der Kompressor von der Art, bei der der Kolben mit einer Kappe versehen ist, so daß die Kolbenringe nicht mit einer zu kalten Oberfläche in Berührung gelangen. Das Kompressionsverhältnis kann bei dieser Anwendung niedrig sein und angenähert 1 : 2V2 betragen. Beim dai gestellten Ausführungsbeispiel teilt sich die Fraktion in zwei Teile, nachdem die gesamte Gasmenge im Wärmeaustauscher 9 erwärmt ist; es ist jedoch auch möglich, daß in Abhängigkeit von dem zu trennenden Gasgemisch die Teilung vor dem Wärmeaustauscher 9 erfolgt; bei bestimmten Gasgemischen kann der Wärmeaustauscher sogar völlig wegfallen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind diejenigen der Fig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Luft wird hierbei gleichfalls, nachdem sie im Wärmeaustauscher 4 gekühlt ist, durch die Leitung 3 hindurch dem Wärmeaustauscher 5 zugeführt, so daß der im Kocher 6 der Kolonne befindliche flüssige Sauerstoff teilweise verdampft, wobei die infolgedessen weitergekühlte Luft durch die Leitung 7 der Kolonne zugeführt wird.

Der Stickstoff wird der Kolonne durch die Leitung 8 und den Wärmeaustauscher 9 hindurch entzogen, wobei seine Temperatur erhöht wird. Er wird dann in einem Wärmeaustauscher 19 weitererwärmt, wobei jedoch ein Teil schon bald abgespalten wird und durch die Leitung 12 und den Wärmeaustauscher 4 hindurch die Anlage verläßt. Der andere Teil wird weitererwärmt und verläßt diesen Wärmeaustauscher nahezu auf Zimmertemperatur; sodann wird er durch die Leitung 10 dem Kompressor 20 zugeführt, der als ein normaler Kolbenkompressor ausgebildet sein und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Druckverhältnis ι : 5 aufweisen kann. Der verdichtete Stickstoff fließt durch die Leitung 14 zur Kaltgaskältemaschine 15 mit einer Temperatur von beispielsweise — 179⁰ C. In dieser Leitung sind ein Wasserkühler 21 und der Wärmeaustauscher 19 vorgesehen. Das von der Kaltgaskältemaschine gekühlte Gas fließt durch die Leitung 16 und den Wärmeaustauscher 9 hindurch zur Expansionsvorrichtung 17, in der der Druck des Gases erniedrigt wird, wonach das erzeugte Flüssigkeitsgasgemisch der Kolonne zugeführt wird. Aus dem Kocher wird bei 18 flüssiger Sauerstoff abgezapft.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann in Abhängigkeit von dem zu trennenden Gasgemisch die Spaltung vor dem Wärmeaustauscher 9 oder zwischen den Wärmeaustauschern 19 und 9 erfolgen, während in bestimmten Fällen der Wärmeaustauscher 9 völlig entfallen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einer Gastrennkolonne, der das zu trennende Gasgemisch an einer zwischen ihren Enden liegenden Stelle zugeführt wird, wobei ihr mittels einer Kaltgaskältemaschine Wärme entzogen ng wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der in der Kolonne erzeugten Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt nach Kompression durch einen nicht verdichteten Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt iac wird, wonach der verdichtete und gekühlte Teil durch von der Kaltgaskältemaschine geleistete Kälte weiter abgekühlt und nach Expansion zur Kolonne zurückgeführt wird, während ein nicht verdichteter Teil der Fraktion aus der Anlage iaj abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Kaltgaskältemaschine gekühlte Teil vor seiner Expansion durch wenigstens einen Teil der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt weitergekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Fraktion mittels eines Kompressors verdichtet wird, wobei der Höchstwert der im Arbeitsraum dieses Kompressors auftretenden Temperatur niedriger als o° C ist, während der andere, nicht verdichtete Teil dieser Fraktion den verdichteten Teil kühlt, wonach dieser andere, nicht verdichtete Teil aus der Anlage abgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt in zwei Teile geteilt wird, sobald diese Fraktion den verdichteten und bereits von der Kaltgaskältemaschine gekühlten Teil weitergekühlt hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Fraktion durch einen Kompressor verdichtet wird, wobei der Höchstwert der sich im Arbeitsraum des Kompressors ergebenden Temperatur über o° C hinausgeht, während nach der Kühlung der verdichtete Teil mit dem dem Kompressor zugeführten Teil in wärmeaustauschender Berührung ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Luft in Fraktionen getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff in flüssigem Zustand gewonnen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gasgemisch vom Einleitungspunkt in die Anlage bis zur Kolonne höchstens eine halbe Atmosphäre Überdruck aufweist.
8. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Gastrennkolonne aufweist, der das zu trennende Gasgemisch an einer zwischen ihren Enden liegenden Stelle zugeführt wird, eine Leitung enthält, durch die der Kolonne die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt entzogen wird, welche Leitung sich in zwei Teile teilt, wobei ein Teil an einen Kompressor angeschlossen ist und der andere zum Abführen des Produktes dient, ferner in der Hochdruckleitung des Kompressors einen Wärmeaustauscher besitzt, in welchem das verdichtete Gas mittels eines nicht verdichteten Teiles der Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt wird, welche Hochdruckleitung an eine Kaltgaskältemaschine angeschlossen ist, die durch eine Leitung, in der eine Expansionsvorrichtung vorgesehen ist, mit der Kolonne verbunden ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung von der Kaltgaskältemaschine zur Kolonne ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, in dem das die Kaltgaskältemaschine verlassende Mittel durch die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt gekühlt wird, welcher Wärmeaustauscher zwisehen der Kältemaschine und der Expansionsvorrichtung angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochdruckleitung des Kompressors ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, in dem das verdichtete Gas mit dem nicht verdichteten Teil, der aus der Anlage abgeführt wird, in wärmeaustauschender Berührung ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochdruckleitung des Kompressors der Reihe nach ein Kühler und ein Wärmaustauscher vorgesehen sind, in welchem Wärmeaustauscher das verdichtete Gas durch den Teil des Gases weitergekühlt wird, der dem Kompressor zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 828 845;
deutsche Patentanmeldung M 14645 Ia/17g (bekanntgemacht am 20. Mai 1954).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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