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Verfahren zur Zerlegung von Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt durch Verflüssigung und
Rektifikation.
Bei der Zerlegung von Luft durch Verflüssigung und Rektifikation werden neuerdings für den Wärmeaustausch periodisch gewechselt Kältespeicher verwendet, durch die eine bestimmte Zeit Zerlegungsprodukt strömt, hiebei seine Kälte an die Speichermasse abgibt, während in der nächsten Periode in umgekehrter Richtung Frischgas hindurchgeleitet wird, welches die von den Zerlegungsprodukten in der vorhergehenden Periode an die Speichermasse abgegebene Kältemenge aufnimmt.
Die in dem Frischgas enthaltenen Dämpfe, wie Wasserdampf oder Kohlensäure, werden bei der Abkühlung auf der Speichermasse niedergeschlagen und in der darauffolgenden Periode von den in umgekehrter Richtung durch den Speicher strömenden Zerlegungsprodukten wieder verdampft und hinausgeführt. Mit Regeneratoren ist grundsätzlich ein Wärmeaustausch von mehr als 98% möglich, d. h. also, das Zerlegungsprodukt verlässt den Regenerator mit einer Temperatur, die nur wenige Grade unter der Eintrittstemperatur der Luft liegt.
In der Praxis hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass es in manchen Fällen, insbesondere bei höheren Lufteintrittstemperaturen (mehr als 250 C), nicht möglich ist, auch bei reichlicher Bemessung der Regeneratoren einen günstigen Wärmeaustausch zu erzielen und Austauschdifferenzen von 10 C und mehr auftreten.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist die Beseitigung der hiedurch bedingten Schwierigkeiten.
Erfindungsgemäss wird-obwohl das Zerlegungsprodukt den Regenerator schon zu kalt verlässt- dem warmen Ende des Regenerators eine zusätzliche Kältemenge insbesondere dadurch zugeführt, dass zwecks Verdunstungskühlung Wasser in das Zerlegungsprodukt eingespritzt wird.
Die überraschende Wirkung dieser Massnahme lässt sich wie folgt deuten : Bei hohen Lufttemperaturen ist die im Gas enthaltene Wasserdampfmenge, die im warmen Teil der Speicher kondensiert, so hoch, dass ihre Kondensationswärme an die fühlbare Wärme des Gases im gleichen Temperaturgebiet heranreicht bzw. sie übersteigt. Die aus der verdichteten Luft gleichmässig während einer Schaltperiode niedergeschlagene Wassermenge wird, selbst wenn die Luft gesättigt war, nach dem Umschalten schon von einem Bruchteil der Zerlegungsprodukte, also schon im ersten Drittel oder ersten Viertel der nächsten Periode verdampft, da die Zerlegungsprodukte ein im umgekehrten Verhältnis der Drucke grösseres Volumen als die Luft besitzen.
Infolgedessen wird dem warmen Ende der Regeneratoren am Anfang der Kaltperiode eine relativ grosse Kältemenge zugeführt, wodurch die Speichermasse so kalt wird, dass sie das Zerlegungsprodukt während des Restes der Periode nicht mehr auf die Eintrittstemperatur des Frisehgases anwärmen kann ; das bedingt grosse Austauschdifferenz in diesen Fällen und den damit verbundenen beträchtlichen Kälteverlust.
Erfindungsgemäss führt man nun dem warmen Ende der Regeneratoren eine zusätzliche Kältemenge insbesondere in der Weise zu, dass man nach der am Anfang der Kaltperiode erfolgten Ver- dampfung des aus der Luft kondensierten Wassers weitere Mengen von Wasser in das dann ungesättigte bzw. trockene Zerlegungsprodukt einspritzt. Hiedurch wird zwar die Temperatur des austretenden Zerlegungsproduktes weiterhin gesenkt und damit der Kälteverlust insgesamt anscheinend vergrössert, jedoch nicht nur diese neue Vermehrung der Kälteverluste, sondern auch der grösste Teil der Verluste,
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welche durch die zu schnelle Verdampfung des aus der Luft ausgeschiedenen Wassers entstanden war, wird von der billigen Verdunstungskälte gedeckt.
Der Teil der Kälteverluste, welcher durch die kostbare, im Zerlegungsprozess bei tiefsten Temperaturen erzeugte Spitzenkälte zu decken ist, wird somit erheblich vermindert.
In gleichem Masse, wie die Temperatur des Zerlegungsproduktes, erniedrigt sich auch die Temperatur der Speichermasse, wodurch ihr die im Beharrungszustand für eine rasche Wasserausscheidung notwendige Kälte zugeführt wird.
Es ist an sich schon vorgeschlagen worden, in die Zerlegungsprodukte der Luftzerlegung Wasser einzuspritzen, um eine Vorkühlung der Luft in den Fällen zu bewirken, in denen die zur Durchführung der Zerlegung notwendige Kälte durch Abdrosselung der zu zerlegenden Luft gewonnen wurde, da bekanntlich die Kälteleistung hiebei durch die Vorkühlung vergrössert wird. Bei der Verwendung von periodisch gewechselten Kältespeichern wird jedoch die Hauptmenge der Luft mit so niedrigen Drucken der Zerlegungsanlage zugeführt, dass ihre Drosselung keine nennenswerte Kälteleistung ergibt, so dass die zur Deckung der Verluste notwendige Kälte durch einen gesonderten Kälteerzeugungsprozess erzeugt wird.
Da auch die Kondensationswärme der Dämpfe bei der Verwendung von Regeneratoren ausgetauscht wird, musste eine Vorkühlung der Luft überflüssig erscheinen, zumal auch bei der infolge der geringen Druckunterschiede praktisch gleichen Wärmekapazität der beiden Gasarten die Luft die Verdunstungskälte nicht würde aufnehmen können. Die Anwendung der Verdunstungskühlung hat also im vorliegenden Falle keineswegs nahegelegen.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, die bei einer Klimaanlage auftretenden Kälteverluste dadurch zu decken, dass man in die Abluft, während sie zwecks Wärmeaustausch mit der Frischluft durch periodisch gewechselt Kältespeicher strömt, Wasser einspritzt. Hiebei werden in üblicher Weise die bei einem Kälteverfahren auftretenden Verluste bei der tiefsten Temperatur gedeckt und lediglich durch die im Gegensatz zur Luftverflüssigung geringe Endtemperatur der Abkühlung wird es möglich, hiefür Verdunstungskühlung zu verwenden.
Erst die Erkenntnis der vorliegenden Anmeldung, dass die bei höheren Lufteintrittstemperaturen auftretenden grossen Austauschdifferenzen nicht wie sonst bei Zerlegungsverfahren hauptsächlich durch Kälteverluste im Gebiet der tiefsten Temperaturen, sondern durch die Vorgänge am warmen Ende der Regeneratoren bedingt sind, ermöglichte die Behebung dieser Schwierigkeiten durch die Anwendung von Verdunstungskühlung.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird für das Beispiel der Zerlegung von Luft in Sauerstoff und Stickstoff an Hand der Figuren näher erläutert. In der Fig. 1 stellt 1 einen zweistufigen Luftzerlegungsapparat üblicher Bauart dar. 2 und 3 sind die Regeneratoren, in denen der Wärmeaustausch zwischen der Hauptmenge der Luft und dem in der Zerlegungsanlage gewonnenen Stickstoff erfolgt, während der Rest der Luft in den Regeneratoren 4 und 5 in Wärmeaustausch mit dem Sauerstoff abgekühlt wird. Die Luft hat einen Druck von 5 ata, infolgedessen besitzen die Zerlegungsprodukte bei einem Druck von etwa 1 ata ein fünfmal grösseres Volumen.
Das aus der Luft kondensierte Wasser kann also nach dem Umschalten schon in ein Fünftel der neuen Periode von den Zerlegungsprodukten verdampft werden, so dass in dieser kurzen Zeit auch die Hauptmenge der eigentlich in der gesamten Periode zu übertragende Kälte an die Speichermasse abgegeben wird. Erfindungsgemäss wird in die Zerlegungsprodukte, sobald das aus der Luft kondensierte Wasser verdampft ist, Wasser in fein verteilter Form eingespritzt. Um eine Vereisung zu vermeiden, erfolgt die Einspritzung an einer Stelle, an der die Temperatur des Gases 4 C übersteigt, gegebenenfalls wird das Wasser an mehreren Stellen unterteilt zugeführt. Zu diesem Zweck sind in den Speichern bei 6 a und 6 b, 7 a und 7 b bzw. 8 a und 8 b und 9 a und 9 b Hohlräume vorgesehen, in die mittels einer Zerstäubungsdüse Wasser eingeführt werden kann.
Die Steuerung der Wassereinspritzung erfolgt zweckmässig durch die Schaltmaschine, welche die Umschaltung der Regeneratoren bewirkt.
Da eine Verdunstungskühlung lediglich oberhalb 0 C, also nur innerhalb der ersten 10-15% der insgesamt im Speicher erfolgenden Temperatursenkung wirksam sein kann, sollte man vermuten, dass man das Wasser höchstens in einem Abstand vom warmen Ende des Regenerators einführen darf, der etwa ein Zehntel bis ein Achtel der Länge des Regenerators ausmacht. Erfindungsgemäss wird jedoch das Wasser, zum mindesten zum Teil schon an einer Stelle eingeführt, welche ein Drittel bis ein Viertel der Regeneratorlänge vom warmen Ende entfernt ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein Regenerator sogar noch in der Mitte im Mittel eine Temperatur von 0 C und mehr aufweisen kann, obwohl in ihm Luft von Raumtemperatur bis auf etwa-180 C abgekühlt wird.
Der Grund hiefür ist, dass die Wasserausscheidung und Verdampfung am warmen Ende des Regenerators eine erhebliche stärkere thermische Belastung der Speichermasse bedingt. Der Regenerator sucht dies in der Weise auszugleichen, dass der Temperaturabfall am warmen Ende vermindert wird und so in diesem Temperaturgebiet auf Kosten des kalten Endes eine grössere Speichermasse für den Wärmeaustausch herangezogen wird.
Wenn man nun gemäss der Erfindung dem warmen Ende des Regenerators, insbesondere durch
Verdunstungskühlung, einen Kälteüberschuss zuführt, so erreicht man den besonderen Vorteil, dass die Temperaturdifferenzen beim Wärmeaustausch in diesem Teil des Speichers vergrössert werden, wodurch auch das Temperaturgefälle vergrössert wird, so dass bei der neuen Arbeitsweise die Speicher-
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masse für den Austausch der fühlbaren Wärme unterhalb des Kondensationsgebietes des Wassers wieder vergrössert und so auch die Austauschbedingungen im kalten Teil des Regenerators beträchtlich verbessert werden.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich bis zu einem gewissen Grade auch durch andere Massnahmen erreichen, mit deren Hilfe dem warmen Ende der Speicher in billiger Weise ein Kälteüberschuss zugeführt werden kann, der nicht aus kostspieliger Spitzenkälte bei tiefster Temperatur stammt. So kann man z. B. mit einer Kältemaschine auf etwa 0 C gekühltes Gas zusätzlich neben den Zerlegungsprodukten durch das warme Ende des Regenerators leiten oder die Kälteabgabe des warmen Teiles der Speicher in der Warmperiode dadurch vermindern, dass man einen Teil der Luft nicht im Speicher, sondern getrennt, z. B. mittels einer Kältemaschine bis auf etwa 0 C abgekühlt und dann erst in den Speicher einleitet.
Eine etwa abweichende Arbeitsweise besteht darin, dass man dem warmen Ende der Regeneratoren den Kälteüberschuss nicht unmittelbar zuführt, sondern dass die Luft vor Eintritt in den Speicher mit Wasser berieselt wird, welches durch den aus der Zerlegungsanlage abziehenden Stickstoff gekühlt wurde. Die Wassermenge, welche vom Stickstoff verdampft wird, entspricht hiebei der zwecks Verdunstungskühlung in den Speicher eingespritzten Wassermenge, während der übrige Teil des Wassers die gleiche Wirkung wie die Speichermasse ausübt.
Die beiden Arbeitsweisen sind also äquivalent mit dem Unterschied, dass bei der zuerst beschriebenen Arbeitsweise bei feststehender Speichermasse der Gasstrom umgeschaltet wird, während bei der andern das Gas kontinuierlich strömt und das als Speichermasse dienende Wasser abwechselnd mit den verschiedenen Gasströmen in Berührung gebracht wird.
In Fig. 2 stellt 1 den Luftkühler und 2 den zur Rückkühlung des in 1 angewärmten Wassers dienenden Wasserkühler dar. Die auf den Zerlegungsdruek, z. B. 5 ata verdichtete, etwa 450 C warme und mit Wasserdampf gesättigte Luft wird bei 3 in den Turm 1 eingeführt und bei ihrem Aufsteigen gekühlt, wobei die Hauptmenge des in ihr enthaltenen Wassers niedergeschlagen wird. Sie verlässt den Turm 1 bei 4. Das durch die Abkühlung der Luft erwärmte Wasser wird bei 6 abgezogen und durch das Ventil 7 auf den Turm 2 entspannt und dort mittels des Verteilers 8 zerstäubt. Bei 11 wird in Turm 2 der aus der Zerlegungsanlage kommende entspannte Stickstoff eingeführt.
Obwohl die Menge des Stickstoffes höchstens 80% der in 1 abgekühlten Luftmenge beträgt, ist sein Volumen infolge der zur Zerlegung notwendigen Druckdifferenz ein Vielfaches desjenigen der Luft. Infolgedessen ist der Stickstoff, obwohl er in dem zum Wärmeaustausch dienenden periodisch gewechselten Kältespeicher den Feuchtigkeitsgehalt der Luft aufgenommen hatte, weitgehend an Wasserdampf ungesättigt. Er kann also in Turm 2 eine beträchtliche Menge Wasser verdampfen und neben seinem Kälteinhalt eine Kältemenge an das Wasser abgeben, welche im allgemeinen die Kältemenge übersteigt, die zur Kühlung der verdichteten Luft und zur Kondensation des in ihr enthaltenen Wassers notwendig ist.
Der Stickstoff verlässt Turm 2 bei 12, während das rückgekühlte Wasser bei 9 entnommen und durch die Pumpe 10 auf den Turm 1 zurückgefördert wird, in den es mittels des Verteilers 5 eingeführt wird.
Die Temperatur, auf welche die Luft bei dieser Arbeitsweise vor Eintritt in die Speicher abgekühlt wird, stellt sich automatisch als thermisches Gleichgewicht zwischen den Regeneratoren und der Vorkühlung ein. Sie richtet sich hauptsächlich nach der Menge des Stickstoffes, seinem von dem Druckverhältnis Luft zu Stickstoff abhängigen Sättigungsgrad, der Eintrittstemperatur der Luft, der umlaufenden Wassermenge und den bei der Vorkühlung auftretenden Kälteverlusten.
Selbst bei Lufteintrittstemperaturen von 45 C und mehr ist bei einem Druckverhältnis Luft : Stickstoff von etwa 5 eine Abkühlung der Luft auf etwa 5 und damit eine weitgehende Abscheidung des in ihr enthaltenen Wassers möglich, da bis zu diesen Temperaturen die durch die Aufsättigung des Stickstoffes mit Wasser freiwerdende Kältemenge die zur Abkühlung der verdichteten Luft und zur Kondensation des in ihr enthaltenen Wassers in diesem Temperaturgebiet notwendige Kälte übersteigt. Voraussetzung hiefür ist jedoch, dass die zwischen Luftkühler und Wasserkühler umlaufende Wassermenge möglichst klein gehalten wird.
Man wird also nur einen geringen Überschuss über die notwendige Mindestwassermenge anwenden, die sich daraus berechnet, dass ihr Kälteinhalt ausreichen muss, um die zur Abkühlung der Luft und zur Kondensation des Wassers notwendige Kältemenge innerhalb der auftretenden Temperaturdifferenzen zu liefern.
Die bei der Abkühlung der Luft zu kondensierende Wassermenge ist bei höheren Temperaturen wesentlich grösser als bei niedrigen Temperaturen. Infolgedessen ist auch bei höheren Temperaturen die zur Abkühlung der Luft notwendige Kältemenge und damit die Kühlwassermenge grösser als bei niedrigeren Temperaturen. Man kann nun die bei der Vorkühlung erreichbare tiefste Temperatur dadurch erniedrigen, dass man nicht, wie bei dem Verfahren nach Fig. 1 die gesamte Wassermenge gleichmässig durch die Türme führt, sondern gemäss Fig. 2 im kalten Teil der Kühltürme eine geringere Wassermenge anwendet als in dem warmen Teil. Gleichzeitig wird hiedurch die Zeit, die zur Erreichung des Beharrungszustandes nach der Inbetriebnahme notwendig ist, vermindert.
In Fig. 3 stellt 1 wieder den Luftkühler dar, in dem die Luft bei 3 eingeführt wird und bei 4 austritt. 2 ist der Wasserkühler, in dem das bei 1 erwärmte Wasser rückgekühlt wird. Das Wasser wird nach Entnahme bei 9 und Verdichtung in der Pumpe 10 wieder auf den Turm 1 aufgegeben.
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Ein Teil des in 2 rückgekühlten Wassers wird bei mittlerer Temperatur, beispielsweise 20 C, bei 13 aus dem Turm entnommen, durch die Pumpe 14 auf den Zerlegungsdruck der Luft verdichtet und bei 15 in den Turm 1 an einer seiner Temperatur entsprechenden Stelle eingeführt. Der Durchmesser der Türme wird zweckmässig der in ihnen umlaufenden Wassermenge angepasst, d. h. also, ihr
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30-50% der im warmen Teil umlaufenden Menge betragen.
An Stelle je eines Luft-und Wasserkühlers, welche mit verschiedenen Wassermengen im warmen und kalten Teil betrieben werden, kann man auch je zwei Kühler aufstellen. In einem Paar wird die Kühlung der Luft bzw. des Wassers bis auf die mittlere Temperatur von etwa 20 C vorgenommen, während in dem weiteren Paar die Kühlung von 20 C bis auf die tiefste erreichbare Temperatur, beispielsweise 5 C, erfolgt. Ferner ist es möglich, die in den einzelnen Teilen der Türme umlaufende Wassermenge noch weitgehend dem Kältebedarf anzupassen und zu diesem Zweck eine mehrfache Unterteilung der Wassermengen vorzunehmen.
Die Luft wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren mit geringen Kosten auf eine Temperatur von etwa 5 C bei dem entsprechend niederen Feuchtigkeitsgehalt vorgekühlt. Der Kältespeicher wird daher im warmen Teil weitgehend entlastet, die Temperatur in der Mitte des Speichers wesentlich gesenkt und hiedurch mittelbar eine grössere Speichermasse für die Abkühlung bei tiefen Temperaturen zur Verfügung gestellt. Dies bedingt eine Verminderung der Temperaturschwankungen im kalten Teil des Speichers, wodurch wieder der Teil Zerlegungsprodukte, der zusätzlich durch die Speicher hinausgeführt werden muss, um zwecks Sicherstellung der Sublimation der Kohlensäure die Schwankungen gering zu halten, verkleinert werden kann.
Insgesamt wird also durch die erfindungsgemässe Arbeitsweise die Menge Hochdruckluft verringert, welche zur Deckung der Kälteverluste und zur Schaffung des Überschusses an Zerlegungsprodukten, der durch die Speicher herausgeleitet wird, notwendig ist, und damit der Energiebedarf gesenkt.
Das Verfahren wurde voranstehend für das Beispiel der Vorkühlung von Luft vor ihrer Zerlegung durch Verflüssigung und Rektifikation unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher für den Wärmeaustausch beschrieben. Es lässt sich in gleicher Weise bei beliebigen Gasgemischen anwenden, die in Kältespeichern gekühlt werden sollen. Ferner kann die Kälteübertragung zum Teil mittelbar erfolgen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Zerlegung von Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt durch Verflüssigung und Rektifikation unter Verwendung periodisch gewechselter Kältespeicher für den Wärmeaustausch, dadurch gekennzeichnet, dass dem warmen Ende der Regeneratoren ein Kälteüberschuss, insbesondere durch Verdunstungskühlung zugeführt wird.