Niederdruckverfahren zum Zerlegen von Gasgemischen unter Teilverflüssigung. Das Zerlegen von tiefsiedenden Gasge mischen, beispielsweise von Luft, in ihre Hauptbestandteile wurde bisher sehr behin dert durch den Umstand, dass die in .der Luft enthaltenen Wasser- und Kohlensäure dämpfe in den Röhren-Gegenstrom-Kälte- tauschern ausfrieren und dadurch Verstop fungen herbeiführen,
so @dass .die Zerlegungs apparatur bei .den zur Zeit bekannten Ver- 'ahren nach kürzerer oder längerer Betriebs- zeit regelmässig aufgetaut werden musste, auch wenn das Gasgemisch chemisch oder thermisch vorbehandelt wurde.
Des weiteren wird nach den bestehenden Verfahren die Wirtschaftlichkeit sehr beein trächtigt durch .den Umstand, dass zur D.ek- kung der Kälteverluste mindestens ein Teil der zu zerlegenden Luft auf einen höheren Druck verdichtet werden muss, als die Zer legung an sich erfordert.
Drittens fussen alle bekannten Verfahren mit Ausnahme des Lachmannschen (D. R,. P. Nr. 1-67931) auf der Totalverflüssigung des zu zerlegenden Gasgemisches, die bekannt lieh einen höheren Kraftbedarf erfordert, als die Teilverflüssigung.
Das Lachmann'sche Verfahren besitzt aber den Nachteil, ,dass die Entfeuchtung des zu zerlegenden Gas gemisches undd ie Ausscheidung dr Kohl- lensäure sehr erschwert wird, weil hier ein grösserer Teil des Gemisches ohne Überdruck zerlegt werden soll.
Die Ansammlung von Reif in .den Kälte- tauschern ist nur beim Kältespeicher-Um- schalt-Wechselbetrieb zu verhindern, bei dem der Reif durch Sublimation von den herausgeleiteten:
Zerlegungsprodukten wieder aufgenommen wird. Die Anwendung dieses Kältetauschersystems mit Sublimationswir- kung ist aber nur dann besonders wirtschaft lich, wenn das Gasgemisch nicht wesentlich höher als 4 Atü verdichtet werden muss; andernfalls machen sich die Verluste an Verdichtungsenergie stark bemerkbar, weil beim jedesmaligen Umschalten, das etwa alle drei Minuten vor sich gehen .soll, die Druck- luftfüllung der Kältespeicher verloren geht und neu zu ersetzen ist.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Niederdruckverfahren mit Totalverdichtung aber nur teilweiser Verflüssigung des zu zerlegenden Gasgemisches in Verbindung mit dem Kältes.peicher-Umschalt-Wechsel- betrieb zur Übertragung des Feuchtigkeits- und Kohlensäuregehaltes auf die Zerlegungs produkte und mit dem Betrieb einer Expan sionsmaschine durch den verfügbaren Über schuss an verdichtetem Gas.
Die Teilverflüssigung steht hier schein bar im Widerspruch zur Totalverdichtung, denn die Teilverflüssigung sollte auch eine Teilverdichtung zur Voraussetzung haben. Dem steht aber entgegen, dass die Beseitigung des Reifes aus dem Wasserdampf- und Koh lensäuregehalt des Gasgemisches durch Sub limation unbedingt eine Totalverdichtung erforderlich macht.
Demnach müsste hier die Reifausschei- dung durch .den erhöhten Kraftaufwand der Totalverdichtung auf Kondensatordrück er kauft werden.
Dieses Opfer wird aber hier .dadurch um gangen, dass von der zuviel verdichteten Gas. gemischmenge nach .der Vorzerlegung unter Teilverflüssigung das Leichtsiedende (bei Luft also der Stickstoff) insoweit wieder aus dem Trenner mit Überdruck unverflüs- sigt entnommen und arbeitleistend in einer Expansionsmaschine entspannt wird (um damit die Kälteverluste zu decken), als diese Gasmenge nicht zur Bildung der erforder lichen Waschflüssigkeit gebraucht wird.
Die zuviel verdichtete Gasgemischmenge dient also hier als Betriebsmedium der Expansionsmaschine, in der sie nach voraus gegangener Vorzerlegung als leichtsiedendes Zerlegungsprodukt arbeit- und kälteleistend entspannt wird, um mit der .dadurch erzeug ten Kälte die Kälteverluste der Anlage zu decken.
Dieses Niederdruckverfahren kann aber auch so durchgeführt wer den, dass die zu viel verdichtete Gasgemischmenge ohne Vor- zerlegung in der Expansionsmaschine ent spannt wird.
Die drei -Vorgänge: Niederdruck-Total- verdichtung behufs Verhütung der Reifan- sammlung durch Sublimation im Kälte .speicher-Umschalt-Wechselbetrieb, Teilver flüssigung zwecks Minderung es Kraftbe darfes und Entspannung des zuviel verdich teten Gasgemisches oder des leichtsieden den Bestandteils dieses Gemisches in einer Expansionsmaschine stehen gegenseitig im engsten Zusammenhang;
denn nur @durc;h Totalverdichtung und Kältespeicher-Um- schalt-Wech.selbetrieb ist ohne anderweitige Vorbehandlung die Reifansammlung zu ver meiden, anderseits kann aber nur durch die Teilverflüssigung der Kraftbedarf wesent lich herabgesetzt werden. Gleichzeitig er fordert aber bekanntlich jeder Betrieb von Gasgemiseh-Zerlegungsanla.gen einen KäIte- zuschuss in Form von flüssigem Gas.
Hier wird nun der Überschuss an Verdichtungs arbeit der Totalverdichtung über den Be darf der Teilverflüssigung dazu verwendet, um in der Expansionsmaschine Zusatzkälte zu leisten.
Mit diesem Verfahren .kann nunmehr Luft .durch einfache Verdichtung auf d bis 4 Atü, ohne weitere Vorbehandlung in ihre Hauptbestandteile zerlegt werden und die ganze Einrichtung hierzu besteht zum Bei spiel nur noch aus einem Niederdruckver- dichter (für grosse Anlagen als Turbokom pressor ausgebildet), der Expansious-Kol- benmaschine oder Turbine und zwei Paar Kältespeichern nebst dem Trenner für Vor zerlegung und Nachrektifikation.
Bisher war immer noch ein Mindestüber druck von 15 Atü. für den Betrieb solcher Anlagen nötig, um neben der Zerlegung auch noch .die Deckung der unvermeidlichen Kälteverluste zu bestreiten, oder es musste ein Teil des zu zerlegenden Gasgemisches auf 50 bis 60 Atü. verdichtet werden. Diese Drücke sind aber für den Kältespeicher- Umschalt-Wechselbetrieb unwirtschaftlich.
Des weiteren war dabei ,stets noch eine besondere Vorbehandlung der zu zerlegen- den Luft zur Verhinderung der Reifen sammlung durch Chemikalien, Laugenberie- selung oder Kühlung zu betreiben, und es waren teure mehrstufige Verdichter anzu schaffen. Ein Turbobetrieb war bisher des hohen Druckes wegen ebenfalls. nicht an wendbar, wenn nicht eine besondere Anlage zur Erzeugung der flüssigen Zusatzluft zur Aufstellung kam, und ebenso ist ein Kälte speicUer-Umschalt-Wechselbetrieb für den Kältetausch ausgeschlossen, wenn,der Betrieb wesentlich über 4 Atü. hinausgeht, weil dann der Druckluftverlust beim Umschalten zu gross wird.
Dabei war es aber bisher trotz der an gewendeten umständlichen Vorbehandlung der zu zerlegenden Luft mit Chemikalien, Laugenberieselung und Kühlung nicht mög lich, solche Anlagen ohne Unterbrechung in folge des Einfrierens zu betreiben, und die Einrichtungen hierfür verteuerten zusammen mit .der kostspieligen Verdichteranlage solche Werke so sehr, .dass eine allgemeine Einfüh rung .der Stickstoffausscheidung aus, der Luft für den Betrieb von Eisenhüttenwerken und die chemische Industrie schon an den hohen Anschaffungskosten scheiterte, von dem zu hohen Kraftbedarf, der Vielgestaltigkeit,
dem Chemikalienverbrauch und den Be triebsunterbrechungen infolge des Einfrie. reiss ganz abgesehen.
Die Betriebsunterbrechungen wirken sich auch insofern ungünstig auf die Anlage kosten aus., als aus diesem Grunde gewöhn lich eine Reserveapparatur mit zu beschaf fen ist.
Eine weitere Ausbildung des Verfahrens besteht nun darin, dass, zum Beispiel bei der Zerlegung von Luft, mit dem Auspuff der Expansionsmaschine im Verein mit .dem in der Nachzerlegungssäule ausgeschiedenen Stickstoff die beiden in der Drucksäule er zeugten Waschflüssigkeiten, nämlich der flüssige Rohsauerstoff und der flüssige Waschstickstoff, vor der Entspannung nach gekühlt werden;
durch das Entspannen der Waschflüssigkeiten von 3 bis 4 Atm. Über druck auf den Druck der Nachrektifikation (0,2 Atm. Überdruck) wurde wieder ein wesentlicher Teil .derselben verdampft und da-s würde zu Energie- und Kälteverlusten führen.
Dies zu vermeiden, wird nun hier die Kälteleistung der Expansionsmaschine dazu benützt, um .die Waschflüssigkeiten .nachzu- kühlen, ehe sie entspannt werden, so dass auf diese Weise ein ständiger Überschuss an Flüssigkeit zur Deckung .der Kältever luste entsteht und auch ein Verlust an Ver dichtungsaufwand durch wiederverdamp fende Waschflüssigkeit während der Ent spannung vermieden wird.
Bei Anlagen mit Totalverflüssigung mit kontinuierlich wir kenden Röhren-Kältetauschern beliebiger Bauart ist die Nachkühlung der Naschflüs sigkeit durch das Leichtsiedende der Zer legungsprodukte schon in Vorschlag gebracht worden; bei diesen Anlagen ist sie aber ganz zwecklos, denn bei der Totalverflüssigung besteht ohnedies ein Überschuss von Wasch flüssigkeit und aus der tieferen Temperatur des abziehenden Leichtsiedenden entsteht kein Nachteil,
weil dieser in Form von tie ferer Temperatur bestehende Kälteüberschuss des Leichtsiedenden in diesen Tauchern eine teilweise Vorverflüssigung des eingeleiteten Gasgemisches hervorruft. Das tritt zwar auch in den Kältespeichern ein; allein in diesen kommt die Flüssigkeit nicht zum Abfluss, das. sie sich nur als Tau an den Flächen des untern Speichereinsatzes ansetzt, wenn verdichtetes Gasgemisch, in die Spei cher eingeleitet wird, welche vorher durch das um, 10 bis 20' kältere Leichtsiedende unterkühlt wurden.
Dieser Tau verdampft aber sofort, wenn durch das nachfolgende Umschalten der betreffende Speicher wieder drucklos wird und dieser Kälteanteil wird dann oben hinausgetragen.
Bei der Zerlegung von Luft verläuft die ser Vorgang zum Beispiel wie folgt: Dxe auf 4 Atü. (verdichtete Luft ver flüssigt sieh bereits bei einer Temperatur von -178 , der abziehende Stickstoff be sitzt aber eine Temperatur von -196 , ist also um 18 kälter, wodurch der betreffende Kältespeicher, durch den jeweils der Stick stoff herausgeleitet werden soll, stark un terkühlt wird. Wenn nun nachfolgend wie der Druckluft von 4 Atü. in diesen Spei cher eingeleitet wird, dann verflüssigt sich ein kleiner Teil davon an den unterkühl ten Flächen des untern Speichereinsatzes, bleibt aber an diesen als Tau haften.
Wird nun dieser Speicher auf .Stickstoff umge schaltet, dann verdampft diesr Tau sofort vollständig, weil er im drucklosen Zustand erst bei<B>-198'</B> weiterbestehen kann und damit geht dieser sehr beträchtliche Kälteanteil verloren, indem damit die kalte Zone der Speichereinsätze immer höher steigt und dadurch der Kälteübers,chuss des Leichtsie denden nach geraumer Zeit oben hinausge tragen wird. Dies zu vermeiden, wird daher .das Leichtsiedende zweckmässig zuerst im Kältetausch mit den wärmeren Waschflüs sigkeiten annähernd bis auf die Verflüs sigungstemperatur des verdichteten Gasge misches erwärmt.
Auf beiliegender Zeichnung ist in Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
Diese Einrichtung, die zum Beispiel zum Zerlegen von Luft dienen soll, besteht aus den Druckluft-Kältespeichern A',<I>A"</I> und<I>B',</I> B", dem Verdampfer-Kondensator b, dem untern (Überdruck-) Rektifikator c', dem obern Nachrektifikator c", dem Nachkühler d für die Waschflüssigkeiten und der Ex pansionsmaschine h.
Von der zu zerlegenden Luft werden 3/4 bis 4/5 mit 3 bis 4 Atü. durch das Um schaltventil k' in den DruGkluft-Kältespei- cher A' eingeleitet; diese Luftmenge kühlt sich in diesem bis -175 ab und wird nun im untern Rektifikator c' in gasförmi gen Stickstoff und 40 % igen flüssigen Sauer stoff zerlegt;
der Stickstoff wird dann auf der Kondensatorseite des Sauerstoffverdamp fers b zur Hälfte bis zu 3/4 verflüssigt, worauf die Stickstoffflüssigkeit über den Nachkühler d mit Leitung 1 auf den Kopf und die Sauerstoffflüssigkeit aus dem Rek- tifikator c' ebenfalls über den Nachkühler d mit Leitung 2 in der Mitte des obern Rek- tifikators ausgegossen wird, um als Wasch flüssigkeit für die Sauerstoffdämpfe aus dem Verdampfer b zu dienen.
Zu einem Viertel bis zur Hälfte wird der gasförmige Stickstoff mit -175 durch Lei tung 4 der Expansionsmaschine h zugeleitet, in dieser zum Beispiel auf 0,1 Atü ent spannt und dabei auf -196 gekühlt, wo bei sich bereits etwas vorflüssigt, so dass ein übersättigter Dampf mit etwa 5 % Flüs sigkeitsgehalt in Nebelform entsteht, der dann bei o mit Leitung 3 in den Nachkühler d geleitet wird. Die erzielbare Kälteleistung beträgt theoretisch 8 Kal., praktisch jedoch nur 5 Kal. pro kg Luft.
Der Auspuffstickstoff wird zusammen mit dem im Rektifikator c" ausgeschiedenen Stickstoff durch den Nachkühler d für die Waschflüssigkeiten geführt, gibt dort seine fühlbare Kälte von -196 bis -180 ab und kühlt damit die unter einem Druck von '3 bis 4 Atü. entstandenen Waschflüssig keiten von<B>-178'</B> auf<B>-190'</B> nach, um .deren teilweise Verdampfung bei der Ent spannung zu vermindern, woraus sich ein Gewinn an Flüssigkeit einstellt, .der zur Dek- kung der Kälteverluste dient.
Aus dem Nachkühler wird der Stickstoff sodann durch den Kältespeicher A" hin durchgeleitet, den er oben bei m" verlässt, nachdem er in ihm seine Kälte abgegeben hat. Im Abstand von einigen Minuten wird jeweils umgeschaltet und 3/4 bis 4/5 der Druckluft werden dann in den Speicher A" bei 7c" eingeleitet. Dabei nimmt die Druck luft aus dem vorher vom kalten Stickstoff durchströmten Kältespeicher stets die Kälte wieder auf, welche der Stickstoff an die Me tallmasse des Speichers vorher abgegeben hat.
Der Sauerstoff dagegen wird abwechselnd durch die beiden Kältespeicher B' und B" bei<I>n'</I> und<I>n"</I> herausgeführt, durch welche abwechselnd '/5 bis '/4 der zu zerlegenden Luftmenge bei<I>t'</I> und t" eingeleitet wird um die fühlbare Kälte des Sauerstoffes auf zunehmen.
Um beispielsweise 250 cbm Sauerstoff von 75 % Reinheit zu gewinnen, sind 1000 cbm Luft auf 3 Atü. zu verdichten, durch die Kältespeicher zu leiten und im untern (Überdruck-) Rektifikator c' in 40%igen Sauerstoff und reinen Stickstoff vorzuzer- legen. Aus dem Rektifikator c' werden 300 cbm Stickstoff der Expansionsmaschine zugeführt, in dieser zum Beispiel auf 0,2 Atü. entspannt und zusammen mit dem im obern (Nach-) Rektifikator c" ausgeschie- ,denen Stickstoff als Auspuff .durch den Nächkühler d .geschickt.
Die durch Arbeits leistung in der Expansionsmaschine prak tisch erzielbare Kälteleistung aus diesen 300 cbm = 360 kg Stickstoff beträgt: 360.5 = 1800 Ka1.
Die Expansionsmaschine liefert nun zwar diese Kälteleistung, aber nicht in Form von flüssiger Luft, sondern als- fühlbare Kälte des Auspuffes: Die fühlbare Auspuffkälte wird nun da durch in flüssige Luft umgesetzt, dass die Waschflüssigkeiten mit dem Kälteinhalt :des Auspuffes.. im Verein mit dem ausgeschie denen Stickstoff aus .der Nachzerlegung nachgekühlt werden, während der Betriebs stickstoff der Expansionsmaschine durch Überdruck-Vorzerlegung der Luft in ihre Hauptbestandteile gewonnen wird.
Die_ Expansionsmaschine kann. .aber auch durch Luft betrieben werden, die dann nach träglich als Auspuff zerlegt wird. Ein Bei spiel einer Einrichtung, in der das Verfah ren auf diese Weise ausgeführt wird, ist in Fig. 2 veranschaulicht.
In diesem Falle wird das Betriebsmittel der Expansionsmaschine nicht oben aus der überdruck-Vorzerlegung als Stickstoff entnommen, sondern unten bei x als Luft, und der Auspuff wird nun zu erst mit Leitung 5 bei r in :den Nachrekti- fikato.r geleitet, dort zerlegt und erst dann wird sein Stickstoffanteil gemeinsam mit dem übrigen ausgeschiedenen Stickstoff durch den Nachkühler geführt, um die Waschflüssigkeiten nachzukühlen. Gegenüber der Überdruck-Vorzerlegung besitzt :diese Art des Verfahrens :den Nach teil, :
dass der Umsatz im obern (Nach-) R:ek- tifikator sich um die Auspuffmenge vergrö ssert und durch den .stossweisen Auspuff betrieb die R,ektifikatio:n etwas behindert wird. Auch entsteht :durch den Widerstand im obern Rektifikator :ein höherer Auspuff Gegendruck. Des weiteren ist der Stickstoff aus der Vorzerlegung als Betriebsgas für die Expansionsmaschine geeigneter, weil er .sich bis<B>-196'</B> abkühlen läss.t, Luft :dagegen nur bis -191 .
Dies wirkt sich hier besonders ungünstig aus, weil die nachzukühlenden Waschflüs- :sigkeiten schon eine Temperatur von -180 besitzen, so dass nur noch ein Temperatur gefälle von 11 .gegen 16 beim Stickstoff verfügbar ist. Da man aber stets auch noch mit einer Übertragungsdifferenz von 5 rechnen muss, so verbleiben nur noch 11 - 5 = 6 .als nutzbares Temperatur gefälle gegen<B>16</B> -- 5 = 11 , also wenig über die Hälfte des beim Stickstoffbetrieb nutzbaren Temperaturgefälles.
Da diesen Nachteilen keine Vorteile ge genüberstehen, so ist im allgemeinen die Vorzerlegung der Luft für den Betrieb: der Expansionsmaschine vorzuziehen, zumal beim Betrieb mit nicht zerlegter Luft im Sätti gungsgebiet eine teilweise Vorverflüssigung des Sauerstoffes in der Expansionsmaschine eintritt, was -die Kälteleistung der Maschine sehr beeinträchtigt.
Die Verhütung der Reifansammlung durch Sublimation ist nur .im Kä1tespeieher- Umschalt-Wechselbetrieb, nicht aber beim kontinuierlichen! gältetauscherbetrieb mög lich, denn der Umschalt-Wechselbetrieb .setzt voraus, dass die Zerlegungsprodukte :durch denselben Raum h.erausgeleitet werden, durch den sie einziehen. Beim kontinuierlichen Kältetausch ist dies aber nicht der Fäll, .denn da sind die ein- und ausströmenden Mittel voneinander :durch die Wand der Übertra gungsflächen :getrennt.
Da die eingeleitete Luft auf einige Atm. Überdruck verdichtet wird, die Zerl:egungs- produkte dagegen ohne Druck herausgelei- tet werden., so ist das ausziehende Volumen wesentlich grösser als das einziehende. Da durch wird die Feuchtigkeitsaufnahme be günstigt, dp, sie eine Funktion des Volumens, nicht aber des Gewichtes der Gase ist.
Die drucklos herausgeleiteten Zerlegungs produkte vermögen daher im Umschalt- Wechselbetrieb aus den Kältespeichern leicht die Feuchtigkeit wieder aufzunehmen, die sich beim Einleiten der verdichteten Luft an den Flächen als Reif während einer kurzen Um schaltperiode von einigen Minuten angesetzt hat.