DE734573C - Verfahren zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen Es ist bekannt, wertvolle Bestandteile aus Gasen, die in diesen in verhältnismäßig geringer Menge enthalten sind, z. B. Krypton und Xenon aus der Luft, durch Tiefkühlung und rektifizierende Waschung des Gases zu gewinnen. Die für den Beharrungszustand einer solchen Waschanlage erforderliche Dekkung der Kälteverluste erfolgt dabei im wesentlichen durch eine oder mehrere Entspannungsturbinen, die in den aus der Waschsäule ein- oder austretenden Hauptgasstrom geschaltet sind und- in denen das Gas unter Überwindung eines Druckgefälles von weniger als 5 at arbeitleistend entspannt wird. Unter Hauptgasstrom ist dabei der überwiegende Teil des in die Waschanlage ein- oder austretenden Gases zu verstehen. Daneben können geringe Mengen Gas der Waschanlage gasförmig oder flüssig zugeführt oder ihr entnommen werden, die nicht an der arbeitleistenden Entspannung teilnehmen, z. B. das die wertvollen Bestandteile enthaltende Waschprodukt, ohne daß dadurch die Kälteleistung der Entspannungsturbinen praktisch beeinträchtigt wird.
• Neben der arbeitleistenden Entspannung sind bisher stets noch andere Kältequellen benutzt worden, insbesondere um die Spitzenkälte, die bei der Erzeugung der Waschflüssigkeit wegen der unvermeidlichen Kälteverluste im Beharrungszustand ständig ergänzt werden muß, zu decken, d. h. also, um jene Kälte zu erzeugen, die bei der tiefsten im System auftretenden Temperatur gebraucht wird. Als Kältequelle hierfür wurde hauptsächlich die Drosselentspannung einer geringen, auf hohen Druck, z. B. Zoo at, verdichteten Gasmenge benutzt. Es ist für die Luftzerlegung auch vorgeschlagen worden, bei Totalverdichtung der Luft auf einen mittleren Druck, einen Teil derselben in einer Entspannungsmaschine und eitlen Teil in eitlem Drosselventil zu entspannen, wohei wiederum durch die Drosselentspannung die Spitzenkälte gedeckt wird. Es ist ferner bekannt. bei Gaszerlegungsanlagen zur Erzeugung der tiefsten in dem System auftretenden Temperatur die gebildete Flüssigkeit unter Unterdruck zti verdampfen. Dieses Verfahren ist jedoch bei der Waschung grol,ler Gasmengen wegen der hohen Vakuumarbeit im allgemeinen ungeeignet. Es ist auch ein Verfahren zur zweistufigen Luftzerlegung bekanntgeworden, bei dein die gesamte erforderliche Kälte nur durch arbeitleistende Entspannung eines Teiles der auf einen mittleren Druck verdichteten Luft oder eines Teiles des unter dem gleichen Druck stehenden Stickstoffes der Drucksäule erzeugt wird. Da hierbei die Hauptmenge der Luft nicht arbeitleistend entspannt «-erden kann, ist dieses Verfahren nicht besonders wirtschaftlich, abgesehen davon, da?) es sich nicht auf das der Erfindung zugrunde liegende Waschverfahren anwenden läßt.
• Obwohl bei den Entspannungsmaschinen verhältnismäßig gute thermodynamische kungsgrade his zu o,7 und dariiber erreicht werden, wurden trotzdem bei allen großen Anlagen zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen durch rektifizierende Waschung, insbesondere c. B. bei Anlagen zur Gewinnung des Krypton aus der Luft. mehrere der erwähnten Kälteerzeugungsrerfahren nebeneinander verwendet, also außer der arbeitleistenden Entspannung der Hauptnienge des auf verhältnismäßig geringen Druck verdichteten Gase: auch die Drosselentspannung eines auf hohen Druck verdichteten Teiles des in die Anlage eintretenden Gases. Hierbei war die Überlegung maßgebend, daß dies für die Kälteerzeugung günstiger ist, als die gesamte Gasmenge auf einen etwas höheren Druck zu verdichten.
• Die Erfindung bricht mit diesem Vorurteil. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß es in bestimmten Fällen aus verschiedenen Gründen günstiger und vor allem billiger sein kann, die gesamte Gasmenge nur auf den Druck zu verdichten, der ohnehin für die Verarbeitung des Gases oder der Luft erforderlich ist, und claß es für die Deckung des gesamten Kältebedarfes völlig genügt, das geringe, weniger als 5 at betragende Druckgefälle, soweit es nicht durch den Strömungswiderstand in der Anlage verbraucht wird, in einer oder mehreren parallel arbeitenden Entspannungsturbinen auszunutzen, wobei geinäß der Erfindung die arbeitleistende Entspannötig rles Gases unter Ausschluß anderer 1`älte(luellen bis auf die tiefste im System auftretende Temperatur erfolgt, so @ daß durch die Entspannungsturbine tatsächlich der gentte Kältebedari im Beharrungszustand einscliliel:,licli der Spitzenkälte im S:ittigungs-'biet gedeckt wird.
• Bei der Durchführung der Erfindung kommen alle für die sonst übliche Hochdruckverdichtung benötigten Apparate und Maschinen (Kompressoren. I_atigetyäsclte, Trocknung;-zailage, Kompressionskälteanlagen tisw.) in Fortfall, wodurch so@i-ohl die Lau- als auch die l,etriel)sl;osteii gesenkt werden. Dabei ,rird der Energieauft@-and für die hä lteerzeurung praktisch nicht oder kaum geändert.
• Bevor die für die Anwendung des erfindungsgeinäßen Verfahrens in Frage kommenden, meist verhältnismäßig großen Anlagen ini Beharrungszustand betriebstitäßig arbeiten, müssen sie bis auf die Betriebstemperatur abgekühlt werden. Es ist zweckmäßig, auch bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung hierfür eine zusätzliche Kälteanlage, z. E. Hochdruck mit arbeitleistender und Drosselentspannung, zu benutzen, die Jedoch nach Abkühlen der Anlage für den Beharrung:- und Betriebszustand wieder abgeschaltet wird. Besonders zweckmäßig ist die Anordnung einer solchen Kühlanlage, wenn mehrere Anlagen gemäß der Erfindung parallel betrieben werden. Es gerügt dann eine einzige Kühlanlage, die nach Bedarf zum Aniahren auf eine der Anlagen gentäl.l <leg Erfindung geschaltet werden kann, um sie bis zur oder bis nahe an die Betriebstemperatur abzukühlen. 1e mehr Anlagen gleichzeitig nebeneinander betrieben werden, um so größer sind dann die Vorteile des erfindungsgeniäf,en Verfahrens, da die einzige vorhandene hiililanlage für die Inbeti-iet)setztint; praktisch beliebig vieler Anlagen gemäß der Erfindung genügt.
• Bei den bisher angewendeten Verfahren erfolgt die Kälteregulierung während des Beharrungszustandes durch Druck- oder Mengenänderung des Hochdruckgases. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt dagegen bei wechselndemKältebedarf dieKälteregulierung ng zweckmäßig durch Änderung der Belastung der Entspannungsturbine. Wenn die Entspannungsturbine mit einem elektrischen Stromerzeuger gekuppelt ist, kann die Änderung der Belastung z. P. auf der elektrischen Seite erfolgen. Sie kann aber auch mechanisch be- wirkt werden, z. L. durch Betätigung eines Parallelventils zur Entspannungsturbine. Ist der Kältebedarf geringer als die größte Kälteleistung der Turbine, so wird die richtige Kälteleistung entweder durch Verringerung der elektrischen Belastung oder durch geringes Öffnen des Parallelventils einreguliert. In beiden Fällen wird die nach außen abgegebene Arbeit und damit die Kälteleistung der Turbine herabgesetzt. In Verbindung hiermit besteht auch die Möglichkeit zur selbsttätigen Regulierung des wechselnden Kältebedarfes der Anlage durch Änderung der Belastung der Entspannungsturbine in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Sammelgefäß der Waschsäule mittels Fernsteuerung; denn Kälteschwankungen, insbesondere im Gebiet der Spitzenkälte, äußern sich durch schwankende Verdampfung dieser Flüssigkeit.
• Wird eine erfindungsgemäße Anlage in Verbindung mit periodisch umschaltbaren Kältespeichern betrieben, in welchen das eintretende Gas abgekühlt und das austretende Gas angewärmt wird, so ist es für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern ausgeschiedenen Verunreinigungen des Gases bei verhältnismäßig geringen Druckunterschieden erforderlich, daß aus den Kältespeichern mehr Gas heraus- als hereingeführt wird. Hierzu diente bei den bisherigen Anlagen die Hochdruckluft. Ferner ist es unter Umständen zweckmäßig, zur Erzielung einer Waschflüssigkeit, welche von den zu gewinnenden Bestandteilen frei ist, einen Teil des zu verarbeitenden Gases einer Vorrektifikation zu unterziehen. Auch dieser Gasanteil kann über periodisch umschaltbare Kältespeicher der Anlage zugeführt werden. In allen solchen Fällen ist es zweckmäßig, daß das für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern ausgeschiedenen Bestandteile erforderliche zusätzliche Gas der Anlage gemäß der Erfindung unter dem gleichen oder nahezu gleichen Druck zugeführt wird wie die Hauptmenge des zu verarbeitenden Gases, oder, falls mehrere Paare von Kältespeichern vorhanden sind, höchstens unter dem gleichen oder nahezu gleichen Druck, welcher dem höchsten in den Kältespeichern angewendeten Druck entspricht. Auch diese Gasmenge muß natürlich vor der Zuführung in die Anlage gereinigt und gekühlt werden. Da es sich aber bei dieser Gasmenge nur um einen verhältnismäßig geringen Prozentsatz der Gesamtmenge handelt, genügt es, wenn sie über Gegenströmer zugeführt wird, welche zum "Zwecke der gelegentlichen Reinigung durch Anwärmung austauschbar sind. Diesen Gegenströmern wird dann eine etwas größere Menge zugeführt als den Kältespeichern zugesetzt werden muß, so daß der Rest dieses Gasanteils in entspanntem Zustand durch die Gegenströmer wieder zur Aufrechterhaltung ihres Kältegleichgewichts herausgeführt werden kann. Diese Gasmengen werden natürlich auch über die 'Waschanlage und die Entspannungsturbine geführt. Ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung wird nachstehend unter Fortlassung alles Nebensächlichen an Hand der Abbildung beschrieben, welche eine Kryptonge«#innungsanlage darstellt.
• Die Hauptmenge der Luft tritt mit etwa o,8 atü in die Gegenstromanlage G1, z. B. Kältespeicher, ein und ein weiterer Teil, etwa 5:°10, mit etwa 3 atü in die Gegenstromanlage G., z. B. Kältespeicher. Die abgekühlte Luft wird von G1 in die Flüssigkeit der Waschsäule W geleitet, die entsprechende Luft aus G. in die Flüssigkeit der Vorsäule I#', wo sie einer Vorrektifikation unterzogen wird. Die kryptonfreie Luft wird am Kopf der Säule l' entnommen, in dem Gegenströmer G, verflüssigt und dann als Waschflüssigkeit auf die Säulen I' und W verteilt, wobei nötigenfalls das Druck-und Niveaugefälle durch die Flüssigkeitspumpe P überwunden wird. Die verarbeitete Luft tritt am Kopfe der Säule W wieder aus, wird in der Turbine T bis nahezu auf Atmosphärendruck entspannt, wobei sie sich bis auf die tiefste im System auftretende Temperatur abkühlt, die eben hierdurch erzeugt wird, und verläßt die Anlage nach Durchströmen des Verflüssigers G3 durch die Gegenstromanlagen G1 und G, in denen sie ihre Kälte auf die eintretende Luft überträgt. Die Kälteregulierung der Turbine T erfolgt durch das zur Turbine parallel angeordnete Regulierventil E, welches z. B. in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau der M'aschsäule f' gesteuert «erden kann. Die gewonnene, mit Krypton angereicherte Luft wird am Boden der Waschsäule entnommen, im Gegenströmer G3 verdampft und v erläßt die Anlage durch den Gegenströmer G2; sie kann vor der Verdampfung auch in bekannter Weise einer Nachrektifikation zwecks höherer Anreicherung der Krvptonfraktion unterzogen werden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: z. Verfahren zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Gasen, die in verhältnismäßig geringer Menge in diesen enthalten sind, z. B. Krypton und Xenon aus der Luft, durch Tiefkühlung und rektifizierende Waschung, bei dem die für den Beharrungszustand erforderliche Kälte in einer oder mehreren Entspannungsturbinen mit geringem Druckgefälle von weniger als 5 at erzeugt wird, die in den aus der Waschsäule ein- oder austretenden Hauptgasstrom, das ist .der iiberwiegende Teil des ein- oder austretenden Gases, eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitleistende Entspannung des Gases unter Ausschluß anderer Kältequellen bis auf die tiefste im System auftretende Temperatur erfolgt.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dafß im Beharrungszustand mehrere dem Anspruch i entsprechende Anlagen parallel betrieben «-erden und eine Kühlanlage angeordnet ist, welche je nach Bedarf zum Anfahren auf eine der Anlagen geschaltet «erden kann, um sie bis zur oder bis nahe an die Betriebstemperatur abzukühlen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei wechselndem Kältebedarf die Kälteregulierung durch Veränderung der Belastung der Entspannungsturbine erfolgt. .@.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung des wechselnden Kältebedarfs der Anlage selbsttätig durch Änderung der Belastung der Entspannungsturbine in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Sammelgefäß der Waschsäule mittels Fernsteuerung erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i bei Anwendung von Kältespeichern zum Abkühlen des Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern ausgeschiedenen Bestandteile erforderliche zusätzliche Ga der Anlage unter dem gleichen oder nahezu gleichen Druck zugeführt wird wie die Hauptmenge des zti verarbeitenden Gases, oder, falls mehrere Paare von Kältespeichern vorhanden sind, höchstens unter dein gleichen oder nahezu gleichen Druck, welcher dem höchsten in den Kältespeichern angewendeten Druck entspricht.
6. 6. Zierfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Wiederverdampfung der in den Kältespeichern ausgeschiedenen Bestandteile erforderliche zusätzliche Gas der Anlage durch an sich bekannte, austauschbare Gegenströmer zugeführt wird.