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DE901542C - Verfahren zur Zerlegung von Luft durch Verfluessigung und Rektifikation - Google Patents

Verfahren zur Zerlegung von Luft durch Verfluessigung und Rektifikation

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Publication number
DE901542C
DE901542C DEG7913A DEG0007913A DE901542C DE 901542 C DE901542 C DE 901542C DE G7913 A DEG7913 A DE G7913A DE G0007913 A DEG0007913 A DE G0007913A DE 901542 C DE901542 C DE 901542C
Authority
DE
Germany
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air
oxygen
pressure
heat exchange
argon
Prior art date
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Expired
Application number
DEG7913A
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Ing Rudolf Becker
Dr-Ing Johannes Wucherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG filed Critical Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Priority to DEG7913A priority Critical patent/DE901542C/de
Application granted granted Critical
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Description

Anlagen zur Gewinnung von Sauerstoff aus atmosphärischer Luft arbeiten im allgemeinen so, daß der Sauerstoff drucklos anfällt. In vielen: Fällen wird er aber unter erhöhtem Druck gebraucht und muß idafür nachträglich verdichtet werden. Diese Verdichtung kann nicht in üblichen ölgeschmierten Vendichterni vorgenommen werden, sondern erfordert besondere Maßnahmen, die es wünschenswert erscheinen lassen, den Sauerstoff der Erzeugungsanläge schon unter erhöhtem Druck entnehmen zu können. Ein solches Verfahren kann auch dann noch interessant sein, wenn eine entsprechende Menge eines anderen Gases verdichtet werden muß, wenn dies nur in Verdichtern üblicher Bauart geschehen kann.
Es ist bereits ein Verfahren beschrieben worden, das iziu diesem Ziel führt. Hiernach wird die Rektifikationssäule unter normalem Druck betrieben, der produzierte Sauerstoff in flüssiger Form entnommen, in einer Pumpe verdichtet und anschließend, in einem Wärmeaustauscher im Austausch mit iziu zerlegender Luft verdampft und auf Umgebungstemperatur erwärmt. Der Sauerstoff kann dabei unter Druck und unter Wiedergewinnung der in ihm enthaltenen Kälte verdampft werden, indem er in Wärmeaustausch mit Luft tritt, deren Druck ■so hoch ist, daß sie bei einer Temperatur verflüssigt wird, die höher liegt als die Verdampfungstemperatur des Sauerstoffs. Dieses Verfahren hat noch gewisse Nachteile auf energiewirtschaftlichem Gebiet. Es kann rechnerisch nachgewiesen werden, daß, wenn die Kälteverluste der Anlage klein gehalten werden sollen, was Bedingung für wirtschaftliches Arbeiten ist, die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Sauerstoff am warmen Ende des
Austauschers nur gering sein darf. Andererseits muß die Luft an jeder Stelle des Austauschers wärmer sein als der Sauerstoff, weil sonst keine Wärmeübertragung möglich ist. Diejenige Stelle im Austauscher, wo, außer am warmen Ende, die Temperaturdifferenz am kleinsten ist, ist diejenige, an der der Sauerstoff gerade zu verdampfen beginnt. Legt man die kleinste zulässige Temperaturdifferenz am warmen Ende des Austauschers und an der Stelle der beginnenden O2-Verdampfung fest oder läßt man sie im GrenzfaH Null werden, so kann rechnerisch eindeutig die Luftmenge (Geschwindigkeit, Wärmeaustauschflächen) bestimmt werden, die mit einer bestimmten Sauerstoffmenge in Wärmeaustausch treten muß. Diese Luftaienge hängt bei gegebenem Sauerstoffdruck vom Druck der Luft ab und durchläuft bei steigendem Luftdruck ein flaches Minimum; in jedem Fall aber ist die im Wärmeaustausch mit Sauerstoff konidensierende Luftmenge größer als die Sauerstoffmenge, und zwar in den meisten Fällen beim Minimum um etwa 15 bis 30%.
Da aber, im ganzen gesehen, die Menge der Zerlegungsprodukte, die die Anlage verläßt, ebenso groß ist wie die Luftmenge, die in die Anlage eintritt, ergibt sich für den Wärmeaustausch für die übrigen! Gasströme die Tatsache, daß dem Stickstoff, der die Anlage ja drucklos verläßt, eine Luftmenge gegenübersteht, die stets kleiner ist als die Stickstoffmenge, was ein. Nachteil ist, da die Kälteverluste ansteigen. Etwas günstiger werden die Verhältnisse in Regeneratoren, die man in der Regel für den Wärmeaustausch Luft gegen Stickstoff verwendet, wobei der Druck der zu zerlegenden Luft etwa gleich dem Druck in der Vbrzerlegungs- -säule, d. h. 5 bis 6 ata sein wird. Für diese Austauscher gelten, ähnliche Beschränkungen bezüglich des Mengenverhältnisses der austauschenden Gase wie für den Sauer stoff austauscher, nur darf in die- *° sem Fall die Luftmenge etwas kleiner sein als die Stickstoffmenge, und zwar bis zu 2,5 °/o; bei größerer Abweichung treten wieder zusätzliche Kälteverluste durch verschlechterten Austausch auf. Wurden 20 Teile Sauerstoff durch Zerlegung von 4S 100 Teilen Luft gewonnen, während der Wärmeaustausch mit Sauerstoff einen. Überschuß von 25 % verlangt, so müssen 20 -1,25 = 25 Teile Luft dem Sauerstoff entgegengehen. Es stehen also· nur noch 75 Teile Luft den restlichen 80 Teilen Stickstoff gegenüber, während für den Wärmeaustausch mindestens 80 · 0,975 = 78 Teile erforderlich wären. Auf diese Weise ist also ein wirtschaftliches Arbeiten nicht möglich.
Möglich'wird es erst dann, wenn man einen weiteren Luftanteil aus der vorgesehenen Gesamtmenge auf erhöhten Druck bringt. Wegen der höheren spezifischen Wärme kann eine größere Menge Stickstoff mit ihr in Wärmeaustausch treten, so. daß auf diesem Wege die obenerwähnte Lücke geschlossen werden könnte.
Nachteilig an dieser Lösung ist noch, daß ein verhältnismäßig hoher Anteil der Gesamtluftmenge (etwa 35 bis 55 0Zo) auf hohen Druck gefördert I -werden müßte. Dies würde zunächst einen hohen Energiebedarf des Verfahrens bedingen. Außerdem wäre es nicht zweckmäßig, für den Wärmeaustausch hochverdichteter Luft Regeneratoren oder ähnliche selbstreinigende Austauscher zu verwenden, weil die beim Umschalten der Strömungsräume jedesmal zurückbleibende und daher verlorene Luftmenge zu groß würde. Es würde andererseits bei Verwendung von Gegenströmem notwendig sein, diesen verhältnismäß ig großen Anteil der Gesamtluftmenge zu trocknen und von Kohlendioxyd zu befreien, was zusätzliche Kosten verursachen, würde.
Um letzteres zu vermeiden, ist auch schon vorgeschlagen worden, die ganze Luftmenge nur auf den Zerlegungsdruck zu fördern und einen Stickstoffkreislauf zu verwenden, wobei der Stickstoff auf entsprechend hohen Druck gebracht wird und in Wärmeaustausch mit dem unter erhöhtem Druck verdampfenden Sauerstoff tritt. Man könnte dann zwar die Trocknung und C Oa-Reinigung vermeiden,, wenn man die Wärmeaustauscher (Regeneratoren) für Niederdruckluft so* bauen würde, daß ein gewisser Anteil des produzierten Stickstoffs nicht mit Heizflächen in Berührung kommt, die mit Wassereis und fester Kohlensäure belegt sind und diesen Anteil dann .dem Kreislaufverdichter zuführt. Die Schwierigkeiten für den Wärmeaustausch in der vorher für Luft geschilderten Weise bestehen aber in erhöhtem Maß bei Stickstoff, so daß auch hier ein'weiterer Wärmeaustausch (Kreislaufstickstoff gegen entspannten Stickstoff) erforderlich, wäre. Dieses bedingt, daß der Energiebedarf bei dem. bekannten Verfahren mit Stickstoffkreislauf eher noch höher ist, als beim Verfahren ohne Kreislauf.
Um diesen. Nachteil zu beheben, wird erfmdungsgemäß ein. Verfahren sowohl ohne als auch mit Kreislauf verwendet. Das erste sei zunächst beschrieben.
Es ist oben schon gesagt worden, daß es für den Wärmeaustausch Luft gegen Sauerstoff einen optimalen Druck der Luft gibt, bei dem der notwendige Überschuß der Luft am geringsten sein kann. Er ist bei 12. ata Sauerstoff druck etwa 28 ata und bei 25 ata Sauerstoffdruck etwa 80 ata. Für den unvermeidlichen Wärmeaustausch hochverdichtete Luft gegen drucklosen Stickstoff gibt es ebenfalls einen optimalen Luftdruck, der aber viel höher liegt. Der Unterschied rührt daher, daß im ersten Fall die mittlere spezifische Wärme der Luft über einen großen Temperaturbereich möglichst groß sein muß, weil ja außer der fühlbaren Wärme auch noch die Verdampfungswärme aus dem Sauerstoff aufgenommen werden muß, während im zweiten Fall, wo lediglich ein Gas anzuwärmen ist, die spezifische Wärme der Luft bei Umgebungstemperatur möglichst groß sein soll.
Erfindungsgemäß wird also für den Wärmeaustausch Luft gegen Sauerstoff ein mittlerer Druck auf gewendet, dessen Höhe sich nach dem Sauerstoffdruck richtet, während man gegen Stickstoff außer einer größeren Menge niedrigverdich- 1*5 teter Luft (5 bis oatü) eine kleine Menge hoch-
verdichteter Luft, ζ. B. 2oo ata, schicken wird, die gerade ausreicht, 'das Mengendefizit zu decken. Der dadurch erzielbare Effekt ist überraschend hoch. So müßte z. B. bei der Verdichtung des Sauerstoffs auf 25 ata und bestimmten Bedingungen entweder 53% der Luft auf 80 ata verdichtet werden oder statt dessen 24% auf 80ata und- 3,5°/» auf 200 ata, zusammen also 27,5%. Die Energieersparnis im zweiten gegenüber dem ersten Fall beträgt 23%. Fig. ι stellt eine mögliche Aus füh rungs form dieses Verfahrens dar, wobei alle für die Erfindung unwesentlichen Anlagenteile weggelassen sind. Die gesamte Luftmenge wird zunächst mit dem Turboverdichter ι auf 5,5 ata verdichtet und der größte Teil davon einem der Regeneratoren 2 zugeführt. Ein Teil geht über die Trocknungseinrichtung und Kohlensäureausscheidung 3 zum Zusatzverdichter4, der einen Teil auf 80 atü verdichtet, der zum Austauscher 5 geht und einen weiteren Teil auf 200 atü, der in den Austauscher 6 gelangt. Alle Luftströme vereinigen; sich nach ihrer Abkühlung (die höher verdichteten nach Entspannung in den Ventilen 7 und 8) und gelangen in den Rektifikator 9, der nur angedeutet bzw. teilweise dargestellt ist. Der oben abziehende Stickstoff geht durch den zweiten Regenerator 2 und ein kleiner Teil· davon durch den Austauscher 6. Der Sauerstoff wird aus dem Rektifikator flüssig entnommen, in einer Druckpumpe 10 auf den gewünschten Druck verdichtet und im Austauscher 5 verdampft und auf Umgebungstemperatur erwärmt.
Auch für das Kreislaufverfahren wurde eine Verbesserung gefunden. Sie besteht darin, daß für den, Kreislauf ein Gas verwendet wird, das in seinen thermodynami sehen Eigenschaften, in erster Linie Dampfdruck und Verdampfungswärme, dem Sauerstoff möglichst ähnlich ist, sich aber in normalen ölgeschmierten Verdichtern, komprimieren läßt. Ein solches Gas ist Argon. Sein Siedepunkt liegt bei 760 mm Druck bei 87,5° K (Sauerstoff 90,2° K) und die Verdampfungswärme beträgt 1500 kcal/Mol (Sauerstoff 1595 kcal/Mol). Nur ein scheinbarer Nachteil ist die viel geringere spezifische Wärme (5,00 kcal/0 C Mol gegenüber 7,01 bei Sauerstoff). Man kommt bei Argon mit einem wesentlich niedrigeren Verdichtungsdruck aus (33 ata gegenüber 100 ata für Stickstoff bei 25 ata Sauerstoffdruck). Eine Überschußmenge an verdichtetem Argon gegenüber dem Sauerstoff ist zwar in derselben Größenordnung nötig wie bei Luft; er ist aber in erster Linie durch die geringe spezifische Wärme des Argons bedingt, die andererseits zur Folge hat, daß beim Wärmeaustausch entspanntes Argon—Luft kein Mengendefizit entsteht, weil 7 Teile Argon die Wärme von nur 5 Teilen Luft von 5,5 ata aufzunehmen vermögen. Ein Nachteil ist, daß man einen geschlossenen Kreislauf verwenden muß, der nicht, wie beim Stickstoff, an der Rektifikation teilnimmt und daher zusätzliche Austausch/flächen für die Verdampfung des verflüssigten Argons erfordert. Jedoch läßt sich Argon ■in kleinen Mengen ohne weiteres als Nebenprodukt bei der Luftzerlegung gewinnen, so daß etwaige Unidichtheitisiverluste des Kreislaufes laufend ersetzt werden können.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens. Die gesamte zu zerlegende Luftmenge wird im Turboverdichter 1 verdichtet und vollständig einem der Regeneratoren 2 zugeleitet und gelangt nach ihrer Abkühlung über dem später noch zu erwähnenden, Argonrverdampfer 3 zu der Rektifikationseinrichtung 4. Der produzierte Stickstoff durchströmt dabei den anderen Regenerator 2. Außerdem liegen in beiden Regeneratoren Rohrschlangen, durch die Argon mit etwa 2 ata fließt, das aus dem Argonrverdampfer 3 kommt. Auf diese Weise wird vermieden, daß Argon durch Querschnitte strömt, die in der vorhergehenden Periode Wasser und Kohlenisäureausscheidungen aufgenommen haben. Es wird, auf Umgebungstemperatur erwärmt, im Argonverdichter 5 auf 33 ata verdichtet und dem Austauscher 6 zugeführt, wo es gekühlt und verflüssigt wird. Über das EntspannungBvenitil 7 kehrt es in 3 zurück, wo es verdampft und einen; Teil der aus dem Regenerator 2 kommenden Luft verflüssigt. Der produzierte Sauerstoff wird durch die Pumpe 8 verdichtet und im Austauscher 6 im Wärmeaustausch mit verdichtetem Argon; verdampft und erwärmt.
Zur Auffüllung des Kreislaufes und zum Ersatz der Argonverluste dient eine kleine Argonsäule 9, deren Produkt drucklos über den Austauscher 6 geht und durch einen kleinen' Hilfsverdichter 10 entweder unmittelbar in den Kreislauf oder zunächst im den Druckbehälter 11 verdichtet wird. Von hier wird über ein automatisches Druckmindexiventil 12 dem Kreislauf so viel Argon zugeführt, daß dessen Gasverluste ersetzt werden.
Dadurch, daß man mit einer geringeren Kreislaufmenge auskommt als beim Stickstoffkreislauf (z. B. 24% der zu zerlegenden Luftmenge statt 33%) bei etwa gleichem Druckverhältnis bei der Verdichtung, ist der Energiebedarf erheblich geringer als beim Stickstoffkreislauf und nicht wesentlich höher als der bei druckloser Entnahme des Sauerstoffs aus der Zerlegungsanlage und nachträglicher Verdichtung.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Zerlegung von Luft durch no Verflüssigung und Rektifikation, bei dem der gewonnene Sauerstoff in flüssiger Form durch eine Druckpumpe auf erhöhten Druck gebracht und anschließend im Wärmeaustausch mit zu zerlegender Luft verdampft und auf Umgebungstemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von drei unter verschiedenen Drückern der Zerlegungsanlage zugeführten Luftströmen derjenige mit dem mittleren Druckniveau in Wärmeaustausch mit dem gewönnenen Sauerstoff die beiden anderen Luftströme in Wärmeaustausch mit Stickstoff gebracht wenden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke so ausgewählt werden, daß der mit Sauerstoff austauschende
Teilluftstrom und ebenso der bochverdiichtete Teilluftstrom mengenmäßig nahezu ein; Minimum werden und daß der Druck des am wenigsten verdichteten Teilluftstromes so festgelegt wird, daß in der sonst üblichen Weise die Verflüssigung des Stickstoffs am Kopf der Drucksäule im Wärmeaustausch -mit dem in der oberen Säule verdampfenden Sauerstoff möglich ist.
3. Verfahren zur Zerlegung von Luft durch ίο Verflüssigung und Rektifikation, bei dem der gewonnene Sauerstoff durch eine Druckpumpe auf erhöhten Druck gebracht und anschließend im Wärmeaustausch mit einem Kreislaufgas verdampft und auf Umgebungstemperatur angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufgas so ausgewählt wird, daß seine thermodynamischen Eigenschaften,, insbesondere Dampfdruck und Verdampfungswärme, denen des Sauerstoffs möglichst ähnlich sind, seine Zusammensetzung aber so ist, daß die Verdichtung in einem normalen: ölgeschmierten Verdichter gefahrlos möglich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als: Kreislauf gas Argon gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete und im Wärmeaustausch mit Sauerstoff verflüssigte Kreislaufgas nach seiner Entspannung in einem (besonderen Verdampfer verdampft wird und dabei eine äquivalente Luftmenge verflüssigt.
6. Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das- verdampfte Kreislaufgas in einem Querschnitt des Luftaustauschers erwärmt wird, der nicht mit Wasserdampf und Kohlensäure aus der Luft verunreinigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer kleinen Zusatzsäule zur Hauptkolonne so viel Argon erzeugt wird, daß die Gasverluste des Kreislaufs erzetzt werden können.
8. Verfahren: nach Anspruch 3, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Argon in einem besonderen Querschnitt des Austauschers Sauerstoff gegen Kreislaufargon erwärmt und über einen kleinen Hilfsverdichter entweder unmittelbar in den Kreislauf oder in einen besonderen Speicherbehälter gefördert wird, aus dem es über ein Druckminderventil dem Kreislauf zuströmt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
1 5677 12.53
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DE1112997B (de) * 1960-08-13 1961-08-24 Linde Eismasch Ag Verfahren und Einrichtung zur Gaszerlegung durch Rektifikation bei tiefer Temperatur
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