DE941796C

DE941796C - Verfahren zum Trennen von Luft in einer Gastrennanlage und zur Durchfuehrung dieses Verfahrens geeignete Gastrennanlage

Info

Publication number: DE941796C
Application number: DEN9620A
Authority: DE
Inventors: Jacob Willem Laurens Koehler
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-10-22
Filing date: 1954-10-20
Publication date: 1956-04-19
Also published as: GB760377A; US2836969A; CH325248A; BE532683A; FR1114480A; NL96144C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Luft in einer Gastrennanlage, die mit einer unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck arbeitenden Gastrennkolonne versehen ist, wobei Sauerstoff als Flüssigkeit erhalten wird und wenigstens ein Teil der Luft, bevor sie in Fraktionen getrennt wird, unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck durch Wärmekontakt mit dem Sauerstoff gekühlt wird.

Bekanntlich wird einer Gastrennkolonne auf der oberen Seite Wärme entzogen, während auf der unteren Seite Wärme zugeführt wird. Oft wird die Wärme in einem Wärmeaustauscher zugeführt, in dem die an der Komponente mit dem höchsten Siedepunkt reichhaltige Flüssigkeit mit dem zu trennenden Gasgemisch in Wärmekontakt ist, wobei die Flüssigkeit verdampft. Wenn in einer solchen Anlage Luft in Fraktionen getrennt wird, wobei der Sauerstoff in Form einer Flüssigkeit erhalten wird und die in der Kolonne entweichende Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt, also der Stickstoff, durch den Wärmekontakt mit der Luft wieder etwa bis zur Ausgangstemperatur der Luft erwärmt wird, so ergibt sich, daß der Wärmegehalt as der Luft kleiner als die zum Trennen erforderliche Wärmemenge ist, so daß Wärme auf andere Weise dem System zugeführt werden muß.

Enthält die Luft noch die üblicherweise darin vorhandenen Verunreinigungen, z. B. Kohlensäure und Wasserdampf, so könnten diese durch einen Wärmeaustauschkontakt mit einem zur Gastrennanlage gehörenden Mittel, z. B. dem Stickstoff oder dem Sauerstoff, ausgefroren werden, so daß der Anlage Wärme zugeführt wird; der Rest der erforderlichen Wärme muß der Flüssigkeit im Kochgefäß dann auf andere Weise zugeführt werden, ίο Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß, wenn sich die in der Luft vorhandenen Mengen an Verunreinigungen ändern, was in der Praxis häufig eintreten wird, die Menge der der Kolonne zugeführten Wärme sich auch ändern wird, so daß das Gleichgewicht in der Anlage gestört wird.

Man könnte die Verunreinigungen auch chemisch aus der Luft entfernen, aber dies hat den .Nachteil, daß eine noch größere Menge an Wärme der Kolonne auf andere Weise zugeführt werden muß, ao wobei weiter das Vorhandensein von chemischen Mitteln die Anlage wesentlich verteuert.

Die Erfindung bezweckt, die Luft, in einem

solchen Zustand der Anlage zuzuführen, daß auch bei einer sich ändernden Zusammensetzung der Luft die dem Sauerstoff zugefühxte Wärmemenge •möglichst konstant bleibt.

Gemäß der Erfindung werden die in der Luft

vorhandenen Verunreinigungen mittels eines Wärmekontaktes mit einem zur Gastrennanlage gehörenden Mittel durch Ausfrieren entfernt,

wobei, bevor die Verunreinigungen ausgefroren werden, die Luft mit Wasserdampf gesättigt wird.

Dieses Verfahren hat, wie bemerkt, den Vorteil, daß die Luft auch unter sich ändernden Umständen mit einem im wesentlichen konstanten Wärmegehalt

der Anlage zugeführt wird. Vorteilhaft ist dabei, daß bei Luft mit Zimmertemperatur z. B. von etwa 15°, die auf diese Weise der Anlage zügeführte Wärmemenge zufälligerweise gerade hin-

reicht, um die erforderliche Wärmeenergie für die Kolonne zu liefern, so daß keine zusätzliche Wärme dem Kochgefäß zugeführt zu werden braucht. Die Sättigung der Luft mit Wasserdampf kann z. B.

dadurch bewerkstelligt werden, daß die Luft durch einen Regen feiner Wassertropfen geblasen oder durch Wasser hindurch hochgeführt wird.

Die zur Durchführung vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignete Gastrennanlage weist das Merkmal auf, daß die Anlage einen Wärmeaustauscher, in dem das zu trennende Gasgemisch in Wärmekontakt mit dem Sauerstoff ist, und einen Wärmeaustauscher enthält, in dem die Verunreinigungen des Gasgemisches durch Ausfrierung entfernt werden, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, durch welche die Luft mit Wasserdampf gesättigt wird, bevor die Verunreinigungen ausgefroren werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die der Gastrennanlage zu entziehende Wärme vorzugsweise mittels einer KaItgaskühlmaschine entzogen; auf diese Weise ergibt sich eine einfache, gut regelbare Anlage. Unter einer Kaltgaskühlmaschine soll dabei eine sogenannte nach dem umgekehrten Heißgasmotorprinzip arbeitende Kühlmaschihe verstanden werden. Solche Maschinen können bekanntlich auf verschiedene Weise ausgebildet werden, %'. B. als Verdrängermaschine, als doppeltwirkendeMaschine, als Maschine, bei, der die Zylinder V-förmig angeordnet sind oder als Maschine, deren Arbeitsraum mit dem einies Heißgasmotors kombiniert ist. Vorzugsweise werden der Wärmeaustauscher, in dem "das zu trennende Gasgemisch in Wärmekontakt mit dem Sauerstoff ist und der Wärmeaustauscher, in dem die Verunreinigungen im Gasgemisch ausgefroren werden, miteinander kombiniert, so daß bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Gastrennanlage mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, in dem sowohl das Gasgemisch in Wärmekontakt mit dem Sauer- . stoff ist als auch die Verunreinigungen des Gasgemisches ausgefroren werden.

Wie vorstehend bemerkt, kann bei der Gastrennanlage nach der Erfindung die Gastrennkolonne als einfache Kolonne ausgebildet werden.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Gastrennanlage hat eine einfache Gastrennkolonne ι mit einem Kochgefäß 2. Die zu trennende Luft wird mit einer Temperatur von etwa 15⁰, also mit Zimmertemperatur, mittels eines Kompressors 3 eingesaugt. Der Überdruck dieses Kompressors genügt, um das zu trennende Gasgemisch durch die Gastrennanlage hindurchzuführen, aber der Überdruck ist so gering, daß die Gastrennkolonne unter atmosphärischem oder nahezu atmosphärischem Druck arbeitet. Nachdem im Kompressor 3 der Druck etwas erhöht worden ist, strömt die zu trennende Luft durch eine Leitung 4 zu einem Raum 5, in dem sie mit Wasserdampf ioo gesättigt wird. Zu diesem Zweck enthält der Raum 5 eine Düse 6, die eine Wasserbrause bildet, durch welche die Luft hindurchgeführt wird. Das verbrauchte Wasser wird durch eine Leitung 7 abgeführt. Darauf strömt die Luft durch eine Leitung S, die sich auf der oberen Seite an den Raum 5 anschließt, zu einem Wärmeaustauscher 9, in dem die Luft in Wärmekontakt mit der aus der Kolonne tretenden gasförmigen Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt, d. h. Stickstoff, ist. Der Wärmeaustauscher 9 ist dazu mit einem Rohr 10 versehen, das im Innern mit Durchlochungen versehene Zwischenwände 11 enthält und das äußere Ansätze 12 hat. An den Ansätzen 12 werden die im Gasgemisch vorhandenen Verunreinigungen, z. B. Wasserdampf und Kohlensäure, ausgefroren; dazu sind die Ansätze in einem solchen Abstand voneinander angebracht, daß der gegenseitige Temperaturunterschied maximal 20⁰, vorzugsweise jedoch nicht mehr als io°, beträgt.

Die Luft strömt darauf durch eine Leitung 13 zu einem zweiten Wärmeaustauscher 14. Dieser Wärmeaustauscher hat einen Träger 15 mit Queransätzen 16.. Der Träger 15 ist thermisch leitend mit dem Boden 17 des Kochgefäßes 2 verbunden. In diesem Wärmeaustauscher werden die ge-

gebenenfalls noch in der Luft vorhandenen Verunreinigungen ausgefroren. Die in diesem Wärmeaustauscher der zu trennenden Luft entzogene Wärme wird durch den Träger 15 und den Boden 17 des Kochgefäßes, der mit Ansätzen 18 versehen ist, der im Kochgefäß befindlichen Flüssigkeit zugeführt, wodurch wenigstens ein Teil der im Kochgefäß vorhandenen Flüssigkeit verdampft wird. Die Rippen 16 des Wärmeaustauschers 14 sind derart angeordnet, daß der gegenseitige Temperaturunterschied zwischen diesen Ansätzen nicht mehr als 20°, vorzugsweise nicht mehr als io°, beträgt.

Nachdem die Luft im Wärmeaustauscher 14 abgekühlt worden ist, strömt sie durch einen das Kochgefäß 2 und die Kolonne 1 umgebenden Ringkanal 19 und gelangt durch Löcher 20 in die Kolonne, in der die Luft in Fraktionen getrennt wird. Die Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt, also der Stickstoff, steigt in der Kolonne auf, während die Fraktion mit dem höchsten Siedepunkt, d. h. der Sauerstoff, als Flüssigkeit im Kochgefäß gesammelt wird. Ein Teil der im Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit wird durch die Wärmezufuhr durch den Träger 15 verdampft und steigt wieder in der Kolonne auf, während ein anderer Teil des Sauerstoffes durch eine Leitung 21 aus der Anlage abgeführt wird.

Die auch in der Kolonne aufsteigende, gasförmige Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt,

d. h. der Stickstoff, wird teilweise mittels eines oben in der Kolonne vorhandenen Kondensators 22 kondensiert. Das Kondensat fließt als Waschflüssigkeit wieder in der Kolonne nach unten. Der Rest der gasförmigen Fraktion wird durch eine Leitung 23 dem Wärmeaustauscher 9 zugeführt, in dem sie in Wärmekontakt mit der zu trennenden Luft ist. Der gasförmige Stickstoff, dessen Temperatur erhöht ist, verläßt diesen Wärmeaustauscher durch die Leitung 24.

Dem Kondensator 22 wird mittels einer Kaltgaskühlmaschine 25 Wärme entzogen. Diese Kaltgaskühlmaschine kondensiert ein die Wärme übertragendes Zwischenmittel, z. B. Stickstoff, worauf das Kondensat durch eine Leitung 26 zu einer Leitung 27 geführt wird. Die Leitung 27 mündet in den Kondensator 22 und das in dieser Leitung vorhandene Kondensat ist über einen Teil der Höhe dieser Leitung in Wärmekontakt mit dem durch den Ringkanal 19 hindurchströmenden, zu trennenden Gasgemisch, wodurch in der Leitung 27 eine Dampfblasenpumpwirkung eintritt, so daß das flüssige Zwischenmittel aufwärts geführt wird. Im Kondensator 22 verdampft das Zwischenmittel, so daß der sich dort befindlichen Fraktion mit dem niedrigsten Siedepunkt Wärme entzogen wird. Das verdampfte Zwischenmittel strömt durch eine Leitung 28 zu der Kaltgaskühlmaschine zurück, in der es wieder kondensiert wird. Die Kaltgaskühlmaschine 25 wird durch einen Elektromotor 29 angetrieben. Der Kompressor 3 ist auf der Kurbelwelle der Kaltgaskühlmaschine angebracht, so daß dieser Kompressor auch durch den Elektromotor angetrieben werden kann.

Ändert sich der Feuchtigkeitsgehalt der aus der Atmosphäre angesaugten Luft, wenn die Befeuehtigungsanlage im Raum 5 nicht eingeschaltet sein sollte, so ändert sich auch die Wärmemenge, die der Gastrennanlage zugeführt wird, wodurch ein (etwaiges Gleichgewicht der Wärme der Gasjtrennanlage gestört werden würde. Da bei dem Verfahren nach der Erfindung die Luft stets mit Wasserdampf gesättigt wird, übt eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts der atmosphärischen Luft keinen beeinträchtigenden Einfluß auf die gute Wirkung der Anlage aus.

Claims

PATENTANSPRÜCHE;

ι. Verfahren zur Trennung von Luft in einer Gastrennanlage, die mit einer unter atmosphärischem oder nahezu .atmosphärischem Druck wirkenden Gastrennkolonne versehen ist, wobei Sauerstoff als Flüssigkeit erhalten wird und wenigstens ein Teil der Luft, bevor sie in Fraktionen getrennt wird, durch Wärmekontakt mit dem Sauerstoff gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Luft vorhandenen Verunreinigungen mittels eines Wärmekontaktes mit einem zur Gastrennanlage gehörenden Mittel durch Ausfrierung entfernt werden, während, bevor die Verunreinigungen ausgefroren werden, die Luft mit Wasserdampf gesättigt wird.
2. Gastrennanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage einen Wärmeaustauscher, in dem die zu trennende Luft in Wärmekontakt mit dem Sauerstoff ist, und einen Wärmeaustauscher enthält, in dem die Verunreinigungen der Luft durch Ausfrierung entfernt werden, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, durch welche die Luft mit Wasserdampf gesättigt wird, bevor die Verunreinigungen ausgefroren werden.
3. Gastrennanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastrennkolonne Wärme mittels einer Kaltgaskühlmaschine entzogen wird.
4. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastrennanlage mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, in dem sowohl die Luft in Wärmekontakt mit dem Sauerstoff ist als auch die Verunreinigungen aus der Luft ausgefroren werden.
5. Gastrennanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastrennkolonne als einfache Kolonne ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 691 4.