DE1022247B

DE1022247B - Verfahren zum Pumpen der aus einer Fraktionierung eines Gemisches tiefsiedender Gase stammenden niedrigersiedenden Komponente in fluessiger Phase auf verhaeltnismaessighohen Druck

Info

Publication number: DE1022247B
Application number: DEA18772A
Authority: DE
Inventors: Frank Edward Pavlis
Original assignee: Air Products Inc
Current assignee: Air Products Inc
Priority date: 1953-09-12
Filing date: 1953-09-12
Publication date: 1958-01-09

Description

Verfahren zum Pumpen der aus einer Fraktionierung eines Gemisches tiefsiedender Gase stammenden niedrigersiedenden Komponente in flüssiger Phase auf verhältnismäßig hohen Druck Beim Betrieb von Ansagen zur Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff durch Verflüssigung und Fraktionierung von Luft ist es häufig wünschenswert, für eine Zufuhr von Stickstoff unter einem Druck zu sorgen, der erheblich über jenem liegt, bei dem Stickstoff als gesondertes Produkt an irgendeinem Punkt der Fraktionierung vorhanden ist. Bislang erreichte man solch eine Zufuhr, indem man das endgültige gasförmige Produkt Stickstoff wieder komprimierte, wie es normalerweise aus dem Warm.luftau.stauscher im wesentlichen unter atmosphärischer Temperatur und Druck anfällt.
Das Wiederkomprimieren expandierter gasförmiger Produkte auf hohe Drücke ist in verschiedener Hinsicht ein verlustreiches und unerwünschtes Verfahren. Es erfordert mehrstufige Kompressoren, die bei Ölschmierung das komprimierte Gas mit Kohle:nwasserstofen verunreinigen, während bei Wasserschmierung normalerweise das komprimierte Gas durch ein Adsorptionsmittel, wie Siliciumgel, wieder getrocknet werden. muß. Deshalb ist die ganze Anlage teuer, nimmt viel kostbaren Platz ein und erfordert einen verhältnismäßig hohen Kraftaufwand.
Es ist bekannt, Stickstoff dem Kondensator einer Luftzerlegungsanlage zu entnehmen, um kleinere Mengen flüssigen Stickstoffs zu erhalten. Es ist ferner bekannt, daß flüssiger Stickstoff durch eine Pumpe gefördert werden kann, die von einem Kühlmittel, z. B. einem Stickstoffbad, oder einem Apparat umgeben ist, in dem der Stickstoff durch einen verhältnismäßig kalten Strom, wie Sauerstoff, unterkühlt wird. Ferner ist es nicht mehr neu, flüssigen Sauerstoff einer Zerlegungsanlage durch Wärmetausch mit einem Strom verhältnismäßig kalter, z. B. durch Stickstoff unterkühlter Flüssigkeit zu entnehmen und dann in flüssigem Zustand auf einen verhältnismäß hohen Druck zu verdichten. Bisher ist es jedoch noch nicht möglich gewesen, einen flüssigen Stickstoff zu pumpen, der aus einer Zerlegungsanlage abgezogen wird, in welcher,der zu pumpende flüssige Stickstoff durch eine aus der Anlage abgeleitete Flüssigkeit unterkühlt wird.
Es wurde nun festgestellt, daß man einen wesentlichen und nutzbaren Anteil des Stickstoffgehalts der Luft, die einer Luftfraktionierung zugeführt wird, in flüssiger Form gewinnen und auf eine Temperatur unterkühlen kann, bei der er sich in flüssiger Form ahne Risiko einer Gasblockierung ,der Pumpe pumpen läßt, und :daß eine solche Unterkühlung .durch Benutzung von Kolonnenprodukten des Stickstoffes erreicht werden kann, indem man zweckmäßige Druckdifferenzen zwischen dem Kühlungsmittel und der zu kühlenden Flüssigkeit aufrechterhält.
Wenn man hochflüchtige Flüssigkeiten auf den höheren Druck pumpt, den man zur Speicherung in Drucktanks oder -flaschen oder zur Entleerung in Rohrleitungen benötigt, und wenn man die unter hohem Druck stehende hochflüchtige Flüssigkeit verdampft und in einem Wärmetauscher durch die einströmende Luft erwärmt, erzielt man wesentliche Vorteile schon aus dem Betrag der Abkühlung, der sich aus der Differenz des Wärmeinhalts von komprimiertem und expandiertem Gas ergibt. Diese Vorteile umschließen. eine große Wirtschaftlichkeit :der Anlage und eine Ersparnis an Bodenfläche, da man eine einfache Flüssigkeitspumpe vom normalen Plungertyp an Stelle der hochwerti;gen Druckanlage verwenden kann und außerdem die völlige Vermeidung von Verunreinigungen erreicht, da derartige Pumpen keine Flüssigkeitsschmierung benötigen. Außerdem wird die Sicherheit erhöht, da eine Verminderung in .der Größe und der Temperaturhöhe der Druckmittel und die Verhinderung von Verunreinigungen durch Schmiermittel erreicht werden. Schließlich erhält man gewöhnlich erwünschte Herabsetzungen im Kraftverbrauch, in der ßTberwachungsnotwendigkeit -und in der Instandhaltung.
Die Erfindung .kann bei Benutzung entweder einer einstufigen oder einer zweistufigen Kolonne angewendet werden, wie dies beispielsweise an Hand der Zeichnungen erläutert ist.
Fig. 1 zeigt ein Schema für ein Einkolonnenverfahren, bei dem der Stickstoff als Dampf aus einer Partialfraktionierung abgezogen, durch den flüssigen Sauerstoff der Hauptkolonne verflüssigt und durch das gasförmige Erzeugnis Stickstoff aus dieser Kolonne unterkühlt wird; Fig'. 2 zeigt ein ähnliches Verfahren, bei dem flüssiger Stickstoff aus der Hochdruckstufe einer zweistufigen Kolonne abgezogen und durch expandierten Hochdruckstickstoff aus der Hochdruckstufe unterkühlt wind.
Die wesentlichen Elemente der in Fig. 1 dargestellten Anlage sind: der Haupt-Wärmetauscher A, der von einer der üblichen Bauweisen sein kann, aber vier Umläufe haben muß ; ein Stickstoffabschei-der oder Vorfraktionator B, der aus einer gefüllten oder mit Glockenböden versehenen Kolonne bestehen kann; ein Glattrohr- oder Spiralrohrkondensator C mit einem Rückfluß zu diesem Fraktionator; eine Einstufen-Fraktionierkolonn.e D, die sowohl als gefüllte Kolonne ausgebildet. aber vorzugsweise mit Glockenböden ausgestattet sein kann; ein Stickstoffkondensator E, der die Hauptkolonne D umgibt oder in deren unterem angeordnet ist; ein Stickstoffkühler F, der gruntdsätzlich als Zweistromausta.uscher, häufig aber wegen der besseren Bedienbarkeit und Anpassungsfähigkeit als Dreistromaustauscher ausgebildet ist; und eine Pumpe G, die für hochflüchtige Flüssigkeiten geeignet ist.
Ein Verlauf gemäß der Fig. 1 geht wie folgt vor sich: Luft unter einem gewünschten, relativ hohen Druck von 35 bis 175 atü, die im wesentlichen von Wasserdampf und Kohlensäure befreit ist, wird bei 10 in eine Rohrschlange 11 -des Austauschers _-I eingeführt, in,dem sie im Gegenstrom m-it dem Stickstoff-und Sauerstoffprodukt und mit dem gepumpten Stickstoffstrom Wärme austauscht. Beim Verlassen des Wärmeaustauschers durch die Leitung 12 expandiert der teilweise rückgekühlte Luftstrom während seines Durchgangs durch das Expansionsventil 13 auf einen mittleren Druck, der für gewöhnlich zwischen 6 und 20 atü schwankt. Diese Expansion verflüssigt einen Teil der Luft, von der eine gewisse Menge in den Separator B eintritt, und zwar als ein Gemisch von Flüssigkeit und gesättigtem Dampf.
Die mit Sauerstoff angereicherte Luft, die sich unten im Flüssigkeits-»Sumpf« 14 des Separators sammelt, geht durch die Leitung 15 und das Expansionsventil 16, das ihren Druck auf 1 atü reduziert, durch eine Rohrschlange 17 im Kondensator C. Der Mantel dieses Kondensators wird durch den Einlaß 18 mit Stickstoffdampf beschickt, während das Kondensat durch 19 zur Kolonne zurückläuft. Die mit Sauerstoff angereicherte Luft strömt dann durch 20 und 21 sowie durch das Absperrventil 22 wie bei 23 in mittlerer Höhe in die Kolonne D.
In dieser und der folgenden Beschreibung sind die mit Nummern bezeichneten Ventile selbstverständlich geöffnet, sofern nichts anderes gesagt ist.
Jener Teil des Stickstoffdampfes, der nicht im Kondensator C verflüssigt ist, entweicht durch 24 zum Stickstoffkondensator E, wo er durch Wärmeaustausch mit. dem im »Sumpf« 25 in der Kolonne: D kochenden reinen Sauerstoff verflüssigt wird. Die sich bildende Flüssigkeit fließt durch Leitung 26 und Absperrventil 27 und die Leitung 28 zur Rohrschlange 29 durch den Tauscher F, in dem sie in einer "weiter unten erläuterten Weise heruntergekühlt wird. Der abgekühlte Flüssigkeitsstrom läuft durch Leitung 30 und Ventil 31 zur Saugseite der Pumpe G. An diesem Punkt hat er im wesentlichen noch .einen mittleren Druck. Daraufhin wird er durch diie Flüssigkeitspumpe auf einen gewünschten höheren Druck gebracht. Der Strom fließt dann durch die Leitung 32 zu der Rohrschlange 33 im Tausclier A, in dein die Flüssigkeit verdampft und der Dampf auf atmosphärische Temperatur gebracht wird. Der gasförmige Strom wird schließlich 'bei 34 unter einem durch die Flüssigkeitspumpe erhöhten Druck an Stahlflaschen, Vorratstanks oder Rohrleitungen, die nicht dargestellt sind, abgegeben.
Der gasförmige Stickstoff, der unter niedrigem Druck steht und in der Kolonne D abgeschieden ist, strömt durch die Leitungen 45, 46 und das Ventil 47 zu dem das kalte Ende der Pumpe G umgebenden Mantel 48, um die Wärme zu absorbieren, die entweder durch die Isolierung in die Pumpe eindringt oder durch Reibung in dieser entsteht. Von da strömt er durch die Leitung 49 in den Mantel 50 des Wärmetauschers A, wo er auf atmosphärische Temperatur gebracht wird und durch 51 aus dem Umlauf entweicht.
Der reine Sauerstoff, der in der Kolonne abgeschieden wird, fließt durch die Leitungen 52, 53 und 54 sowie durch das Ventil 55 in eine Rohrschlange 56, von der er bei 57 unter atmosphärischer Temperatur und Druck entlassen wird.
Falls die Anlage gemäß Fig. 1 zur Herstellung von Sauerstoff verwendet wird, während kein komprimierter Stickstoff gewünscht wird, läuft der im Kondensator F_ verflüssigte Stickstoffstrom durch den Stickstoff unterkühler F, durch die Leitungen 30 und 42 sowie durch das Ventil 43 oben in die Kolonne D, beispielsweise bei 44. Dort dient er als brauchbare Rückflußflüssigkeit.
Wie bereits oben erwähnt, wird der Strom des verflüssigten Stickstofft beim Durchfluß durch die Rohrschlange 29 auf seinem feg zur Saugseite der Pumpe in dem Tauscher F heruntergekühlt. Dieses Herabkühlen wird durch einen gasförmigen Stickstoffstrom erreicht, der zwecks Wärmeaustauschs mit der Rohrschlan@ge 29 zu dem Mantel des Tauschers F strömt. Zu diesem Zweck wird ein Teil des gasförmigen Stickstoffproduktes, der von der Kolonne D entweicht. durch die Leitung 45, das Ventil 58 und die Leitungen 59. 60 und 61 in den -Mantel 62 des Tauschers F geleitet. Nach dem Wärmeaustausch mit der Rohrschlange 29 verläßt der Strom von Stickstoffgas den Mantel 62 durch die Leitung 71, von wo er durch die Leitung 63 zu der Leitung 49 geführt wird. Dort vereinigt er sich auf seinem Wege zum Tauscher _d mit dem Strom gasförmiger Stickstoffprodukte aus dem Mantel 48 der Pumpe. Die Ventile 47 und 58 sind auf den erforderlichen Durchfluß der gasförmigen Stickstoffprodukte durch den Taucher F eingestellt, um die gewünschte Herabkühlung zu erreichen.
Die wesentlichen Elemente der in Fig. 2 dargestellten Apparatur sind folgende: der erste Wärrneaustauscher H; eine Expansionsmaschine I, die eine Kalben- oder eine Turbomaschine sein kann, eine zweistufige Fraktionierkolon.ne T irgendeiner üblichen oder besonderen Bauart; ein Zweiweg-Wärmeaustauscher K zum Herunterkühlen von flüssigem Stickstoff; eine Flüssigkeitspumpe L, die als Drehkolbenpum.pe, als Zentrifugalpumpe oder vorzugsweise einfache Plungerpumpe ausgebildet sein kann.
Der Verlauf gemäß Fig. 2 geht wie folgt vor sich: Luft, die zunächst auf einen gewünschten Druck von 17,5 bis 70 atü gebracht und möglichst gereinigt ist, wird bei 100 in die Rohrschlange 101 des ersten Tauschers H eingeführt. Dort wird sie durch Wärmeaustausch mit kalten Kolonnenprodukten heruntergekühlt. Ein Teil des Luftstroms wird in mittlerer Höhe der Rohrschlange abgesaugt und geht durch die Leitung 102 und ein Regulier- und Absc'hlußventil 103 zur Expansionsmaschine 1. Diese reduziert den Druck auf jenen, der in der Hochdruckstufe der Kolonne herrscht, beispielsweise also auf 5 bis 6 atü. Der Auspuff der Expansionsmaschine geht durch die Leitung 104 und das Absperrventil 105 in den Unterteil der Kolonne J.
Der Rest der zugeführten Luft :durchstreicht die ganze Länge der Schlange 101 und wird ebenfalls durch die Leitungen 106 und 107 sowie durch das Expansionsventil 108 dem Unterteil der Kolonne zugeführt.
Die Luftmengen, die durch die Expansion.smaschdne und,das Expansionsventil gehen, können nach Wunsch in ihrem gegenseitigen Verhältnis bemessen werden, und es ist durch eine zweckmäßige Regelung des Anfangsluftdrucks möglich, ohne Gebrauch der Expansionsmaschine auszukommen.
Der Rohsauerstoff. der sich in der Hochdruckstufe der Kolonne absondert, geht in der üblichen Weise durch die Leitung 109, das Expansionsventil 110 und die Leitung 112 in die Niederdruckseite der Kolonne. Diese wird unter einem niedrigeren Druck von etwa 0,15 bis 0,7 atü gehalten.
Der flüssige Stickstoff, der sich im Sumpf 113 im oberen Ende des Hochdruckteils sammelt, fließt durch die Leitungen 114 und 115, das Expansionsventil 116 und die Leitung 117 in das obere Ende des Niederdruckteils.
Der unter Niederdruck stehende gasförmige Stickstoff, der sich in dein oberen Teil der Kolonne abscheidet, strömt durch die Leitungen 118 und 120 zu dem Mantel 121, der das kalte Ende der Flüssigkeitspumpe L umgibt. Von dort geht er durch die Leitung 122 zum Mantel 123 des ersten Wärmetauschers und wird von dort bei 124 ins Freie entlassen.
Reiner Sauerstoff, der sich in der Niederdruckstufe absondert, strömt durch die Leitungen 125, 126 und 128 zur Rohrschlange 129 des ersten Wärmetauschers H und wird von dort bei 130 ins Freie entlassen.
Von dem sich in dem Sumpf 113 sammelnden flüssigen Stickstoff kann ein Teil nach Wunsch durch das #'enti.l 131 und die Leitung 132 zu dem Einlaß in die Pumpe L geleitet werden. Hierbei fließt der Strom durch eine Rohrschlange 133 im Kühler K, in dem er auf die gewünschte niedrigere Temperatur in der vorbeschriebenen Weise gebracht wird. Die heruntergekühlte Flüssigkeit gelangt durch die Leitung 134 etwa unter dem in dem Hochdruckteil der Kolonne herrschenden Druck zu der Saugseite der Pumpe und wird durch diese auf den gewünschten höheren Druck gebracht, um schließlich durch die Leitung 135 in die Rohrschlange 136 des ersten Tauschers abgegeben zu werden. In dieser Rohrschlange wird die Flüssigkeit verdampft und durch Wärmetausch mit eintretender Luft auf etwa atmosphärische Temperatur gebracht. Dann wird das Gas durch die Leitung 137 unter dem durch die Pumpe erzeugten Druck in Vorratsbehälter oder Transportgefäße oder in eine Rohrleitung gefÜhrt, die nicht dargestellt sind.
Das Herunterkühlen des Stromes flüssigen Stickstoffs in der Rohrschlange 133 des Kühlers h kann herbeigeführt werden, indem man im Wärrneaustauseh mit der Schlange 133 einen expandierten Strom von unter hohem Druck stehendem flüssigem Stickstoff führt. Zu diesem Zweck wird .ein Strom des flüssigen Stickstoffs aus dem Sumpf 113 durch die Leitung 115 und das Ventil 154 abgezogen. Der abgezweigte Strom wird durch die Leitung 155, das Expansionsventil 156 und die Leitung 145, 140 zu dem Mantel 141 des Kühlers K geleitet. Der abgezweigte Strom flüssigen, Stick-Stoffs fließt nach Wärmetausch mit der Rohrschlange 133 vom Mantel 141 durch die Leitung 142, die mit der Leitung 122 in Verbindung steht, und vereinigt sich auf dem Weg zum Haupttaucher H mit dem Strom gasförmigen Stickstoffprodukt, der vom Purnpenmantel 121 kommt.
Normalerweise befinden sich Flüssigkeiten, die in einer gasfraktionierenden Kolonne zerlegt werden, mit dien darüberstehenden Gasen im Druckausgleich. Pumpt man solche Flüssigkeiten aus der Kolonne heraus, so verursachen die Flüssigkeitsreibung in der Zuführungsleitung und das Gewicht des Eintrittsventils von der zugehörigen Pumpe einen Druckabfall zwischen deren Einführungspunkt und dem Pumpenzylinder. Dadurch entsteht eine Dampfentwicklung, die zu einem neuen Gleichgewicht bei niedrigerem Druck führt. Bei diesen außerordentlich flüchtigen Flüssigkeiten verursacht schon ein ganz geringer Druckabfall eine Dampfentwicklung, die ausreicht, um ein weiches und ununterbrochenes Arbeiten der Pumpe schwierig oder unmöglich zu machen.
Diese Schwierigkeit wird durch die beschriebenen Arbeitsgänge vermieden, indem man die Flüssigkeit auf ihrem Weg zur Pumpe in einem solchen Maße abkühlt, daß der unvermeidbare Druckabfall nicht mehr ausreicht, um die Flüssigkeit bei reduzierter Temperatur in ein neues Gleichgewicht ztu bringen. Eine genügende Temperatursenkung vorausgesetzt, bildet diese Maßnahme eine wirksame Abhilfe gegen Blasenbildung, und sie sichert ein ununterbrochenes Pumpen ohne Fehlhübe.
Das Ausmaß, auf das die Pumpflüssigkeit abgekühlt werden muß, hängt naturgemäß von dem Druckabfall zwischen der Speisestelle und dem Pumpenzylinder bei der jeweiligen Anordnung ab, außerdem von der Wärmemenge, die dem Flüssigkeitsstrang durch das ihn umgebende Isoliermaterial zugefüb.rt wird.
\Tormal.erweise wird eine Temperatursenkung ausreichen, die der zur Senkung des Dampfdrucks der Flüssigkeit um etwa eine Atmosphäre entspricht. Von dieser Zahl wird man aber in ziemlich weiten Grenzen bei unterschiedlichem Druckabfall und Wärmeaufnahme durch die Zuleitung abweichen.
Da Stickstoff in Luft die Hauptkomponente mit der niedrigeren Verdampfungstemperatur ist und da gewöhnlich keim Kühlmittel finit niedrigerem Siedepunkt bei gleichem Druck zur Verfügung steht, muß dieses auf einen Druck entlastet werden, der unter dem Zuführungsdruck des flüssigen Stickstoffes in der Pumpe liegt. Die erforderliche Druckdifferenz kann durch künstliche Unterdrucksetzung des durch die Kühlschlangen fließenden Kühlmittels erzeugt werden oder durch Evakuieren der Kammer, in :die das Kühlmittel eingebracht wird. Gemäß der Erfindung wird se jedoch in einfacher Weise durch Abpumpen des flus si-en Stickstoffes von jenem Punkt im Fraktionierungsablauf erreicht, an dein er noch merkbar über Atmosphärendruck liegt, und ferner durch Expandieren des Kühlmittels etwa auf atmosphärischen Druck, d. h. auf den niedrigsten Druck, bei dem es. noch mit der erforderlichen Geschwindigkeit durch die Durchlässe fließen kann, um den noch zu ersetzenden Abkühlungswert zu decken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. @T erfahren zum Pumpen der aus einer Fraktionierung eines Gemisches tiefsiedender Gase stammenden niedrigersiedenden Komponente in flüssiger Phase auf verhältnismäßig hohen Druck zwecks Gewinnung einer gasförmigen, niedrigersiedenden Komponente undeiner flüssigen, höhersiedenden Komponente, die beide unter verhältnismüßig niedrigem Druck stehen, insbesondere zum Pumpen von Stickstoff in flüssiger Phase auf einen relativ hohen Druck beim Fraktionieren. von Luft in flüssigen Sauerstoff und gasförmigen Stickstoff unter verhältnismäßig niedrigem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige (E in Fig.1) Zwischenprodukt der niedrigersiedenden Komponente (Stickstoff), das unter seinem Verdampfungsdruck steht und aus einem Teil (12 in Fig. 1) des Gasgemisches (Luft) stammt, oder aber ein Teil (132 in Fig.2) des flüssigen (113 in Fig.2) Zwischenprodukts der niedrigersiedend@en Komponente (Stickstoff), das unter seinem Verdampfungsdruck steht und aus einem Teil (104, 107 in Fig. 2) des Gasgemisches (Luft) stammt, durch Wärmetausch (29 in Fig.1 bzw. 133 in Fig. 2) mit einem kühleren Gas der niedrigersiedenden Komponente (Stickstoff) bei einem Druck unterkühlt wird, der niedriger ist als jener des entsprechenden flüssigen Zwischenprodukts, worauf die unterkühlte Flüssigkeit (Stickstoff) auf den verhältnismäß hohen Druck gepumpt (G in Fig. 1 bzw. L in Fig. 2) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterkühlen des flüssigen Zwischenproduktes der niedrigersiedenden Komponente durch Wärmeaustausch mit einem Teil (58, 59. 62) des in der Hauptkolonne (D) gewonnenen Produktes der niedrigersiedenden Komponente (Stickstoff) erfolgt (Fig. 1).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß das Unterkühlen des entnommenen Teils des flüssigen Zwischenproduktes der niedrigersiedenden Komponente durch Wärmeaustausch mit einem anderen entnommenen und auf den niedrigeren Enddruck entspannten Teil (154,155,156,141) dieses Zwischenproduktes erfolgt (Fig. 2). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 495 795, 729 657, 873 251; USA.-Patentschrift Nr. 2 480 094.