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Verfahren zur Trennung atmosphärischer Luft oder anderer Gasgemische
in ihre Bestandteile. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Gasgemischen
in ihre Bestandteile, welches sich insbesondere zur Trennung von atmosphärischer
Luft in Sauerstoff und Stickstoff eignet.
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Verwendet man bei diesem Verfahren beispielsweise atmosphärische Luft,
so wird diese in bekannter Weise zuerst abgekühlt und gereinigt, dann in einer Kolonne
in Gegenstrom mit von oben herabrieselndem flüssigen Stickstoff gebracht, in welchem
sich der Sauerstoff auflöst, während der reine Stickstoff am oberen Teil des Apparates
entweicht. Der Sauerstoff wird dabei aus dem absteigenden Gemisch von flüssigem
Stickstoff und Sauerstoff dadurch gewonnen, daß man den als Lösungsmittel dienenden
Stickstoff durch die Verflüssigungswärme von gasförmigem, in. der Kolonne zirkulierendem
Stickstoff zur Verdampfung bringt. Der Sauerstoff sammelt sich in flüssigem Zustand
im unteren Teil des Apparates, während der Stickstoff gasförmig nach oben steigt
und dort zum Teil abgeführt, zurr Teil als Hilfsgas angesaugt, komprimiert und nach
Abkühlung wieder in die Vorrichtung zurückgeführt wird, um dort von neuem unter
Abgabe seiner latenten Wärme verflüssigt zu werden.
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Die Verluste werden durch Zuführung flüssiger Luft ausgeglichen.
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Was dieses Verfahren und die Vorrichtung, die zur Ausführung desselben
dient, von diesem bekannten Verfahren und den dazu verwandten Vorrichtungen unterscheidet,
ist der Umstand, daß der reine gasförmige, im oberen Teile der Vorrichtung durch
einen oder mehrere Kompressoren angesaugte Stickstoff unter verschiedenen und passend
gewählten Drucken in verschiedenen Höhen in den Apparat gebracht wird, und zwar
an solchen Punkten, bei welchen der Stickstoff unter dem ihm jeweils gegebenen Druck
sich stets vollkommen verflüssigt, obgleich die Temperatur des Mittels, in welches
er eingeführt wird, je nach der chemischen Zusammensetzung des Gemisches an diesen
Punkten verschieden ist.
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Im folgenden ist ein Ausführungsbeispi e1 dieses Verfahrens in der
Anwendung zur Trennung von Luft in ihre Bestandteile beschrieben. Zur Ausführung
dieses Verfahrens bedient man sich der in den Zeichnungen schematisch dargestellten
Vorrichtung, in welchen Fig. z einen Längsschnitt und Fig. 2 einen Grundriß zeigt.
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In einer Kolonne a sind eine bestimmte Anzahl paralleler Böden b,
welche beispielsweise mit Hauben c oder mit durchbohrten Platten, die mit Überlaufrohren
d versehen sind, angeordnet.
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Diese Böden werden zweckmäßig in drei Reihen b, b', b" von
je sechs Platten beispielsweise, die mit bi, b2 : . . b,3; b'1, b'2
... 1'g ;
b"1, b"2 . . . 1"e bezeichnet sind, angeordnet.
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Am oberen Ende der Kolonne befindet sich
ein Rohr
e zum Abführen der Gase, welche teilweise durch einen Kompressor f angesaugt werden,
der unter zwei verschiedenen Drucken arbeitet. Der Raum zwischen dem Boden des Kompressorzylinders
und dem beweglichen Kolben g und der Raum zwischen dem Kolben und der Stopfbüchse
h wirken nämlich wie je ein Kompressor mit einfachem Effekt. Sie werden durch Abzweigungen
e' und e" bedient. Man könnte natürlich auch zwei oder mehrere getrennte Kompressoren
verwenden, aber die angegebene Vorrichtung ist einfacher.
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Die in den unteren Teil des Zylinders gesaugten Gase werden auf einen
geeigneten Druck (beispielsweise 4 bis 5 Atmosphären) komprimiert, dann in normalen
Austauschern, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, abgekühlt und durch ein
Rohr i in ein Schlangenrohr y geschickt, das in dem bei der Inbetriebsetzung mit
flüssiger Luft gefüllten unteren. Teil der Kolonne angeordnet ist. Dort verflüssigen
sich die einströmenden Gase, wodurch die flüssige Luft, welche die Verflüssigungsschlange
benetzt, zum Sieden gebracht wird. Die Schlange setzt sich vom unteren Teil der
Kolonne durch alle Böden fort, bis sie oben in ein Querstück endet, das mit einem
Regelungsventil k versehen ist, welches die im Innern gebildete Flüssigkeit auf
die oberste Platte entweichen läßt. Ein Ventil 1, das am Eingang der Schlange j
angebracht ist, gestattet, die Einführung der Gase in diese Schlange zu regeln oder
ganz abzudrosseln.
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Ein Zweigrohr i', welches mit einem Hahn 1'
versehen
ist, gestattet, den Gasstrom, der von dem unteren Teil des Kompressors herkommt,
ganz oder teilweise in den Teil der Schlange j zu leiten, welcher sich auf der ersten
direkt über dem Boden der Kolonne liegenden Platte b1 befindet. Es können sich daher
die durch den unteren Teil des Kompressors verdichteten Gase in zwei Ströme teilen,
welche sich auf dem untersten Boden der Kolonne vereinigen, und nachdem sie verflüssigt.
worden sind, nach dem oberen Teil der Kolonne aufsteigen.
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Die durch den oberen Teil des Kompressors zusammengepreßte Luft teilt
sich ebenfalls in zwei Ströme, welche durch die Rohre m und m'
abgeführt
werden, die mit den Regelungsventilen n und n' versehen sind. Einer dieser
Ströme . gelangt in eine Schlange y', die, von dem ersten Boden b'1 der zweiten
Plattenreihe ausgehend, bis zum oberen Teil der Kolonne parallel zur ersten angeordnet
ist. Der andere Strom mündet in eine dritte Schlange j", welche sich von dem ersten
Boden b" der dritten Plattenserie bis zum oberen Kolonnenende parallel zu den beiden
'ersten fortsetzt.
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Die beiden Schlangen j' und j" enden wie j in Querstücken mit
Regelungsventilen k', k". Die drei Schlangen p, j', y" schleudern
also sämtlich die verflüssigten Gase, welche sie führen, auf die oberste Platte
b"8.
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Bei Inbetriebnahme füllt, wie oben bereits auseinandergesetzt ist,
flüssige Luft alle Platten der Kolonne an. Diese flüssige Luft siedet in allen Platten,
indem sie schnell ihren Stickstoff verliert und sich fortschreitend nach dem unteren
Teil der Kolonne in eine Flüssigkeit verwandelt, die reiner .Sauerstoff ist. Ihre
Dämpfe treten bei r aus. Die bei e angesaugten und dann in den drei Schlangen
verflüssigten .Gase enthalten am Anfang etwa 7 Prozent Sauerstoff, denn es sind
die Gase, welche sich aus der flüssigen Luft unter atmosphärischem Druck entwickeln.
Aber in dem Maße, wie diese Flüssigkeit sich auf die oberste Platte ergießt, entwickeln
sich neue Dämpfe, welche ärmer an Sauerstoff sind. Diese werden selbst wieder teilweise
angesaugt, von neuem verflüssigt und _ auf die oberste Platte zurückgeführt und
so fort in beständigem Kreislauf. Der Sauerstoffgehalt der angesaugten Gase wird
so fortschreitend vermindert, um schließlich sehr schnell gleich Null zu werden.
Man erhält also in' kurzer Zeit chemisch reinen Stickstoff, welcher gasförmig aus
der Kolonne. heraustritt bzw. flüssig auf die erste Platte fließt.
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Die Temperatur der Platten wechselt, wie bekannt, je nach ihrer Stellung
iä der Kolonne zwischen - !82' der Temperatur des unter Atmosphärendruck
siedenden flüssigen Sauerstoffs am Boden der Kolonne und - 195' der Siedetemperatur
des flüssigen Stickstoffs im oberen Teil der Kolonne.
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Die Anordnung der vier Gaszuführungen i, i',
m, m' hat
nun den Zweck, auf den Platten der Kolonne ebenso viele voneinander unabhängige
Heizstellen zu schaffen, durch Anwendung gestaffelten Druckes für den als Heizmittel
dienenden komprimierten Stickstoff.
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Der Stickstoff muß beispielsweise einem Druck von 4,5 Atmosphären
unterworfen werden, um am Boden der Kolonne, das heißt bei - 18?', in der Schlange
j vollständig verflüssigt zu werden; dagegen bedarf es nur eines Druckes von 2,5
bzw. 1,2 Atmosphären, um ihn in den Schlangen j' bzw. j" zu verflüssigen. Die drei
Ventile k, k', k" gestatten, den Druck und die Flüssigkeitsabgabe jeder der
Schlangen j, 9' und j" getrennt zu regeln. Zur ständigen Kontrolle der Drucke dienen
Manometer o, o'-, o"; ebenso können die ausströmenden Flüssigkeitsmengen jederzeit
kontrolliert werden, indem man durch eine Öffnung P die drei Ausflüsse beobachtet,
welche durch eine in geeigneter Weise angebrachte Glühlampe p' erleuchtet werden.
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Ist einmal die Kolonne in regelrechtem Betrieb, so läßt man in üblicher
Weise atmosphärische Luft, die in gewöhnlichen Austaüschern
his
in die Nähe ihres Verflüssigungspunktes abgekühlt ist, von q aus in die Kolonne
eintreten, in der sie. dem Strom des reinen herabrieselnden Stickstoffs entgegen
von unten nach oben durch die Platten streicht. Die Eintrittsstelle q der Luft ist
ein wenig unterhalb der Mitte der Kolonne angeordnet, damit. die auf der in dieser
Höhe angebrachten Platte gebildeten Gase etwa die gleiche Zusammensetzung wie die
atmosphärische Luft haben.
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Infolge der Speisung der dreiunabhängigen Entnahmestellen unter verschiedenen
Drucken entsteht auf jeder Platte ein Sieden von gleicher Stärke, wenn die Regelung
genau ist.
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Die unter annähernd atmosphärischem Druck zugeführte atmosphärische
Luft wird dadurch in zwei Gasströme umgewandelt, von denen der eine aus reinem Stickstoff
besteht, der oben austritt, während der andere, aus reinem Sauerstoff bestehende
abgeführt wird. Die Summe derselben stellt genau das in den Apparat eingeführte
Luftvolumen dar.
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Der flüssige Stickstoff, der notwendig ist, um das Wiedereintreten
von Wärme infolge von Strahlungsverlusten zu kompensieren und um das Verfahren aufrechtzuerhalten,
wird durch das Rohr s, das mit einem Ventil s' versehen ist, eingeführt. Wird flüssige
Luft in die Kolonne eingeführt, so läßt man sie etwas tiefer in die Abteilung b'
eintreten.