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Anordnung zur Gaszerlegung Es ist bekannt, bei der Zerlegung von Gasen
in mindestens zwei Fraktionen durch Tiefkühlung und Rektifikation einen Teildes
abgekühlten Gases nach arbeitsleistender Entspannung in den Rektifizierapparat an
geeigneter Stelle mit Sättigungstemperatur zwischen die Rektifikationsböden einzublasen,
oliv; daß dieser Gasanteil total verflüssigt zu werden braucht (s. die deutsche
Patentschrift 538 c920). Dieses Verfahren. hat den Vorteil einer verhältnismäßig
günstigen Kälteerzeugung. Die Tiefkühlung dieses Gasanteiles vor der Entspannung
erschien notwendig, um das Gas vor der Zerlegung von stärenden Verunreinigungen,
insbesondere Feuchtigkeit und Kohlensäure, möglichst restlos zu befreien.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, auf hohen Druck verdichtetes
Gas in Gegenstromwärmeaustauschern partiell abzukühlen und anschließend in. einer
Expansionsmaschine zu entspannen und in den Zerlegungsapparat einzublasen. Ein weiterer
Vorschlag ging dahin, für :die Kälteerzeugung Entspannungsturhinen zu verwenden,
denen kaltes, aber vor dem Eintritt in .die Turbine um einen bestimmten Betrag angewärmtes
Gas zugeführt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß man das Gaszerlegungsverfahren durch Rektifikation
des in einer Kühlv orrichtung tiefgekühlten Gases in mindestens zwei Fraktionen
(wobei ein Teil des Gases zu arbeitsleistender Entspannung und anschließender gasförmiger
Einblasung in den Rektifizierapparat entweder nach vollständiger Abkühlung in der
Kühlvorrichtung entnommen und im Gegenstrom mit Rohgas wieder um einen bestimmten
Teilbetrag angewärmt oder an entsprechend warmer Stelle der Kühlvorrichtung abgezweigt
wird) dadurch besonders
wirtschaftlich und vorteilhaft gestalten
kann, daß man in der Zerlegungsanordnung als Kühlvorrichtungen umschaltbare Kältespeicher
verwendet.
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Bekanntlich ist es energetisch günstiger, warmes statt kaltes Gas
arbeitsleistend zu entspannen, weil die Kälteerzeugung im wärmeren Temperaturgebiet
günstiger ist. Wenn: das Gas, z. B. Luft, auf etwa 5 ata verdichtet ist, und es
wird bei iio° absoluter Eintrittstemperatur in einer Entspannungsturbine auf etwa
i ata entspannt, so wird dabei eine Kälteleistung je Kilogramm Gas von etwa 5 kcal
erzeugt bei einer Abkühlung auf etwa 83°! abs. Wenn dagegen die Entspannung im gleichen
Druckgebiet bei einer Eintrittstemperatur von i30'°' abs. erfolgt, so %verden bereits
etwa 6 kcal/kg gewonnen bei einer Abkühlung auf etwa ioo°ll abs., d. h. bei gleichem
Energieaufwand wird die Kälteleistung um 20"/a höher. In der Praxis bedeutet dies;
daß für eine bestimmte erforderliche Kälteleistung erheblich weniger Energie gebraucht
wird als bei anderen Verfahren. Zwar wird diese Kälte nicht bei der tiefsten im
System auftretenden Temperatur erzeugt, es ist dies aber auch nicht nötig, da ja
nicht der gesamte Kältebedarf, insbesondere nicht die gesamten Kälteverluste allein
bei der tiefsten Temperatur auftreten. Die Anwärmung des Gases vor der arbeitsleistenden
Entspannung wird zweckmäßig im Wärmeaustausch mit dem eintretenden warmen Gas vorgenommen.
' Erfindungsgemäß und mit besonderem Vorteil erfolgt der Wärmeaustausch des arbeitsleistend
zu entspannenden. Gases in Kältespeichern. Eine Anordnung dieser Art führt zu wesentlichen
Einsparungen an Energie für den Zerlegungsvorgang, der dadurch ein Optimum an Wirtschaftlichkeit
g°-währleistet. In einzelnen Fällen kann an Stelle der Anwärmung des einzublasenden
Gases auch die Entnahme dieses Gases an einer entsprechend wärmeren Stelle des Kältespeichers
treten. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Möglichkeiten ist der, daß im
ersten Falle, bei der Anwärmung nach erfolgter vollständiger Tiefkühlung, das Gas
praktisch restlos von den Verunreinigungen befreit ist. Im zweiten. Falle, bei der
Entnahme des Gases an einer wärmeren Stelle, sind die Verunreinigungen noch nicht
restlos ausgefroren. Jedoch kann dieser Nachteil in manchen Fällen tragbar sein,
zumal es ja nur noch geringe Reste sind, die sich unter Umständen auch. noch während
des nachfolgenden Verfahrens ausscheiden lassen. In, solchen Fällen stellt die Entnahme
des Einblasegases an einer wärmeren Stelle -des Kältespeichers eine erhebliche Vereinfachung
dar. In den weitaus meisten Fällen wird aber die Anwärmung des Einblasegases im
Wärmeaustausch mit dem Rohgas erforderlich sein, wobei das Einblasegas in geeigneten
Rohrsystemen dem Rohgas entgegengeführt werden muß.
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Das Verfahren in der erfindungsgemäßen Anordnung kann z. B. dadurch
durchgeführt werden, daß das Einblasegas dem Rohgas am kalten Ende der Kältespeicher
entnommen, im unteren (kalten) Teil derselben dem Rohgas wieder entgegengeführt,
dann aus den Kältespeichern heraus und der Entspan nungsturbine zugeführt wird.
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In besonders vorteilhafter Weise läßt sich das Verfahren in der erfindungsgemäßen
Anordnung bei Verwendung von wechselweise umschaltbaren Kältespeichern zur Abkühlung
des Rohgases durchführen, indem die Rohre zur Anwärmung des Einblasegases, welches
wiederum dem bereits abgekühlten Rohgas entnommen wird, in dem unteren (kalten)
Teil der Speichermasse untergebracht und das Gas sodann wiederum der Entspannungsturbine
zugeleitet wird. Es ist ersichtlich, daß die Unterbringung der Anwärmrohre in den
Kältespeichern dann besonders einfach ist, wenn als Speichermasse .eine Schüttmasse,
z. B. Kies, verwendet wird. Die Konstruktion läßt sich bei dieser Anordnung leicht
durchführen, und die Speichermasse kann nachträglich einfach in den Kältespeicher
eingeschüttet werden. Bei den. Gaszerlegungsanlagen mit Kältespeichern werden in
der Regel zwei Paare von Kältespeichern angewendet, durch die das Rohgas, z. B.
Luft, eintritt, während durch das eine Paar das eine Zerlegungsprodukt, z. B. Sauerstoff,
und durch das andere Paar das andere Zerlegungsprodukt, z. B. Stickstoff, austritt.
In beiden Kältespeicherpaaren herrschen dabei die gleichen Temperaturverhältnisse.
Das Verfahren in der erfindungsgemäßen Anordnung wird zweckmäßigerweise so durchgeführt,
daß die Rohrsysteme zum Anwärmen des einzublasenden Teiles des Rohgases auf beide
Kältespeicherpaare verteilt werden. Es ist unter Umständen auch angebracht, die
Rohrsysteme für die Anwärmung des Einblasegases nur in demjenigen der beiden Kältespeicherpaare
unterzubriirgen, welches das mengenmäßig größere Zerlegungsprodukt aufzunehmen hat,
z. B. dann, wenn durch das andere, Paar nur eine verhältnismäßig kleine Gasmenge
als Zerlegungsprodukt herausgeführt wird. Andererseits ist es aber auch möglich,
bei derartigen Gaszerlegungsanlagen überhaupt mit nur einem Kältespeicherpaar auszukommen.
Das wertvollere Zerlegungsprodukt, z. B. Sauerstoff, das nicht beim Wärmeaustausch
verunreinigt werden soll, wird dann durch in diesem Kältespeicherpaar untergebrachte
Rohre herausgeführt. Auch diese Anordnung läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung
vereinigen., indem die Rohrsysteme zum Anwärmen. des einzublasenden Teiles des Rohgases
in demselben Kältespeicherpaar untergebracht werden.
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Außerdem energetischen Vorteil der Kälteerzeugung bietet das Verfahren
in der erfindungsgemäßen Anordnung noch weitere erhebliche Vorteile. Vor allem läßt
sich die Gaszerlegung mit der erfindungsgemäßen Anordnung ohne Anwendung -eines
Hochdruckkreislaufes zur Kälteerzeugung durchführen. Bei der einfachen Art, den
«-eitaus größten: Teil der -erforderlichen Kälte durch die arbeitsleistende Entspannung
der Turbinen in einem etwas über dem Sättigungsgebiet liegenden Temperaturbereich
zu erzeugen, braucht nur noch eine geringe Kältemenge im Sättigungsbereich erzeugt
zu werden, wozu die Drosselentspannung des nicht eingeschlossenen Teiles des Rohgases
genügt.
Als ein weiterer Vorteil erweist sich eine eigenartige Rückwirkung
des Verfahrens in der erfindungsgemäßen Anordnung auf die Kältespeicher selbst.
Natürlich wird der Temperaturverlauf in den Kältespeichern durch die Anwärmung des
Einblasegases beeinflußt. Der Unterschied der Temperaturdifferenz zwischen ein-
und austretendem Gas zwischen einem normalen Isältespeicher und einem Kältespeicher
nach der Erfindung wird durch die Kurven a und b der Abb. i veranschaulicht.
.'11s :@hszissen sind die Längen der Kältespeicher mit z. B. d. m eingetragen, wobei
links das kalte Ende, rechts das -warme Ende des Kältespeichers angenommen ist;
als Ordinaten sind die Temperaturdifferenzen zwischen dem eintretenden wärmeren
Rohgas und dem austretenden kälteren Zerlegungsprodukt eingetragen. Die Kurve a
entspricht einem normalen Kältespeicher und zeigt, daß am warmen Ende des Kältespeichers
das austretende Zerlegungsprodukt 2,7y' kälter ist als das eintretende Rohgas. Diese
Temperaturdifferenz, die auf dem nicht restlos möglichen Wärmneaustausch beruht,
bedeutet einen ständigen Kälteverlust. Am halten Ende zeigt sich dagegen eine Temperaturdifferenz
von .I°, d. h. das aus der Zerlegungsanlage austretende kalte Zerlegungsprodukt
ist 4.° kälter als das in die Zerlegungsanlage eintretende abgekühlte Rohgas; dies
hat zur Folge, daß die Sublimation der auf der Speichermasse als Reif ausgeschiedenen
Verunreinigungen. z. B. Kohlensäure, nicht restlos erfolgt. Die Kurve b zeit den
Temperaturverlauf bei einem Kältespeicher, hei dem das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet ist. Sowohl am warmen als auch am kalten Ende des Kältespeichers sind
die Temperaturdifferenzen bei gleicher mittlerer Temperaturam differenz kleiner
geworden und betragen etwa i C 'am -warmen bzw. 3.4' am kalten Ende. Das bedeutet,
daß einerseits die Kälteverluste am warmen Ende der Kältespeicher erheblich kleiner
---erden, -wodurch fast o,51:cal/tns Rohgas (rund ein Viertel des gesamten Kältebedarfs)
gespart ---erden können und daß andererseits die Sublimationsverhältnisse günstiger
-werden. Es sei noch hinzugefügt, daß infolge der günstigen Kälteerzeugung auch
die vor jeder Inbetriebnahme .erforderliche Abkühlung der Kältespeicher- und Zerlegungsapparatur
weniger Zeit, etwa die Hälfte der bisherigen, erfordert.
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Zwei Anwendungfälle des Verfahrens in der erfindungsgemäßen Anordnung
-werden nachstehend an Hand der Abb. 2 und 3 beschrieben.
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Durch Leitung i (Abb. 2) tritt das Rohgas, z. B. Luft, in die periodisch
umschaltbaren Speicherpaare .@-A bzw. B-B mit einem Druck von etwa 5,5 ata ein,
-während das -eine Zerlegungsprodukt, z. B. Stickstoff, durch das Kältespeicherpaar
A-A und über Leitung 2, das andere Zerlegungsprodukt, z. B. Sauerstoff, durch das
Kältespeicherpaar B;B und über Leitung 3 austritt. Das abgekühlte Rohgas tritt überLeitung
d. in die z-v@eistufigeRel:tifiziersäule 5-6, mit Drucksäule 5 und Obersäule 6,
ein. Eventuell mitgeführte Kohlensäure -wird in dem Sumpf 7 ausgewaschen und in
dem Filter S vor Aufgabe der Flüssigkeit auf die Obersäule 6 ausgeschieden. Über
Leitung o wird ein Teil des soeben eingeführten, noch nicht rektifizierten Rohgases,
z. B. 20 bis 25°i0 desselben, unter dem bestehenden Druck entnommen und über die
Leitungen 9°-9b auf die in den unteren Hälften der Kältespeicher untergebrachten
Rohrsysteme io-io und i i-i i verteilt. Eine Umschaltun- dieser Rohrsysteme im Takt
der Kältespeicherumschaltungen ist nicht unbedingt erforderlich. Die Rohrsystemne
io-io und ii-ii sind so bemessen, daß das Rohgas in ihnen eine Anw ärmung um z.
B. etwa 30° erfährt. Das angewärmte, immer noch nahezu unter Kompressordruck stehende
Gas wird über die Leitungen 12d, 12b, 12' der Entspannungsturbine 13 zugeführt,
in welcher es ungefähr auf den Druck der Obersäule 6 entspannt wird, wobei es eine
Temperatursenkung von z. B. etwa 30° erfährt. Um die Eintrittstemperatur des Gases
vor der Turbine genau einregulieren zu können, ist außerdem die, Umgangsleitung
i.1 mit Ventil 15 vorgesehen, durch die ein. Teil des kalten Gases aus Leitung 9
direkt der Turbine 13 zugeleitet werden kann. Das entspannte, abgekühlte Gas wird
über Leitung 16 in die Obersäule 6 in an sich bekannter `eise eingeblasen. Die Entnahme
der Zerlegungsprodukte am Kopf und am Kondensator der Obersäule 6und die Weiterleitung
derselben gehört nicht zum Gegenstand' der Erfindung, sondern erfolgt in bekannter
Weise und wird daher nicht weiter beschrieben. Wichtig ist lediglich, daß ein Teil
des kalten, kohlensäurefreien, unter Druck stehenden Rohgases im Wärmeaustausch
mit den Zerlegungsprodukten verflüssigt und als Berieselungsflüssigkeit für die
Rektifiziersäule verwendet -wird. Dieser Teil -wird im Falle des Beispiels über
Leitung 17 der Drucksäule 5 entnommen und dem Verflüssiger 18 zugeführt, der mit
den kalten Zerlegungsprodukten gekühlt -wird. Hierbei -wird die ständig neu erforderliche
Flüssigkeit aus dem Rohgas ohne Zuhilfenahme eines Hochdruckkreislaufes erzeugt
und über Leitung i9 dem Sumpf 7 zugeleitet.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb.3 stellt in zweifacher Beziehung
eine Vereinfachung im Vergleich zu .dem Beispiel nach Abb. 2 dar. Erstens ist an
Stelle der doppelten Rektifiziersäule 5-6 die einfache Rektifiziersäule 6 und zweitens
an Stelle des zweiten Kältespeicherpaares B-B (Abb. 2) das doppelte auf das Kältespeicherpaar
A-A verteilte Rohrsystem B'-B' (Abb. 3) getreten. Der Vorgang ist folgender: Das
Rohgas tritt aus Leitung i über das Kältespeicherpaar A-A und. über Leitung .4 in
den Kondensator i ä ein. Dieser Kondensator -wird durch das der Säule 6 flüssig
entnommene Zerlegungsprodukt gekühlt, welches dabei gleichzeitig zum größten Teil
verdampft -wird. In der Flüssigkeit 7 des Kondensators 18 -wird die restliche Kohlensäure
aus dem Rohgas ausgewaschen, die vor Aufgabe der Flüssigkeit auf den Kopf der Säule
6 in den Filtern g-8 ausgeschieden wird. Von dem aus dem Kondensator 18 am Kopf
abziehenden, nicht verflüssigten Anteil des Rohgases wird ,das Einblasegas über
Leitung 9 entnommen, über die Leitungen 9a-9b dem Rohrsystem io-io zur Anwärmung
zugeführt und gelangt dann über Leitung 12 zur Entspannun
@gsturbine
13. Nach erfolgter Entspannung und Kühlung wird das Gas über Leitung 16 in die Säule
6 eingeblasen. Auch. hier ist die Umgangsleitung 14 mit Regulierventil 15 vorgesehen.
Ein Teil des gereinigten, kalten Rohgases wird wiederum über Leitung 17 entnommen
und nach Verflüssigung auf den Kopf der Säule 6 aufgegeben. Diese einfachereAusführungsformeinerZerlegungsanlage
nach der Erfindung ermöglicht bei etwas geringerer Ausbeute die Gewinnung eines
grundsätzlich ebenso reinen Zerlegungsproduktes wie die Ausführungsform nach Abb.
2. Es sind jedoch auch beliebige Kombinationen möglich, z. B. die Verbindung eines
Zweisäulenapparates mit nur einem Kältespeicherpaar, in dem sowohl die Rohrsysteme
für das reine Entspannungsprodukt als auch für das Einblasegas untergebracht sind,
oder die Verbindung eines Einsäulenapparates mit zwei Kältespeicherpaaren. Ferner
können an Stelle der Kältespeicherpaare sinngemäß auch Gegenströmer angewendet werden.
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Abb. q. stellt eine ähnliche Anordnung wie A.bb. 2 dar, jedoch ist
hier auf die Rohrsysteme io-io und i i-i i zur Anwärmung des Einblasegases verzichtet
worden und statt dessen Idas Einblasegas .den Kältespeichern bei ioa und ija an
einer verhältnismäßig warmen Stelle entnommen worden. Dafür fällt die Leitung 9
der Abb. 2 fort. Im übrigen bleibt die Anordnung die gleiche wie bei Abb. 2.
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Abb. 5 zeigt einen schematischen Fall für die Anwendung der Erfindung,
wenn es sich um die Gewinnung eines reinen, leichtsiedenden Produktes handelt. Kältespeicher
sind schematisch durch die Zeichen AABB angedeutet. Das Rohgas tritt wiederum durch
Leitung i in den Kältespeicher ein und wird durch Leitung q. in den, Rektifizierapparat
eingeleitet. Das Einblasegas kann entweder durch Rohrsysteme angewärmt werden oder,
wie in der Zeichnung dargestellt, dem Kältespeicher an geeigneter warmer Stelle
entnommen werden. Es wird wiederum in der Turbine 13 entspannt, dagegen durch Leitung
16 nicht zwischen den Böden des Rektifizierapparates, sondern statt dessen über
Leitung 2o in den, Kondensator 2i eingeblasen, in welchem das Schwersiedende unter
gleichzeitiger Kondensation .des Leichtsiedenden verdampft. Bei dieser Anordnung
läßt sich ein reines leichtsiedendes Gas gewinnen. Die Vorteile des Verfahrens mit
der erfindungsgemäßen Anordnung werden auch in diesem Falle ausgenutzt.