DE1067046B - Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches bei niedriger Temperatur und Vorrichtunig zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die bei niedriger Temperatur stattfindende Zerlegung niedrigsiedender Gasgemische, wie Luft, z. B. in höher- und niedrigersiedende Bestandteile und betrifft insbesondere die kontinuierliche Beseitigung höhersiedender, durch Ausfrieren abgetrennter Verunreinigungen aus Zerlegungsanlagen.

Gasgemische, wie Luft mit Wasserdampf und Kohlendioxyd, die höhersiedende Verunreinigungen enthalten, müssen von solchen A^erunreinigungen befreit werden, wenn das Gasgemisch durch Niedrigtemperaturrektinzierung in Bestandteile zerlegt werden soll. Aus den USA.-Patentschriften 2 673 456 und 2 715 323 ist es bekannt, daß bei hierfür geeigneten Vorrichtungen von der Hochdruckzone der Rektifikationskolonne Gase abgezogen werden, die nach dem Durchströmen durch einen Wärmeaustauscher expandiert und in die Niederdruckzone der Kolonne zurückgeführt werden. Ein anderes Verfahren, zur Beseitigung dieser höhersiedenden Verunreinigungen unter wirksamer Kühlung des Gasgemisches besteht darin, daß man periodisch umgesteuerte Wärmeaustauschvorrichtungen mit einem Durchlaufweg verwendet, durch den ein Gasgemisch unter Kühlung in einer Richtung fließt und durch den das Zerlegungeprodukt unter Erwärmung in entgegengesetzter Richtung strömt, wenn das Gasgemisch iri.ihm nicht mehr fließt, wobei der Durchfluß des Gasgemisches und des abgetrennten Produktes periodisch gewechselt wird, um einmal eine Ablagerung des größten Teils der sogenannten höhersiedenden Verunreinigungen aus dem Gasgemisch entlang dem Hauptteil des Durchlaufweges und dann ein AViederverdampfen dieser niedergeschlagenen Verunreinigungen in das nach außen strömende abgetrennte Produkt zu ermöglichen. Dies ist besonders wirtschaftlich, wenn man das Gasgemisch nicht auf hohe Drücke zu komprimieren braucht und dadurch einen hohen Energieverlust wegen des Entspannens des Drucks während des Umsteuerns der Flußrichtung verursacht.

Eine der Schwierigkeiten, die bei der Verwendung solcher periodisch umgesteuerten Wärmeaustauschvorrichtungen auftritt, besteht darin, daß, wenn das zufließende Gemisch und das abfließende Produkt im Gleichgewicht miteinander stehen, die höhersiedenden Verunreinigungen normalerweise nicht so schnell beseitigt werden können, als sie in dem Wärmeaustauschkanal niedergeschlagen werden, wodurch sie allmählich die Leitung verstopfen. Um derartige Ansammlungen zu beseitigen, mußte der Betrieb des verstopften Wärmeaustauschers unterbrochen und dieser periodisch aufgetaut werden. Dies hatte unerwünschte Kälteverluste zur Folge, welche die Wirtschaftlichkeit der Anlage verminderten.

Verfahren
zum Zerlegen eines Gasgemisches

bei niedriger Temperatur

und Vorrichtung zur Durchführung

des Verfahrens

Anmelder:

Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Januar 1956

Richard James Frainier, Tonawanda, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Bekanntlich erhöht sich bei solchen Systemen der Temperaturunterschied zwischen eintretender Luft und austretendem Trennungsprodukt gegen das kalte Ende des Wärmeaustauschers, und zwar wegen der größeren spezifischen Wärme der Druckluft bei niedrigeren Temperaturen. Infolge dieses Temperaturunterschiedes besteht auch ein solcher Unterschied im Dampfdruck der Verunreinigungen während der Kondensation und der Rückverdampfung, daß das Kondensat durch das nach außen strömende Produkt nicht so schnell beseitigt werden kann, wie es niedergeschlagen worden war. Diesem unerwünschten Zustand kann man dadurch abhelfen, daß man mehr kaltes, nach außen fließendes Gas als einströmende Luft, zumindest durch den kälteren Teil des Wärmeaustauschers leitet, urri die größere spezifische Wärme der Druckluft aufzuwiegen und den Temperaturunterschied zwischen der Luft und dem ausströmenden Gas im Ablagerungsgebiet der Verunreinigungen zu vermindern. So kommt' die Temperatur des abgetrennten Produktes, das durch den umgesteuerten Wärmeaustauschdurchgang fließt,

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so nahe an die Temperatur der vorher durchgeleiteten Luft, daß dieses das gesamte darin niedergeschlagene Kondensat wieder zu verdampfen vermag.

Es ist infolgedessen das Ziel der Erfindung, ein System für die Niedrigtemperaturzerlegung von Luft anzugeben, bei dem höhersiedende, in einer Wärmeaustauschzone abgelagerte Verunreinigungen kontinuierlich und vollständig während des Betriebes der Anlage durch nach außen strömendes zerlegtes Produkt beseitigt werden, das -durch diese Zone strömt, wenn das Gasgemisch nicht mehr durch sie fließt.

Bei dem Verfahren zur Niedrigtemperaturzerlegung eines Gasgemisches durch Rektifizierung wird ein solches Gasgemisch von höhersiedenden Verunreinigungen befreit und bei der Kondensationstemperatur in einer Rektifizierzone einer Rektifizierung unterworfen. Hierbei wird ein höhersiedendes und ein niedrigersiedendes Produkt erhalten und der höhersiedende flüssige Bestandteil rückverdampft. Das dabei entstehende Gas wird durch eine Rektifizierungszone als Rektifiziergas geleitet, wobei die abgetrennten Produkte verwendet werden, um weitere Anteile des Gasgemisches in einer Wärmeaustauschzone zu kühlen, die einen umsteuerbaren Durchflußweg aufweist, durch den das Gasgemisch und das nach außen entweichende abgetrennte Produkt abwechselnd strömen, um in dem Durchflußweg beim Durchfluß des Gasgemisches niedergeschlagene und abgelagerte Verunreinigungen durch das nach außen strömende abgetrennte Produkt zu beseitigen. Das von einem ersten Abschnitt der Rektifizierungszone abgezogene Gas wird dabei durch eine getrennte, nicht umsteuerbare Leitung, die sich durch die Wärmeaustauschzone erstreckt, in ein zweites Gebiet der Rektifizierungszone mit niedrigerem Druck zurückgeführt.

Erfindungsgemäß wird nun das vom Niederdruckabschnitt der Rektifizierungszone abgezogene Gas durch den getrennten, nicht umsteuerbaren Durchflußweg, der sich mindestens entlang dem kälteren Teil der Wärmeaustauschzone erstreckt, geleitet und mindestens teilweise in den Niederdruckabschnitt in ein Gebiet mit niedrigerem Druck als in dem Gebiet zurückgeführt, aus dem es abgezogen wurde.

Die durch den Gasstrom ermöglichte Kühlung wird demnach verwendet, um den Unterschied der spezifischen Wärme der Luft und des nach außen strömenden Produktes in dem Teil der Wärmeaustauschzone auszugleichen, in dem die Ablagerung von Kohlendioxyd stattfindet. Dies vermindert den Temperaturunterschied am kalten Ende und erhöht die Aufnahmefähigkeit des ausströmenden Produktes, das zum Zweck einer Rückverdampfung von Kohlendioxyd in umgekehrter Richtung durch den Durchflußweg strömt, wobei eine Selbstreinigung des Wärmeaustauschers erreicht wird. Wenn die Zusammensetzung des abgezogenen Gases die gleiche ist wie die des gewonnenen Sauerstoffs, kann man dieses durch die Wärmeaustauschzone mit dem letzteren durch den Durchlaufweg für den gewonnenen Sauerstoff leiten, dann abziehen und in die Rektifizierung als Rückflußgas zurückleiten.

Der Druckabfall in der Produkte liefernden Rektifizierungsstufe kann die Umwälzung dieses Stromes ermöglichen. Bei der Durchführung der Erfindung führt man jedoch das warme Gas vorzugsweise in ein Gebiet in der Rektifizierstufe, in dem das Gas der Rektifizierung im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweist wie das warme Gas. Infolgedessen ermöglicht vorzugsweise das Drosseln des Gases in einem beschränkten Gebiet der Rektifizierungsstufe, beispielsweise zwischen der Rektifizierungszone und der Rückverdampfungszone für flüssigen Sauerstoff das Umwälzen des Gases, da hierdurch ein Druckabfall entsprechend der erforderlichen Treibkraft erzielt wird.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in schematischer Form eine Luftzerlegungsanlage nach der Erfindung ohne mechanische Kühlvorrichtung;

ίο Fig. 2 zeigt in schematischer Form eine Luftzerlegungsanlage nach der Erfindung einschließlich der mechanischen Kühlvorrichtungen;

Fig. 3 zeigt in Teilansicht einen modifizierten Wärmeaustauscher, den man an Stelle des links der strichpunktierten Linie in Fig. 2 gezeigten Wärmeaustauschers verwenden kann;

Fig. 4 zeigt in schematischer Form eine Luftzerlegungsanlage ähnlich Fig. 1 mit bestimmten Abänderungen ;

Fig. 5 zeigt eine Luftzerlegungsanlage ähnlich Fig. 2 mit bestimmten Abänderungen.

In den Zeichnungen sind ähnliche Teile in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszahlen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage umfaßt einen Kompressor 10, der die Luft vorzugsweise auf einen Druck von etwa 4,9 kg/cm² über Atmosphärendruck komprimiert und die sie in eine Leitung 12 fördert, die zu dem warmen Ende eines mit 14 bezeichneten Gegenstrom-Wärmeaustauschers führt. Der letztere hat einen warmen Zweig 16 mit Durchflußwegen 18, 19 und 20, die mit den entsprechenden Durchflußwegen in einem kalten Zweig 22 verbunden sind. Die in einer Richtung durch den Wärmeaustauscher einströmende Druckluft wird durch gewonnenen Stickstoff und Sauerstoff, die durch den Wärmeaustauscher in entgegengesetzter Richtung fließen, im wesentlichen auf Kondensationstemperatur gebracht. Die im Gegenstrom durchfließende Druckluft und der gewonnene Stickstoffjwerden periodisch zwischen Durchflußwegen 18 und 20 umgesteuert, indem man die Ventile RV und die Kontrollventile 15 umstellt, so daß durch Kondensation abgelagerte und in fester oder flüssiger Phase auf den Oberflächen einer Leitung angesammelte höhersiedende Verunreinigungen der Luft regelmäßig durch einströmenden Stickstoff in der Periode, in der dieser durch die gleiche Leitung fließt, entfernt werden. Der gewonnene Sauerstoff wird über den Durchflußweg 19 durch den kalten und warmen Zweig des Wärmeaustauschers 14 geleitet, um seine Kälte auszunutzen und um dabei wieder erwärmt zu werden, ohne vor seiner Verwendung verunreinigt zu werden. In dieser Anlage werden restliche Kohlenwasserstoffverunreinigungen und Teilchen von restlichem Kohlendioxyd, die in dem Wärmeaustauscher nicht abgelagert wurden, durch eine Absorptionsfalle 24 beseitigt. Diese Falle ist in einer Leitung 26 vorgesehen, die vom kalten Ende des Wärmeaustauschers 14 zu einer Hochdruckkolonne 28 einer zweistufigen, mit 30 bezeichneten Rektifizierkolonne führt.

Die Luftrektifizierungsvorrichtung kann in üblicher Weise konstruiert sein und zusätzlich zu der Hochdruckrektifizier- oder unteren Kolonne 28 eine obere Niederdruckrektifizierkolonne 32 mit einem Rektifizierteil 34 und einem Rückverdampferteil 36 am unteren Ende hiervon aufweisen, der die Hochdruckkolonne 28 verschließt und sie von der oberen Kolonne abtrennt. Der Rückverdampfer 36 wird in üblicher Weise betrieben und kondensiert das in der Kolonne 28 aufsteigende Gas. Er dient so als Rückflußkühler

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der Hochdruckkolonne, und außerdem wird hierbei flüssiger Stickstoff auf einer vorspringenden Kante 38 direkt unter, einem Teil des Rückverdampfers 36 angesammelt. Der flüssige Stickstoff von der vorspringenden Kante 38 wird unter Drosselung auf niedrigeren Druck zu dem oberen Teil der oberen Kolonne durch die Leitung 40 mit einem Drosselventil 42 geleitet. Sauerstoffangereicherte Flüssigkeit, die sich in einem Kessel 37 der unteren Kolonne ansammelt, wird durch eine Leitung44 in einen mittleren Teil der oberen Kolonne 32 geleitet, wobei die unter höherem Druck stehende Flüssigkeit durch ein Drosselventil 46 in der Leitung 44 vor der Ableitung in die obere Kolonne auf einen niedrigeren Druck gebracht wird. Die in die obere Kolonne übergeführten Flüssigkeiten ermöglichen einen Rückfluß und werden weiterhin rektifiziert, so daß man am Oberteil der Kolonne kalten gasförmigen Stickstoff und an ihrem unteren Teil Sauerstoff von der erwünschten Reinheit erhält. Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit, die von dem untersten Boden der oberen Kolonne in einen Sammelraum 48 des Rückverdampfers 36 fällt, wird hierin durch Wärmeaustausch mit Kondensflüssigkeit auf der Rohrseite des Rückverdampfers verdampft. Ein Teil dieses Gases wird aus der Rektifiziervorrichtung als gewonnener Sauerstoff durch eine Leitung 50 abgezogen, und der Rest wird in den Rektifizierabschnitt 34 geleitet, um dort als Rückflußgas für die Niederdruckrektifizierung zu dienen. Der bei der Rektifizierung gewonnene Stickstoff wird von der oberen Kolonne 32 in eine Leitung 52 abgezogen, welche den kalten Gasstrom zu Kontrollventilen 15 am kalten Ende des Gegenstromwärmeaustauschers 14 führt. Der gewonnene Stickstoff kann durch einen Wärmeaustauscher 54 in der Leitung 52 geführt werden, um überhitzt zu werden und gleichzeitig den durch die vorragende Kante abgefangenen flüssigen Stickstoff so weit zu unterkühlen, daß der Destillationsverlust auf ein Minimum reduziert wird, wenn der Stickstoff im Ventil 42 auf einen niedrigeren Druck gedrosselt wird. Die Rektifizierkammern 28 und 34 können mit den üblichen Berührungsoberflächen für Gas und Flüssigkeit versehen sein, beispielsweise mit Böden 58. Die Rektifizieranlage gemäß Fig. 1 weist keine spezifische mechanische Kühlvorrichtung auf, und die für den Betrieb erforderliche Tiefkühlung erhält man von einer Tieftemperaturflüssigkeit, vorzugsweise Sauerstoff, die in einem wirksam isolierten Tank 60 gespeichert ist, aus dem Flüssigkeit zu der Luftzerlegungsanlage geleitet wird. Der hierfür benötigte Sauerstoff kann in flüssiger Form zur Anlage gebracht und durch einen Flüssigkeitseinlaß 62 in den Tank 60 eingeführt werden. Selbstverständlich wird der gesamte der Anlage gelieferte Sauerstoff in Gasform verwendet. Durch Verwendung des Kälteinhalts der Flüssigkeit zum Betrieb der Luftzerlegungsanlage kann man jedoch, eine größere Sauerstoffmenge gewinnen als lediglich durch Verdampfen des flüssigen 'Sauerstoffs im Speichertank 60.

Der Tank 60 ist vorzugsweise in höherer Lage angebracht als die Rektifizierkolonne, wie in Fig. 1 gezeigt, so daß die Flüssigkeit durch Schwerkraft vom Boden des Speichertanks zur Rektifizierkolonne fließen kann. Die Tankflüssigkeit wird durch die Leitung 64, in der sich ein Steuerungsventil 66 befindet, vom Tank 60 zum Sammelraum 48 des Rückverdampfers geleitet, wo sie gemeinsam mit der sauerstoffreichen Flüssigkeit in diesem Raum rückverdampft wird. Man kann auch andere Anordnungen für die Zufuhr der Flüssigkeit vom Speichertank zum Rückverdampfer anwenden. Beispielsweise kann der Tank 60 niedriger gelagert sein als der Rückverdampfer 36, vorausgesetzt, daß ein solcher Druckunterschied zwischen dem Tank und dem Rückverdampfer aufrechterhalten wird, daß die Flüssigkeit vom Tank zum Rückverdampfer gefördert wird.

Der durch die Rektifizierung gewonnene und der flüssige, aus dem Speichertank 60 zugeführte Sauerstoff, die in dem Rückverdampferraum 48 sieden, erzeugen kalten gasförmigen Sauerstoff, der durch die Leitung 50 in der nicht umsteuerbaren Leitung 19 durch den kalten und den warmen Zweig des Wärmeaustauschers 14 geleitet werden. Auf diese Weise wird der Kälteinhalt des gewonnenen Sauerstoffs durch die einströmende und durch den Wärmeaustauscher im Gegenstrom zu dem Sauerstoff fließende Luft zurückgewonnen, ohne den gewonnenen Sauerstoff zu verunreinigen. Ein Ventil 19 a regelt die aus dem System abgezogene Sauerstoff menge.

Um die Masse an ausströmendem kaltem Produkt erfindungsgemäß gegenüber der Masse einströmender Luft zu vermehren und dadurch den Temperaturunterschied zwischen der einströmenden Luft und dem ausströmenden, zur Reinigung dienenden Stickstoff in den kälteren Bereichen des Wärmeaustauschers 14 zu vermindern, läßt man ein kaltes Gas aus der Niederdruckrektifizierungsstufe 32 von einem Gebiet höheren Drucks einer solchen Stufe durch solche kälteren Bereiche zirkulieren und dann zur Rektifizierung in einem Gebiet niedrigeren Drucks zurückkehren, um hier als Teil des Rückflußgases zu dienen. Vorzugsweise führt man das erwärmte Gas nach Durchgang durch den Wärmeaustauscher in ein Rektifizierungsgebiet zurück, in dem die Zusammensetzung des erwärmten Gases ähnlich der des kalten Gases in der Rektifizierung ist. Dies erzielt man durch Herabsetzen des Gasdurchflusses durch die Rektifizierkolonne 32, um einen Druckabfall zu erzeugen, der zum Aufrechterhalten einer Gaszirkulation von der Kolonne durch den Wärmeaustauscher und zurück zur Kolonne, im wesentlichen im Abzugsgebiet dient.

Bei der bevorzugt verwendeten Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist der durch den Wärmeaustauscher zur Veränderung des thermischen Gleichgewichtes umzuwälzende Gasstrom die gleiche, Zusammensetzung auf wie der gewonnene Sauerstoff und kann mit diesem aus der Rektifizierkolonne 32 durch die Leitung 50 für den gewonnenen Sauerstoff abgezogen und durch den nicht umsteuerbaren Durchflußweg 19 des Wärmeaustauschers 14 geleitet werden, wobei ein Teil des gasförmigen Sauerstoffs über die Rückleitung 68 zur Kolonne zurückgeführt wird und der Rest über die Leitung 69 zu einer nicht gezeigten Sauerstoffleitung gelangt. Das in die Rektifizierung zurückzuführende Gas kann, nachdem es den kalten Zweig 22 des Wärmeaustauschers 14 über eine Abzweigungsleitung 70 mit einem darin befindlichen Verschlußventil 71 durchschritten hat, in die Rückleitung 68 abgeleitet werden, oder es kann bei geschlossenem Ventil 71 durch beide Zweige des Wärmeaustauschers geleitet und in die Rückleitung 68 am warmen Ende des Wärmeaustauschers 14 abgelenkt werden. Das Ventil 72 in der Leitung 68 ist in diesem Falle geöffnet, und es ist geschlossen, falls das Gas nach Durchgang durch den kalten Zweig allein zurückgeführt wird. Das in die Rektifizierkolonne zurückzuführende Gas wird vorzugsweise durch Wärmeaustausch mit einer kälteren Fluidsubstanz in dem System rückgekühlt. Beispielsweise kann man, wie in Fig. 1 gezeigt, einen Teil oder das gesamte zurückkehrende Gas in einen Wärmeaus-

tauscher 86 mittels geeigneter Regulierventile 88 und 90 in der Rückleitung 68 bzw. der Abzweigleitung 84 ablenken, so daß es in Wärmeaustausch mit abfließendem Stickstoff und von da über die Leitung 92 zu der Rückleitung 68 fließt. Eine zweite Leitung 94, die von der Stickstoffableitung 52 abzweigt, führt Stickstoff zur Wärmeaustauschleitung 96 und von dort zurück zur Leitung 52. Ventile 98 und 100 in der Zweigleitung 94 und'der Stickstoffableitung 52 werden so reguliert, daß sie eine genügende Menge kalten Stickstoffs zum Wiederabkühlen des zurückgeführten Gases einlassen. Dies ermöglicht eine zusätzliche Rückgewinnung des Kälteinhalts von abfließendem Stickstoff.

Um eine Treibkraft zum Umwälzen des überschüssigen, aus der Kolonne abgezogenen Gases durch den Wärmeaustauscher 14 und zurück zur Kolonne zu ermöglichen, wird ein Diaphragma 74 quer durch die Kolonne zwischen dem Rektifizierabschnitt 34 und dem Rückverdampferabschnitt 36 vorgesehen, und Gas von dem Rückverdampferabschnitt 36 wird durch ein Ventil 76 in einer Leitung 78 gedrosselt, die gemeinsam mit einem Teil der Leitung 50 und einem Teil der Leitung 68 eine Übergehung des Diaphragmas 74 bildet, um Rückflußgas von dem Rückverdampfer 36 zum Rektinzierungisabschnitt 34 zu leiten. Der durch das Drosselventil 76 bewirkte Druckunterschied wird durch, den hydrostatischen Überdruck h in der Leitung 80 für den Transport des flüssigen Sauerstoffs aus-.. geglichen, welcher absteigende Flüssigkeit von der Rektifizierung zum Vergasen unter den Flüssigkeitsspiegel im Rückverdampfer fördert. Es ergibt sich, daß der zur Verfügung stehende Maximaldruck in jeder einzelnen Kolonne durch den Höhenunterschied des Diaphragmas in bezug auf den Rückverdampfer 36 begrenzt wird, wobei derartige relative Höhenunterschiede die Höhe der Flüssigkeitsleitung 80 und infolgedessen den in jeder einzelnen Rektifizierkolonne einzuhaltenden Maximaldruck bestimmen.

Es ist zu bemerken, daß dieses Verfahren der thermischen Gleichgewichtsveränderung im Wärmeaustauscher, mit dem Ziel, ihn durch ausströmendes Produkt vollständig zu reinigen, besonders für Systeme geeignet ist, die zusätzlichen flüssigen Sauerstoff für die Abkühlung auf .niedrige Temperatur erfordern. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß in einem derartigen System infolge der Vergrößerung der Masse des ausströmenden Produkts, im Vergleich zu der einströmenden Luft, durch die Zugabe der Flüssigkeit bereits das Gleichgewicht in gewissem Maße gestört ist. Deshalb braucht zum Stören des Gleichgewichtes eine verminderte Gasmenge von der Niederdruckrektifizierungsstufe durch den Wärmeaustauscher umgewälzt werden. Dies verringert die Kosten für den Kraftverbrauch, die sich aus den zusätzlichen Kosten für ein Fördern des Gases durch den Wärmeaustauscher und zurück zur Rektifizierung ergeben, auf ein Minimum. Ein derartiges Verfahren, das Gleichgewicht zu stören, ist jedoch keineswegs auf Systeme ohne mechanische Kühlvorrichtungen beschränkt. Fig. 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage ähnlich der in Fig. 1, in der ein Teil des Druckluftstromes unter Arbeitsleistung entspannt wird, um die Kühlung für die Anlage zu liefern, und wobei ein kalter Gasstrom aus der Rektifizierkolonne durch einen Wärmeaustauscher, ähnlich wie der Gasstrom zur Störung des Gleichgewichtes in Fig. 1, umgewälzt wird.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 und 3 ist hinsichtlich der durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichneten Bauelemente ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, unterscheidet sich jedoch durch die Art der Wiedergewinnung der erforderlichen Kühlung. So wird in Fig. 2 ein Paar Umschaltregeneratoren 102 und 104 an Stelle von Wärmeaustauschern zum Kühlen einströmender Luft mit ausströmenden Produkten verwendet. Druckluft in einer Zufuhrleitung 12 wird abwechselnd durch Umstellen der Ventile RV durch die Regeneratoren 102 und 104 geleitet, wobei der vom Luftstrom abgeschaltete Regenerator durch abfließenden gewonneuen Stickstoff gekühlt und gereinigt wird. Ausströmender gewonnener Sauerstoff wird vorzugsweise aufgeteilt und kontinuierlich in den Leitungen 106 und 108 durch beide Regeneratoren geleitet. Luft, die in den Regeneratoren von Feuchtigkeit und Kohlendioxyd befreit wurde, wird durch die Leitung 26 in den unteren Teil einer mit einem Skrubber versehenen Trennvorrichtung 110 eingeleitet, in der sie mit flüssiger Luft gewaschen wird, um restliche Kohlenwasserstoffverunreinigungen und gegebenenfalls Teilchen restlichen Kohlendioxyds zu beseitigen. Gereinigtes Gas wird durch die Leitung 26 vom oberen Teil des Skrubbers 110 in den unteren Teil der Hochdruckrektifizierkolonne 28 eingeführt. Ein Teil des Gases im Skrubber wird durch Wärmeaustausch mit abfließendem Stickstoff, der durch eine Verflüssigungsschlange 110a im oberen Teil des S'krubbers fließt, verflüssigt. Ein Teil der gereinigten Luft im Skrubber 110 wird durch eine arbeitsleistende Expansionsvorrichtung geleitet, um den Kühlungsbedarf für die Anlage zu decken. Diese Luft wird dann durch die Leitung 112 in eine Schlange 114 in einem Wärmeaustauscher 116 geleitet, wo sie vor ihrer Expansion in einer Turbine 118 erwärmt wird, um eine hinreichende Kälteerzeugung durch Ausdehnung unter Leistung äußerer Arbeit zu ermöglichen. Unter Arbeitsleistung entspannte Luft kann selektiv entweder in die obere Rektifizierkolonne 32 mittels der Leitung 120 oder in die Leitung 52 für ausfließenden Stickstoff über die Leitung 122 geleitet wenden, wobei Ventile 124 und 126 in Leitungen 120 bzw. 122 vorgesehen sind, um den erwünschten Durchfluß zu ermöglichen.

Der Betrieb der Rektifizierung in Fig. 2 und 3 verläuft ähnlich dem in Fig. 1 und ergibt sich klar aus der vorausgehenden Beschreibung. Gemäß Fig. 2 jedoch kann man das Sauerstoffgas, das dazu dient, das thermische Gleichgewicht in dem Regenerator zu stören, um eine vollständige Reinigung desselben durch ausströmenden erzeugten Stickstoff zu ermöglichen, von einem Zwischenstück der Sauerstoffleitung 106 und 108 durch Zweigverbindungen 68 a und 68 & der Rückleitung 68 abziehen und zum Erwärmen der Luft, die unter Arbeitsleistung entspannt werden soll, verwenden, bevor es in die Rektifizierzone zurückgeleitet wird. Zu diesem Zweck leitet man zurückströmendes Sauerstoffgas durch die Rückleitung 68 zum Wärmeaustauscher 116 und durch diesen unter Wärmeaustausch mit Luft in der Schlange 114. Der gasförmige Sauerstoff wird gleichzeitig, wenn er den Kälteinhalt der gereinigten Luft entzieht, wieder gekühlt. Das Gas kann weiterhin gekühlt werden, indem man in einem Wärmeaustauscher 86 vor Einströmen in die Rektifizierzone Kälte aus dem ausströmenden Stickstoff entzieht.

Obwohl beschrieben wurde, daß der ausströmende Sauerstoffstrom aufgespalten und durch beide Regeneratoren geleitet wird, könnte natürlich der gesamte ausströmende Sauerstoff in einem einzigen Strom abwechselnd durch den einen und dann den anderen Regenerator geleitet werden, entweder phasengleich mit der Schaltperiode von Stickstoff und Luft oder phasen-

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ungleich. Beispielsweise kann man den ausströmenden Sauerstoff während der zweiten Hälfte der Luftdurchflußperiode durch jeden Generator leiten. Zu diesem Zweck sind Steuerungsventile 106 a und 108 a vorgesehen, wobei man deren öffnen und Schließen so vornehmen kann, daß der Sauerstoff in jeder gewünschten Weise fließt.

Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß man, anstatt das zurückströmende Gas von einem Zwischenstück der Leitungen 106 und 108 für den gewonnenen Sauerstoff abzulenken, die gleichen thermischen Ergebnisse erzielen kann, wenn man überschüssiges Sauerstoffgas gemeinsam mit gewonnenem Sauerstoff vollständig durch die Regeneratoren und dann durch den warmen Endteil der Regeneratoren in einen weiteren Wärmeaustausch im Gegenstrom zu eintretender Luft leitet. Auf diese Weise werden das einströmende und das ausströmende. Gas wieder in den warmen Endteilen der Regeneratoren ins Gleichgewicht gebracht, und es strömt in. erwünschter Weise nur Endprodukt durch die kalten Endteile aus,., wenn sich Kohlendioxyd ablagert. Zu diesem Zweck sind Schlangen 150 und 152 vorgesehen, welche durch die warmen Endteile der Regeneratoren 102 bzw. 104 verlaufen. Die Schlangen 150 und 152 sind an den warmen Enden der Regeneratoren mit der Leitung 69 für gewonnenen Sauerstoff und an Zwischenstücken der Regeneratoren mit der Rückleitung 68 für Sauerstoffgas verbunden.

Aus Fig. 4, die eine der in Fig. 1 dargestellten Luftzerlegungsanlage in mancher Hinsicht ähnliche Anlage zeigt, kann man ersehen, daß der Gasumlauf zur Störung des Gleichgewichtes keine Möglichkeit aufweist, einen spezifischen Druckunterschied in der Rektifizierkolonne zu erzeugen, der als treibende Kraft zum Umwälzen des Gases dienen kann, und statt dessen wird der in der Niederdruckkolonne bereits bestehende Druckunterschied verwendet. Der Gasumlauf zur Störung- des Gleichgewichtes unterscheidet sich auch von dem in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten dadurch, daß ein getrennter Wärmeaustauschdurchgang in dem Wärmeaustauscher vorgesehen ist, der allein für den Durchfluß zur Störung des Gleichgewichtes dient. Selbstverständlich kann jedoch der getrennte Durchflußweg bei einem System verwendet werden, das eine Vorrichtung zur Herstellung eines spezifischen Druckunterschiedes in der Rektifizierkolonne für den das Gleichgewicht störenden Umlauf verwendet, und zusätzlich könnte der bereits in der Rektifizierkolonne bestehende Druckunterschied ebenfalls für einen das Gleichgewicht störenden Umlauf verwendet werden, der den Durchlaufweg für gewonnenen Sauerstoff im Wärmeaustauscher benutzt. '■ . ■

Gemäß Fig. 4 wird Gas von einem unteren Abschnitt der¹ Rektifizierkolonne 32 abgezogen und durch eine Leitung 160 zu einem Ende eines geschlossenen Durchflußweges 162 geleitet, der durch den kalten Zweig 22 des Wärmeaustauschers 14 führt. Das andere Ende des Durchflußweges 162 ist durch die Rückleitung 68 mit einem Abschnitt oberhalb der Stelle, an der das Gas abgezogen wird, verbunden, wo der Druck geringer ist als in dem unteren Abschnitt. Ein Ventil 164 in der Leitung 160 steuert die Gasmenge aus dem Oberteil der Kolonne, welche durch den kalten Zweig des Wärmeaustauschers zur Störung des Gleichgewichtes zirkuliert.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 zeigt die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung bei einer Luftzerlegungsanlage, in der Sauerstoff von geringem Reinheitsgrad erzeugt wird. Es werden alternierend umgesteuerte Regeneratorenpaare 170 und 172 verwendet, wobei das Regeneratorenpaar 170 durch nach außen strömenden Stickstoff und das Regeneratorenpaar 172 durch nach außen fließenden gewonnenen Sauerstoff gekühlt wird. Über die Zufuhrleitung 12 mit Zweigleitungen 174 und 176, welche die' entsprechenden Umsterungsventile an den warmen Enden der Regeneratoren 170 bzw. 172 verbinden, wird Druckluft zu den warmen Regeneratorenende geleitet. Sätze von Kontrollventilen 15 an den kalten Enden der

ίο Regeneratoren entlassen die.gekühlte und gereinigte Luft in Zweigleitungen 178 und 180, welche die Verbindung zu Zweigleitung 26 herstellen, die wiederum die Luft in das untere Ende einer mit einem Skrubber versehenen Zerlegungsvorrichturig 110 leitet. Die Luft wird dann ebenso, wie bei Fig. 2 beschrieben, behandelt. Hier jedoch wird der durch Rektifizierung;gewonnene Stickstoff, der durch einen Wärmeaustauscher 54 und eine Schlange HOa im Oberteil.des Skrubbers nach Verlassen der Kammer 34 strömt, durch eine Leitung 52 zu dem Ventilsystem 15 am .kalten Ende, der Regeneratoren 170 geleitet, um abwechselnd mit-einströmender Luft durch jeden Regenerator des Paares hindurchzufließen. Der gewonnene Sauerstoff wird über die mit einem Steuerungsventil 50a versehene Leitung 50 zu dem Ventilsystem 15 am kalten Ende der Regeneratoren 172 geleitet,, um alternierend mit einströmender Luft durch jeden Regenerator dieses Paares zu fließen.

Das Gleichgewicht in den Regeneratoren 170 und 172 wird durch Kühlschlangen 182 und 184 in den kälteren Gebieten der Regeneratoren 170 bzw. 172 gestört, da das das Gleichgewicht störende Gas nicht den Weg des Sauerstoffes in einem System verwenden kann, in dem der Sauerstoff zur Beseitigung vonVerunreinigungen verwendet wird, die sich während.des Luftdurchtritts auf dem gleichen Weg abgelagert haben. Aus diesem Grund wird ein geschlossener Umlauf verwendet, der eine Abzugsleitung 160/Schlangen 182 und 184 und eine Rückleitung 68 enthält. Demgemäß kann, man Gas von der. Rektifizierkolonne 32 durch die kalten Enden-der Regeneratoren 170 und. 172 umwälzen,, ohne daß es verunreinigt wird, und kaiin es als Rückflußgas in die Kolonne . zurückführen." Die Phasenbeziehung des das Gleichgewicht störenden Durchflusses durch jedes Regeneratorenpaar kann durch Ventile 186 und. 188 in den Zweigleitungen gesteuert werden, welche die Schlangen 182 und. 184. mit der Rücklcitung68 verbinden, und zwar in der gleichen Weise, wie'in Verbindung mit Fig.'2. gezeigt. * wSelbstverständlich braucht das. Gas zum thermischen Stören des Gleichgewichtes im . Wärmeaustauscher nicht an der Stelle von der oberen Kolonne abgezogen und in dieselbe, zurückgeführt werden, an der das Gas sauerstoffreicher ist. Dies kann auch in dem oberen Teil der Kolonne vorgenommen werden, in dem. das Rektifizierungsgas stickstoffreicher ist. Selbstverständlich würde das Gas in diesem Fall nicht durch die, Leitung für den gewonnenen Sauerstoff des Wärmeaustauschers wie in Fig. 1, 2 und 3 fließen, sondern z. B.

in einer geschlossenen Leitung wie in Fig. 4 und 5, um eine Verunreinigung des in die Kolonne zurückgeführten Gases zu vermeiden.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches in ein höher- und ein niedrigersiedendes Produkt bei niedriger Temperatur durch Rektifikation,, wobei das Gasgemisch von höhersiedenden Verunreinigungen befreit, das höhersiedende Produkt er-

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neut verdampft und durch die Rektifizierungszone als Rektifizierungsgas geleitet wird und die entstehenden Produkte verwendet werden, um weitere Mengen des Gasgemisches in einer Wärmeaustauschzone mit umsteuerbarem Durchflußweg abzukühlen, durch die periodisch wechselnd das zufließende Gasgemisch und das abfließende Endprodukt geleitet werden, und das von einem ersten Abschnitt der Rektifizierungszone abgezogene Gas durch eine getrennte, nicht umsteuerbare Leitung, die sich durch die Wärmeaustauschzone erstreckt, in ein zweites Gebiet der Rektifizierungszone mit niedrigerem Druck zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das vom Niederdruckabschnitt (32) der Rektifizierungszone (30) abgezogene Gas durch den getrennten, nicht umsteuerbaren Durchfluß weg (50, 68 bzw. 160), der sich mindestens entlang des kälteren Teils der Wärmeaustauschzone (14) erstreckt, leitet und wenigstens teilweise in den Niederdruckabschnitt (32) in ein Gebiet mit niedrigerem Druck als in dem Gebiet zurückführt, aus dem es abgezogen wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas unterhalb einer Verengung (74) abzieht, die der Gasstrom zur Rektifizierungszone (30) passieren muß, und oberhalb der Verengung (74) zurückführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine freie Umgehungsleitung (78) um die Verengung (74) für den höhersiedenden, erneut zu verdampfenden Flüssigkeitsbestandteil vorsieht.

4. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die zusätzlich benötigte Tiefkühlung aus einer nicht aus der Rektifizierung stammenden kalten Vorratsflüssigkeit bezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das durch Verdampfung der Vorratsflüssigkeit erzeugte Gas gemeinsam mit dem aus dem Niederdruckabschnitt (32) der Rektifizier,ungszone (30) abgezogenen Gas über den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) in den Niederdruckabschnitt (32) der Rektifizierungszone (30) zurückleitet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des über den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) geführten Gases durch Wärmeaustausch mit dem niedrigersiedenden Produkt wieder gekühlt wird.

6. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die zusätzlich benötigte Kühlung durch arbeitleistende Entspannung eines Teils des Gasgemisches gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil des Gases, das über den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160,) strömt, durch Wärmeaustausch mit dem Teil des Gases erneut kühlt, der unter Arbeitsleistung entspannt werden soll.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das abgezogene Gas nach Durchgang durch das warme Ende des nicht umsteuerbaren Durchflußweges (50, 68 bzw. 160) in die Rektifizierungszone (30) zurückleitet.

8. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, bei dem die Wärmeaustauschzone mindestens zwei periodisch umsteuerbare Regeneratoren enthält, von denen jeder einen umsteuerbaren Durchflußweg aufweist, durch den das Gasgemisch und das ausströmende, niedrigersiedende Produkt periodisch wechselnd geführt werden, wobei das niedrigersiedende Produkt durch den umsteuerbaren Durchflußweg des einen Regenerators und gleichzeitig das Gasgemisch durch den des anderen Regenerators fließt, dadurch gekennzeichnet, daß man den abgezogenen Gasstrom durch den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) mindestens eines Regenerators (102 bzw. 104) leitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas periodisch über den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) in jedem Regenerator (102 bzw. 104) gleichsinnig und in der gleichen Menge führt wie die niedrigsiedenden Produkte in demselben Regenerator.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas periodisch über den getrennten Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) in jedem Regenerator (102 bzw. 104) gleichsinnig und in der gleichen Menge führt wie das Gasgemisch in demselben Regenerator.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas periodisch über den getrennten Durchfluß weg (50, 68 bzw. 160) in jedem einzelnen Regenerator (102 bzw. 104) gegen Ende der Periode führt, in der das Gasgemisch durch denselben Regenerator strömt, und gegen Anfang der Periode, in der das niedrigsiedende Produkt durch den Regenerator strömt.

12. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 11, bei dem die Wärmeaustauschzone einen umsteuerbaren Durchflußweg aufweist, durch den das Gasgemisch und das niedrigersiedende Produkt periodisch wechselnd strömen, und einen nicht umkehrbaren Durchflußweg, durch den das höhersiedende Produkt fließt, dadurch gekennzeichnet, daß man das abgezogene Gas in der Wärmeaustauschzone (14) über eine Leitung führt, die von den beiden zuerst erwähnten Wegen getrennt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gasgemisch Luft verwendet und den aus dem Niederdruckabschnitt (32) der Rektifizierungszone abgezogenen gasförmigen Sauerstoff nach Durchgang durch das Temperaturniveau von —100° C in dem nicht umsteuerbaren Durchflußweg (50, 68 bzw. 160) in die gleiche Rektifizierungszone zurückleitet.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13 mit einem Wärmeaustauscher zum Kühlen des zu zerlegenden Gasgemisches mittels des abfließenden Produkts, wobei der Wärmeaustauscher mit einem Durchflußweg zum abwechselnden Durchströmen von Gasgemisch und Endprodukt versehen ist, und mit einer Rektifizierkolonne, in der eine Rektifizierungszone und eine Verdampfungszone zum Rückverdampfen eines flüssigen Bestandteils aus der Rektifizierungszone vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (14) einen zweiten Durchflußweg (162) aufweist, der sich mindestens entlang des kalten Teils desselben erstreckt und zur Rückführung mindestens eines Teils des von einem Abschnitt (32) der Rektifizierungskolonne (30) abgeführten Gases in den gleichen Abschnitt (32) der Rektifizierungskolonne (30) in ein Gebiet mit niedrigerem Druck als dem ersten Gebiet dient.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (160) des zweiten Durchflußweges unterhalb der Verengung (74) zwischen der Rektifizierungszone (30) und der Verdampfungszone (36) zum Abführen des Gases und das andere Ende (68) oberhalb der Verengung (74)

1 üb / Ü4ö

zur Rückführung des Gases zur Kolonne (30) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Rückverdampfer einen Behälter für einen flüssigen Bestandteil aus der Rektifizierungszone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (74) aus einem Diaphragma besteht, das zwischen der Rektifizierungszone (30) und der Rückver-

dampfungszone (36) angeordnet ist, und eine äußere Verbindungsleitung (80) von der Rektifizierungszone (30) zu einer Stelle unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Behälters im Rückverdampfer (36) vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 673 456, 2 715 323.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen