DE505900C - Gasverfluessigungsverfahren - Google Patents

Gasverfluessigungsverfahren

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Description

  • Gasverflüssigungsverfahren Die Verflüssigung tief siedender Gase betreibt.man bekanntlich am wirtschaftlichsten bei deren kritischen Temperatur. Die Verflüssigung bei der kritischen Temperatur setzt jedoch einen hohen Druck voraus, und bei diesem besitzen die Gase zufolge der beim Abkühlen eintretenden progressiven Kontraktion im letzten Viertel des Abkühlbereichs vor dem Verflüssigungspunkt eine viel höhere spezifische Wärme als in dem ersten drei Viertel des Abkühlungsbereichs.
  • Luft hat beispielsweise bei 4o atü. bis etwa 70° C unter Null eine spezifische Wärme von 0,24 Kal./° C und kg, von da ab nimmt die spezifische Wärme rasch zu und kommt bis zu o,9 in der Nähe des Verflüssigungspunktes.
  • Die Verflüssigung selbst erfordert beim kritischen Druck etwa 15 Kal./kg. Beides zusammen bewirkt nun, daß zur Verflüssigung eines Kilogramms Luft durch den Abdampf einer Expansionsmaschine etwa 4 kg Luft im Gegenstrom zu dem 1 kg Luft, welches verflüssigt werden soll, durch den Luftverflüssiger geführt werden müssen. Das hat aber dann zur Folge, daß von etwa - 1000 C aufwärts ein großer KälteÜberschuß besteht, weil die Kälte der vierfach größeren Luftmenge natürlich von der viel kleineren zu verflüssigenden Luftmenge nicht aufgenommen werden kann.
  • Diesem Übelstand hat man mit einigem Erfolg bereits dadurch entgegengewirkt, daß man die zu verflüssigende Luftmenge anstatt bis 4o atü. auf Zoo atü. verdichtet und dann nach erfolgtem Kältetausch mit dem Auspuff aus der Expansionsmaschine durch Abdrosselung auf 4o atü. entspannt, um sie nachher im Gegenstrom zur Hochdruckluft zu führen, dabei zu erwärmen und in einer zweistufigen Expansionsmaschine vollends zu entspannen. Der Auspuff aus der Maschine wird ebenfalls durch den Luftverflüssiger geleitet.
  • Auf diese Weise konnte erreicht werden, daß statt 4 kg nur noch 3 kg Luft für die Verflüssigung eines Kilogramms Luft durch den Verflüssiger als Auspuff und Abdampf zu führen waren. Aber auch hier verbleibt noch ein Kälteüberschuß von etwa 25 °/o. Das neue Verfahren hat nun zum Ziele, diesen Kälteüberschuß ganz zu vermeiden. Zu diesem Behufe wird im Fall I zunächst ein Kreislauf der Hochdruckluft angeordnet, wobei dieselbe nach erfolgter Abkühlung bis - 6o0 C von Zoo auf 4o atü. durch Abdrosselung in an sich bekannter Weise entspannt und nach erfolgtem Kältetausch mit der auf Zoo atü. verdichteten Luft mit 4o atü. wieder in die letzte Stufe des Hochdruckkompressors zurückgeleitet wird, anstatt in der Expansionsmaschine entspannt zu werden. Zwischen Zoo und 4o atü. besteht kein großer Unterschied in der spezifischen Wärme der Luft, auch nicht im Abkühlungsbereich unter - roo° C, der Kältetausch geht hier also fast verlustfrei vor sich.
  • Daneben wird nun ein zweiter Kreislauf betrieben, indem in den ersten zwei Stufen des Hochdruckkompressors Luft auf etwa 15 atü. verdichtet, im Gegenstromvorkühler des Luftverflüssigers im Kältetausch mit der Auspuffluft der Expansionsmaschine auf etwa roo° C abgekühlt und dann in die Expansionsmaschine geleitet wird. Der Auspuff aus derselben wird dann mit - 18o° C durch den Verflüssiger geführt, um teils die bei - i4o° C bereits verflüssigte Luft bis - 18o° C zu. kühlen und teils die unter q.o atü. Druck stehende, noch nicht verflüssigte Luft zu verflüssigen, und zieht dann durch den Gegenstromkühler wieder ab, wo er die auf 15 atü. verdichtete Luft bis - roo° C vorkühlt, um dann wiedererwärmt erneut auf 15 atü. verdichtet zu werden.
  • In beiden Kreisläufen sind nun aufzunehmende und abzuführende Wärmemengen einander gleich, denn bis zu 15 atü. ist die spezifische Wärme auch bei - roo° C von der auf i atü. entspannten Kaltluft nicht wesentlich verschieden, und bei Drücken zwischen 40 und aoo atü. besteht überhaupt kein nennenswerter Unterschied.
  • Der Gewinn ergibt sich aus dem Umstand, daß die in der Expansionsmaschine zu verarbeitende Luftmenge nur auf 15 atü. zu verdichten ist, gegenüber bisher 40 atü. und daß dazu nur noch eine einstufige Expansionsmaschine gebraucht wird. Lediglich für die wirklich verflüssigte Luftmenge, welche aus dem Hochdruckkreislauf ausscheidet, ist eine entsprechende Menge von i atü. auf aoo atü. zu verdichten, was aber bisher auch schon erforderlich war.
  • Der günstigere Wirkungsgrad des neuen Verfahrens resultiert daraus, daß die bei der kritischen Temperatur zu verflüssigende und vorher auf etwa zoo atü. verdichtete Luft nur bis zu einem Druck entspannt wird, bei dem die spezifische Wärme der Luft auch in der Nähe der Verflüssigungstemperatur sich nicht wesentlich von der auf zoo atü. verdichteten unterscheidet, und daß daneben in einem zweiten Kreislauf die in: der Expansionsmaschine zu verarbeitende Luftmenge nur bis zu einem überdruck verdichtet wird,. bei dem die spezifische Wärme der verdichteten Luft (im Temperaturgebiet bis zu - roo° C) ebenfalls nicht viel größer ist als bei der auf i atü. entspannten Kaltluft, und daß der Auspuff aus der Expansionsmaschine nur in einem Temperaturbereich von - i8o° C bis - roo° C teils mit der bereits verflüssigten Luft im Verflüssiger, teils mit der gasförmigen Hochdruckluft zwecks Verflüssigung in Kältetausch gebracht wird, von - roo° C aufwärts dagegen mit der auf Mitteldruck verdichteten, in der Expansionsmaschine zu entspannenden Luft in Kältetausch steht.
  • Im wesentlichen handelt es sich also im Fall I um eine Kombination des von Linde zuerst angewendeten Kreislaufabdrosseiungsverfahrens, bei dem die Luft von Zoo auf q.o atü. durch Abdrosselung, und dem Verfahren nach Claude, bei welchem niedriger verdichtete Luft nach erfolgter Vorkühlung in der Expansionsmaschine entspannt wird.
  • Der Auspuff aus der Expansionsmaschine wird hier jedoch nur im tieferen Temperaturbereich mit Luft aus dem Hochdruckkreislauf teils nach, teils vor der Verflüssigung in Kältetausch gebracht, darüber hinaus aber zur Vorkühlung der Niederdruckluft für den Betrieb der Expansionsmaschine benutzt.
  • Auf beiliegender Zeichnung (Abb. i) ist das Verfahren schematisch dargestellt.
  • Der Luftverflüssiger besitzt drei Abteilungen. Die erste Abteilung a umfaßt eine Doppelrohrspirale, bei der die auf aoo atü. verdichtete Luft im inneren Rohr e der Spirale nach unten geleitet und nach erfolgter Entspannung im Drosselventil f auf 4o atü. zwischen beiden Röhren der Spirale durch das Rohr g wieder nach oben und von da in die letzte Stufe des Hochdruckkompressors zurückgeleitet wird, während der verflüssigte Anteil im unteren Teil des Luftverflüssigers vom Auspuff -der Expansionsmaschine bis - i8o° C nachgekühlt wird. Nach dem Durchgang durch die Verflüssigungsabteilung b wird der Auspuff der Expansionsmaschine dann in der Abteilung c zur Vorkühlung der Luft des Niederdruckkreislaufs (15 atü.) benutzt, ehe diese in die Expansionsmaschine geleitet wird.
  • Die Hochdruckluft wird bei la, die Niederdruckluft bei k und die Auspuffluft beim zu- geleitet. Bei o kehrt die auf 4.o atü. entspannte Hochdruckluft wieder zur letzten Stufe des Kompressors zurück, bei p die Auspuffluft in die erste Stufe desselben, bei z, führt die Leitung zur Expansionsmaschine, bei w wird die flüssige Luft abgeleitet.
  • Fall II. Das vorbeschriebene Verfahren kann auch ohne Hochdruckkreislauf durchgeführt werden. In diesem Falle wird dann die zu verflüssigende Luft nur auf q.o atii. verdichtet und ausschließlich durch den Auspuff der Expansionsmaschine vorgekühlt, verflüssigt und nachgekühlt. Die Abteilung a (s. Abb: a) steht dabei nur unter q.o atü. im gasförmigen Zustand, während Abteilung b nach wie vor den Verflüssiger und Nachkühler darstellt und Abteilung c als Vorkühler für die in der Expansionsmaschine zu entspannende Luft dient. Bei dieser Durchführung des Verfahrens fällt die Kälteleistung durch Abdrosselung aus (deshalb kann die Doppelrohrspirale durch eine einfache Rohrspirale d ersetzt werden), und es muß als Ersatz dafür etwa ein Drittel mehr Luft durch die Expansionsmaschine geleitet und in dieser entspannt werden. Dies bedeutet jedoch keine Mehrleistung, weil dabei die Verdichtung der Luft von ,Io auf Zoo atü. erspart wird. Es kommt im Gegenteil noch eine Kraftersparnis heraus, denn die Kältegewinnung durch Abdrosselung ist stets weniger wirtschaftlich als durch Leistung äußerer Arbeit in einer Expansionsmaschine.
  • Fall III. Hier wird die bei .Io atü. zu verflüssigende Luft zuerst auf Zoo atü. verdichtet, mit einer Ammoniakkältemaschine auf - 30° C vorgekühlt und in einer Hochdruckexpansionsmaschine auf .Io atü. entspannt, wodurch sie sich auf - ioo° C abkühlt und dann mit dieser Temperatur direkt in die Abteilung b des Verflüssigers geleitet wird, um dort im Gegenstromkältetausch mit der Auspuffluft aus der Expansionsmaschine verflüssigt und im verflüssigten Zustande nachgekühlt zu werden. Die Auspuffluft wird durch Abteilung c abgeleitet, um die in der Expansionsmaschine zu entspannende Luft bis - ioo° C vorzukühlen. Diese Ausführung ist in Abb. 3 veranschaulicht.
  • In Fall I und 1I steht also die Auspuffluft, welche im unteren Temperaturbereich in allen drei Fällen mit dem zu verflüssigenden höher verdichteten Gas die Kälte tauscht, im oberen Temperaturbereich von - ioo° C aufwärts mit dem in der Expansionsmaschine zu entspannenden Gas von geringem Druck im Gegenstromkältetausch, im Fall 1I dagegen wird sie im oberen Temperaturbereich, d. h. in der Vorkühlzone. auch mit der höher verdichteten, zu verflüssigenden Gasmenge in Kältetausch gebracht.

Claims (3)

  1. PATEN TANSYRlJC'f-Ils: i. Gasverflüssigungsverfahren, bei dem eine größere Menge nur auf niederen Druck verdichtetes und in einer Expansionsmaschine entspanntes Gas (i. Kreislauf) mit einer kleineren Menge höher verdichteten und zu verflüssigenden Gases (2. Kreislauf) in Wärmeaustausch gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das entspannte Gas des i. Kreislaufs zuerst im unteren Temperaturbereich das Gas des 2. Kreislaufs und dann im oberen Temperaturbereich sowohl das Gas des 2. Kreislaufs als auch das zur Expansionsmaschine strömende Gas des i. Kreislaufs kühlt.
  2. 2. Gasverflüssigungsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das höher verdichtete, zu verflüssigende Gas des 2. Kreislaufs nach vorausgehender Vorkühlung durch eine Kältemaschine in einer Hochdruckexpansionsmaschine bis zum kritischen Druck entspannt und anschließend im Kältetausch mit dem Auspuff einer Expansionsmaschine des i. Kreislaufs verflüssigt wird, während im Temperaturbereich oberhalb - ioo° C der Auspuff der Expansionsmaschine des i. Kreislaufs lediglich zum Vorkühlen der Expansionsmaschinenbetriebsluft dient.
  3. 3. Gasverflüssigungsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verflüssigende Gasmenge des 2. Kreislaufs durch Abdrosselung von einem höheren auf kritischen Druck vorgekühlt und dann durch die Auspuffluft der Expansionsmaschine des i. Kreislaufs verflüssigt wird. q.. Gasverflüssigungsverfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck der Expansionsmaschine des i. Kreislaufs auf einer Höhe gehalten wird, bei der sich unter dem Einfluß der Vorkühlung dieser Betriebsluft die Zunahme der spezifischen Wärme derselben eben bemerkbar zu machen beginnt.
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