DE10009977A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von LuftInfo
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestillierzone aufweist. Die Niederdruckdestillierzone wird unter niedrigerem Druck als die Hochdruckdestillierzone betrieben. Eine erste Fraktion (31) wird aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone entnommen und in einen Kondensator-Verdampfer (28) eingeleitet. In dem Kondensator-Verdampfer (28) wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heiz- oder Kühlfluid (27, 36) aus der ersten Fraktion eine zweite Fraktion (32) erzeugt, die in die Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird. Die Niederdruckdestillierzone weist einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) auf. Die beiden Teilabschnitte sind in voneinander getrennten Behältern angeordnet. Eine Gasfraktion (13) wird aus dem oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet (14). Eine Flüssigfraktion (15, 17) wird aus dem unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet. Die erste Fraktion (31), die dem Kondensator-Verdampfer (28) zuströmt, wird durch einen Teil der Gasfraktion (13) oder einen Teil der ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1, kurz gesagt ein Verfahren mit mindestens zwei
Destillierstufen und einer Zwischenheizung oder einer Zwischenkühlung der
Niederdruckstufe in Form eines Kondensator Verdampfers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren wirtschaftlich
besonders günstig auszugestalten.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale von Oberbegriff und
kennzeichnendem Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Niederdruckdestillierzone wird demnach in zwei Teilabschnitten realisiert. Diese
sind in (mindestens) zwei voneinander getrennten Behältern untergebracht, werden
aber im allgemeinen unter praktisch demselben Druck betrieben. In der Regel werden
die beiden Teilabschnitte jeweils innerhalb eines einzigen Behälters realisiert, es ist
jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Teilabschnitte weiter aufzuteilen
und in einer entsprechend höheren Zahl von Behältern anzuordnen.
Die Gasfraktion aus dem oberen Bereich der ersten Teilabschnitts der
Niederdruckdestillierzone wird vorzugsweise ohne druckverändernde Maßnahmen und
Vorrichtungen in den zweiten Teilabschnitt geführt. Sie kann beispielsweise am Kopf
des ersten Teilabschnitts abgezogen werden. Der zweite Teilabschnitt ist vorzugsweise
neben dem ersten Teilabschnitt (oder neben einer Kombination aus Hochdrucksäule,
die die Hochdruckdestillierzone enthält, und erstem Teilabschnitt der
Niederdruckdestillierzone) angeordnet. Damit ist es - wegen des in etwa gleichen
Betriebsdrucks der beiden Teilabschnitte - häufig notwendig, die Flüssigfraktion gegen
den hydrostatischen Druck in den ersten Teilabschnitt zu fördern, beispielsweise
mittels einer Pumpe.
Im Rahmen der Erfindung werden die zweiteilige Anordnung der
Niederdruckdestillierzone und der Kondensator-Verdampfer auf besonders günstige
Weise miteinander verknüpft.
Der Kondensator-Verdampfer kann entweder als Zwischenkühlung (Patentanspruch 2)
oder als Zwischenheizung (Patentanspruch 3) der Niederdruckdestillierzone
ausgebildet sein.
Im ersteren Fall ist es günstig, wenn das Kühlfluid durch flüssigen Stickstoff gebildet
wird, der in dem Kondensator-Verdampfer mindestens teilweise verdampft. Dieser
Stickstoff kann beispielsweise aus einer der erwähnten Destillierzonen, aus einem
Speichertank oder aus einer weiteren Säule zur Stickstoffgewinnung stammen.
Vorzugsweise wird er jedoch aus der Niederdruckdestillierzone entnommen,
beispielsweise aus dem Verflüssigungsraum eines Kopfkondensators des zweiten
Teilabschnitts, vom Kopf des zweiten Teilabschnitts oder von einer Zwischenstelle
einige theoretische oder praktische Böden darunter. Der Druck des flüssigen
Stickstoffs kann beispielsweise mittels einer Pumpe stromaufwärts des Kondensator-
Verdampfers auf den benötigten Druck erhöht werden. Eine derartige Druckerhöhung
im flüssigen Stickstoff, der aus einer Niederdruckdestillierzone abgezogen wird, ist
beispielsweise in WO 9819122 im Detail erläutert.
Der in dem Kondensator-Verdampfer aus dem flüssigen Stickstoff gebildete gasförmige
Stickstoff kann als Produkt abgezogen werden, insbesondere nach Anwärmung auf
etwa Umgebungstemperatur. Dabei kann ein Produktdruck erreicht werden, der
deutlich über dem Betriebsdruck der Niederdruckdestillierzone liegt (siehe auch
WO 9819122), auch ohne daß weitere Maßnahmen zur Druckerhöhung stromabwärts
des Kondensator-Verdampfers ergriffen werden. Selbstverständlich ist eine weitere
Verdichtung in gasförmigen Zustand möglich, um den Produktstickstoff auf noch
höhere Drücke zu bringen als denjenigen, unter dem der Verdampfungsraum des
Kondensator-Verdampfers steht.
Besonders große Vorteile zeitigt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der
Kondensator-Verdampfer zur Erzeugung von flüssigem Rücklauf für eine
Seitenkolonne des ersten Teilabschnitts eingesetzt wird, indem der erste Teilabschnitt
der Niederdruckdestillierzone in seinem unteren Bereich mit der Seitenkolonne
verbunden ist und ein Gasstrom aus dem oberen Bereich der Seitenkolonne in dem
Kondensator-Verdampfer mindestens teilweise verflüssigt wird. Eine solche
Seitenkolonne kann insbesondere zur Erzeugung eines an schwererflüchtigen
Komponenten abgereicherten Sauerstoffprodukts dienen.
In dem Verfahren muß außerdem flüssiger Rücklauf für die Hochdruckdestillierzone
und aufsteigender Dampf für den ersten Teilabschnitt der Niederdruckdestillierzone
erzeugt werden. Hierzu ist es günstig, wenn Sumpfflüssigkeit des ersten Teilabschnitts
der Niederdruckdestillierzone in einem Hauptkondensator mindestens teilweise
verdampft wird, insbesondere durch indirekten Wärmeaustausch mit einem
kondensierenden Gasstrom aus dem oberen Bereich der Hochdruckdestillierzone.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Niederdrucksäule vorzugsweise
deutlich über Atmosphärendruck betrieben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Kopfgas des
zweiten Teilabschnitts der Niederdruckdestillierzone mindestens teilweise verflüssigt
wird, beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden
Flüssigstrom aus der Niederdruckdestillierzone. Einzelheiten über die Betriebsweisen
einer derartigen Kopfkühlung der Niederdruckdestillierzone sind der bereits genannten
Anmeldung WO 9819122 zu entnehmen, deren Offenbarung insoweit in diese
Anmeldung einbezogen wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 wird in einem Hauptwärmetauscher 2 auf etwa
Taupunkt abgekühlt und über Leitung 3 dem Destilliersystem zugeführt. Die
Hochdruckdestillierzone ist in dem Beispiel in einer Hochdrucksäule 4 angeordnet. Die
Niederdruckdestillierzone weist zwei Teilabschnitte auf, die in einer ersten
Niederdrucksäule 5 beziehungsweise in einer zweiten Niederdrucksäule 6 angeordnet
sind. Erste Niederdrucksäule 5 und Hochdrucksäule 4 stehen über einen
Hauptkondensator 7 in wärmetauschender Verbindung und bilden eine Doppelsäulen-
Konfiguration. Flüssiger Rohsauerstoff 8 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 4 wird in
einem Unterkühlungs-Gegenströmer 9 unterkühlt und über Leitung 10 einer
Zwischenstelle der zweiten Niederdrucksäule 6 zugeleitet.
Flüssiger Stickstoff, der vom Hauptkondensator 7 stammen kann oder - wie in der
Zeichnung dargestellt - einige Böden unterhalb des Kopfs der Hochdrucksäule 4
abgezogen wird, strömt über Leitung 11 ebenfalls dem Unterkühlungs-Gegenströmer 9
zu und wird über Leitung 12 auf den Kopf der zweiten Niederdrucksäule 6 aufgegeben.
Eine Gasfraktion 13 wird am Kopf der ersten Niederdrucksäule 5 abgenommen und
fließt zu einem ersten Teil 14 zur zweiten Niederdrucksäule 6, wo sie unmittelbar
oberhalb des Sumpf eingespeist wird. Die mit 13 und 14 bezeichneten Leitungen
weisen vorzugsweise keine druckverändernden Vorrichtungen auf, so daß der
Betriebsdruck am Kopf der ersten und über dem Sumpf der zweiten Niederdrucksäule
bis auf die Leitungsverluste in der Gasfraktion identisch sind.
In gegenläufiger Richtung wird eine Flüssigfraktion 15 aus dem Sumpf der zweiten
Niederdrucksäule 6 mittels einer Pumpe 16 über die Leitung 17 zum Kopf der ersten
Niederdrucksäule 5 geführt. Die zweite Niederdrucksäule 6 weist einen
Kopfkondensator 18 auf, der in dem Beispiel durch eine Zwischenflüssigkeit 19 der
zweiten Niederdrucksäule 6 gekühlt wird. (Alternativ oder zusätzlich können auch eine
oder mehrere andere Flüssigkeiten aus der Hochdruckdestillierzone oder aus der
Niederdruckdestillierzone zur Kühlung des Kopfkondensators 18 eingesetzt werden,
insbesondere die in WO 9819122 genannten Arten der Kopfkühlung der
Niederdruckdestillierzone sind auch bei der Erfindung anwendbar.) Restdampf 20 vom
Verdampfungsraum des Kopfkondensators 18 wird in den Wärmetauschern 9 und 2
auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über die Leitungen 21 und 22
abgezogen. Er kann beispielsweise zur Regenerierung einer nicht dargestellten
Reinigungseinrichtung für die Einsatzluft 1 verwendet werden.
Das Stickstoffprodukt nimmt bei dem Beispiel folgenden Weg: Flüssiger Stickstoff wird.
Über Leitung 23 einige Böden unterhalb des Kopfs der zweiten Niederdrucksäule 6 und
in einer Pumpe 24 auf einen Produktdruck gebracht, der deutlich über dem
Betriebsdruck der Niederdruckdestillierzone liegt. Falls Stickstoff auch als
Flüssigprodukt (MPLIN) benötigt wird, kann dieses über Leitung 25 abgezogen werden.
Der Rest 26 des flüssigen Stickstoffs wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 9
angewärmt, über Leitung 27 zu einem Kondensator Verdampfer 28 geführt und dort
verdampft. Der in dem Kondensator-Verdampfer 28 gebildete gasförmige Stickstoff 29
wird im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und bei 30 als Druckstickstoffprodukt
(MPGAN) abgeführt.
Auf der Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers 28 kondensiert ein zweiter
Teil 31 der Gasfraktion 13 vom Kopf der ersten Niederdrucksäule 5. Das Kondensat 32
wird in die erste Niederdrucksäule 5 zurückgespeist. Damit erfüllt der Kondensator-
Verdampfer 28 die Funktion einer Zwischenheizung der Niederdruckdestillierzone.
Über die Leitungen 33 und 34 ist der Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule 5 mit
dem unteren Ende einer Seitenkolonne 35 verbunden. Kopfgas 36 der Seitenkolonne
35 wird in dem Kondensator-Verdampfer 28 kondensiert. Die dabei gewonnene
Flüssigkeit 37 dient mindestens zu einem ersten Teil 38 als Rücklauf für die
Seitenkolonne 35. Der Rest 39 kann flüssig als hochreines Sauerstoffprodukt
abgezogen und in einer Pumpe 40 auf den gewünschten Produktdruck gebracht
werden. In dem Beispiel wird ein Teil 41 als Flüssigsauerstoffprodukt (MPLOX)
gewonnen. Der restliche Hochdrucksauerstoff 42 wird unter dem Produktdruck im
Hauptwärmetauscher 2 verdampft und angewärmt und schließlich über Leitung 43 als
gasförmiges Drucksauerstoffprodukt (MPGOX) abgezogen.
Zur Kälteerzeugung wird eine gasförmige Zwischenfraktion 44, die aus unreinem
Stickstoff besteht, aus der zweiten Niederdrucksäule 6 abgezogen, im Unterkühlungs-
Gegenströmer 9 angewärmt, über Leitung 45 zum Hauptwärmetauscher 2 geführt und
mindestens zum Teil 46 von einer Zwischentemperatur aus arbeitsleistend entspannt
(47). Die entspannte Zwischenfraktion 48 wird mit dem Restdampf 20 vom
Kopfkondensator 18 vereinigt.
Claims (10)
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das
eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestilierzone aufweist,
wobei die Niederdruckdestillierzone unter niedrigerem Druck als die
Hochdruckdestillierzone betrieben wird, und wobei bei dem Verfahren
- - eine erste Fraktion (31) aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone entnommen und in einen Kondensator-Verdampfer (28) eingeleitet wird,
- - in dem Kondensator-Verdampfer (28) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heiz- oder Kühlfluid (27, 36) aus der ersten Fraktion (31) eine zweite Fraktion (32) erzeugt wird und
- - die zweite Fraktion (32) in die Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird
- - die Niederdruckdestillierzone einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) aufweist, die in voneinander getrennten Behältern angeordnet sind, wobei
- - eine Gasfraktion (13) aus dem oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet (14) wird und
- - eine Flüssigfraktion (15, 17) aus dem unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird, und daß
- - die erste Fraktion (31) durch einen Teil der Gasfraktion (13) oder einen Teil der Flüssigfraktion gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion (31)
durch einen Teil der Gasfraktion (13) gebildet, in dem Kondensator-Verdampfer
(28) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid (27, 36) mindestens
teilweise verflüssigt wird, wobei die zweite Fraktion (32) gebildet wird, und daß die
zweite Fraktion (32) in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der
Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Fraktion durch einen Teil der Flüssigfraktion gebildet, in dem Kondensator-
Verdampfer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heizfluid mindestens
teilweise verdampft wird, wobei die zweite Fraktion gebildet wird, und daß die
zweite Fraktion in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts der
Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid
mindestens teilweise durch flüssigen Stickstoff (27) gebildet wird, der in dem
Kondensator-Verdampfer (28) mindestens teilweise verdampft.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Kühlfluid
verwendete Stickstoff (27) aus der Niederdruckdestillierzone entnommen (23, 24,
26) wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem
Kondensator-Verdampfer (28) aus dem flüssigen Stickstoff (27) gebildete
gasförmige Stickstoff (29) als Produkt (30) abgezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß erste Teilabschnitt (5) der Niederdruckdestillierzone in
seinem unteren Bereich mit einer Seitenkolonne (35) verbunden (33, 34) ist und
ein Gasstrom (36) aus dem oberen Bereich der Seitenkolonne (35) in dem
Kondensator-Verdampfer (28) mindestens teilweise verflüssigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
Sumpfflüssigkeit des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone in
einem Hauptkondensator (7) mindestens teilweise verdampft wird, insbesondere
durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Gasstrom aus dem
oberen Bereich der Hochdruckdestillierzone (4).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
Kopfgas des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone mindestens
teilweise verflüssigt wird, insbesondere durch indirekten Wärmeaustausch (18) mit
einer verdampfenden Flüssigstrom (19) aus der Niederdruckdestillierzone.
10. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersystem, das
eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestillierzone aufweist, und
mit
- - eine Zuleitung (31) für eine erste Fraktion, die aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone in einen Kondensator-Verdampfer (28) führt und mit
- - einer Rückleitung (32) für eine zweite Fraktion, die aus dem Kondensator- Verdampfer (28) in die Niederdruckdestillierzone führt,
- - die Niederdruckdestillierzone einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) aufweist, die in voneinander getrennten Behältern angeordnet sind, wobei
- - der obere Bereich des ersten Teilabschnitts (5) und der untere Teil des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone über eine Gasleitung (13, 14) und eine Flüssigleitung (15, 17) verbunden sind, und daß
- - die Zuleitung (31) in Strömungsverbindung mit der Gasleitung (13, 14) oder der Flüssigleitung steht.
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DE10009977A DE10009977A1 (de) | 2000-03-03 | 2000-03-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft |
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