DE1250460B

DE1250460B - Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

Info

Publication number: DE1250460B
Application number: DENDAT1250460D
Authority: DE
Inventors: Cambridge Cambridgeshire Michael Joseph French (Großbritannien)
Original assignee: Conch International Methane Limited, Nassau (Bahama-Inseln)
Priority date: 1961-11-17
Publication date: 1967-09-21
Also published as: FR1339087A; GB928504A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F 25 j

Deutsche Kl.: 17 g-2/01

Nummer: 1250 460

Aktenzeichen: C 284241 a/17 g

Anmeldetag: 15. November 1962

Auslegetag: 21. September 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem mit Überdruck betriebenen Trennturm und zur Verdampfung von flüssigem, unter Druck stehendem Methan unter Ausnutzung dessen Verdampfungskälte bei der Kühlung der Luft.

Es ist bekannt, Trenntürme für die Zerlegung von Luft am Kopf mittels einer Gaskältemaschine direkt zu kühlen, um direkt flüssigen Stickstoff erzeugen zu können. Weiterhin ist bekannt, flüssiges Methan zur Vorkühlung von verdichteter zu zerlegender Luft in einem Wärmeaustauschprozeß zu verwenden, der von einem durch das Methan getrennt gekühlten Inertgaskreislauf als Austauschmedium Gebrauch macht. Schließlich ist die Zufuhr von Kälte von außen in den Kopf einer Lufttrennsäule bekannt, wobei zu diesem Zweck eine Gaskühlmaschine verwendet wird. Bei den bekannten Verfahren ist zwischen dem Kopf der Lufttrennsäule und der Kältemaschine ein geschlossener Zwischenkreislauf eines als Kälteträger dienenden Gases unveränderlicher chemischer Zusammensetzung verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der bekannten Verfahren und die Ausschaltung eines zusätzlichen Zwischenkreislauf mit einem Hilfswärmeträger, der durch das zu verdampfende, flüssige Methan, dem Kälteträger, gekühlt und durch die zu zerlegende Luft wieder erwärmt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem mit Überdruck beschriebenen Trennturm und zur Verdampfung von flüssigem, unter Druck stehendem Methan unter Ausnutzung dessen Verdampfungskälte bei der Kühlung der Luft dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein Teil des flüssigen Methans dem Kopf des Trennturms zu dessen an sich bekannter Kühlung zugeführt und dort bei Unterdruck verdampft wird, worauf das erhaltene gasförmige Methan vorzugsweise in mehr als einer Stufe rückverdichtet und unter Verdampfung des gedrosselten anderen Teils des Methans gekühlt wird und dieser Teil ebenfalls rückverdichtet und die zu zerlegende Luft vor ihrer Verdichtung durch das gesamte rückverdichtete gasförmige Methan gekühlt wird.

Das zur Rückvergasung kommende flüssige Methan kann beliebigen Ursprungs sein, insbesondere kann jedoch verflüssigtes Erdgas verwendet werden, welches hauptsächlich aus Methan besteht. In der vorliegenden Beschreibung ist daher bei Hinweisen auf Methan immer reines Methan oder jedes Gasgemisch gemeint, dessen Hauptbestandteil Methan ist.

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

Anmelder:

Conch International Methane Limited, Nassau (Bahama-Inseln)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dr. E. v. Pechmann, Patentanwälte, München 90, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Michael Joseph French,

Cambridge, Cambridgeshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 17. November 1961 (41191)

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die Kälteenergie des flüssigen Methans in überraschend einfacher Weise unmittelbar zur Tieftemperaturzerlegung von Luft zu verwenden und macht einen zusätzlichen Zwischenkreislauf eines Hilfswärmeträgers überflüssig. Außerdem befinden sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich an zwei Stellen, im Vorkühler für die zu zerlegende Luft und ain Kopf des Trennturms, Luft und Methan nahe beieinander, so daß man Explosionsgefahren mit einiger Sicherheit ausschließen kann. Weiterhin ist für die Vorkühlung der Luft mit komprimiertem gasförmigem Methan bei den Kompressoren für die Luft nur ein geringer Energieaufwand erforderlich.

Das zur Verfügung stehende flüssige Methan muß zur Verwendung am Kopf der Trennsäule auf Unterdruck gebracht werden, weil nur dann die zur Verflüssigung des Stickstoffs erforderlichen Temperaturbedingungen vorliegen. Um das Methan aus der Anlage mit etwa dem gleichen Druck, mit dem es in sie eingelassen wird, wieder abziehen zu können, ist dessen Rückverdichtung erforderlich. Um trotzdem dessen Kälteleistung weitgehend ausnutzen und die Verdichtungsarbeiten möglichst niedrig halten zu können, wird gemäß einem weiteren Merkmal des Hauptanspruchs ein anderer Teil des unter Druck zur Verfügung stehenden flüssigen Methans nach Drosselung zur Kühlung des am Kopf des Trennturms erhaltenen gasförmigen Methans verwendet

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und dieses, nach Verdichtung, zusammen mit dem anderen gasförmigen Methan zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Verfahrens zur Kühlung der zu trennenden Luft vor ihrer Verdichtung herangezogen.

Die zur Verdichtung des gasförmigen Methans notwendige Energie kann dadurch verringert werden, daß flüssiges Methan zwischen den Verdichterstufen unter Druck in das gasförmige Methan eingespritzt wird. Die gekühlte Luft wird vorzugsweise vor der Verdichtung weiter abgekühlt, indem man sie durch Rückverdampferschlangen des Trennturms strömen läßt. Die Verdichtung der gekühlten Luft kann in zwei oder mehr Stufen erfolgen. Um den Energiebedarf zu verringern, wird die in vorstehend beschriebener Weise gekühlte Luft vorzugsweise zusammen mit Luft verdichtet, welche durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfendem, flüssigem Sauerstoff, der im Trennturm anfällt, gekühlt worden ist. Luft, welche in einer Verdichterstufe verdichtet worden ist, wird zur Verringerung des weiteren Energiebedarfs durch Rückverdampferschlangen in den Trennturm gepumpt. Bevor man die verdichtete Luft in den Trennturm einströmen läßt, kann sie durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfen- _a5 dem, flüssigem Sauerstoff aus dem Trennturm weiter abgekühlt werden.

Der beider Verdampfung des zur Kühlung durch indirekten Wärmeaustausch benutzten flüssigen Sauerstoffs anfallende gasförmige Sauerstoff kann als Endprodukt entnommen werden, wobei sein Druck niedriger sein kann als der Druck im Trennturm, sofern der Druck über dem flüssigen Sauerstoff vor der Verdampfung verringert worden ist.

Für die Verdampfung des flüssigen Methans im Trennturm wird vorzugsweise ein Druck gewählt, bei dem der Siedepunkt des Methans einige Grade tiefer liegt als der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei dem im Trennturm herrschenden Druck.

Flüssiger Stickstoff bei niedrigerem Druck als im Trennturm läßt sich in folgender Weise aus der zerlegten Luft gewinnen:

Die im Kopf des Trennturms durch das verdampfende flüssige Methan herbeigeführte Kühlung ermöglicht es, eine Mischung aus flüssigem Stickstoff und kaltem gasförmigem Stickstoff aus dem oberen Teil des Trennturms abzuziehen. Der Druck über dieser Mischung kann zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff bei geringerem Druck, der als Endprodukt entnommen werden kann, verringert werden. Die Mischung aus flüssigem und kaltem gasförmigem Stickstoff wird jedoch vorzugsweise vor der Verringerung des Drucks durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfendem flüssigem Sauerstoff aus dem Trennturm gekühlt und verflüssigt. Der ganze, nach der Druckerniedrigung noch vorhandene gasförmige Stickstoffanteil kann abgesaugt und zusammen mit der Luft verdichtet werden, welche verdichtet wird, um mit Stickstoff angereicherte verdichtete Luft zur Speisung des Trennturms zu erzeugen. Vor der Verdichtung wird der gasförmige Stickstoff vorzugsweise dazu benutzt, den Stickstoff, dessen Druck erniedrigt werden soll, zu kühlen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Luft mit Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur tritt durch die Leitung 1 in das System ein und strömt durch den Wärmeaustauscher 2, in dem sie durch indirekten Wärmeaustausch mit gekühltem, verdichtetem, gasförmigem Erdgas, welches wie später beschrieben wird durch die Leitung 30 strömt, auf etwa —160° C abgekühlt wird. Die gekühlte Luft gelangt dann durch die Rückverdampferschlangen 3 im Trennturm 4, in denen sie auf etwa -159⁰C gekühlt wird, in die Leitung 5; sie wird dann in den Verdichter 6 eingesaugt, in dem sie sich mit einer Mischung aus Luft und Stickstoff von Atmosphärendruck und einer Temperatur von etwa

— 161° C, die, wie später beschrieben, aus Leitung 7 kommt, vermischt. Der Verdichter 6 verdichtet die Gasmischung auf einen Druck von etwa 2,5 ata; dabei steigt die Temperatur der Mischung auf etwa —121° C. Die verdichtete Gasmischung strömt durch die Leitung 8 und die Rückverdampferschlangen 9 des Trennturms 4, durch die sie auf etwa —159° C abgekühlt wird; sie gelangt dann durch die Leitung 10 in den Verdichter 11, der die Mischung aus Luft und Stickstoff auf einen Druck von etwa 5,5 ata verdichtet, wobei die Temperatur der Mischung auf etwa —117° C ansteigt. Die weiter verdichtete Mischung aus Luft und Stickstoff gelangt durch die Leitung 12 und die Rückverdampferschlangen 13 des Trennturms 4, in denen sie auf etwa —159° C abgekühlt wird, in die Leitung 14. Die Gasmischung in Leitung 14 durchströmt den Wärmeaustauscher 15, in dem sie durch indirekten Wärmeaustausch mit dem, wie später beschrieben, in Leitung 26 verdampfenden, flüssigen Sauerstoff auf etwa —174° C abgekühlt wird; sie wird dann als gesättigter Dampf in den Trennturm 4 eingeleitet.

Ein Teil des gasförmigen Stickstoffs im Trennturm 4 wird verflüssigt, indem der Kopf des Trennturms wie später beschrieben, mit flüssigem Erdgas, das in der Kammer 16 verdampft, abgekühlt wird; der flüssige Stickstoff sammelt sich in den Auffangtrögen 17. Flüssiger und gasförmiger Stickstoff gelangt unter einem Druck von etwa 5,5 ata und mit einer Temperatur von etwa —178° C aus dem Trennturm 4 in die Leitung 18. Der flüssige und gasförmige Stickstoff durchläuft den Wärmeaustauscher 19, in dem er, wie später beschrieben, durch indirekten Wärmeaustausch mit dem in der Leitung 26 verdampfenden, flüssigen Sauerstoff gekühlt und weiter verflüssigt wird, und weiterhin den Wärmeaustauscher 20, in dem er, wie später beschrieben, durch indirekten Wärmeaustausch mit dem kalten, gasförmigen Stickstoff in Leitung 24 auf etwa

— 180⁰C abgekühlt wird. Der gekühlte, flüssige Stickstoff strömt dann durch das Entspannungsventil 21 in die Entspannungskammer 22; der flüssige Stickstoff wird bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von etwa —197° C über die Leitung 23 als Endprodukt abgezogen. Der in der Entspannungskammer 22 anfallende gasförmige Stickstoff wird in die Leitung 24 abgesaugt und strömt durch den Wärmeaustauscher 20, in dem seine Temperatur durch indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Stickstoff in Leitung 18 auf etwa -183° C erhöht wird, in die Leitung 7, in der er sich bei Atmosphärendruck mit Luft mischt, die im Wärmeaustauscher 25, wie später beschrieben, durch indirekten Wärmeaustausch mit den kalten Sauerstoffdämpfen in der Leitung 26 auf etwa —159° C abgekühlt worden ist. Die Mischung aus Luft und Stickstoff gelangt dann, wie bereits beschrieben, in den Verdicher 6.

Den in den Wärmeaustauschern 19, 15 und 25 verdampfendem flüssigen Sauerstoff erhält man, indem flüssiger Sauerstoff unter einem Druck von etwa 5,5 ata und bei einer Temperatur von etwa —163° C über die Leitung 26 aus dem Trennturm 4 abgezogen wird. Der Druck über dem flüssigen Sauerstoff in Leitung 26 wird verringert, indem der flüssige Sauerstoff durch das Entspannungsventil 27 geleitet wird; ein Teil des flüssigen Sauerstoffs verdampft dann im Wärmeaustauscher 19, in dem er durch indirekten Wärmeaustausch die in Leitung 18 strömende Mischung aus flüssigem und gasförmigem Stickstoff kühlt und verflüssigt. Die dabei entstehenden kalten Sauerstoffdämpfe und der verbleibende flüssige, verdampfende Sauerstoff gelangen über die Leitung 26 durch den Wärmeaustauscher 15, in dem sie durch indirekten Wärmeaustausch die Mischung aus Luft und Stickstoff in Leitung 14 kühlen, und durch den Wärmeaustauscher 25, in dem sie durch indirekten Wärmeaustausch die durch die Leitung 7 in das System einströmende Luft kühlen. Nach dem Verlassen des Wärmeaustauschers 25 wird das Sauerstoffgas aus Leitung 26 als Endprodukt mit einer Temperatur von etwa +11⁰C entnommen.

Das flüssige Erdgas, das in der Kammer 16 des Trennturms 4 verdampft, und das verdichtete, gekühlte, gasförmige Erdgas, das im Wärmeaustauscher 2 benutzt wird, werden in folgender Weise gewonnen:

Flüssiges Erdgas gelangt unter einem Druck von etwa 8,1 ata und mit einer Temperatur von etwa — 161° C über die Leitung 28 in das System; ein Teil davon wird über die Leitungen 29 und 30 abgenommen und, wie weiter unten beschrieben, verwendet. Der Rest des flüssigen Erdgases in Leitung 28 wird durch das Entspannungsventil 31 geleitet, um flüssiges Erdgas unter einem Druck von etwa 0,15 ata und mit einer Temperatur von etwa —182° C zu erhalten, welches in die Kammer 16 geleitet wird und darin verdampft. Gesättigter Erdgasdampf wird aus der Kammer 16 in die Leitung 32 abgesaugt und gelangt in den Verdichter 33, durch den es auf etwa 1,8 ata verdichtet und seine Temperatur auf etwa —100° C erhöht wird. Das verdichtete, gasförmige Erdgas gelangt in die Leitung 34; es wird in den Wärmeaustauschern 35 und 36 durch indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Erdgas, das wie später beschrieben, in den Leitungen 30 und 29 verdampft, gekühlt; es gelangt schließlich in den Verdichter 37, in dem es bis auf etwa 3,7 ata weiter verdichtet wird, wobei seine Temperatur auf etwa —107° C ansteigt. Das verdichtete, gasförmige Erdgas gelangt nun in die Leitung 38; es wird im Wärmeaustauscher 39 durch indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Erdgas, das, wie später beschrieben, in Leitung 40 verdampft, gekühlt; es mischt sich mit flüssigem Erdgas, das bei einem Druck von etwa 3,7 ata und mit einer Temperatur von etwa —143° C, wie später beschrieben, aus Leitung 29 kommt, und gelangt dann in den Verdichter 41, durch den es auf einen Druck von etwa 8,1 ata verdichtet wird, wobei seine Temperatur auf etwa —108° C ansteigt. Das verdichtete, gasförmige Erdgas gelangt nun in die Leitung 42, mischt sich, wie später beschrieben, mit gasförmigem Erdgas bei einem Druck von etwa 8,1 ata und bei einer Temperatur von etwa —120° C aus Leitung 40 und gelangt in die Leitung 30, in der es sich mit gasförmigem Erdgas, wie später beschrieben, bei einem Druck von etwa 8,1 ata und bei einer Temperatur von etwa —120° C mischt.

Das über die Leitungen 29 und 30 aus der Leitung 28 entnommene flüssige Erdgas wird zur Kühlung des durch die Wärmeaustauscher 35, 36 und 39 strömenden, verdichteten, gasförmigen Erdgases durch indirekten Wärmeaustausch in der folgenden Weise benutzt. Das flüssige Erdgas in Leitung 29 wird durch das Entspannungsventil 43 geleitet, um flüssiges Erdgas mit einem Druck von etwa 3,7 ata und einer Temperatur von etwa —162° C zu gewinnen, welches durch den Wärmeaustauscher 36 geleitet wird, in dem es durch indirekten Wärmeaustausch verdichtetes, gasförmiges Erdgas, das in Leitung 34 strömt, kühlt; es gelangt dann, wie bereits beschrieben, in die Leitung 38. Ein Teil des flüssigen Erdgases in Leitung 30 gelangt in die Leitung 40 und durch den Wärmeaustauscher 39, in dem es das in der Leitung 38 strömende, verdichtete, gasförmige Erdgas durch indirekten Wärmeaustausch kühlt, wie bereits beschrieben, in die Leitung 42. Der Rest des flüssigen Erdgases in Leitung 30 durchströmt den Wärmeaustauscher 35, in dem es das in der Leitung 34 strömende, verdichtete, gasförmige Erdgas durch indirekten Wärmeaustausch kühlt, und mischt sich dann, wie bereits beschrieben, mit dem gasförmigen Erdgas aus den Leitungen 42 und 40. Das dabei in der Leitung 30 erhaltene gasförmige Erdgas hat eine Temperatur von etwa —110° C; es durchströmt den Wärmeaustauscher 2, in dem es die über die Leitung 1 in das System einströmende Luft durch indirekten Wärmeaustausch kühlt, und wird als Produkt mit einem Druck von etwa 8,1 ata und einer Temperatur von etwa —58° C gesammelt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tief temper aturzerlegung von Luft in einem mit Überdruck betriebenen Trennturm und zur Verdampfung von flüssigem, unter Druck stehendem Methan unter Ausnutzung dessen Verdampfungskälte bei der Kühlung der Luft dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des flüssigen Methans dem Kopf des Trennturmes zu dessen an sich bekannter Kühlung zugeführt und dort bei Unterdruck verdampft wird, worauf das erhaltene gasförmige Methan vorzugsweise in mehr als einer Stufe rückverdichtet und unter Verdampfung des gedrosselten anderen Teils des Methans gekühlt wird und dieser Teil ebenfalls rückverdichtet und die zu zerlegende Luft vor ihrer Verdichtung durch das gesamte rückverdichtete gasförmige Methan gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil des flüssigen Methans bei mehrstufiger Rückverdichtung des erhaltenen gasförmigen Methans zu dessen Zwischenkühlung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Methan zwischen den Verdichtungsstufen unter Druck in das gasförmige Methan eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Luft vor der Verdichtung durch Rückverdampferschlangen des Trennturmes geleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Luft zusammen mit Luft verdichtet wird, welche durch indirekten

Wärmeaustausch mit verdampfendem, auf dem Trennturm stammenden flüssigem Sauerstoff gekühlt worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft nach der Verdichtung durch Pöickverdampferschlangen des Trennturmes geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft vor dem Einleiten in den Trennturm durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfendem, flüssigem Sauerstoff aus dem Trennturm gekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von flüssigem und kaltem gasförmigem Stickstoff unter Druck aus dem Trennturm entnommen und durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfendem,

flüssigem Sauerstoff aus dem Trennturm gekühlt und verflüssigt wird, worauf zur Gewinnung von flüssigem Stickstoff die Mischung entspannt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte nach der Entspannung vorhandene gasförmige Stickstoff mit der zu zerlegenden Luf vermischt und mit dieser zusammen verdichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Stickstoff vor der Verdichtung durch indirekten Wärmeaustausch den zu entspannenden Stickstoff kühlt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 936 751, 1009 206; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 051 299;
schweizerische Patentschrift Nr. 314 110.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 648/110 9.67

Bundesdruckerei Berlin