DE1263037B - Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer Rektifikationssaeule und damit gekoppelterZerlegung eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches - Google Patents
Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer Rektifikationssaeule und damit gekoppelterZerlegung eines Wasserstoff enthaltenden GasgemischesInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
Int. CL:
F25j
Deutsche Kl.: 17 g-2/01
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
1263 037
G 436431 a/17 g
19. Mai 1965
14. März 1968
G 436431 a/17 g
19. Mai 1965
14. März 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer Rektifikationssäule und damit gekoppelter
Zerlegung eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches, insbesondere Konvertgas, in einer
Gaszerlegungsanlage, bei dem der Rektifikationssäule gasförmiger Stickstoff entnommen, auf Hochdruck
verdichtet, abgekühlt und in zwei Teilströme geteilt wird, von denen der erste in die Rektifikationssäule
entspannt und der zweite nach Wärmeaustausch mit Bestandteilen des Gasgemisches aus
der Gaszerlegungsanlage in diese als Waschflüssigkeit eingeführt wird, und bei dem der Rektifikationssäule flüssiger Sauerstoff entnommen, auf höheren
Druck gebracht und im Wärmeaustausch mit Gasen aus der Rektifikationssäule verdampft wird.
In F i g. 3 der deutschen Auslegeschrift 1103 363 ist eine Verbindung einer Luftzerlegungsanlage zur
Erzeugung von unter höherem Druck stehendem Sauerstoff und unter Druck stehendem Stickstoff mit
einer Gaszerlegungsanlage gezeigt, in der Ammoniaksynthesegas aus Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenoxyd
und Methan enthaltendem Konvertgas gewonnen wird. Dabei wird der Stickstoff der Luftzerlegungsanlage
in die Gaszerlegungsanlage übergeführt, um dort den Wasserstoff in einer Stickstoffwäsche feinzureinigen
und mit dem gereinigten Wasserstoff das Synthesegas zu bilden. Der Stickstoff wird aus der
Drucksäule des Luftzerlegers gasförmig entnommen, in Regeneratoren erwärmt, auf einen mittleren Druck
verdichtet und durch kaltes Ammoniaksynthesegas und Restgas der Stickstoffwäsche gekühlt. Hierauf
wird der Stickstoff verflüssigt, wobei er seine Verflüssigungswärme an eine für eine Expansionsturbine
anzuwärmende Luft abgibt. Nach einer weiteren Abkühlung wird der flüssige Stickstoff in zwei Teilströme
geteilt, von denen der eine als Waschstickstoff für die Stickstoffwäsche verwendet wird und
der andere in die Drucksäule des Luftzerlegers zurückgeführt wird.
Das bekannte Verfahren weist einen Luftkreislauf auf, wobei der Drucksäule des Luftzerlegers Luft
entnommen und -nach einer arbeitsleistenden und kälteerzeugenden Entspannung in der Expansionsturbine
in die obere Säule des Luftzerlegers geleitet wird. Nachdem es sich nur um Niederdruckluft handelt,
müssen große Luftmengen bewegt werden. Die Luft dient auch dazu, den vom Luftzerleger abgezogenen
flüssigen Drucksauerstoff in einem Wärmeaustauscher anzuwärmen und zu verdampfen. Dieser
Wärmeaustausch ist aber durch eine große mittlere Temperaturdifferenz der wärmeaustauschenden Medien
gekennzeichnet, weil an der Stelle, an welcher Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer
Rektifikationssäule und damit gekoppelter
Zerlegung eines Wasserstoff enthaltenden
Gasgemisches
Rektifikationssäule und damit gekoppelter
Zerlegung eines Wasserstoff enthaltenden
Gasgemisches
Anmelder:
Linde Aktiengesellschaft,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 2-10
6200 Wiesbaden, Hildastr. 2-10
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Godehardt Kessler,
2000 Hamburg-Wandsbek;
Dipl.-Ing. Walter Scholz, 8000 München-Solln
der Sauerstoff' ein großes Kälteangebot hat, nämlich
bei der Verdampfung, das Wärmeangebot der Niederdruckluft dem Kälteangebot nicht angepaßt werden
kann. Hieraus ergeben sich Entropieverluste, die einen erhöhten Energiebedarf des ganzen Verfahrens
zur Folge haben. Außerdem ist bei dem bekannten Verfahren zum Ausgleich des Kältehaushaltes zwischen
der Luftzerlegungsanlage und der gekoppelten Gaszerlegungsanlage ein eigener Stickstoffkreislauf
zwischen beiden Anlagen notwendig.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zerlegung von Luft und einer damit
gekoppelten Zerlegung eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches, insbesondere von Konvertgas,
zu schaffen, bei welchem aus einer Rektifikationssäule gasförmig abgezogener, auf Hochdruck verdichteter
Stickstoff in zwei Teilströme geteilt wird und mit welchem Ammoniaksynthesegas und gleichzeitig
Drucksauerstoff in einer einzigen Anlage thermodynamisch und wirtschaftlich günstig gewonnen
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Teilstrom vor seiner Entspannung
in die Rektifikationssäule zur Verdampfung des auf den höheren Druck gebrachten flüssigen Stickstoffs
dient und im Wärmeaustausch mit dem zweiten Teilstrom und Bestandteilen des Gasgemisches aus der
Gaszerlegungsanlage abgekühlt wird, während der zweite Teilstrom vor seinem Wärmeaustausch mit
Bestandteilen des Gasgemisches aus der Gaszerlegungsanlage durch Wärmeaustausch mit dem
Drucksauerstoff abgekühlt wird.
809 518/222
3 4
Durch die erfindungsgemäße Kopplung eines Ver- lung in Wärmeaustausch mit verdampfendem Druckfahrens
zur Gewinnung von Drucksauerstoff durch sauerstoff gebracht. Der Rest des Stickstoffs kann im
Luftzerlegung und eines Verfahrens zur Gaszerlegung Wärmeaustausch mit Stickstoff und Bestandteilen des
wird der Energiebedarf zur Durchführung beider Gasgemisches ebenfalls weiter abgekühlt werden.
Verfahren wesentlich herabgesetzt, so daß sowohl 5 Der so abgekühlte. Hochdruck-Stickstoff kann
der Drucksauerstoff als auch das Wasserstoff-Stick- dann im ganzen auf etwa den Druck der Waschsäule
stoff-Gemisch gegenüber der getrennten Durchfüh- entspannt und in Wärmeaustausch mit Stickstoff und
rung beider Zerlegungsverfahren wesentlich billiger Bestandteilen des Gasgemisches gebracht und flüssig
gewonnen werden können. Da die beiden Verfahren der Waschsäule am Kopf aufgegeben werden,
erfindungsgemäß wärmemäßig zweifach gekoppelt io Der Drucksauerstoff, der erfindungsgemäß in
sind, wobei einmal Wärme der Luftzerlegung züge- Wärmeaustausch mit zum Auswaschen dienendem
führt und der Gaszerlegung entnommen und das an- Hochdruck-Stickstoff gebracht werden soll, kann gedere
Mal umgekehrt der Gaszerlegung Wärme züge- maß einer Ausbildung des Erfindungsgedankens
führt und der Luftzerlegung entnommen wird, gelingt durch die Verdichtung von flüssig der Rektifikationses,
den Kältehaushalt beider Verfahren, jeden für 15 säule entnommenem Sauerstoff erzeugt und nicht nur
sich genommen, wieder auszugleichen, was sich ther- im Wärmeaustausch mit zum Auswaschen dienenmodynamisch
günstig auswirkt. dem, sondern auch mit in die Rektifikationssäule zu
Die wesentlich wirtschaftlichere Durchführung des entspannendem Hochdruck-Stickstoff verdampft wererfmdungsgemäßen
Verfahrens gegenüber einer ge- den. Im Wärmeaustausch mit in die Rektifikationstrennten
Durchführung beider Zerlegungsverfahren zo säule zu entspannendem Hochdruck-Stickstoff kann
ergibt sich vor allem daraus, daß die zwei Kopplun- dann der Drucksauerstoff weiter auf Umgebungstemgen
in zwei verschiedenen, bestimmten Temperatur- peratur erwärmt werden.
niveaus durchgeführt werden. Und zwar sind die Der in die Rektifikationssäule zu entspannende
Temperaturniveaus erfindungsgemäß so gewählt, daß Hochdruck-Stickstoff kann gemäß einer besonderen
immer ein thermodynamisch »schwacher Punkt« 35 Ausbildung des Erfindungsgedankens nach einer ereiner
Anlage mit einem thermodynamisch »starken sten Abkühlung durch Drucksauerstoff durch eine
Punkt« der anderen Anlage gekoppelt wird, d. h., wo billige Fremdkühlung weiter abgekühlt werden, ehe
einem Verfahren zu einer thermodynamisch günsti- er erneut in Wärmeaustausch mit Drucksauerstoff
gen Durchführung einer Verfahrensstufe Wärme gebracht und erfindungsgemäß durch Stickstoff und
fehlt, wird ihm Wärme aus dem anderen Verfahren, 30 Bestandteile des Gasgemisches gekühlt und über eine
die dort mit einem höheren Temperaturniveau reich- Drossel in die Rektifikationssäule entspannt wird,
lieh zur Verfügung steht, zugeführt. So könnte z. B. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung
bei der Luftzerlegung zur Verdampfung des Druck- können dem in der Zeichnung schematisch dargesauerstoffs
zusätzlich zur vom Hochdruck-Stickstoff stellten Ausführungsbeispiel entnommen werden,
gelieferten Wärme noch Wärme sehr wirkungsvoll 35 Die Zeichnung zeigt eine Anlage zur Gewinnung
eingesetzt werden. Bei der Gaszerlegung steht aber eines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches für eine Ammit
einem höheren Temperaturniveau der vorge- moniaksynthese und von Drucksauerstoff zu verkühlte
Hochdruck-Stickstoff zur Verfügung, der wei- schiedensten Zwecken.
ter abgekühlt werden soll. Erfindungsgemäß wird da- Die gesamte Anlage besteht im wesentlichen aus
her der zum Auswaschen dienende, vorgekühlte 40 der Luftzerlegungsanlage mit den Regeneratoren 1,2
Hochdruck-Stickstoff in Wärmeaustausch mit dem und 3, einem Zweisäulenapparat mit der Drucksäule 4
verdampfenden Drucksauerstoff gebracht, wodurch und der Niederdrucksäule 5 und einer Anzahl von
die betreffende Verfahrensstufe jedes einzelnen Ver- Wärmeaustauschern und aus der Gaszerlegungsanfahrens
— auf der einen Seite Verdampfen des lage mit der Waschsäuleo und ebenfalls einer Anzahl
Drucksauerstoffs und auf der anderen Abkühlung 45 von Wärmeaustauschern. Der Verdichter 7 wird sodes
vorgekühlten Hochdruck-Stickstoffs — thermo- wohl für die Verdichtung des in die Rektifikationsdynamisch günstiger gestaltet werden kann. säule zu entspannenden als auch für die des zum
Gemäß einer Ausbildung des Erfindungsgedankens Auswaschen dienenden Stickstoffs auf Hochdruck
werden der zum Auswaschen dienende und der in verwendet. Dadurch kommt man für beide Zerdie
Rektifikationssäule zu entspannende Stickstoff 50 legungsanlagen mit nur einem einzigen Turbokomc
gemeinsam auf Hochdruck verdichtet. Damit wird pressor, der als Trockenläufer ausgebildet ist, aus.
c der bei den bekannten Verfahren zur Gewinnung von Die Kopplung der beiden Zerlegungsanlagen erfolgt
Drucksauerstoff sowieso vorhandene, als Trocken- in den Wärmeaustauschern 8 und 9. ·
läufer ausgebildete Kreislaufkompressor vorteilhaft Der Luftzerlegungsanlage wird mit der Leitung 10
gleich mit zur notwendigen Verdichtung des Wasch- 55 auf etwas über den Druck der Drucksäule 4 verdichstickstoffs
auf Hochdruck und damit zur Deckung tete Luft zugeführt. Die im Regenerator 1 abgekühlte
des Kältebedarfs der Gaszerlegungsanlage verwendet. und gereinigte Luft wird dann unmittelbar in die
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungs- Drucksäule 4 eingegeben. Am Fuß der Drucksäule 4
gedankens wird der zum Auswaschen dienende wird eine sauerstoffreiche Sumpfflüssigkeit abgezogen
Hochdruck - Stickstoff von Umgebungstemperatur 60 und über ein Drosselventil 11 in die Niederdruckdurch
eine Fremdkühlung abgekühlt. Da eine säule 5 entspannt.
Fremdkühlung, z. B. eine Ammoniakvorkühlung, in Dem Kondensator der Drucksäule 4 wird gasför-
diesem Temperaturbereich nahe der Umgebungstem- miger Stickstoff entnommen, im Regenerator 3 auf
peratur relativ billig ist, macht sich ihre Verwendung Umgebungstemperatur erwärmt und mit dem Verals
kälteleistungssteigerndes Element vorteilhaft be- 65 dichter 7 in mehreren Stufen auf Hochdruck verdichmerkbar.
_ tet. Ein Teil des auf Hochdruck verdichteten Stiek-
Ein Teil des zum Auswaschen dienenden Stick- Stoffs wird dann im Kreislauf in die Rektifikationsstoffs wird dann erfindungsgemäß nach der Vorküh- säule zurückgeführt, der andere Teil wird in die Gas-
Zerlegungsanlage geführt und dient hier zum Auswaschen der schwer kondensierbaren Bestandteile
des Konvertgases.
Der in die Rektifikationssäule zurückzuführende Hochdruck-Stickstoff wird durch Drucksauerstoff im
Wärmeaustauscher 12 von Umgebungstemperatur durch eine billige Ammoniakkühlung im Wärmeaustauscher
13 und durch verdampfenden Drucksauerstoff in den Wärmeaustauschern 8 und 14 abgekühlt.
Zur weiteren Abkühlung wird der Hochdruck-Stickstoff dann in die Gaszerlegungsanlage übergeführt
und dort in Wärmeaustausch mit Stickstoff und Bestandteilen des Konvertgases gebracht. Der Gaszerlegungsanlage
wird also Wärme aus der Luftzerlegungsanlage zugeführt. Der so gekühlte Hochdruck-Stickstoff
wird anschließend über das Drosselventil 15 in die Drucksäule 4 entspannt.
Der Drucksäule wird am Kopf noch flüssiger Stickstoff entnommen, im Wärmeaustauscher 16 unterkühlt
und über das Drosselventil 17 in die Niederdrucksäule 5 entspannt. Zum Unterkühlen dient gasförmig
dem Kopf der Niederdrucksäule 5 entnommener Stickstoff, der anschließend im Regenerator 2 als
Spülgas verwendet wird, also die während der Abkühlung der Luft im Regenerator 2 dort abgeschiedenen
Bestandteile, wie CO2 und H2O, aufnimmt.
Da nur Sauerstoff unter Druck gewonnen werden soll, wird der flüssig dem Verdampfer der Niederdrucksäule
5 entnommene reine Sauerstoff mit der Flüssigkeitspumpe 18 auf etwas über den gewünschten
Enddruck gebracht und anschließend in den Wärmeaustauschern 14 und 8 verdampft. Die Wärme
dazu liefert einmal der in den Zweisäulenapparat zu entspannende Hochdruck-Stickstoff, das andere Mal
aber der in die Gaszerlegungsanlage geführte und von Umgebungstemperatur durch eine Fremdkühlung
im Wärmeaustauscher 19 abgekühlte Hochdruck-Stickstoff:
Hier erfolgt also die zweite wärmemäßige Kopplung der beiden Verfahren:
Wärme wird der Luftzerlegungsanlage zugeführt und der Gaszerlegungsanlage entzogen. Damit verläuft
die zweite Kopplung gerade umgekehrt wie die erste, wodurch der Kältehaushalt der beiden Verfahren
wieder ausgeglichen wird. Die zweite Kopplung ist thermodynamisch besonders günstig gewählt,
weil auf der einen Seite zur Verdampfung des Drucksauerstoffs sehr viel Wärme gebraucht wird und auf
der anderen Seite Hochdruck-Stickstoff sehr viel Wärme abgeben kann, so daß diese Kopplung für
beide Verfahren wesentliche Vorteile bringt, die sich vor allem auf den Energiebedarf günstig auswirken.
Die Erwärmung des Drucksauerstoffs auf Umgebungstemperatur erfolgt dann durch den auf Hochdruck
verdichteten Stickstoff im Wärmeaustauscher 12. Durch die Leitung 20 kann der Anlage Sauerstoff
mit erhöhtem Druck entnommen werden.
Der zum Auswaschen dienende Teil des Hochdruck-Stickstoffs wird, wie schon erwähnt, durch eine
Ammoniakkühlung im Wärmeaustauscher 19 von Umgebungstemperatur abgekühlt. Hierbei wird die
Fremdkühlung vorteilhaft als bei den gegebenen Temperaturen relativ billiges kälteleistungssteigerndes
Element ausgenutzt.
Der nicht durch den Wärmeaustauscher 8 geführte Teil des zum Auswaschen dienenden Hochdruck-Stickstoffs
wird in dem Wärmeaustauscher 21 durch Stickstoff und Bestandteile des Konvertgases abgekühlt
und dann mit dem durch den Wärmeaustauscher 8 geführten Teil vereinigt. Danach wird der
Hochdruck-Stickstoff zu einem Teil in dem Drosselventil 22 auf etwa den Druck der Waschsäule 6 entspannt,
im Wärmeaustauscher 9 abgekühlt und flüssig der Waschsäule 6 am Kopf aufgegeben. Der andere
Teil des Hochdruck-Stickstoffs kann über das Drosselventil 23 in das vom Kopf der Waschsäule 6
abziehende reine Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch entspannt werden. In der Waschsäule 6 strömt dem flüssigen Stickstoff das mit der Leitung 24 der Gaszerlegungsanlage
zugeführte und in den Wärmeaustauschern 25 und 9 abgekühlte und vorgereinigte Konvertgas
entgegen. Dabei werden aus dem Konvertgas die letzten schwer kondensierbaren Bestandteile, in
erster Linie CO, Ar und CH4 ausgewaschen, so daß
ein reines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch dem Kopf der Waschsäule 6 entnommen werden kann. Diesem
Gemisch kann zur Einstellung der für die Ammoniaksynthese notwendigen Zusammensetzung bei Umgebungstemperatur
durch die Leitung 26 auf Mitteldruck verdichteter Stickstoff zugemischt werden, wobei
die jeweils zuzumischende Stickstoffmenge durch ein Regelventil 27 eingestellt werden kann.
Die sich im Fuß der Waschsäule sammelnde Flüssigkeit wird über das Drosselventil 28 in den Wärmeaustauscher
9 entspannt. Der sich bildende Dampf wird zusammen mit der sich im Fuß des Wärmeaustauschers
9 ansammelnden und im Drosselventil 29 entspannten Flüssigkeit, die im wesentlichen aus CH4
und CO besteht, im Wärmeaustauscher 21 erwärmt.
Reines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch kann der Anlage durch die Leitung 30 entnommen und der
Ammoniaksynthese zugeführt werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Zerlegung von Luft in einer Rektifikationssäule und damit gekoppelter Zerlegung
eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches, insbesondere Konvertgas, in einer Gaszerlegungsanlage, bei dem der Rektifikationssäule gasförmiger Stickstoff entnommen, auf
Hochdruck verdichtet, abgekühlt und in zwei Teilströme geteilt wird, von denen der erste in
die Rektifikationssäule entspannt und der zweite nach Wärmeaustausch mit Bestandteilen des Gasgemisches
aus der Gaszerlegungsanlage in diese als Waschflüssigkeit eingeführt wird, und bei dem
der Rektifikationssäule flüssiger Sauerstoff entnommen, auf höheren Druck gebracht und im
Wärmeaustausch mit Gasen aus der Rektifikationssäule verdampft wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Teilstrom vor seiner Entspannung in die Rektifikationssäule zur Verdampfung
des auf den höheren Druck gebrachten flüssigen Sauerstoffs dient und im Wärmeaustausch
mit dem zweiten Teilstrom und Bestandteilen des Gasgemisches aus der Gaszerlegungsanlage
abgekühlt wird, während der zweite Teilstrom vor seinem Wärmeaustausch mit Bestandteilen
des Gasgemisches aus der Gaszerlegungsanlage durch Wärmeaustausch mit dem Drucksauerstoff
abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom von Umgebungstemperatur
durch eine Fremdkühlung abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Fremdkühlung der
Rest des zweiten Teilstromes, der nicht in Wärmeaustausch mit verdampfendem DrucksauerstofE
gebracht wird, im Wärmeaustausch mit Stickstoff und Bestandteilen des Gasgemisches weiter abgekühlt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksauerstoff im
Wärmeaustausch mit dem ersten und dem zwei-
ten Teilstrom verdampft und im Wärmeaustausch mit dem ersten Teilstrom auf Umgebungstemperatur
erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom teilweise
durch eine Fremdkühlung abgekühlt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1103 363.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 518/222 3.68 © Bundesdruckerei Berlin
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