DE1907528A1

DE1907528A1 - Verfahren zur Trennung von reinem Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft

Info

Publication number: DE1907528A1
Application number: DE19691907528
Authority: DE
Inventors: Zanis Jakov B; Lineckij Semen G; Lemberg Mark J; Mjasojed Anatolij J; Basin Genrich M; Gorenstejn Ilja V
Original assignee: VNII KRIOGENNOGO MASINOSTROJEN
Current assignee: VNII KRIOGENNOGO MASINOSTROJEN
Priority date: 1968-10-23
Filing date: 1969-02-14
Publication date: 1970-08-20

Description

VERFAHREN ZUR TRENNUNG VON REINEM STICKTOFF UND SAUERSTOFF AUS DER lUFT Die vorliegende Erfindung bezieht sich auZ Verfahren zur Trennung von reinem Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft.
Es ist bekannt ein Verb wahren zur Trennung vom reinem Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft, bei welchem die Luft auf 3,0-5,5 MN/m² komprimiert, von der Feuchtigkeit, Kohlendioxid und anderen hochsiedenden Beimengungen gereinigt wird.
Die gereinigte Luft teilt man in zwei Luftströme auB, von denen der erstere durch Stickstoff und Romprimierten-Sauerstoff, der zweite durch Argonfraktion entsprechend in zwei Wärmeaustauschern gekühlt wird. Dabei tritt durch den ersten Wärmeaustauscher die Idplft, die dann zur Expansion in eine Expansionsmaschine und zum Drosselventil geleitet wird.
Die der Expansionsmaschine zugeführte Luft wird aus dem genannten Wärmeaustauscher bei einer Temperatur von minus 50 -minus 1000C und die dem Drosselventil zugeführte Luft bei einer Temperatur von minus 160 bis minus 165°C abgeleitet.
Der zweite Luftstrom wird in dem zweiten Wärmeaustauscher auf eine Temperatur von minus 130 - minus 1350C abgekühlt. Nach der Abkühlung in den Wärmeaustauschern wird der zweite Luftstrom mit einem Teil vom ersten Teil der Luft vermischt, den man zur Drosselung leitet, in dem Drosselventil gedrosselt und in die Rektifizierkolonne geleitet.
Den in der Expansionsmaschine expandierte leitet man ebenfalls in die Rektifizierkolonne.
Den aus der Rektifizierkolonne austretenden Stickstoff leitet man unter einem Druck von 0,05 M§/m2 in den ersten Wärmeaustauscher als Kühlmittel.
Den flüssigen Sauerstoff entnimmt man mittels einer Pumpe aus der Rektifizierkolonne, , komprimiert auf 20 MS/m2 und pumpt in denselben Wärmeaustauscher ebenfalls als Kühlmittel.
In dem genannten Wärmeaustauscher wird der flüssige Sauerstoff vergast und durch den Wärmeaustausch mit der Luft auf eine Temperatur von +8 - +30°C erwärmt. Der aus dem genannten Wärmeaustauscher austretende Stickstoff und Sauerstoff werden dann zum Verbraucher geleitet.
Zu gleichzeitiger Gewinnung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff entnimmt man aus der Rektifizierkolonne die Argonfraktion und leitet diese unter einem Druck von 0,05 -- 0,06 MN/m² in den zweiten Wärmeaustauscher als Kühlmittel, Die genannte Argonfraktion wird dann in die Atmosphäre ausgepufft oder für die Regenerierung des Absorptionsmittels des Reinigungsblocks verwendet in dem die komprimierte Ausgangsluft von der Feuchtigkeit und anderen hochsiedenden Beimengungen gereinigt wird. Dabei ist der erste Wärmeaustauscher ein Dreistromwärmeaustauscher. Im allgemeinen enthält er Windungen der koaxialen Rohre, wobei durch das Innere dieser Rohre komprimierte Luft und in dem ringförmigen Spalt zwischen den koaxialen Rohren die abzukählende Luft befördert wird.
Durch das Innere des Gehäuses strömt der Stickstoff.
Die Menge der von der komprimierten Luft an den Stickstoff abgegebenen Wärme beträgt 65o75% vom der gesamten in den Wärmeaustauschern übertragenen Wärmemenge (siehe z.B. den Katalog "Anlagen. zur Trennung von Luft und zum Reinigen von Edelgasen", Moskau, 1965, S.18-20 - in Russisch).
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens ist verhältnismäßig geringe Wirksamkeit des Wärmeaustausches in dem Dreistromwärmeaustauscher zwischen dem Stickstoff und der Luft, bedingt durch die verhältnismäßig geringe Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffes in dem Wärmeaustauscher, die durch den zulässigen Verlust an Stickstoffdruck begrenzt ist. Gleich zeitig damit ist eine Intensivierung des Wärmeaustausches in dem Dreistromwärmeaustauscher zwischen dem gewonnenen Stickstoff und der Ausgangsluft durch die Verwendung wirksamer Wärmeaustauschflächen, die z.B. durch gerippte Rohre oder gerippte Plattenelemente gebildet werden, erschwert infolge hoch aufwendiger Herstellung eines Wärmeaustauschers mit der genannten Elementen.
Da durch den Dreistromwärmeaustauscher ein größerer Teil der auf niedrige Temperaturen (minus 160 - minus 165°C) abzukühlenden Luft strömt, ist die Länge der koaxialen Rohre und folglich auch das Gewicht des Wärmeaustauschers verhältnismäßig groß.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile.
In Übereinstimmung mit dem Ziel wurde die Aufgabe gestellt, ein wirtschaftliches Verfahren zur '£rennuag von Luft zu entwickeln, das es möglich macht, wirksame Wärmeaustauschflächen, die zOB durch gerippte Rohre oder gerippte Plattenelemente gebildet werden, technisch einfach auszunutzen.
Erfindungsgemaß wird ein Teil der komprimierten Luft durch den Stickstoff, der andere Teil dieser Luft durch den Preßsauerstoff und die Argonfraktion gekuhltO Man verteilt zweckiiiäßig die komprimierte Luft derart, daß die Menge dieser durch den Stickstoff gekühlten Luft um 1,5-3 Male der Menge der durch den komprimierten Sauerstoff und die Argonfraktion abzukühl enden Luft übersteigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung von reinem Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft ermöglicht es, den größeren Teil der tuft in einem Zweistromwärmeaustauscher unter Verwendung wirksamer Wärmeaustauschflächen abzukühlen.
Der zweite Wärmeaustauscher, in dem der zweite Luftstrom durch die Argonfraktion und den komprimierten Sauerstoff gekuhlt wird, wird in Form eines Dreistromwärmeaustauschers aus glatten koaxialen Rohren ausgeführt.
Innerhalb der Rohre geringen Durchmessers wird komprivierter Sauerstoff, im ringförmigen Spalt der koaxialen Rohre die Ausgangsluft, im Inneren des Gehäuses in dem Zwischenrohrenraum die Argonfraktion durchgeleitet.
Da aber in dem genannten Wärmeaustauscher die Belastung einen geringen Teil der gesamten Wärmebelastung ausmacht, ist das Gewicht dieses Wärmeaustauschers verhältnismäßig klein.
Darüber hinaus, tritt durch den genannten Wärmeaustauseher der kleinere Luftstrom, die der auf eine verhältnismäßig höhere Temperatur (minus 135 - minus 145°C) abgekühlt wird ist es möglich in dem Wärmeaustauscher viel kürzere koaxiale Rohre in einer verhältnismäßig geringen Zahl anzuordnen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beschreibung einer der Durchführungsvarianten des Verfahrens zur Trennung der Luft unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in der das prinzipielle Schema des Verfahrens schematisch dargestellt ist.
In der Zeichnung sind die folgenden eichen für die Verbindungsleitungen angenommen: Luft ~ Sauerstoff -O-Stickstoff -N-Argonfraktion Die zu rektifizierende Luft wird in einem Verdichter (in der Zeichnung ist der Verdichter nicht angedeutet) auf )-5MN/m2 verdichtet und von der Feuchtigkeit, dem Eohlendioxid und anderen hochsiedenden Beimengungen gereinigt und bei einer Temperatur von 5-350C durch die Rohrleitung 1 zur Abkühlung dem Wärmeaustauscher 2 und 3 zugeführt.
Vor dem Eintreten in die Wärmeaustauscher wird die Luft in zwei Stromteile getrennt.
Den größeren Luftstrom (60-75% von der Gesamtluftmenge) führt man durch die Rohrleitung 4 dem Wärmeaustauscher 2 zu, leitet durch die gerippten Rohre kin der Zeichnung sind diese Rohre bedingt angedeutet) und kühlt durch den Gegenstrom von Stickstoff auf minus 145 - minus 15500 ab. Aus der Zone des Wärmeaustauschers 2, wo die Lufttemperatur minus 70 + minus 1100C erreicht, wird ein Teil der Luft (45-62% von der Gesamtluftmenge) entnommen und durch die Rohrleitung 5 der Expansionsmaschine 6 zugeführt, wo die Luft unter Erzeugen von Nutzarbeit bis auf Druck in Rektifizierkolonne expandiert wird.
Dann wird die Luft durch die Rohrleitung 7 zur Trennung der Rektifizierkolonne 8 zugeführt.
Den restilichen, kleineren Luftstrom (25w40% von der Gesamtluftmenge) fuhrt man durch die Rohrleitung 9 dem Dreistromwärmeaustauscher 7 zu.
Die Luft in dem Wärmeaustauscher 3 leitet man durch den ringförmigen Spalt zwischen den koaxialen Rohren (in der Zeichnung sind diese Rohre bedingt angedeutet) und kühlt auf eine Temperatur von minus 135 + minus 145°C durch zwei Gegenströme ab, nämlich durch den komprimierten Sauerstoff, der durch die Rohre kleineren Durchmessers tritt, und die Argonfraktion, die durch Gehäuseraum des Wärmeaustauschers strömt.
Den in dem Wärmeaustauscher 2 gekühlten Luftstrom leitet man durch die Rohrleitung 10 und den in dem Wärmeaustauscher 3 gekühlten Luftstrom durch die Rohrleitung 11 heraus Dann werden die genannten Luftströme vermischt, in einem Drosselventil 12 gedrosselt und der Rektifizierkolonne 8 zugeführt.
Der durch die Trennung aus der Luft anfallende Stickstoff führt man durch die Rohrleitung 13 mit dem Druck unterhalb - 7 -0,05MN/m² dem Zwischenrohrraum des Wärmeaustauschers 2 zu, wo er mit der durch den Wärmeaustauscher 2 tretenden Luft Wärme austauscht, auf eine Temperatur erwärmt, die 2-50C niedriger der als die Temperatur komprimierten Luft am Eingang in den Wärmeaustauscher 2 liegt und dann dem Verbraucher zugeführt wird.
Der durch die Trennung aus der Luft anfallende flüssige Sauerstoff wird aus der Rektifizierkolonne 8 entnommen und durch die Rohrleitung 14 der Pumpe 15 des flüssigen Sauerstoffes zugeführt, mit deren Hilfe der Sauerstoff unter einem Druck von 20MN/m2 durch die Rohrleitung 16 in den Dreistromwärmeaustauscher 3 gepumpt wird, wo der Sauerstoff durch die Luft zu dessen Vergasung erwärmt wird9 der bei einer Temperatur, die 2-3°C niedriger als die Temperatur der komprimierten Luft (am Eingang in den Wärmeaustauscher 3) liegt, dem Verbraucher zugeführt wird.
Die Menge des gewonnenen Stickstoffes beträgt 65-72%, die Menge des erhaltenen Sauerstoffes lO»19% von der Gesamtmenge der Luft.
Zur gleichzeitigen Gewinnung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff entnimmt man aus der Rektifizierkolonne 8 die Argonfraktion in einer Menge von 10-22% von der Gesamtluftmenge und fuhrt durch die Rohrleitung 17 mit einem Druck unterhalb 0,05 - 0,O6MN/m2 dem Gehäuseraum des Dreistromwärmeaustauschers 3 zu, wo die genannte Fraktion die Wärme mit der Luft austauscht.
In dem Wärmeaustauscher 3 wird die Argonfraktion auf eine Temperatur erwärmt, die 4-6°C unterhalb der emperatur der komprimierten Luft (am Eingang in den Wärmeaustauscher 3) liegt, wonach diese in die Atmosphare ausgepufft oder für die Regenerierung des Adsorptionsmittels des Reinigungsblocks verwendet wird, indem die Luft von der Feuchtigkeit und anode ren hochsiedenden Beimengungen gereinigt wird.
Grundsätzlich kann diese Erfindung in anderen Schaltungen zur Trennung von reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff aus der Luft verwendet werden, die sich von der beschriebenen Anordnung z.B. durch das Fehlen von Expansionsmaschine unterscheiden.
Die Anlage, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Leistung von 600 m3/St Stickstoff und 85 m3/St Preßsauerstoff bestimmt ist, hat gegenüber den bekannten Anlagen derselben Leistung ein ungefähr um 100-200 kg geringeres Gewichts

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1.Verfahren zur Trennung von reinem Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft durch deren Verflüssigung im Mittel-oder Hochdruckorgang und anschließende Rektifikation, das ein Abkürlung der Luft durch den Rektifikationsprodukte vorsicht, wobei eine dieser Produkte, der Sauerstoff vor der Euführung und Ablandung der Luft komprimiert wird d a d u r c h g ek e n n z i c h n e t, daß ein Teil der komprimierten ober durch den Stickstoff, der andere durch den komprimierten @@@@ stoff und die Argonfraktion gekühlt, die bei Teile dann gemischt, expandiert und zur Rektifikation geleitet werden.
2.Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die Menge der komprimierten Luft, die durch den Stickstoff gekühlt wird, 1,5-3 mal größer ist als die Menge dieser Luft, die durch den komprimierten Sauerstoff und die Argonfraktion gekühlt wird.

L e e r s e i t e