DE19537913A1 - Dreifachsäulenverfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents
Dreifachsäulenverfahren zur Tieftemperaturzerlegung von LuftInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem
Dreifachsäulensystem, das aus einer Hochdrucksäule, einer Mitteldrucksäule und
einer Niederdrucksäule besteht, mit den im Patentanspruch 1 angeführten Schritten
(a) bis (i).
Ein Dreifachsäulensystem weist mindestens drei Säulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung
auf. Der Begriff schließt Anlagen und Verfahren ein, die weitere Säulen zur
Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und/oder zur Gewinnung von anderen
Luftbestandteilen wie Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Rohargonsäule. Ein
Dreifachsäulenverfahren der oben genannten Art ist aus der DE-A 29 03 089 bekannt.
Die gesamte Einsatzluft wird hier auf einen ersten Druck verdichtet, der über dem
Mitteldrucksäulendruck liegt, und zu einem Teil ohne weitere druckverändernde
Maßnahmen in die Mitteldrucksäule eingespeist, zu einem anderen Teil auf einen
zweiten Druck weiter verdichtet und in die Hochdrucksäule eingeführt. Der Rest der
verdichteten Einsatzluft wird arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule
eingeführt. Dieses Verfahren arbeitet jedoch energetisch nicht vollständig optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art mit besonders hohem Wirkungsgrad anzugeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Druck niedriger als der
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule ist und daß der zweite Teil der Einsatzluft von dem
ersten Druck auf einen dritten Druck verdichtet wird, der mindestens gleich dem
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule, aber niedriger als der zweite Druck ist.
Die Gesamtmenge der Einsatzluft wird also nur auf einen relativ niedrigen Druck
verdichtet, der geringer als der in der Mitteldrucksäule herrschende Druck ist. Der in
die Mitteldrucksäule einzuführende erste Luftteil muß zwar in einem weiteren
Verdichter entsprechend höher verdichtet werden; derjenige Teil der Einsatzluft, der
ohnehin direkt unter die bei geringerem Druck arbeitende Niederdrucksäule
eingespeist wird, braucht jedoch gar nicht erst auf den hohen Druck der
Hochdrucksäule gebracht zu werden. Insbesondere dann, wenn der Kältebedarf der
Anlage relativ gering ist, weil beispielsweise ein geringer Teil der Produkte flüssig
gewonnen wird oder es sich um eine reine Gasanlage handelt, ergibt sich ein
besonders niedriger Energieverbrauch.
Dabei ist es günstig, wenn der dritte Teil der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitslei
stenden Entspannung nachverdichtet wird, um die Druckdifferenz bei der arbeits
leistenden Entspannung zu erhöhen. Der Druck beim Eintritt in die arbeitsleistende
Entspannung liegt in diesem Fall vorzugsweise zwischen dem ersten Druck und dem
Druck der Mitteldrucksäule.
In diesem Fall sollte die bei der arbeitsleistenden Entspannung des dritten Luftteils
gewonnene Energie oder ein Teil davon zur Nachverdichtung des dritten Luftteils
verwendet werden. Vorzugsweise wird der Nachverdichter ausschließlich durch diese
intern erzeugte mechanische Energie angetrieben, so daß er keine von außen
eingebrachte Energie verbraucht. Nachverdichter und Entspannungsmaschine sind
beispielsweise über eine gemeinsame Welle mechanisch gekoppelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Hochdrucksäule unter einem relativ
niedrigen Druck betrieben werden, der vorzugsweise bei 4, 8 bar oder weniger liegt.
Damit ergibt sich ein besonders geringer Aufwand beim Verdichten der Einsatzluft.
Die Niederdrucksäule wird vorzugsweise unter dem niedrigstmöglichen Druck
betrieben. Dieser ist dadurch bestimmt, daß das Kopfprodukt der Niederdrucksäule -
gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher - unter im
wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren entfernt werden kann; falls
dieses Kopfprodukt als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung (z. B. einer
Molekularsiebanlage) eingesetzt wird, muß der Druck der Niederdrucksäule auch
deren Betrieb ermöglichen.
Es ist ferner günstig, wenn ein Teil der ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion
aus der Hochdrucksäule in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird. Damit wird ein Teil
des Sumpfproduktes aus der Hochdrucksäule weiter vorzerlegt, und damit eine
größere Menge von stickstoffangereicherter Fraktion am Kopf der Mitteldrucksäule
gewonnen, die als Rücklaufflüssigkeit in der Niederdrucksäule zur Verfügung steht.
Dies bewirkt eine weitere Verbesserung der Rektifikation in der Niederdrucksäule.
Die Sumpffraktion aus der Hochdrucksäule wird vorzugsweise an einer Zwischenstelle
in die Mitteldrucksäule eingeführt, das heißt an einer Stelle, die mindestens einen
praktischen oder theoretischen Boden oberhalb des Sumpfes der Mitteldrucksäule
und insbesondere mindestens einen praktischen oder theoretischen Boden oberhalb
der Stelle der Einspeisung des zweiten Luftteils in die Mitteldrucksäule liegt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
gemäß den Patentansprüchen 8 bis 11.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch reiner
Stickstoff produziert werden, wenn am Kopf der Niederdrucksäule zusätzlich ein
üblicher Reinstickstoffabschnitt angeordnet wird. Auch die Argongewinnung ist
möglich, wenn der Niederdrucksäule auf bekannte Weise (siehe beispielsweise EP-B
377117) eine Argonrektifikation nachgeschaltet ist. Ebenso können weitere Edelgase
in bekannter Weise erzeugt werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand
eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
Einsatzluft 1 wird in einem Hauptluftverdichter 2 auf einen ersten Druck verdichtet. Die
verdichtete Einsatzluft 3 wird in einen ersten Teilstrom 101, einen zweiten Teilstrom
201 und einen dritten Teilstrom 301 aufgeteilt. In den Verdichtern 5 und 102 werden
der erste Teilstrom auf einen zweiten Druck und der zweite Teilstrom auf einen
zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegenden dritten Druck gebracht. Dabei
werden der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom zunächst gemeinsam (4) im
Verdichter 5 auf den dritten Druck und anschließend der erste Teilstrom 101 alleine
weiter im Verdichter 102 auf den zweiten Druck komprimiert. Alternativ dazu können
der erste und der zweite Teilstrom auch unabhängig voneinander verdichtet werden.
Wenn der Kältebedarf der Anlage und/oder die Produktreinheit relativ hoch sind, kann
abweichend von der Darstellung in der Zeichnung der dritte Teilstrom, der der
Entspannungsmaschine 305 beziehungsweise dem Nachverdichter 302 zugeführt
wird, stromabwärts eines der Verdichter 5 oder 102 abgezweigt werden. Durch den
damit erreichten höheren Eintrittsdruck beim Entspannen kann die Kälteleistung
erhöht und/oder die Menge der direkt in die Niederdrucksäule eingeblasenen Luft
verringert werden.
Der unter dem zweiten Druck stehende erste Teilstrom 103 und der unter dem dritten
Druck stehende zweite Teilstrom 201 werden in einem Hauptwärmetauscher 6 gegen
Produktströme abgekühlt und in die Hochdrucksäule 7 beziehungsweise in die
Mitteldrucksäule 8 eingespeist (104 bzw. 202). Die Hochdrucksäule 7 wird unter
einem Druck von 4,5 bis 5,5 bar, vorzugsweise 4,6 bis 4,8 bar betrieben, die
Mitteldrucksäule 8 steht unter 2,5 bis 3,5 bar, vorzugsweise 2,8 bis 3,0 bar.
Der erste Druck (in Leitung 3 hinter dem Hauptluftverdichter 2) ist deutlich niedriger
als der Hochdrucksäulendruck; die Differenz beträgt mindestens 2,5 bar,
vorzugsweise 3,0 bis 3,2 bar. Der zweite Druck liegt geringfügig über dem
Hochdrucksäulendruck (beispielsweise etwa 0,1 bar über dem Druck an der
Einspeisestelle in die Hochdrucksäule), um den Druckabfall im Hauptwärmetauscher 6
und in den Leitungen 103 und 104 auszugleichen. Analog dazu liegt der dritte Druck
(stromabwärts des Verdichters 5) etwas oberhalb des Drucks der Mitteldrucksäule, um
die Einführung des zweiten Teilstroms 201, 202 in die Mitteldrucksäule 8 zu
gewährleisten.
Der dritte Teilstrom 301 wird gegebenenfalls in einem Nachverdichter 302 auf einen
vierten Druck nachverdichtet, der zwischen dem ersten Druck und dem Betriebsdruck
der Mitteldrucksäule liegen kann und beispielsweise 1,5 bis 2,5 bar höher als der
erste Druck ist. (Für den Fall, daß der dritte Teilstrom stromabwärts eines der
Verdichter 5 oder 102 abgezweigt wird, ist der vierte Druck entsprechend höher, das
heißt beispielsweise höher als der Druck der Mitteldrucksäule oder sogar höher als
der Druck der Hochdrucksäule; er kann in diesem Fall bis zu 8 bar oder mehr
betragen.) Über Leitung 303 geht es zum Hauptwärmetauscher 6 und von dessen
kaltem Ende aus weiter (304) zur Entspannungsmaschine 305. Die arbeitsleistend
entspannte Luft 306 wird auf mittlerer Höhe in die Niederdrucksäule 9 eingeleitet.
Die Luft wird hinter jedem Verdichter 2, 5, 102, 302 in indirektem Wärmeaustausch mit
Kühlwasser abgekühlt, wie durch die in der Zeichnung dargestellten Nachkühler
angedeutet ist. Bei mehrstufigen Verdichtern wird vorzugsweise zwischen zwei Stufen
eine Zwischenkühlung durchgeführt.
Bei der Rektifikation in der Hochdrucksäule 7 fallen eine erste stickstoffangereicherte
Kopffraktion als Kopfgas und eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion als
Sumpfflüssigkeit an. Kopfgas 10 wird in einem ersten Kondensator-Verdampfer 11
kondensiert und zu einem Teil 12 in die Hochdrucksäule und zu einem anderen Teil
13 - gegebenenfalls nach Unterkühlung im Gegenströmer 14 - über Leitung 15 in die
Niederdrucksäule 9 eingedrosselt (16), deren Betriebsdruck 1,1 bis 1,5 bar, vor
zugsweise 1,2 bis 1,4 bar, liegt. Ein Teil der kondensierten stickstoffangereicherten
Fraktion 13 aus der Hochdrucksäule kann über die optionale Leitung 17 zum Kopf der
Mitteldrucksäule 8 geführt werden. Die Sumpfflüssigkeit der Hochdrucksäule wird über
Leitung 18 ebenfalls nach optionaler Unterkühlung (14) in die Niederdrucksäule 9
entspannt (19, 20). Die Einspeisestelle liegt oberhalb derjenigen der arbeitsleistend
entspannten Luft 306. Vorzugsweise wird ein Teil 37 (10 bis 30%, vorzugsweise 15
bis 20%) der Hochdrucksäulen-Sumpfflüssigkeit 18 in die Mitteldrucksäule geführt.
Die Einspeisestelle liegt mindestens einen praktischen oder theoretischen Boden,
vorzugsweise zwei bis fünf theoretische Böden oberhalb der Einspeisung des zweiten
Luftteils 202.
In der Mitteldrucksäule 8 werden eine zweite stickstoffangereicherte Kopffraktion und
eine zweite sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit gewonnen. Das Kopfgas 21 wird
in einem zweiten Kondensator-Verdampfer 22 kondensiert und zu einem ersten Teil
23 in die Mitteldrucksäule und zu einem zweiten Teil 24 - gegebenenfalls nach
Unterkühlung im Gegenströmer 14 - in die Niederdrucksäule 9 eingedrosselt (25). Die
Sumpfflüssigkeit der Mitteldrucksäule wird über Leitung 26 ebenfalls nach optionaler
Unterkühlung (14) in den Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers
22 entspannt (27). Der verdampfte Strom 28 wird in die Niederdrucksäule 9 eingeführt
(29). Die Einspeisestelle beispielsweise auf derselben Höhe wie diejenige der
Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule oder etwas darüber.
Dampf 31 für die Rektifikation in der Niederdrucksäule 9 wird durch Verdampfen von
Sumpfflüssigkeit 30 im ersten Kondensator-Verdampfer 11 erzeugt. Der Kondensator-Verdampfer
11 kann abweichend von der Darstellung im Sumpf der Niederdrucksäule
9 angeordnet sein. Als Kopfprodukt verläßt Stickstoff 32 die Niederdrucksäule 9, wird
in den Wärmetauschern 14 und 6 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und bei
33 abgezogen. Gasförmiger Produktsauerstoff 35 wird über Leitung 34 entnommen
und ebenfalls im Hauptwärmetauscher 6 erwärmt. Das Sauerstoffprodukt oder ein Teil
davon kann bei Bedarf flüssig entnommen werden (Leitung 36). Für die Erzeugung
eines Hochdruckprodukts kann der flüssig entnommene Sauerstoff auf Druck
gebracht und verdampft werden (Innenverdichtung).
Die Reinigung der Einsatzluft ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie kann durch
jede der bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise in einem umschaltbaren
Wärmetauscher (Revex) oder in einer oder mehreren Molekularsiebanlagen. Im
letzteren Fall ist es möglich, die gesamte Einsatzluft (Leitung 3) gemeinsam der
Reinigung zu unterwerfen, die drei Teilströme 103, 201, 303 in getrennten Anlagen zu
behandeln oder auch den ersten und zweiten Teilstrom gemeinsam durch ein
unmittelbar stromabwärts des Nachkühlers des Verdichters 5 angeordnetes
Molekularsieb zu schicken. Für den Fall, daß abweichend von der Darstellung in der
Zeichnung der dritte Teilstrom hinter einem der Verdichter 5 oder 102 abgenommen
und dem Nachverdichter 302 zugeleitet wird, können aller drei Teilströme oder
zumindest der erste und der dritte Teilstrom gemeinsam gereinigt werden. Besonders
günstig kann die Luftreinigung durchgeführt werden, indem die in der älteren
deutschen Patentanmeldung 1 95 20 200.7 im einzelnen beschriebene Turbinen- und
Verdichterschaltung verwendet wird.
In dem Ausführungsbeispiel werden die Stoffaustauschelemente in der
Hochdrucksäule und in der Mitteldrucksäule durch Destillierböden gebildet, diejenigen
in der Niederdrucksäule durch geordnete Packung. Grundsätzlich können jedoch bei
der Erfindung in jeder der Säulen konventionelle Destillierböden, Füllkörper
(ungeordnete Packung) und/oder geordnete Packung eingesetzt werden. Auch
Kombinationen verschiedenartiger Elemente in einer Säule sind möglich. Wegen des
geringen Druckverlusts werden geordnete Packungen in allen Säulen, insbesondere
in der Niederdrucksäule, bevorzugt. Diese verstärken die energiesparende Wirkung
der Erfindung weiter.
Die untenstehenden Tabellen zeigen zwei Zahlenbeispiele für den in der Zeichnung
dargestellten Prozeß, Tabelle 1 für die Gewinnung von reinem Sauerstoff (99,5%)
und Tabelle 2 für die Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit (95,0%).
Claims (11)
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreifachsäulensystem,
das aus einer Hochdrucksäule (7), einer Mitteldrucksäule (8) und einer
Niederdrucksäule (9) besteht, mit folgenden Schritten:
- (a) Verdichtung (2) von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck
- (b) Einleitung eines ersten Teils (101, 103, 104) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Hochdrucksäule (7), wobei der erste Teil der Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck verdichtet (5, 102) wird, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (7) ist
- (c) Einleitung eines zweiten Teils (201, 202) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Mitteldrucksäule (8)
- (d) arbeitsleistende Entspannung (305) eines dritten Teils (301, 303, 304) der verdichteten Einsatzluft (3)
- (e) Einleitung der arbeitsleistend entspannten Einsatzluft (306) in die Niederdrucksäule (9)
- (f) Einleitung (19) mindestens eines Teils einer ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (18) aus der Hochdrucksäule (7) in die Niederdrucksäule (9)
- (g) Kondensation (11) einer ersten stickstoffangereicherten Kopffraktion (10) aus der Hochdrucksäule (7) und Einleitung von dabei gewonnenem Kondensat (13, 15) als Rücklauf in die Niederdrucksäule (9)
- (h) Einleitung (28) mindestens eines Teils einer zweiten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (26) aus der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9)
- (i) Kondensation (22) einer zweiten stickstoffangereicherten Kopffraktion (21)
aus der Mitteldrucksäule (8) und Einleitung (25) von dabei gewonnenem
Kondensat (24) als Rücklauf in die Niederdrucksäule (9)
dadurch gekennzeichnet, daß - (j) der erste Druck niedriger als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (8) ist und
- (k) der zweite Teil der Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen dritten Druck verdichtet (5) wird, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (8), aber niedriger als der zweite Druck ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Teil (301)
der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (305)
nachverdichtet (302) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
arbeitsleistenden Entspannung (305) des dritten Luftteils (304) gewonnene
Energie zur Nachverdichtung (302) des dritten Luftteils (301) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Betriebsdruck am Kopf der Hochdrucksäule etwa 4, 8 bar oder weniger beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Niederdrucksäule (9) unter einem nur knapp überatmosphärischen Druck
betrieben wird, der ausreicht, um die Kopffraktion (32, 33) der Niederdrucksäule
(9) - gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher
(14, 6) - unter im wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren zu
entfernen und/oder als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung
einzusetzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Teil (37) der ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion (18) aus der
Hochdrucksäule (7) in die Mitteldrucksäule (8) eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (37) der
ersten sauerstoffangereicherten Sumpffraktion aus der Hochdrucksäule an einer
Zwischenstelle in die Mitteldrucksäule (8) eingeführt wird.
8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreifachsäulensystem,
das eine Hochdrucksäule (7), eine Mitteldrucksäule (8) und eine
Niederdrucksäule (9) aufweist, mit
- (a) einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck
- (b) mit einer ersten Teilstromleitung (101, 103, 104), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und mit der Hochdrucksäule (7) verbunden ist, wobei die erste Teilstromleitung durch Mittel (5, 102) zur Verdichtung von Einsatzluft von dem ersten Druck auf einen zweiten Druck, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (7) ist, führt
- (c) mit einer zweiten Teilstromleitung (201, 202), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und mit der Mitteldrucksäule (8) verbunden ist,
- (d) mit einer dritten Teilstromleitung (301, 303, 304, 306), die mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) verbunden ist und durch eine Entspannungsmaschine (305) zur Niederdrucksäule (9) führt,
- (e) mit Mitteln zur Einleitung (13, 15, 16; 24, 25) von Flüssigkeit vom Kopf der Hochdrucksäule (7) und vom Kopf der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9) sowie zur Einleitung (18, 19, 20; 26, 27, 28, 29) von Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule (7) und aus der Mitteldrucksäule (8) in die Niederdrucksäule (9), gekennzeichnet durch
- (f) Mittel (5) zur Verdichtung von Einsatzluft (4) von dem ersten Druck auf einen dritten Druck, der mindestens gleich dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (8) ist, deren Eintritt mit dem Austritt des Hauptluftverdichters (2) und deren Austritt mit der zweiten Teilstromleitung (201, 202) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Nachverdichter
(302), der in der dritten Teilstromleitung (301, 303) stromaufwärts der
Entspannungsmaschine (305) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Übertragung von
mechanischer Energie von der Entspannungsmaschine (305) auf den
Nachverdichter (302).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel
(37) zur Einleitung von Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule (7) in die
Mitteldrucksäule (8).
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