DE19543953C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Schritten (a) bis (g).
Ein Verfahren mit diesen Schritten ist aus der US-4224045 A bekannt. Druck- und Niederdruckdrucksäule sind durch einen im Sumpf der Niederdrucksäule angeordneten Kondensator-Verdampfer thermisch gekoppelt. Das Druckstickstoffprodukt wird am Kopf der Drucksäule abgezogen. Will man auch das Sauerstoffprodukt, das in der Niederdrucksäule anfällt, unter Druck gewinnen, kann man entweder die gesamte Doppelsäule oder wenigstens die Niederdrucksäule unter einem entsprechend erhöhten Druck betreiben oder das Sauerstoffprodukt flüssig auf Druck bringen und anschließend gegen Einsatzluft verdampfen (Innenverdichtung). Kälte könnte entweder durch die Entspannung von stickstoffreichem Restgas aus der Niederdrucksäule (nur im ersten Fall möglich) oder durch die Entspannung eines Teils der Einsatzluft in die Niederdrucksäule (wie in US-4224045 A gezeigt) erzeugt werden. Sowohl die Direkteinspeisung von Luft als auch der Betrieb der Niederdrucksäule unter erhöhtem Druck verschlechtern jedoch die Rektifikation in der Niederdrucksäule und verringern damit Ausbeute und/oder Reinheit des Sauerstoffprodukts.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen gleichzeitig Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck gewonnen werden können und die besonders wirtschaftlich arbeiten, insbesondere durch eine hohe Ausbeute an Sauerstoff.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Druck der Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs mit kondensierendem Dampf aus dem oberen Bereich der Drucksäule erhöht wird und derjenige Teil des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs, der in die Niederdrucksäule zurückgeführt wird, vor der Einleitung in die Niederdrucksäule entspannt wird.
Gemäß der Erfindung werden damit die Drücke von Drucksäule und Niederdrucksäule entkoppelt, das heißt die Drucksäule kann unter besonders hohem Druck betrieben werden (beispielsweise 8 bar, 10 bar oder höher), wogegen der Druck in der Niederdrucksäule nur bei knapp über Atmosphärendruck, beispielsweise bei 1,2 bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,6 bar liegt. Somit kann sich der Drucksäulendruck nach dem gewünschten Stickstoff-Produktdruck richten - so daß der Stickstoff-Produktverdichter entweder kleiner ausgeführt oder werden oder ganz entfallen kann - und die Niederdrucksäule kann dennoch mit optimaler Trennwirkung gefahren werden. Der Druck der Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule kann durch jede der bekannten Methoden angehoben werden, beispielsweise durch eine Pumpe und/oder durch ein hydrostatisches Potential. Der Enddruck muß ausreichen, damit die Flüssigkeit bei dem indirekten Wärmeaustausch mit dem bei Drucksäulendruck kondensierenden Dampf aus der Drucksäule verdampft.
Der indirekte Wärmeaustausch dient einerseits zur Kopfkühlung der Drucksäule - es wird flüssiger Rücklauf für die Drucksäule und gegebenenfalls für die Niederdrucksäule erzeugt - andererseits - über den Umweg eines Sauerstoffkreislaufs mit Druckerhöhung in der Flüssigkeit und gasförmiger Entspannung - zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf für die Niederdrucksäule.
Der bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnene Dampf wird vorzugsweise gegen Einsatzluft angewärmt. In der Regel wird nur ein Teil des angewärmten Gases in die Niederdrucksäule entspannt. Der Rest kann dann weiter auf Umgebungstemperatur erwärmt und als gasförmiges Sauerstoff-Druckprodukt abgeführt werden.
Es ist günstig, wenn bei der Erfindung in der Niederdrucksäule wenigstens teilweise, vorzugsweise ausschließlich geordnete Packungen als Stoffaustauschelemente eingesetzt werden. Durch deren besonders geringen Druckverlust kann der Druck im unteren Bereich der Niederdrucksäule weiter erniedrigt werden.
Die beiden Flüssigkeiten, die von der Drucksäule in die Niederdrucksäule geleitet werden, bestehen in der Regel aus Sumpfflüssigkeit der Drucksäule (erste Flüssigfraktion) beziehungsweise aus Flüssigkeit vom Kopf der Drucksäule oder von einer Zwischenstelle, die 10 bis 30, vorzugsweise 20 theoretische Böden unterhalb des Kopfes der Drucksäule liegt (zweite Flüssigfraktion).
Die Entspannung des bei dem indirekten Wärmeaustausch durch Verdampfung der Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule gewonnenen Dampfs wird vorzugsweise arbeitsleistend durchgeführt, beispielsweise in einer Entspannungsturbine. Damit kann besonders viel Verfahrenskälte gewonnen werden.
Mindestens ein Teil der bei der Entspannung des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs erzeugten Energie kann zur Verdichtung eines Prozeßstroms verwendet werden, beispielsweise zur Kompression einer stickstoffhaltigen Fraktion aus der Niederdrucksäule auf den zur Regenerierung einer Molekularsiebanlage notwendigen Druck. Die Vorrichtungen zur Entspannung beziehungsweise Verdichtung sind vorzugsweise mechanisch gekoppelt, beispielsweise durch eine gemeinsame Welle.
Der bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnene Dampf kann stromaufwärts der Entspannung in die Niederdrucksäule erwärmt werden. Diese Erwärmung findet vorzugsweise in einem Hauptwärmetauscher statt, der auch zur Abkühlung der Einsatzluft dient. Der zu entspannende Teil des Dampfes wird dabei im allgemeinen bei einer Temperatur aus dem Hauptwärmetauscher herausgeführt, die zwischen den Temperaturen am kalten und warmen Ende des Hauptwärmetauschers liegt.
Ein Teil des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs - beispielsweise derjenige, der nicht der Entspannung zugeführt wird - wird vorzugsweise als Sauerstoffdruckprodukt gewonnen. Damit dient eine einzige Vorrichtung, in der Regel eine Sauerstoffpumpe - zur Erzeugung des erhöhten Drucks sowohl für die Produktmenge als auch für die zwecks Kälteerzeugung im Kreislauf geführte Menge.
Wegen der günstigen Verhältnisse durch den niedrigen Druck in der Niederdrucksäule ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Gewinnung von Argon geeignet. Zu diesem Zweck kann eine argonhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule in eine Rohargonsäule eingeleitet werden. Einzelheiten einer erartigen Argongewinnung sind beispielsweise in der EP-377117 B, der EP-628777 A oder der EP-669509 A beschrieben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 7 bis 11.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Rückverdichtung des stickstoffreichen Restgases aus der Niederdrucksäule und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit Argongewinnung.
Verdichtete und von Wasser und Kohlendioxid gereinigte Einsatzluft 1 wird in einem Hauptwärmetauscher 2 auf etwa Taupunkt abgekühlt und über Leitung 3 unter einem Druck von 10 bar in eine Drucksäule 4 eingespeist. Am Kopf der Drucksäule wird dampfförmiger Stickstoff, der noch etwa 1 ppm Verunreinigungen enthält, über Leitung 10 entnommen und zu einem Teil 11 in einem als Kopfkondensator ausgebildeten Kondensator-Verdampfer 12 kondensiert; der Rest wird über Leitung 14 zum Hauptwärmetauscher 2 geführt, dort auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und bei 15 als gasförmiges Druckprodukt abgeführt. Das im Kondensator-Verdampfer 12 gewonnene Kondensat 13 dient zum einen als Rücklauf für die Drucksäule 4; zum anderen kann es teilweise als Flüssigprodukt 16 abgeführt werden.
Sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit 5 wird als erste Flüssigfraktion aus der Drucksäule in eine Niederdrucksäule 7 eingedrosselt (6). Eine zweite Flüssigfraktion 8 wird 20 theoretische Böden unterhalb des Kopfes der Drucksäule abgezogen und oberhalb der ersten Flüssigfraktion, vorzugsweise am Kopf, in die Niederdrucksäule entspannt 9 (Alternativ oder zusätzlich könnte auch die über Leitung 16 abgezogene Flüssigkeit auf die Niederdrucksäule 7 aufgegeben werden).
Die Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 7 (dritte Flüssigfraktion 17) wird durch eine Pumpe 18 auf einen Druck von ca. 5 bar gebracht, in einem Gegenströmer unterkühlt und in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 12 eingeführt. Ein Teil der gepumpten Flüssigkeit kann bei Bedarf als Produkt 21 abgezogen werden. Der im Kondensator-Verdampfer 12 gewonnene Dampf 22 wird in den Hauptwärmetauscher 2 eingeführt und zu einem Teil an dessen warmem Ende 23 als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Der Rest wird an einer Zwischenstelle aus dem Hauptwärmetauscher 2 herausgeführt (24), in einer Turbine 25 arbeitsleistend auf etwa Niederdrucksäulendruck entspannt und durch den Gegenströmer 19 in die Niederdrucksäule 7 zurückgespeist.
Stickstoffhaltiges Restgas 28 wird vom Kopf der Niederdrucksäule 7 abgezogen, zunächst gegen die beiden Flüssigfraktionen aus der Drucksäule angewärmt (29) und schließlich weiter zum Hauptwärmetauscher 2 geführt. Das angewärmte Restgas 30 kann beispielsweise verworfen oder als Regeneriergas für eine Molekularsiebanlage zur Luftreinigung verwendet werden.
Im letzteren Fall ist es günstig, wenn derjenige Teil 31 des Restgases 30, der für die Regenerierung benötigt wird, in einem Verdichter 32 auf den Regenerierdruck gebracht wird, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. (Fig. 2 stimmt bis auf dieses Detail mit Fig. 1 überein.) Dieser kann - beispielsweise über eine gemeinsame Welle 33 - von der Turbine 25 angetrieben werden. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist es möglich, den Druck in der Niederdrucksäule weiter abzusenken, beispielsweise auf ca. 1,1 bar. Dies ermöglicht wiederum eine Verringerung des Turbinenaustrittsdrucks und damit eine Erhöhung des Kälteleistungspotentials.
Die beiden Ausführungsbeispiele können zusätzlich mit einer Rohargonsäule 34 ausgestattet werden; für den Fall der Fig. 1 ist dies in Fig. 3 im Detail ausgeführt. Eine argonhaltige Dampffraktion 35 wird von einer Stelle relativ hohen Argongehalts in der Niederdrucksäule 7 zur Rohargonsäule 34 geführt und dort in eine - beispielsweise über Leitung 36 flüssig abgeführte - Rohargonfraktion und in eine Restfraktion 37 zerlegt. Die Kopfkühlung 39 der Rohargonsäule 34 wird durch Verdampfung eines Teils 38 der Sumpfflüssigkeit 5 aus der Drucksäule bewirkt. Der dabei entstandene Dampf 40 wird in die Niederdrucksäule 7 eingespeist.
In den Ausführungsbeispielen werden die Stoffaustauschelemente in der Drucksäule durch Destillierböden gebildet, diejenigen in der Niederdrucksäule und gegebenenfalls in der Rohargonsäule durch geordnete Packung. Grundsätzlich können jedoch bei der Erfindung in allen 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 insbesondere in der Niederdrucksäule bevorzugt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, mit folgenden Schritten:
  • a) Einführung von verdichteter und gereinigter Einsatzluft (1, 3) in die Drucksäule (4),
  • b) Einführung (6) mindestens eines Teils einer ersten Flüssigfraktion (5) aus dem unteren Bereich der Drucksäule (4) in die Niederdrucksäule (7),
  • c) Einführung (9) einer zweiten Flüssigfraktion (8) aus dem oberen oder mittleren Bereich der Drucksäule (4) in die Niederdrucksäule (7),
  • d) Verdampfung einer dritten Flüssigfraktion (17) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (7) in indirektem Wärmeaustausch (12) mit kondensierendem Dampf (11) aus dem oberen Bereich der Drucksäule (4),
  • e) Einleitung mindestens eines Teils des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs (22, 24, 26, 27) in die Niederdrucksäule (7),
  • f) Einleitung mindestens eines Teils des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Kondensats (13) in die Drucksäule (4),
  • g) Entnahme einer Druckstickstofffraktion (10, 14, 15) als Produkt aus dem oberen Bereich der Drucksäule (4),
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • h) der Druck der dritten Flüssigfraktion (17) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (7) stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (12) mit kondensierendem Dampf (11) aus dem oberen Bereich der Drucksäule (4) erhöht wird und
  • i) derjenige Teil (24) des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs, der in die Niederdrucksäule (7) zurückgeführt wird, vor der Einleitung (27) in die Niederdrucksäule (7) entspannt (25) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung (25) des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs gemäß Schritt (i) arbeitsleistend durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der bei der Entspannung (25) des bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnenen Dampfs erzeugten Energie zur Verdichtung (32) eines Prozeßstroms (31) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bei dem indirekten Wärmeaustausch gewonnene Dampf (22) stromaufwärts der Entspannung (25) gemäß Schritt (i) erwärmt (2) wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (23) des bei dem indirekten Wärmeaustausch (12) gewonnenen Dampfs (22) als Sauerstoffdruckprodukt gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine argonhaltige Fraktion (35) aus der Niederdrucksäule (7) in eine Rohargonsäule (34) eingeleitet wird.
7. Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, mit
  • a) einer Einsatzluftleitung (1, 3) zur Einführung von verdichteter und gereinigter Einsatzluft in die Drucksäule (4),
  • b) einer ersten Flüssigfraktionsleitung (5), die den unteren Bereich der Drucksäule (4) mit der Niederdrucksäule (7) verbindet,
  • c) einer zweiten Flüssigfraktionsleitung (8) die den oberen oder mittleren Bereich der Drucksäule (4) mit der Niederdrucksäule (7) verbindet,
  • d) einem Kondensator-Verdampfer (12) dessen Verdampfungsraum über eine dritte Flüssigfraktionsleitung (17) mit dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (7) und dessen Kondensationsraum (über 10, 11) mit dem dem oberen Bereich der Drucksäule (4) verbunden sind,
  • e) einer Dampfleitung (22, 24, 26, 27) zwischen dem Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (12) und der Niederdrucksäule (7),
  • f) einer vierten Flüssigfraktionsleitung (13) zwischen dem Kondensationsraum des Kondensator-Verdampfers (12) und der Drucksäule (4) und mit
  • g) einer Druckstickstoffproduktleitung (10, 14, 15), die mit dem oberen Bereich der Drucksäule (4) verbunden ist
    gekennzeichnet durch
  • h) Mittel (18) zur Erhöhung des Drucks in der dritten Flüssigfraktionsleitung (17) und
  • i) Mittel (25) zur Verringerung des Drucks in der Dampfleitung (22, 24, 26, 27) zwischen Kondensator-Verdampfer (12) und Niederdrucksäule (7).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verringerung des Drucks eine Entspannungsmaschine (25) aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Sauerstoffproduktleitung (23), die mit der Dampfleitung (22) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel (33) zur Übertragung von mechanischer Energie von der Entspannungsmaschine (25) auf einen Verdichter (32) zur Verdichtung eines Prozeßstroms (31).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Rohargonsäule (34), die mit der Niederdrucksäule verbunden (35, 37) ist.
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