DE19909744A1 - Zweisäulensystem zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Zweisäulensystem zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung der Luft in einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist. Einsatzluft (1, 5) wird verdichtet (3), in einer Reinigungsstufe (6) gereinigt, abgekühlt (12) und mindestens teilweise in die Drucksäule (14) eingeleitet (13). Mindestens eine Flüssigfraktion (24) aus der Drucksäule (14) wird in die Niederdrucksäule (15) eingespeist (26, 27). Eine stickstoffhaltige Fraktion (32) aus der Niederdrucksäule (15) wird angewärmt (25, 12), getrennt von der Einsatzluft rückverdichtet (8) und in die Drucksäule (14) zurückgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei Einsatzluft verdichtet, in einer Reinigungsstufe gereinigt, abgekühlt und mindestens teilweise in die Drucksäule eingeleitet wird, mindestens eine Flüssigfraktion aus der Drucksäule in die Niederdrucksäule eingespeist wird und eine stickstoffhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule angewärmt, rückverdichtet und in die Drucksäule zurückgeführt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-38 14 187-C2 bekannt. Hier wird unreiner Stickstoff von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule vor die erste Stufe des Luftverdichters zurückgeführt, gemeinsam mit der Einsatzluft rückverdichtet und der Drucksäule zugeführt. Einen ähnlichen Prozeß zeigt US 4848996, wo der unreine Stickstoff am Kopf der Niederdrucksäule abgenommen und der Einsatzluft an einer Zwischenstufe des Luftverdichters zugemischt wird.
Die Rückführung der stickstoffhaltigen Fraktion in die Einsatzluft ist an sich vorteilhaft und erhöht die Produktausbeute. Das Verfahren ist dennoch einer weiteren Verbesserung zugänglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die angewärmte stickstoffhaltige Fraktion getrennt von der Einsatzluft rückverdichtet wird.
Damit ist es im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht notwendig, die rückgeführte stickstoffhaltige Fraktion durch die Reinigungsstufe zu führen. Diese Reinigungsstufe wird im allgemeinen durch eine Adsorptionseinrichtung mit Molekularsieb gebildet und muß bei den oben erwähnten bekannten Prozessen für das Gemisch aus Einsatzluft und angewärmter stickstoffhaltiger Fraktion ausgelegt werden.
Bei der Erfindung genügt dagegen eine kleinere Reinigungsstufe, die lediglich an die Einsatzluftmenge angepaßt ist. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit besonders geringen Apparatekosten realisiert werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß die damit erzielte Einsparung größer ist als der zusätzliche Aufwand, den der vom Luftverdichter unabhängige Rückverdichter bedeutet.
Die auf den ersten Blick ungünstig erscheinende Verwendung einer zusätzlichen Maschine für die Rückverdichtung der stickstoffhaltigen Fraktion führt also insgesamt zu einem wirtschaftlich besonders günstigen Verfahren.
Die "stickstoffhaltige Fraktion" kann durch reinen Stickstoff oder durch ein Gemisch aus Luftgasen gebildet werden, dessen Stickstoffgehalt von demjenigen von Luft abweicht. Sie kann vom Kopf oder von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule abgezogen werden.
Vorzugsweise wird die rückverdichtete stickstoffhaltige Fraktion getrennt von der Einsatzluft in die Drucksäule geführt. Damit wird bei der Erfindung die verfahrenstechnisch ungünstige Vermischung zweier Fraktionen unterschiedlicher Zusammensetzung vermieden und die an der stickstoffhaltigen Fraktion bereits geleistete Trennarbeit geht nicht verloren.
Weitere verfahrenstechnische Vorteile werden erzielt, wenn zwischen der Stelle der Einführung der rückverdichteten stickstoffhaltigen Fraktion und der Stelle der Einspeisung der Einsatzluft in die Drucksäule mindestens ein theoretischer oder praktischer Boden angeordnet ist. Die rückverdichtete stickstoffhaltige Fraktion wird vorzugsweise an einer Stelle in die Drucksäule eingeführt, an der die Zusammensetzung des innerhalb der Drucksäule aufsteigenden Dampfs etwa derjenigen der stickstoffhaltigen Fraktion entspricht. Diese liegt unterhalb der Luftzuspeisung, wenn der Stickstoffgehalt geringer als derjenige von Luft ist; bei relativ hohem Stickstoffgehalt wird die stickstoffhaltige Fraktion oberhalb der Einsatzluft eingespeist.
Es ist günstig, wenn die Anwärmung der stickstoffhaltigen Fraktion mindestens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch mit der verdichteten Einsatzluft durchgeführt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders zum Tragen, wenn eine Stickstofffraktion aus dem oberen Bereich der Drucksäule entnommen, angewärmt und als Druckstickstoffprodukt abgezogen wird. Die günstige Form der Rückführung einer stickstoffhaltigen Fraktion aus der Niederdrucksäule in die Drucksäule bewirkt eine besonders hohe Ausbeute an Druckstickstoffprodukt bei relativ geringem apparativen Aufwand.
Verfahrenskälte kann bei dem Verfahren durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozeßstroms erzeugt werden. Günstig ist hierbei die Entspannung eines Restgasstroms aus der Niederdrucksäule, der beispielsweise im Hauptwärmetauscher, in dem die Abkühlung der Einsatzluft stattfindet, auf eine Zwischentemperatur angewärmt und einer Entspannungsmaschine zugeleitet wird.
Der Restgasstrom oder ein Teil davon kann beispielsweise gemeinsam mit der stickstoffhaltigen Fraktion aus der Niederdrucksäule entnommen werden. In diesem Fall kann auch die Anwärmung bis zu der Zwischentemperatur gemeinsam erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der Restgasstrom mindestens zum Teil aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine sauerstoffhaltige Fraktion aus der unteren Hälfte der Niederdrucksäule handeln. In einem speziellen Beispiel wird der entsprechende Teil des Restgasstroms als Sumpfflüssigkeit aus der Niederdrucksäule entnommen, in einem Kondensator-Verdampfer verdampft und nach Anwärmung der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt. Der Kondensator-Verdampfer kann dabei gleichzeitig zur Erzeugung von aufsteigendem Dampf in der Niederdrucksäule dienen.
Im Rahmen der Erfindung kann der Restgasstrom zu einem ersten Teil aus dem oberen Bereich und zu einem zweiten Teil aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen werden, wobei die beiden Teile vermischt und der arbeitsleistenden Entspannung zugeleitet werden. Die Vermischung kann dabei stromaufwärts oder stromabwärts der Anwärmung durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 9 oder 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für Verfahren geeignet, bei denen der Betriebsdruck am Kopf der Drucksäule bei 5,7 bis 29,7 bar, vorzugsweise bei 8,7 bis 12,7 bar, der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule bei 1,8 bis 11,8 bar, vorzugsweise bei 2,8 bis 3,8 bar liegt.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter (nicht dargestellt) von einem ersten Verdichter 3 angesaugt und auf einen Druck 9,2 bar verdichtet. Nach Entfernung der Verdichtungswärme in einem Nachkühler 4 wird die Luft 5 zu einer Reinigungsstufe 6 geführt, die in dem Beispiel durch ein Paar von umschaltbaren Molekularsiebadsorbern gebildet wird. In der Reinigungsstufe 6 werden insbesondere Kohlendioxid und Wasser aus der Einsatzluft entfernt. Die gereinigte Einsatzluft 7 wird in einem Hauptwärmetauscher 12 auf etwa Taupunkt abgekühlt und teilweise verflüssigt und schließlich über Leitung 13 vollständig der Drucksäule 14 eines Zweisäulen- Rektifiziersystems zugeführt, das außerdem eine Niederdrucksäule 15 aufweist. Drucksäule 14 und Niederdrucksäule 15 stehen über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 16 in wärmetauschender Verbindung. Die Betriebsdrücke (jeweils am Kopf) betragen in dem Beispiel 8,7 bar in der Drucksäule 14 und 2,8 bar in der Niederdrucksäule 15.
Ein erster Teil des Kopfstickstoffs der Drucksäule 14 wird dem Hauptkondensator 16 zugeführt und gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit 17 der Niederdrucksäule 15 kondensiert. Das dabei erzeugte Kondensat dient als Rücklauf in der Drucksäule 14. (Eine Teilmenge des Kondensats kann bei Bedarf einer Innenverdichtung zugeführt werden, indem sie in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht und anschließend gegen Einsatzluft verdampft wird; diese Variante ist in der Zeichnung nicht dargestellt.) Bei Bedarf kann ein anderer Teil des Kondensats als Flüssigstickstoffprodukt gewonnen werden. Über Leitung 22 wird ein weiterer Teil des gasförmigen Drucksäulenstickstoffs vom Kopf der Drucksäule 14 zum Hauptwärmetauscher 12 geführt, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als Druckstickstoffprodukt 23 abgezogen.
Aus dem unteren Bereich der Drucksäule 14, vorzugsweise vom Sumpf, wird flüssiger Rohsauerstoff 24 abgezogen, gegebenenfalls in einem nicht dargestellten Gegenströmer unterkühlt, entspannt (26) und in die Niederdrucksäule 15 eingeführt (27), die in dem Beispiel als reine Abtriebssäule ausgebildet ist. Der Niederdrucksäule 15 wird flüssiger Sauerstoff 17 am Sumpf entnommen, mittels einer Pumpe 18 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 16 gefördert und dort teilweise verdampft. Ein erster Teil 19 des dabei erzeugten Dampfs wird zum Sumpf der Niederdrucksäule 15 zurückgeleitet; ein zweiter Teil 20 strömt zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 12.
Der im Hauptkondensator 16 flüssig verbliebene Anteil 28 des flüssigen Sauerstoffprodukts aus der Niederdrucksäule wird in einer Pumpe 29 auf einen erhöhten Druck von beispielsweise 8 bar gebracht und gegen Einsatzluft 7 verdampft und angewärmt. Die Sauerstoffverdampfung findet in dem Beispiel im Hauptwärmetauscher 12 statt. Der Sauerstoff wird schließlich über Leitung 31 als Druckprodukt abgeführt.
Am Kopf der Niederdrucksäule 15 wird unreiner Stickstoff 32 als stickstoffhaltige Fraktion entnommen und im Gegenströmer (nicht dargestellt) und im Hauptwärmetauscher 12 angewärmt. Die auf etwa Umgebungstemperatur angewärmte stickstoffhaltige Fraktion 33 wird in einem Rückverdichter 8 auf etwas über Drucksäulendruck rückverdichtet und strömt nach Entfernung der Kompressionswärme im Nachkühler 9 über Leitung 10 wieder zum Hauptwärmetauscher 12 und weiter über Leitung 21 in die Drucksäule 14. Während die rückverdichtete stickstoffhaltige Fraktion 21 unmittelbar am Sumpf eingeleitet wird, liegt die Einspeisestelle der Einsatzluft 13 etwa 3 bis 5 theoretische oder praktische Böden höher.
Ein Teil 41 des über Leitung 32 aus der Niederdrucksäule 15 abgezogenen unreinen Stickstoffs kann bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 12 herausgeführt (34), arbeitsleistend entspannt (35) und über Leitung 36 wieder dem Hauptwärmetauscher 12 zugeleitet werden. Das praktisch drucklose Restgas tritt über Leitung 37 aus dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 12 aus. Ein erster Teil 38 des angewärmten drucklosen Restgases 37 kann in der Reinigungsstufe 6 als Regeneriergas eingesetzt werden, während der Rest 39 in dem Beispiel in die Atmosphäre abgeblasen wird.
Zusätzlich zu dem ersten Restgasstrom 34 aus dem oberen Bereich der Niederdrucksäule 15 kann der sauerstoffhaltige Dampf 20 aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 16 teilweise oder vollständig als zweiter Restgasstrom 40 bei der Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 12 herausgeführt und nach Vermischung mit dem ersten Restgasstrom 34 der arbeitsleistenden Entspannung 36 zugeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der dargestellten Drucksauerstoffgewinnung mittels Innenverdichtung kann gasförmiger Sauerstoff aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 16 direkt über dem Sumpf der Niederdrucksäule 15 oder einige Böden oberhalb als Produkt entnommen werden; auch die Gewinnung von Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 15 als Flüssigprodukt ist möglich, beispielsweise durch eine Entnahme aus der Leitung 28 stromaufwärts der Pumpe 29.
Das Ausführungsbeispiel kann leicht abgewandelt werden, beispielsweise zur Erzeugung eines stärker angereicherten Stickstoffprodukts in der Niederdrucksäule 15. Dazu muß oberhalb der Zuspeisung 27 des Rohsauerstoffs mindestens ein weiterer Rektifizierabschnitt vorgesehen sein, an dessen Kopf die stickstoffhaltige Fraktion 32 abgezogen wird. Mit Hilfe eines weiteren Abschnitts oberhalb dieses Unreinstickstoffabzugs kann am Kopf der Niederdrucksäule 15 auch reiner Stickstoff gewonnen werden. In beiden Fällen muß ein Teil des flüssigen Stickstoffs vom Hauptkondensator 16 der Niederdrucksäule 15 als Rücklaufflüssigkeit zugeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, wobei Einsatzluft (1, 5) verdichtet (3), in einer Reinigungsstufe (6) gereinigt, abgekühlt (12) und mindestens teilweise in die Drucksäule (14) eingeleitet (13) wird, mindestens eine Flüssigfraktion (24) aus der Drucksäule (14) in die Niederdrucksäule (15) eingespeist (26, 27) wird und eine stickstoffhaltige Fraktion (32) aus der Niederdrucksäule (15) angewärmt (12), rückverdichtet und in die Drucksäule (14) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die angewärmte stickstoffhaltige Fraktion (33) getrennt von der Einsatzluft rückverdichtet (8) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückverdichtete stickstoffhaltige Fraktion (10) getrennt von der Einsatzluft (13) in die Drucksäule (14) geführt wird (21).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stelle der Einführung der rückverdichteten stickstoffhaltigen Fraktion (10, 21) und der Stelle der Einspeisung der Einsatzluft (13) in die Drucksäule (14) mindestens ein theoretischer oder praktischer Boden angeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwärmung der stickstoffhaltigen Fraktion (32) mindestens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch (12) mit verdichteter Einsatzluft (7) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stickstofffraktion (22) aus dem oberen Bereich der Drucksäule (14) entnommen, angewärmt (12) und als Druckstickstoffprodukt (23) abgezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Restgasstrom (34, 40) aus der Niederdrucksäule (15) angewärmt (12) und arbeitsleistend entspannt (35) wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (34) des Restgasstroms gemeinsam mit der stickstoffhaltigen Fraktion (33) aus der Niederdrucksäule (14) entnommen wird (32).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (40) des Restgasstroms aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (15) entnommen wird (17, 18, 20).
9. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, und mit einer Einsatzluftleitung (1, 5, 7, 13), die über einen Luftverdichter (3), eine Reinigungsstufe (6) und einen Hauptwärmetauscher (12) in die Drucksäule (14) führt, mit einer Flüssigkeitsleitung (24, 27) zur Einführung einer Flüssigfraktion aus der Drucksäule (14) in die Niederdrucksäule (15) und mit einer Rückführleitung (32, 33, 10, 21) für eine stickstoffhaltige Fraktion aus der Niederdrucksäule (15), die durch den Hauptwärmetauscher (12) und einen Rückverdichter (8) führt und in die Drucksäule (14) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß keine direkte Verbindung zwischen Rückführleitung (33) und Einsatzluftleitung (7) besteht.
10. Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, dadurch gekennzeichnet, daß Rückverdichter (8) und Luftverdichter (3) durch zwei verschiedene Maschinen gebildet werden.
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