DE19936962A1 - Dreisäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Dreisäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreisäulensystem, das aus einer Drucksäule (7), einer Zusatzsäule (8) und einer Niederdrucksäule (9) besteht. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: DOLLAR A (a) Einleiten eines ersten Teils (101, 103, 104) verdichteter Einsatzluft (3) in die Drucksäule (7); DOLLAR A (b) Einleiten eines zweiten Teils (201, 202) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Zusatzsäule (8); DOLLAR A (c) Abziehen einer ersten sauerstoffangereicherten Fraktion (18) aus der Drucksäule (7); DOLLAR A (d) Einleiten mindestens eines ersten Teils (19) der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion (18) in die Niederdrucksäule (9); DOLLAR A (e) Erzeugen einer zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in der Zusatzsäule (8); DOLLAR A (f) Erzeugen einer dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in der Niederdrucksäule (9); DOLLAR A (g) Erzeugen einer ersten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (50) durch Kondensation eines ersten stickstoffangereicherten Kopfgases (55) aus der Drucksäule (7) durch indirekten Wärmeaustausch mit der dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in einem ersten Kondensator-Verdampfer (11); DOLLAR A (h) Erzeugen einer zweiten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (51) durch Kondensation eines zweiten stickstoffangereicherten Kopfgases (21) aus der Zusatzsäule (8) durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in einem zweiten ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreisäulensystem, das aus einer Drucksäule, einer Zusatzsäule und einer Niederdrucksäule besteht, mit den im Patentanspruch 1 angeführten Schritten (a) bis (h), wobei die Zusatzsäule unter einem Druck betrieben wird, der zwischen den Betriebsdrücken von Druck- und Niederdrucksäule liegt.
Ein Dreisäulensystem 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 Dreisäulenverfahren der oben genannten Art ist aus EP 768503 A2 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Druckstickstoff mit relativ niedrigem apparativem Aufwand erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Stickstoffprodukt unmittelbar aus einer unter erhöhtem Druck betriebenen Säule, abgezogen, vorzugsweise aus der Zusatzsäule. Gegenüber dem üblichen Produktabzug aus der Niederdrucksäule wird der Aufwand beim Verdichten auf Produktdruck entsprechend geringer oder entfällt gegebenenfalls ganz.
Vorzugsweise wird neben dem Druckstickstoffprodukt ein Sauerstoffprodukt erzeugt, das aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule entnommen und in indirektem Wärmeaustausch mit Einsatzluft angewärmt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf besonders günstige Weise gleichzeitig Druckstickstoff und Sauerstoff zu erzeugen, wobei der Prozeß sehr flexibel hinsichtlich der erreichbaren Sauerstoffreinheit ist. Die Reinheit im Sauerstoffprodukt kann jeden Wert zwischen 50% und 100% annehmen, beispielsweise liegt sie zwischen 60 und 80% oder zwischen 80 und 99,8%. (Diese und alle folgenden Prozentangaben beziehen sich auf molare Mengen.)
Kälte kann bei dem Verfahren dadurch erzeugt werden, daß ein dritter Teilstrom verdichteter Einsatzluft und/oder Restgas von der Verdampfungsseite des zweiten Kondensator-Verdampfers arbeitsleistend entspannt wird. Die entspannte Luft kann in eine der Säulen, vorzugsweise in die Niederdrucksäule eingeleitet werden;
entspanntes Restgas wird verworfen und/oder als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung für die Einsatzluft verwendet. Die Entspannungsmaschine ist vorzugsweise mit einem Nachverdichter gekoppelt, der zur Druckerhöhung eines Prozeßstroms dient. Vorzugsweise wird mindestens ein Teil der in der Entspannungsmaschine erzeugten mechanischen Energie zur Nachverdichtung des ersten Teils der Einsatzluft verwendet, welcher der Drucksäule zugeführt wird. Dabei wird dieser Luftteil - zum Beispiel nach gemeinsamer Verdichtung mit anderen Luftteilen oder der Gesamtluft auf einen relativ niedrigen Druck unterhalb des Betriebsdrucks der Drucksäule - von dem relativ niedrigen Druck auf einen Druck oberhalb des Betriebsdrucks der Drucksäule gebracht, der ausreicht, um den ersten Teil der Einsatzluft gegen die Strömungswiderstände in Leitungen, Wärmetauscher usw. in die Drucksäule einzuführen.
Vorzugsweise wird ein Teil der ersten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion, die durch Kondensation von Kopfgas der Drucksäule in dem ersten Kondensator- Verdampfer erzeugt wird, in die Zusatzsäule eingeleitet und dient dort als Rücklauf.
Üblicherweise wird bei Dreisäulenverfahren mindestens ein Teil der sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Drucksäule in die Zusatzsäule eingeleitet. Darauf kann in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden, so daß die Zusatzsäule als reine Verstärkungssäule mit Einleitung von gasförmiger Luft ("zweiter Teil" der Einsatzluft) am Sumpf betrieben wird. Die sauerstoffangereicherte Fraktion aus der Drucksäule wird vorzugsweise vollständig der Niederdrucksäule zugeleitet.
Die Niederdrucksäule kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als reine Abtriebssäule betrieben werden, indem die erste sauerstoffangereicherte Fraktion aus der Drucksäule auf den Kopf der Niederdrucksäule aufgegeben wird. Das gesamte Stickstoffprodukt wird dann aus Druck- und/oder Zusatzsäule abgezogen.
Ist der gewünschte Abgabedruck höher als der Druck der Säule, aus dem das Stickstoffprodukt abgezogen wird, kann das Druckstickstoffprodukt stromabwärts seiner Entnahme aus der Drucksäule und/oder Zusatzsäule und einer Erwärmung gegen Einsatzluft in einem Produktverdichter verdichtet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 8.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Luftturbine und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Restgasturbine.
Bei dem Verfahren von Fig. 1 wird Einsatzluft 1 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.
Der erste Teilstrom 101 wird auf einen zweiten Druck nachverdichtet (102), über Leitung 103 zum warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 6 geführt und nach Abkühlung gegen Produktströme in die Drucksäule 7 eingespeist (104). Der zweite Teilstrom 201 wird unter einem niedrigeren Druck durch den Hauptwärmetauscher 6 geleitet und schließlich in die Zusatzsäule 8 eingeführt (202).
Die Drucksäule 7 wird unter einem Druck von 3 bis 6 bar, vorzugsweise 4 bis 5 bar betrieben, die Zusatzsäule 8 steht unter 2 bis 5 bar, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 bar. In einem konkreten Beispiel betragen die Drücke 4,1 bar am Sumpf der Drucksäule 7 und 3,3 bar am Sumpf der Zusatzsäule 8.
Der erste Druck (in Leitung 3 hinter dem Hauptluftverdichter 2) liegt etwas oberhalb des Drucks der Zusatzsäule (beispielsweise etwa 0,1 bar über dem Druck an der Einspeisestelle in die Zusatzsäule), um die Einführung des zweiten Teilstroms 201, 202 in die Zusatzsäule 8 zu gewährleisten. Analog dazu ist der zweite Druck (in Leitung 103) geringfügig höher als der Drucksäulendruck, um den Druckabfall im Hauptwärmetauscher 6 und in den Leitungen 103 und 104 auszugleichen.
Der dritte Teilstrom 301 wird über Leitung 302 bei einer Zwischentemperatur oberhalb des kalten Endes aus dem Hauptwärmetauscher 6 entnommen und zu einer Entspannungsmaschine 303 geführt. Die arbeitsleistend entspannte Luft 304 wird auf mittlerer Höhe in die Niederdrucksäule 9 eingeleitet. Die Entspannungsmaschine 303 ist mit dem Nachverdichter 102 über eine gemeinsame Welle gekoppelt, so daß mindestens ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie zur Nachverdichtung des ersten Teilstroms 101 eingesetzt wird.
Bei der Rektifikation in der Drucksäule 7 fallen eine erste stickstoffangereicherte Fraktion als Kopfgas und eine erste sauerstoffangereicherte Flüssigfraktion als Sumpfflüssigkeit an. Kopfgas 10 wird in einem ersten Kondensator-Verdampfer 11 kondensiert. Ein Teil 12 des Kondensats 50, das die erste stickstoffangereicherte Flüssigfraktion bildet, wird auf die Drucksäule aufgegeben. Der Rest 17 wird zum Kopf der Zusatzsäule 8 geführt und dort als Rücklauf eingesetzt. Die Sumpfflüssigkeit 18 der Drucksäule wird als erste sauerstoffangereicherte Flüssigfraktion 19 nach optionaler Unterkühlung in einem Gegenströmer 14 in die Niederdrucksäule 9 entspannt (20). Die Einspeisestelle liegt unmittelbar am Kopf der Säule. Der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule 9 beträgt in dem Beispiel 1,1 bis 1,5 bar, vorzugsweise etwa 1,3 bar.
In der Zusatzsäule 8 werden ein zweites stickstoffangereichertes Kopfgas und eine zweite sauerstoffangereicherte Flüssigfraktion gewonnen. Das Kopfgas 266 wird zu einem ersten Teil 21 in einem zweiten Kondensator Verdampfer 22 kondensiert. Das Kondensat 51 bildet die zweite stickstoffangereicherte Flüssigfraktion und wird über Leitung 23 in die Zusatzsäule eingeleitet. Der Rest des Kopfgases 266 der Zusatzsäule 8 wird über Leitung 267 als Druckstickstoffprodukt abgezogen und im Hauptwärmetauscher 6 erwärmt. Das warme Druckstickstoffprodukt 57 kann bei Bedarf mittels eines Produktverdichters 58 auf über Zusatzsäulendruck gebracht werden.
Die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigfraktion (26) aus dem Sumpf der Zusatzsäule wird nach optionaler Unterkühlung (14) zu einem ersten Teil in den Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers 22 entspannt (27). Der Rest 264 wird nach Entspannung 265 auf den Kopf der Niederdrucksäule 9 aufgegeben.
Der verdampfte Strom 28 aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer 22 wird ebenfalls in die Niederdrucksäule 9 eingeführt (29). Die Einspeisestelle liegt unterhalb derjenigen der Sumpfflüssigkeiten 19, 264 und in Höhe der Einleitung der Turbinenluft 304 oder einige Böden darunter.
Dampf 31 für die Rektifikation in der Niederdrucksäule 9 wird durch Verdampfen von Sumpfflüssigkeit (dritte sauerstoffangereicherte Flüssigfraktion) 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 stickstoffreiches Restgas 32 die Niederdrucksäule 9, wird in den Wärmetauschern 14 und 6 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und bei 33 abgezogen. Gasförmiger Produktsauerstoff 34, 35 wird 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). Bevorzugt wird eine Molekularsiebanlage als Reinigungseinrichtung eingesetzt, welcher die gesamte Einsatzluft (Leitung 3) zugeführt wird (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Hinter jedem Verdichter 2, 102, 58 wird der entsprechende Prozeßstrom 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 (nicht dargestellt).
In den Ausführungsbeispielen werden die Stoffaustauschelemente in der Drucksäule und in der Zusatzsäule 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.
Der Prozeß und die Vorrichtung von Fig. 2 unterscheiden sich von den in Fig. 1 dargestellten insbesondere durch abweichende Arten der Kälteerzeugung und Luftverdichtung. Die Gesamtluft wird im Hauptluftverdichter 2 auf knapp über Drucksäulendruck verdichtet. Die Aufteilung in den ersten Teilstrom 101 und den zweiten Teilstrom 201 findet stromaufwärts (wie dargestellt) oder stromabwärts des Hauptwärmetauschers 6 statt.
Kälte wird in dem Prozeß durch arbeitsleistende Entspannung 402 mindestens eines Teils des Restgases 28 aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer 22 gewonnen. Das Restgas 28 wird dazu im Hauptwärmetauscher 6 auf eine Zwischentemperatur angewärmt und über Leitung 401 zum Eintritt der Turbine 402 geführt, die durch einen Generator 403 gebremst wird. Das entspannte Gas 404 wird der Niederdrucksäule 9 an einer Zwischenstelle zugeleitet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreisäulensystem, das aus einer Drucksäule (7), einer Zusatzsäule (8) und einer Niederdrucksäule (9) besteht, mit folgenden Schritten:
  • a) Einleiten eines ersten Teils (101, 103, 104) verdichteter Einsatzluft (3) in die Drucksäule (7);
  • b) Einleiten eines zweiten Teils (201, 202) der verdichteten Einsatzluft (3) in die Zusatzsäule (8);
  • c) Abziehen einer ersten sauerstoffangereicherten Fraktion (18) aus der Drucksäule (7);
  • d) Einleiten mindestens eines ersten Teils (19) der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion (18) in die Niederdrucksäule (9);
  • e) Erzeugen einer zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in der Zusatzsäule (8);
  • f) Erzeugen einer dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in der Niederdrucksäule (9);
  • g) Erzeugen einer ersten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (50) durch Kondensation eines ersten stickstoffangereicherten Kopfgases (55) aus der Drucksäule (7) durch indirekten Wärmeaustausch mit der dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in einem ersten Kondensator- Verdampfer (11);
  • h) Erzeugen einer zweiten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (51) durch Kondensation eines zweiten stickstoffangereicherten Kopfgases (21) aus der Zusatzsäule (8) durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in einem zweiten Kondensator-Verdampfer (22);
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem oberen Bereich der Drucksäule (7) und/oder aus dem oberen Bereich der Zusatzsäule (8) ein Druckstickstoffprodukt (266, 267, 57) abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffprodukt (34, 35) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule (9) entnommen und in indirektem Wärmeaustausch (6) mit Einsatzluft angewärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Teilstrom (301) verdichteter Einsatzluft und/oder Restgas (28, 401) von der Verdampfungsseite des zweiten Kondensator-Verdampfers (22) arbeitsleistend entspannt (303, 402) wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (17) der ersten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (50) in die Zusatzsäule (8) eingeleitet (23) wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß keine sauerstoffangereicherte Fraktion (18) aus der Drucksäule (7) in die Zusatzsäule (8) eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste sauerstoffangereicherte Fraktion (18) teilweise oder vollständig der Niederdrucksäule (9) am Kopf zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstickstoffprodukt (266, 267) stromabwärts seiner Entnahme aus der Drucksäule (7) und/oder Zusatzsäule (8) gegen Einsatzluft angewärmt (6) und in einem Produktverdichter (58) verdichtet wird.
8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Dreisäulensystem, das aus einer Drucksäule (7), einer Zusatzsäule (8) und einer Niederdrucksäule (9) besteht, mit
  • a) Mitteln (101, 103, 104) zum Einleiten eines ersten Teils verdichteter Einsatzluft (3) in die Drucksäule (7);
  • b) Mitteln (201, 202) zum Einleiten eines zweiten Teils der verdichteten Einsatzluft (3) in die Zusatzsäule (8);
  • c) Mitteln (18) zum Abziehen einer ersten sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Drucksäule (7);
  • d) Mitteln (19, 20) zum Einleiten mindestens eines ersten Teils der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion in die Niederdrucksäule (9);
  • e) Mitteln zum Erzeugen einer zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in der Zusatzsäule (8);
  • f) Mitteln zum Erzeugen einer dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in der Niederdrucksäule (9);
  • g) Mitteln zum Erzeugen einer ersten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (50) durch Kondensation eines ersten stickstoffangereicherten Kopfgases (10) aus der Drucksäule (7) durch indirekten Wärmeaustausch mit der dritten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (30) in einem ersten Kondensator- Verdampfer (11); und mit
  • h) Mitteln zum Erzeugen einer zweiten stickstoffangereicherten Flüssigfraktion (51) durch Kondensation eines zweiten stickstoffangereicherten Kopfgases (21) aus der Zusatzsäule (8) durch indirekten Wärmeaustausch mit der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigfraktion (26) in einem zweiten Kondensator-Verdampfer (22);
gekennzeichnet durch Mittel (266, 267, 57) zum Entnehmen eines Druckstickstoffprodukts aus dem oberen Bereich der Drucksäule (7) und/oder aus dem oberen Bereich der Zusatzsäule (8).
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