DE2335096A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von gasfoermigem sauerstoff und gasfoermigem stickstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von gasfoermigem sauerstoff und gasfoermigem stickstoff

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DE2335096A1 DE19732335096 DE2335096A DE2335096A1 DE 2335096 A1 DE2335096 A1 DE 2335096A1 DE 19732335096 DE19732335096 DE 19732335096 DE 2335096 A DE2335096 A DE 2335096A DE 2335096 A1 DE2335096 A1 DE 2335096A1
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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
7^7 H 73/48
Eh/Kp
4. Juli 1973
Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasföraigem Stickstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmige« Stickstoff duroh Tieftemperaturrektiflkatlon von Luft in einer DoppelrektifiziersKule, wobei ein ProzeBatroa la kalten Teil einer uasehaltbaren Wlraatauschvorrlohtung gegen eintretende Luft angewlrnt und hierauf arbeitsleistend entspannt wird.
Es sind bereits Verfahren zur Zerlegung von Luft aittals Tieftenperaturrektlfikation bekannt· bei denen' die Rohluft
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.2. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
in umsohaltbaren Wärmetauschern, wie z.B. Regeneratoren oder Revex, gegen gaefurnige Zerlegungeprodukte abgekühlt, von Wasserdampf und Kohlendloxid befreit und naoh teilweiser Verflüssigung in die Druoksäule einer DoppelrektiflziersMule eingespeist wird. Eine aus der DruoksXule entnommene Luftfraktion wird im kalten Teil der Wärmetauscher angewärmt und naoh arbeitsleistender Entspannung in die NiederdruokaKule der DoppelrektifiziersMule eingeleitet.
Die Entfernung des Wasserdampfes und des Kohlendioxids aus der Rohluft erfordert die RUokfUhrung bzw. Anwlmung eines Prozefstromes, z.B. einer Luftfraktion aus der Druoksäule, auoh Ausglelohestro« genannt, in den kalten Teil der WIreetauscher. Un eine vollständige Reinigung der Luft zu errβlohen, nul dieser Ausgleiohsstroa etwa 11 bis 1} % der durchgesetzten Luftmenge betragen. Abweichungen hiervon fUhren zu Instabilen SelbetreinigungeVerhältnissen und letztlich zu Kohlendioxidanreioherungen im PlUssig-Sauerstoffbad des Kondensator-Verdampfers der Doppelrektifizierslule. Kohlendloxidverlegungen vermindern die Austausohleistung und begünstigen die Bildung von Explosionsherden in den Kondensatorverdampfern Infolge Örtlicher Anreicherungen von Kohlenwasserstoffen wegen der Trookenverdampfung des Sauerstoffs in den alt Kohlendloxid verlegten Verdampferpaesagen.
40IMI/012I
LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Der Ausgleichsstroin wird nach seiner Kälteabgabe an die eintretende Rohluft üblicherweise in einer Turbine arbeiteleistend entspannt. Die hierbei gewonnene Kälte dient zur Deckung aller Kälteverluste des Prozesses. Bei Luftzerlegungsanlagen ab einer bestimmten Größe und bei Gewinnung aller Zerlegungsprodukte in gasförmigem Zustand bei Umgebungstemperatur wird durch die Entspannung des Ausgleiohsstromes bedeutend mehr Kälte erzeugt, als der Prozeß benötigt, da mit wachsender AnlagengröSe die spezifischen Isolationsverluste kleiner werden. Während zur Deokung des Kältebedarfes bei kleineren Anlagen etwa 2o bis 25 % der Einsatzluft in der Turbine entspannt werden müssen, genügt bei modernen Groflanlagen meist die Entspannung von nicht mehr als 1%.
Da nun einerseits der Auegleichsetrom 11 bis 13 % der durchgesetzten Luft nicht unterschreiten darf, eine Entspannung von 7 £ der Einsatzluft andererseits völlig ausreichend 1st, wird durch die arbeltslelstende Entspannung des Ausgleichsstromes zuviel Kälte erzeugt, d.h. es mu8 zusKtzliohe Energie aufgewendet werden, um den flüssigen Sauerstoff auSerhalb des Prozesses vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand mit Umgebungstemperatur zu überführen. Um diese zusätzliche Verdampfungsenergie einzusparen, wird in der Praxis der Ausglelohestrom in der Turbine arbeiteleistend
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entspannt, jedoch wird der Eintrittsdruok vorher soweit erniedrigt, daß die verbleibende Druckentspannung in der Turbine gerade die erforderliohe Kälte liefert. Eine derartige Verfahrensweise ist jedooh wegen der damit verbundenen hohen Energieverluste äulerst unbefriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der beschriebenen Art zu entwickeln, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und bei dem insbesondere die bestehende Diskrepanz zwisohen dem Ausgleiohsstron und dem zu entspannenden Turbinenstrom in Luftzerlegungsanlagen mit umsohaltbaren Wärmetausohvorriohtungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Sauerstoffausbeute beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dal aus dem angewärmten ProzeSstrom vor seiner Entspannung ein Teil abgezweigt, in einem Kondensatorverdampfer der DoppelrektifizlersKule verflüssigt und nach Unterkühlung in den Niederdrückten der DoppelrektifiziersXule entspannt wird.
Trotz der bisher in der Praxis durchgeführten Drosselung des Ausglelohsstromes vor dessen arbeitsleistender Entspannung bleibt ein KälteUberschui bestehen, der ein ständiges Ansteigen der Flüssigkeit im Kondensator der Doppelrektlfizier-
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säule zur Folge hat und ein· Entnahme von Flüssigkeit erfordert. Duron die mit dem abgezweigten« nioht arbeiteleietend entspannten Teil des Prozefstromes erfindungsgemäe in das Kolonnengebiet eingeführte Wärme kann jedoch die Bilanz ausgegliohen werden, da dieser Gasstrom einen höheren Wärme-Inhalt als der arbeitsleistend entspannte Teil aufweist. Die zusätzliche, dem Kondensatorverdampfer der Doppelrektifiziersäule angebotene. Heizwärme bewirkt eine Verstärkung des RücklaufVerhältnisses in der Niederdruoksäule, so daS bei unveränderter Bodenzahl eine höher« Sauerstoffausbeute erzielt wird.
Die Sauerstoffausbeute des Verfahrens kann noch beträchtlich erhöht werden, wenn als Prozeietrom gasffirmiger Stiokatoff aus dem Druckten der Doppelrektifiziersäule verwendet wird, da der abgezweigte und verflüssigte Stickstoff in der Niederdruoksäule als Waschflüssigkeit wirkt.
Um den KälteUbersohuB des Kolonnenbllanzgebietes noch welter abzubauen, ist en im Falle der Verwendung von Stickstoff als Ausgleichs- oder ProzeJstroai tehr vorteilhaft, wenn der arbeitsleistend entspannte TsIl and der zu verflüssigende Teil des Proze£stromes gegen Stickstoff aus dem Ni*a«rdruckteil der Doppelrektlfisic-rsMule abgekühlt worden und ier
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arbeitsleistend entspannte und abgekühlt· Teilstrom gegen eintretende Rohluft angewärmt wird. Damit wird einerseits dem aus dem Kolonnenbilanzgebiet kommenden sehr kalten Stickstoff Kälte entzogen, wobei der in den Kondensatorverdampfer zu verflüssigende Teil vorteilhafterweise auf Taupunkttemperatur abgekühlt wird, und andererseits wird der arbeitsleistend entspannte Teilstrom als Reinstlokstoff bei Umgebungstemperatur aus der Anlage entnommen.
Aufier der Verwendung von Stlokstoff als Prozei- oder Ausglelohsstrom besteht die Möglichkeit, einen Luftstrom heranzuziehen, wobei der Wärmetauscher, in dem der arbtitsleistend entspannte Teilstrom gegen Stickstoff aus der Niederdruoksäule abgekUhlt wird, eingespart werden kann. Bei Verwendung von Luft bieten sich zwei Varianten an. Es kann eine mit Sauerstoff angereicherte Luftfraktion aus dem Druoktell der Doppelrektlflzlerslule oder aber ein Teil der auf Taupunkttemperatur abgekühlten Luft als Prozeflstrom verwendet werden. In beiden Fällen wird zweokmäligerwelse derart verfahren, dal der arbeltsletstend entspannte Teil des ProzeSstroaes unmittelbar in den Niederdruckteil der Doppelrektifiziersäule eingeführt wird, wodurch ein Wärmetauscher entfällt.
Eine Vorrichtung xur Durchführung d·· Verfahrens besteht aus
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einer DoppelrektlfizlersKule, die duroh eine au· mehreren Blöoken zusammengesetzte Kondensator-Verdampfer-Einheit in einen Druok- und einen Niederdrückten aufgeteilt 1st, wobei ein Kondenaator-Verdampfer-Blook von den Übrigen getrennt und mit duroh die Wandung der Doppelrektifizier* sftule führenden Leitungen versehen ist. Die Trennung der Kondensator-Verdampfer-BloOke iat erforderlich, da der zu verflüssigende Teil des Prozetstroaes infolge der Durohströmung mehrerer Wärmetauscher einen niedrigeren Druok besitzt als das Gasgemisch in der Druokslule. Aufgrund dieses geringeren Druokes arbeitet dieser Kondensator-Verdampfer gegenüber den anderen Kondensator-Verdampfern bei einer kleineren mittleren Temperaturdifferenz, wenshalb der Anmeldungsgegenstand derart mit Vorteil weitergebildet ist, daf der mit den Leitungen versehene Kondensator-Verdampfer-Blook eine relativ gröSere WKrmetausohflKohe aufweist als die übrigen Blöcke.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der In den Figuren achematisoh dargestellten AusfUhrungsbelsplele nlher erlKutert.
Es zeigen;
Fig. 1 o*r erflndungegemMBe Verfahren im Falle der Verwendung v©n Stickstoff als Prozefistrom;
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Pig. 2 das erfindungsgemäie Verfahren im Falle der Verwendung einer Luftfraktion als ProzeBstrom.
Der besseren Übersicht halber sind in deiden Figuren entsprechende Teile mit gleiohen Bezugafceiohen versehen.
Gemäß Fig. 1 tritt Über eine Leitung 1 auf oa. 6 ata komprimierte Luft in einen umschaltbaren Wärmetauscher 2, beispielsweise einen Regenerator, ein, wird hler gegen Zerlegungeprodukte abgekühlt, hierbei von Kohlendioxid und Wasserdampf befreit und anschließend in zwei Teilströme 3 und aufgeteilt. Der Teilstrom 3 wird In einem Wärmetauscher 5 gegen gasförmigen Sauerstoff, der über feine Leitung 6 aus der Niederdruokeäule 7 einer Doppelrektifiziersäule 8 und nach Anwärmung im Wärmetauscher 2 auf Umgebungstemperatur aus der Anlage abgezogen wird, auf Taupunkttemperatur abgekühlt und in den unteren Bereioh der Druoksäule 9 der Doppelrektifiziersäule 8 eingespeist, während der Teilstrom 4 mit der Temperatur, mit der er den Wärmetauscher 2 verlält, in die Drucksäule 9 gelangt. In der Druoksäule 9 wird Über eine Leitung Io eine sauerstoffreiohe flüssige Fraktion und über eine Leitung 11 eine flüssige Stickstoffraktion entnommen. Diese Fraktionen werden in einem Wärmetauscher 12 bzw. 15 gegen am Kopf der Niederdruokeäule 7 abgezogenen Stickstoff
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abgekühlt und ansohlieflend in die Niederdrucksäule 7 »Is Waschflüssigkeit entspannt.
über eine Leitung 14 wird im oberen Bereich der Druoksäule 9 gasförmiger Stickstoff als ProzeB- oder Ausgleiohastrom abgezogen, im kalten Teil des umsohaltbaren Wärmetauschers 2 gegen eintretende Luft angewärmt und erfindungsgemäfl in zwei Teilströrae 15 und .16 aufgetrennt. Der Teiletrom 15 wird in einer Turbine 17 arbeitsleistend entspannt, wobei die für den Prozefl notwendige Kälte erzeugt wird, in einem Wärmetauscher Id gegen Stickstoff, der Über eine Leitung 19 an Kopf der Niederdruoksäule entnommen wird, angekühlt und naoh Anwärmung im Wärmetauscher 2 gegen eintretende Luft auf Umgebungstemperatur als Produktetioketoff aus der Anlage entnommen.
Der erfindungsgemäß vor der Turbine 17 abgezweigte Teiletrom gelangt nach Abkühlung in einem Wärmetauscher 2o gegen Stiokstoff aus der Niederdruoksäule auf Taupunkttemperatur in einen von einer Kondensator-Verdampfer-Einheit 21 getrennten Kondensator-Verdampfer-Block 22, wird hier verflüssigt und über eine Leitung 23 naoh Unterkühlung im Wärmetauscher IJ gegen Stickstoff aus der Niederdruoksäule 7 in dies« entspannt. Die Aufteilung der Kondensator-Verdampfsr-BlOoke ist notwendig, da der als Prozeflstrom verwendet»-Stickstoff
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infolge der Durohströmung der Wärmetauscher 2 und 2o einen um oa. o,5 »tu geringeren Absolutdruok besitzt als das Gasgemisch in der Drucksäule 9. Aufgrund dieses niedrigeren Absolutdruokes arbeitet der Kondensator-Verdampfer 22 gegenüber den anderen Kondensator-Verdampfern 21 bei einer kleineren mittleren Temperaturdifferenz« weshalb er eine relativ gröiere Austausohfläohe benötigt.
Das Verfahren nach Flg. 2 unterscheidet si oh von de« gemäi Fig. 1 dadurch, da· anstelle von Stiokstoff eine Luftfraktion als Prozei- oder Ausgleiohsstroa verwendet wird, über eine Leitung 14* wird aus de« unteren Bereioh der Druokeäule 9 eine mit gasförmigem Sauerstoff angereicherte Luftfraktion abgezogen, la Kalten Teil de· Wärmetauschers 2 gegen eintretende Luft angewärmt und ebenfalls in zwei Teilströme 15 und 16 aufgetrennt. Der Teilstrom 15 wird in der Turbine 17 zur Kälteerzeugung arbeltslelstend entspannt und darauf über Leitung 15' unmittelbar in den mittleren Bereioh der Miederdruoksäule 7 eingespeist. Der vor der Turbine 17 abgezweigte Teilstrom 16 wird im Wäre·taueeher 2o gegen Stiokstoff aus der Nlederdruoksäule 7 auf Taupunkttemperatur abgekühlt« im Kondensator-Verdampfer 22 verflüssigt und Im Wärmetauscher unterkOhlt, bevor er In die Niederdruoksäule 7 entspannt wird.
8 Patentansprüche .-.
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Claims (8)

  1. _n_ LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
  2. H 747 H 73/48
  3. Eh/Kp
  4. 4. JuXi 1973
    PatentaneprUahe
    ( 1.J Verfahren zur Gewinnung von gasförmig·« Sauerstoff und gasförmigem Stickstoff duroh Tiefeemperaturrektifikation von Luft in einer DoppelrektifizlersKule, wobei ein Prozeßstrora im kalten Teil einer umsohaltbaren WHrrnetauschvorrichtung gegen eintretende Luft angewärmt und hierauf arbeitslelstend entspannt wird, daduroh gekennzeichnet, dafl aus dem angewärmten Prozeflstrom vor seiner Entspannung (17) ein Teil abgezweigt (16), In einem Kondensator-Verdampfer (22) der DoppelrektifiziersKule verflüssigt und nach Unterkühlung (13) in defl Niederdruck*·" teil (7) der DoppelrektifiziersKule (8) entspannt wird.
    2. Verfahren naoh Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom gasförmiger Stioketoff (14) aus dem Druokteil (9) der DoppelrektifiziersKule (8) verwendet wird.
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    _12- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    3. Verfahren nach Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß der arbeitsleißtend entspannte Teil (15) und der zu verflüssigende Teil (l6) des Prozeßstromes gegen Stiok-Btoff (19) aus dem Niederdruckteil (7) der DoppelrektifiziersÄule (8) abgekühlt werden (l8, 2o) und der arbeitBleiεtend entspannte und abgekühlte Teilstrom (15) gegen eintretende Rohluft angewKrmt wird.
    4. Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom eine Luftfraktion (l4') aus dem Druokteil (9) der DoppelrektifiziersKule (8) verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom ein Teil der auf Taupunkttemperatür abgekühlten Luft verwendet wird.
  6. 6. Verfahren naoh Anspruch 4 oder 5> daduroh gekennzeichnet, daß der arbeiteleiatend entspannte Teil des Prozeßetromes (15') unmittelbar in den Niederdruokteil (7) der DoppelrektifiziereKule (8) eingeführt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene naoh Anspruch mit einer Doppelrektifiziereäule, die durch eine aus mehreren Blöoken zusammengesetzte Kondensator-Verdampfer-Einheit in einen Druck- und einen Niederdruokteil aufgeteilt
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    -13- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator-Verdampfer-Block (22) von den übrigen (21) getrennt und mit durch die Wandung der Doppelrektifiziersäule (8) führenden Leitungen versehen ist,
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dafl der mit den Leitungen versehene Kondensator-Verdampfer-Block (22) eine relativ gröiere WärmetaueohflKohe aufweist ale die übrigen BlÖoke.
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    Leerseite
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