DE2417766A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung von luft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur trennung von luft

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Description

PAT E NTA S WA I^T
dipping. K. HÖLZER
A ΙΌ S B IT K G
W. 669
den 10. April
Cryoplants Limited, Hammersmith nouse, London V/6 9DX,
England
Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Luft,
Dabei handelt es sich um ein Lufttrennungsverfahren zur Gewinnung von Stickstoff, welcher zum Zwecke der Verminderung der Brennbarkeit eines Gasgemisches in
- 1 409843/090G
behältern, beispielsweise den Laderäumen, Zwischenräumen oder anderen Teilen von Schiffen, insbesondere von 01- oder ■drdgastankschiffen, und in ortsfesten, auf stützen aufgeständerten Jbehältern wie beispielsweise Öltanks, in solche Behälter eingebracht wird.
xvohlenwasserstoffdämpfe in Tankschiffen und Speichertanks neigen dazu, sich in der Luft mit Sauerstoff zu vermischen und explosive Gemische zu bilden. Das übliche Verfahren zur Verhinderung einer Explosion besteht darin, daß die Bildung explosiver Konzentrationen verhindert wird» Gemäß einer Methode wird eine inerte Atmosphäre im Tanker aufrechterhalten, indem ein Inertgas erzeugt und in den Tanker eingeleitet wird, wenn die Bildung eines explosiven Gemisches vermutet oder durch eine überwachungseinrichtung angezeigt wird.
Bei einem bekannten Verfahren wird flüssiger Stickstoff entweder an Bord eines Schiffes erzeugt oder von an Land befindlichen Versorgungsanlagen bezogen und bei Bedarf verdampft. Dabei ist nachteilig, daß die Erzeugung von flüssigem Stickstoff an Bord eines Schiffes einen verhältnismäßig hohen Energieverbrauch erfordert und daß bei der Versorgung vom Lande her gewöhnlich hohe Transport-
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kosten und Speicherprobleme entstehen* Bei einem anderen bekannten Verfahren wird Inertgas in großen !»!engen aus den Verbrennungsprodukten der Schiffsmascninen oder in besonders ausgebildeten Brennern erzeugt» Aus solchen Quellen stammendes Inertgas enthält einen großen Anteil an kohlendioxyd, welches mit bestimmten Ladegütern, beispielsweise mit Schwefel oder Vanadium, reagieren und ätzende Oxyde bilden kann, Ein anderes Problem dieses Verfahrens liegt darin, daß zwischen demjenigen Teil des Schiffes, in welchem eine Explosion verhindert werden soll, und zwischen der Verbrennungszone eine ständige Verbindung vorhanden ist„
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff zu schaffen, das bzw, die insbesondere auf Schiffen verv;endbar ist?
Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Trennung von Luft gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Luft verdichtet, in einem Wärmetauscher abgekühlt und in eine Rektifiziersäule geleitet wird, in welcher im wesentlichen derjenige Druck herrscht, auf den die Luft verdichtet worden ist, und in welcher die Luft
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in eine stickstoffangereicherte gasförmige Phase und eine sauerstoffangereicherte flüssige Phase aufgetrennt wird, daß weiter mindestens ein Teil der sauerstoffangereicherten flüssigen Phase entspannt und zwecks rierstellung einer wieder in die Rektifiziersäule eingeleiteten Rückflußströmung mit einem Teil der stickst off angereichert en Phase in Wärmeaustausch gebracht wird, und daß außerdem flüssiger Stickstoff aus einem Speichertank zwecks Kühlung in die Rektifiziersäule eingeleitet wird«
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen "Verfahrens ist durch einen Luftverdichter, einen Wärmetauscher zum Abkühlen der verdichteten Luft, eine Rektifiziersäule zum Auftrennen der verdichteten Luft in eine stickstoffangereicherte gasförmige Phase und eine sauerstoffangereicherte flüssige Phase, welche auf im wesentlichen demjenigen Druck arbeitet, auf den die Luft verdichtet worden ist, ferner durch ein Expansionsventil zum Entspannen der flüssigen Phase, einen weiteren wärmetauscher mit indirektem Kontakt zwischen der entspannten flüssigen Phase und einem Teil der gasförmigen Phase zur Herstellung einer Stickstoff-
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Rückflußströmung, die wieder in die Rektifiziersäule einleitbar ist, und durch einen flüssigen Stickstoff enthaltenden Speichertank gekennzeichnet, aus welchem flüssiger Stickstoff in die Rektifiziersäule einleitbar ist«
Die ankommende Luft wird vorzugsweise auf einen niedrigen
2
Druck, beispielsweise im Bereich von 2 kp/cm bis k kp/cm verdichtet» Gegebenenfalls kann ein Wachkühler, beispielsweise ein Wärmetauscher, in welchem die verdichtete Luft indirekt mit Kühlwasser in Berührung gebracht wird, zur Abführung der Kompressionswärme vorgesehen sein. Ein solcher Nachkühler ist jedoch in vielen Fällen, beispielsweise wenn der Verdichtungsdruck weniger als 4 kp/cm beträgt, nur von geringem Vorteil,
Die Luftverdichtung kann in einem mehrstufigen Verdichter erfolgen, der auch für andere Zwecke, beispielsweise zum Einpumpen von frischer Luft in einen Behälter zwecks Ausspülens von darin befindlichem Inertgas, verwendet werden kann. In einem solchen Fall wird der Luftverdichter abwechselnd zur Erzeugung von Stickstoff zum Zwecke des Inerthaltens des Behälters und zum nachfolgenden Ausspülen des Inertgases verwendet. Ein derartiger alternierender
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Betrieb kann notwendig sein, wenn im Inneren des Behälters Reparaturen ausgeführt werden müssen9
Der liauptwärmetauscher zum Abkühlen der Luft ist vorzugsweise ein Umkehrwärmetauscher. Die Luft wird normalerweise sowohl durch die sauerstoffangereicherte Phase als auch durch einen weiteren Teil der stickstoff angereichert en gasförmigen Phase gekühlt, welcher nicht als Rückfluß in die Rektifiziersäule zurückgeleitet, sondern in einer gewünschten Weise verteilt wird. Die den Hauptwärmetauscher verlassende sauerstoffangereicherte Strömung wird normalerweise abgelassen.
Die den Hauptwärmetauscher verlassende gekühlte Luft gelangt ohne Durchlaufen einer Expansionsstufe unmittelbar in die Rektifiziersäule. Obwohl eine doppelte Rektifiziersäule Anwendung finden kann, ist für die meisten Zwecke eine einfache Rektifiziersäule gut geeignet, da es gewöhnlich nur erforderlich ist, die säuerstoffangereicherte Flüssigkeit auf einen Sauerstoffgehalt im Bereich von 35 % bis 40 % zu konzentrieren. Mittels einer einfachen Rektifiziersäule läßt sich leicht sehr reines Stickstoffgas herstellen, das typischerweise eine Reinheit von mehr als 99,5 % besitzt«
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Gehört der Hauptwärmetauscher der Umkehrbauart an, so bewirkt er die Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxyd aus der ankommenden Luft« Wird eine andere Wärmetauscherbauart verwendet, so findet zur Entfernung des Wasserdampfes und des Kohlendioxyds entweder vor dem Eintreten der Luft in den Hauptwärmetauscher oder an einer im Wärmetauscher gelegenen Stelle eine Adsorptions- oder Absorptionseinrichtung Anwendung,
In manchen Fällen ist es notwendig, die sauerstoffangereicherte Strömung und/oder die stickstoffangereicherte gasförmige Strömung zu erwärmen, bevor sie in den Hauptwärmetauscher eintreten, damit eine Abkühlung der ankommenden Luft auf eine zu tiefe Temperatur vor Ihrem Eintritt in die Rektifiziersäule verhindert wird. Die Erwärmung kann in einem Wärmetauseher erfolgen, in welchem die sauerstoffangereicherte Strömung und das Stickstoffgas indirekt mit verhältnismäßig warmer Luft in Berührung gebracht werden, welche von dem in die Rektifiziersäule eintretenden verdichteten Luftstrom entnommen wirdP Die demzufolge abgekühlte Luft wird dann auf einer Höhe nahe derjenigen in die Rektifiziersäule zurückgeleitet, auf welcher die übrige verdichtete Luft in die Rektifiziersäule eingeleitet wird.
Der aus dem Speichertank in die Rektifiziersäule
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eingeleitete flüssige Stickstoff deckt den größten Teil
des Kältebedarfs des Verfahrens,, Die erforderliche Menge an flüssigem Stickstoff hängt von verschiedenen Paktoren ab, beispielsweise vom Wirkungsgrad der Einrichtung. Sie beträgt jedoch normalerweise im stationären Betrieb zwischen 5 % und 10 % (im gasförmigen Zustand gemessen) des pro
Zeiteinheit in die Rektifiziersäule einströmenden Stickstof fvolumens„
Der gespeicherte flüssige Stickstoff kann gegebenenfalls in einer kleinen Lufttrennvorrichtung erzeugt werden,
welche im Vergleich zu den Betriebsperioden der Lufttrennvorrichtung nach der Erfindung über längere Zeiträume in Betrieb ist« Bei der Inertmachung eines Tanks wird bei
einem solchen System die kleine Lufttrennvorrichtung während eines längeren Zeitraumes zum Aufbau eines Vorratsvolumens an flüssigem Stickstoff verwendet, welches bei Bedarf für den Betrieb der größeren Lufttrennvorrichtung entnommen
wird, wobei während einer kurzen Zeitperiode eine starke Stickstoffentnahme stattfindet.
Das erfindungsgemäße System bietet verschiedene
Vorteile, insbesondere bei Verwendung auf Schiffen. Es
findet ein niedrigerer Luftdruck als bei bekannten Luft-
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trennvorrichtungen Anwendung und das erfindungsgemäße Verfahren bzw, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist beträchtlich einfacher und zuverlässiger als bekannte Verfahren bzw. Einrichtungen· Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt als Erzeugnis ein 15 mal bis 20 mal größeres Stickst off gas volumen als es beim Verdampfen eines dem in die Vorrichtung eingeleiteten Stickstoffvolumen äquivalenten Volumens an flüssigem Stickstoff der Fall wäre. Durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein sehr schnelles Anfahren und folglich die Erzeugung großer Gasmengen in verhältnismäßig kurzer Zeit β Dies ist insbesondere bei der Inertmachung von Schiffen wertvoll, da dort die Sicherheit eine sehr schnelle Inertgaszufuhr erfordert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt leicht Stickstoff mit einer Reinheit von mehr als 99,5 %.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beispielsweise beschrieben, welche ein Strömungsdiagramm zeigt.
In einem Luftverdichter 1 wird Luft aμf etwa 3 kp/cm verdichtet und in einem Umkehrwärmetauscher 2 abgekühlt,,
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Die gekühlte Luft tritt in eine einfache Rektifiziersäule ein, in welcher sie in gasförmigen Stickstoff und in eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit mit einem typischen Sauerstoffgehalt im Bereich von 35 % bis 40 % aufgetrennt wird. Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird vom Boden der Rektifiziersäule abgezogen, in einem Expansionsventil 4 entspannt und in einem Wärmetauscher 5 zur Kondensation eines Teils des gasförmigen Stickstoffes verwendet, welches aus dem Oberteil der Rektifiziersäule abgezogen wird. Der kondensierte Stickstoff wird in den oberen Bereich der Rektifiziersäule zurückgeleitet und wirkt als Rückfluß» Der Rest des erzeugten Stickstoffs und die den Wärmetauscher 5 verlassende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit werden durch einen Wärmetauscher 6 geleitet, in welchem sie durch indirekte Berührung mit einem verdichteten Luftstrom erwärmt werden, der unmittelbar vor dem Haupteinlaß der Rektifiziersäule 3 entnommen worden ist. Die so abgekühlte Luft wird auf einer Höhe nahe derjenigen des Hauptlufteinlasses in die Rektifiziersäule 3 zurückgeleitet. Die Stickstoffströmung und die sauerstoffangereicherte Strömung aus dem Wärmetauscher 6 werden dann durch den Umkehrwärmetauscher 2 zwecks Kühlung der ankommenden Luft hindurchgeleitet. Die anströmende Luft wird typischerweise auf eine in der Nähe ihrer Sättigungs-
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temperatur liegende Temperatur abgekühlt.
Während des Verfahrens wird flüssiger Stickstoff aus einem Speichertank 7 in das Oberteil der Rektifiziersäule 3 eingeleitete Dadurch wird der Kältebedarf für den Betrieb der Rektifiziersäule gedeckt. Die Größe der Stickstoffeinleitung ist so eingestellt, daß die Anordnung im Gleichgewicht gehalten wird« Das in der Vorrichtung erzeugte
ρ Stickstoffgas weist typischerweise einen Druck von 2,5 kp/cm auf, der für die übliche Verteilung auf einem Schiff besonders geeignet ist.
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Claims (3)

Patentansprüche
1.; Verfahren zur Trennung von Luft, dadurch gekennzeichnet3 daß die Luft verdichtet, in einem Wärmetauscher abgekühlt und in eine Rektifiziersäule geleitet wird, in welcher im wesentlichen derjenige Druck herrscht, auf den die Luft verdichtet worden ist, und in welcher die Luft in eine stickstoffangereicherte gasförmige Phase und eine sauerstoffangereicherte flüssige Phase aufgetrennt wird, daß weiter mindestens ein Teil der sauerstoffangereicherten Phase entspannt und zwecks Herstellung einer wieder in die Rektifiziersäule eingeleiteten Rückflußströmung mit einem Teil der stickstoffangereicherten Phase in Wärmeaustausch gebracht wird, und daß außerdem flüssiger Stickstoff aus einem Speichertank zwecks Kühlung in die Rektifiziersäule eingeleitet wird»
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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daß die Luft auf einen Druck von 2 kp/cm bis 4 kp/cm verdichtet wird,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-
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zeichnet, daß die verdichtete Luft durch wärmeaustausch mit der sauerstoffangereicherten Phase und einem weiteren Teil der gasförmigen stickstoffangereicherten Phase gekühlt wird.
4, Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffangereicherte Phase und/oder der genannte weitere Teil der stickstoffangereicherten Phase so erwärmt werden, daß eine Abkühlung der Luft vor ihrem Eintritt in die Rektifiziersäule auf eine zu niedrige Temperatur verhindert wird,
5· Verfanren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in einem weiteren Wärmetauscher erfolgt, in welchem die sauerstoffangereicherte Phase und der genannte weitere Teil der stickstoffangereicherten Phase in indirekte Berührung mit verhältnismäßig warmer Luft gebracht werden, welche von der in die Rektifiziersäule eintretenden verdichteten Luft entnommen worden iste
6, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Speichertank entnommene flüssige Stickstoff in einer besonderen Vorrichtung erzeugt wird»
- 13 -409843/09OtJ
7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine einfache Rektifiziersäule verwendet wird,
8, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Luftverdichter (1), einen Wärmetauscher (2) zum Abkühlen der verdichteten Luft, eine Rektifiziersäule (3) zum Auftrennen der verdichteten Luft in eine stickstoffangereicherte gasförmige Phase und eine sauerstoffangereicherte flüssige Phase, welche auf im wesentlichen demjenigen Druck arbeitet, auf den die Luft verdichtet worden ist, ferner durch ein Expansionsventil (4) zum Entspannen der flüssigen Phase, einen weiteren Wärmetauscher (5) mit indirektem Kontakt zwischen der entspannten flüssigen Phase und einem Teil der gasförmigen Phase zur Herstellung einer Stickstoff-Rückflußströmung, die wieder in die Rektifiziersäule einleitbar ist, und durch einen, flüssigen Stickstoff enthaltenden Speichertank (7)» aus welchem flüssiger Stickstoff in die Rektifiziersäule einleitbar ist.
9, Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (1) für eine Verdichtung der Luft
- 14 409843/0900
Is
2
auf einen Druck im Bereich zwischen 2 kp/cm und 4 kp/cm ausgelegt ist«
10, Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (1) während der Zeit, in welcher die Vorrichtung nicht zur Lufttrennung eingesetzt wird, für andere Zwecke verwendbar ist,
11, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) zur Abkühlung der Luft ein Umkehrwärmetauscher ist.
12, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) zur Abkühlung der Luft sowohl durch die säuerstoffangereicherte Phase als auch durch einen weiteren Teil der stickstoff angereicherten gasförmigen Phase -gekühlt ist,
13, Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Wärmetauscher (6), in welchem die sauerstoffangereicherte Phase und der genannte weitere Teil der stickstoffangereicherten Phase vor dem Wärmeaustausch mit der ankommenden Luft in indirekte
- 15 409843/090«
Berührung mit verhältnismäßig warmer Luft gebracht werden, welche dem in die Rektifiziersäule eintretenden verdichteten Luftstrom entnommen wird,
14, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rektifiziersäule (3) eine einfache Rektifiziersäule ist»
15«, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichertank (7) für den flüssigen Stickstoff durch eine gesonderte Lufttrennvorrichtung mit Stickstoff versorgt wird.
- 16 409843/090 η
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