DE2535132B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Drucksauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Drucksauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drucksauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft in einem Hauptwärmetauscher gekühlt, Produktsauerstoff aus der Niederdruckstufe flüssig entnommen, auf höheren Druck gepumpt und in einen von dem Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher im Wärmetausch mit einem der Druckstufe zugeführten Gasstrom angewärmt und mindestens ein Gasstrom als Ausgleichsstrom der Druckstufe entnommen, in dem Hauptwärmetauscher im Gegenstrom zu der eintretenden Luft angewärmt und in mindestens einer Turbine entspannt wird, wobei der Ausgleichsstrom vor dem Entspannen in dem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher durch Wärmetausch mit dem Produktsauerstoff abgekühlt wird.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 03 363) wird der der Niederdruckstufe entnommene komprimierte flüssige Sauerstoff im Wärmetausch gegen eine der Druckstufe der Doppelrektifiziersäule zugeführte Gasmenge in einem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher erwärmt Als Ausgleichsstrom wird der Druckstufe eine Gasmenge entnommen, im Hauptwärmetauscher gegen eintretende Luft angewärmt und in dem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher gegen Produktsau· erstoff gekühlt Der gasförmige Anteil des Ausgleichsstromes wird nach dem Wärmetausch in einer Turbine entspannt
Das genannte Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs viel Energie verlorengeht Damit der komprimierte flüssige Sauerstoff im Wärmetausch gegen eine aus Luft oder Luftbestandteilen bestehende kondensierende Gasmenge verdampfen kann, muß, da der Siedepunkt des flüssigen Sauerstoffs infolge seines erhöhten Druckes zu höheren Temperaturen hin verschoben ist und auch seine spezifische Wärme größer wird, wenn nicht ein sehr großer Energieverbrauch in Kauf genommen werden soll, auch die zu kondensierende Gasmenge unter Druck stehen. In dem Verfahren nach der DE-AS 11 03 363 wird jedoch von einer Verdichtung der kondensierenden Gasmenge abgesehen. Der große Energieaufwand dieses Verfahrens resultiert daraus, daß die gegen flüssigen Sauerstoff abzukühlende Gasmenge bei einer Temperatur kondensiert, die in der Regel wesentlich tiefer liegt als die Temperatur des anzuwärmenden Sauerstoffs. Da weiter sehr große Gasmengen nötig sind, um die Kälte des verdampfenden Sauerstoffs aufzunehmen, arbeiten die Regeneratoren, in denen die Gasmenge gegen eintretende Luft erwärmt wird, mit Austrittsüberschuß, was zu weiteren Energieverlusten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet, Drucksauerstoff in energiesparender Weise herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Anwärmung des Sauerstoffs in dem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher dienende Gasstrom durch einen aus dem Kopf der Druckstufe entnommenen Gasstrom gebildet wird, der nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher und Kompression getrennt vom Ausgleichsstrom durch den gesonderten Wärmetauscher geführt und der Druckstufe wieder zugeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird am Kopf der Druckstufe der Doppelrektifiziersäule ein Gasstrom entnommen, in einem Hauptwärmetauscher gegen eintretende Luft erwärmt, anschließend komprimiert und dann in einem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher getrennt von dem erwähnten, der Druckstufe entnommenen Ausgleichsstrom im Gegenstrom zum verdampfenden Produktsauerstoff gekühlt und wieder in die Druckstufe eingedrosselt.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung stehen nun zwei warme Gasströme zur Verdampfung des Produktsauerstoffs zur Verfügung. Es ist nicht nötig, den Ausgleichsstrom vor dem Wärmetausch mit dem Sauerstoff zu verdichten, zugleich wird der energetisch ungünstige Austrittsüberschuß an den Regenatoren vermieden. Es kann somit Verdichtungsenergie eingespart werden und das Verfahren kostengünstiger durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuführung des der Druckstufe entnommenen Gasstroms am Kopf der Druckstufe.
Ein Teil des Ausgleichsstroms, der für die Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturdifferenz in dem
Hauptwärmetauscher nicht benötigt wird, kann in an sich bekannter Weise vor Eintritt in den Hauptwärmetauscher abgezweigt und dem austretenden Ausgleichsstrom wieder zugemischt werden. Die Mischung zweier Ströme verschiedener Temperatur bedeutet einen Verlust an Energie, d. h. einen Verlust an arbeitsfähiger Wärme.
Dieser Energieverlust läßt sich vermeiden, indem der Teil des Ausgleichsstromes, der den Hauptwärmetauscher umgangen hat, vor Eintritt in die Turbine in Parallelführung zum Produktsauerstoff angewärmt wird. Darüber hinaus beeinflußt diese Verfahrensführung die Temperaturdifferenz am kalten Ende des Wärmetauschers ebenfalls günstig.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer zweistufigen Rektifiziersäule, einem Hauptwärmetauscher, mindestens einer Turbine, einem vom Hauptwärmetauscher gesonderten weiteren Wärmetauscher mit Strömungsquerschnitten für den Produktsauerstoff und den Ausgleichsstrom, wobei der vom Hauptwärmetauscher gesonderte Wärmetauscher einen weiteren Strömungsquerschnitt für einen der Druckstufe entnommenen, im Hauptwärmetauscher angewärmten und anschließend komprimierten Gasstrom aufweist und dieser Strömungsquerschnitt ausgangsseitig mit der Druckstufe verbunden ist
In den F i g. 1 und 2 ist die Erfindung anhand eines Ausfuhrungsbeispiels und eines Diagrammes näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schema einer Anlage zur Zerlegung von Luft mit einem erfindungsgemäßen Stickstoffkreislauf,
F i g. 2 ein schematisches Verfahrensdiagramm.
Re vex tragen die Bezugszeichen 2. Druck- und Niederdrucksäule sind mit den Zeichen 4 bzw. 6 bezeichnet. Ferner kennzeichnen die Zeichen 8 einen Wärmetauscher, 21 Entspannungsturbinen und 10 einen Kompressor.
In F i g. 1 tritt die vorgereinigte komprimierte Luft bei 1 durch die Revex 2 in die Anlage ein und wird bei 3 in die Drucksäule 4 eingeführt. Produktsauerstoff, der bei 5 in flüssiger Form der Niederdrucksäule 6 entnommen wird, wird in einer Pumpe 7 verdichtet und durch den Wärmetauscher 8 aus der Anlage geführt.
Durch die Leitungen 12 und 13 wird Rohsauerstoff bzw. Stickstoff der Drucksäule entnommen, über die Wärmetauscher 14 bzw. 15 geführt und in die Niederdruckstufe eingedrosselt. Das stickstoffhaltige Restgas wird durch Leitung 16 über die Wärmetauscher 14,15 und die Revex 2 aus der Anlage geführt.
Luft wird bei 17 zwischen dem zweiten und dritten Boden als Ausgleichsstrom der Niederdrucksäule 4 entnommen und bei 18 in zwei Teilströme 19 und 20 verzweigt. Der Teilstrom 19 wird in den Revex 2 angewärmt, vor Beendigung des Wärmeausgleichs entnommen und vor Eintritt in die Turbinen 21 im Wärmetauscher 8 abgekühlt. Der Teilstrom 20 wird im Wärmetauscher 8 angewärmt, bei 22 mit dem Teilstrom 19 vermischt und in die Turbinen 21 geführt Die entspannte Luft wird bei 23 in die Niederdrucksäule 6 eingeblasen. Bei 9 wird erfindungsgemäß gasförmiger Stickstoff dem Kopf der Drucksäule entnommen, in den Revex 2 angewärmt, im Kompressor 10 verdichtet getrennt vom Ausgleichsstrom durch den Wärmetauscher 8 geführt und gegen verdampfenden Produktsauerstoff abgekühlt und bei 11 in die Drucksäule 4 eingedrosselt
Als Ausgleichsstrom kann statt Luft auch Stickstoff verwendet werden, in diesem Fall wurde der dem Kopf der Druckstufe 4 entnommene gasförmige Stickstoff 9 in zwei Teilströme aufgeteilt von denen der eine in den Revex 2 angewärmt und teilweise zum Kompressor 10 geführt teilweise vor Beendigung des Wärmeausgleichs den Revex 2 entnommen und vor Eintritt in die Turbinen 21 im Wärmetauscher 8 abgekühlt, während der andere Teilstrom im Wärmetauscher 8 angewärmt und mit dem im Wärmetauscher 8 abgekühlten Teilstrom vermischt wird. Die vereinigten Teilströme werden in die Turbinen 21 eingeführt schließlich mit dem Restgas vermischt und verlassen durch die Revex 2 die Anlage.
In F i g. 2 ist schematisch der Verlauf des Wärmeinhalts der im Wärmetauscher 8 abzukühlenden Ströme 100 und der der anzuwärmenden Ströme 101 als Funktion der Temperatur dargestellt. An der Abszisse ist die Temperatur in Grad Kelvin, an der Ordinate der Wärmeinhalt in Gcal aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß sich die beiden Kurven beim Siedepunkt des Produktsauerstoffs 102 am nächsten kommen. Die Menge des für die Anwärmung des Produktsauerstoffs notwendigen Gasstroms wird also im wesentlichen durch diesen Punkt bestimmt. Die gestrichelten Kurven zeigen den Verlauf der abzukühlenden Ströme bei der Verfahrensführung nach der Erfindung. Durch die Änderung der Kurvencharakteristik ergibt sich eine größere minimale Temperaturdifferenz beziehungsweise kann bei vorgegebener Temperaturdifferenz mit einer kleineren Gasmenge der Produktsauerstoff angewärmt werden, wodurch die obenerwähnte Einsparung an Verdichtungsenergie erreicht wird.
Dank der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrensführung muß bei einer Anlage die 11 800 Nm3 Sauerstoff pro Stunde produziert, eine Stickstoffkreislaufmenge von 3350 NmVh im Kompressor 10 verdichtet werden. Insgesamt ergibt sich dadurch bei Anlagen der obengenannten Größenordnung eine Energieersparnis von mindestens 6%.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Drucksauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft in einem Hauptwärmetauscher gekühlt, Produktsauerstoff aus der Niederdruckstufe flüssig entnommen, auf einen höheren Druck gepumpt und in einem von dem Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher im Wärmetausch mit einem der Druckstufe zugeführten Gasstrom i< angewärmt und mindestens ein Gasstrom als Ausgleichsstrom der Druckstufe entnommen, in den Hauptwärmetauscher im Gegenstrom zu der eintretenden Luft angewärmt und in mindestens einer Turbine entspannt wird, wobei der Ausgleichsstrom · vor dem Entspannen in dem vom Hauptwärmetauscher gesonderten Wärmetauscher durch Wärmetausch mit dem Produktsauerstoff abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Anwärmung des Sauerstoffes in dem vom Haupt- :i wärmetauscher (2) gesonderten Wärmetauscher (8) dienende Gasstrom durch einen aus dem Kopf der Druckstufe (4) entnommenen Gasstrom gebildet wird, der nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher (2) und Kompression getrennt vom Ausgleichsstrom >· durch den gesonderten Wärmetauscher (S) geführt und der Druckstufe (4) wieder zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung am Kopf der Druckstufe (4) erfolgt. ;<
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zweistufigen Rektifiziersäule, einem Hauptwärmetauscher, mindestens einer Turbine, einem vom Hauptwärmetauscher gesonderten weiteren Wärmetauscher mit ι Strömungsquerschnitte für den Produktsauerstoff und den Ausgleichsstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Hauptwärmetauscher gesonderte Wärmetauscher einen weiteren Strömungsquerschnitt für einen der Druckstufe entnommenen, im ·ι· Hauptwärmetauscher angewärmten und anschließend komprimierten Gasstrom aufweist, und dieser Strömungsquerschnitt ausgangsseitig mit der Druckstufe verbunden ist.
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