DE2557453C2 - Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff - Google Patents

Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem zweistufigen Rektifikationsverfahren wird meist Produktsauerstoff der Niederdruckstufe in Wärmekontakt mit kondensierendem Stickstoff der Druckstufe verdampft Die Drücke der beiden Rektifikationsstufen sind durch die Bedingung festgelegt, daß die Kondensationstemperatur des Stickstoffs etwas oberhalb der Verdampfungstemperatur des Sauerstoffs liegt Bedingt durch diese thermodynamische Verknüpfung der Druckverhältnisse in beiden Stufen ist der Druck der Druckstufe in Abhängigkeit von dem gewünschten Druck der aus der Niederdruckstufe abgezogenen Produkte eindeutig festgelegt Sollen folglich die Zerlegungsprodukte auf einem höheren Druckniveau gewonnen werden, so muß der Druck der Druckstufe erhöht und folglich die gesamte Eintrittsluft auf einen höheren Druck verdichtet werden. Dies führt vor allem bei Großanlagen zu hohen Betriebskosten.
Aus der GB-PS 9 85 068 ist ein Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff unter Druck bekannt bei dem nur ein Teilstrom der Eintrittsluft weiterverdichtet und zur Verdampfung von in flüssigem Zustand auf höheren Druck gepumpten Sauerstoff verwendet wird. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die Nachverdichtung, des Luft-Teilstroms energieintensiv ist und daher hohe Betriebskosten verursacht
Ferner ist durch die US-PS 32 61 168 ein Verfahren zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff durch einstufige Tieftemperaturrektifikationen bekannt. Hierbei wird die Luft auf einen Druck von etwa 8 bar verdichtet und in zwei Teilströme aufgeteilt von denen der eine auf etwa 14 bar nachverdichtet wird Nach Abkühlung gegen den zweiten Luft-Teilstrom und stickstoffreiches Abgas aus der Rektifikationssäule dient der nachverdichtete Teilstrom als Sumpfheizung und wird schließlieh in die Rektifikationssäule entspannt Die Nachverdichterstufen sind mit Turbinen gekoppelt, in denen der zweite Luft-Teilstrom bzw. dieser zusammen mit stickstoffreichem Abgas aus der Rektifikationssäule entspannt wird.
«io Dieses Verfahren unterscheidet sich jedoch grundsätzlich von dem anmeldungsgemäßen, da die Rektifikation einstufig erfolgt und außerdem nicht gasförmiger, sondern flüssiger Sauerstoff gewonnen wird. Die oben angesprochenen Probleme bei der Erzeugung von is gasförmigem Sauerstoff durch zweistufige Rektifikation treten somit bei dem letztgenannten Verfahren überhaupt nicht auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugiunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das die Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft unter niedrigen Betriebskosten ermöglicht
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die zum Antrieb des Nachverdichters notwendige mechanische Energie durch Entspannung eines der Druckstufe als Ausgleichsstrom entnommenen Gasstromes geliefert wird.
Wälzend bei dem Verfahren gemäß der US-PS 32 61 168 nur ein geringer Teil der auf den Verdichter übertragenen Energie durch Entspannung eines Gasstroms aus der Rektifikationssäule geliefert und der restliche Teil durch Entspannung eines zunächst auf 8 bar verdichteten Luft-Teilstroms, der anschließend als Abgas abgeblasen wird, erzeugt wird, wird im Gegensatz dazu gemäß der Erfindung nicht ein Gasstrom, der extra für seine anschließende Entspannung vorher verdichtet werden muß, sondern ein ohnehin vorhandener Ausgleichsstrom aus der Druck-
stufe der Rektifikationssäule entspannt Überdies wird erfindungsgemäß der mengenmäßig geringere Teil der Luft nachverdichtet während bei dem Verfahren gemäß der US-PS 32 61 168 der überwiegende Teil der Luft nachverdichtet wird. Es genügt nämlich, nur diejenige Luftmenge weiter zu verdichten, die gerade zur Verdampfung des Sauerstoffs ausreicht
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann nun, ohne die Drücke in der Rektifikationssäule zu erhöhen, der Produktsauerstoff unter einem Druck gewonnen
so werden, der größer ist als derjenige der Niederdruckstufe. Dies ist möglich, da ein Teil der höherverdichteten kondensierenden Eintrittsluft die Verdampfungswärme zur Verdampfung des Sauerstoffs liefert Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung liefert ein Aus- .
gleichsstrom, der in einer Turbine arbeitsleistend entspannt wird, die zur Weiterverdichtung des Teilstroms der Eintrittsluft benötigte Energie. Da die Umwandlung in elektrische Energie einen schlechten Wirkungsgrad aufweist, wird die an der Enspannungsturbine gewonnene mechanische Energie direkt auf den
Nachverdichter übertragen. Die Betriebskosten sind
durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Energieeinsparung gering.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungs-
gegenstandes wird als Ausgleichsstrom Luft verwendet die dem unteren Teil der Druckstufe entnommen und nach arbeitsleistender Entspannung in die Niederdruckstufe eingeblasen wird.
Bei einer anderen Ausgestaltung des Erfindunsgegenstandes wird als Ausgleichsstrom Stickstoff verwendet, der dem Kopf der Druckstufe entnommen und nach der arbeitsleistenden Entspannung erwärmt und aus der Anlage abgezogen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage mit einem Revex als Hauptwärmetauscher, bei der als Ausgleichsstrom Stickstoff verwendet wird;
Fig.2 eine Anlage wie in Fig. 1 mit Regeneratoren als Hauptwärmetauscher und einer Molekularsiebstation zur Reinigung eines Teils der Luft Als Ausgleichsstrom wird Luft verwendet
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine erfindungsgemäße Anlage besteht aus einem Revex 1 bzw. einem Regeneratorenpaar 1", einer Doppelrektifiziersäule, bestehend aus Druck- und Niederdrucksäule 2 und 3, einem Kondensator-Verdampfer 4, einem Nachverdichter 5 sowie einer Entspannungsturbine 6. Die Vorrichtungen zum Umschalten der Strömungskanäle in dem Revex sind nicht gezeichnet, da hierdurch das Verständnis der Zeichnung unnötig erschwert würde. Aus demselben Grunde ist das Regeneratorenpaar entsprechend seiner Funktion nur als einziger Wärmetauscher gezeichnet
Vorgereinigte und komprimierte Luft wird bei Punkt 7 (F i g. 1) in zwei Teilströme aufgeteilt Der größere der beiden Teilströme wird in dem Revex 1 abgekühlt und bei Punkt 20 in die Drucksäule 2 eingeblaün. Rohfraktionen von Sauerstoff und Stickstoff werden Ober die Leitungen 8 bzw. 9 der Drucksäule 2 entnommen, im Wärmetauscher 10 abgekühlt, in den Ventilen U bzw. 12 entspannt und in die Niederdrucksäule zur weiteren Rektifikation eingeführt Vom Kopf der Niederdrucksäule 3 wird über Leitung 13 Restgas abgezogen, das nach seiner Anwärmung in den Wärmetauschern 10 und 1 die Anlage verläßt. Gasförmiger Stickstoff wird dem Kopf der Druckstufe 2 bei Punkt 14 entnommen und zur Aufrechterhaltung der gewünschten kleinen Temperaturdifferenzen am kalten Ende der Revex 1 und Γ in diese eingeführt Vor Beendigung des Wärmetauschprozesses wird dieser Strom den Revex 1 und 1' wieder entnommen und nach arbeitsleistender Entspannung in der Turbine 6 dem über Leitung 13 abgezogenen Restgas zugemischt, welches über die Revex 1 und 1' die Anlage verläßt
Erfindungsgemäß wird Produktsauerstoff aus der Niederdrucksäule 3 über Leitung 15 flüssig entnommen und :n dem Kondensator-Verdampfer 4 verdampft, bevor er durch Leitung 16 über die Revex 1 und Γ aus der Anlage abgezogen wird. Die zur Verdampfung nötige Wärmemenge liefert ein bei Punkt 7 abgezweig-ο ter Teilluftstrom, der erfindungsgem&ß in dem N achverdichter 5 weiterverdichtet und in dsm Revex 1' abgekühlt wird. Dieser Teilluftstrom wird im Kondensatorverdampfer 4 gegen verdampfenden Produktsauerstoff kondensiert und anschließend in die Drucksäule 2 eingeleitet Der höhere Druck des Teilluftstroms läßt die Verdampfung des Sauerstoffes bei einem Druck zu, der höbsr als der Druck in der Niederdruckstufe ist
Das Verfahrensschema der F i g. 2 unterscheidet sich von dem der F i g. 1 durch folgende Punkte: Als Hauptwärmetauscher dient ein Regeneratorenpaar 1". Die im Nachverdichter 5 erfindungsgemäß weiterverdichtete Luft wird in einer Molekularsiebanlage 17 gereinigt, bevor sie im Wärmetausch mit Produktsauerstoff im Wärmetauscher 18 abgekühlt wird.
Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung führt insbesondere bei Luftzerlegungsaniagen, die mit Regeneratoren arbeiten, zu weiteren Vorteilen. Regeneratoren werden wegen ihrer hohen Lebensdauer und Betriebszuverlässigkeit bevorzugt angewandt Sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Produktsauerstoff in Rohrschlangen angewärmt werden muß. Diese Rohrschlangen sind sehr teuer. Es wurde bereits vorgeschlagen, den Produktsauerstoff gegen einen Teil der Eintrittsluft in einem gesonderten Wärmetauscher anzuwärmen. Dabei muß jedoch die Luft vor Eintritt in den Wärmetauscher in einer Molekularsiebanlage gereinigt werden. Gemäß der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform des Anmeldungsgegenstandes wird nun der nachverdichtete Teil der Eintrittsluft in einer Molekularsiebanlage gereinigt, bevor er im Wärmetausch mit Produktsauerstoff abgekühlt wird. Dadurch, daß die Molekularsiebanlage gegenüber konventionellen Anlagen unter einem höheren Druck arbeitet, wird der Adsorptionsprozeß begünstigt, wodurch die Betriebskosten gesenkt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft vorgereinigt, komprimiert, durch Wärmetausch mit Rektifikationsprodukten abgekühlt und der Druckstufe der Rektifikation zugeführt wird, und bei dem ein mengenmäßig kleinerer Teil der Eintrittsluft vor seiner Abkühlung in einem Nachverdichter weiter verdichtet und in Wärmetausch mit verdampfendem Produktsauerstoff aus der Niederdruckstufe der Rektifikation zumindest teilweise in einem Kondensator-Verdampfer verflüssigt wird, bevor er der Rektifikation zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Antrieb des N ach Verdichters (5) notwendige mechanische Energie durch Entspannung eines der Druckstufe (2) als Aisgleichsstrom entnommenen Gasstromes (14,19) geliefert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgleichsstrom Luft verwendet wird, die dem unteren Teil der Druckstufe (2) entnommen und nach der arbeitsleistenden Entspannung in die Niederdruckstufe (3) eingeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgleisstrom Stickstoff verwendet wird, der dem Kopf der Druckstufe (2) entnommen und nach der arbeitsleistenden Entspannung erwärmt und aus der Anlage abgezogen wird.
DE2557453A 1975-12-19 1975-12-19 Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff Expired DE2557453C2 (de)

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