DE2734934A1 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft

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DE2734934A1 DE19772734934 DE2734934A DE2734934A1 DE 2734934 A1 DE2734934 A1 DE 2734934A1 DE 19772734934 DE19772734934 DE 19772734934 DE 2734934 A DE2734934 A DE 2734934A DE 2734934 A1 DE2734934 A1 DE 2734934A1
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Description

LIHDE AKT=ENGESELLSCHAFT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem in mindestens einem umschaltbaren Regeneratorenpaar einen Teil der zu zerlegenden Luft durch Wärmetausch mit einem Teil der Zerlegungsprodukte gekühlt wird, wobei Verunreinigungen auskondensieren, während ein anderer Teil der zu zerlegenden Luft durch Adsorption gereinigt und in einem Wärmetauscher durch Wärmetausch mit einem anderen Teil der Zerlegungsprodukte gekühlt wird, wonach beide Luftströme der Tieftemperaturzerlegung zugeführt werden.
Aus der DT-PS 1 271 7^2 ist es bekannt, Luft vor ihrer Tieftemperaturzerlegung in einem umschaltbaren Regeneratorenpaar und in Adsorbern und Wärme tauschern zu reinigen. Die Luft kühlt sich in dem umschaltbaren Regeneratorenpaar ab, wobei sich Verunreinigungen ablagern. Um diese Verunreinigungen wieder entfernen zu können, werden die Regeneratoren umgeschaltet, damit Spülgas durchgeleitet werden kann. Das Spülgas muß einen kleineren Druck als die vorher durchgeleitete Luft besitzen, damit die Verunreinigungen sublimieren können. Aufgrund des geringeren Drucks des Spülgases verlaufen die Abkühl- und Anwärmkurven der zugeführten Luft bzw. des Spülgases verschieden, so daß sich ein sogenannter "Anwärmüberschuß"ergibt. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist es, daß dieser Anwärmüberschuß nicht ausgenützt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der Anwärmüberschuß genützt werden kann, ohne daß damit hohe Herstellkosten für zusätzlich benötigte Vorrichtungen anfallen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß aus einem der das umschaltbare Regeneratorenpaar durchfließenden Gasströme vor Beendigung des Wärmetauschprozesses ein Teilstrom abgezweigt und in dem Wärmetauscher an einer Zwischenstelle eingeführt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die den Wärmetauscher durchströmenden Medien allein durch Ausnützung des Anwärmüberschusses anzuwärmen. Es sind insbesondere keine weiterern Erhitzer oder Wärmetauscher für diesen Zweck nötig.
Da der Druckabfall in einem Wärmetauscher bei größerem Druck geringer ist als bei kleinerem Druck, ist es günstig, wenn der abgezweigte Teilstrom ein Luftstrom ist, der in dem Wärmetauscher angewärmt und dem anderen Teil der zu zerlegenden Luft vor dessen adsorptiver Reinigung zugemischt wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn der abgezweigte Teilstrom ein Produktstrom ist. Dann kann der Anteil der Luft im warmen Teil des Wärmetauschers um die abzuzweigende Menge verringert werden.
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Um den Anwärmiiberschuß nützen zu können, ist es günstig, die vom Anwärmstrom abzugebende Wärme auf Druckgas zu übertragen, das an einer weiteren Zwischenstelle des Wärmetauschers zum Zwecke der arbeitsleistenden Entspannung entnommen wird. Das dabei abgekühlte Gas kann nutzbringend zur Deckung der Kälteverluste der Anlage verwendet werden.
Besonders gut kann die übertragene Wärme genützt werden, wenn das dem Wärmetauscher entnommene Druckgas ein Teil des anderen Teils der Eintrittsluft ist, der vor der adsorptiven Reinigung verdichtet wurde. Dadurch kann ein wesentlich größerer Anteil der Luft adiabatisch entspannt werden, als es ohne Anwärmung möglich wäre.
Als Druckgas eignet sich auch aus der Zerlegung
kommendes stickstofffreies Gas, da es nach der Entspannung teilweise zum Regenerieren der Adsorber verwendet werden kann.
Um den Anwärmüberschuß von den Regeneratoren auf den Wärmetauscher übertragen zu können, müssen die Regeneratoren nur Zwischenentnahmeanschlüsse aufweisen, die mit einem Zwischenspeiseanschluß des Wärmetauschers verbunden sind. Weitere Vorrichtungen sind dazu nicht nötig.
Sehr günstig ist es, wenn die Regeneratoren Metallhorden als wärmespeicherndes Material enthalten. Es ist insbesondere nicht erforderlich, teuere Schlangen zum Durchleiten
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
der Luft oder des Spülgases in die Regeneratoren einzubauen. Als wärmespeicherndes Material können auch andere Speichermassen mit zusammenhängender Masse verwendet werden.
Von Vorteil ist es, daß die Kanäle des Wärmetauschers nicht umschaltbar zu sein brauchen. Es sind somit in den Leitungen des Wärmetauschers keine Umschaltventile, die den Bau der Anlage sehr verteuern wurden, erforderlich.
Im folgenden wird die Erfindung durch die in den Zeichnungen schetnatisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Figuren 1 und 2 zeigen erfindungsgemäße Ausführungsformen
von Anlagen, bei denen der abgezweigte Teilstrom ein Luftstrom ist.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Anlage, bei der der abgezweigte Teilstrom ein Produktstrom ist.
In sämtlichen Figuren sind die den erfindungcgemäßen Anlagen nachgeschalteten Anlagen, in denen die gereinigte Luft bei tiefer Temperatur in ihre Bestandteile Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der Einfachheithalber weggelassen, da. sie nicht Gegenstand der Erfindung sind.
In Figur 1 wird einer erfindungsgemäßen Anlage über eine Leitung 1 verdichtete Luft mit einem Druck von 6 ata und
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HNDF AKTIENGESELLSCHAFT
einer Temperatur von 20 C zugeführt. Durch Leitung 2 wird ein Teil der zu zerlegenden Luft - etwa 76 % der über Leitung 1 zugeführten Luft - über ein Ventil 4 einem Regenerator 6 zugeführt, dort auf -173 C abgekühlt und über ein umschaltbares Ventil 8 und eine Leitung 10 einer Luftzerlegungsanlage zugeführt. Beim Abkühlen der Luft im Regenerator 6 kondensieren die Verunreinigungen aus, so daß sich Eis und Kohlensäureschnee ablagern.
Der andere Teil der zu zerlegenden Luft - etwa 24 % der über Leitung 1 zugeführten Luft - wird über ein Ventil einem Turbokompressor 12 zugeleitet und auf 7.2 ata verdichtet. Die verdichtete Luft wird über ein Ventil 13 zur Entfernung von Wasser, COp und anderen Verunreinigungen du»ch einen MoIekularsiebadsorber 15 geführt. Von da gelangt sie über ein Ventil 17 und eine Leitung 19 in einen Wärmetauscher 20, wird auf -173 C abgekühlt und ebenfalls der Luft Zerlegungsanlage zugeführt.
E^findungsgemaß wird ein Teilstrom der dem Regenerator 6 zugeführten Luft vor Beendigung des Wärmetauschprozesses an einer Stelle ?1 des Regenerators 6 abgezweigt. Die Luft, die dabei eine Temperatur von -125°C erreicht hat, wird über ein Ventil 23 und eine Leitung 2^ bei 44 in den Wärmetauscher 20 eingeführt. Der Teilstrom wird im Wärmetauscher 20 auf 20 C angewärmt und anschließend vor dem Turbokompressor 12 der über
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Leitung 1 zügeführten Luft zugemischt.
Der Anwärmüberschuß wird auf das durch den Wärmetauscher 20 durch Leitung 19 fließende Druckgas übertragen, von dem an einer weiteren Zwischenstelle 26 des Wärmetauschers 20 ein Teilstrom - etwa 12 % der über Leitung 1 zugeführten Gesamtluftmenge - mit einer Temperatur von -l45°C über eine Leitung 27 entnommen, in 28 zur Deckung von Kälteverlusten arbeitsleistend auf 1,3 ata entspannt und der Zerlegungsanlage zugeführt wird.
Einem dem Regenerator 6 parallel geschalteten Regenerator 7 wird zur Reinigung über eine Leitung 29 und Ventil 9 unreiner Stickstoff mit einer Temperatur von -I76 C und einem Druck von 1,2 ata aus der Zerlegungsanlage zugeführt. Der mit den Verunreinigungen beladene Stickstoff wird über Ventil 31 und eine Leitung 32 mit einer Temperatur von l3 C und einem Druck von ca. 1 ata aus der Anlage abgezogen.
Ein Teil des unreinen Stickstoffs aus der Luftzerlegungsanlage wird auch noch zum Wärmeausgleich im Wärmetauscher 20 verwendet. Dizu wird dieser Teil von Leitung 29 über eine Zweigleitung 33 im Wärmetauscher 20 auf 20 C angewärmt. Anschließend wird dr einem dem Molekularsiebadsorber 15 parallel geschalteten Molekularsiebadsorber l6 über einen Elektroerhitzer 42 und ein Ventil 35 zu dessen Regenerierung zugeleitet. Die Regelung der Durchflußmenge durch den Elektroerhitzer 42 geschieht über ein Ventil 4o, das in Leitung 33 eingebaut ist. Nach dem Adsorber l6
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wird der unreine Stickstoff über ein Ventil 37 und eine Leitung 39 aus der Anlage abgeführt.
Zum Ausgleich der Wärmebilanz im Wärmetauscher 20 wird Produktsauerstoff mit einer Temperatur von -1780C und einem Druck von 1,35 ata über Leitung 43 durch den Wärmetauscher 20 geführt, dabei auf 20°C angewärmt und dann aus der Anlage ibgezogen.
In Figur 2 ist eine weitere Möglichkeit zum Abbau des Anwärmüberschusses dargestellt. Dabei sind diejenig. .. Anlagenteile, die mit denen der Figur 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Über Leitung 50 wird reiner oder unreiner Stickstoff aus der Drucksäule der Zerlegungsanlage mit einer Temperatur von -170 C und einem Druck von 5»7 äta dem Wärmetauscher 20 zugeführt. Im kalten Teil des Wärmetauschers 20 wird der Stickstoff auf -l45°C angewärmt und vor der Zuführungsstelle 44 für den Anwärmstrom aus dem Regenerator C bei 54 aus dem Wärmetauscher 20 abgezogen. Zur Deckung der Kälteverluste wird der aus der Drucksäule kommende Stickstoff dann in einer Entspannungsturbine 51 auf 1,2 ata entspannt, wobei er eine Temperatur von -l8o°C erreicht und zum einen Teil über ein Ventil zur Reinigung des Regenerators 7 durch Leitung 29 geführt und zum anderen Teil über eine Leitung 53 zur Anwärmung durch den Wärmetauscher 20 und - wie in der Beschreibung zu Figur 1 dargestellt - zur Regenerierung des Molekularsiebadsorber \f> verwendet.
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Im Unterschied zur Verfahrensführung nach Figur 2 werden gemäß Figur 3 (wo gleiche Anlagenteile wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind) dem Regenerator 6 nur etwa 67 % der über Leitung 1 zugeführten Luft zugeleitet. Die restlichen 33 % strömen direkt über den Turboverdichter 12 zur Molekularsiebstation. Zum Abbau des Anwärmüberschusses werden dem Regenerator 7 am kalten Ende über Ventil 9 etwa 76 % SpUlstickstoff - bezogen auf die durch Leitung 1 zugeführte Gesamtluftmenge - mit einer Temperatur von -17^°C und einem Druck von 1,2 ata zugeführt. Davon werden bei der Entnahmestelle 22 etwa 12 % - bezogen auf die durch Leitung 1 zugeführte Gesamtluftmenge - mit einer Temperatur von -125°C abgezweigt, um dann im Wärmetauscher 20 weiter angewärmt und anschließend aus der Anlage entlassen zu werden. Der Anwärmüberschuß wird dabei im Wärmetauscher 20 - wie in Figur 2 dargestellt j- auf reinen oder unreinen Stickstoff übertragen.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß die Funktionen der Regeneratoren 6 und 7 mit den ihnen zugeordneten Ventilen, Leitungen und Abnahmestellen (4,30,8,23;2;21 bzw. 5,31,9,24;3;22) periodisch gewechselt werden, ebenso wie die der Adsorber 15 und l6 mit ihren Ventilen und Leitungen (13»17» 34,36;38 bzw. 14,18,3^,37;39).
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L e e r s e i i e

Claims (9)

  1. (l.\ Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem in mindestens einem umschaltbaren Regeneratorenpaar ein Teil der zu zerlegenden Luft durch Wärmetausch mit einem Teil der Zerlegungsprodukte gekühlt wird, wobei Verunreinigungen auskondensieren, während ein anderer Teil der zu zerlegenden Luft durch Adsorption gereinigt und in einem Wärmetauscher durch Wärmetausch mit einem anderen Teil der Zerlegungsprodukte gekühlt wird, wonach beide Luftströme der Tieftemperaturzerlegung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem der das umschaltbare Regeneratorenpaar durchfließenden Gasströme vor Beendigung des Wärmetauschprozesses ein
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    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    Teilstrom abgezweigt und in den Wärmetauscher an einer Zwischenstelle eingeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Teilstrom ein Luftstrom ist, der in dem Wärmetauscher angewärmt und dem anderen Teil der zu zerlegenden Luft vor dessen adsorptiver Reinigung zugemischt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Teilstrom ein Produktstrom ist.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß an einer weiteren Zwischenstelle des Wärmetauschers Druckgas entnommen und arbeitsleistend entspannt wird.
  5. 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Wärmetauscher entnommene Druckgas ein Teil des anderen Teils der Eintrittsluft ist, der vor der adsorptiven Reinigung verdichtet wurde.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Wärmetauscher entnommene Druckgas aus der Zerlegung kommendes, stickstoffreiches Gas ist, das nach der Entspannung teilweise zum Regenerieren der Adsorber verwendet wird.
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    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
  7. 7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit mindestens einem umschaltbaren Regeneratorenpaar und einem Wärmetauscher, bei der die Lufteintrittsleitung mit dem umschaltbaren Regeneratorenpaar und eine Zweigleitung der Lufteintrittsleitung über wechselbare Adsorber mit dem Wärmetauscher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratoren (6,7) Zwischenentnahmeanschlüsse (21,22) aufweisen, die mit einem Zwischenspeiseanschluß (44) des Wärmetauschers (20) verbunden sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratoren (6,7) Metallhorden als wärmespeicherndes Material enthalten.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle des Wärmetauschers (20) nicht umschaltbar sind.
    8098 3 8/0485
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