DE2903089A1 - Verfahren zur gewinnung von sauerstoff aus luft - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von sauerstoff aus luft

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DE2903089A1 DE19792903089 DE2903089A DE2903089A1 DE 2903089 A1 DE2903089 A1 DE 2903089A1 DE 19792903089 DE19792903089 DE 19792903089 DE 2903089 A DE2903089 A DE 2903089A DE 2903089 A1 DE2903089 A1 DE 2903089A1
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Description

(H 1022) H 79/05
Fa/fl 25.1.79
Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft durch zweistufige Tieftemperaturrektifiktaion mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule, wobei die zu zerlegende Luft in zwei Teilströme unterschiedlichen Druckes aufgeteilt wird, diese Teilströme in zwei getrennten Wärmetauschvorrichtungen im Wärmetausch mit einem stickstoffreichen Gasstrom aus der Rektifikation abgekühlt werden und der auf den höheren Druck verdichtete Teilstrom der zu zerlegenden Luft in den unteren Teil der Hochdrucksäule eingegeben wird.
Ein Verfahren dieser Art ist in der deutschen Patentschrift 12 59 363 beschrieben. Es dient zur Erzeugung etwa gleichgroßer Mengen von 70#igem und reinem Sauerstoff. Ein Teil der eintretenden Luft wird bei diesem Verfahren auf einen relativ niedrigen Druck (ca. 2,2 bar) verdichtet, im Wärmetausch mit einer sauerätoffreichen Vorzerlegungsflüssigkeit verflüssigt und zu einem kleinen Teil der Niederdrucksäule zugeführt, größtenteils in die Hochdrucksäule geleitet und oberhalb der Eintrittsstelle wieder entnommen und
Form. 5729 7.78
030(/31/0392
und anschließend der Niederdrucksäule zugeführt. Ein zweiter Teil der eintretenden Luft wird auf einen Druck von etwa 5,8 bar verdichtet und der Hochdrucksäule zugeführt. Schließlich wird ein weiterer Luftstrom auf einen relativ hohen Druck (ca. 15 bar) verdichtet, in einer Adsorberstation von Wasser und Kohlendloxid befreit und teilweise im Wärmetausch mit Stickstoff aus der Hochdrucksäule abgekühlt und in diese eingeführt, während der bei diesem Wärmetausch erwärmte Stickstoff in einer Turbine arbeitsleistend entspannt und anschließend im Wärmetausch mit eintretender Luft erwärmt und aus der Anlage geführt wird.
Das beschriebene Verfahren ist jedoch, wenn ein großer Bedarf an reinem Sauerstoff, d.h. mit einer Reinheit von 95-98 %, besteht, wie er z.B. bei der Vergasung von Schweröl oder Kohle erforderlich ist, unwirtschaftlich, da mit ihm gleich große Mengen von reinem und "unreinem""Sauerstoff erzeugt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, das auch bei einem großen Bedarf an reinem Sauerstoff einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil des auf den niedrigeren Druck verdichteten Teilstroms der zu zerlegenden Luft in eine weitere, mit einem zwischen dem in der Hochdrucksäule und dem in der Niederdrucksäule herrrschenden Druck betriebene Zerlegungssäule eingegeben wird, aus der eine stickstoffreiche Flüssigkeit entnommen und als Rücklauf der Niederdrucksäule zugeführt wird und der restliche Teil des auf den niedrigeren Druck verdichteten Teilstroms und/oder ein der weiteren Säule entnommener Gasstrom arbeitsleistend entspannt und im wesentlichen gasförmig in die Niederdrucksäule eingegeben wird.
Form. 5729 7.78
03Od31/0392
-ΟΙ Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die auf niedrigeren Druck verdichtete Luft zur Leistung von Arbeit in einer Entspannungsmaschine verwendet. Die Menge der entspannten Luft kann klein gehalten werden, weil bei großen Luftzerlegungsanlagen zur Deckung der Kälteverluste weniger Luft arbeitsleistend in die Niederdrucksäule entspannt zu werden braucht, als von der Rektifikation her ohne merklichen Ausbeuteverlust an Sauerstoff (d.h. ohne vergrößerten Luftfaktor) zulässig wäre. Da nun aber zu wenig Rücklaufflüssigkeit für die Niederdrucksäule zur Verfügung steht, wird die erforderliche Rücklaufflüssigkeit in einer zusätzlich vorgesehenen Zerlegungssäule erzeugt, der zumindest ein Teil der auf niedrigeren Druck verdichteten Luft zugeführt wird. Eine sich im oberen Teil der zusätzlichen Säule bildenden stickstoffreiche flüssige Fraktion wird entnommen und der Niederdrucksäule als Rücklauf zugeführt. Zweckmäßigerweise wird für die Luftzerlegung eine Doppelrektifiziersäule mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe verwendet.
Die erfindungsgemäße Art der Verfahrensführung ermöglicht eine nahezu optimale Anpassung der Rektifikationsverhältnisse in der Niederdruckstufe an die Gleichgewichtskurve und damit eine Minimierung des Energiebedarfs.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der gesamte auf den niedrigeren Druck verdichtete Teilstrom in die weitere Zerlegungssäule eingegeben wird, wird ein mengenmäßig dem Teilstrom entsprechender Gasstrom mindes tens einen Boden oberhalb der Einmündung des Teil-Stroms aus der weiteren Zerlegungssäule entnommen und der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt. Vorzugsweise erfolgt die Entnahme zwei Böden oberhalb der Einmündung. Auf diese Weise werden in der Luft enthaltene Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid entfernt.
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Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes der auf den niedrigeren Druck verdichtete und der Niederdruckstufe zugeführte Teilstrom vor seiner Entspannung in den getrennten Warmetauschvorrichtungen im Wärmetausch mit den beiden zu zerlegenden Luftströmen angewärmt wird.
15
Um gleichzeitig die Bedingungen zur Anwärmung der Turbinenluft und die Sublimationsbedingungen an den kalten Enden der Wärmetauschvorriehtungen optimal zu erfüllen,, wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes der auf den niedrigeren Druck verdichtete Teilstrom auf einen Druck von mehr als 2P5 bar verdichtet. Als besonders günstig erweist es sich, wenn derDruck etwa 3,5 bar beträgt.
Gemäß einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes wird die mit Sauerstoff angereicherte Sumpfflüssigkeit der weiteren Zerlegungssäule entnommen, erwärmt, dabei mindestens zum Teil verdampft und der verdampfte Anteil der Niederdrucksäule zugeführt. Es ist zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung des Erfinduagsgegenstandes die Erwärmung der Sumpfflüssigkeit in einem Wärmetauscher im Kopf der weiteren Zerlegungssäule erfolgt, wobei gleichzeitig Stickstoff im Kopf dieser Säule kondensiert.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen zweistufigen Luftverdichter, zwei geForm. 5729 7.78
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trennte Wärmetauschvorrichtungen, die jeweils mit dem Ausgang einer Verdichterstufe in Verbindung stehen, einer zweistufigen Rektifiziersäule, deren Hochdruckstufe mit der zweiten Verdichterstufe in Verbindung steht, eine weitere, mit der ersten Verdichterstufe verbundene Zerlegungssäule, eine Entspannungsmaschine, deren Eingang mit der ersten Verdichterstufe und/oder der weiteren Zerlegungssäule und deren Ausgang mit der Niederdruckstufe der Doppelrektifiziersäule verbunden ist, sowie eine Entnahmeleitung für flüssigen Stickstoff aus der weiteren Zerlegungssäule, die im Kopf der Niederdruckstufe der Doppelrektifiziersäule mündet.
Es ist vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus separate Anwärmkanäle in den Wärmetauschvorrichtungen für das der Entspannungsmaschine zugeführte Gas sowie eine absperrbare Bypass-Leitung für die Anwärmkanäle enthält.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Hierbei 25 Figur 1 zeigt:
Figur Figur
2
3
ein Verfahrensschema für eine Groß-Luftζerlegungsanlage zur Gewinnung von 95#igem Sauerstoff
eine modifizierte Ausführung des Verfahrens gemäß Figur 1
ein Diagramm über den Rektifikationsverlauf in der Niederdrucksäule.
Die in Figur 1 dargestellte Luftzerlegungsanlage dient zur Erzeugung großer Mengen von 95#igem Sauerstoff, d.h. mehr als 30 000 Nnr/h gasförmigem Sauerstoff. Die bei 1 eintretende Luft wird einem zweistufigen Verdichter 2 zugeführt, in
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0fb031/0392
ORIGINAL INSPECTED
dem ein Teil 3 der Luft (etwa 60 %) auf einen Druck von 5,3 bar, die restliche Luft \ auf einen Druck von 3,5 bar verdichtet wird. Beide Teilströme werden zunächst vorgekühlt (Wärmetauscher 5 und 6), dann in zwei separaten Wärmetauschvorrichtungen 7 und 8 im Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten abgekühlt, wobei hochsiedende Verunreinigungen ausfrieren. Die Wärmetauschvorrichtungen 7 und 8 können Regeneratoren oder Revex sein. Nach dem Verlassen der Wärmetauschvorrichtung * wird der höherverdichtete Luftstrom der mit einem Druck von 5,0 bar betriebenen Druckstufe 9 einer Doppelrektifiziersäule 11 zugeführt. Der niedriger verdichtete Luftstrom 4 wird nach seiner Abkühlung zum größten Teil (entsprechend 30# der eintretenden Luft) über Anwärmkanäle der Wärmetauschvorrichtungen 7 und 8 geleitet und dann einer Turbine 12 zugeführt, in der er arbeitslelstend entspannt und dann der mit einem Druck von 1,5 bar betriebenen Niederdruckstufe 10 zugeführt wird. In den Anwärmkanälen wird die Luft auf die zum optimalen Betrieb der Turbine 12 erforderliche Temperatur vorgewärmt. Gleichzeitig können mit dieser Anordnung die Sublimationsbedingungen an den kalten Enden der Regeneratoren oder Revex 7,8 erfüllt werden. Mit Hilfe einer Schaltklappe 13» mit der eine Bypass-Leitung für die Anwärmkanäle geöffnet werden kann, lassen sich die gestellten Bedingungen erfüllen. Ein kleinerer Teil der niedriger verdichteten Luft (ca. 10 % der eintretenden Luft) - der Anteil läßt sich mit Hilfe einer Schaltklappe 14 verstellen - wird einer weiteren Zerlegungssäule 15 zugeführt, die mit einem Druck von etwa 3,2 bar betrieben wird. Im Kopf der Hochdruckstufe 9 kondensiert an einem zwischen Hochdruckstufe 9 und Niederdruckstufe 10 angeordneten Kondensator-Verdampfer eine stickstoffreiche Fraktion, die über Leitung 16 entnommen in einem Wärmetauscher 17 gegen Stickstoff aus der Niederdruckstufe erwärmt, entspannt und am Kopf der Niederdruckstufe 10 als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird. Die Rücklaufmenge entspricht 28,5 % der eintretenden Luftmenge.
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-ΙΟΙ Um eine ausreichende Versorgung der Niederdruckstufe 10 mit Rücklaufflüssigkeit sicherzustellen, so daß der Sauerstoffgehalt im abziehenden Stickstoff nicht mehr als etwa 1 % beträgt, wird außerdem erfindungsgemäß eine im Kopf der zusätzlichen Zerlegungssäule kondensierende stickstoffreiche Fraktion 18 (entsprechend 5 % der eintretenden Luft) entnommen, ebenfalls im Wärmetauscher 17 erwärmt und als Rücklauf auf die Niederdruckstufe 10 aufgegeben. Im Sumpf der Hochdruckstufe kondensierende sauerstoffreiche Flüssigkeit wird über eine Leitung 19 entnommen - die entnommene Menge entspricht 31,5 % der eintretenden Luft - und zum größten Teil (entsprechend 26,5 % der eintretenden Luft) im Wärmetauscher 17 erwärmt und dann der Niederdruckstufe 10 zugeführt. Der restliche Teil der entnommenen Sumpfflüssigkeit wird in den Sumpf der weiteren Zerlegungssäule 15 geleitet, aus dem ebenfalls die sich bildende Sumpfflüssigkeit entnommen (Leitung 10), in einem Wärmetauscher im Kopf der Zerlegungssäule 15 unter einem Druck von etwa 1,4 bar im Wärmetausch mit kondensierendem Stickstoff verdampft und der Niederdruckstufe zugeführt wird. Dieser Teilstrom, der etwa 40 % Sauerstoff enthält, entspricht 10 % der eintretenden Luft. Gasförmiger Stickstoff wird dem Kopf der Niederdruckstufe durch eine Leitung 21 entnommen, im Wärmetauscher 17 angewärmt und über die Wärmetauschvorrichtungen 7 und 8 aus der Anlage geführt. Aus dem Sumpf der Niederdruckstufe 10 wird flüssiger Produktsauerstoff mit einer Reinheit von 95# entnommen und in einem Wärmetauscher im Kopf der Hochdruckstufe 9 verdampft, wobei an der Außenseite des Wärmetauschers gleichzeitig Stickstoff kondensiert, über die Wärmetauschvorrichtung 8 wird der Sauerstoff aus der Anlage geführt. Mit dem beschriebenen Verfahren werden 21 Anteile Sauerstoff aus 100 Teilen Luft gewonnen, was einem Luftfaktor von knapp 5 entspricht.
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2903Ü8S
- 11 -
In Tabelle 1 sind zur Ergänzung einige Zahlenwerte zusammengestellt. Die Angaben beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 98 % bzw. 99*5 % bei einer Anlagenleistung größer 30 000 Nnr/h Sauerstoff gasförmig.
Tabelle 1 99,5 %
Sauerstoffreinheit 98 % 80 %
Luftmenge ca. 6 bar 70 % 20 % (auf 4,2 bar)
Luftmenge 3,5 bar 30 % 5,3
Luftfaktor' 5,1
In Tabelle 2 sind die Energiebedarfszahlen für das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Luftfaktor von 5,0 bei der Gewinnung von 95 bzw« 98#igem Sauerstoff gegenübergestellt, f.
Sauerstoffreinhei t Luftmenge 5,3 bar Luftmenge 3,5 bar
Energiebedarf-30 (in kWh/NnP 0o)
Tabelle 2 70 %
30 % 		(5,8 bar)
95 %
60 %
40 % 		= 72 5 (bei "I Verdichter
*)
'bei *l verdichter
= 72 Ji)		 0,34^
= 78		 I- (bei *lVerdichter
*)
(bei ^verdichter
= 78 %)
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ORIGINAL INSPECTED
- la -
Wobei ^verdichter der wirkunSsgrad des zweistufigen Verdichters 2 ist.
Da beispielsweise der Leistungsbedarf einer Anlage für 60 000 NnrVh Sauerstoff gasförmig bei 25 MW liegt, können selbst bei kleinen prozentualen Einsparungen erhebliche Kosten gespart werden.
Figur 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der gesamte auf den niedrigeren Druck verdichtete Teilstrom 4 der Luft in die weitere Zerlegungssäule 15 eingegeben wird und oberhalb der Einmündung ein mengenmäßig gleich großer Luftstrom über Leitung 23 entnommen wird. Auf diese Weise werden Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid aus der Luft entfernt. Vorzugsweise wird die Luft vor der Entnahme durch zwei Böden der weiteren Zerlegungssäule 15 geleitet. Die Luft in Leitung 23 wird teils über die Anwärmkanäle der Wärmetauschvorrichtungen 7, 8 und teils, je nach Stellung der Schaltklappe 13, unter Umgehung der Anwärmkanäle der Turbine 12 zur Entspannung zugeführt. Ansonsten ist das Verfahren identisch mit dem in Figur 1 gezeigten Verfahren.
In Figur 3 ist der Rektifikationsverlauf in der Niederdruckstufe 10 bei der Gewinnung von Seigern Sauerstoff in einem Mc-Cabe-Thiele Diagramm graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist der prozentuale Anteil von Sauerstoff in der Flüssigkeit, auf der Ordinate der prozentuale Anteil von Sauerstoff im Dampf aufgetragen. Der tatsächliche Rektifikationsverlauf (Kurve 24) liegt sehr dicht an der idealen Gleichgewichtskurve 25.
35
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Claims (8)

2903083 (H 1022) H 79/ 05 Fa/fl 25.1.79 Patentansprüche
1.) Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule, wobei die zu zerlegende Luft in zwei Teilströme unterschiedlichen Druckes aufgeteilt wird, diese Teilströme in zwei getrennten Wärmetauschvorrichtungen im Wärmetausch mit einem stickstoffreichen Gasstrom aus der Rektifikation abgekühlt werden und der auf den höheren Druck verdichtete Teilstrom der zu zerlegenden Luft in den unteren Teil der Hochdrucksäule eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des auf den niedrigeren Druck verdichteten Teilstroms (4) der zu zerlegenden Luft in eine weitere, mit einem zwischen dem in der Hochdrucksäule (9) und dem in der Niederdrucksäule (10) herrschenden Druck betriebene Zerlegungssäule (15) eingegeben wird, aus der eine stickst off reiche Flüssigkeit (18) entnommen und als Rücklauf der Niederdrucksäule (10) zugeführt wird und der restliche Teil des auf den niedrigeren Druck verdichteten Teilstroms und/oder ein der weiteren Zerlegungssäule (15) entnommener Gasstrom arbeitsleistend entspannt und im wesentlichen gasförmig in die Niederdrucksäule
(10) eingegeben wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der gesamte auf den niedrigeren Druck verdichtete Teilstrom in die weitere Zerlegungssäule eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein mengenmäßig dem Teilstrom (4)entsprechender Gasstrom (23) mindestens einen Boden oberhalb der Einmündung des Teilstroms $)aus der weiteren Zerlegungssäule entnommen und der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den niedrigeren Druck verdichtete und der Niederdrucksäule (10) zugeführte Teilstrom vor seiner Entspannung in den getrennten Wärmetauschvorrichtungen (7,8) im Wärmetausch mit den beiden zu zerlegenden Luftströmen (21,22) angewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den niedrigeren Druck verdichtete Teilstrom (4) auf einen Druck von mehr als 2,5 bar verdichtet wird.
5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Sauerstoff angereicherte Sumpfflüssigkeit der weiteren Zerlegungssäule (15) entnommen, erwärmt, dabei mindestens zum Teil verdampft und der verdampfte Anteil der Niederdrucksäule (10) zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der Sumpfflüssigkeit der weiteren Säule (15) in einem Wärmetauscher im Kopf dieser Säule vorgenommen wird.
Form. 5729 7.78
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7· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem zweistufigen Luftverdichter (2), zwei getrennten Wärmetauschvorrichtungen (7*8), die jeweils mit dem Ausgang einer Verdichterstufe in Verbindung stehen, einer zweistufigen Rektifiziersäule (11), deren Hochdruckstufe (9) mit der zweiten Verdichterstufe in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine weitere, mit der ersten Verdichterstufe verbundene Zerlegungssäule (15)* einer Entspannungsmaschine (12), deren Eingang mit der ersten Verdichterstufe und/ oder der weiteren Zerlegungssäule (15) und deren Ausgang mit der Niederdruckstufe (10) der Doppelrektifiziersäule (11) verbunden ist, sowie eine Entnahmeleitung (l8) für flüssigen Stickstoff aus der weiteren Zerlegungssäule (15)* die im Kopf der Niederdruckstufe (10) der Doppelrektifiziersäule (11) mündet,
8. Vorrichtung nach Anspruch 7* gekennzeichnet durch separate Anwärmkanäle in den Wärmetauschvorrichtungen (7,8) für das der Entspannungsmaschine (12) zugeführte Gas sowie eine absperrbare Bypass-Leitung für die Anwärmkanäle.
• A
Form. 5729 7.78
030031/0392
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