DE2920270A1

DE2920270A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von sauerstoff niedriger reinheit

Info

Publication number: DE2920270A1
Application number: DE19792920270
Authority: DE
Inventors: Walter Joseph Olszewski
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1979-05-17
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1980-11-20
Also published as: FR2456923A1; GB2057660A; GB2057660B; FR2456923B1; DE2920270C2; US4254629A

Description

richtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit in großen Mengen und unter geringem Kostenaufwand.

Es ist bekannt, zum Fraktionieren bei niedriger Temperatur eine unter höherem Druck arbeitende Kolonne vorzusehen, deren oberes Ende in Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne steht. Kalte verdichtete Luft wird in der unter höherem Druck arbeitenden Kolonne in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit zerlegt. Diese Flüssigkeiten werden zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne übergeleitet, um in stickstoff- und sauerstoffreiche Produkte getrennt zu werden. Beispiele für ein solches DoppeldestilLationskolonnensystem finden sich in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford Univerity Press, 1945.

Es sind große Energiemengen notwendig, um die Einsatzluft für ein solches Verfahren zu komprimieren. Angesichts der steigenden Energiekosten ist eine Energieeinsparung von Wichtigkeit. Ein weiteres mit konventionellen Systemen verbundenes Problem ist der große Durchmesser der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne, die im wesentlichen die gesamte dem System zugeleitete Einsatzluft bei relativ niedrigem Druck verarbeiten muß. Eine Möglichkeit, bei der Tieftemperatur-Fraktionierung von Luft die Energiekosten zu vermindern,

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besteht in einem mit zwei Speisedrücken arbeitenden Prozeß, wie er aus der US-PS 3 066 494 bekannt ist. Dabei wird nur ein Teil der Einsatzluft auf den Arbeitsdruck der unter höherem Druck arbeitenden Destillationskolonne verdichtet. Der restliche Teil der Einsatzluft wird auf einen niedrigeren Druck komprimiert und der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne zugeführt. Die Schwierigkeit dieses Verfahrens besteht darin, daß die höchste erreichbare Sauerstoffreinheit auf etwa 90 mol % begrenzt ist. Diese Beschränkung ergibt sich daraus, daß der Niederdruckeinsatzstrom an der unter höherem Druck arbeitenden Kolonne vorbeigeleitet wird und in die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne eintritt, ohne zuvor eine Zerlegung erfahren zu haben. Außerdem erlaubt es dieses Verfahren nicht, den Durchmesser der unter niedrigerem Druck arbeitenden Destillationskolonne herabzusetzen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (US-PS 2 209 748)/ das zwei Einsatzgasdrücke vorsieht, wird mittels einer Hilfskolonne ein Teil des Stickstoffes von dem Niederdruckeinsatzstrom abgetrennt, bevor der Niederdruckstrom in die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne eingespeist wird. Die unter höherem Druck arbeitende Kolonne ist in diesem Fall nicht vorhanden. Das Verfahren erlaubt es, Reinheiten über 90 mol % bei verminderten, noch immer jedoch relativ hohen Energiekosten zu erzielen. Das im folgenden erläuterte Verfahren nach der Erfindung hat einen noch niedrigeren Energiebedarf als dieses be-

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kannte Verfahren.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einen Sauerstoffstrom niedriger Reinheit und einen stickstoffreichen Strom unter vermindertem Energiebedarf zu schaffen. Es soll ferner ein Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren erhalten werden, das den Einsatz einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Destillationskolonne von vermindertem Durchmesser gestattet.

Ein Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit aus Einsatzluft durch Tieftemperaturrektifikation ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ein Hochdruckeinsatzgasstrom, der mindestens 35 % der Einsatzluft ausmacht, bei einem Druck von mindestens 450 kPa in gereinigtem, gekühltem Zustand angeliefert wird,

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom in einer unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe unter Bildung einer ersten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit am unteren Ende sowie eines ersten stickstoffreichen Gases am oberen Ende der Stufe rektifiziert wird,

(c) das erste stickstoffreiche Gas mit kälterer, an Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit zum Wärmeaustausch "gebracht und das erste stickstoffreiche Gas als Rücklauf für die unter

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höherem Druck arbeitende Rektifikationsstufe und eine unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe kondensiert wird, während gleichzeitig die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit verdampft und dieser Dampf nach oben durch die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe geleitet wird,

(d) ein Niederdruckeinsatzgasstrom, der nicht mehr als 65 % der Einsatzluft ausmacht, bei einem Druck von 275 bis 550 kPa, der jedoch unter dem Druck des Hochdruck-Einsatzgasstromes liegt, in gereinigtem, gekühltem Zustand angeliefert wird,

(e) der Niederdruckeinsatzgasstrom in einer Hilfsstufe unter Bildung einer zweiten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit am unteren Ende sowie eines zweiten stickstoffreichen Gases am oberen Ende der Hilfsstufe gegegen kältere Flüssigkeit rektifiziert wird,

(f) ein Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit expandiert und in die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe eingeleitet wird,

(g) ein Teil des zweiten stickstoffreichen Gases vom oberen Ende der Hilfsstufe in einer Menge gleich der molaren Durchflußmenge von 20 bis 70 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzgasstromes als Produktgas abgezogen wird,

(h) im wesentlichen der restliche Teil der nichtexpandierten, mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit getrennt

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von der Flüssigkeit des Verfahrensschrittes (f) expandiert und der restliche Teil mit nicht abgezogenem, zweitem stickstoffreichem Gas unter Kondensieren des nichtabgezogenen, zweiten stickstoffreichen Gases und mindestens teilweisem Verdampfen des restlichen Teils der mit Sauerstoff angereicherten Zwischen.lüssigkeit zum Wärmeaustausch gebracht wird,

(i) mindestens ein Teil des kondensierten zweiten stickstoffreichen Dampfs der Hilfsstufe als die kältere Flüssigkeit zugeleitet wird,

(j) das im Verfahrensschritt (h) gebildete, expandierte und mindestens teilweise verdampfte, mit Sauerstoff angereicherte Gemisch in die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe eingeleitet wird, und

(k) die der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe zugeleiteten Ströme unter Bildung eines Produktstromes aus Sauerstoff niedriger Reinheit am unteren Ende der Stufe sowie eines stickstoffreichen Gasstromes am oberen Ende der Stufe rektifiziert werden.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Luftzerlegung im Wege der Tieftemperaturrektifikation ist gekennzeichnet durch,

(a) eine Einrichtung zum Verdichten mindestens eines ersten Einsatzluftstromes auf einen Druck von mindestens 450 kPa,

(b) eine Einrichtung zum Kühlen mindestens des ersten Einsatzluftstromes,

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(c) eine Doppelrektifikationskolonne mit einer unter einem höheren Druck von mindestens 450 kPa arbeitenden Stufe, einer Stufe, die bei einem Druck von höchstens 550 kPa arbeitet, der jedoch niedriger als derjenige der unter höherem Druck arbeitenden Stufe ist, und einem Wärmetauscher, der das obere Ende der unter höherem Druck arbeitenden Stufe und das untere Ende der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe verbindet,

(d) eine Leitungsanordnung, über die der gekühlte erste Einsatzluftstrom der unter höherem Druck arbeitenden Stufe zugeht, um in dieser zerlegt zu werden,

(e) eine Einrichtung zum Anliefern eines zweiten Einsatzluftstromes bei einem Druck von 275 bis 550 kPa in gekühltem Zustand,

(f) eine Hilfsrektifikationskolonne mit einem an ihrem oberen Ende sitzenden Hilfswärmetauscher,

(g) eine Leitungsanordnung, über die der gekühlte zweite Einsatzgasstrom der Hilfsrektifikationskolonne zugeht,

(h) eine Leitungsanordnung, über die stickstoffreiche Flüssigkeit von dem Wärmetauscher der Doppelrektifikationskolonne zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe gelangt,

(i) eine Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Sauerstoff angereicherter Zwischenflüssigkeit zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe sowie gesondert davon zu dem Hilfswärmetauscher,

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(j) eine Einrichtung zum Abführen eines stickstoffreichen Stromes vom oberen Ende der Hilfsrektifikationskolonne,

(k) eine Leitungsanordnung zum Überleiten eines mindestens teilweise verdampften, mit Sauerstoff angereicherten Gemisches von dem Hilfswärmetauscher zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe,

(1) eine Einrichtung zum Abführen von Produktsauerstoff niedriger Reinheit vom unteren Ende der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe, und

(m) eine Einrichtung zum Abführen eines stickstoffreichen Stromes vom oberen Ende der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe.

Unter dem vorliegend verwendeten Begriff "gereinigter, gekühlter Zustand" soll verstanden werden, daß hochsiedende Verunreinigungen, beispielsweise Wasser und Kohlendioxid, aus den Einsatzströmen beseitigt sind und daß die Ströme auf eine Temperatur nahe ihren Taupunkten bei den betreffenden Drücken heruntergekühlt sind. Das bevorzugte Vorgehen zum Reinigen und Kühlen der Einsatzluft besteht in einem Reversierwärmeaustausch mit dem Produktsauerstoff niedriger Reinheit und dem stickstoffreichen Gasstrom.

Unter dem vorliegend verwendeten Begriff "mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit" soll vorliegend die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit verstanden werden, die

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sich απ den unteren Enden der unter höherem Druck arbeitenden Kolonne und/oder der Hilfskolonne bildet.

Alle prozentualen Zusammensetzungen beziehen sich auf Molprozente.

Der bevorzugte Sauerstoffgehalt in dem Produkt liegt über 90 %. Besonders günstig sind Sauerstoffgehalte zwischen 95 und 99,5 %.

Der Hochdruckeinsatzgasstrom · macht vorzugsweise 50 bis όθ % der Gesamteinsatzluft aus und wird auf einen Druck zwischen 520 und 660 kPa verdichtet. Der bevorzugte Druck für den Niederdruckeinsatzgasstrom liegt zwischen 310 und 480 kPa. Die bevorzugte molare Durchflußmenge des von dem oberen Ende der Hilfskolonne abgezogenen stickstoffreichen Gases liegt zwischen 40 und 60 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzgasstromes.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Fließschema einer vollständi

gen Anlage zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit entspre-

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chend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Fließschema einer Ausfüh

rungsform der Erfin__ng, bei der eine zusätzliche Turbine für eine gesonderte Kälteerzeugung sowie eine obere Hilfskolonne zum Erzeugen von Stickstoff höherer Reinheit vorgesehen sind, und

Fig. 3 ein McCabe-Thiele-Diagramm, das

erkennen läßt, wie es die vorliegende Erfindung erlaubt, in größerer Annäherung an Gleichgewichtsbedingungen und daher mit gesteigertem Energiewirkungsgrad zu arbeiten.

Die kryogene Luftzerlegung wird bei der Ausführungsform nach Fig. 3 in drei Destillationskolonnen durchgeführt, und zwar einer unter höherem Druck arbeitenden Stufe 14, deren oberes Ende mit dem unteren Ende einer unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe 25 in Wärmeaustausch steht, und einer Hilfskolonne 43. Die Anlage arbeitet wie folgt. Die genannten Arbeitsbedingungen sind typisch und stellen eine bevorzugte

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Ausführungsform zum Erzeugen von etwa 1800 t Sauerstoff pro Tag mit einer Reinheit von 98 % dar, wie dies aus dem Beispiel 1 und der Tabelle I hervorgeht.

Außenluft wird in einem Kompressor Cl auf einen Druck von
630 kPa verdichtet, um einen Hochdruckeinsatzgasstrom ^ζυ
bilden. Dieser Strom kann durch Wärmeaustausch mit Wasser
auf etwa 305 K in einer nichtveranschaulichten Vorrichtung
heruntergekühlt werden. Das Hochdruckeinsatzgas strömt über eine Leitung 1 zu einem Durchlaß 2 eines Reversierwärmetauschers 6, wo es durch Wärmeaustausch mit das System verlassenden Produkten weiter heruntergekühlt wird. Das Hochdruckeinsatzgas gelangt dann über eine Leitung 7 zu einem Durchlaß 8 eines Reversierwärmeaustauschers 12, wo ein weiteres Herunterkühlen durch das System verlassende Produkte auf
einen Wert, beispielsweise 105⁰K, erfolgt, der nahe der
Sättigungstemperatur des Gases liegt. Der Hochdruckeinsatzgasstrom geht dann über eine Leitung 13 an die unter höherem Druck arbeitende Rektifikationskolonne 14.

Sowohl der oben beschriebene Hochdruckeinsatzstrom als auch der im folgenden erläuterte Niederdruckeinsatzstrom müssen dem System in gereinigtem, gekühltem Zustand zugeführt werden. Die Einsatzströme werden vorzugsweise durch Wärmeaustausch mit den Produkten der Anlage in bekannten Reversierwärmetauschern gereinigt und gekühlt. Dabei erfolgt ein Herunterkühlen des einströmenden Einsatzgases, während gleich-

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zeitig hochsiedende Verunreinigungen, beispielsweise Wasser und Kohlendioxid, desublimiert und auf den Wänden des Wärmeaustauschers abgeschieden werden. Bevor die feste Ablagerung den Wärmetauscher zusetzt, wird der Einsatzluftstrom auf einen zweiten Durchlaß über eine nicht dargestellte Ventil- und Leitungsanordnung umgeschaltet. Ein Produktstrom, beispielsweise einer der stickstoffreichen Gasströme, wird durch den Durchlaß des Reversierwärmetauschers hindurchgeleitet, der die festen Wasser- und Kohlendioxidablagerungen enthält. Dadurch werden diese Verunreinigungen verdampft und aus der Anlage ausgetrieben. Eine Verschmutzung der Produktströme mit diesen Verunreinigungen kann toleriert werden, weil die Produkte nur von geringer Reinheit zu sein brauchen. Bevor der den Einsatzluftstrom führende zweite Durchlaß zugesetzt wird, wird die Einsatzluft auf den gereinigten Durchlaß umgeleitet; der abgehende Produktstrom wird ausgenutzt, um Verunreinigungen aus dem zweiten Durchlaß zu beseitigen. Es versteht sich jedoch, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebige Einrichtungen zum ^Deinigen und Kühlen der Einsatzströme herangezogen werden können, beispielsweise Regenerativwärmetauscher, Gelfallen, Molekularsiebe, externe Kühlvorrichtungen oder Kombinationen solcher Einrichtungen.

Das Hochdruckeinsatzgas muß auf mindestens 450 kPa und vorzugsweise auf mindestens 520 kPa verdichtet werden. Der günstigste Druck für den Hochdruckeinsatzstrom liegt zwi-

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sehen 520 kPa und 660 kPa. Das Hochdruckeinsatzgas muß mindestens 35 % der Einsatzluft und vorzugsweise 50 bis 60% der Einsatzluft ausmachen. Als besonders geeignet erwies sich ein Hochdruckeinsatzstrom, der zwischen 51 und 56 % der dem System insgesamt zugeführten Luft ausmacht.

In der unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne 14 wird der Hochdruckeinsatzgasstrom durch Destillation in eine erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit, die zu dem unteren Ende 15 der Kolonne 14 fließt, und ein erstes stickstoffreiches Gas zerlegt, das zum oberen Ende 16 der Kolonne 14 hochsteigt.

Das erste stickstoffreiche Gas strömt über eine Leitung 17 zu einem Wärmetauscher 18, bei dem es sich um eine Kondensator-Verdampfer-Einheit bekannter Bauart handelt, wo das Gas mit einer kälteren, mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit zum Wärmeaustausch gebracht wird, deren Bildung weiter unten beschrieben ist. Das erste stickstoffreiche Gas wird kondensiert; ein Teil des Kondensats läuft über eine Leitung 19 zu der unter höherem Druck arbeitenden Kolonne 14 zurück. Der restliche Teil des Kondensats gelangt über Leitungen 20 und 24 zu dem oberen Ende 27 der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 25 und bildet den Rücklauf für diese Kolonne. Dieser Rücklauf, der vor dem Einleiten in die Kolonne entspannt werden muß, kann in einem Durchlaß 21 eines Wärmetau-

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schers 23 vor dem Eintritt in die Kolonne 25 gekühlt werden.

Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit am unteren Ende 26 der Kolonne 25 wird im Wärmetauscher 18 durch Wärmeaustausch mit dem ersten stickstoffreichen Gas verdampft. Der auf diese Weise gebildete, mit Sauerstoff angereicherte Dampf strömt nach oben durch die Kolonne 25.

Ein Niederdruckeinsatzgasstrom geht der Anlage über einen Kompressor C2 zu, wo das Gas auf etwa 410 kPa verdichtet wird. Dieses Einsatzgas kann mit Wasser auf etwa 305 K gekühlt werden. Der Niederdruckeinsatzgasstrom gelangt über eine Leitung 30 zum Durchlaß 31 eines Reversierwärmetauschers 34, wo das Einsatzgas weiter heruntergekühlt wird. Der Niederdruckeinsatzgasstrom geht über eine Leitung 35 anschließend zum Durchlaß 36 eines Reversierwärmetauschers 40. Dort erfolgt ein weiteres Herunterkühlen auf beispielsweise 103 K. Wenn der Niederdruck-Einsatzgasstrom eine Leitung 41 erreicht hat, befindet er sich in gereinigtem, gekühltem Zustand. Dies ist auf den Reversierwärmeaustausch mit abgehenden Produkten zurückzuführen, wobei die Maßnahmen ähnlich denjenigen sind, mittels deren der Hochdruckstrom gereinigt und gekühlt wird. Der gereinigte, gekühlte Niederdruckeinsatzstrom gelangt über die Leitung 41 zu der Hilfskolonne 43.

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Der Niederdruckeinsatzgasstrom darf nicht mehr als 65 % der Einsatzluft ausmachen; er wird der Anlage mit einem Druck zwischen 275 und 550 kPa zugeführt, der jedoch unter dem Druck des Hochdruckeinsatzgasstromes liegt. Vorzugsweise hat der Niederdruckstrom einen Druck zwischen 310 und 480 kPa; besonders günstig ist ein Druck im Bereich von 345 bis 450 kPa.

In der Hilfskolonne wird der Niederdruckeinsatzgasstrom ge~ gen kältere Flüssigkeit rektifiziert. Dabei wird eine zweite mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit am unteren Ende 43A der Hilfskolonne 43 gebildet, während ein zweites stickstoffreiches Gas am oberen Ende 44 der Hilfskolonne 43 entsteht.

Die Verarbeitung der ersten und zweiten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten, die sich am unteren Ende 15 der Niederdruckkolonne 14 und am unteren Ende 43A der Hilfskolonne 43 bilden, stellt eine Schlüsselmaßnahme im Hinblick auf die Energieeinsparung dar. Ein Teil dieser mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeiten muß als Flüssigkeitseinsatzstrom für die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationskolonne 25 benutzt werden. Der restliche Teil dieser Flüssigkeiten muß entspannt und herangezogen werden, um einen Teil des zweiten stickstoffreichen Gases zu kühlen, wodurch ein Teil des zweiten stickstoffreichen Gases kondensiert

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wird, während die restliche mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit mindestens teilweise verdampft wird. Vorzugsweise wird im wesentlichen die gesamte verbleibende, mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit verdampft. Die so verdampfte, mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit muß cTann in'die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe eingeführt werden. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Verfahren für die Verarbeitung dieser Flüssigkeiten. Die erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit, die beispielsweise einen Druck von 610 kPa hat und etwa 39 % Sauerstoff enthält, fließt über eine Leitung 45 von dem unteren Ende 15 der Kolonne 14 zu dem unteren Ende 43A der Hilfskolonne 43. Diese Flüssigkeit wird vor dem Eintritt in die Kolonne 43 in einem Expansionsventil 45A entspannt. Das untere Ende 43A der Hilfskolonne 43 enthält infolgedessen ein Gemisch aus der ersten und der zweiten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit mit etwa 41,7 % Sauerstoff und einem Druck von etwa 390 kPa. Ein Teil des mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeitsgemischs gelangt über Leitungen 50 und 51 zu einem Expansionsventil 51A und wird mittels des Ventils 51A vor dem Einbringen in die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationskolonne 15 entspannt. Der restliche Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflü^sijcjkeiten strömt über die Leitungen 50 und 52 zu einem Ventil 52A;^6;r wird entspannt und tritt in einen Hilfswärmetauscher 53 ein.

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Auch Abwandlungen der Verarbeitung der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten, die an den unteren Enden der Kolonnen 14 und 43 anfallen, sind möglich. Ein Teil dieser Flüssigkeiten muß jedoch als Speiseflüssigkeit für die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25 benutzt werden, während im wesentlichen der restliche Teil gesondert entspannt werden muß, um im Hilfswärmetauschex 53 Kälte zu gewinnen und um anschließend in die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25 als Einsatzdampf eingeleitet zu werden. Beispielsweise kann die erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit unmittelbar von dem unteren Ende 15 der unter höherem Druck arbeitenden Stufe 14 zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe 25 gelangen; die zweite mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit kann von dem unteren Ende 43A der Hilfskolonne 43 zum Wärmetauscher 53 geleitet werden. Entsprechend einer abgewanctelten Ausführungsform kann dafür gesorgt werden, daß die beiden Flüssigkeiten einander kreuzen, d.h., die erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit kann zu dem Wärmetauscher 53 strömen, während die zweite mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit der Niederdruckstufe 25 zugehen kann. Die dem Verfahren nach der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe läßt sich mit jeder beliebigen Verfahrensführung lösen, bei welcher die mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten ausgenutzt werden, um (a) für eine gesonderte Flüssigkeitseinspeisung in die Niederdruckstufe 25 und (b) für ein gesondertes

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Kühlen zu sorgen, um einen Teil des zweiten stickstoffreichen Gases zu kondensieren, worauf die verdampfte, mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit in die unter niedrigerem Druck arbeitende Stufe eingespeist wird. Eine Zufuhr der gesamten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit um Hilfskondensator 53 zwecks teilweiser Verdampfung in diesem Kondensator, sowie ein Einleiten der so gebildeten, teilverdampften Flüssigkeit in die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25, führt nicht zur Bereitstellung der gesonderten Flüssigkeits- und DampfSpeiseströme für die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25, die benötigt werden, um den vorliegend angestrebten niedrigen Energieverbrauch zu erreichen.

Ein Teil des zweiten stickstoffreichen Gdses muß in einer Menge, die gleich der molaren Durchflußmenge von 20 bis 70 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzstromes ist, von dem oberen Ende 44 der Hilfskolonne 43 abgezogen werden. Eine Leitung 56 übernimmt stickstoffreiches Gas von der Hilfskolonne. Die Menge des abgezogenen stickstoffreichen Gases muß innerhalb dieser Grenzwerte liegen, weil die Hilfskolonne 43 keinen ausreichenden Rücklauf hat, wenn zu viel Gas abgezogen wird. Wird dagegen zuwenig Gas abgezogen, wird die Menge der mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit, die für das Kondensieren im Hilfskondensator 53 erforderlich wird, so groß, daß nur unzureichend Flüssigkeit verbleibt, um in die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25 eingespeist

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zu werden. Die molare Durchflußmenge des zweiten stickstoffreichen Gases, das von dem oberen Ende der Hilfskolonne 43 abgezogen wird, macht vorzugsweise zwischen 40 und 60 % des Niederdruckeinsatzgasstromes aus; besonders günstig ist ein Wert zwischen 45 und 55 %.

Der von der Hilfskolonne 43 über die Leitung 56 abgezogene Teil des zweiten stickstof freichen Gases muß η i c h t ^Srfp-d e r unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne 25 verarbeitet werden, so daß der Durchmesser der Kolonne wesentlich kleiner sein kann, als dies der Fall wäre, wenn die Kolonne 25 die gesamte dem System zugeführte Einsatzluft übernehmen müßte. Ein weiterer Vorteil des Abziehens von zweitem stickstoffreichem Gas besteht in einem zusätzlichen Produktstrom. Die bevorzugte Art der Verarbeitung aller Produktströme ist später erläutert.

Der nichtabgezogene Teil des zweiten stickstoffreichen Gases strömt über eine Leitung 56A zu dem Hilfswärmetauscher 53, wo das Gas durch Wärmeaustausch mit dem Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten kondensiert wird, der nicht der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe 25 als Flüssigkeit zugegangen ist. Diese mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit wird in den Hilfswärmetauscher 53 über die Leitung 52 und das Expansionsventil 52A eingespeist. Das kondensierte zweite stickstoffreiche Gas geht der

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Hilfskolonne 43 über eine Leitung 54 als Rücklauf zu, wodurch die kältere Flüssigkeit bereitgestellt wird, die für das Rektifizieren des Niederdruckeinsatzgasstromes benötigt wird. Ein kleiner Teil des kondensierten zweiten stickstoffreichen Gases kann über Leitungen 51 und 58 zur Kolonne·25 gelangen und einen zusätzlichen Rücklauf für die Kolonne 25 bilden. Das in der Leitung 57 befindliche Material kann durch Wärmeaustausch mit abgehendem stickstoffreichem Gas in einem Durchlaß 46 eines Wärmetauschers 48 gekühlt werden.

Der in dem Hilfswärmetauscher 53 verdampfte Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten strömt über eine Leitung 55 zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 25. Es ist erwünscht, daß ein sehr kleiner Teil der dem Hilfswärmetauscher 53 zugeführten, mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit im flüssigen Zustand verbleibt und über eine Leitung 59 zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe 25 gelangt. Dieser sehr kleine Strom beseitigt Kohlenwasserstoffe aus dem Wärmetauscher Kohlenwasserstoffe finden sich in der Einsatzluft in sehr kleinen Mengen; sie könnten sich im Kondensator 53 ansammeln und ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Ein kleiner Flüssigkeitsstrom in der Leitung 59 verhindert, daß es zu dieser möglicherweise gefährlichen Situation kommt.

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Die der Rektifikationskolonne 25 zugeführten Ströme werden rektifiziert. Dabei wird die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit am unteren Ende 26 der Kolonne 25 gebildet, während stickstoffreiches Gas am oberen Ende 27 auftritt. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird im Wärmetauscher 18 durch Wärmeaustausch mit dem ersten stickstoffreichen Gas verdampft. Die verdampfte, mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit strömt nach oben durch die Kolonne 25 hindurch. Ein Produktstrom aus Sauerstoff mit der niedrigen Reinheit von 98 % wird über eine Leitung 60 von der Kolonne 25 abgezogen. Ein Produktstrom aus stickstoffreichem Gas mit einer Reinheit von 99 % geht über eine Leitung 61 ab.

Die weitere Verarbeitung der Produkt ströme in den Leitungen 56, 60 und 61 erfolgt wahlweise. Das im folgenden beschriebene bevorzugte Verfahren liefert eine besonders hohe Energieausbeute. Der stickstoffreiche Gasstrom in der Leitung 56, der das von der Kolonne 43 abgezogene zweite stickstoffreiche Gas enthält, kann für die Anlieferung von Kälte zu der unter höherem Druck arbeitenden Stufe 14 durch Wärmeaustausch mit der ersten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit in einem Wärmetauscher 65 genutzt werden. Dieses stickstoffreiche Gas strömt durch einen Durchlaß 67 des Wärmetauschers 65. Hinter dem Wärmetauscher 65 kann das von der Hilfskolonne 43 abgezogene stickstoffreiche Gas in drei Teile aufgeteilt werden. Der erste Teilstrom geht über eine Leitung 70

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an eine Turbine T. Er wird dort arbeitsleistend entspannt, um zusätzliche Kälte für den Prozeß bereitzustellen. Ein zweiter Teilstrom gelangt über eine Leitung 71 zu einem Durchlaß 11 des Wärmetauschers 12, wo das stickstoffreiche Gas mithilft, den ankommenden, unter hohem Druck stehenden Einsatzgasstrom zu kühlen. Nach dem Verlassen des Wärmetauichers 12 geht ein Teil dieses stickstoffreichen Stromes über eine Leitung 72 zu einem Durchlaß 5 des Wärmetauschers 6, wo weitere Wärme von dem ankommenden Hochdruckstrom absorbiert wird. Dieser Strom verläßt dann das System als unverschmutztes Produkt über eine Leitung 73. Der andere Teil des aus dem Wärmetauscher 12 austretenden stickstoffreichen Gases strömt über eine Leitung 74 zu der Turbine T, wo eine arbeitsleistende Entspannung erfolgt. Der dritte Teilstrom des von dem Durchlaß 67 des Wärmetauschers 65 kommenden stickstoffreichen Gases gelangt über eine Leitung 75 zu einem Durchlaß 39 des Wärmetauschers 40, wo er mithilft, den ankommenden Niederdruckeinsatzgasstrom zu kühlen. Dieses Gas strömt dann über eine Leitung 76 zur Turbine T, um dort arbeitsleistend entspannt zu werden.

Der das obere Ende 27 der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 25 in der Leitung 61 verlassende stickstoffreiche Strom kann über einen Durchlaß 22 des Wärmetauschers 23 sowie einen Durchlaß 47 des Wärmetauschers 48 geleitet werden, um die Rücklaufströme zu kühlen, die in die unter niedrigerem

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Druck arbeitende Kolonne 25 eingeführt werden. Dieser stickstoffreiche Strom kann dann über eine Leitung 77 zu einem Durchlaß 66 des Wärmetauschers 65 gehen, um die unter höherem Druck arbeitende Kolonne 14 mit Kälte zu versorgen. Nach dem Verlassen des Durchlasses 66 wird dieser stickstoffreiche Strom mit dem entspannten Dampf zusammengebracht, der die Turbine T über eine Leitung 78 verläßt. Das so gebildete Gemisch aus stickstoffreichen Gasen wird in zwei Teilströme unterteilt, von denen jeder benutzt wird, um auf den Wänden der Reversierwärmetauscher 6, 12, 34 und 40 abgelagerte Verunreinigungen zu beseitigen und die ankommenden Einsatzgasströme zu kühlen. Der erste Teilstrom gelangt über eine Leitung 79 zu einem Durchlaß 9 des Wärmetauschers 12 sowie dann über eine Leitung 80 zu einem Durchlaß 3 des Wärmetauschers 6. Er verläßt das System schließlich als ein Luftverunreinigungen enthaltender Produktstrom über eine Leitung 81. Der zweite Teilstrom des stickstoffreichen Gasgemischs strömt in ähnlicher Weise über eine Leitung 82, einen Durchlaß 37 des Wärmetauschers 40, eine Leitung 84 und einen Durchlaß 32 des Wärmetauschers 34, um schließlich die Anlage über eine Leitung 85 als ein Luftverunreinigungen enthaltender Produktstrom zu verlassen. Die Verunreinigungen in diesen Produktströmen bestehen aus Wasser und Kohlendioxid, die von den Wänden der Reversierwärmetauscher abgeführt werden.

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Der Sauerstoff niedriger Reinheit, der die unter niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 25 über die Leitung 60 verläßt, kann der unter höherem Druck arbeitenden Kolonne 14 in einem Durchlaß 69 des Wärmetauschers 65 Kälte zuführen. Der Sauerstoffstrom niedriger Reinheit wird dann in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil hilft mit, den ankommenden Hochdruckeinsatzgasstrom zu kühlen. Er wird für diesen Zweck über eine Leitung 8?, einen Durchlaß 10 des Wärmetauschers 12, eine Leitung 90 und einen Durchlaß 4 des Wärmetauschers 6 geleitet, um schließlich das System als Produktstrom über eine Leitung 91 zu verlassen. Der zweite Teil des Produktstroms aus Sauerstoff niedriger Reinheit kühlt den Niederdruckeinsatzgasstrom. Er strömt über eine Leitung 86, einen Durchlaß 38 des Wärmetauschers 40, eine Leitung 87 und einen Durchlaß 33 des Wärmetauschers 34. Er geht dann aus dem System als Produktstrom über eine Leitung 88 ab.

In der Tabelle I sind die Durchflußmengen, die Arbeitsbedingungen und die Zusammensetzungen der wesentlichen Ströme zusammengestellt, wenn die Verfahrensführung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Fig. 1 erfolgt.

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	Durchflußmenge	Tabelle I	Druck	Sauerstoffgehalt
Leitung	(Nm³/h χ 10~³)	Temperatur	(kPa)	(mol %)
	156,0	(°K)	634	21
1	156,0	305	607	21
13	127,7	105	414	21
30	127,7	305	386	21
41	81,0	103	607	39
45	139,6	105	386	41,7
50	76,8	95	386	41,7
52	73,9	95	159	40,8
55	68,8	89	372	0,2
56	2,83	87	159	40,8
59	58,3	89	159	98
60.	156,6	95	138	1,0
61	8,50	80	352	0,2
73	119,2	302	101	1,0
81	97,7	302	101	1,0
85	32,0	302	129	98
91	26,2	302	129	98
88	302

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Fig. 2 zeigt zwei zusätzliche Merkmale, die bei einer zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens bestimmten Anlage vorgesehen werden können, und zwar: (1) eine zweite Turbine T2 für die Erzeugung von zusätzlicher Kälte und (2) eine obere Hilfskolonne 150 zur Bildung eines zusätzlichen Produktstroms aus sauerstoffreichem Gas mit relativ hoher Reinheit. Diese zusätzlichen Merkmale können bei der Anlage jeweils für sich oder, wie in Fig. 2 dargestellt, in Kombination vorgesehen werden.

Die Anlage gemäß Fig. 2 arbeitet wie folgt. Dabei werden Teile der Fig. 2, deren Funktion weitgehend mit derjenigen entsprechender Teile der Fig. 1 übereinstimmt, nicht im einzelnen erläutert.

Die gesamte Einsatzluft wird mittels eines Kompressors C auf mindestens 450 kPa verdichtet und durch abgehende Produktströme in einem Wärmetauscher 102 teilweise heruntergekühlt. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers 102 wird die Einsatzluft in zwei Teile aufgeteilt. Der eine Teil strömt über eine Leitung 103 zu einem Wärmetauscher 104, wo die restliche Abkühlung durch Wärmeaustausch mit abgehenden Produkten erfolgt. Dieser Strom, der mindestens 35 % der Einsatzluft ausmachen muß, geht dann über Leitungen 106, 107, 107A und 108 als der Hochdruckeinsatzgasstrom zu einer unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne 114. Ein Teil des Hochdruck-

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einsatzgasstroms kann in einem Wärmetauscher 109 durch abgehende Produkte weiter heruntergekühlt werden. Die Rektifikation in der unter höherem Druck arbeitenden Stufe 114 findet in der gleichen Weise wie in Fig. 1 statt. Ein erstes stickstoffreiches Gas bildet sich am oberen Ende der Kolonne 114, während eine erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit am unteren Ende der Kolonne 114 gebildet wird. Das erste stickstoffreiche Gas wird mit Hilfe von kälterer, mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit kondensiert. Das Kondensat wird als Rücklauf für die Kolonne 114 und für eine unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe 125 benutzt. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird in einem Wärmetauscher 118 mindestens teilweise verdampft und strömt dann in der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationskolonne 125 nach oben.

Der zweite Teil des Einsatzluftstromes fließt über eine Leitung 105 zu der Turbine T2, wo der Luftstrom arbeitsleistend entspannt wird, um für zusätzliche Kälte zu sorgen. Die zusätzliche Kälte kann notwendig werden, wenn die Anlage in einem heißen Klima arbeiten soll oder wenn ein Teil des Sauerstoff produktes niedriger Reinheit, wie unten beschrieben, in flüssigem Zustand abgezogen werden soll.

Der arbeitsleistend entspannte Einsatzgasstrom verläßt die Turbine T2 bei einem Druck von 275 bis 550 kPa in gekühltem

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Zustand. Er bildet den Niederdruckeinsatzgasstrom des Systems Der Niederdruckeinsatzgasstrom gelangt über eine Leitung 110 zu einer Hilfskolonne 143. Der Niederdruckeinsatzgasstrom wird in der Hilfskolonne 143 in der gleichen Weise wie in Fig. 1 rektifiziert. Eine zweite mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit wird am unteren Ende der Kolonne 143 gebildet, während ein zweites stickstoffreiches Gas am oberen Ende der Kolonne 143 entsteht. Ein Teil des zweiten stickstoffreichen Gases wird in einer Menge gleich der molaren Durchflußmenge von 20 bis 70 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzgasstromes aus der Kolonne 143 über eine Leitung 111 ausgetragen.

Die mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten, die an den unteren Enden der Kolonnen 114 und 143 gebildet werden, müssen im wesentlichen in der gleichen Weise wie oben erläutert, verarbeitet werden. Ein Teil dieser Flüssigkeiten muß als Einsatzflüssigkeit für die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationskolonne 125 verwendet werden, während der restliche Teil Kälte liefern muß, um das nicht abgeführte zweite stickstoffreiche Gas zu kondensieren und auf diese Weise einen dampfförmigen Einsatzstrom für die Kolonne 125 zu erhalten. Jedes beliebige Verfahren der Ausnutzung der ersten und zweiten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten, das diese Bedingungen erfüllt, kann angewendet werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 werden diese

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Flüssigkeiten in dem unteren Ende der Hilfskolonne zusammengefaßt, bevor sie in der oben beschriebenen Weise genutzt werden. Diese Ausführungsform wird bevorzugt.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Verarbeitung der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten. Die erste mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit strömt von dem unteren Ende der Kolonne 114 über Leitungen 112 und 113 zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe 125. Diese Flüssigkeit kann durch abgehendes stickstoffreiches Gas in einem Wärmetauscher 115 gekühlt werden, bevor es in der Kolonne 125 entspannt wird. Die zweite mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit strömt über Leitungen 116 und 117 sowie ein Expansionsventil 117A in die obere Hilfskolonne 150 und durchläuft diese nach unten. Diese mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit kann durch abgehendes stickstoffreiches Gas in einem Wärmetauscher 124 gekühlt werden. Das untere Ende 151 der Hilfskolonne 150 steht mit dem oberen Ende der Hilfskolonne 143 im Wärmeaustausch. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Kolonnen findet in einem Hilfswärmetauscher 153 statt. Der nicht abgeführte Teil des zweiten stickstoffreichen Gases tritt in den Hilfswärmetauscher 153 über eine Leitung 11? ein und wird dort kondensiert. Ein Teil des Kondensats geht über eine Leitung 120 als Rücklauf zu der Hilfskolonne 143. Der restliche Teil des kondensierten zweiten stickstoffreichen Gases wird über Leitungen

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121 und 122 als Rücklauf zu der oberen Hilfskolonne 150 geleitet. Dieser Rücklauf kann durch abgehendes stickstoffreiches Gas in einem Wärmetauscher 123 gekühlt werden, bevor er in der oberen Hilfskolonne 150 entspannt wird. Das Rektifizieren in der oberen Hilfskolonne 150 findet bei einem Druck statt, der unter demjenigen der Hilfskolonne 143 und über dem der Rektifikationskolonne 125 liegt, wobei ein stickstoffreicher Produktgasstrom am oberen Ende sowie ein mit Sauerstoff angereichertes Gas am unteren Ende gebildet werden. Das stickstoffreiche Produktgas wird aus dem oberen Ende 152 der oberen Hilfskolonne 150 ausgetragen und über Leitungen 154, 155, 156 und 157 aus dem System herausgeführt. Dieser Strom kann zur Lieferung von Kälte in den Wärmetauschern 123, 124, 104 und 102 genutzt werden.

Der am unteren Ende 151 der oberen Hilfskolonne 150 gebildete, mit Sauerstoff angereicherte Dampf wird über eine Leitung 158 und ein Expansionsventil 158A in die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe 125 eingebracht. Die in die Rektifikationsstufe 125 eingeleiteten Ströme werden rektifiziert. Dabei werden eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit am unteren Ende und ein stickstoffreiches Gas am oberen Ende der Kolonne 125 gebildet. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird durch Wärmeaustausch mit dem ersten stickstoffreichen Gas im Wärmetauscher 118 im siedenden Zustand gehalten. Wenn ein flüssiger Produktstrom

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aus Sauerstoff niedriger Reinheit erwünscht ist, kann ein Teil der mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit aus dem unteren Ende der Kolonne 125 ausgetragen und über eine Leitung 126 aus der Anlage herausgeführt werden.

Es ist zu berücksichtigen, daß der Energiebedarf des Systems ansteigt, je mehr Sauerstoff niedr.iger Reinheit aus dem System als Flüssigkeit abgezogen wird. Es versteht sich, daß auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ein Teil des Produkts als Flüssigkeit ausgetragen werden kann; dies ist allerdings mit erhöhtem Energieverbrauch verbunden.

Ein gasförmiger Produktstrom von Sauerstoff niedriger Reinheit wird aus der Kolonne 125 ausgetragen; er verläßt die Anlage über Leitungen 130, 131, 132 und 133. Dieser gasförmige Strom kann benutzt werden, um einströmende Produkte in den Wärmetauschern 109, 104 und 102 zu kühlen.

Das stickstoffreiche Produktgas am oberen Ende der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe 125 kann aus der Kolonne ausgetragen und über eine Leitung 134 dem Wärmetauscher 115 und einem Wärmetauscher 136 zugeführt werden, wo es Kälte abgibt. Das Gas geht dann in die Leitung 135, wo es mit dem stickstoffreichen Gas vom oberen Ende der oberen Hilfskolonne 150 zusammengefaßt wird, um die Anlage schließlich über die Leitungen 155, 156 und 157 zu verlassen.

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Das stickstoffreiche Gas, das vom oberen Ende der Hilfskolonne 143 abgezogen wird, kann über die Leitung 111 und Leitungen 137, 138 zu der Turbine T gehen, wo es arbeitsleistend entspannt wird, um dem Verfahren Kälte zuzuführen. Dieser Strom kann auch zum Kühlen von ankommenden Produkten in den Wärmetauschern 109 und 104 genutzt werden. Der die Turbine T verlassende stickstoffreiche Strom kann zu der Leitung 155 gehen und das System dann zusammen mit den anderen stickstoffreichen Strömen verlassen.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Art der Verarbeitung der Produktströme. Die Produktströme können jedoch auch auf andere Weise genutzt werden.

Fig. 3 liefert eine teilweise Erklärung dafür, warum mit dem vorliegenden Verfahren höhere Energiewirkungsgrade als bei dem konventionellen Doppelkolonnenprozeß möglich sind. Die Figur zeigt ein vereinfachtes McCabe-Thiele-Diagramm für die Destillationen, die innerhalb der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufen stattfinden. Die grafische Analyse von Destillationsprozessen entsprechend McCabe-Thiele ist im einzelnen in MaCabe und Smith, "Unit Operations of Chemical Engineering", Seiten 68? bis 708, McGraw-Hill Book Company, 1956, beschrieben. Entsprechend diesem Analyseverfahren werden Einsatzströme für eine Destillationskolonne, die in die Kolonne zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende der Kolonne eintreten, durch

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"Einsatzlinien" dargestellt. Bei der unter niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 25 nach Fig. 1 würden daher nur die Ströme in den Leitungen 51, 55 und 5? durch "Einsatzlinien" dargestellt. Ein flüssiger Einsatzstrom ist durch eine senkrechte Linie und ein dampfförmiger Einsatzstrom durch eine waagrechte Linie dargestellt.

Die Kurve e ist die Gleichgewichtskurve, welche die Beziehung zwischen X, dem prozentualen Stickstoffgehalt in der Flüssigkeit, und Y, dem prozentualen Stickstoffgehalt in dem Dampf, wiedergibt. Die Linie f. ist die "Einsatzlinie" für einen mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeitsstrom, welcher der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe zugeht. Bei dem konventionellen Doppelkolonnenprozeß ist nur eine Flüssigkeits-"Einsatzlinie" vorhanden. Infolgedessen sind die Arbeitslinien für einen solchen Prozeß als die Linien m und η eingezeichnet. Wenn die Destillation entsprechend dem vorliegend erläuterten Verfahren stattfindet, können mindestens zwei "Einsatzlinien" gezeichnet werden, nämlich eine Flüssigkeits-"Einsatzlinie", die beispielsweise für die Ausführungsform nach Fig. 1 den Einsatzstrom in der Leitung 51 darstellt, und eine Dampf-"Einsatzlinie", die beispielsweise den Einsatzstrom in der Leitung 55 repräsentiert. Die "Einsatzlinien" für diese beiden Einsatzströme sind mit f. für den flüssigen Einsatzstrom und mit f., für den dampfförmigen Einsatzstrom bezeichnet. Die Arbeitslinien für den Destillationsvorgang

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entsprechend dem vorliegenden Verfahren, d.h. die Linien m, ο und p, liegen wesentlich dichter an der Gleichgewichtskurve e als die Linien m und η des konventionellen Prozesses. Weil die Destillation nach dem vorliegenden Verfahren dichter an der Gleichgewichtskurve erfolgt, findet sie mit höherem Energiewirkungsgrad statt.

Beispiel 1

Es sei angenommen, daß täglich 1800 t Sauerstoff von 98 % Reinheit und 8500 Nm /h Stickstoff von 99,8 % Reinheit ohne hochsiedende Verunreinigungen wie Wasser und Kohlendioxid aus Außenluft mit einer Temperatur von 305 K hergestellt werden sollen. Betreibt man die Anlage nach Fig. 1 mit den Durchflußmengen und unter den Prozeßbedingungen der Tabelle I,. ist der Gesamtleistungsbedarf 18870 kW. Eine Zusammenfassung der Arbeitsergebnisse für eine solche Anlage findet sich in der Spalte 1 der Tabelle II.

Verwendet man ein herkömmliches Doppelkolonnenverfahren für die gleiche Produktion von Sauerstoff niedriger Reinheit sowie von nichtverschmutztem Stickstoff, ist entsprechend der Spalte 2 der Tabelle II der Leistungsbedarf 20570 kW. Dies stellt eine Zunahme um 1700 kW oder 9,0 % gegenüber der Anlage nach der Erfindung dar.

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Arbeitet man in der aus der US-PS 2 209 748 bekannten Weise, um die gleichen Produktmengen zu erhalten, sind 15*900 kW erforderlich. Dieses Verfahren stellt zwar eine Verbesserung gegenüber dem normalen Doppelkolonnenprozeß dar, bedingt aber noch immer 1030 kW oder 5,4 % Leistung mehr als das System nach der Erfindung. Die mit der Anlage gemäß der US-PS 2 209 748 erzielbaren Ergebnisse sind in der Spalte 3 der Tabelle II zusammengefaßt.

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Tabelle II

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	I.	Unverschmutztes Stickstoffprodukt	99,8	2.	3.
	vorliegende Erfindung	% Stickstoff	8500	herkömml. Doppelkolon nenverfahren	Verfahren gemäß US-PS 2 209 748
Außentemperatur ( K)	305	Durchflußmenge (m /h)	345	305	305
Hochdruckeinsatzstrom		Druck (kPa)
Prozentsatz des Gesamteinsatz gases	55	100	55
Druck (kPa)	634	634	634
Durchflußmenge (Nm³/h χ ΙΟ"³)	156,0	276,1	167,7
Niederdruckeinsatzstrom
Prozentsatz des Gesamteinsatz gases	45	0	45
Druck (kPa)	414	-	379
Durchflußmenge (Nm³/h χ ΙΟ™³)	127,7	-	137,2
Sauerstoffprodukt
% Sauerstoff	98	98	98
Durchflußmenge (t/Tag)	1800	1800	1800
Druck (kPa)	129	129	129

99,8	99,8
8500	8500
552	345

Sauerstoffausbeute als Prozentsatz des Sauerstoffs in der Gesamteinsatzluft

benötigte Leistung (kW)
für Verdichten des Hochdruckeinsatzstroms

für Verdichten des Niederdruckeinsatzstroms

96

11930 7490

- 550 18870

satz des vorliegenden Verfahrens 100

Rückgewinnung durch Entspannung in Turbine

erforderl.Gesamtleistung
Gesamtleistung als Prozent-

98

21020	12860
-	7570
- 450	- 530
20570	19900
109.0	105.4

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Beispiel 2

Es sei angenommen, daß täglich 1800 t Sauerstoff von 98 % Reinheit und 8500 Nm /h Stickstoff von 99,8% Reinheit und frei von hochsiedenden Luftverunreinigungen hergestellt werden sollen und daß die Umgebungstemperatur 320°K beträgt. Wegen der hohen Umgebungstemperatur ist eine zusätzliche Kälteerzeugung erforderlich. Bei diesem Beispiel wird mit der Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens gearbeitet, bei welcher die gesamte Einsatzluft auf den Druck der Hochdruckströme verdichtet wird. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird die zusätzlche Kälte durch arbeitsleistende Entspannung eines Teils der verdichteten Einsatzluft gewonnen. Die Destillation erfolgt jedoch in einer Vorrichtung ähnlich der Destillationsanlage nach Fig. 1. Die Ergebnisse der Anwendung dieser Ausführungsform der Erfindung sind in der Spalte 1 der Tabelle III wiedergegeben. Wie aus der Tabelle hervorgeht, beträgt der Gesamtleistungsbedarf 21480 kW.

Um die gleiche Produktion mit einem herkömmlichen Doppelkolonnensystem zu erzielen, sind 22920 kW erforderlich. Überraschenderweise benötigt das herkömmliche Doppelkolonnensystem 1440 kW oder 6,7 % mehr Leistung als das Verfahren nach der Erfindung, obwohl in beiden Fällen die gesamte Einsatzluft auf den gleichen Druck verdichtet wurde. Für diesen Unterschied ist die mit dem vorliegenden Verfahren erreichte wir-

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kungsvollere Sauerstoffrückgewinnung in dem Produkt niedriger Reinheit verantwortlich.

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Tabelle	Außentemperatur ( K)	III	herkömmliches Doppelkolonnen verfahren
	Hochdruckeinsatzstrom	vorliegende Erfindung	320
Prozentsatz des Gesamteinsatzgases	320
Druck (kPa)		100
Durchflußmenge (Nm³/h χ 10~³)	100	634
Niederdruckeinsatzstrom	634	295,7
(nach arbeitsleistender Entspannung^	275,6
Prozentsatz des Gesamteinsatzgases
Druck (kPa)		-
3 —3 Durchflußmenge (Nm /h χ 10 )	45	-
Sauerstoffprodukt	386
% Sauerstoff.	124,0
Durchflußmenge (t/Tag)		98
Druck (kPa)	98	1800
Unverschmutztes Stickstoffprodukt	1800	124
% Stickstoff	124
Durchflußmenge (m /h)		99,8
Druck (kPa)	99,8	8500
benötigte Leistung (kW) zum Verdichten der Einsatzluft	8500	558
Rückgewonnen durch Turbinenentspannung von Stickstoff	345	23640
Rückgewonnen durch Turbinenentspannung	22100	- 720
von Luft	- 440	-
erforderliche Gesamtleistung	- 180
Gesamtleistung als Prozentsatz des vorlieqenden Verfahrens		22920
21480	106,7
100

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit aus Einsatzluft durch Tieftemperaturrektifikation, dadurch gekennzeichnet, daß

(α) ein Hochdruckeinsatzgasstrom, der mindestens 35 % der Einsatzluft ausmacht, bei einem Druck von mindestens 450 kPa in gereinigtem, gekühltem Zustand angeliefert wird,

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom in einer unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe unter Bildung einer ersten, mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit am unteren Ende sowie eines ersten, stickstoffreichen Gases am oberen Ende der Stufe rektifiziert wird,

(c) das erste stickstoffreiche Gas mit kälterer, an

" Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit zum Wärmeaustausch gebracht und das erste stickstoffreiche Gas als Rücklauf für die unter höherem Druck arbeitende Rektifikationsstufe und eine unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe kondensiert wird, während gleichzeitig die mit Sauerstoff angereicherte

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FERNSPRECHER: 089/601Ϊ039 · KABEL: ELECTR1CPATENT MÜNCHEN

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Flüssigkeit verdampft und dieser Dampf nach oben durch die" unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe geleitet wird,,

(d) ein Niederdruckeinsatzgasstrom, der nicht mehr als 65 % der Einsatzluft ausmacht, bei einem Druck von 275 bis 550 kPa, der unter dem Druck des Hochdruckeinsatzgasstromes liegt, in gereinigtem, gekühltem Zustand angeliefert wird,

(e) der Niederdruckeinsatzgasstrom in einer Hilfsstufe unter Bildung einer zweiten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit am unteren Ende sowie eines zweiten stickstoffreichen Gases am oberen Ende der Hilfsstufe gegen kältere Flüssigkeit rektifiziert wird,

(h) im wesentlichen der restliche Teil der nichtexpandierten, mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit getrennt von der Flüssigkeit des Ver-

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-* 3 —

fahrensschrittes (f) expandiert und der restliche Teil mit nicht abgezogenem, zweitem stickstoffreichem Gas unter Kondensieren des nicht abgezogenen, zweiten stickstoffreichen Gases und mindestens teilweisem Verdampfen des restlichen Teils der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit zum Wärmeaustausch gebracht wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck- und Niederdruckeinsatzgasströme durch Wärmeaustausch mit dem Produktsauerstoff niedriger Reinheit und stickstoffreichen Gasströmen gekühlt und von Luftver-

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unreinigungen befreit werden, und daß der restliche Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit in dem Verfahrensschritt (h) im wesentlichen vollständig verdampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeiten im unteren Ende der Hilfsstufe zusammengefaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(α) der Hochdruckeinsatzgasstrom 50 bis 60 % der gesamten Einsatzluft ausmacht,

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck von mindestens 520 kPa angeliefert wird,

(c) der Niederdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck von 310 bis 480 kPa angeliefert wird, und

(d) die molare Durchflußmenge des vom unteren Ende der Hilfsstufe abgezogenen stickstoffreichen Gases zwischen 40 und 60 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzgasstromes beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(α) der Hochdruckeinsatzgasstrom 52 bis 56 % der ge-

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samten Einsatzluft ausmacht,

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck zwischen 520 und 660 kPa angeliefert wird,

(c) der Niederdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck von 345 bis 450 kPa angeliefert wird, und

(d) die molare Durchflußmenge des vom oberen Ende der Hilfsstufe abgezogenen stickstoffreichen Gases zwischen 45 und 55 % der molaren Durchflußmenge des Niederdruckeinsatzgasstromes beträgt. ;

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 450 kPa verdichtet wird und daß nicht mehr als 65 % der verdichteten Einsatzluft unter Bildung des Niederdruck- und des Hochdruckeinsatzgasstromes, die jeweils den erforderlichen Druck haben, auf einen Druck von 275 bis 550 kPa arbeitsleistend expandiert werden.

7. Verfahren zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit aus Einsatzluft durch Tieftemperaturrektifikation, dadurch gekennzeichnet, daß

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292027p

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom in einer unter höherem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe unter Bildung einer ersten mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit am unteren Ende sowie eines ersten stickstoffreichen Gases am oberen Ende der Kolonne rektifiziert wird,

(c) das erste stickstoffreiche Gas mit kälterer, an Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit zum Wärmeaustausch gebracht und das erste stickstoffreiche Gas als Rücklauf für die unter höherem Druck arbeitende Rektifikationsstufe und eine unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe kondensiert wird, während gleichzeitig die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit verdampft und dieser Dampf nach oben durch die unter niedrigerem Druck arbeitende Rektifikationsstufe geleitet wird,

(d) ein Niederdruckeinsatzgasstrom, der nicht mehr als 65 % der Einsatzluft ausmacht, bei einem Druck von 275 bis 550 kPa, der unter dem Druck des Hochdruckeinsatzgasstromes liegt, in gereinigtem, gekühltem Zustand angeliefert wird,

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(h) der restliche Teil der mit Sauerstoff angereicherten Zwischenflüssigkeit getrennt von der Flüssigkeit des Verfahrensschrittes (f) expandiert und die expandierte Flüssigkeit zwecks Kondensieren des zweiten stickstoffreichen Gases nach unten durch eine obere Hilfsstufe als Rücklauf für die Hilfsstufe und die obere
Hilfsstufe hindurchgeleitet wird,

(i) die in die obere Hilfsstufe eingeleiteten Ströme unter Bildung eines stickstoffreichen Produktgasstromes am oberen Ende und eines mit Sauerstoff angereicherten Gases am unteren Ende der oberen Hilfsstufe rektifiziert werden,

(j) das im Verfahrensschritt (i) erzeugte, mit Sauerstoff angereicherte Gas in die unter niedrigerem
Druck arbeitende Rektifikationsstufe eingeleitet
wird, und

(k) die der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe zugeleiteten Ströme unter Bildung eines

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-B-

Produktstromes aus Sauerstoff niedriger Reinheit am unteren Ende der Stufe sowie eines stickstoffreichen Gasstromes am oberen Ende der Stufe rektifiziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

der Hochdruck- und der Niederdruckeinsatzstrom durch Wärmeaustausch mit dem Produktsauerstoff von niedriger Reinheit und mit stickstoffreichen Gasströmen gekühlt und von Luftverunreinigungen befreit werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Einsatzluft auf einen Druck von mindestens 450 kPa verdichtet wird und daß nicht mehr als 65 % der verdichteten Einsatzluft unter Bildung der Niederdruck- und Hochdruckeinsatzgasströme, die jeweils den notwendigen Druck haben, auf einen Druck von 275 bis 550 kPa arbeitsleistend entspannt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Hochdruckeinsatzgasstrom 50 bis 60 % der gesamten Einsatzluft ausmacht,

(b) der Hochdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck von mindestens 520 kPa angeliefert wird, und

(c) der Niederdruckeinsatzgasstrom mit einem Druck von

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310 bis 480 kPa angeliefert wird.

11. Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation_/ gekennzeichnet durch

(b) eine Einrichtung zum Kühlen mindestens des ersten Einsatzluftstromes,

(c) eine Doppelrektifikationskolonne mit einer unter einem höheren Druck von mindestens 450 kPa arbeitenden Stufe, einer unter einem niedrigeren Druck von höchstens 550 kPa arbeitenden Stufe und einem Wärmetauscher, der das obere Ende der unter höherem Druck arbeitenden Stufe und das untere Ende der unter niedrigerem Druck arbeitenden Stufe verbindet,

(e) eine Einrichtung zum Anliefern eines zweiten Einsatzluftstromes mit einem Druck von 275 bis 550 kPa in gekühltem Zustand,

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(i) eine Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Sauerstoff angereicherter Zwischenflüssigkeit zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe sowie gesondert zu dem Hilfswärmetauscher,

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- ti -

12. Vorrichtung nach Anspruch 1I₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Kühlen des ersten und des zweiten Einsatzluftstromes Wärmetauscher sind und daß eine Leitungsanordnung zum Überleiten des stickstoffreichen Stromes und des Sauerstoffstromes niedriger Reinheit zu den Wärmetauschern vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung zum Überleiten von mit Sauerstoff angereicherter Zwischenflüssigkeit zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe sowie gesondert zu dem Hilfswärmetauscher eine Leitungsanordnung, über die mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit von dem unteren Ende der unter höherem Druck arbeitenden Stufe zu dem untejren Ende der Hilfsrektifikationskolonne gelangt, und eine Leitungsanordnung aufweist, über die mit Sauerstoff angereicherte Zwischenflüssigkeit von dem unteren Ende der Hilfsrektifikationskolonne zu der unter niedrigerem Druck arbeitenden Rektifikationsstufe sowie gesondert zu dem HilfsWärmetauscher übergeht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Einrichtung (a) im wesentlichen die gesamte Einsatzluft komprimierbar ist und daß eine Turbine vorgesehen ist, mittels deren ein Teil des gekühlten ersten Einsatzgasstroms unter Leistung von externer Arbeit und

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Bildung des zweiten Einsatzgasstromes auf einen niedrigeren Druck von nicht mehr als 550 kPa entspannbar ist.

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L-10882-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff niedriger Reinheit durch Tieftemperaturrektifikation. Unter 'Sauerstoff niedriger Reinheit¹ soll dabei ein Produkt mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 99,5 mol % verstanden werden.

Es ist anzunehmen, daß sehr große Mengen an Sauerstoff niedriger Reinheit von derzeit in der Entwicklung befindlichen Verfahren zum Umwandeln von Kohle in flüssige oder gasförmige Produkte erfordert werden. Sauerstoff niedriger Reinheit läßt sich auch bei einem Verfahren zum Umwandeln von Müll in nutzbare gasförmige Produkte (US-PS 3 729 298) einsetzen. Es besteht daher ein Bedürfnis an einem Verfahren und einer Vor-

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