DE3018476C2 - Verfahren und Anlage zur Gewinnung von gasförmigem Stickstoff - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Gewinnung von gasförmigem Stickstoff

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Stickstoff in einer Tieftemperatur-Lufttrennanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ferner betrifft die Erfindung eine Tiefternpefätur-Lufttrennanlage zur Durchführung dieses Gewinnungsverfahrens mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmalen.
Au«; der GB-PS 11 65 274 ist bereits ein Verfahren und eine Anlage der angegebenen Gattung bekannt, bei dem die zu trennende Einsatzluft in einem Gegenstromwärmetauscher durch die kalten Produktg.ise abgekühlt und dabei zumindest teilweise verflüssigt wird. In einer Rcklifiziersäule wird anschließend die abgekiihlic I -" i η - satzluft in die Zcrlegungsprodukte Sauerstoff, Abfallstickstoff und Produktstickstoff getrennt, wobei der Sauerstoff in gasförmiger und flüssiger Form entweder den Gegenstromwärmetauscher durchströmt oder di rekt als verkaufsfähiges Endprodukt abgeführt wird. Aus der Hochdruckstufe der Rektifiziersäule wird der gasförmige Produktstickstoff entweder direki oder über einen Teil des Gegenstromwärmetauschers in e'me Turbine geleitet und in dieser auf einen gewünschten Druck
ίο entspannt. Dieser in der Turbine entspannte Produktstickstoff durchströmt einen mit Flüssigluft aus dem Sumpf der Rektifiziersäule beaufschlagten Wärmetauscher, um die am Einströmende des Gegenstroinwärme- -iauschers benötigte Solltemperatur einzustellen. Mittels eines Ventils können die dem ersten Teil des Gegenstromwärmetauschers bzw. der Turbine und dem Wärmetauscher direkt zugeführten Teilmengen an Produktstickstoff gesteuert werden. Eine gesonderte Steuerung des Stickstoffdruckes einerseits und der Stickstoff-Soll temperatur am Einströmende des Gegensirornwärnie- tauschers ist nicht möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die Temperatur des in der Turbine auf einen vorgegebenen Druck entspannten Produktstickstoffs niedriger als die für den Betrieb des Gegenstrom-
Wärmetauschers notwendige Solltemperatur ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage der angegebenen Gattung zu schaffen, bei denen auf einfache und genaue Weise der Druck des Produktgases auf einen zwischen dem Druck in der Hoch-
jo druckstufe und in der Niederdruckstufe liegenden Wert eingestellt werden kann und bei dem die für den Wärmetausch mit der Einsatzluft erforderliche Solltemperatur in jedem Fall ohne zusätzliche Aggregate eingehalten werden kann.
J5 Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 (Verfahren) bzw. 2 (Vorrichtung) gelöst. Durch Einleiten eines Teils des in der Turbine expandierten Produktsticksioffs in den Abfallstickstoff kann der Druck des dem Gegenstromwärme- tauscher und anschließend dem Verbraucher zugeführten Produktstickstoffs auf einen Wert von z. B. 0,5 bis 2 bar eingestellt werden, und zwar unabhängig vom Grad der in der Turbine erfolgten Entspannung. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung auch die Einhaltung der zur Kühlung der Einsatzluft im Gegenstromwärmetauscher benötigten Solltemperatur des Produktstickstoffs, wenn die Temperstur des in der Turbine entspannten Produktstickstoffs niedriger als die am Einströmende des Gegenstromwärmetauschers benötigte Solltempe ratur ist. Um in jedem Fall die Solltemperatur des Pro duktstickstoffs am Einströmende des Gegenstromwärmetauschers einzuhalten, kann bei zu hoher Temperatur des entspannten Produktstickstoffs in bekannter Weise ein Wärmeaustausch mit Flüssigkeit aus dem Sumpf der Hochdrucksäulc erfolgen. In diesem Fall ist das in der von der Einlaßluft-Lcitung abzweigenden Leitung angeordnete zweite Ventil geschlossen und das dritte Ventil in der zur Niederdrucksäule führenden Leitung geöffnet. Wenn dagegen die Temperatur des entspannten
ho Produktstickstoffs niedriger als die Solltemperatur ist, dann erfolgt ein Wärmeaustausch dieses zu kalten Produktstickstoffs mit einem vorgegebenen Anteil an der im Gegcnstromwärmelauscher bereits abgekühlten Einlaßluft. In diesem Fall ist das in der von der Einlaß-
h5 luft-Leitung zum Wärmetauscher führenden Zweigleitung angeordnete /weile Vcniil geöffnet und das dritte Ventil in der zur Nicdcrdnicksäule führenden Leitung geschlossen. Die Schalivorgängc des /weiten b/w. clrit-
ten Ventils werden von einem Temperaturfühler ausgelöst, welcher die Temperatur des Produktstickstoffs unmittelbar vor dem Einströmen in den Gegenstromwärmetauscher erfaßt.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer in der Zeichnung dargestellten Niedcrdruck-Lufttrennanlage im einzelnen beschrieben.
Bei der dargestellten Niederdruck-Lufttrennanlage wird über eine Einlaßleitung 11 zugeführte Druckluft durch Wärmeaustausch mit den Produktgasen in einem Gegenstromwärmetauscher 1 unter Abscheidung von Wasser und Kohlendioxid bis auf etwa Sättigungstemperatur gekühlt und durch eine Leitung 12 in die Hochdrucksäule 2 einer Doppelsäule eingeleitet.
In der Rektifiziersäule gereinigter und abgetrennter Sauerstoff wird am unteren Teil der Niederdrucksäule 3 über eine Leitung 13 abgezogen, im Gegenstromwärmetauscher 1 auf Raumtemperatur erwärmt, und als Endprodukt einer Leitung 14 entnommen.
Abfiüsticksiofi wird am oberen Teil der Niederdrucksäule 3 über eine Leitung 15,16 abgezrgen und im Gegenstromwärmetauscher 1 angewärmt Der Abfallstickstoff durchströmt den Gegenstromwärmetauscher 1 periodisch abwechselnd mit der Einsatzluft, um abgeschiedenes Eis und festes Kohlendioxid zu sublimieren und in die Atmosphäre auszutragen.
Gasförmiger Produktstickstoff wird am oberen Teil der Hochdrucksäule 2 über die Leitung 18 abgezogen. Ein Teil dieses Produktstickstoffes durchströmt den Gegenstromwärmetauscher 1 über Leitungen 19, 20 und vereinigt sich mit dem restlichen Produktstickstoff, der über eine Leitung 21 den Gegenstromwärmetauscher 1 überbrückt Der gesamte Produktstickstoff gelangt über eine Leitung 22 in eine Turbine 6, in der das Stickstoffgas zur Kälteerzeugung entspannt wird.
Ein Druckregler 8 in der Auslaßleitung 23 der Turbine 6 steuert den Druck des entspannten Produktstickstoffs auf einen bestimmten Wert. Zu diesem Zweck wird ein Teil des Pioduktstickstoffs aus der Turbine 6 über eine Leitung 23 und ein erstes Ventil 9 in die Leitung 16 für den Abfallstickstoff geleitet. Wenn der Durchsatz der Turbine 6 größer als die benötigte Stickstoffmenge ist, wird der überschüssige Stickstoff automatisch über den Bypass mit dem Druckregler 8 und dem Ventil 9 in die Leitung i€ eingeleitet, so daß die i>i diesem Überschuß enthaltene Kälteenergie im Gegenstromwärmetauscher 1 zur Kühlung der Einsatzluft ausgenutzt werden kann.
Der in der Turbine 6 auf den geeigneten Druck arbeitsleistend entspannte und dabei unterkühlte gasförmige Produktstickstoff wird einem Wärmetauscher 7 über ein*; Leitung 24 zugeführt und in diesem durch Wärmeaustausch auf die geeignete Solltemperatur am Einlaß des Gegenstromwärmetauschers 1 gebracht. Mit dieser Temperatur strömt der entspannte Produktstickstoff über eine Leitung 25 in den Gegenstromwärmetauscher 1, wird dort durch Wärmeaustausch bis auf Raumtemperatur erwärmt und dann als Endprodukt durch die Leitung 26 abgezogen.
Die Steuerung des Auslaßdrucks des Turboexpanders 6 kann im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Wunsch geändert werden. Es kann auch eine Temperatursteuerung zum Einstellen der Einlaßiemperatur des Gegenstromwärmelauschers 1 Anwendung finden.
Um Wasserdampf und Kohlendioxidgas aus der Einsatzluft im Gegenstro.nwärmetauscher 1 durch Sublimation zu entfernen und Verstopfungen zu vermeiden, muß der Produktstickstoff auf die Solltcmneratur von etwa —177°C am Einlaß des Gegenstromwärmetauschers 1 gebracht werden.
Wenn die Temperatur des in der Turbine 6 entspannten Produktstickstoffs unter -177° C liegt, wird ein drittes Ventil 28 durch einen Temperaturregler 27 geschlossen und ein zweites Ventil 29 auf den geeigneten Öffnungsgrad gebracht, so daß Einsatzluft dem Wärmetauscher 7 über eine Leitung 30, das zweite Ventil 29 und Luftleitungen 31, 32 zugeführt wird. Diese Einsatzluft
ίο wird im Wärmetauscher 7 durch den kalten Produktsticksloff abgekühlt, verflüssigt und über eine Leitung 33. ein Rückschlagventil 34 und eine Drossel 36 in einer Bypass-Leitung 35 der Hochdrucksäule 2 über eine Leitung 37 zugeführt, deren Ende in den Sumpf 38 am Boden der Hochdrucksäule 2 eintaucht und eine Flüssigkeitsdichtung bewirkt. In dieser Weise wird die Temperatur des entspannten Produktstickstoffs auf die geeignete Einlaßtemperatur des Gegenstromwärmetauschers 1 gesteuert.
Wenn die Temperatur des Produkttiekstoffs stromab der Turbine 6 über —177° C beträgt, wird vom Temperaturregler 27 das zweite Ventil 29 geschlossen und das dritte Ventil 28 auf einen geeigneten Öffnungsgrad gebracht Bei offenem dritten Ventil 28 sinkt der Druck in der Lüftseite des Wärmetauschers 7 und das Rückschlagventil 34 sperrt den Durchstrom der Flüssigkeit in die Säule 2. Die Flüssigluft im Sumpf der Hochdrucksäule 2, die beim Durchströmen der Drossel 36 ausgedehnt und unterkühlt wurde, gelangt zum Wärmetauscher 7 über die Leitungen 35, 33, verdampft in diesem durch Wärmeaustausch mit dem Produktstickstoff und strömt in einem Zwischenniveau in die Niederdrucksäule 3 durch Leitungen 32, 39, das geöffnete dritte Ventil 28 und eine Leitung 40. Dabei wird der Durchsatz der von der Hochdrucksäule 2 dem Wärmetauscher 7 zugeführten Flüssigluft durch den Öffnungsgrad des dritten Ventils 28 automatisch gesteuert. Auf diese Weise wird der dem Gegenstromwärmetauscher 1 vom Wärmetauscher 7 zugeführte Produktstickstoff auf die geeignete Ef-.laßlemperatur des Gegenstromwärmetauschers 1 gesteuert.
Im Anlaufbetrieb kann die Einlaßluft solange nur durch den Gegenstromwärmetauscher 1, die Hochdrucksäulc 2 des Rektifizierturmes, die Turbine 6, den Wärmetauscher 7 und wiederum durch den Gegenstromwärmetauscher 1 geführt werden, bis die Betriebstemperatur der Trennanlage erreicht ist. Neben diesem Anfahrbetrieb kann die Leitung 12 vom Gegenstromwärmelauscher 1 über eine strichpunktiert eingezeichnete Verbindung ir.it der Leitung 18 durchgeschaltet und die Einsat/luft direkt in den Turboexpander 6 eingeführt werden, bis der normale Betriebszustand erreicht ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Stickstoff in einer Tieftemperatur-Lufttrennanlage, bei dem die Einsatzluft im Gegenstrom durch die Produktgase gekühlt, in die Hochdruckstufe einer Rektifiziersäule eingeführt und in dieser in Sauerstoff, Abfallstickstoff aus der Niederdruckstufe und gasförmigen Produktstickstoff aus der Hochdruckstufe getrennt wird, und bei dem der Produktstickstoff auf einen gewünschten Druck entspannt sowie anschließend durch dosierbaren Wärmeaustausch mit verflüssigter Luft auf seine zum Kühlen der Einsatzluft erforderliche Solltemperatur gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Produktstickstoffs dosiert in den Abfallstickstoff eingeleitet wird, um den gewünschten Druck des Produkutickstoifs zu erhalten, und daß der Produktstickstoff nach seiner Entspannung in einen regelbaren Wärmeaustausch mit einem Teilstrom der zur Hochdruckstufe strömenden Einsatzluft gebracht wird, wenn seine Temperatur unter der Solltemperatur liegt
2. Tieftemperatur-Lufttrencanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem von der Einsatzluft und den Produktgasen durchströmten Gegenstromwärmetauscher, mit einer zweistufigen Rektifiziersäule, mit einer vom Produktstickstoif beaufschlagten Turbine und mit einem vom entspannten Proiuktstic.^stoff und von verflüssigter Luft durchströnven Wärmetauscher (7), der über eine Leitung mit dem Sun ;f in der Hochdrucksäule verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Turbine (6) eine mit einem von dem Druck des entspannten Produktstickstoffs gesteuerten ersten Ventil (9) ausgestattete Produklslickstoff-Zweigleitung (23) zur Abfallstickstoff-Leitung (15) führt, daß von der Einsatzluftlcitung (12) vor der Hochdrucksäule (2) eine Luftleitung (30, 31) zum Wärmetauscher (7) führt, in der ein von der Temperatur des Produktstickstoffs vor dem Gegenstromwärmetauscher (1) gesteuertes zweites Ventil (29) sitzt, und daß die Luftleitung (31) zwischen dem zweiten Ventil (29) und dem Wärmetauscher (7) mit der Niederdrucksäule (3) durch eine Abströmleitung (39, 40) verbunden ist, in der ein ebenfalls von der Temperatur des Produktstickstoffs vor dem Gegenstromwärmetauscher (1) gesteuertes drittes Ventil (2fl) angeordnet ist.
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