DE3643359A1 - Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch zweistufige rektifikation - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch zweistufige rektifikation

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation bei tiefen Temperaturen, bei dem die zu zerlegende Luft verdichtet, vorgereinigt und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der erste abgekühlt und der ersten Stufe der Rektifikation zugeführt und der zweite Teilstrom nachverdichtet, abgekühlt, entspannt und der zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt wird.
Die zu zerlegende Luft wird nach der Vorreinigung, bei der im wesentlichen Wasserdampf und Kohlendioxid abgetrennt werden, durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten abgekühlt und anschließend der ersten Stufe zugeführt. Vor der Abkühlung wird ein Teilstrom der Luft abgezweigt, auf einen höheren Druck nachverdichtet, abgekühlt, zur Kälteerzeugung entspannt und der unter einem niedrigeren Druck als die erste Stufe betriebenen zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt. Ein derartiges Verfahren ist durch die DE-PS 28 54 508 bekanntgeworden. Dieses an sich zufriedenstellend arbeitende Verfahren weist den Nachteil auf, daß sich das Rücklaufverhältnis in der zweiten Stufe, insbesondere bei größeren Anlagen, d.h. Anlagen, die mehr als 15 000 Nm3/h Luft verarbeiten, als Folge der Lufteinblasung verschlechtert. Dies macht sich in einer Verschlechterung der Ausbeute der Rektifikation bemerkbar.
Als Rücklaufverhältnis wird das Verhältnis der Mengenströme von in der Rektifizierkolonne herablaufender Flüssigkeit zu in der Rektifizierkolonne aufsteigendem Dampf bezeichnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchen unabhängig von der Anlagengröße das Rücklaufverhältnis in der zweiten Stufe verbessert und die Produktausbeute erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadudrch gelöst, daß der entspannte zweite Teilstrom vor seinem Eintritt in die zweite Stufe abgekühlt wird.
Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die Temperatur des zweiten Teilstroms der Luft, die bei der Entspannung erreicht werden kann, insbesondere bei größeren Anlagen häufig wesentlich höher ist als die Siedetemperatur der Flüssigkeit an der Einblasestelle in die zweite Stufe. Durch die erfindungsgemäße Abkühlung wird die Temperatur des entspannten Teilstroms im wesentlichen auf die an der Einblasestelle in der zweiten Stufe herrschende Temperatur gebracht. Auf diese Weise wird das Rücklaufverhältnis in der zweiten Stufe verbessert und es ergibt sich eine höhere Ausbeute. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile ergeben sich insbesondere bei größeren Anlagen, d.h. bei Anlagen, die mindestens 15 000 Nm3/h Luft, vorzugsweise 20 000 bis 300 000 Nm3/h Luft verarbeiten.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abkühlung durch Wärmetausch mit einem der Rektifikation entnommenen Prozeßstrom durchgeführt. Hierbei wird vorzugsweise ein sauerstoffreicher Gasstrom aus dem unteren Bereich der zweiten Stufe verwendet.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der sauerstoffreiche Gasstrom nach seinem Wärmetausch mit dem entspannten zweiten Teilstrom in Wärmetausch mit dem ersten Teilstrom gebracht wird. Bei dem Wärmetausch mit dem ersten Teilluftstrom wird dieser auf Zerlegungstemperatur abgekühlt, während gleichzeitig der sauerstoffreiche Gasstrom auf im wesentlichen Umgebungstempe­ ratur angewärmt wird.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Entspannung des zweiten Teilstroms arbeitsleistend durchgeführt wird und zumindest ein Teil der Entspannungsarbeit für die Nachverdichtung des zweiten Teilstroms verwendet wird. Bei dieser Verfahrensweise, bei der die Turbine durch den mit ihr gekoppelten Nachverdichter aufgeladen wird, erweist sich die Abkühlung des entspannten Teilluftstroms als besonders effektiv. Mit Vorteil wird dabei der nachverdichtete Teilstrom vor seiner Entspannung durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten gekühlt. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann von erheblichem Vorteil, wenn wie bereits beschrieben, ein angewärmter sauerstoffreicher Gasstrom als Zerlegungsprodukt für den Wärmetausch verwendet wird. Durch die Verwendung des bereits vorgewärmten sauerstoffreichen Gasstroms erhöht sich die Eintrittstemperatur des zweiten Luftteilstroms in die Entspannungsturbine. Daraus resultiert eine größere Kälteleistung der Turbine, wodurch wiederum die durch die Turbine geführte Luftmenge, d.h. die in die zweite Stufe eingeblasene Luftmenge verringert werden kann. Dies führt wiederum zu einer Verbesserung der Rektifikationsverhältnisse und Erhöhung der Ausbeute.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Verbesserung der Rektifizierverhältnisse ermöglicht eine Erhöhung der Ausbeute nicht nur bei der Sauerstoffgewinnung, sondern auch bei der Argongewinnung. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ein mit Sauerstoff und Argon angereicherter Gasstrom aus der zweiten Stufe entnommen und durch Rektifikation in eine gasförmige Argonfraktion und eine flüssige Sauerstofffraktion zerlegt. Mit Vorteil wird dabei die flüssige Sauerstoff­ fraktion in die zweite Stufe eingeführt.
Eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation bei tiefen Temperaturen umfaßt einen Luftverdichter, eine nachfolgende Reinigungsstufe, die einerseits über einen Strömungsquerschnitt eines ersten Wärmetauschers mit der ersten Stufe einer zweistufigen Rektifikationskolonne und andererseits über einen Nachverdichter und eine darauffolgende Entspannungseinrichtung mit der zweiten Stufe der Rektifikationskolonne in Strömungs­ verbindung steht, und ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Entspannungseinrichtung und der zweiten Stufe ein Wärme­ tauscher vorgesehen ist.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zusätzlicher Argongewinnung.
In beiden Figuren sind für analoge Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Zu zerlegende Luft wird über eine Leitung 1 einem Verdichter 2 zugeführt, in dem sie auf einen Druck von 5,5 bis 8 bar, vorzugsweise 6,5 bar verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird anschließend durch einen Molsiebadsorber 3 geleitet, um Wasserdampf und Kohlendioxid daraus abzutrennen. Die vorgereinigte komprimierte Luft wird anschließend in zwei Teilströme 4, 5 aufgeteilt. Teilstrom 4, der 6 bis 30%, vorzugsweise 15% der Luftmenge enthält, wird in einem Wärmetauscher 6 in Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten aus der Rektifikation auf ca. 95 K abgekühlt und anschließend der ersten Stufe 8 einer zweistufigen Rektifizierkolonne 7 zugeführt. Die erste Stufe wird bei einem Druck von 6 bar betrieben. Der zweite Teilstrom 5 der verdichteten vorgereinigten Luft wird in einem Verdichter 10 auf 7 bis 12 bar, vorzugsweise 9 bar nachverdichtet, wobei er sich auf ca. 340 K erwärmt. Der erwärmte nachverdichtete Teilstrom wird anschließend durch einen Nachkühler und einen Teil des Wärmetauschers 6 geleitet und dabei in Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten abgekühlt. Bei einer Temperatur von ca. 180 K wird der Teilstrom aus dem Wärmetauscher 6 entnommen und einer mit dem Verdichter 10 gekoppelten Entspannungsturbine 11 zugeführt. Dort wird der Luftstrom auf ca. 1,4 bar entspannt, wobei er sich auf ca. 115 K abkühlt. Die Entspannungsturbine 11 ist zur Übertragung von Arbeitsleistung mit dem Verdichter 10 gekoppelt. Der entspannte Teilstrom 5 wird in einem Wärmetauscher 24 durch Wärmetausch mit einem Produktstrom aus der Rektifikation weiter abgekühlt und mit einer Temperatur von 94 bis 98 K , vorzugsweise 95 K der mit einem Druck von ca.1,5 bar betriebenen zweiten Stufe 9 der Rektifizierkolonne 7 zugeführt.
Die beiden Stufen 8, 9 der Rektifizierkolonne 7 stehen über einen Kondensator-Verdampfer 12 miteinander in wärmetauschender Verbindung. Sauerstoffreiche Flüssigkeit 13 vom Boden der ersten Stufe sowie stickstoffreiche Flüssigkeit 14 vom Kopf der ersten Stufe werden in Wärmetausch mit gasförmigem Stickstoff 15 vom Kopf der zweiten Stufe in einem Wärmetauscher 16 unterkühlt, anschließend drosselentspannt und entsprechend ihrer Zusammensetzung in die zweite Stufe 9 eingeführt. Der Stickstoff 15 wird nach Anwärmung im Wärmetauscher 16 durch den Wärmetauscher 6 geleitet, wo er bis nahezu Umgebungstemperatur angewärmt wird. Oberhalb des Sumpfes der zweiten Stufe 9 wird Sauerstoff in gasförmigem Zustand über eine Leitung 17 entnommen und im Wärmetauscher 24 im Wärmetausch mit dem entspannten zweiten Teilstrom 5 angewärmt. Die Temperatur des Sauerstoffgases nach diesem Wärmetausch beträgt zwischen 98 und 105 K, vorzugsweise 102 K. Das angewärmte Sauerstoffgas wird anschließend durch den Wärmetauscher 6 geleitet und dort auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmt.
Bei einer O2-Produktreinheit von 99,6% ergibt sich durch den Wärmetausch im Wärmetauscher 24 eine Ausbeuteverbesserung um ca. 2%.
Das in Fig. 2 gezeigte Verfahrensschema unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 durch eine zusätzliche Argongewinnung. Hierzu wird an der Stelle maximaler Argon­ konzentration aus der zweiten Stufe 9 ein Gas mit etwa folgender Zusammensetzung über eine Leitung 18 entnommen:
ca. 90%O₂ ca. 0,002%N₂ ca. 9,9%Ar
Dieses Gas wird einer als Rohargonsäule bezeichneten Rektifizierkolonne 19 zugeführt, deren Kopf durch einen Teilstrom 20 der sauerstoffreichen Flüssigkeit 13 aus dem Sumpf der ersten Stufe gekühlt wird. Bei der Rektifikation entsteht eine sauerstoffreiche Flüssigkeit 21 im Sumpf der Argonsäule 19, die über eine Leitung 21 in die zweite Stufe 9 zurückgeleitet wird. Am Kopf der Argonsäule 19 erhält man eine gasförmige Rohargonfraktion mit etwa 97% Ar 2,5% O2 0,5% N2, die über eine Leitung 22 entnommen wird. Die im Kopfkühler der Argonsäule 19 anfallende verdampfte sauerstoff­ reiche Flüssigkeit wird über eine Leitung 23 in die zweite Stufe geleitet.
Durch den Wärmetausch im Wärmetauscher 24 wird eine Ausbeuteverbesserung für das Rohargon um ca. 5% erreicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation bei tiefen Temperaturen, bei dem die zu zerlegende Luft verdichtet, vorgereinigt und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der erste abgekühlt und der ersten Stufe der Rektifikation zugeführt und der zweite Teilstrom nachverdichtet, abgekühlt, entspannt und der zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte zweite Teilstrom vor seinem Eintritt in die zweite Stufe abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch Wärmetausch mit einem der Rektifikation entnommenen Prozeßstrom durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch Wärmetausch mit einem sauerstoff­ reichen Gasstrom aus dem unteren Bereich der zweiten Stufe durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffreiche Gasstrom nach seinem Wärmetausch mit dem entspannten zweiten Teilstrom im Wärmetausch mit dem ersten Teilstrom gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des zweiten Teilstroms arbeitsleistend durchgeführt wird und zumindest ein Teil der Entspannungsarbeit für die Nachverdichtung des zweiten Teilstroms verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nachverdichtete zweite Teilstrom vor seiner Entspannung durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Sauerstoff und Argon angereicherter Gasstrom aus der zweiten Stufe entnommen und durch Rektifikation in eine gasförmige Argonfraktion und eine flüssige Sauerstofffraktion zerlegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Sauerstofffraktion in die zweite Stufe eingeführt wird.
9. Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation bei tiefen Temperaturen mit einem Luftverdichter, einer nachfolgenden Reinigungsstufe, die einerseits über einen Strömungsquerschnitt eines ersten Wärmetauschers mit der ersten Stufe einer zweistufigen Rektifikationskolonne und andererseits über einen Nachverdichter und eine darauf folgende Entspannungsein­ richtung mit der zweiten Stufe der Rektifikationskolonne in Strömungsquerschnitt steht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Entspannungseinrichtung und der zweiten Stufe ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
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