DE3732364A1 - Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch rektifikation - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch rektifikation

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation, bei dem die Luft in periodisch umschaltbaren Molekularsiebadsorbern vorgereinigt, anschließend abgekühlt und der Rektifikation zugeführt wird, und bei dem die Molekularsiebadsorber jeweils abwechselnd von der vorzureinigenden Luft und von einem Regeneriergas durchströmt werden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Die Luftzerlegung durch Rektifikation findet bei Temperaturen weit unterhalb der Umgebungstemperatur statt. Um eine Verlegung von Rohrquerschnitten durch ausfrierende Luftbestandteile, insbesondere CO2 und H2O zu verhindern, müssen diese Komponenten vor der Abkühlung der Luft auf die Rektifikationstemperatur abgetrennt werden. Die Abtrennung findet üblicherweise in Molekularsiebadsorbern statt, durch die die Luft vor ihrer Abkühlung durchgeleitet wird. Da die Aufnahmekapazität der Molekularsiebe nach einiger Zeit erschöpft ist, wird die Luftzufuhr von Zeit zu Zeit gestoppt und die Molekularsiebe werden durch ein Regeneriergas, das durch die Adsorber geleitet wird, und das frei von H2O und CO2, aber aufnahmefähig für diese Komponenten ist, regeneriert. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, sind mindestens zwei Molekularsiebadsorber oder zwei Gruppen von Molekularsiebadsorbern vorgesehen, von denen jeweils der/die eine von der vorzureinigenden Luft und der/die andere von dem Regeneriergas durchströmt wird und deren Funktion in periodischem Wechsel vertauscht wird.
Es ist bekannt, daß bei einer Luftzerlegungsanlage, in der als Produkte Sauerstoff und/oder Stickstoff gewonnen werden, ein unreiner Stickstoffstrom, d.h. ein Stickstoffstrom, der noch gewisse Anteile an Sauerstoff (z.B. 1%) enthält, aus der Rektifikation entnommen und als Regeneriergas durch den bzw. die Molekularsiebadsorber geleitet wird.
Allerdings weist dieses Verfahren den Nachteil auf, daß die Stickstoffmenge, die für die Regenerierung der Molekularsiebadsorber benötigt wird, nicht für die Produkterzeugung zur Verfügung steht, so daß nicht die rein rechnerisch maximal mögliche Produktmenge aus der der Rektifikation zugeführten Luft gewonnen werden kann. Außerdem ist es nachteilig, daß das Regeneriergas nahezu den gesamten Rektifikationsprozeß durchlaufen muß, was den energetischen und den apparativen Aufwand erhöht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das eine Maximierung der Produktausbeute ermöglicht und das zugleich eine ausreichende Regenerierung der Molekularsiebadsorber gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teilstrom von der vorgereinigten Luft abgezweigt und als Regeneriergas durch den zu regenerierenden Molekularsiebadsorber geleitet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Regenerierung der Molekularsiebadsorber nicht mehr wie bisher üblich durch einen der Rektifikation entnommenen Gasstrom, sondern durch einen Teilstrom der vorgereinigten Luft. Die gesamte der Rektifikation zugeführte Luftmenge kann daher zu den gewünschten Produkten verarbeitet werden. Die Regenerierung der Molekularsiebadsorber wird durch einen Luftstrom durchgeführt, der von dem vorgereinigten Luftstrom abgezweigt wird. Der abgezweigte Luftstrom erfüllt die wesentlichen Voraussetzungen des Regeneriergasstromes, er ist im wesentlichen frei von CO2 und H2O und ist aufnahmefähig für diese Komponenten. Als weiterer Vorteil ist anzuführen, daß der Regeneriergasstrom nicht die Rektifikation durchlaufen muß, so daß sich der energetische und apparative Aufwand für die Rektifikation verringert.
Da die der Rektifikation zugeführte Luftmenge um die Menge des Regenerierluftstroms verringert ist, müssen die Molekularsiebadsorber auf eine Luftmenge ausgelegt sein, die größer als die der Rektifikation zugeführte Luftmenge ist, nämlich auf eine Menge, die der Summe der Mengen von Regenerierluft und Rektifizierluft entspricht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der abgezweigte Teilstrom vor seiner Verwendung als Regeneriergas arbeitsleistend entspannt.
Die zu zerlegende Luft wird vor ihrer Vorreinigung verdichtet, und zwar vorzugsweise auf etwa den Rektifikationsdruck. Dieser Druck liegt, sofern die Produkte nicht unter erhöhtem, d.h. überatmosphärischem Druck, aus der Rektifizierkolonne entnommen werden sollen, in der Größenordnung von 5 bis 10 bar. Bei diesem Druck findet die Vorreinigung der Luft statt. Die Regenerierung findet dagegen vorzugsweise auf einem niedrigeren Druckniveau statt. Der Regenerierluftstrom wird mit Vorteil auf einen Druck entspannt, der für ein Durchströmen des zu regenerierenden Molekularsiebadsorbers gerade noch ausreichend ist. Auf ein zusätzliches Gebläse für den Regenerierluftstrom kann dann verzichtet werden.
Mit Vorteil wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Teilstrom auf einen Druck zwischen 1 und 3 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 2 bar, entspannt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die bei der Entspannung des Teilstroms erzeugte Wellenleistung auf ein Bremsgebläse übertragen.
Mit dieser Maßnahme kann die Energie, die für die Verdichtung der Regenerierluft aufgewendet wurde, nahezu vollständig zurückgewonnen werden. Die übertragene Wellenleistung wird beispielsweise ins Netz eingespeist. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Energierückgewinnung besteht darin, die Entspannungseinrichtung mit einem Verdichter zu koppeln.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der entspannte Teilstrom in Wärmetausch mit einem Kältekreislauf der Luftzerlegungsanlage gebracht.
Bei Luftzerlegungsanlagen wird der benötigte Kältebedarf häufig durch einen Kältekreislauf gedeckt. Die bei der Entspannung der Regenerierluft erzeugte Kälte wird dieser Verfahrensführung auf den Kältekreislauf übertragen. Der Kältekreislauf kann dadurch energie- bzw. mengenmäßig entlastet werden. Nachdem der Teilstrom dem Kältekreislauf Wärme entzogen hat, wird er mit etwa Umgebungstemperatur an die Umgebung abgegeben.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Teilstrom zwischen 5 und 40% der Menge der vorgereinigten Luft beträgt. Vorzugsweise beträgt sein Anteil zwischen 10 und 30%.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Hierbei zeigt die Figur ein Verfahrensschema zur gleichzeitigen Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation von Luft.
Luft 1 aus der Umgebung wird in einem Verdichter 2 auf einen Druck zwischen 5 und 7, vorzugsweise etwa 6,2 bar verdichtet. Nach Abführung der Verdichtungswärme in einem Kühler 3 wird die verdichtete Luft durch einen Abscheider 4 geleitet, in dem kondensiertes Wasser abgetrennt wird (Leitung 5).
Die vorgetrocknete Luft wird über eine Leitung 6 einer Vorreinigung zugeführt, die beispielsweise zwei Molekularsiebadsorber 7 a, 7 b enthält. Die Molekularsiebadsorber enthalten eine Schüttung aus handelsüblichen Molekularsieben, die selektiv auf CO2 und H2O wirken. Mit Hilfe von Schalteinrichtungen, die ebenfalls Stand der Technik sind und daher nicht näher erläutert werden, wird die vorgetrocknete Luft abwechselnd einem der beiden Molekularsiebadsorber 7 a, 7 b zugeführt. ln den Molekularsiebadsorbern erfolgt die Abtrennung unerwünschter Bestandteile aus der Luft, insbesondere H2O und CO2. Die gereinigte Luft, beispielsweise 20000 Nm3/h mit 6,2 bar und 284 K wird über eine Leitung 8 entnommen und in zwei Teilströme 9, 10 aufgeteilt. Der größere Teilstrom 9 (ca. 16000 Nm3/h) wird in einem Wärmetauscher 11 in Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten auf etwa 100 K abgekühlt und mit einem Druck von 5,7 bar der ersten Stufe 12 einer Doppelrektifizierkolonne zugeführt. Dort findet eine Vorzerlegung der Luft in eine gasförmige Stickstofffraktion und eine flüssige sauerstoffreiche Fraktion statt. Der Kopf der ersten Stufe 12 steht über einen Kondensator-Verdampfer in wärmetauschender Verbindung mit der zweiten Stufe 13 der Doppelrektifizierkolonne. Ein Teil des Stickstoffs im Kopf der ersten Stufe 12 kondensiert und dient teils als Rücklauf für die erste Stufe und wird zum anderen Teil entnommen (Leitung 14) und, nach Unterkühlung in einem Wärmetauscher 15 in Wärmetausch mit Stickstoffprodukt in zwei Teilströme 16, 17 aufgeteilt, deren einer (16) drosselentspannt und der zweiten Stufe 13 zugeführt wird. Die flüssige sauerstoffreiche Fraktion aus dem Sumpf der ersten Stufe 12 wird über eine Leitung 18 entnommen, in einem Wärmeteauscher 19 in Wärmetausch mit Stickstoffprodukt aus der zweiten Stufe unterkühlt, drosselentspannt und ebenfalls der zweiten Stufe 13 zugeführt.
In der zweiten Stufe 13 findet eine Zerlegung der Vorzerlegungsprodukte in gasförmigen Stickstoff und flüssigen Sauerstoff statt. Flüssiger 99,7%iger Sauerstoff (3.354 Nm3/h) wird über eine Leitung 20 entnommen. Gas­ förmiger 99,5%iger Sauerstoff wird unmittelbar oberhalb der Sumpfflüssigkeit aus der zweiten Stufe 13 entnommen (5 Nm3/h) und über eine Leitung 21 dem Wärmetauscher 11 zugeführt, in dem er gegen die eintretende Luft angewärmt wird.
Der Stickstoff in Leitung 17 aus der ersten Stufe 12 wird drosselentspannt und einem Abscheider 22 zugeführt, aus dem flüssiger Stickstoff (12000 Nm3/) über eine Leitung 23 entnommen wird. Der Flashanteil des Stickstoffs wird über eine Leitung 24 dem über eine Leitung 25 vom Kopf der zweiten Stufe entnommenen Stickstoff zugemischt und die beiden vermischten Stickstoffströme, deren Menge 11190 Nm3/h beträgt, werden über eine Leitung 26 nacheinander den beiden Wärmetauschern 15, 19 zugeführt. Anschließend wird der Stickstoff im Wärmetauscher 11 angewärmt und in einem Verdichter 27 auf ca. 5,5 bar verdichtet. Bei Bedarf könnte ein Teil des Stickstoffs über eine Leitung 28 als Produkt entnommen werden.
Nach Abführung der Kompressionswärme wird dem Stickstoff ein weiterer, nachfolgend noch näher beschriebener Stickstoffstrom 29 zugemischt und die beiden vermischten Stickstoffströme werden in einem Verdichter 30 auf ca. 31 bar verdichtet. Nach Abführung der Kompressionswärme wird der verdichtete Stickstoff in zwei Teilströme 31, 32 aufgeteilt.
Aus der ersten Stufe 12 wird über eine Leitung 33 Stickstoff entnommen (6310 Nm3/h). Ein erster Teilstrom dieses Stickstoffs (360 Nm3/h), Leitung 34 wird in aufeinanderfolgenden Wärmetauschern 35, 36, 37 in Gegenstrom zu Kreislaufstickstoff nacheinander von 96 K auf 158 K, dann auf 230 K und schließlich auf 301 K angewärmt. Ein zweiter Teilstrom des Stickstoffs (5950 Nm3/h), Leitung 38 wird im Wärmetauscher 11 angewärmt. Während der größte Teil des Stickstoffs den Wärmetauscher 11 vollständig durchströmt, anschließend mit dem ersten Teilstrom vermischt und gemeinsam mit diesem über die Leitung 29 dem Stickstoffstrom zwischen den beiden Verdichtern 27 und 30 zugeführt wird, wird ein Teilstrom 39 (1180 Nm3/h) an einer Zwischenstelle mit 165 K aus dem Wärmetauscher 11 entnommen und dem ersten Teilstrom zwischen den beiden Wärmetauschern 35 und 36 zugeführt.
Der Stickstoff-Teilstrom 31 (32000 Nm3/h) wird im Wärmetauscher 37 auf 240 K abgekühlt und in einer Turbine 40 ("warme Turbine") entspannt, wobei er sich auf 161,5 K abkühlt. Der entspannte Stickstoff wird dem Stickstoffstrom 34 zwischen den beiden Wärmetauschern 35 und 36 zugemischt.
Der zweite Stickstoff-Teilstrom 32 wird in zwei aufeinanderfolgenden Verdichtern 41, 42 in zwei Stufen auf 49 bar verdichtet. Nach jeder Verdichterstufe wird die Kompressionswärme abgeführt. Der verdichtete Stickstoff wird im Wärmetauscher 37 von 303 K auf 240 K, anschließend im Wärmetauscher 36 von 240 auf 169 K abgekühlt. Der Stickstoff wird nunmehr in zwei Teilströme 43, 44 aufgeteilt. Der Teilstrom 43 (17000 Nm3/h) wird im Wärmetauscher 35 auf 98 K abgekühlt und anschließend nach Drosselentspannung der ersten Stufe 12 zugeführt. Der andere Teilstrom 44 (51490 Nm3/h) wird in einer Turbine 45 ("kalte Turbine") entspannt, wobei er sich auf etwa 98 K abkühlt. Das Turbinenabgas wird einem Abscheider 46 zugeführt, um Kondensat abzutrennen falls ins Naßdampfgebiet entspannt wurde. Das Gas (51490 Nm3/h) wird über eine Leitung 48 dem Stickstoffstrom 34 vor dem Wärmetauscher 35 zugeführt. Das Kondensat wird über eine Leitung 49 zusammen mit dem Stickstoff aus der ersten Stufe 12 in Leitung 16 der zweiten Stufe 13 zugeführt. Die Verdichter 41, 42 sind mit den Entspannungsturbinen 45 bzw. 40 gekoppelt. Der zweite Teilstrom 10 der vorgereinigten Luft (4000 Nm3/h) wird in einer mit einem Bremsgebläse gekoppelten Turbine 50 von 6,2 auf 1,2 bar entspannt, wobei sich die Luft von 281 K auf 210 K abkühlt. Die entspannte Luft wird nacheinander durch die Wärmetauscher 36, 37 geleitet, wobei sie sich auf 301 K erwärmt. Anschließend wird die Luft über eine Leitung 51 als Regeneriergas abwechselnd den Molsiebadsorbern 7 a, 7 b zugeführt. Die die Gasführung steuernden Ventile an den Molsiebadsorbern sind dabei so geschaltet, daß jeweils abwechselnd einer der beiden Adsorber von vorzureinigender Luft und der andere der beiden Adsorber von dem Regeneriergas durchströmt wird und die Funktion der beiden Adsorber in periodischen Zeitabständen vertauscht wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation, bei dem die Luft in periodisch umschaltbaren Molekularsiebadsorbern vorgereinigt, anschließend abgekühlt und der Rektifikation zugeführt wird, und bei dem die Molekularsiebadsorber jeweils abwechselnd von der vorzureinigenden Luft und von einem Regeneriergas durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom von der vorgereinigten Luft abgezweigt und als Regeneriergas durch das zu regenerierende Molekularsieb geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Teilstrom vor seiner Verwendung als Regeneriergas arbeitsleistend entspannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom auf einen Druck zwischen 1 und 3 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 2 bar entspannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Entspannung des Teilstroms erzeugte Wellenleistung auf ein Bremsgebläse übertragen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der entspannte Teilstrom in Wärmetausch mit einem Kältekreislauf der Luftzerlegungsanlage gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom zwischen 5 und 40% der Menge der vorgereinigten Luft beträgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem paar von umschaltbaren Molekularsiebadsorbern, die eine erste Zuführungseinrichtung für vorzureinigende Luft und eine erste Abführungseinrichtung für vorgereinigte Luft sowie eine zweite Zuführungseinrichtung für ein Regeneriergas und eine zweite Abführungseinrichtung für verbrauchtes Regeneriergas aufweisen und mit einer Rektifizierkolonne, die mit der ersten Abführungseinrichtung in Strömungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abführungseinrichtung in Strömungsverbindung mit der zweiten Zuführungseinrichtung steht.
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EP2863156A1 (de) 2013-10-17 2015-04-22 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zur Gewinnung wenigstens eines Luftprodukts in einer Luftbehandlungsanlage und Luftbehandlungsanlage

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