DE4030749A1 - Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete, vorgereinigte Luft abgekühlt, einer einstufigen Luftzerlegersäule zugeführt und dort in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, wobei aus dem mittleren Bereich der Luftzerlegersäule eine argonhaltige Sauerstofffraktion entnommen, einer Rohargonsäule zugeführt und dort in eine Rohargonfraktion und eine flüssige Restfraktion zerlegt wird.
Ein derartiges Verfahren, bei dem im Anschluß an eine einstufige Luftzerlegung Rohargon gewonnen wird, ist aus der DE-PS 12 29 561 (Fig. 1) bekannt. Für den Trennprozeß in der Rohargonsäule muß eine Temperaturdifferenz entlang der Säule erzeugt und aufrechterhalten werden. Dies wird bei dem Verfahren der DE-PS 12 29 561 mit Hilfe eines Kältekreislaufs bewerkstelligt, der mit Rohargon als Arbeitsmedium betrieben wird. Kaltes Rohargon aus dem Kältekreislauf wird auf den Kopf der Rohargonsäule aufgegeben. Die flüssige Restfraktion enthält hauptsächlich Sauerstoff und wird in der Regel in die einstufige Luftzeriegersäule zurückgeleitet.
Eine Verfahrensführung gemäß DE-PS 12 29 561 bedingt jedoch zusätzliche Kapitalkosten durch den apparativen Aufwand für den Kältekreislauf und höhere Betriebskosten durch den Energiebedarf des Kältekreislaufs mit sich. Die Wirtschaftlichkeit des vorbekannten Verfahrens ist daher nicht zufriedenstellend.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Wirtschaftlichkeit der Rohargongewinnung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der obere Bereich der Rohargonsäule durch indirekten Wärmeaustausch mit einer Rohsauerstofffraktion gekühlt wird, die dem mittleren Bereich der Luftzerlegersäule entnommen wird.
Auf diese Weise kann die für die Rohargonrektifikation benötigte Kälte einem ohnehin vorhandenen Prozeßstrom entnommen werden. Zur Realisierung ist lediglich ein Wärmetauscher notwendig, der im Kopf der Rohargonsäule angeordnet oder mit diesem über Leitungen verbunden ist. Die Zufuhr externer Energie ist nicht erforderlich. Sowohl vom apparativen Aufwand als auch von den Betriebskosten her ist das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich kostengünstig.
Die Entnahme der Rohsauerstofffraktion erfolgt in der Regel 10 bis 25, vorzugsweise 15 bis 18 theoretische Böden oberhalb der Stelle, an der die argonhaltige Sauerstofffraktion aus der Luftzerlegersäule herausgeführt wird. (Insgesamt beträgt die theoretische Bodenzahl in der Luftzerlegersäule etwa 60.)
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Rohsauerstofffraktion in flüssigem Zustand aus der Luftzerlegersäule abgeführt wird und bei dem indirekten Wärmeaustausch mindestens teilweise verdampft. Durch die Aufnahme von latenter Wärme kann der Wärmeaustausch besonders effizient durchgeführt werden.
Die Rohsauerstofffraktion wird nach dem indirekten Wärmeaustausch vorzugsweise in die Luftzerlegersäule zurückgeleitet und an einer Stelle eingespeist, die mindestens einen theoretischen Boden unterhalb der Entnahmestelle der Rohsauerstofffraktion liegt. Damit bleibt diese Fraktion weiter im Verfahren, die bereits geleistete Trennarbeit geht nicht verloren. Durch die Erwärmung und/oder Verdampfung des Rohsauerstoffs wird zusätzlich Wärme bzw. Dampf in die Mitte der Luftzerlegersäule eingebracht. Dies kann zur Verbesserung von Ausbaute und/oder Trennschärfe in der Rektifikation beitragen.
In günstiger Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei dem indirekten Wärmeaustausch gasförmiges Rohargon am Kopf der Rohargonsäule kondensiert. Das kondensierte Rohargon kann beispielsweise als Flüssigprodukt entnommen werden.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn das kondensierte Rohargon mindestens teilweise als Rücklauf auf die Rohargonsäule aufgegeben wird.
Die Erfindung sowie nähere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung skizziert dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Luft wird über Leitung 1 von einem Verdichter 2 angesaugt und anschließend in einem Trockner 3 von Wasser und Kohlendioxid befreit. Die auf 5,5 bis 6,0 , vorzugsweise 5,6 bis 5,7 bar verdichtete und vorgereinigte Luft wird über Leitung 4 durch einen Wärmetauscher 5 geführt und dort in indirektem Wärmeaustausch mit Produktströmen zunächst auf eine Temperatur von 146 bis 154 K, vorzugsweise 150 bis 152 K abgekühlt. Die abgekühlte Luft wird in einer Entspannungsturbine 6 auf einen Druck von 1,2 bis 1,5, vorzugsweise 1,3 bis 1,4 bar entspannt und kühlt sich dabei weiter auf 172 bis 178, vorzugsweise 174 bis 176 K ab. Anschließend wird sie über Leitung 7 in die Luftzerlegersäule 8 eingeführt.
Der Luftzerlegersäule 8 werden als Produkte flüssiger Sauerstoff 9, gasförmiger Sauerstoff 10, flüssiger Stickstoff 11 und gasförmiger Stickstoff 12 entnommen. Die gasförmigen Produktströme 10, 12 werden im Wärmetauscher 5 auf nahezu Umgebungstemperatur erwärmt (Leitungen 13, 14).
Etwas unterhalb des Kopfes der Luftzerlegersäule 8 wird außerdem unreiner Stickstoff 15 entnommen, im Wärmetauscher 5 angewärmt und teilweise (Leitung 16) als Regeneriergas für den Trockner 3 verwendet.
Ein Teil des gasförmigen Stickstoffprodukts in Leitung 14 wird über Leitung 17 einem Kältekreislauf zugeführt, zu dem ein Kreislaufverdichter 18 und eine Entspannungsturbine 20 gehören. Das entspannte Kreislaufgas wird über Leitung 21 in einen Kondensator 23 geleitet, der in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Sumpf der Luftzerlegersäule 8 steht. Das im Kreislaufverdichter 18 komprimierte Gas wird teilweise über Leitung 22 an der Entspannungsturbine 20 vorbeigeleitet und direkt in den Kondensator 23 eingedrosselt.
Der Kreislaufstickstoff wird im Kondensator 23 im Wärmeaustausch mit verdampfender Sumpfflüssigkeit der Luftzerlegersäule 8 kondensiert, in flüssigem Zustand abgezogen (Leitung 24), unterkühlt (Wärmetauscher 25) und über Leitung 26 als Rücklaufflüssigkeit in die Luftzerlegersäule 8 eingeführt.
Über Leitung 27 wird aus dem mittleren Bereich der Luftzerlegersäule 8 ein argonhaltiger Sauerstoffstrom (ca. 10 bis 13, vorzugsweise etwa 12 Vol% Argon, 87 bis 90, vorzugsweise etwa 88 Vol% Sauerstoff und 0,10 bis 0,15, vorzugsweise etwa 0,13 Vol% Stickstoff) entnommen, dem unteren Ende einer Rohargonsäule 28 zugeführt und dort in am Kopf der Säule anfallendes Rohargon und eine im Sumpf anfallende Restfraktion zerlegt. Rohargon mit einem Argongehalt von 96 bis 98, vorzugsweise 97,0 bis 97,5 Vol% (weniger als 1 Vol% Sauerstoff, Rest Stickstoff) wird beispielsweise in flüssigem Zustand über eine Leitung 29 abgezogen und im allgemeinen anschließend einer Feinreinigung zur Entfernung des Stickstoffs unterzogen. Die flüssige Restfraktion wird über Leitung 30 abgezogen und wieder in die Luftzerlegersäule 8 zurückgeleitet. Die Einspeisestelle liegt einen theoretischen Boden unterhalb der Entnahmestelle der argonhaltigen Sauerstofffraktion (Leitung 27). Um die Restflüssigkeit aus der Rohargonsäule 26 in die Luftzerlegersäule 8 zu fördern, kann eine Pumpe 31 vorgesehen sein.
Gemäß der Erfindung ist am Kopf der Rohargonsäule 28 ein Kondensator 32 vorgesehen, der zur Verflüssigung von gasförmigem Rohargon am Kopf der Rohargonsäule 28 dient. Die dabei erhaltene Flüssigkeit wird zum einen Teil über Leitung 29 als Flüssigprodukt entnommen, zum anderen Teil dient sie als Rücklaufflüssigkeit in der Rohargonsäule 28.
Als Kältemittel für den Kondensator 32 dient eine Rohsauerstofffraktion aus der Luftzerlegersäule 8, die über Leitung 33 herangeführt wird. Der Rohsauerstoff wird 15 bis 18, vorzugsweise 16 bis 17 theoretische Böden oberhalb der Entnahmestelle für die argonhaltige Sauerstofffraktion (Leitung 27) in flüssigem Zustand entnommen. Die Rohsauerstofffraktion enthält 29 bis 31, vorzugsweise 30 bis 30,5 Vol% Sauerstoff und wird bei dem Wärmeaustausch im Kondensator 32 verdampft. Der dabei entstandene gasförmige Rohsauerstoff wird über Leitung 34 in die Luftzerlegersäule 8 zurückgespeist, und zwar einen theoretischen Boden unterhalb der Entnahmestelle (Leitung 33).

Claims (5)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem verdichtete, vorgereinigte Luft (4) abgekühlt (5), einer einstufigen Luftzerlegersäule (8) zugeführt (7) und dort in Sauerstoff (9, 10) und Stickstoff (11, 12) zerlegt wird, wobei aus dem mittleren Bereich der Luftzerlegersäule (8) eine argonhaltige Sauerstofffraktion (27) entnommen, einer Rohargonsäule (28) zugeführt und dort in eine Rohargonfraktion (29) und eine flüssige Restfraktion (30) zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich der Rohargonsäule (28) durch indirekten Wärmeaustausch (32) mit einer Rohsauerstofffraktion (33) gekühlt wird, die dem mittleren Bereich der Luftzerlegersäule (8) entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsauerstofffraktion (33) in flüssigem Zustand aus der Luftzerlegersäule (8) abgeführt wird und bei dem indirekten Wärmeaustausch (32) mindestens teilweise verdampft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsauerstofffraktion nach dem indirekten Wärmeaustausch (32) in die Luftzerlegersäule (8) zurückgeleitet (34) und an einer Stelle eingespeist wird, die mindestens einen theoretischen Boden unterhalb der Entnahmestelle der Rohsauerstofffraktion (33) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem indirekten Wärmeaustausch (32) gasförmiges Rohargon am Kopf der Rohargonsäule (28) kondensiert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierte Rohargon mindestens teilweise als Rücklauf auf die Rohargonsäule (28) aufgegeben wird.
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