DE4336769C1 - Verfahren zur Trennung von Luft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Trennung von Luft werden derzeit industriell drei ver­ schiedene Verfahren angewendet:

• 1. Tieftemperaturzerlegung,
• 2. Druckwechseladsorptionsverfahren,
• 3. Membranverfahren.

Allen drei Verfahren gemeinsam ist die Verwendung von Umge­ bungsluft als zu trennendes Gasgemisch. Während die Tieftem­ peraturzerlegung vorwiegend zur zentralen Luftzerlegung zur Erzeugung größerer Mengen Stickstoff bzw. Sauerstoff einge­ setzt wird, werden die beiden letztgenannten Verfahren haupt­ sächlich zur Luftzerlegung direkt am Verwendungsort der gewon­ nenen Gase eingesetzt. Die Anlage wird entsprechend dem Gasbe­ darf am Verwendungsort ausgelegt.

Bei dem Druckwechseladsorptionsverfahren und bei dem Mem­ branverfahren wird das zu trennende Gasgemisch Luft mittels Verdichter auf den für die Trennung notwendigen Druck ver­ dichtet, welcher im allgemeinen im Druckbereich von 5 bis 13 bar liegt. Die zur Verdichtung notwendige Energie stellt zu 90-100% die gesamte zur Luftzerlegung notwendige Energie dar. Nach der Verdichtung erfolgt die Aufbereitung der ver­ dichteten Luft, um eine wirkungsgradmindernde Kontamination des Adsorptionsmittels bzw. der Trennmembran zu verhindern.

Sowohl die in Druckwechseladsorptionsanlagen eingesetzten Adsorptionsmittel (Kohlenstoffmolekularsiebe und Zeolithe), als auch die Membranen der Membrananlagen zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Öldämpfen aus. Zur langfristigen Aufrechterhaltung der Trenneffizienz ist es zwingend erforderlich, das zu trennen­ de Gas weitestgehend vor Feuchtigkeit und Öldämpfen zu be­ freien.

Aus der DE 34 13 861 A1 ist ein Adsorptionsverfahren zur Reinigung von Luft beispielsweise zur Abtrennung von Wasser­ dampf bekannt bei dem die Regeneration des Adsorbers mit einem heißen Spülgas erfolgt.

Die DE 34 13 895 A1 offenbart ein Druckwechselverfahren zur adsorptiven Trennung von Gasgemischen bei dem die Desorption mittels Vakuumpumpe in Gegenstrom zur Adsorption erfolgt. Dabei wird das trennende Gasgemisch durch Wärmeaustausch mit der Vakuumpumpe aufgewärmt und so der Energieverbrauch ge­ senkt.

Aus der P 26 52 486 ist ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft bekannt. Sowohl bei Anlagen gemäß diesem Druckwechseladsorptionsverfahren als auch bei Membrananlagen wird die Luft üblicherweise mit öleingespritzten Verdichtern verdichtet und anschließend in eine Druckluftaufbereitungsstrecke, bestehend aus einem Fliekraftabscheider, einem Feststoffilter, einem Trockner und einem Koaleszens- und Aktivkohlefilter, aufbereitet. Dabei werden die Wassergehalte entweder durch Adsorptionstrockner oder durch Kältetrockner re­ duziert.

Die gesamte Druckluftaufbereitung verursacht einen Druckverlust von 0,5 bar bei neuen unbeladenen Filtern, bis 1,0 bar bei be­ ladenen Filtern. Die Druckluftaufbereitung hat die Aufgabe, die Wassergehalte, Öl und Feststoffgehalte der Luft auf einen für das Trennmedium zulässigen Wert abzusenken. Die Feststoffent­ fernung erfolgt über den dem Verdichter nachgeschalteten Fest­ stoffilter. Bei öleingespritzten Verdichtern liegt das Öl nach der Verdichtung in Aerosol- und Dampfform vor. Öl-Aerosole wer­ den über Koaleszensfilter und Öldämpfe über Aktivkohlefilter entfernt. Wasser liegt wie Öl in Aerosol- und Dampfform vor. Wasser-Aerosole werden nach dem Fliehkraftprinzip mittels Zy­ klonabscheider entfernt.

Jede Stufe der Druckluftaufbereitung bedingt einen bestimmten Druckverlust, Investitions-, Installations- sowie Wartungs­ kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten der Ver­ dichtung und der Druckluftaufbereitung zu minimieren und bei gleich großen Produktgasmengen den Energiebedarf des Verfahrens zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem Verdichter der Gastrennanlage die dem Verdichter zugeleitete Luft abgekühlt wird. Die Temperaturabsenkung soll dabei im Bereich von 20-60 K, vorzugsweise 40-50 K, erfolgen. Die Temperaturabsenkung der zu verdichtenden Luft wird mit handelsüblichen Kühlaggrega­ ten vorgenommen.

Der Erfindung zufolge wird die Umgebungsluft vor Eintritt in den Verdichter (z. B. Schraubenverdichter oder Kolbenverdich­ ter) von Umgebungstemperatur (z. B. 20 °C) auf eine Temperatur deutlich unterhalb des Wassergefrierpunktes (z. B. -30 °C) ab­ gekühlt. Innerhalb des vorgeschalteten Kühlaggregates wird auf­ grund der Temperaturabsenkung dampfförmig vorliegendes Wasser auskondensiert und auf den Wärmetauscherflächen in Form von Eis abgeschieden. Gleichzeitig werden nahezu alle Feststoffteilchen im Kondensatwasser und im gebildeten Eis festgehalten; die Feststoffteilchen wirken dabei als Kondensations- und Kristal­ lationskeime der Wasserabscheidung. Die kalte getrocknete und von Feststoff gereinigte Luft gelangt anschließend in den Ver­ dichter. Aufgrund der durch die Temperaturabsenkung bewirkten Erhöhung der spezifischen Dichte der zu komprimierenden Luft verdichtet der Kompressor entsprechend mehr Luftmassen.

Die spezifische Dichte der Luft erhöht sich bei einer Tempera­ turabsenkung von 293 K auf 243 K um ca. 17%; die vom Kompres­ sor verdichtete Luftmasse erhöht sich damit ebenfalls um ca. 17% bei gleicher Energieaufnahme des Kompressors. Die Ver­ dichtungsendtemperatur innerhalb des Kompressors wird gleich­ zeitig um ca. 50 K abgesenkt, was zu einer deutlich geringeren Öldampfbeladung der verdichteten Luft führt.

Die den Kompressor verlassende Druckluft ist nahezu frei von Feststoff, weist keinerlei aerosolförmige Wasseranteile auf und hat zudem einen sehr niedrigen Wasserdampfanteil. Die noch ver­ bleibenden Öl-Aerosole können mit einem einzigen Koaleszens­ filter ausgeschieden werden. Aufgrund der Vortrocknung im vor­ geschalteten Kühlaggregat und aufgrund der hohen Druckluftqua­ lität entfallen somit weitere Filter, wodurch der Druckverlust entsprechend reduziert wird.

Aufgrund der erhöhten verdichteten Luftmasse steht der Trennan­ lage (Druckwechseladsorptionsanlage bzw. Membrananlage) ent­ sprechend mehr Luft zur Luftzerlegung zur Verfügung, ohne daß der installierte Kompressor mehr Energie zur Verdichtung auf­ nimmt, bzw. man kann bei der Auslegung der Anlage einen ent­ sprechend kleineren Kompressor vorsehen.

Bringt man die zur Kühlung im Kühlaggregat aufgewendete Energie in Abzug und berücksichtigt weiterhin den Fortfall des Trock­ ners und der Filter, ergibt sich über alles eine Energieeinspa­ rung von ca. 10%.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die Investitions­ kosten des vorgeschalteten Kühlaggregates in etwa der Kosten­ einsparung durch den kleineren Kompressor, durch Wegfall des Trockners und der Filter entsprechen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigt die Zeichnung in der

Fig. 1 ein Verfahrensfließbild einer Druckwechselad­ sorptionsanlage zur Gewinnung von Stick­ stoffreichgas, in der

Fig. 2 das Verfahrensfließbild einer Druckwechselad­ sorptionsanlage zur Gewinnung von Sauer­ stoffreichgas und in der

Fig. 3 das Verfahrensfließbild einer Membrananlage zur Stickstoffgewinnung.

Aus der Fig. 1 geht hervor, daß Luft durch ein Kühlaggregat 1 in einen Verdichter 2 und anschließend über einen Koaleszens­ filter 3 in eine Druckwechseladsorptionsanlage 4 zur Stick­ stoffreichgasgewinnung unter Verwendung von Molekularsieben auf Zeolith- oder Kohlenstoffbasis als Adsorptionsmittel geführt wird. Über eine Leitung 5 verläßt Stickstoffreichgas die Druck­ wechseladsorptionsanlage 4, während ein sauerstoffreiches Abgas über eine Leitung 6 abgeführt wird.

In der Fig. 2 ist das Verfahrensfließbild einer Druckwech­ seladsorptionsanlage zur Gewinnung von Sauerstoffreichgas unter Verwendung von Zeolithen als Adsorptionsmittel dargestellt. Die Luft wird über ein Kühlaggregat 11 und einen Verdichter 12 so­ wie ein Koaleszensfilter 13 in die Druckwechseladsorptionsan­ lage 14 geführt. Über eine Leitung 15 wird Sauerstoffreichgas gewonnen, während über eine Leitung 16 ein stickstoffreiches Abgas abgeführt wird.

Aus der Fig. 3 geht hervor, daß Luft über ein Kühlaggregat 21, einen Verdichter 22 und ein Koaleszensfilter 23 in eine Mem­ brananlage 24 zur Stickstoffreichgasgewinnung geführt wird. Über eine Leitung 25 wird ein Stickstoffreichgas gewonnen, wäh­ rend über eine Leitung 26 ein sauerstoffreiches Abgas abgeführt wird.

Ausführungsbeispiel und Vergleichsbeispiel 1

Eine Druckwechseladsorptionsanlage zur Luftzerlegung zur Gewin­ nung von Stickstoff unter Einsatz von Kohlenstoffmolekularsieb als Adsorptionsmittel soll Stickstoffreichgas mit einem Rest­ sauerstoffgehalt von 0,5 Vol.-% erzeugen. Zur Erzielung einer Stickstoffproduktgasmenge von ca. 300-310 m³/h wird einmal ein 90 kW-Schraubenkompressor (öleingespritzt) und einmal ein 75 kW-Schraubenkompressor (öleingespritzt) mit vorgeschaltetem Kühlaggregat entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführung be­ trieben. Bei der herkömmlichen Ausführung ohne Vorkühlung wird zur Druckluftaufbereitung ein Zyklonabscheider, ein Vorfilter, ein Kältetrockner, ein Koaleszensfilter und ein Aktivkohlefil­ ter zur Druckluftaufbereitung eingesetzt. Bei der erfindungsge­ mäßen Ausführung wird bei dem 75 kW-Schraubenkompressor ein Kälteaggregat zur Luftvorkühlung eingesetzt. Zur weiteren Druckluftaufbereitung wird nur ein Koaleszensfilter eingesetzt.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Luftvorkühlung wird der spezifische Gesamtenergiebedarf zur Stickstofferzeugung um fast 10% reduziert.

Die Investitionskosten des vorgeschalteten Kühlaggregates sind in etwa gleich hoch wie die Kosteneinsparung durch den kleine­ ren Kompressor, durch den Wegfall des Trockners und der Filter.

Die Versuchsergebnisse können der nachfolgenden Tabelle entnom­ men werden.

Ausführungsbeispiel und Vergleichsbeispiel 2

Eine Druckwechseladsorptionsanlage zur Luftzerlegung zur Gewin­ nung von Sauerstoffreichgas unter Einsatz von Zeolith als Ad­ sorptionsmittel soll Sauerstoffreichgas mit einer Sauerstoff­ konzentration von 93 Vol.-% erzeugen. Zur Erzielung einer Sau­ erstoffreichgasmenge von 40 m³/h wird einmal ein ölfreier 75 kW-Drehzahnkompressor und einmal ein ölfreier 55 kW-Drehzahn­ kompressor mit vorgeschaltetem Kühlaggregat entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführung betrieben.

Bei der herkömmlichen Ausführung ohne Vorkühlung wird zur Druckluftaufbereitung ein Zyklonabscheider, ein Vorfilter und ein kalt regenerierender Adsorptionstrockner eingesetzt. Da der Kompressor ölfrei verdichtet, wird kein Koaleszensfilter und Aktivkohlefilter eingesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Ausfüh­ rung wird dem 55 kW-Drehzahnkompressor nur das Kühlaggregat vorgeschaltet. Da damit die Druckluft nach dem Verdichter frei von Feststoffpartikeln ist und durch die Vorkühlung bereits den notwendigen Drucklufttaupunkt aufweist, ist nach dem Verdichter keinerlei zusätzliche Druckluftaufbereitung notwendig.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Luftvorkühlung wird der spezifische Gesamtenergiebedarf zur Sauerstoffreichgaserzeugung um über 12% reduziert.

Die Versuchsergebnisse können der nachfolgenden Tabelle entnom­ men werden.

Bezugszeichenliste

1 Kühlaggregat
2 Verdichter
3 Koaleszensfilter
4 Druckwechseladsorptionsanlage
5 Leitung
6 Leitung
11 Kühlaggregat
12 Verdichter
13 Koaleszensfilter
14 Druckwechseladsorptionsanlage
15 Leitung
16 Leitung
21 Kühlaggregat
22 Verdichter
23 Koaleszensfilter
24 Membrananlage
25 Leitung
26 Leitung

Claims (4)

1. Verfahren zur Trennung von Luft, bei dem diese vor der Trennung verdichtet, gefiltert und getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Luft vor der Verdichtung abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft um 20-60 K, vorzugsweise 40-50 K, abge­ kühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennung der Luft durch ein Druckwechsel­ adsorptionverfahren erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennung der Luft durch ein Membranver­ fahren erfolgt.