DE69402745T2 - Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff und/oder Stickstoff unter Druck - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff und/oder Stickstoff unter Druck

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff und/oder gasförmigem Stickstoff unter Druck, bei dem
  • - Luft in einer Doppel-Destillationskolonne destilliert wird, die eine Niederdruckkolonne, die unter einem Druck arbeitet, der Niederdruck genannt wird, und eine Mitteldruckkolonne, die unter einem Druck arbeitet, der Mitteldruck genannt wird, umfaßt;
  • - die gesamte, zu destillierende Luft auf zumindest einem hohen Druck, der deutlich höher ist als der Mitteldruck, verdichtet wird;
  • - die verdichtete Luft auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wird und ein Teil davon in einer Turbine vor Einleiten in die Mitteldruckkolonne auf den Mitteldruck entspannt wird;
  • - die nicht durch die Turbine geleitete Luft verflüssigt wird, dann nach Entspannung in die Doppelkolonne eingeleitet wird; und
  • - zumindest ein aus der Doppelkolonne entnommenes flüssiges Produkt auf den Produktionsdruck gebracht wird und dieses flüssige Produkt durch Wärmeaustausch mit der Luft verdampft wird.
  • Die in der vorliegenden Schrift genannten Drücke sind Absolutdrücke. Zudem soll der Ausdruck "Verflüssigung" im weiteren Sinne, d.h. einschließlich der Pseudo-Verflüssigung im Fall überkritischer Drücke, verstanden werden.
  • Ein Verfahren dieser Gattung ist in der FR-A-2 674 011 beschrieben.
  • Es ist ebenso aus der DE-A- 14 01 722 bekannt, die gesamte erforderliche Kühlenergie für ein Verfahren "mit Pumpe" mittels einer Entspannung von gegen die Einsatzluft bei einem überkritischen Druck erwärmtem Reststickstoff bereitzustellen.
  • Die EP-A-0 420 725 beschreibt einen Verflüssiger, der eine Claude-Turbine und eine zweite Niederdruck-Luftturbine verwendet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die energetischen Leistungen der bekannten Verfahren zu verbessern.
  • Daher hat die Erfindung ein Verfahren der oben genannten Gattung zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Niederdruckkolonne unter Druck betrieben wird; und
  • - das restliche Gas aus dem Kopf der Niederdruckkolonne, nachdem es teilweise erwärmt wurde, in einer zweiten Turbine entspannt wird, und daß die Eintrittstemperatur der zweiten Turbine in der Nähe des Verflüssigungspunktes oder des Hauptverflüssigungspunktes der Luft liegt.
  • Nach speziellen Ausführungsformen der Erfindung
  • - wird die Niederdruckkolonne unter etwa 1,7 bis 5 bar und die Mitteldruckkolonne bei einem entsprechenden Druck von etwa 6,5 bis 16 bar betrieben;
  • - ist die Eintrittstemperatur der Luftturbine höher als die Eintrittstemperatur der zweiten Turbine.
  • Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben, wobei
  • - Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung nach der Erfindung zeigt; und
  • - Fig. 2 ein Wärmeaustauschdiagramm entsprechend einem Betriebsmodus der Vorrichtung zeigt, wobei an der Abszisse die Temperatur in Grad Celsius und an der Ordinate die Wärmeaustauschmenge zwischen der Luft und den aus der Doppel-Destillationskolonne stammenden Produkte angetragen ist.
  • Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist zur Produktion von gasförmigem Sauerstoff unter einem hohen Druck von ungefähr 3 bis 100 bar, von gasförmigem Stickstoff unter einem niedrigen Druck von ungefähr 1,7 bis 5 bar, von flüssigem Sauerstoff und von flüssigem Stickstoff bestimmt.
  • Diese Vorrichtung umfaßt im wesentlichen einen Lufthauptverdichter 1, einen Vorkühler 2, eine Vorrichtung 3 zur Reinigung mittels Adsorption, eine Verdichter-Turbineneinheit, die einen Verdichter 4 und eine Turbine 5 umfaßt, deren Räder auf derselben Welle sitzen, einen mit Wasser oder Atmosphärengas arbeitenden Kühler 6 für den Verdichter, eine Wärmeaustauschleitung 7, eine zweite Entspannungsturbine 8, die einen Wechselstromgenerator 9 antreibt, eine Doppel- Destillationskolonne 10, die eine Mitteldruckkolonne 11 und eine Niederdruckkolonne 12 umfaßt, die über einen Verdampfer- Kondensator 13 miteinander gekoppelt sind, der mit dem Stickstoff aus dem Kopf der Kolonne 11 und dem flüssigen Sauerstoff aus dem Sumpf der Kolonne 12 in Wärmeaustausch steht, eine Pumpe 14 für flüssigen Sauerstoff, einen Speicher 15 für flüssigen, unter Atmosphärendruck stehenden Sauerstoff, einen Speicher 16 für flüssigen unter Atmosphärendruck stehenden Stickstoff, ein Abscheidegefäß 17 und einen Unterkühler 18.
  • Im Betrieb steht die Kolonne 12 unter einem Druck zwischen ungefähr 1,7 und 5 bar und die Kolonne 11 unter einem entsprechenden Druck zwischen ungefähr 6,5 und 16 bar.
  • Die gesamte zu destillierende Luft wird in 1 verdichtet, in 2 auf 5 bis 10ºC vorgekühlt, in 3 von Wasser und CO&sub2; gereinigt und in 4 auf den hohen Druck nachverdichtet. Nach Vorkühlen in 6 und teilweisen Weiterkühlen in 7 bis auf eine Zwischentemperatur T1 wird ein unter dem hohen Druck stehender Teil der Luft nach weiterer Abkühlung in der Wärmeaustauschleitung verflüssigt, worauf er in zwei Teile geteilt wird. Jeder Teil wird dann über ein Druckninderventil 19 bzw. 20 entspannt und anschließend in die Kolonne 11 bzw. 12 eingeleitet.
  • Bei der Temperatur T1 wird der Wärmeaustauschleitung der Rest der unter dem hohen Druck stehenden Luft entnommen, in 5 auf den Mitteldruck entspannt und in den Sumpf der Kolonne 11 eingeleitet.
  • Üblicherweise wird "reiche Flüssigkeit" (sauerstoffreiche Luft), die im Sumpf der Kolonne 11 entnommen wird, und "arme Flüssigkeit" (nahezu reiner Stickstoff), die am Kopf dieser Kolonne entnommen wird, nach Unterkühlen in 18 und Entspannen in den Druckminderventilen 21 bzw. 22 auf einem Zwischenniveau bzw. in den Kopf der Kolonne 12 eingeleitet.
  • Flüssiger Sauerstoff wird dem Sumpf der Kolonne 12 entnommen. Ein Teil gelangt, nach Unterkühlung in 18 und Entspannung auf Atmosphärendruck in einem Druckninderventil 23, direkt in den Speicher 15, während der Rest mittels der Pumpe 14 auf den gewünschten hohen Produktionsdruck gebracht, dann verdampft und in der Wärmeaustauschleitung bei Umgebungstemperatur erwärmt wird, bevor er über eine Leitung 24 gewonnen wird.
  • Des weiteren wird dem Kopf der Kolonne 11 entnommener, unter dem Mitteldruck stehender, flüssiger Stickstoff in 18 unterkühlt, in einem Druckninderventil 25 auf Atmosphärendruck entspannt und in das Abscheidergefäß 17 eingeleitet. Die flüssige Phase wird dem Speicher 16 zugeführt, während die Gasphase in 18 und anschließend in 7 erwärmt wird und über eine Leitung 26 als Produkt (unter Niederdruck stehender gasförmiger Stickstoff) gewonnen wird.
  • Das dem Kopf der Kolonne 12 entnommene Restgas (Rohstickstoff WN2) wird in 18 vorgewärmt und anschließend teilweise in 7 bis auf eine Zwischentemperatur T2 erwärmt. Bei dieser Temperatur wird das Restgas der Wärmeaustausleitung entnom men, in der Turbine 8 auf Atmosphärendruck entspannt, die es abkühlt, und bei der entsprechenden Temperatur in die Wärmeaustauschleitung wieder einleitet, um dann auf die Umgebungstemperatur erwärmt und über eine Leitung 27 entnommen zu werden.
  • Das Wärmeaustauschdiagramm in Fig. 2 wurde mittels Berechnungen mit einem Niederdruck von 2,2 bar, einem Mitteldruck von 8,2 bar, einem Lufthochdruck von 32 bar und einem Sauerstoffhochdruck von 40 bar erstellt. Die Einlaßtemperatur T1 der Turbine 5 liegt leicht unter dem Verdampfungspunkt P von Sauerstoff und die Einlaßtemperatur T2 der Turbine 8 liegt nahe am Verflüssigungspunkt G von Luft. Der Punkt R der Erwärmungskurve entspricht der Wiedereinleitung des entspannten Restgases in die Austauschleitung und das Kurvenstück mit großer Steigung zwischen dem Punkt R und der Temperatur T2 zeigt ein Zusammendrängen des Diagramms im Kühlbereich und entspricht einer thermodynamischen Verbesserung des Verfahrens.
  • Man kann so eine größere Flüssigkeitsmenge mit einer spezifischen Produktionsenergie von gasförmigem, unter verringertem Hochdruck stehenden Sauerstoff herstellen.
  • Der Betrieb der Kolonne 12 unter Druck hat eine Verringerung der Reinheit des Sauerstoffprodukts zufolge. Daher haben der unter dem hohen Druck stehende gasförmige Sauerstoff und der in 15 gespeicherte, flüssige Sauerstoff typischerweise eine Reinheit von ungefähr 95%. Es ist es jedoch möglich, zwischen den Entnahmestellen für flüssigen Sauerstoff, die zum einen Teil für den Speicher 15, zum anderen Teil für die Pumpe 14 bestimmt sind, einige Destillationsböden vorzusehen und so einen Teil, z.B. 20% des Sauerstoffs, als flüssigen Sauerstoff mit einer größeren Reinheit, typischerweise 99%, herzustellen.
  • Die Erfindung ist ebenso auf die Produktion von gasförmigem Stickstoff unter hohem Druck, der mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) auf den gewünschten hohen Druck gebracht und anschließend in der Wärmeaustauschleitung verdampft wird, und/oder auf die Produktion von Sauerstoff und/oder Stickstoff mit unterschiedlichen Drücken, wobei unterschiedlich hohe Drücke der Luft eingesetzt werden, anwendbar. Zudem kann die Verdampfung der Flüssigkeit(en) wie in dem weiter oben beschriebenen Beispiel zeitversetzt zu der Luftverflüssigung oder gleichzeitig mit dieser Verflüssigung stattfinden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff und/oder gasförmigem Stickstoff unter Druck, bei dem:
- Luft in einer Doppel-Destillationskolonne (10) destilliert wird, die eine Niederdruckkolonne (12), die unter einem Druck arbeitet, der Niederdruck genannt wird, und eine Mitteldruckkolonne (11), die unter einem Druck arbeitet, der Mitteldruck genannt wird, umfaßt;
- die gesamte zu destillierende Luft auf zumindest einen hohen Druck, der deutlich höher ist als der Mitteldruck, verdichtet wird (bei 1, 4);
- die verdichtete Luft auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wird und ein Teil davon in einer Turbine (5) vor Einleiten in die Mitteldruckkolonne (11) auf den Mitteldruck entspannt wird;
- die nicht durch die Turbine geleitete Luft verflüssigt wird, dann nach Entspannung (bei 19, 20) in die Doppelkolonne eingeleitet wird; und
- zumindest ein aus der Doppelkolonne entnommenes flüssiges Produkt auf den Produktionsdruck gebracht wird und dieses flüssige Produkt durch Wärmeaustausch mit der Luft verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß:
- die Niederdruckkolonne (12) unter Druck betrieben wird; und
- das restliche Gas aus dem Kopf der Niederdruckkolonne, nachdem es teilweise erwärmt wurde, in einer zweiten Turbine (8) entspannt wird, und daß die Eintrittstemperatur (T2) der zweiten Turbine (8) in der Nähe des Verflüssigungspunktes (G) oder des Hauptverflüssigungspunktes der Luft liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckkolonne (12) unter etwa 1,7 bis 5 bar betrieben wird und die Mitteldruckkolonne (11) unter einem entsprechenden Druck von etwa 6,5 bis 16 bar betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur der Luftturbine (5) höher ist als die Eintrittstemperatur der zweiten Turbine (8).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem flüssiger Sauerstoff, der zur Verdampfung durch Wärmeaustausch mit der Luft vorgesehen ist, einige Böden oberhalb einer Entnahme von flüssigem Sauerstoff, der für einen Lagerbehälter (15) vorgesehen ist, entnommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das flüssige Produkt oder eines der flüssigen Produkte flüssiger Stickstoff ist.
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