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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf Tieftemperaturrektifikation und insbesondere auf ein Rektifikationsverfahren
und eine Rektifikationsvorrichtung zum Herstellen von Stickstoff
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Stand der Technik
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Im Falle eines Kleinverwenders von
Stickstoff wird typischerweise Flüssigstickstoff in einen Speichertank
an der Verwendungsstelle eingebracht, und der Stickstoff wird von
dem Tank verdampft, um Stickstoffgas entsprechend den Verwendungsanforderungen
zu erzeugen. Diese Art der Bereitstellung ist kostspielig, weil der
Stickstoff in der Produktionsanlage verflüssigt, zu der Verwendungsstelle
transportiert und in flüssigem
Zustand gehalten werden muss, bis er zur Verwendung benötigt wird.
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Es ist vorzuziehen, dass Stickstoff
an der Verwendungsstelle erzeugt wird, weil dies die vorstehend diskutierten
Kosten für
Verflüssigung,
Transport und Speicherung eliminiert, und im Falle von Großverwendern von
Stickstoff befindet sich tatsächlich
typischerweise eine Produktionsanlage vor Ort. Kälte zum Betrieb einer solchen
Produktionsanlage wird jedoch im Allgemeinen durch Turboexpansion
von Einsatzluft oder Abgas erzeugt, und für kleinere Anlagen ist ein
solcher Einsatz von Turboexpandern aus Kostengründen im Allgemeinen prohibitiv.
Außerdem
wird bei konventionellen Anlagen typischerweise eine Vorreinigung
des Luftstroms zum Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid vorgesehen;
dies ist jedoch bei kleineren Anlagen aus Kostengründen prohibitiv.
Schließlich
ist bei Kleinanlagen die Verwendung von konventionellen Wärmetauschern,
wie hartverlöteten
Aluminiumwärmetauschern,
zum Kühlen
der zuströmenden
Luft und zum Erwärmen
der Produkt- und Abströme,
welche die Rektifikationskolonne verlassen, gleichfalls aus Kostengründen prohibitiv.
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GB-A-1 463 075, die als der nächstkommende
Stand der Technik angesehen werden kann, offenbart ein Verfahren
zum Erzeugen von Stickstoff durch Tieftemperaturrektifikation von
Einsatzluft, bei dem
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- (A) Einsatzluft gekühlt wird, indem die Einsatzluft
durch einen Reversierwärmetauscher
gekühlt
wird und die gekühlte
Einsatzluft in eine Kolonne eingeleitet wird;
- (B) exogene kryogene Flüssigkeit
in die Kolonne geleitet wird und die Einsatzluft durch Tieftemperaturrektifikation
innerhalb der Kolonne in Stickstoffdampf und mit Sauerstoff angereicherte
Flüssigkeit
zerlegt wird;
- (C) ein erster Teil des Stickstoffdampfs durch indirekten Wärmeaustausch
mit mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit kondensiert wird,
um einen mit Sauerstoff angereicherten Dampf zu erzeugen;
- (D) ein zweiter Teil des Stickstoffdampfs durch indirekten Wärmeaustausch
mit der kühlenden
Einsatzluft erwärmt
wird;
- (E) der erwärmte
zweite Teil des Stickstoffdampfs als Produktstickstoff gewonnen
wird; und
- (F) mit Sauerstoff angereicherter Dampf durch den Reversierwärmetauscher
hindurchgeleitet wird.
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Im Falle dieses Dokuments wird der
mit Sauerstoff angereicherte Dampf nicht erwärmt, bevor er durch den Wärmetauscher
hindurchgeleitet wird, was zu Ungleichgewichtsproblemen für den Fall
führt,
dass ein Regenerator mit einer Mantel- und einer Schlangenseite
an Stelle des einfachen Reversierwärmetauschers verwendet würde.
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In GB-A-978 833 ist ein Verfahren
zum Betreiben eines Regenerators offenbart, der ein Gehäuse aufweist,
das mit große
Wärmekapazität aufweisenden
Kieselsteinen und schlangenförmigen
Leitungen für
Produktsauerstoff und Produktstickstoff gefüllt ist, die in die Kieselsteine
eingebettet sind.
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Ein Regenerator könnte verwendet werden, um den
größten Teil
der Kälte
wiederaufzufangen, die andernfalls zusammen mit Produkt- und Abströmen die
Anlage verlassen würde,
und um gleichzeitig Wasser und Kohlendioxid zu beseitigen, was einen
wirtschaftlichen Betrieb einer viel kleineren Anlage ermöglichen
würde, als
dies derzeit möglich
ist, während
gleichzeitig das Erfordernis einer Vorreinigung entfallen würde. Außerdem ist
der Regenerator eine Wärmetauscheranordnung
von niedrigen Kosten im Vergleich zu anderen Wärmetauschern, welche die gleiche
Wärmeübertragungsleistung
erbringen können,
beispielsweise hartverlötete
Aluminiumwärmetauscher.
Ein Regenerator erfordert jedoch für ausgedehnten Betrieb eine
sehr kleine Temperaturdifferenz zwischen Einsatzluft und Abströmen, und
weil die abgehenden kalten Ströme
im Vergleich zu der Einsatzluft eine geringere Wärmekapazität haben und bei niedrigerer
Temperatur vorliegen, muss dem kalten Ende des Regenerators ein
Ungleichgewichtsstrom zugeführt
werden, um einem schädlichen
Frostaufbau vorzubeugen, indem kleine Temperaturdifferenzen zwischen
der Einsatzluft und den abgehenden Gasen aufrechterhalten werden.
Der Ungleichgewichtsstrom könnte
ein Teil der Einsatzluft, ein Teil des Produkts oder ein Teil des
Abstroms sein. Wie auch immer das Ungleichgewichtsschema ausgelegt
ist, ist es kompliziert und mindert es jeden Vorteil, den die Verwendung
eines Regenerators für
den Betrieb einer kleinen Stickstofferzeugungsanlage bringen könnte.
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Dem entsprechend ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Tieftemperatur-Rektifikationssystem zum Erzeugen von
Stickstoff bereitzustellen, das den Bedarf an Turboexpansion eines
Prozessstroms zum Erzeugen von Kälte
vermidert oder vermeidet und das Regeneratoren verwendet, die Ungleichgewichtsanforderungen
für das
kalte Ende haben, die gegenüber
denjenigen von konventionellen Auslegungen vermindert oder voll-ständig eliminiert
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die obige Aufgabe wird durch die
vorliegende Erfindung gelöst.
Ein Aspekt derselben ist ein Verfahren zum Erzeugen von Stickstoff
durch die Tieftemperaturrektifikation von Einsatzluft entsprechend
Anspruch 1.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Stickstoff durch die Tieftemperaturrektifikation
von Einsatzluft entsprechend Anspruch 4.
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „Einsatzluft"
wird ein in erster Linie aus Stickstoff und Sauerstoff bestehendes
Gemisch verstanden, beispielsweise Umgebungsluft oder Abgas aus
anderen Prozessen.
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „Kolonne"
wird eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone verstanden,
d. h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der Flüssigkeits- und Dampfphasen
im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Zerlegung eines
Fluidgemisches zu bewirken, beispielsweise indem die Dampf- und
Flüssigkeitsphasen
an einer Reihe von vertikal in Abstand angeordneten Böden oder Platten,
die innerhalb der Kolonne angeordnet sind, und/oder an Packungselementen,
beispielsweise strukturierter oder willkürlicher Packung, in Kontakt
gebracht werden. Hinsichtlich einer weiteren Diskussion von Destillationskolonnen
sei auf Chemical Engineer's Handbook, 5. Ausgabe, herausgegeben
von R. H. Perry und C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New
York, Abschnitt 13, The Continuous Distillation Process, verwiesen.
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Dampf- und Flüssigkeitskontakt-Trennverfahren
hängen
von der Differenz der Dampfdriicke der Komponenten ab. Die Komponente
mit hohem Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende
Komponente) sucht sich in der Dampfphase zu konzentrieren, während die
Komponente mit niedrigem Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder
hochsiedende Komponente) zu einem Konzentrieren in der Flüssigkeitsphase
tendiert. Eine partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei
dem das Kühlen
eines Dampfgemischs genutzt werden kann, um die flüchtige Komponente(n)
in der Dampfphase zu konzentrieren und dadurch die weniger flüchtige Komponente(n)
in der Flüsigkeitsphase.
Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist der Trennprozess,
der sukzessive Teilverdampfungen und -kondensationen kombiniert,
wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der Dampf- und Flüssigkeitsphasen
erhalten werden. Das im Gegenstrom erfolgende Inkontaktbringen der
Dampf- und Flüssigkeitsphasen
ist im Allgemeinen adiabatisch und kann einen integralen (stufenweisen)
oder differentiellen (kontinuierlichen) Kontakt zwischen den Phasen
einschließen.
Trennprozess-Anordnungen, welche die Prinzipien der Rektifikation
zum Trennen von Gemischen nutzen, werden oft austauschbar als Rektifikations kolonnen,
Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet. Die Tieftemperaturrektifikation
ist ein Rektifikationsprozess, der mindestens teilweise bei Temperaturen
durchgeführt
wird, die bei oder unter 150° Kelvin
(K) liegen.
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „indirekter
Wärmeaustausch"
wird verstanden, dass zwei Fluidströme in Wärmeaustauschbeziehung gebracht
werden, ohne dass es zu einem physikalischen Kontakt oder Vermischen
der Fluide miteinander kommt.
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „Kopflcondensator"
wird eine Wärmeaustauschanordnung verstanden,
die aus Kolonnendampf nach unten strömende Kolonnenflüssigkeit
erzeugt.
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Unter den vorliegend verwendeten
Begriffen „oberer
Teil" und „unterer
Teil" werden diejenigen Abschnitte einer Kolonne verstanden, die über bzw.
unter der Mitte der Kolonne liegen.
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „Regenerator"
wird eine Wärmetauscher-Anordnung mit einem
Mantel und einer oder mehreren hohlen Schlangen verstanden, die
durch den Mantel hindurchlaufen. Die Schlangenseite des Regenerators
ist das Volumen innerhalb der Schlange(n). Die Mantelseite des Regenerators
ist das Volumen innerhalb des Mantels jedoch außerhalb der Schlange(n).
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Unter dem vorliegend verwendeten
Begriff „Kühlperiode"
wird eine Zeitdauer verstanden, während deren Einsatzluft durch
die Mantelseite des Regenerators hindurchströmt, bevor sie in eine Kolonne
eingeleitet wird, und der vorliegend verwendete Begriff „Nicht-Kühlperiode"
bezeichnet eine Zeitdauer, während
deren solche Einsatzluft nicht die Mantelseite des Regenerators
durchläuft.
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Unter dem Begriff „exogene
kryogene Flüssigkeit"
wird vorliegend eine Flüssigkeit
verstanden, die letztlich nicht von dem Einsatz abgeleitet ist und
die eine Temperatur von 150K oder niedriger hat. Die exogene kryogene
Flüssigkeit
ist in ihrer Reinheit mit Produktstickstoff vergleichbar.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
des Tieftemperatur-Rektifikationssystems gemäß der Erfindung.
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2 ist
ein Graph, der die Temperaturdifferenz zwischen Einsatzluft und
Abstrom unter verschiedenen Bedingungen sowie die Erfordernisse
für geeignete
Regenerator-Reinigung zeigt.
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3 ist
ein Graph, der die Temperaturdifferenz an dem Kopflcondensator bei
einer typischen Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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In der Praxis der vorliegenden Erfindung
wird durch das Zufügen
von exogener kryogener Flüssigkeit der
Bedarf an Turboexpansion zum Erzeugen von Kälte reduziert oder ganz beseitigt;
ferner wird der Massenstrom und damit die Gesamtwärmekapazität der abgehenden
Ströme
gesteigert, was zur Folge hat, dass die Kaltenden-Temperaturdifferenz
vermindert wird und der Bedarf an Ungleichgewicht in dem Regenerator
reduziert oder beseitigt wird.
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Die Erfindung wird im einzelnen mit
Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Auf 1 Bezug nehmend, wird Einsatzluft typischerweise
auf zwischen 206,8 und 1379 kPa (30 bis 200 Pfund pro Quadratinch absolut
(psia)) komprimiert, wonach sie typischerweise gekühlt und
freies Wasser beseitigt wird. Der komprimierte Einsatzluftstrom 1 wird
dann über
ein Umschaltventil 2 zu der Mantelseite 30 eines
von zwei Regeneratoren 3 umgeleitet, die im Allgemeinen
ein Packungsmaterial, beispielsweise Steine, innerhalb des Mantels enthalten.
Während
einer solchen Kühlperiode
wird die Einsatzluft auf einen Wert nahe bei ihrem Taupunkt gekühlt, indem
sie durch die Mantelseite 30 hindurchgeleitet wird, und
das gesamte verbleibende Wasser sowie der größte Teil des Kohlendioxids
werden aus der Einsatzluft durch Kondensation beseitigt. Die gekühlte Einsatzluft
wird von der Mantelseite 30 in einem Strom 31 abgezogen
und durch ein Rückschlagventil 4 hindurch einem
Adsorptionsmittelbett 5 zugeführt, um Kohlenwasserstoffe
und jegliches restliches Kohlendioxid zu beseitigen, die zusammen
mit der Einsatzluft aus dem kalten Ende des Regenerators austreten.
Bei dem Adsorptionsmittel handelt es sich typischerweise um ein
Silicagel. Die reine Kaltluft wird dann in den unteren Teil einer Rektifikationskolonne 6 eingeleitet,
die Stoffaustausch-Vorrichtungen, wie Destillationsböden oder
Packung, enthält
und bei einem Druck im Bereich von 206,8 bis 1379 kPa (30 bis 200
psia) arbeitet. Innerhalb der Kolonne 6 wird die Einsatzluft
durch Tieftemperatur-Rektifikation in Stickstoff dampf und mit Sauerstoff
angereicherte Flüssigkeit
getrennt.
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Stickstoffdampf, der eine Stickstoffkonzentration
von mindestens 95 mol% hat, wird von dem oberen Teil der Kolonne 6 als
Strom 8 abgezogen und in einen ersten Teil oder Rücklaufstrom
10 und einen zweiten Teil oder Produktstrom 9 aufgeteilt.
Der Rücklaufstrom 10 gelangt
zu einem Kopfkondensator 11, wo er kondensiert und als
flüssiger
Rücklauf
zu der Kolonne 6 zurückgeführt wird.
Der Produktstrom 9 wird in die Schlangenseite der Regeneratoren 3 und
durch Schlangen 12 hindurchgeleitet, die in das Regenerator-Packungsmaterial
eingebettet sind. Die Regeneratoren verlassendes warmes Produkt
(das typischerweise 5 bis 15K kälter als
die ankommende Einsatzluft ist) wird dann von der Schlangenseite
der Regeneratoren abgezogen und als Produktstickstoff 32 bei
einer Strömungsrate
gewonnen, die im allgemeinen im Bereich von 30 bis 60 mol% der Strömungsrate
der einströmenden
Einsatzluft liegt und eine Stickstoffkonzentration von mindestens
95 mol% hat.
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Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit
wird von dem unteren Teil der Kolonne 6 als Kesselflüssigkeit 13 abgezogen
und unter Druck zu dem Kopfkondensator 11 überführt. Diese
Kesselflüssigkeit
enthält
typischerweise mehr als 30 mol% Sauerstoff Kesselflüssigkeit
in dem Strom 13 wird unterkühlt, indem sie durch einen
Wärmetauscher 17 hindurchgeleitet
wird, bevor sie in den Kopfkondensator eingeleitet wird. Der Siededruck
innerhalb des Kopfkondensators 11 ist bedeutend niedriger
als der Druck, bei dem die Kolonne 6 arbeitet, was die Überführung der
Kesselflüssigkeit
erlaubt. Die Strömungsrate
der Kesselflüssigkeit
wird durch eine Stromdrosselanordnung bestimmt, beispielsweise ein
Steuerventil 14. Zusätzliches
Adsorptionsmittel kann sich in der Kesselflüssigkeits-Überführungsleitung oder in dem Kondensator
befinden, um restliche Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid zu beseitigen.
Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit in dem Kopfkondensator
wird gegen den kondensierenden Stickstoff-Rücklaufstrom zum Sieden gebracht.
Der Kopfkondensator 11 arbeitet bei einem Druck, der gegenüber dem
der Kolonne 6 erheblich reduziert ist. Der Druck des Kopfkondensators
ist mindestens 68,9 kPa (10 psi) niedriger als der Druck, bei dem
die Kolonne 6 arbeitet. Dadurch wird die Siedetemperatur
des Sauerstoffstroms auf unter die Temperatur abgesenkt, bei welcher
der Stickstoff dampf bei Kolonnendruck kondensiert. Der resultierende,
mit Sauerstoff angereicherte Dampf 15, der als Abstrom
bezeichnet wird, verlässt
den Kopfkondensator 11 über
ein Steuerventil 16, das den siedeseitigen Druck und damit
den Kolonnendruck reguliert. Der Abstrom kommt dann in Gegenstrom-Wärmeaustausch
mit der hochsteigenden Kesselflüssigkeit
in dem Wärmetauscher
oder Überhitzer 17.
Der Abstrom durchläuft
dann Rückschlagventile 4 und
gelangt in das kalte Ende der Mantelseite des Regenerators 3,
durch die keine Einsatzluft hindurchtritt, d. h. während einer
Nicht-Kühlperiode.
Die Regeneratoren werden über
Umschaltventile 2 periodisch zwischen Einsatzluft und Abstrom
umgeschaltet, so dass jeder Regenerator sowohl Kühl- wie Nicht-Kühlperioden
durchläuft.
Der Abstrom wird aus dem System in einem Strom 33 abgezogen.
Typischerweise durchläuft
der Stickstoff einen Regenerator während sowohl der Kühl- wie
der Nicht-Kühlperioden.
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Exogene kryogene Flüssigkeit,
bei der es sich im Falle der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
um flüssigen
Stickstoff mit einer Stickstofflconzentration von mindestens 95
mol% handelt, wird der Kolonne über
eine Leitung 18 von einer externen Quelle aus zugeführt, um
dem System Kälte
bereitzustellen. Der Strom der exogenen kryogenen Flüssigkeit
wird reguliert, um den Flüssigkeitspegel
innerhalb des Kondensators 11 aufrechtzuerhalten; er liegt
auf Molbasis im Bereich von 2 bis 15% der Strömungsrate des Stickstoffproduktstroms 32.
Alternativ kann ein Teil der erforderlichen exogenen kryogenen Flüssigkeit
dem Kopfkondensator zugeführt
werden.
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Eine der Schwierigkeiten von Regeneratoren
besteht darin, dass es für
einen ausgedehnten Betrieb notwendig ist, dass sehr geringe Temperaturdifferenzen
zwischen den Einsatzluftund Abströmen vorliegen. Wenn die Einsatzluft
durch den Regenerator hindurchläuft,
frieren Wasser und Kohlendioxid auf das Packungsmaterial und die
Außenfläche der
Schlangen innerhalb des Regenerators aus. Dieser Frost muss durch den
zurückkommenden
kalten Abstrom beseitigt werden, oder er sammelt sich an und verstopft
schließlich
den Regenerator. Der Abstrom hat einen geringeren Mengenfluss als
die zuströmende
Einsatzluft. Er hat auch eine niedrigere Temperatur. Beides hat
die Tendenz, die Fähigkeit
des Abstroms zu reduzieren, Feuchtigkeit und Kohlendioxid zu halten.
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Die Selbstreinigung hängt von
einem delikaten Gleichgewicht zwischen der Abstroin/Lufttemperaturdifferenz
(ΔT) und
den Abstrom/Luft-Durchfluss und -Druckverhältnissen ab. Eine Erhöhung des
Abstrom/Luft-Durchflussverhältnisses
verringert die Menge an gewonnenem Produkt. Eine Erhöhung des
Druckverhältnisses
steigert den Kolonnendruck, was die Trenneffizienz vermindert und
auch mehr Energie für
Kompression verbraucht. Die wirkungsvollste Maßnahme zur Gewährleistung
einer Selbstreinigung besteht daher darin, sicherzustellen, dass
die Temperaturdifferenzen klein sind. Die Variation des Dampfdrucks
in Abhängigkeit
von der Temperatur ist so, dass die Selbstreinigungserfordernisse,
ausgedrückt
als zulässiges ΔT, für Kohlendioxid
kritischer sind als für
Wasser. Weil Wasser an dem warmen Ende des Regenerators beseitigt
wird, während
Kohlendioxid an dem kalten Ende beseitigt wird, sind daher große Temperaturdifferenzen
am warmen Ende mehr tolerierbar als große Temperaturdifferenzen am
kalten Ende. Unglücklicherweise übertriff
die Wärmekapazität der in
die Anlage eintretenden Hochdruckluft diejenige der von der Luft
abgeleiteten kalten Ströme,
die bei niedrigerem Druck austreten. Dies bringt den Regenerator
außer
Gleichgewicht, so dass enge Temperaturdifferenzen an dem warmen
Ende, nicht aber an dem kalten Ende erreichbar sind. Um Regeneratoren
selbstreinigend zu machen, werden konventionellerweise Ungleichgewichtsdurchlässe verwendet,
welche das Durchflussverhältnis
von kalten Strömen
(was sich sowohl auf den Abstrom wie den Produktstrom bezieht) zu
Einsatzluft in dem kalten Ende des Regenerators steigern und bewirken,
dass die Temperaturdifferenz am kalten Ende enger wird. Während dies
auf verschiedenartige Weise bewerkstelligt werden kann, erhöht jede
Anordnung das Verhältnis
des Kaltstrom-Mengenflusses zu dem Luftmengenfluss in dem kalten Ende
des Regenerators, und in jedem Fall sind zusätzliche Rohrleitungen, möglicherweise
zusätzliche
Steuermittel und entweder zusätzliche
Schlangen innerhalb der Regeneratoren oder ein zusätzliches
Adsorptionsmittelbett zum Beseitigen von Kohlendioxid aus Luft erforderlich,
die an einer Zwischenstelle in dem Regenerator entnommen wird.
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Mit der Praxis der vorliegenden Erfindung,
bei der exogene kryogene Flüssigkeit
der Kolonne bei einer Durchflussmenge im Bereich von 2 bis 15% auf
Molbasis der Durchflussmenge des Stickstoffproduktstroms zugesetzt
wird, wird das Erfordernis von Kaltenden-Ungleichgewicht an dem
Regenerator reduziert oder sogar beseitigt.
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Das folgende Beispiel soll die Erfindung
veranschaulichen und Vergleichsdaten liefern. Das Beispiel soll
nicht einschränkend
sein. Das Beispiel wird für
eine Prozessauslegung ähnlich
der in 1 dargestellten präsentiert.
Ein stationärer
Regenerator hat einen UA-Wert
von 8,14 kW/°C
(50.000 BTU/hr/F). Ein Luftstrom von 45,4 kg mol/h (100 1b mols/hr)
tritt in das warme Ende des Regenerators bei 48,9°C (120°F) und 689,5 kPa
(100 psia) ein. Ab- und Produktströme treten in das kalte Ende
des Wärmetauschers
bei –167,8°C (–270°F) ein. Die
Durchflussmenge des Abstroms beträgt 27,2 kg mol/h, und sein
Druck beträgt
110,3 kPa (16 psia). Die Produktstrom-Durchflussmenge beträgt 18,1
kg mol/h (40 1b mols/hr), und der Druck dieses Stroms beträgt 675,7
kPa (98 psia). Es wird angenommen, dass der Produktstrom reiner
Stickstoff ist. Die Abstromzusammensetzung wird durch Massenausgleich
bestimmt (etwa 63 mol% Stickstoff Für die Zwecke dieser Analyse
wird angenommnen, dass der Abstrom und das Produkt das warme Ende
des Wärmetauschers
bei der gleichen Temperatur verlassen. 2 zeigt als Kurve A die Temperaturdifferenz
zwischen der Luft und einem die Summe der zurückgeführten Kaltströme darstellenden
zusammengesetzten Strom als eine Funktion der Lufttemperatur, wenn
keine exogene kryogene Flüssigkeit
der Kolonne zugesetzt wird. Diese Beziehung wird auch für Zusatzraten
an exogener kryogener Flüssigkeit
von 5 und 10% der Produktdurchflussmenge auf molarer Basis als Kurven
B bzw. C dargestellt. Es ist zu erkennen, dass durch eine Steigerung
der Zugabe von exogener kryogener Flüssigkeit das Kaltenden-ΔT reduziert
wird und das Warmenden-ΔT
ansteigt.
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Mit den Kurven D und E ist ferner
die Luft/Abstrom-Temperaturdifferenz dargestellt, die erforderlich
ist, um Kohlendioxid bzw. Wasser zu beseitigen, und zwar unter der
Annahme, dass die Ab- und Luftströme durchgehend gesättigt sind.
Diese Temperaturdifferenz wird angenähert durch Verwendung der Gleichung
(1)
wobei Pi(T) der Dampfdruck
(kPa (psia)) ist, der von der Komponente i bei der Temperatur T
(°C (°F)) ausgeübt wird,
P der Druck (kPa (psia)) ist, Q die Durchflussmenge (kg mol/h (lb
mol/hr)) ist und T die Temperatur (°C (°F)) an einer beliebigen Stelle
ist. Die Indizes a und w beziehen sich auf Luft bzw. den Abstrom.
Die Gleichung (1) ist eine näherungsweise
Beziehung, die dazu dient, die Form der Selbstreinigungskurven zu
illustrieren. Sie stellt die Bedingung dar, bei der an einer beliebigen
Stelle in dem Regenerator der Abstrom bei Sättigung die gleiche Menge an
Wasser und Kohlendioxid mitführen
kann wie der Luftstrom.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass dann, wenn der Kolonne keine exogene kryogene
Flüssigkeit
zugeführt wird,
die Luft/Abstrom-Temperaturdifferenz den Wert übersteigt, der für eine Kohlendioxidbeseitigung
erforderlich ist, dass das System Kohlendioxid leichter beseitigt,
wenn der Kolonne exogene kryogene Flüssigkeit zugeführt wird,
und dass bei einer gewissen Mindestzufuhrmenge von exogener kryogener
Flüssigkeit
das Erfordernis von Ungleichgewichtsströmen in dem kalten Ende des
Regenerators eliminiert wird.
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Weil kein Turboexpander verwendet
werden muss, um Kälte
zu erzeugen, ist es nicht notwendig, einen erhöhten Abstromdruck aufrechtzuerhalten.
Der Druck an der Siedeseite des Kopfkondensators muss daher nur
ausreichen, den Abstromfluss durch den Regenerator und die Rohrleitung
zum Entlüften
anzutreiben. Je niedriger der Druck an der Siedeseite des Kopfkondensators
ist, desto niedriger ist die Temperatur des siedenden Gemischs.
Für einen
festgelegten Kondensationsdruck hat dies eine große Temperaturdifferenz
in dem Kopfkondensator zur Folge.
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Die nötige Wärme in dem Kondensator kann
wie folgt ausgedrückt
werden: Q = UcAcΔT 2) wobei Q die übertragene
Wärme (W(BTU/hr))
ist, Uc die Gesamtwärmeübergangszahl für den Kondensator (W/m2°C
(BTU/hrft2F)) ist, Ac die
Fläche
zwischen den kondensierenden und siedenden Bereichen (m2(ft2)) ist und ΔT die Temperaturdifferenz (°C (°F)) zwischen den
siedenden und kondensierenden Fluiden ist. Aus Gleichung (2) ist
klar, dass eine Steigerung von ΔT
den Wert UcAc senkt,
der für
einen gegebenen Betrag der erforderlichen Wärme notwendig ist.
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Wie dargestellt, erlaubt es die Flüssigkeitszugabe,
dass der Abstrom einen Druck hat, der wesentlich niedriger ist als
der Kolonnendruck. Weil bei den meisten Anwendungen der Stickstoff
unter Druck benötigt wird,
beträgt
die Druckdifferenz zwischen den kondensierenden und siedenden Strömen im allgemeinen
mindestens 68,9 kPa (10 psi), und sie kann 344,7 kPa (50 psi) übersteigen. 3 zeigt die Temperaturdifferenz an
dem Kondensator für
den Fall von bei 689,5 kPa (100 psia) kondensierendem reinem Stickstoff
und einen siedenden Abstrom mit einer Dampfzusammensetzung von 63
mol% Stickstoff
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Ein zusätzlicher Vorteil eines Betriebs
des Kopfkondensators bei hohen Temperaturdifferenzen besteht darin,
dass, obwohl die Wärmeübergangszahl
an der kondensierenden Seite keine starke Funktion der Temperatur
ist, die siedeseitige Wärmeübergangszahl
mit der Temperaturdifferenz rasch ansteigt. Ein Betrieb mit einer
großen
Druckdifferenz zwischen der Kolonne und dem Kopfkondensator führt daher
zu größeren Gesamtwärmeübergangszahlen
sowie größerem ΔT. Infolgedessen
wird die Fläche
des Kondensators wesentlich reduziert.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung verwendet einen Schlangen/Mantel-Kopfkondensator.
Die Abflüssigkeit
siedet innerhalb eines Mantels, wobei schlangenförmige Röhren in die Flüssigkeit
eintauchen. Stickstoff von dem oberen Teil der Kolonne kondensiert
an der Innenseite der Röhren.
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Durch Anwendung der vorliegenden
Erfindung kann jetzt Stickstoff durch Tieftemperatur-Rektifikation unter
Verwendung von Regeneratoren insbesondere bei niedrigeren Produktionsraten,
wie beispielsweise 566,3 m3/NTP (20.000
cfh-NTP) oder weniger, erzeugt werden, ohne dass es notwendig ist,
für ein
Ungleichgewicht am kalten Ende des Regenerators zu sorgen.
