EP0081849A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerlegen von Syntheseabgas - Google Patents

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EP0081849A2
EP0081849A2 EP82111608A EP82111608A EP0081849A2 EP 0081849 A2 EP0081849 A2 EP 0081849A2 EP 82111608 A EP82111608 A EP 82111608A EP 82111608 A EP82111608 A EP 82111608A EP 0081849 A2 EP0081849 A2 EP 0081849A2
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nitrogen
pressure
compressor
separation
cooled
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Wolfgang Dipl.-Ing. Schmid
Herwig Dipl.-Ing. Landes
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Linde GmbH
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    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/931—Recovery of hydrogen
    • Y10S62/934—From nitrogen

Definitions

  • Nitrogen from the top of the second separation stage and from a storage tank is compressed to 150 to 200 bar, cooled and partly relieved of work and used for the bottom heating of the second separation stage, and partly further cooled by heat exchange with the non-compressed nitrogen and for the bottom heating of the first Separation stage used.
  • the two partial flows are then expanded into the storage container in partially liquefied form.
  • Liquid nitrogen is removed from the storage container as a washing liquid for the second separation stage and for head cooling of the first separation stage.
  • a part of the gaseous nitrogen is heated together with nitrogen from the head of the second separation stage in heat exchange with synthesis exhaust gas, while another part of the gaseous nitrogen is warmed up again in heat exchange with nitrogen for the heating of the first separation stage.
  • a part of the liquefied nitrogen, after it has been re-evaporated, is compressed again together with a part of the gaseous nitrogen. Excess nitrogen is withdrawn from the system after heat exchange with the synthesis waste gas to be broken down.
  • part of the nitrogen is removed from an intermediate stage of the compressor.
  • Both nitrogen flows - both those at medium pressure and those at final pressure - are cooled together and used to heat the bottom of the first and second separation stages.
  • the two nitrogen streams are then depressurized and combined together in a partially liquefied state, the liquid nitrogen, as in the previously known process, partly being added to the second separation stage as washing liquid and partly used for head cooling of the first separation stage.
  • the subject of the invention surprisingly makes it possible to drastically reduce the final pressure of the nitrogen, and yet the cold required for the process to provide performance.
  • the mean pressure is between 6 and 20 bar.
  • the mean pressure is preferably between 10 and 16 bar, in particular about 13.5 bar.
  • the final pressure is between 30 and 50 bar, preferably between 35 and 45 bar and in particular about 40.5 bar.
  • part of the compressed, cooled nitrogen relaxes work and the gaseous portion of the partially liquefied stick substance is supplied.
  • the nitrogen which has been relieved of work, is expanded to a pressure above the inlet pressure of the compressor and fed to the compressor at an intermediate point.
  • the pressure at the intermediate point is advantageously below the mean pressure of the nitrogen partial stream withdrawn from the compressor.
  • part of the nitrogen liquefied during the expansion evaporate by cooling the first separation stage and be admixed with the nitrogen stream to be heated in the heat exchange with synthesis exhaust gas.
  • the nitrogen used to heat the first separation stage is supplied with medium pressure between 5 and 20% of the total heating power required in the first separation stage.
  • the medium pressure nitrogen flow provides about 10% heating power.
  • the nitrogen used to heat the second separation stage supplies at medium pressure between 60 and 90% of the total heating power required in the second separation stage.
  • this medium pressure nitrogen flow provides about 75% of the heating power required.
  • the remaining heating power is supplied by the nitrogen at the final pressure.
  • a device for performing the method according to the invention comprises two series-connected separation columns and a nitrogen cooling circuit, which contains a compressor, a heat exchanger, reboiler in the sump of the two separation columns and a nitrogen storage container, the output of the compressor having the heat exchanger and its cold end is connected to the two reboilers, and the reboilers open on the outlet side into the storage container, and is characterized in that the compressor is designed at least in two stages, the outputs of the two compressor stages being separated from one another by the heat exchanger and the two reboilers and together in the Storage container open, and that the flow path for the nitrogen from the first or second compressor stage is connected to an expansion machine.
  • the relaxation machine is the starting point connected via a heat exchanger to a return line for gaseous nitrogen leading to the compressor.
  • a cooler in the head of the first separation column is connected on the inlet side to the nitrogen storage container and on the outlet side to a further return line for gaseous nitrogen leading to the compressor.
  • a synthesis exhaust gas (purge gas) from the ammonia synthesis has, for example, a composition of 31 mol% H 2 , 10 mol% N 2 , 19 mol% Ar and 40 mol% CH 4 . This gas mixture is to be dismantled to produce ammonia synthesis gas and liquid argon.
  • the synthesis exhaust gas which is supplied at 1, has been freed of water and ammonia in a process step, not shown.
  • the synthesis exhaust gas is cooled to about 85 K in heat exchange with hydrogen product from the decomposition and a nitrogen refrigeration cycle and partially liquefied in the process.
  • the gaseous fraction, the hydrogen with product purity (about 94.7 mol%) contains, is withdrawn via the head of a downstream separator 3 and removed after heating in the heat exchanger 2.
  • the liquid fraction which contains almost all of the argon and methane and a large part of the nitrogen, is introduced via a line 4 into a first separation column 5 (methane column), from which a methane-free nitrogen-argon fraction (top side) and methane (bottom side) be removed.
  • the first separation column 5 is operated at a pressure of approximately 2.2 bar.
  • the methane (approx. 97 mol%) is removed via line 6 at a temperature of approximately 122 K.
  • the nitrogen-argon fraction is introduced via line 7 at about 89 K into a separation column 8 (argon column) operated at a pressure of about 2 bar, in which the separation into nitrogen (top side) and argon product (bottom side) takes place.
  • the liquid argon charges the second separation column 8 with approximately 94 K, the nitrogen with approximately 83.5 K.
  • the argon has a product purity of almost 100%, the nitrogen purity is approximately 94%.
  • the nitrogen is compressed by a factor of 3 in each stage, i.e. to 4.5; 13.5 and finally to 40.5 bar.
  • the nitrogen compressed to the final pressure (line 15) is cooled in the heat exchanger 13 in heat exchange with the nitrogen stream 11 and with a further low-pressure nitrogen stream 19 to be described.
  • a refrigerant 14 provides additional cold.
  • Part of the nitrogen at the final pressure is cooled in a reboiler 16 in the bottom of the first separation column 5.
  • the nitrogen which is in the supercritical state, is guided over the steep part of the enthalpy curve (quasi-condensation). It then passes into the heat exchanger 12, in which it is subcooled, and is finally expanded into a nitrogen storage container 17, which is at a pressure of approximately 4.8 bar.
  • the remaining part of the nitrogen which is at the final pressure, is branched off from the heat exchanger 13 before the end of the heat exchange and expanded in a work-performing manner in a relaxation machine 18, its pressure rising from approximately 40 bar to approximately 5 bar and its temperature from approximately 132 K to approximately Lower 84 K. If necessary, part of the nitrogen at the final pressure is branched off via line 26 and used further, for example, as sealing gas for the compressor 10 or as synthesis gas.
  • a nitrogen stream is drawn from the compressor 10 at an intermediate point, which is at a mean pressure below the final pressure.
  • This medium-pressure nitrogen stream is withdrawn via line 20 at a pressure of 13.5 bar at the outlet of the second compressor stage and cooled in parallel with the nitrogen stream 15 under final pressure in the heat exchanger 13, further cooled in the reboiler 16, liquefied and supercooled in the heat exchanger 12 and finally also relaxed into the nitrogen reservoir 17.
  • the nitrogen streams 15 and 20 located at different pressure levels cover the heat requirement of the two separation columns 5, 8.
  • the major part of the heating power (approx. 90%) in the first separation column 5 is supplied by the nitrogen 15 at the final pressure, while the larger one Share of the heating power in the second separation column 8 (approx. 75%) is supplied by the medium-pressure nitrogen 20.
  • Gaseous nitrogen 22 is removed from the storage container 17 and mixed with the work-relieved nitrogen 19 in front of the heat exchanger 12.
  • the liquid nitrogen 23 from the storage container 17 is partially evaporated in a heat exchanger 27, for example in heat exchange with argon product (not shown), and fed to the gaseous nitrogen 9 in front of the heat exchanger 2.
  • the liquid nitrogen is fed as a washing liquid to the second separation column 8 (line 24) and on the other hand passed through a cooler 25 in the head of the first separation column 5, in which it evaporates, and then also supplied in vapor form to the nitrogen stream 9.

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Abstract

8 Bei einem Verfahren zur Zerlegung von Syntheseabgas in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen, bei dem Stickstoff auf einen Enddruck verdichtet, abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, entspannt und teilweise verflüssigt wird. Gasförmiger und zurückverdampfter flüssiger Stickstoff werden dem Verdichter wieder zugeführt und erneut verdichtet. Ein Teil des Stickstoffes wird bereits einem unterhalb des Enddruckes liegenden Mitteldruck aus dem Verdichter entnommen und in Parallelführung mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, entspannt, mindestens teilweise verflüssigt und mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff nach dessen Entspannung vereinigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Syntheseabgas in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, bei dem Stickstoff auf einen Enddruck verdichtet, abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, entspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei gasförmiger und zurückverdampfter flüssiger Stickstoff erneut verdichtet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bei der Erzeugung von Ammoniak-Synthesegas nach dem Steam-Reforming-Verfahren entsteht ein Abgas, das neben Wasserstoff und Stickstoff reich an Argon und Methan ist. Gemäß einem bekannten Verfahren (Winnacker-Küchler, Chem. Technologie, Band 2 (1969), Seite 494) wird das Syntheseabgas in einem Tieftemperaturprozeß zerlegt, wobei einerseits der Wasserstoff zurückgewonnen und andererseits reines Argon erzeugt wird. Die Zerlegung erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen. Zur Erzeugung der für die Zerlegung benötigten tiefen Temperaturen ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen. Stickstoff vom Kopf der zweiten Zerlegungsstufe sowie aus einem Speicherbehälter wird auf 150 bis 200 bar verdichtet, abgekühlt und zum einen Teil arbeitsleistend entspannt und zur Sumpfbeheizung der zweiten Trennstufe verwendet, und zum anderen Teil durch Wärmetausch mit dem unverdichteten Stickstoff weiter abgekühlt und zur Sumpfbeheizung der ersten Trennstufe verwendet. Die beiden Teilströme werden anschließend in teilweise verflüssigter Form in den Vorratsbehälter entspannt. Aus dem Vorratsbehälter wird flüssiger Stickstoff als Waschflsüssigkeit für die zweite Trennstufe und zur Kopfkühlung der ersten Trennstufe entnommen. Ein Teil des gasförmig verbliebenen Stickstoffes wird zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe in Wärmetausch mit Syntheseabgas angewärmt, während ein anderer Teil des gasförmig verbliebenen Stickstoffes in Wärmetausch mit Stickstoff für die Beheizung der ersten Trennstufe angewärmt erneut verdichtet wird. Ein Teil des verflüssigten Stickstoffes wird, nachdem er rückverdampft worden ist, zusammen mit einem Teil des gasförmigen Stickstoffres erneut verdichtet. überschüssiger Stickstoff wird nach Wärmetausch mit dem zu zerlegenden Syntheseabgas aus der Anlage abgezogen.
  • Dieses Verfahren hat zwar den großen Vorteil, daß es die Rückgewinnung des Wasserstoffes und die Erzeugung von Argon ermöglicht, aufgrund der hohen Drücke, die in dem Stickstoff-Kältekreislauf benötigt werden, ist es jedoch apparativ sehr aufwendig. Drücke in der Größenordnung von 150 bis 200 bar erfordern Verdichter und Wärmetauscher, die teuer, störanfällig und aufwendig zu warten sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ohne energetische Einbußen der Hochdruck-Kältekreislauf durch einen Mitteldruck-Kältekreislauf ersetzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des Stickstoffes bereits bei einem unterhalb des Enddruckes liegenden Mitteldruck entnommen und in Parallelführung mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, teilweise verflüssigt und mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff nach dessen Entspannung vereinigt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des Stickstoffes an einer Zwischenstufe des Verdichters entnommen. Beide Stickstoffströme - sowohl der auf Mitteldruck, als auch der auf Enddruck befindliche - werden gemeinsam abgekühlt und zur Sumpfbeheizung der ersten und der zweiten Trennstufe verwendet. Anschließend werden die beiden Stickstoffströme entspannt und gemeinsam in teilweise verflüssigtem Zustand zusammengeführt, wobei der Flüssigstickstoff wie beim vorbekannten Verfahren zum Teil als Waschflüssigkeit auf die zweite Trennstufe aufgegeben und zum Teil zur Kopfkühlung der ersten Trennstufe verwendet wird. Während bisher der Stickstoff auf sehr hohen Druck verdichtet wurde und ein Teil des Stickstoffre unter dem hohen Druck zur Sumpfbeheizung der ersten Trennstufe verwendet wurde und der restliche Stickstoff arbeitsleistend entspannt und zur Sumofbeheizung der zweiten Trennstufe verwendet wurde, wird erfindungsgemäß ein Stickstoffstrom, der auf einen weitaus niedrigeren Druck verdichtet worden ist, zur Sumpfbeheizung beider Trennstufen herangezogen und gleichzeitig ein weiterer Stickstoffstrom, der sich auf einem noch niedrigeren Druckniveau befindet, parallel zu dem ersten Stickstoffstrom zur Sumpfbeheizung der beiden Trennstufen verwendet.
  • Durch den Erfindungsgegenstand ist es überraschenderweise möglich, den Enddruck des Stickstoffes drastisch zu senken, und dabei dennoch die für den Prozeß erforderliche Kälteleistung bereitzustellen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Mitteldruck zwischen 6 und 20 bar. Vorzugsweise beträgt der Mitteldruck zwischen 10 und 16 bar, insbesondere etwa 13,5 bar.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Enddruck zwischen 30 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 35 und 45 bar und insbesondere etwa 40,5 bar.
  • Mit den angegebenen Druckbereichen für den Mitteldruck und den Enddruck wird eine ausreichende Kälteleistung für den Prozeß erzielt. Die jeweiligen Druckwerte hängen von äußeren Verfahrensbedingungen, wie Gaszusammensetzung und Gasdruck ab. In jedem Fall aber liegen die Drücke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Druckbereich, der deutlich unter den bisher für den Kältekreislauf erforderlichen hohen Drücken liegt. Dadurch können mit Vorteil anstelle der bisher benötigten gewickelten Wärmetauscher nunmehr Plattenwärmetauscher verwendet werden, die wesentlich preisgünstiger hergestellt werden können. Selbst wenn sich der auf Enddruck befindliche Stickstoff noch oberhalb des kritischen Punktes befindet und daher beim Abkühlen in der ersten Trennstufe nicht verflüssigt wird, so wird er beim Beheizen der ersten Trennstufe doch über den steilen Teil der Enthalpiekurve abgekühlt. In diesem Bereich sind bereits relativ kleine Stickstoffmengen für die erforderliche Heizleistung ausreichend.
  • Es ist von Vorteil, wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Teil des verdichteten, abgekühlten Stickstoffes arbeitsleistend entspannt und dem gasförmigen Anteil des teilweise verflüssigten Stickstoffes zugeführt wird.
  • Zur Kälteerzeugung wird entweder auf Mitteldruck oder auf Enddruck befindlicher Stickstoff arbeitsleistend entspannt. Wird ein Teil des Mitteldruck-Stickstoffes arbeitsleistend entspannt, so wird mit Vorteil der Austrittsdruck gleich dem Druck des rückverdampften-Stickstoffs gewählt. Wird Enddruck-Stickstoff arbeitsleistend entspannt, wird zweckmäßigerweise ein höherer Austrittsdruck eingestellt, damit ein optimales Druckgefälle an der Entspannungsmaschine erreicht wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird der arbeitsleistend entspannte Stickstoff auf einen Druck oberhalb des Eingangsdruckes des Verdichters entspannt und dem Verdichter an einer Zwischenstelle zugeführt. Dabei liegt der Druck an der Zwischenstelle vorteilhafterweise unterhalb des Mitteldruckes des aus dem Verdichter abgezogenen Stickstoff-Teilstroms.
  • Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird ein Teil des nach der Entspannung gasförmig verbliebenen Stickstoffres zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe in Wärmetausch mit Syntheseabgas angewärmt und anschließend dem zu verdichteten Stickstoffstrom beigemischt. Ein Teil des erneut verdichteten Stickstoffes wird bei dieser Verfahrensführung beispielsweise der Synthese zugeführt.
  • In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß ein Teil des bei der Entspannung verflüssigten Stickstoffres durch Kühlen der ersten Trennstufe verdampft und dem im Wärmetausch mit Syntheseabgas anzuwärmenden Stickstoffstrom beigemischt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes liefert der zur Beheizung der ersten Trennstufe verwendete Stickstoff mit Mitteldruck zwischen 5 und 20% der benötigten Gesamtheizleistung in der ersten Trennstufe. Vorzugsweise liefert der Mitteldruck-Stickstoffstrom etwa 10% Heizleistung.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes liefert der zur Beheizung der zweiten Trennstufe verwendete Stickstoff mit Mitteldruck zwischen 60 und 90% der benötigten Gesamtheizleistung in der zweiten Trennstufe. Insbesondere liefert dieser Mitteldruck-Stickstoffstrom etwa 75% der benötigten Heizleistung.
  • In beiden Trennstufen wird die restliche Heizleistung durch den auf Enddruck befindlichen Stickstoff geliefert.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt zwei hintereinandergeschaltete Trennsäulen sowie einen Stickstoff-Kältekreislauf, der einen Verdichter, einen Wärmetauscher, Aufkocher im Sumpf der beiden Trennsäulen und einen Stickstoff-Vorratsbehälter enthält, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Wärmetauscher und dessen kaltes Ende mit den beiden Aufkochern in Verbindung steht, und die Aufkocher ausgangsseitig in den Vorratsbehälter münden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter mindestens zweistufig ausgebildet ist, wobei die Ausgänge der beiden Verdichterstufen getrennt voneinander durch den Wärmetauscher und die beiden Aufkocher geführt sind und gemeinsam in den Vorratsbehälter münden, und daß der Strömungsweg für den Stickstoff aus der ersten oder zweiten Verdichterstufe mit einer Entspannungsmaschine verbunden ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Entspannungsmaschine ausgangsseitig über einen Wärmetauscher mit einer zum Verdichter führenden Rücführungsleitung für gasförmigen Stickstoff verbunden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Kühler im Kopf der ersten Trennsäule eingangsseitig mit dem Stickstoff-Vorratsbehälter und ausgangsseitig mit einer weiteren zum Verdichter führenden Rückführungsleitung für gasförmigen Stickstoff verbunden.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Hierbei zeigen:
    • Figur 1 eine Ausführungsfrom des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Figur 2 eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemnäßen Verfahrens.
  • Ein Syntheseabgas (Purge-Gas) aus der Ammoniaksynthese weist beispielsweise eine Zus ammensetzung von 31 Mol % H2, 10 Mol % N2, 19 Mol % Ar und 40 Mol % CH4 auf. Diesces Gasgemisch soll zerlegt werden, um Ammoniak-Synthesegas und flüssiges Argon zu gewinnen.
  • Das Syntheseabgas, das bei 1 zugeführt wird, ist in einer nicht dargestellten Verfahrensstufe von Wasser und Ammoniak befreit worden. In einem Wärmetauscher 2 wird das Syntheseabgas in Wärmetausch mit Wasserstoff-Produkt aus der Zerlegung und einem Stickstoff-Kältekreislauf auf etwa 85 K abgekühlt und dabei teilweise verflüssigt. Der gasförmige Anteil, der Wasserstoff mit Produktreinheit (etwa 94,7 Mol %) enthält, wird über den Kopf eines nachfolgenden Abscheiders 3 abgezogen und nach Anwärmung im Wärmetauscher 2 entnommen. Die flüssige Fraktion, die nahezu das gesamte Argon und Methan sowie einen Großteil des Stickstoffres enthält, wird über eine Leitung 4 in eine erste Trennsäule 5 (Methansäule) eingeführt, aus der eine methanfreie Stickstoff-Argon-Fraktion (kopfseitig) und Methan (sumpfseitig) entnommen werden. Die erste Trennsäule 5 wird mit einem Druck von ca. 2,2 bar betrieben. Das Methan (ca. 97 Mol %) wird bei einer Temperatur von etwa 122 K über Leitung 6 entnommen.
  • Die Stickstoff-Argon-Fraktion wird über Leitung 7 mit etwa 89 K in eine bei einem Druck von etwa 2 bar betriebene Trennsäule 8 (Argonsäule) eingeführt, in der eine Zerlegung in Stickstoff (kopfseitig) und Argon-Produkt (sumpfseitig) erfolgt. Das flüssige Argon verläut die zweite Trennsäule 8 mit etwa 94 K, der Stickstoff mit etwa 83,5 K. Das Argon hat eine Produktreinheit von nahezu 100 %, die Stickstoffreinheit beträgt ca. 94 %.
  • Zur Durchführung der Rektifikation in den Trennsäulen 5, 8 und zur Kälteerzeugung ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen. Der Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennsäule 8 wird zum Teil (Leitung 9) durch den Wärmetauscher 2 geleitet, in dem er sich unter Abkühlung des Syntheseabgases erwärmt, und der Saugseite der ersten Stufe eines dreistufigen Verdichters 10 zugeführt. Der Druck am Verdichtereingang beträgt ca.1,5 bar. Ein anderer Teil des Stickstoffes (Leitung 11) wird in Wärmetauschern 12, 13 in Wärmetausch mit zwei noch zu beschreibenden Stickstoff-Teilströmen des Stickstoff-Kreislaufs angewärmt und anschließend ebenfalls der ersten Verdichterstufe zugeführt.
  • Ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der zweiten Trennsäule 8 wird über eine Leitung 21 entnommen, im Wärmetauscher 12 verdampft und wieder in die zweite Trennsäule 8 zurückgeleitet.
  • Um jede Verdichterstufe optimal auszunutzen wird der Stickstoff in jeder Stufe etwa um einen Faktor 3 verdichtet, d.h. auf 4,5; 13,5 und schließlich auf 40,5 bar. Der auf den Enddruck verdichtete Stickstoff (Leitung 15) wird im Wärmetauscher 13 in Wärmetausch mit dem Stickstoffstrom 11 sowie mit einem weiteren noch zu beschreibenden Niederdruck-Stickstoffstrom 19 abgekühlt. Zusätzliche Kälte liefert ein Kältemittel 14.
  • Ein Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes wird in einem Aufkocher 16 im Sumpf der ersten Trennsäule 5 abgekühlt. Der Stickstoff, der sich im überkritischen Zustand befindet, wird dabei über den steilen Teil der Enthalpiekurve geführt (Quasi-Kondensation). Er gelangt anschließend in den Wärmetauscher 12, in dem er unterkühlt wird, und wird schließlich in einen Stickstoff-Vorratsbehälter 17, der sich auf einem Druck von ca. 4,8 bar befindet, entspannt.
  • Der restliche Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes wird vor Beendigung des Wärmetausches aus dem Wärmetauscher 13 abgezweigt und in einer Entspannungsmaschine 18 arbeitsleistend entspannt, wobei sich sein Druck von ca. 40 bar auf ca. 5bar und seine Temperatur von ca. 132 K auf ca. 84 K senken. Bei Bedarf wird ein Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes über Leitung 26 abgezweigt und beispielsweise als Sperrgas für den Verdichter 10 oder als Synthesegas weiter verwendet.
  • Der in der Entspannungsmaschine 18 entspannte Stickstoff 19 wird durch einen Teil des Wärmetauschers 12 geführt, in dem er Wärme aufnimmt, im Wärmetauscher 13 weiter erwärmt und dem Verdichter 10 an einer Zwischenstelle, nämlich auf der Saugseite der zweiten Verdichterstufe, zugeführt.
  • Erfindungsgemäß wird aus dem Verdichter 10 an einer Zwischenstelle ein Stickstoffstrom entnommen, der sich auf einem unterhalb des Enddruckes liegenden mittleren Druck befindet. Dieser Mitteldruck-Stickstoffstrom wird über Leitung 20 mit einem Druck von 13,5 bar am Ausgang der zweiten Verdichterstufe entnommen und in Parallelführung zu dem unter Enddruck befindlichen Stickstoffstrom 15 im Wärmetauscher 13 abgekühlt, im Aufkocher 16 weiter abgekühlt, im Wärmetauscher 12 verflüssigt und unterkühlt und zuletzt ebenfalls in den Stickstoff-Vorratsbehälter 17 entspannt.
  • Erfindungsgemäß decken somit die auf unterschiedlichen Druckniveaus befindlichen Stickstoffströme 15 und 20 den Wärmebedarf der beiden Trennsäule 5, 8. Der überwiegende Teil der Heizleistung (ca. 90 %) in der ersten Trennsäule 5 wird von dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff 15 geliefert, während der größere Anteil der Heizleistung in der zweiten Trennsäule 8 (ca. 75 %) von dem Mitteldruck-Stickstoff 20 geliefert wird.
  • Aus dem Vorratsbehälter 17 wird gasförmiger Stickstoff 22 entnommen und dem arbeitsleistend entspannten Stickstoff 19 vor dem Wärmetauscher 12 zugemischt. Der flüssige Stickstoff 23 aus dem Vorratsbehälter 17 wird zum Teil in einem Wärmetauscher 27 verdampft, beispielsweise in Wärmetausch mit Argon-Produkt (nicht dargestellt), und dem gasförmigen Stickstoff 9 vor dem Wärmetauscher 2 zugeführt. Zum anderen Teil wird der flüssige Stickstoff einerseits als Waschflüssigkeit auf die zweite Trennsäule 8 aufgegeben (Leitung 24) und andererseits durch einen Kühler 25 im Kopf der ersten Trennsäule 5 geleitet, in welchem er verdampft, und anschließend dampfförmig ebenfalls dem Stickstoffstrom 9 zugeführt.
  • In Figur 2, die eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1 zeigt, sind für analoge Anlagenteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Es soll hier nur auf die unterschiedlichen Merkmale zu dem Verfahren gemäß Figur 1 hingewiesen werden. Bei dem Verfahren gemäß Figur 2 wird nicht der auf Enddruck befindliche Stickstoff, sondern der auf Mitteldruck befindliche Stickstoff 20 nach Passieren des Wärmetauschers 13 arbeitsleistend entspannt. Um einen optimalen Wirkungsgrad an der Entspannungsmaschine 18 zu erreichen, wird der Stickstoff von etwa 13 bar auf 2 bar entspannt, wobei er sich von etwa 132 K auf ca. 84 K abkühlt. Der Auspuff 19 der Entspannungsmaschine 18 wird dem Stickstoff 22 aus dem Vorratsbehälter 17 zugeführt und strömt nach Anwärmung in den Wärmetauschern 12 und 13 zum Verdichter 10 zurück. Allerdings wird der Stickstoff hier im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß Figur 1 bereits auf der Saugseite der ersten Verdichterstufe zugeführt. In dem Vorratsbehälter 17 herrscht im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren ein Druck von etwa 2 bar.

Claims (12)

1. Verfahren zur Zerlegung von Syntheseabgas in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, bei dem Stickstoff auf einen Enddruck verdichtet, abgekühlt, entspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei gasförmiger und zurückverdampfter flüssiger Stickstoff erneut verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Stickstoffes (20) bereits bei einem unterhalb des Enddruckes liegenden Mitteldruck entnommen und in Parallelführung mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff (15) abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen (5,8) weiter abgekühlt, entspannt, mindestens teilweise verflüssigt und mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff (15) nach dessen Entspannung vereinigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitteldruck zwischen 6 und 20 bar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Enddruck zwischen 30 und 50 bar beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des verdichteten, abgekühlten Stickstoffes arbeitsleistend entspannt und dem gasförmigen Anteil (22) des teilweise verflüssigten Stickstoffes zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der arbeitsleistend entspannte Stickstoff auf einen Druck oberhalb des Eingangsdruckes des Verdichters (10) entspannt und dem Verdichter (10) an einer Zwischenstelle zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des nach der Entspannung gasförmig verbliebenen Stickstoffes (22) zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe (8) in Wärmetausch mit Syntheseabgas (1) angewärmt und anschließend dem zu verdichtenden Stickstoffstrom (9) beigemischt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bei der Entspannung verflüssigten Stickstoffes (23) durch Kühlen der ersten Trennstufe (5) verdampft und dem in Wärmetausch mit Syntheseabgas (1) anzuwärmenden Stickstoffstrom (9) beigemischt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beheizung der ersten Trennstufe (5) verwendete Stickstoff mit Mitteldruck (20) zwischen 5 und 20% der benötigten Gesamtheizleistung in der ersten Trennstufe liefert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beheizung der zweiten Trennstufe (8) verwendete Stickstoff mit Mitteldruck (20) zwischen 60 und 90% der benötigten Gesamtheizleistung in der zweiten Trennstufe (8) liefert.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei hintereinandergeschalteten Trennsäulen sowie mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, der einen Verdichter, einen Wärmetauscher, Aufkocher im Sumpf der beiden Trennsäulen und einen Stickstoff-Vorratsbehälter enthält, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Wärmetauscher und dessen kaltes Ende mit den beiden Aufkochern in Verbindung steht, und die Aufkocher ausgangsseitig in den Vorratsbehälter münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (10) mindesten zweistufig ausgebildet ist, wobei die Ausgänge der beiden Verdichterstufen getrennt voneinander durch den Wärmetauscher (13) und die beiden Aufkocher geführt sind und gemeinsam in den Vorratsbehälter (17) münden, und daß der Strömungsweg für den Stickstoff aus der ersten oder zweiten Verdichterstufe mit einer Entspannungsmaschine (18) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine (18) ausgangsseitig über einen Wärmetauscher (12) mit einer zum Verdichter (10) führenden Rückführungsleitung (11,19) für gasförmigen Stickstoff verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1o doer 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühler (25) im Kopf der ersten Trennsäule (5) eingangsseitig mit dem Stickstoff-Vorratsbehälter (17) und ausgangsseitig mit einer weiteren zum Verdichter (10) führenden Rückführungsleitung (9) für gasförmigen Stickstoff verbunden ist.
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