EP0559117B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung eines Gasgemisches - Google Patents

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EP0559117B1
EP0559117B1 EP93103226A EP93103226A EP0559117B1 EP 0559117 B1 EP0559117 B1 EP 0559117B1 EP 93103226 A EP93103226 A EP 93103226A EP 93103226 A EP93103226 A EP 93103226A EP 0559117 B1 EP0559117 B1 EP 0559117B1
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EP
European Patent Office
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fraction
evaporator
condenser
line
boiling
Prior art date
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EP93103226A
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EP0559117A1 (de
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Horst Dipl.-Ing. Corduan
Werner Dipl.-Ing. Skolaude
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Publication of EP0559117B1 publication Critical patent/EP0559117B1/de
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    • F25J3/044—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a single pressure main column system only
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    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger

Definitions

  • the invention relates to a process for the decomposition of a gas mixture, in particular air, in which a product enriched with lower-boiling components, in particular nitrogen, is obtained, a lower-boiling fraction from the upper region of a rectification column in a condenser-evaporator in indirect heat exchange with an evaporating one heavy-boiling fraction is at least partially condensed, and an apparatus for performing this method.
  • the invention has for its object to make the method of the type mentioned economically more economical, in particular by improving the heat exchange process on the condenser-evaporator.
  • the heavy-boiling fraction is fed a further fraction before the indirect heat exchange, the has a lower proportion of heavy- boiling components than the heavy-boiling fraction.
  • the throughput on the evaporation side of the condenser-evaporator can be increased as an alternative or in addition to an increased throughput of the heavy-boiling fraction by feeding in a lower-boiling fraction.
  • a particularly high throughput of heavy-boiling fraction means an additional load on the rectification column, since liquid condenses at the top of the column and flows back down through the column through the trays or other mass transfer elements (e.g. packing elements or ordered packings), before being removed as a heavy-boiling fraction to be able to.
  • the additional fraction used as additional refrigerant does not first have to be condensed at the top of the column and passed through practically the entire column. If, according to the invention, the mixing of the heavy-boiling fraction with the further fraction poorer in heavy- boiling components is accepted, this fraction can in principle be removed at any point in the process without loading the column.
  • the boiling fraction increases due to the increase in horrid Shares of the vapor pressure on the evaporation side of the condenser-evaporator (at constant evaporation temperature). Taking advantage of this effect, the pressure of the heavy-boiling fraction and subsequently the entire process pressure can be reduced, thus saving compression energy accordingly. Especially when there is an increased demand for cold, the addition of low-boiling components also counteracts the energetically unfavorable tendency to increase the temperature difference during heat transfer.
  • An additional advantage is the feeding of the further fraction in gaseous form according to a further development of the inventive idea.
  • the high proportion of gas bubbles on the evaporation side of the condenser-evaporator results in a strongly turbulent flow and thus an improved heat transfer.
  • the further fraction is formed by a partial stream of the lower-boiling fraction.
  • This usually represents the top fraction of the rectification column, so it has a maximum proportion of low-boiling components.
  • the above-described effect of lowering the vapor pressure on the evaporation side of the condenser-evaporator is therefore greatest. With this procedure, the achievable amount of liquid product can be increased compared to a process without feeding low-boiling components into the evaporation space, without further measures being necessary.
  • the further fraction is formed by a partial flow of the gas mixture to be broken down.
  • the amount of fluid fed into the evaporation chamber is therefore not passed through the rectification column.
  • a correspondingly reduced load on the column can be dimensioned more cost-effectively. Separation work already done to obtain low-boiling product is not lost.
  • the further fraction and the high-boiling fraction can first be mixed and then fed to the evaporation side of the condenser-evaporator.
  • the method according to the invention offers further advantages if the mixture of evaporated heavy-boiling and further fraction downstream of the condenser-evaporator in indirect heat exchange with the gas mixture to be separated warmed up and then relaxed while working.
  • the relaxation can take place, for example, in a relaxation machine, a so-called residual gas turbine.
  • the throughput at the turbine - and thus its cooling capacity - can be increased by feeding the further fraction in accordance with the invention without additionally stressing the rectification column.
  • the particularly high vapor pressure on the evaporation side of the condenser-evaporator can be used to increase the pressure ratio at the residual gas turbine and thus to further improve the refrigeration.
  • a modification of the invention also relates to a process for the separation of a gas mixture, in particular air, in which a product enriched with lower-boiling components, in particular nitrogen, is obtained, a lower-boiling fraction from the upper region of a rectification column in a condenser-evaporator in indirect heat exchange is at least partially condensed with an evaporating heavy-boiling fraction.
  • the evaporated, high-boiling fraction downstream of the condenser-evaporator is heated in indirect heat exchange with the gas mixture to be separated and is then expanded to perform work.
  • This modified form of the invention is also based on the object of making this method more economical, in particular when there is a high need for cooling.
  • This object is achieved in that the heavy-boiling fraction downstream of the condenser-evaporator is fed a further fraction which has a lower proportion of heavy- boiling components than the heavy-boiling fraction.
  • the further fraction can be fed to the heavy-boiling fraction at least partially between the condenser-evaporator and indirect heat exchange with the gas mixture to be broken down and / or at least partially between the indirect heat exchange with the gas mixture to be broken down and relaxation work performed.
  • the further fraction can consist of the lower-boiling fraction from the top of the rectification column or of a gas mixture to be separated (gaseous nitrogen or feed air in the case of use in air separation). Because of the particularly simple implementation, the use of the gas mixture to be broken down is particularly favorable as the further fraction.
  • the heavy-boiling fraction can also be introduced into the lower region of the evaporation side of the condenser / evaporator, as described in detail in DE-A-28 35 355.
  • the inventive method is particularly great advantages in all its variants, if at least a portion of the nitrogen in the condenser-evaporator condensed lower-boiling fraction as a liquid product, in the case of air separation so liquid is obtained.
  • the invention relates to a device according to claims 17 to 21.
  • Air drawn in via line 1 is compressed in compressor 1 to a pressure of 6 to 14, preferably 7 to 10 bar, and treated in a cleaning device 3, for example switchable molecular sieve absorbers.
  • the air freed of impurities flows via line 4 to a heat exchanger 5, in which it is cooled in countercurrent to product flows.
  • the cold air is fed via line 6 into a rectification column 7, the working pressure of which is 6 to 14, preferably 7 to 10 bar.
  • a bottoms fraction 8 enriched with heavy-boiling constituents (here oxygen) is withdrawn from the rectification column 7 in liquid form, subcooled in countercurrent 9, expanded to 5 to 2 bar, preferably 4 to 2 bar in a pressure relief valve 10 and finally introduced into a condenser-evaporator 11.
  • the condenser-evaporator 11 is shown in the drawings as an independent component. Deviating from this, it could also be integrated into the rectification column 7, for example.
  • the fraction evaporated in the condenser-evaporator 11 is drawn off via line 12 and heated in the heat exchangers 9 and 5.
  • the heated residual gas fraction can be used to regenerate the cleaning device 3, as indicated in the drawings by line 17.
  • the invention can also be implemented without this work-relieving relaxation.
  • the evaporation in the condenser-evaporator 11 can also be carried out under a lower pressure.
  • part of the gaseous nitrogen which is not required as a product, is removed via line 24 from the top of the rectification column 7, that is to say a further fraction which has a lower proportion of heavy- boiling components than the heavy-boiling fraction 8 from the bottom of the rectification column 7 , which is fed to the depressed fraction 8 in the expansion valve 10.
  • the mixture is introduced into the evaporation side of the condenser-evaporator 11 and there it enters into indirect heat exchange with another part 19 of the gaseous nitrogen from the rectification column 7.
  • the bottom fraction and the further fraction can be fed to the condenser-evaporator 11 at any point; however, preferably both fractions - together or separately - are fed in at the bottom of the condenser-evaporator 11. Details of such a method and the corresponding device are described in DE-A-28 35 355. This aspect of the method according to the invention brings about not only the enrichment of the evaporating fraction with lower boiling points Components noticeably improved heat transfer at the condenser-evaporator 11.
  • FIGS. 3 and 4 show another possibility of increasing the throughput at the expansion turbine 14 with a correspondingly high cooling requirement.
  • cold, purified air is fed to the vaporized bottom fraction 12 upstream of the turbine 14.
  • This can be implemented via one of the lines 25a or 25b upstream or downstream of the heat exchanger 5; A combined use of the two lines 25a, 25b is also possible.
  • the relaxed bottom fraction is fed into the evaporation space of the condenser-evaporator 11 in a conventional manner, while in the process of FIG. 4 a feed from below is again provided according to DE-A-28 35 355.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches, insbesondere von Luft, bei dem ein an leichtersiedenden Komponenten angereichertes Produkt, insbesondere Stickstoff, gewonnen wird, wobei eine leichtersiedende Fraktion aus dem oberen Bereich einer Rektifiziersäule in einem Kondensator-Verdampfer in indirektem Wärmeaustausch mit einer verdampfenden schwerersiedenden Fraktion mindestens teilweise kondensiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A-O 241 817 bekannt. Zur Gewinnung von Stickstoff wird hier kalte gereinigte Luft in einer Rektifiziersäule in eine sauerstoffangereicherte Sumpffraktion und in ein stickstoffreiches Kopfprodukt zerlegt. Die Sumpffraktion wird in einen Kondensator-Verdampfer geleitet und dort gegen kondensierenden Stickstoff verdampft.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art wirtschaftlich günstiger zu gestalten, insbesondere durch Verbesserung des Wärmeaustauschvorgangs am Kondensator-Verdampfer.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der schwerersiedenden Fraktion vor dem indirekten Wärmeaustausch eine weitere Fraktion zugeführt wird, die einen geringeren Anteil an schwerersiedenden Komponenten aufweist als die schwerersiedende Fraktion.
  • Eine Vermischung von Fraktionen verschiedener Zusammensetzung bedeutet zunächst offensichtlich einen Nachteil, da dadurch bereits geleistete Trennarbeit wieder verlorengeht. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, daß dieser Nachteil durch eine andere, vorteilhafte Wirkung des Zusatzes leichtersiedender Anteile in die schwerersiedende Fraktion überwogen wird, insbesondere bei besonders hohem Wärmeumsatz am Kondensator-Verdampfer.
  • Einerseits kann der Durchsatz auf der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers alternativ oder ergänzend zu einem erhöhten Durchsatz der schwerersiedenden Fraktion durch die Zuspeisung einer leichter siedenden Fraktion erhöht werden. Ein besonders hoher Durchsatz an schwerersiedender Fraktion bedeutet nämlich eine zusätzliche Belastung der Rektifiziersäule, da Flüssigkeit am Kopf der Säule kondensiert und durch die Säule wieder über die Böden oder sonstigen Stoffaustauschelemente (z.B. Füllkörper oder geordnete Packungen) nach unten fließt, um anschließend als schwerersiedende Fraktion entnommen werden zu können. Die als zusätzliches Kältemittel eingesetzte weitere Fraktion muß im Gegensatz zu der schwerersiedenden Fraktion nicht zunächst am Kopf der Säule kondensiert und durch praktisch die gesamte Säule geführt werden. Nimmt man gemäß der Erfindung die Vermischung der schwerersiedenden Fraktion mit der weiteren, an schwerersiedenden Komponenten ärmeren Fraktion in Kauf, kann diese Fraktion grundsätzlich an jeder Stelle des Verfahrens entnommen werden, ohne die Säule zu belasten.
  • Zum anderen steigt aufgrund der Erhöhung der leichtersiedenden Anteile der Dampfdruck der siedenden Fraktion auf der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (bei gleichbleibender Verdampfungstemperatur). In Ausnützung dieses Effekts kann der Druck der schwerersiedenden Fraktion und in der Folge der gesamte Verfahrensdruck abgesenkt und damit entsprechend Verdichtungsenergie eingespart werden. Gerade bei erhöhtem Kältebedarf wirkt die Zuspeisung von leichtersiedenden Komponenten außerdem der energetisch ungünstigen Tendenz zur Erhöhung der Temperaturdifferenz beim Wärmeübergang entgegen.
  • Einen zusätzlichen Vorteil bringt die Zuspeisung der weiteren Fraktion in Gasform gemäß einer Weiterbildung des erfinderischen Gedankens. Der hohe Anteil an Gasblasen auf der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers zieht eine stark turbulente Strömung und damit einen verbesserten Wärmeübergang nach sich.
  • Als weitere Fraktion kann bespielsweise jedes Fluid dienen, das oberhalb der Entnahme der schwerersiedenden Fraktion aus der Rektifiziersäule entnommen wird. Als besonders günstig haben sich jedoch zwei spezielle Varianten erwiesen.
  • In einer ersten bevorzugten Variante wird die weitere Fraktion durch einen Teilstrom der leichtersiedenden Fraktion gebildet. Diese stellt in der Regel die Kopffraktion der Rektifiziersäule dar, hat also einen maximalen Anteil an leichtersiedenden Komponenten. Der oben beschriebene Effekt der Dampfdruckerniedrigung auf der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers ist damit am höchsten. Mit dieser Verfahrensweise kann gegenüber einem Verfahren ohne Zuspeisung von leichtersiedenden Komponenten in den Verdampfungsraum die erreichbare Flüssigproduktmenge gesteigert werden, ohne daß weitere Maßnahmen erforderlich sind.
  • Bei einer zweiten günstigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die weitere Fraktion durch einen Teilstrom des zu zerlegenden Gasgemisches gebildet. Die in den Verdampfungsraum eingespeiste Fluidmenge wird also nicht durch die Rektifiziersäule geführt. Durch eine entsprechend verringerte Belastung der Säule kann diese kostengünstiger dimensioniert werden. Bereits für die Gewinnung von leichtersiedendem Produkt geleistete Trennarbeit geht nicht verloren.
  • Statt einer Vermischung von schwerersiedender und weiterer Fraktion stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers kann es günstig sein, die weitere Fraktion der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers zuzuführen. Die Vermischung der beiden Fraktionen findet dann im Verdampfungsraum selbst statt. Gerade bei gasförmiger Zuspeisung der weiteren Fraktion kann die oben beschriebene Verbesserung des Wärmeübergangs besonders effizient ausgenutzt werden.
  • Dabei hat es sich speziell als vorteilhaft herausgestellt, wenn die weitere Fraktion und/oder die schwerersiedende Fraktion in den unteren Bereich der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers eingeleitet werden. Eine entsprechende Vorrichtung und ihre Betriebsweise sind in der DE-A-28 35 355 beschrieben. Dadurch lassen sich ein besonders günstiger Dampfdruck und ein weiter verbesserter Wärmeübergang erreichen.
  • Auf ähnliche Weise können die weitere Fraktion und die schwerersiedende Fraktion zunächst vermischt und anschließend der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers zugeführt werden.
  • Weitere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn das Gemisch aus verdampfter schwerersiedender und weiterer Fraktion stromabwärts des Kondensator-Verdampfers in indirektem Wärmeaustausch mit zu zerlegendem Gasgemisch angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt wird. Die Entspannung kann beispielsweise in einer Entspannungsmaschine, einer sogenannten Restgasturbine erfolgen. In diesem Fall kann durch die Zuspeisung der weiteren Fraktion gemäß der Erfindung der Durchsatz an der Turbine - und damit deren Kälteleistung - erhöht werden, ohne die Rektifiziersäule zusätzlich zu belasten. Außerdem kann der besonders hohe Dampfdruck auf der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers zur Erhöhung des Druckverhältnisses an der Restgasturbine und damit zur weiterer Verbesserung der Kälteerzeugung ausgenutzt werden.
  • Eine Abwandlung der Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches, insbesondere von Luft, bei dem ein an leichtersiedenden Komponenten angereichertes Produkt, insbesondere Stickstoff, gewonnen wird, wobei eine leichtersiedende Fraktion aus dem oberen Bereich einer Rektifiziersäule in einem Kondensator-Verdampfer in indirektem Wärmeaustausch mit einer verdampfenden schwerersiedenden Fraktion mindestens teilweise kondensiert wird. Außerdem wird bei diesem Verfahren die verdampfte schwerersiedende Fraktion stromabwärts des Kondensator-Verdampfers in indirektem Wärmeaustausch mit zu zerlegendem Gasgemisch angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt.
  • Auch dieser abgewandelten Form der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren wirtschaftlich günstiger zu gestalten, insbesondere bei hohem Kältebedarf.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der schwerersiedenden Fraktion stromabwärts des Kondensator-Verdampfers eine weitere Fraktion zugeführt wird, die einen geringeren Anteil an schwerersiedenden Komponenten aufweist als die schwerersiedende Fraktion.
  • Ähnlich wie bei der erstgenannten Variante der Erfindung wird als der schwerersiedenden Fraktion eine weitere Fraktion anderer Zusammensetzung zugeführt, ohne daß diese durch die Säule geführt werden müßte. Hierdurch läßt sich der Durchsatz bei der arbeitsleistenden Entspannung erhöhen, ohne daß dadurch die Säule belastet würde. Auch hier kann der damit erreichte Vorteil den Nachteil des Verlustes von Trennarbeit bei der Vermischung aufwiegen.
  • Die weitere Fraktion kann der schwerersiedenden Fraktion mindestens teilweise zwischen Kondensator-Verdampfer und indirektem Wärmeaustausch mit zu zerlegendem Gasgemisch und/oder mindestens teilweise zwischen indirektem Wärmeaustausch mit zu zerlegendem Gasgemisch und arbeitsleistender Entspannung zugeführt werden.
  • Wiederum kann die weitere Fraktion aus der leichtersiedenden Fraktion vom Kopf der Rektifiziersäule oder aus zu zerlegendem Gasgemisch (gasförmiger Stickstoff beziehungsweise Einsatzluft im Falle der Anwendung bei der Luftzerlegung) bestehen. Wegen der besonders einfachen Realisierung ist hier die Verwendung des zu zerlegenden Gasgemisches als die weitere Fraktion besonders günstig.
  • Analog zu den weiter oben erläuterten Varianten der Erfindung kann auch bei der Abwandlung des Verfahren die schwerersiedende Fraktion in den unteren Bereich der Verdampfungsseite des Kondensator/Verdampfers eingeleitet werden, wie es in der DE-A-28 35 355 im Detail beschrieben ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt in allen Varianten besonders große Vorteile, wenn mindestens ein Teil der im Kondensator-Verdampfer kondensierten leichtersiedenden Fraktion als Flüssigprodukt, im Falle der Luftzerlegung also flüssiger Stickstoff, gewonnen wird.
  • Die Erfindung betrifft über das bisher beschriebene Verfahren hinaus eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 17 bis 21.
  • Im folgenden werden die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Die gezeigten Verfahren dienen zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft; die Erfindung ist jedoch ohne weiteres auf die Zerlegung von anderen Zweistoffgemischen übertragbar.
  • Es zeigen im einzelnen:
    • Figur 1:
    ein Luftzerlegungsverfahren gemäß der Erfindung mit Zuspeisung von Stickstoff in die Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers
    Figur 2:
    ein ähnliches Verfahren mit Zuspeisung von Luft
    Figur 3:
    ein stärker abgewandeltes Verfahren mit einer Restgasturbine und der Zuspeisung von Luft stromaufwärts der Turbine
    Figur 4:
    eine Abwandlung des Verfahrens von Figur 3 mit Einspeisung von unten in den Kondensator-Verdampfer
  • Zunächst werden die den Ausführungsbeispielen gemeinsamen Verfahrensmerkmale beschrieben. Über Leitung 1 angesaugte Luft wird in Verdichter 1 auf einen Druck von 6 bis 14, vorzugsweise 7 bis 10 bar verdichtet und in einer Reinigungsvorrichtung 3, beispielsweise umschaltbaren Molsiebadsorbern, behandelt. Die von Verunreinigungen befreite Luft strömt über Leitung 4 zu einem Wärmetauscher 5, in dem sie im Gegenstrom zu Produktströmen abgekühlt wird. Über Leitung 6 wird die kalte Luft in eine Rektifiziersäule 7 eingespeist, deren Arbeitsdruck bei 6 bis 14, vorzugsweise 7 bis 10 bar liegt.
  • Aus der Rektifiziersäule 7 wird eine an schwerersiedenden Bestandteilen (hier Sauerstoff) angereichterte Sumpffraktion 8 flüssig entnommen, in Gegenströmer 9 unterkühlt, in einem Entspannungsventil 10 auf 5 bis 2 bar, vorzugsweise 4 bis 2 bar entspannt und schließlich in einen Kondensator-Verdampfer 11 eingeleitet. Der Kondensator-Verdampfer 11 ist in den Zeichnungen als eigenständiges Bauelement dargestellt. Hiervon abweichend könnte er beispielsweise auch in die Rektifiziersäule 7 integriert sein.
  • Die im Kondensator-Verdampfer 11 verdampfte Fraktion wird über Leitung 12 abgezogen, und in den Wärmetauschern 9 und 5 angewärmt. Die auf eine mittlere Temperatur von 140 bis 115, vorzugsweise 130 bis 115 K angewärmte Restgasfraktion 13 wird in einer Entspannungsturbine 14 auf einen Druck von 1,5 bis 1,1 , vorzugsweise 1,3 bis 1,2 bar arbeitsleistend entspannt, über Leitung 15 zum Wärmetauscher 5 geführt und verläßt diesen unter etwa Umgebungstemperatur über Leitung 16. Die angewärmte Restgasfraktion kann zur Regenerierung der Reinigungsvorrichtung 3 verwendet werden, wie in den Zeichnungen durch Leitung 17 angedeutet ist. Die Erfindung kann bei den Verfahren der Figuren 1 und 2 auch ohne diese arbeitsleistende Entspannung realisiert werden. In diesem Fall kann die Verdampfung im Kondensator-Verdampfer 11 auch unter einem niedrigeren Druck durchgeführt werden.
  • Am Kopf der Rektifiziersäule 7 wird Stickstoff 18 als leichtersiedende Fraktion gasförmig entnommen, über Leitung 19 zum Kondensator-Verdampfer 11 geführt und dort in indirektem Wärmeaustausch mit der verdampfenden Sumpffraktion mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig kondensiert. Das Kondensat wird teilweise über Leitung 20 als Rücklauf auf die Rektifiziersäule 7 aufgegeben und teilweise als Flüssigprodukt (Leitung 21) entnommen.
  • Ein anderer Teil des gasförmig aus der Rektifiziersäule 7 herausgeführten Stickstoffs 18 wird über Leitung 22 zum Wärmetauscher 5 geleitet, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und als gasförmiges, an leichtersiedenden Komponenten angereichertes Produkt abgezogen (23).
  • Beim Verfahren der Figur 1 wird über Leitung 24 ein Teil des gasförmigen, nicht als Produkt benötigten Stickstoffs vom Kopf der Rektifiziersäule 7, also eine weitere Fraktion, die einen geringeren Anteil an schwerersiedenden Komponenten aufweist als die schwerersiedende Fraktion 8 aus dem Sumpf der Rektifiziersäule 7, der in Entspannungsventil 10 entspannten Sumpffraktion 8 zugespeist. Das Gemisch wird in die Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers 11 eingeführt und tritt dort in indirekten Wärmeaustausch mit einem anderen Teil 19 des gasförmigen Stickstoffs aus der Rektifiziersäule 7. Statt einer Einführung des Gemischs in den Kondensator-Verdampfer 11 ist auch eine getrennte Einführung von entspannter Sumpffraktion und weiterer Fraktion 24 in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 11 möglich.
  • Im Prinzip können die Sumpffraktion und die weitere Fraktion an jeder Stelle dem Kondensator-Verdampfer 11 zugeführt werden; bevorzugt werden jedoch beide Fraktionen - gemeinsam oder getrennt - an der Unterseite des Kondensator-Verdampfers 11 eingespeist. Einzelheiten eines derartigen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung sind in der DE-A-28 35 355 beschrieben. Dieser Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt neben der Anreicherung der verdampfenden Fraktion an leichter siedenden Komponenten einen spürbar verbesserten Wärmeübergang am Kondensator-Verdampfer 11.
  • Im Unterschied zu dem soeben beschriebenen Verfahren wird in der Variante von Figur 2 nicht ein Teil des Kopfprodukts, sondern ein Teil der gereinigten kalten Luft, also des zu zerlegenden Gasgemisches, über eine Leitung 24' der entspannten Sumpffraktion vor dem Verdampfen im Kondensator-Verdampfer 11 zugespeist.
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen eine andere Möglichkeit, den Durchsatz an der Entspannungsturbine 14 bei entsprechend hohem Kältebedarf zu erhöhen. Hier wird kalte gereinigte Luft der verdampften Sumpffraktion 12 stromaufwärts der Turbine 14 zugespeist. Dies kann über eine der Leitungen 25a oder 25b stromaufwärts oder stromabwärts des Wärmetauschers 5 realisiert werden; auch eine kombinierte Benutzung der beiden Leitungen 25a, 25b ist möglich.
  • In Figur 3 wird dabei abweichend von den bisherien Ausführungsbeispielen die entspannte Sumpffraktion auf konventionelle Weise in den Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers 11 eingespeist, während beim Verfahren von Figur 4 wiederum eine Zuspeisung von unten gemäß DE-A-28 35 355 vorgesehen ist.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches (4), insbesondere von Luft, bei dem ein an leichtersiedenden Komponenten angereichertes Produkt (21; 23), insbesondere Stickstoff, gewonnen wird, wobei eine leichtersiedende Fraktion (18, 19) aus dem oberen Bereich einer Rektifiziersäule (7) in einem Kondensator-Verdampfer (11) in indirektem Wärmeaustausch mit einer verdampfenden schwerersiedenden Fraktion (8) mindestens teilweise kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der schwerersiedenden Fraktion (8) vor dem indirekten Wärmeaustausch eine weitere Fraktion (24; 24') zugeführt wird, die einen geringeren Anteil an schwerersiedenden Komponenten aufweist als die schwerersiedende Fraktion (8).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (24; 24') der schwerersiedenden Fraktion in gasförmigem Zustand zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion durch einen Teilstrom (24) der leichtersiedenden Fraktion (18) gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion durch einen Teilstrom (24') des zu zerlegenden Gasgemisches gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (24; 24') der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (24; 24') und die schwerersiedende Fraktion (8) vermischt und anschließend der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) zugeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch (12) aus verdampfter schwerersiedender und weiterer Fraktion stromabwärts des Kondensator-Verdampfers (11) in indirektem Wärmeaustausch (5) mit zu zerlegendem Gasgemisch (4) angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt (14) wird.
  8. Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches (4), insbesondere von Luft, bei dem ein an leichtersiedenden Komponenten angereichertes Produkt (21; 23), insbesondere Stickstoff, gewonnen wird, wobei eine leichtersiedende Fraktion (18) aus dem oberen Bereich einer Rektifiziersäule (7) in einem Kondensator-Verdampfer (11) in indirektem Wärmeaustausch mit einer verdampfenden schwerersiedenden Fraktion (8) mindestens teilweise kondensiert wird und die verdampfte schwerersiedende Fraktion (12) stromabwärts des Kondensator-Verdampfers (11) in indirektem Wärmeaustausch (5) mit zu zerlegendem Gasgemisch (4) angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt (14) wird, dadurch gekennzeichnet, daß der schwerersiedenden Fraktion (12) stromabwärts des Kondensator-Verdampfers eine weitere Fraktion (25a, 25b) zugeführt wird, die einen geringeren Anteil an schwerersiedenden Komponenten aufweist als die schwerersiedende Fraktion.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (25a) der schwerersiedenden Fraktion (12) mindestens teilweise zwischen Kondensator-Verdampfer (11) und indirektem Wärmeaustausch (5) mit zu zerlegendem Gasgemisch (4) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (25b) der schwerersiedenden Fraktion (12) mindestens teilweise zwischen indirektem Wärmeaustausch (5) mit zu zerlegendem Gasgemisch (4) und arbeitsleistender Entspannung (14) zugeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion durch einen Teilstrom der leichtersiedenden Fraktion gebildet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Fraktion (25a, 25b) durch einen Teilstrom des zu zerlegenden Gasgemisches (4) gebildet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die schwerersiedende Fraktion (8) in den unteren Bereich der Verdampfungsseite des Kondensator/Verdampfers (11) eingeleitet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der im Kondensator-Verdampfer (11) kondensierten leichtersiedenden Fraktion als Flüssigprodukt (21) gewonnen wird.
  15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Speiseleitung (6) für zu zerlegendes Gasgemisch, die in eine Rektifiziersäule (7) führt, einer Sumpffraktionsleitung (8), die aus dem unteren Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verdampfungsseite eines Kondensator-Verdampfers (11) führt, einer Restgasleitung (12) zur Ableitung von Gas von der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11), einer Kopfgasleitung (19), die Gas aus dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) führt, und einer Produktleitung (18, 22), die mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine weitere Leitung (24), die an einer Stelle oberhalb des Anschlusses der Sumpffraktionsleitung (8) mit der Rektifiziersäule (7) sowie mit der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) verbunden ist.
  16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 mit einer Speiseleitung (6) für zu zerlegendes Gasgemisch, die in eine Rektifiziersäule (7) führt, einer Sumpffraktionsleitung (8), die aus dem unteren Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verdampfungsseite eines Kondensator-Verdampfers (11) führt, einer Restgasleitung (12) zur Ableitung von Gas von der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11), einer Kopfgasleitung (19), die Gas aus dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) führt, und einer Produktleitung (18, 22), die mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine weitere Leitung (24'), die von der Speiseleitung (6) zur Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) führt.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Restgasleitung (12) zu einer Entspannungsmaschine (14) führt.
  18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 13 mit einer Speiseleitung (6) für zu zerlegendes Gasgemisch, die in eine Rektifiziersäule (7) führt, einer Sumpffraktionsleitung (8), die aus dem unteren Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verdampfungsseite eines Kondensator-Verdampfers (11) führt, einer Restgasleitung (12), die mit der Verdampfungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) und mit einer Entspannungsmaschine (14) verbunden ist, einer Kopfgasleitung (19), die Gas aus dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) zur Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers (11) führt, und einer Produktleitung (18, 22), die mit dem oberen Bereich der Rektifiziersäule (7) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine weitere Leitung (25a, 25b), die von der Speiseleitung (6) zur Restgasleitung (12) führt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, gekennzeichnet durch eine Flüssigproduktleitung (21), zur Ableitung von Flüssigkeit von der Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers (11).
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