DE10009977A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestillierzone aufweist. Die Niederdruckdestillierzone wird unter niedrigerem Druck als die Hochdruckdestillierzone betrieben. Eine erste Fraktion (31) wird aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone entnommen und in einen Kondensator-Verdampfer (28) eingeleitet. In dem Kondensator-Verdampfer (28) wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heiz- oder Kühlfluid (27, 36) aus der ersten Fraktion eine zweite Fraktion (32) erzeugt, die in die Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird. Die Niederdruckdestillierzone weist einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) auf. Die beiden Teilabschnitte sind in voneinander getrennten Behältern angeordnet. Eine Gasfraktion (13) wird aus dem oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet (14). Eine Flüssigfraktion (15, 17) wird aus dem unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet. Die erste Fraktion (31), die dem Kondensator-Verdampfer (28) zuströmt, wird durch einen Teil der Gasfraktion (13) oder einen Teil der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, kurz gesagt ein Verfahren mit mindestens zwei Destillierstufen und einer Zwischenheizung oder einer Zwischenkühlung der Niederdruckstufe in Form eines Kondensator Verdampfers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren wirtschaftlich besonders günstig auszugestalten.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale von Oberbegriff und kennzeichnendem Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Niederdruckdestillierzone wird demnach in zwei Teilabschnitten realisiert. Diese sind in (mindestens) zwei voneinander getrennten Behältern untergebracht, werden aber im allgemeinen unter praktisch demselben Druck betrieben. In der Regel werden die beiden Teilabschnitte jeweils innerhalb eines einzigen Behälters realisiert, es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Teilabschnitte weiter aufzuteilen und in einer entsprechend höheren Zahl von Behältern anzuordnen.
Die Gasfraktion aus dem oberen Bereich der ersten Teilabschnitts der Niederdruckdestillierzone wird vorzugsweise ohne druckverändernde Maßnahmen und Vorrichtungen in den zweiten Teilabschnitt geführt. Sie kann beispielsweise am Kopf des ersten Teilabschnitts abgezogen werden. Der zweite Teilabschnitt ist vorzugsweise neben dem ersten Teilabschnitt (oder neben einer Kombination aus Hochdrucksäule, die die Hochdruckdestillierzone enthält, und erstem Teilabschnitt der Niederdruckdestillierzone) angeordnet. Damit ist es - wegen des in etwa gleichen Betriebsdrucks der beiden Teilabschnitte - häufig notwendig, die Flüssigfraktion gegen den hydrostatischen Druck in den ersten Teilabschnitt zu fördern, beispielsweise mittels einer Pumpe.
Im Rahmen der Erfindung werden die zweiteilige Anordnung der Niederdruckdestillierzone und der Kondensator-Verdampfer auf besonders günstige Weise miteinander verknüpft.
Der Kondensator-Verdampfer kann entweder als Zwischenkühlung (Patentanspruch 2) oder als Zwischenheizung (Patentanspruch 3) der Niederdruckdestillierzone ausgebildet sein.
Im ersteren Fall ist es günstig, wenn das Kühlfluid durch flüssigen Stickstoff gebildet wird, der in dem Kondensator-Verdampfer mindestens teilweise verdampft. Dieser Stickstoff kann beispielsweise aus einer der erwähnten Destillierzonen, aus einem Speichertank oder aus einer weiteren Säule zur Stickstoffgewinnung stammen.
Vorzugsweise wird er jedoch aus der Niederdruckdestillierzone entnommen, beispielsweise aus dem Verflüssigungsraum eines Kopfkondensators des zweiten Teilabschnitts, vom Kopf des zweiten Teilabschnitts oder von einer Zwischenstelle einige theoretische oder praktische Böden darunter. Der Druck des flüssigen Stickstoffs kann beispielsweise mittels einer Pumpe stromaufwärts des Kondensator- Verdampfers auf den benötigten Druck erhöht werden. Eine derartige Druckerhöhung im flüssigen Stickstoff, der aus einer Niederdruckdestillierzone abgezogen wird, ist beispielsweise in WO 9819122 im Detail erläutert.
Der in dem Kondensator-Verdampfer aus dem flüssigen Stickstoff gebildete gasförmige Stickstoff kann als Produkt abgezogen werden, insbesondere nach Anwärmung auf etwa Umgebungstemperatur. Dabei kann ein Produktdruck erreicht werden, der deutlich über dem Betriebsdruck der Niederdruckdestillierzone liegt (siehe auch WO 9819122), auch ohne daß weitere Maßnahmen zur Druckerhöhung stromabwärts des Kondensator-Verdampfers ergriffen werden. Selbstverständlich ist eine weitere Verdichtung in gasförmigen Zustand möglich, um den Produktstickstoff auf noch höhere Drücke zu bringen als denjenigen, unter dem der Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers steht.
Besonders große Vorteile zeitigt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Kondensator-Verdampfer zur Erzeugung von flüssigem Rücklauf für eine Seitenkolonne des ersten Teilabschnitts eingesetzt wird, indem der erste Teilabschnitt der Niederdruckdestillierzone in seinem unteren Bereich mit der Seitenkolonne verbunden ist und ein Gasstrom aus dem oberen Bereich der Seitenkolonne in dem Kondensator-Verdampfer mindestens teilweise verflüssigt wird. Eine solche Seitenkolonne kann insbesondere zur Erzeugung eines an schwererflüchtigen Komponenten abgereicherten Sauerstoffprodukts dienen.
In dem Verfahren muß außerdem flüssiger Rücklauf für die Hochdruckdestillierzone und aufsteigender Dampf für den ersten Teilabschnitt der Niederdruckdestillierzone erzeugt werden. Hierzu ist es günstig, wenn Sumpfflüssigkeit des ersten Teilabschnitts der Niederdruckdestillierzone in einem Hauptkondensator mindestens teilweise verdampft wird, insbesondere durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Gasstrom aus dem oberen Bereich der Hochdruckdestillierzone.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Niederdrucksäule vorzugsweise deutlich über Atmosphärendruck betrieben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Kopfgas des zweiten Teilabschnitts der Niederdruckdestillierzone mindestens teilweise verflüssigt wird, beispielsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Flüssigstrom aus der Niederdruckdestillierzone. Einzelheiten über die Betriebsweisen einer derartigen Kopfkühlung der Niederdruckdestillierzone sind der bereits genannten Anmeldung WO 9819122 zu entnehmen, deren Offenbarung insoweit in diese Anmeldung einbezogen wird.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 wird in einem Hauptwärmetauscher 2 auf etwa Taupunkt abgekühlt und über Leitung 3 dem Destilliersystem zugeführt. Die Hochdruckdestillierzone ist in dem Beispiel in einer Hochdrucksäule 4 angeordnet. Die Niederdruckdestillierzone weist zwei Teilabschnitte auf, die in einer ersten Niederdrucksäule 5 beziehungsweise in einer zweiten Niederdrucksäule 6 angeordnet sind. Erste Niederdrucksäule 5 und Hochdrucksäule 4 stehen über einen Hauptkondensator 7 in wärmetauschender Verbindung und bilden eine Doppelsäulen- Konfiguration. Flüssiger Rohsauerstoff 8 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 4 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 9 unterkühlt und über Leitung 10 einer Zwischenstelle der zweiten Niederdrucksäule 6 zugeleitet.
Flüssiger Stickstoff, der vom Hauptkondensator 7 stammen kann oder - wie in der Zeichnung dargestellt - einige Böden unterhalb des Kopfs der Hochdrucksäule 4 abgezogen wird, strömt über Leitung 11 ebenfalls dem Unterkühlungs-Gegenströmer 9 zu und wird über Leitung 12 auf den Kopf der zweiten Niederdrucksäule 6 aufgegeben. Eine Gasfraktion 13 wird am Kopf der ersten Niederdrucksäule 5 abgenommen und fließt zu einem ersten Teil 14 zur zweiten Niederdrucksäule 6, wo sie unmittelbar oberhalb des Sumpf eingespeist wird. Die mit 13 und 14 bezeichneten Leitungen weisen vorzugsweise keine druckverändernden Vorrichtungen auf, so daß der Betriebsdruck am Kopf der ersten und über dem Sumpf der zweiten Niederdrucksäule bis auf die Leitungsverluste in der Gasfraktion identisch sind.
In gegenläufiger Richtung wird eine Flüssigfraktion 15 aus dem Sumpf der zweiten Niederdrucksäule 6 mittels einer Pumpe 16 über die Leitung 17 zum Kopf der ersten Niederdrucksäule 5 geführt. Die zweite Niederdrucksäule 6 weist einen Kopfkondensator 18 auf, der in dem Beispiel durch eine Zwischenflüssigkeit 19 der zweiten Niederdrucksäule 6 gekühlt wird. (Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere andere Flüssigkeiten aus der Hochdruckdestillierzone oder aus der Niederdruckdestillierzone zur Kühlung des Kopfkondensators 18 eingesetzt werden, insbesondere die in WO 9819122 genannten Arten der Kopfkühlung der Niederdruckdestillierzone sind auch bei der Erfindung anwendbar.) Restdampf 20 vom Verdampfungsraum des Kopfkondensators 18 wird in den Wärmetauschern 9 und 2 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über die Leitungen 21 und 22 abgezogen. Er kann beispielsweise zur Regenerierung einer nicht dargestellten Reinigungseinrichtung für die Einsatzluft 1 verwendet werden.
Das Stickstoffprodukt nimmt bei dem Beispiel folgenden Weg: Flüssiger Stickstoff wird. Über Leitung 23 einige Böden unterhalb des Kopfs der zweiten Niederdrucksäule 6 und in einer Pumpe 24 auf einen Produktdruck gebracht, der deutlich über dem Betriebsdruck der Niederdruckdestillierzone liegt. Falls Stickstoff auch als Flüssigprodukt (MPLIN) benötigt wird, kann dieses über Leitung 25 abgezogen werden. Der Rest 26 des flüssigen Stickstoffs wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 9 angewärmt, über Leitung 27 zu einem Kondensator Verdampfer 28 geführt und dort verdampft. Der in dem Kondensator-Verdampfer 28 gebildete gasförmige Stickstoff 29 wird im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt und bei 30 als Druckstickstoffprodukt (MPGAN) abgeführt.
Auf der Verflüssigungsseite des Kondensator-Verdampfers 28 kondensiert ein zweiter Teil 31 der Gasfraktion 13 vom Kopf der ersten Niederdrucksäule 5. Das Kondensat 32 wird in die erste Niederdrucksäule 5 zurückgespeist. Damit erfüllt der Kondensator- Verdampfer 28 die Funktion einer Zwischenheizung der Niederdruckdestillierzone.
Über die Leitungen 33 und 34 ist der Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule 5 mit dem unteren Ende einer Seitenkolonne 35 verbunden. Kopfgas 36 der Seitenkolonne 35 wird in dem Kondensator-Verdampfer 28 kondensiert. Die dabei gewonnene Flüssigkeit 37 dient mindestens zu einem ersten Teil 38 als Rücklauf für die Seitenkolonne 35. Der Rest 39 kann flüssig als hochreines Sauerstoffprodukt abgezogen und in einer Pumpe 40 auf den gewünschten Produktdruck gebracht werden. In dem Beispiel wird ein Teil 41 als Flüssigsauerstoffprodukt (MPLOX) gewonnen. Der restliche Hochdrucksauerstoff 42 wird unter dem Produktdruck im Hauptwärmetauscher 2 verdampft und angewärmt und schließlich über Leitung 43 als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt (MPGOX) abgezogen.
Zur Kälteerzeugung wird eine gasförmige Zwischenfraktion 44, die aus unreinem Stickstoff besteht, aus der zweiten Niederdrucksäule 6 abgezogen, im Unterkühlungs- Gegenströmer 9 angewärmt, über Leitung 45 zum Hauptwärmetauscher 2 geführt und mindestens zum Teil 46 von einer Zwischentemperatur aus arbeitsleistend entspannt (47). Die entspannte Zwischenfraktion 48 wird mit dem Restdampf 20 vom Kopfkondensator 18 vereinigt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestilierzone aufweist, wobei die Niederdruckdestillierzone unter niedrigerem Druck als die Hochdruckdestillierzone betrieben wird, und wobei bei dem Verfahren
  • - eine erste Fraktion (31) aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone entnommen und in einen Kondensator-Verdampfer (28) eingeleitet wird,
  • - in dem Kondensator-Verdampfer (28) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heiz- oder Kühlfluid (27, 36) aus der ersten Fraktion (31) eine zweite Fraktion (32) erzeugt wird und
  • - die zweite Fraktion (32) in die Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Niederdruckdestillierzone einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) aufweist, die in voneinander getrennten Behältern angeordnet sind, wobei
  • - eine Gasfraktion (13) aus dem oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet (14) wird und
  • - eine Flüssigfraktion (15, 17) aus dem unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone entnommen und mindestens teilweise in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird, und daß
  • - die erste Fraktion (31) durch einen Teil der Gasfraktion (13) oder einen Teil der Flüssigfraktion gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion (31) durch einen Teil der Gasfraktion (13) gebildet, in dem Kondensator-Verdampfer (28) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid (27, 36) mindestens teilweise verflüssigt wird, wobei die zweite Fraktion (32) gebildet wird, und daß die zweite Fraktion (32) in den oberen Bereich des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion durch einen Teil der Flüssigfraktion gebildet, in dem Kondensator- Verdampfer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heizfluid mindestens teilweise verdampft wird, wobei die zweite Fraktion gebildet wird, und daß die zweite Fraktion in den unteren Bereich des zweiten Teilabschnitts der Niederdruckdestillierzone eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid mindestens teilweise durch flüssigen Stickstoff (27) gebildet wird, der in dem Kondensator-Verdampfer (28) mindestens teilweise verdampft.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Kühlfluid verwendete Stickstoff (27) aus der Niederdruckdestillierzone entnommen (23, 24, 26) wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Kondensator-Verdampfer (28) aus dem flüssigen Stickstoff (27) gebildete gasförmige Stickstoff (29) als Produkt (30) abgezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß erste Teilabschnitt (5) der Niederdruckdestillierzone in seinem unteren Bereich mit einer Seitenkolonne (35) verbunden (33, 34) ist und ein Gasstrom (36) aus dem oberen Bereich der Seitenkolonne (35) in dem Kondensator-Verdampfer (28) mindestens teilweise verflüssigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sumpfflüssigkeit des ersten Teilabschnitts (5) der Niederdruckdestillierzone in einem Hauptkondensator (7) mindestens teilweise verdampft wird, insbesondere durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Gasstrom aus dem oberen Bereich der Hochdruckdestillierzone (4).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kopfgas des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone mindestens teilweise verflüssigt wird, insbesondere durch indirekten Wärmeaustausch (18) mit einer verdampfenden Flüssigstrom (19) aus der Niederdruckdestillierzone.
10. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersystem, das eine Hochdruckdestillierzone (4) und eine Niederdruckdestillierzone aufweist, und mit
  • - eine Zuleitung (31) für eine erste Fraktion, die aus einem Zwischenbereich der Niederdruckdestillierzone in einen Kondensator-Verdampfer (28) führt und mit
  • - einer Rückleitung (32) für eine zweite Fraktion, die aus dem Kondensator- Verdampfer (28) in die Niederdruckdestillierzone führt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Niederdruckdestillierzone einen ersten Teilabschnitt (5) und einen zweiten Teilabschnitt (6) aufweist, die in voneinander getrennten Behältern angeordnet sind, wobei
  • - der obere Bereich des ersten Teilabschnitts (5) und der untere Teil des zweiten Teilabschnitts (6) der Niederdruckdestillierzone über eine Gasleitung (13, 14) und eine Flüssigleitung (15, 17) verbunden sind, und daß
  • - die Zuleitung (31) in Strömungsverbindung mit der Gasleitung (13, 14) oder der Flüssigleitung steht.
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