DE1041989B

DE1041989B - Verfahren und Einrichtung zur Gaszerlegung, vorzugsweise Luftzerlegung, mittels Tieftemperaturrektifikation

Info

Publication number: DE1041989B
Application number: DEG22463A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Becker
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1957-07-04
Filing date: 1957-07-04
Publication date: 1958-10-30
Also published as: GB859762A; FR1209988A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Gaszerlegung mittels Tieftemperaturrektifikation, insbesondere zur Zerlegung von Luft. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Kälteleistung zu erhöhen, ohne die Ausbeute zu verschlechtern. Um die für hohe Ausbeute, insbesondere an flüssigem Sauerstoff, notwendige Kälte zu produzieren, arbeitet man bei den bekannten Luftzerlegungsanlagen vielfach mit einem zusätzlichen Stickstoffkreislauf. Man hat auch versucht, die Kälteleistung und die zu entnehmende flüssige Sauerstoffmenge dadurch zu vergrößern, daß eine große Luftmenge über eine Turbine entspannt wird, die selbst am Zerlegungsprozeß nicht oder nur in geringem Maße teilnimmt. Diese bekannten Maßnahmen gestatten zwar eine erhebliche Produktion an flüssigem Sauerstoff. Sie sind jedoch wegen der ständig umlaufenden, sehr großen und ausschließlich der Kälteerzeugung dienenden Mengen an Stickstoff oder Luft sehr aufwendig und kostspielig und aus diesem Grunde nur für extrem große Gastrennungsanlagen rentabel.

Gemäß der Erfindung wird der bei der Gaszerlegung, insbesondere Luftzerlegung, mittels Tieftemperaturrektifikation benötigte Kälteaufwand dadurch auf einfachere Weise als bisher bestritten, daß das zu zerlegende Gasgemisch, insbesondere Luft, bei einem oberhalb des bei einem Zweistufenprozeß üblichen Gasdrucks liegenden Druck von insbesondere etwa 9 bis 12 atü vorzerlegt wird und die hierbei gewonnene tiefsiedende Gaskomponente, insbesondere der Stickstoff, zur Kälteerzeugung ganz oder teilweise entnommen und arbeitsleistend entspannt wird. Die in der Vorzerlegungsstufe anfallende höhersiedende Flüssigkeit wird nach entsprechender Entspannung in einer an sich bekannten Zweisäulenrektifikationsanordnung getrennt.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens eine dreistufige Rektifikationssäulenanordnung vorgesehen, bei der alle drei Säulen hintereinandergeschaltet sind. Die zweite Säule entspricht der Drucksäule der bisher üblichen zweistufigen Säulenanordnung für Gaszerlegung und ist im besonderen Falle der Luftzerlegung auf etwa 4¹A bis 5 atü ausgelegt. Der Druck in der ersten Stufe von etwa 9 bis 12 atü ergibt sich aus den Kondensationsbedingungen des Kondensators zwischen der ersten und zweiten Stufe auf Grund des Verhältnisses von kondensierendem Stickstoff und in der zweiten Stufe verdampfendem angereichertem Sauerstoff. Der Vorteil der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß bei Anlagen von etwa 5000 bis 50 000 NmS/Std. Luftdurchsatz aus der ersten Stufe so viel gasförmiger Verfahren und Einrichtung zur

Gaszerlegung, vorzugsweise Luftzerlegung, mittels Tieftemperaturrektifikation

Anmelder:

Gesellschaft für Linde's Eismaschinen

Aktiengesellschaft, Zweigniederlassung,

Höllriegelskreuth bei München

Dipl.-Ing. Rudolf Becker, München-Solm,
ist als Erfinder genannt worden

Stickstoff entnommen und in einer Turbine entspannt werden kann, daß durch die Entspannung des Stickstoffs der Kältebedarf nach Möglichkeit gedeckt ist und trotz bester Sauer stoff ausbeute bis zu etwa 12% der Sauer stoff menge in flüssiger Form erzeugt werden kann.

Es ist zwar bereits bekannt, dreistufige Rektifiziersäulenanordnungen zu verwenden, um flüssige Luft zu trennen. Bei dieser bekannten Anordnung stand jedoch die erste Säule unter einem Druck von 5,5 Atmosphären, die zweite unter einem Druck von 2,7 Atmosphären und die letzte unter einem Druck von 1,5 Atmosphären. Der in der ersten Säule anfallende Stickstoff wurde voll als Waschflüssigkeit in den Kopf der letzten Säule geleitet; er diente also nicht ·— wie bei der Anordnung nach der Erfindung — zur Erzeugung des Kältebedarfs durch arbeitsleistende Entspannung.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform einer Luftzerlegungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Mit I₁ 2 und 3 sind drei erfindungsgemäß hintereinandergeschaltete Rektifiziersäulen bezeichnet. In der ersten Säule 1 herrscht ein Druck von etwa 10 Atmosphären; in der Mitteldrucksäule 2 herrscht ein Druck von etwa 5,5 Atmosphären; in der oberen Säule 3 herrscht ein Druck von etwa 1,5 Atmosphären. A₁ 5j 6, 7 und 8 bedeuten Regeneratoren, die mittels der ihnen zugeordneten und in der Zeichnung durch die üblichen Symbole angedeuteten Ventile automatisch und/oder von Hand umschaltbar sind. Insbesondere arbeiten die Regeneratoren 4, 5 und 6 im Dreitakt zusammen, während die Regeneratoren 7 und 8 abwechselnd betrieben werden.

Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Bei 9

809 660/71

strömt Luft von 10 Atmosphären in die Anlage ein und verzweigt sich auf die beiden Regeneratorensätze 4-6 und 7-8. Bei den gezeichneten Ventilstellungen strömt sie durch die Regeneratoren 4 und 7, wird dort auf eine Temperatur von etwa 108° K abgekühlt, wird bei 10 wieder vereinigt und strömt bei 11 in den Sumpf der ersten Säule 1 ein. In dieser Säule wird die Luft in ein flüssiges Gemisch von etwa 65 % Stickstoff und etwa 35 % Sauerstoff im Sumpf und reinen Stickstoff im Kopf der Säule zerlegt. Der im Kondensator 12 zwischen den Säulen 1 und 2 aus dem Kopf der Säule 1 verdampfende Stickstoff wird erfindungsgemäß dort entnommen und nach Erwärmung in einem Austauscher 13 in einer Turbine 14 auf etwa 1,2 Atmosphären entspannt und von dort zur Kühlung und gleichzeitigen Regenerierung — bei der gezeichneten Ventilstellung — durch den Regenerator 6 geführt und bei 15 abgeblasen. Ein Teil des im Regenerator 6 befindlichen Stickstoffs wird bei 16 abgezweigt und nach Wiederabkühlung im Austauscher 13 durch den Regenerator 5 geschickt und ebenfalls bei 15 abgeblasen.

Die Sumpfflüssigkeit der Säule 1 wird über ein Ventil 24 in die Säule 2 entspannt, wo eine weitere Zerlegung stattfindet und sich im Sumpf eine stärker mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit sammelt, die über ein Ventil 17 in bekannter Weise der Säule 3 zugeführt wird. Der im Sumpf der Säule S sich sammelnde flüssige Sauerstoff wird bei 18 entnommen. Die in den Köpfen der Säulen 1 und 2 sich sammelnden flüssigen Stickstoffmengen werden nach Entspannung in den Ventilen 19 und 20 dem Kopf der Säule 3 als Waschflüssigkeit zugeführt. Der im unteren Teil der Säule 3 anfallende dampfförmige Sauerstoff wird bei 21 entnommen und — bei der gezeichneten Ventilstellung — durch den Regenerator 8 geführt und bei 22 entnommen. Der im Kopf der Säule 3 anfallende dampfförmige Stickstoff wird von dort abgeführt und zusammen mit dem von 16 kommenden Stickstoff durch den Regenerator 5 geleitet.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es liegt beispielsweise im Rahmen der Erfindung, daß auch im Kopf der Säule 2 bzw. im Kondensator 23 zwischen den Säulen 2 und 3 anfallender dampfförmiger Stickstoff einer gegebenenfalls der Entspannungsturbine 14 nachgeschalteten Entspannungsturbine zugeführt und zusätzlich zur Bestreitung des Kältebedarfs benutzt wird. Die Einleitung von flüssigem Stickstoff aus Säule 3. in den Kopf der Säule 3 kann unter Umständen in Fortfall kommen, wenn die Erzeugung von flüssigem Stickstoff -■■ in der Säule 2 für den Waschvorgang in Säule S ausreicht. Es ist ferner möglich, die Regeneratorenanordnttng 4-8 in anderer, gegebenenfalls bekannter Weise auszuführen. Ferner ist es unter Umständen zweckmäßig — besonders wenn größere Luftmengen zerlegt bzw. noch größere Mengen an flüssigem Sauerstoff erzeugt werden sollen oder wenn die Anlage zur Zerlegung eines anderen Rohgases, z. B. Synthesegases, Koksofengases usw., benutzt werden soll —, insgesamt noch mehr als drei Zerlegungsstufen, insbesondere in Form von vier oder mehr Rektifikationssäulen, anzuwenden, wobei gegebenenfalls ein noch höherer Anfangsdruck und/oder ein geringerer Druck in der letzten Stufe zu wählen ist. Unter Umständen kann auch mindestens einer der Zerlegungsprozesse, vorzugsweise die Vorzerlegung, mit einer anderen Zerlegungseinrichtung, beispielsweise einer Regeneratorenanordnung, einer Entspannungsturbine und einem Flüssigkeitsabscheider, durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche.·

1. Verfahren zur Gaszerlegung, vorzugsweise Luftzerlegung, mittels Tieftemperaturrektifikation unter Anwendung einer zweistufigen Rektifikationssäulenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zerlegende Gasgemisch, insbesondere Luft, bei einem oberhalb des bei einem Zweistufenprozeß üblichen Gasdrucks liegenden Druck von insbesondere etwa 9 bis 12 atü vorzerlegt wird und die hierbei gewonnene tiefersiedende Gaskomponente, insbesondere der Stickstoff, zur Kälteerzeugung ganz oder teilweise entnommen und arbeitsleistend entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Vorzerlegungsstufe anfallende höhersiedende Flüssigkeit nach entsprechender Entspannung in der als zweite und dritte Stufe dienenden Zweisäulenrektifikationsanordnung getrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Teil der in der Drucksäule der Zweisäuilenrektifikationsanordnung anfallenden Stickstoff menge dort entnommen und ebenfalls zur Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Vorzerlegungsstufe entnommene Stickstoff auf den Druck der nächstliegenden Zerlegungsstufe arbeitsleistend, vorzugsweise in einer Turbine, entspannt und zusammen mit dem der zweiten Zerlegungsstufe entnommenen Stickstoff in einer zweiten Turbine auf etwa Atmosphärendruck entspannt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung einer mindestens dreistufigen Rektifikationssäulenanordnung, bei der alle Säulen hintereinandergeschaltet sind und deren erste als Vorzerlegungsstufe dient.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Stufe entnommene Menge der tiefersiedenden Komponente so groß bemessen ist, daß sie einerseits möglichst zur Deckung des Kältebedarfs ausreicht und andererseits ungefähr noch so viel an tiefersiedender Gaskomponente, insbesondere Stickstoff, im flüssigen Gemisch verbleibt, wie in der letzten Zerlegungsstufe als Waschflüssigkeit benötigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und zum Betriebe der Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme, die bei Kondensation des in den Kopf der ίΐ-ten Säule strömenden Gases frei wird, in den Fuß der (K+l)-ten zur Eindampfung der dort siedenden Sumpfflüssigkeit übertragen wird und am Kopf der ersten und/oder zweiten Drucksäule Stickstoff über eine Turbine entnommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 und zum Betriebe der Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Anwendung von Unterdruck in der letzten Zerlegungsstufe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen