DE1911765C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tieftemperaturierlegung von Luft, wobei ein Kreislaufstrom gasförmig aus der Luftzerlegung entnommen, im Gegenstrom zu unzerlegter Luft auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und durch ein Kältemittel gekühlt, mindestens teilweise verflüssigt und der Zerlegung wieder zugeführt wird.
Aus der US-PS 26 85 180 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein der Luftzerlegung entnommener Kreislaufstrom zur Erhöhung seiner Verdampfungstemperatur verdichtet und nach dem Wärmetausch mit einem Kältemittel wieder entspannt wird, bevor er von neuem der Luftzerlegung zugeführt wird. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß zur Verdichtung des Gasstroms Energie aufgewendet werden muß. Der zu diesem Zweck benötigte Kompressor ist außerdem sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Luftzerlegung zu entwickeln, das sich durch niedrige Investitions- und Energiekosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kreislaufstrom während des gesamten Kreislaufs unter annähernd demselben Druck steht und daß als Kältemittel Erdgas oder Methan verwendet wird, welches bei Unterdruck zumindest teilweise verdampft.
Da der Kreislaufstrom erfindungsgemäß nur unter einem Druckniveau geführt wird, sind keine Kompressoren, Pumpen oder Entspannungsventile nötig. Der verfahrenstechnische Aufwand sowie der Aufwand an Energie ist deshalb sehr gering. Diese Verfahrensführung ist möglich, da erfindungsgemäß das Kältemittel unter Unterdruck verdampft Die Anwendung von Unterdruck erniedrigt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels, wodurch die Übertragung der Kondensationswärme des Kreislaufstroms auf das Kältemittel möglich wird.
Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens kann das der Luftzerlegung entnommene Gas während des Wärmeaustausche mit dem dabei
ίο verdampfenden Kältemittel von oben nach unten geführt werden, so daß bei der Rückführung des verflüssigten Gases in die Luftzerlegung ein durch die Gravitation bedingter natürlicher Umlauf erfolgt, der jede Pumpe überflüssig macht
is Sollte eine solche Leitungsführung aus betrieblichen Gründen nicht möglich sein, dann genügt eine kleine Pumpe, um das verflüssigte Gas wieder der Luftzerlegung zuzuführen.
Zur Durchführung des Verfahrens wird entweder dem Kopf der Drucksäule eines Zweisäulenapparates oder dem Kopf eines Einsäulenapparates gasförmiger Stickstoff entnommen und mit flüssigem Methan oder Erdgas in Wärmeaustausch gebracht. Es hat sich dabei als besonders günstig erwiesen, den Stickstoff bei einem Druck von 4 bis 8 ata zu kondensieren und dabei Methan bei einem Druck von 0,12 bis 03 ata zu verdampfen. Der verflüssigte Stickstoff wird sodann wieder in den Kopf der Drucksäule des Zweisäulenapparates oder in den Kopf eines Einsäulenapparates
jo zurückgeführt
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Produktion von Flüssigsauerstoff, Flüssigstickstoff oder Flüssigargon. Die Menge des oder der flüssig entnommenen Produkte fehlt aber bei der Wärmebilanz des Hauptwärmeaustausches, der entweder in Regeneratoren oder in reversing exchangers vorgenommen werden kann. Deshalb wird diese für den Hauptwärmeaustausch fehlende Menge an Kaltgas zusätzlich der Drucksäule des Zweisäulenapparates oder dem Kopf des Einsäulenapparates entnommen, zunächst von dem zu verflüssigenden and zurückzuführenden Stickstoff abgezweigt, in einem besonderen Querschnitt eines reversing exchangers oder in in die Regeneratoren eingebetteten Rohrschlangen im Warenaustausch mit unzerlegter Luft bis auf Zimmertemperatur angewärmt und anschließend mit flüssigem Methan gekühlt. Sodann wird der wieder abgekühlte Stickstoff dem anderen Teil des Stickstoffs zugemischt und beide vereinigten Ströme im Wärmeaustausch mit bei Unterdruck
5n siedendem Methan verflüssigt und der Luftzerlegung zugeführt.
Ein Zahlenbeispiel möge diese Verhältnisse veranschaulichen:
Zur Erzeugung von 1 Nm3 Flüssigsauerstoff sind 1,4
■55 bis 2 Nm3, für die Erzeugung von 1 Nm3 Flüssigstickstoff 1,1 bis 1,6 Nm3 Flüssigstickstoff von 5 ata nötig. Für die Verflüssigung dieses als Rücklauf benötigten Stickstoffs unter 5 ata sind pro Nm3 0,6 bis 1 Nm3 Methan abzusaugen. Zum Ausgleich der Mengenbilanz im
bo Regenerator oder reversing exchanger wird beim Verfahren der Erfindung eine um wenige Prozente größere Stickstoffmenge gebraucht, als die Summe der Mengen an Flüssigsauerstoff und Flüssigstickstoff, die als Produkte entnommen werden, ausmacht.
ι,-) Das Verfahren der Erfindung ermöglicht somit eine außerordentlich billige Flüssigsauerstoff-, Flüssigstickstoff- oder Flüssigargon-Produktion ohne eine eigene Kälteerzeugung. Das Verfahren ist jedoch auch dort
anwendbar, wo Sauerstoff oder Stickstoff nicht in flüssiger Form, sondern gasförmig entnommen werden sollen.
Die Produktion von flüssigem Stickstoff läßt sich in besonders vorteilhafter Weise in einer Kombination mit einer Stickstoffwäsche oder bei der Wasserstoffgewinnung aus Koksgas, Raffineriegas oder sonstigen Industriegasen einsetzen.
Die Erfindung sei anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert
Durch Leitung 1 tritt Luft von 6 ata in einen Hauptwärmeaustauscher 2 ein. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hauptwärmeaustauscher 2 ein reversing exchanger mit vier Querschnitten. Er kann jedoch gleichermaßen auch durch eine entsprechende Anzahl umschaltbarer Regeneratoren mit eingebauten Rohrschlangen ersetzt werden. Im Hauptwärmeaustauscher 2 wird die Luft von Kohlendioxyd und Wasser befreit und bis nahe an ihre Verflüssigungstemperatur gekühlt. Sie gelangt durch Leitung 3 in den Fuß der Drucksäule eines Zweisäulenapparates 4. Vom Fuß der Drucksäule wird mit Sauerstoff auf etwa 40 % angereicherte Luft durch Leitung 5 entnommen, im Drosselventil 6 auf 1,5 bis 2 ata entspannt und in den mittleren Teil der Niederdrucksäule des Zweisäulenapparates eingespeist. Durch Leitung 7 wird der Drucksäule flüssiger Stickstoff entnommen, der im Drosselventil 8 entspannt und auf den Kopf der Niederdrucksäule als Rückfluß aufgegeben wird. Durch die Leitungen 9 und 10 können der Rektifiziersäule flüssige Produkte (Leitung 9: flüssiger Sauerstoff; Leitung 10: flüssiger Stickstoff) entnommen werden. Gasförmiger Stickstoff bzw. gasförmiger Sauerstoff entweichen durch die Leitungen 11 bzw. 12 und dienen im Hauptwärmeaustauscher 2 zur Abkühlung der Rohluft
Durch Leitung 13 entweicht aus dem Kopf der Drucksäule des Zweisäulenapparates gasförmiger Stickstoff, der bei 14 in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Der Teilstrom 15 wird im Hauptwärmeaustauscher 2 in einem separaten Querschnitt auf etwa Raumtemperatur erwärmt und dient zum Ausgleich der Mengenbilanz im Hauptwärmeaustauscher für die bei 9 bzw. 10 flüssig entnommenen Produkte. Er wird im Wärmeaustauscher 16 im Gegenstrom zu flüssigem, verdampfendem und/oder verdampftem Methan von 1 ata abgekühlt. Sodann wird der Stickstoff mit dem anderen Teil des Stickstoffs, der durch Leitung 17 fließt, vereinigt und im Wärmeaustauscher 18 im Gegenstrom zu flüssigem und dabei unter einem Druck von 0,12 ata verdampfendem Methan verflüssigt, worauf der gesamte verflüssigte Stickstoff durch Leitung 19 wieder dem oberen Teil der Drucksäule des Zweisäulenapparates 4 als Rückiaufflüssigkeit zugeführt wird. Das im Wärmeaustauscher 18 verdampfte Methan wird in der Vakuumpumpe 20 verdichtet und dann bei 21 mit dem unter höherem Druck befindlichen Methan vereinigt
Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird die gesamte zu zerlegende Luft komprimiert und der Drucksäule zugeführt. Das Verfahren der Erfindung könnte jedoch noch dahingehend eine Verbilligung erfahren, daß nicht die gesamte zu zerlegende Luft, sondern nur etwa 80 % in die Drucksäuie eingeführt werden, während der Rest, etwa 20 %, fast drucklos sofort in die Niederdrucksäule eingespeist werden könnte.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem ein Kreislaufstrom gasförmig aus der Luftzerlegung entnommen, im Gegenstrom zu unzerlegter Luft auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und durch ein Kältemittel gekühlt, mindestens teilweise verflüssigt und der Zerlegung wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislaufstrom während des gesamten Kreislaufs unter annähernd demselben Druck steht, und daß als Kältemittel Erdgas oder Methan verwendet wird, welches bei Unterdruck zumindest teilweise verdampft
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Kreislaufstrom unmittelbar vor dessen teilweiser Verflüssigung ein weiterer aus der Luftzerlegung entnommener Gasstrom zugemischt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine von einer Rektifiziersäule (4) ausgehende, sich verzweigende Leitung (13), deren einer Zweig (15) mit einem Querschnitt des Hauptwärmeaustauschers (2) für zu zerlegende Luft und weiterhin mit einem ersten Wäremaustauscher (16) für sich erwärmendes Kältemittel in Verbindung steht und deren anderer Zweig (17) als Stichleitung in den ersten Zweig nach dem ersten Wärmeaustauscher (16) einmündet, woran sich ein zweiter Wärmeaustauscher (18) für sich erwärmendes Kältemittel anschließt, der mit einer weiteren Leitung (19) an die Rektifiziersäule (4) angeschlossen ist
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