DE19623310A1 - Einzelsäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Einzelsäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft in eine Einzelsäule zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff eingeleitet wird, wobei eine stickstoffreiche Fraktion aus dem oberen Bereich und eine sauerstoffangereicherte Fraktion aus dem unteren Bereich der Säule als Produkte gewonnen werden.
Ein derartiges Einzelsäulensystem weist genau eine Säule zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung auf. Dies schließt Systeme ein, in denen weitere Säulen zur Gewinnung von anderen Luftbestandteilen wie Edelgasen vorgesehen sind, beispielsweise eine Rohargonsäule. Auch eine oder mehrere Säulen zur Reinigung von Stickstoff von leichterflüchtigen Verunreinigungen und/oder zur Reinigung von Sauerstoff von schwererflüchtigen Bestandteilen können vorhanden sein.
Ein Einzelsäulenverfahren der oben genannten Art ist aus der DE-A-30 35 844 bekannt. Rücklauf für die Säule wird bei diesem Verfahren durch Verdampfung von sauerstoffreicher Sumpfflüssigkeit erzeugt. Diese Art der Kopfkühlung durch eine ohnehin unter Druck verfügbare Prozeßfraktion ist an sich günstig, da keine weitere Energie in die Erzeugung von Kälte für die Säulenkühlung gesteckt werden muß. Auf der anderen Seite muß jedoch die Gesamtluft auf einen entsprechenden Druck verdichtet werden, der die Kondensation des Kopfgases gegen die verdampfende Sumpfflüssigkeit ermöglicht (in dem Ausführungsbeispiel 3,3 bar).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das energetisch besonders günstig arbeitet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Druck in der Einzelsäule weniger als 2,0 bar beträgt.
Entgegen der bisherigen Auffassung hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, daß ein Einsäulenverfahren unter besonders niedrigem Druck betrieben werden kann. Überraschenderweise ist nämlich die Einsparung durch den verringerten Aufwand beim Komprimieren der Einsatzluft auf den Verfahrensdruck größer als der zusätzliche Energieaufwand der in die Kopfkühlung (externer Kältekreislauf oder Verdichtung eines Prozeßstroms) gesteckt werden muß.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Sauerstoff einer Reinheit von beispielsweise 80 bis 99,9 vol%, vorzugsweise 90 bis 99,5 vol% und/oder Stickstoff einer Reinheit von beispielsweise 95 bis 99,9 vol%, vorzugsweise 98 bis 99 vol% gewonnen werden. Auch die Argongewinnung ist möglich, wenn der Einzelsäule auf bekannte Weise eine Argonrektifikation nachgeschaltet ist. Ebenso können weitere Edelgase auf die übliche Weise erzeugt werden.
Vorzugsweise wird die Einzelsäule bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter einem Druck von weniger als 1,5 bar, höchst vorzugsweise bei einem Druck von 1,2 bis 1,3 bar betrieben.
Der Rücklauf für die Säule wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise dadurch erzeugt, daß mindestens ein Teil der stickstoffreichen Fraktion erwärmt, verdichtet, durch indirekten Wärmeaustausch verflüssigt und in die Säule zurückgeführt wird. Die Verdichtung der stickstoffreichen Fraktion findet beispielsweise bei etwa Umgebungstemperatur statt und führt auf einen Druck von beispielsweise 4,0 bis 6,0 bar, vorzugsweise 4,5 bis 5,0 bar. Die in dem Kreislauf rückverdichtete Stickstoffmenge beträgt - je nach Reinheit des Sauerstoffprodukts - beispielsweise 30% bis 90%, vorzugsweise 40 bis 80% der gesamten Einsatzluftmenge (Normvolumen).
Der indirekte Wärmeaustausch zur Verflüssigung der stickstoffreichen Fraktion wird vorzugsweise gegen mindestens ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der Säule durchgeführt, der dabei verdampft. Der Kreislauf dient damit gleichzeitig zur Sumpfheizung der Säule. Der Kondensator-Verdampfer, in dem der indirekte Wärmeaustausch stattfindet, kann innerhalb oder außerhalb der Einzelsäule angeordnet sein.
Ein Teil der Einsatzluft (beispielsweise 60 bis 90 vol%, vorzugsweise 75 bis 85 vol%) kann arbeitsleistend entspannt werden, um Kälte für den Ausgleich von Austausch- und Isolationsverlusten und gegebenenfalls für die Produktverflüssigung zu gewinnen. Dabei ist es günstig, wenn der arbeitsleistend zu entspannende Teil der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung nachverdichtet wird. Vorzugsweise wird bei der arbeitsleistenden Entspannung gewonnene Energie zur Nachverdichtung des arbeitsleistend zu entspannenden Teils der Einsatzluft verwendet.
Entspannungsmaschine und Nachverdichter können zu diesem Zweck mechanisch gekoppelt sein.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 8 bis 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Einsatzluft 1 wird in einem Hauptluftverdichter 2 auf einen Druck von 1,4 bar verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft 3 strömt zu einem Teil über eine Leitung 4 zu einem Hauptwärmetauscher 5, wird dort gegen Produktströme abgekühlt und über die Leitungen 6 und 7 in eine Einzelsäule 10 eingespeist, deren Betriebsdruck an der Stelle der Lufteinspeisung 1,2 bar beträgt. Ein Teil der abgekühlten Luft kann auch über Leitung 8 durch in einen Wärmetauscher 9 geführt werden. Die Einsatzluftleitung(en) 4, 6, 7, 8 enthalten keine druckvermindernden Vorrichtungen wie z. B. Entspannungsventile oder -maschinen. Sie weisen lediglich den natürlichen Druckverlust der Leitungen beziehungsweise Wärmetauscherpassagen auf.
Bei der Rektifikation in der Einzelsäule 10 fallen Stickstoff als Kopfgas und eine sauerstoffreiche Flüssigkeit als Sumpffraktion an. Die stickstoffreiche Kopffraktion 11 wird im Wärmetauscher 9 und (Leitung 12) weiter im Hauptwärmetauscher 5 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt, in einem Rückverdichter 13 auf einen Druck von 4,7 bar komprimiert, über Leitung 14 zum Hauptwärmetauscher 5 zurück und von dessen kaltem Ende aus zu einem Kondensator-Verdampfer 16 geleitet (15). Dort wird sie in indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Sumpfflüssigkeit der Säule mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen vollständig verflüssigt. Das Kondensat wird - gegebenenfalls nach Unterkühlung in 9 - in die Säule 10 eingedrosselt (17, 18). Ein Teil des angewärmten gasförmigen Stickstoffs kann vor oder nach der Rückverdichtung als Restgas oder Produkt abgeführt werden (Leitung 32). Die über den Rückverdichter 13 und den Kondensator-Verdampfer 16 geführte Kreislaufmenge beträgt in dem Ausführungsbeispiel 80% der gesamten Einsatzluft (Normvolumen). Der Kondensator-Verdampfer 16 kann abweichend von der Darstellung außerhalb der Säule 10 angeordnet sein.
Gasförmiger Produktsauerstoff 34 einer Reinheit von 99,5 vol% wird über Leitung 33 entnommen und ebenfalls im Hauptwärmetauscher 5 erwärmt. Das Sauerstoffprodukt oder ein Teil davon kann bei Bedarf flüssig entnommen werden (Leitung 35). Für die Erzeugung eines Hochdruckprodukts kann der flüssig entnommene Sauerstoff auf Druck gebracht und verdampft (Innenverdichtung) und/oder nachverdichtet (Außenverdichtung) werden. Falls gewünscht, kann ein Teil des kondensierten Stickstoffs vor oder hinter Ventil 18 als Flüssigprodukt gewonnen werden.
In dem Ausführungsbeispiel werden 85 vol% der Einsatzluft in einer Entspannungsmaschine 40 arbeitsleistend entspannt und anschließend in die Säule 10 eingespeist (41). Die arbeitsleistend zu entspannende Luft wird vorher auf einen Druck von 1,5 bis 5 bar, vorzugsweise 1,5 bis 3 bar, höchst vorzugsweise etwa 1,6 bar nachverdichtet, und zwar durch einen von der Entspannungsmaschine 40 angetriebenen Nachverdichter 38 und gegebenenfalls durch einen zusätzlichen extern angetriebenen Kompressor 37.
Hinter jedem Verdichter 2, 13, 37, 38 wird das komprimierte Fluid in indirektem Wärmeaustausch mit Kühlwasser abgekühlt, wie durch die in der Zeichnung dargestellten Nachkühler angedeutet ist. Bei mehrstufigen Verdichtern wird vorzugsweise zwischen zwei Stufen eine Zwischenkühlung durchgeführt.
Die Reinigung der Einsatzluft ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sie kann durch jede der bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise in einem umschaltbaren Wärmetauscher (Revex) oder in einer oder mehreren Molekularsiebanlagen. Im letzteren Fall ist es möglich, die gesamte Einsatzluft (Leitung 3) gemeinsam der Reinigung zu unterwerfen.
In dem Ausführungsbeispiel werden die Stoffaustauschelemente in der Einzelsäule durch geordnete Packung gebildet. Grundsätzlich können jedoch bei dem Verfahren und der Vorrichtung konventionelle Destillierböden, Füllkörper (ungeordnete Packung) und/oder geordnete Packung eingesetzt werden. Auch Kombinationen verschiedenartiger Elemente in einer Säule sind möglich. Wegen des geringen Druckverlusts werden geordnete Packungen bevorzugt. Diese verstärken die ener­ giesparende Wirkung der Erfindung weiter.

Claims (10)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft (1, 3) in eine Einzelsäule (10) zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff eingeleitet (4, 6, 7, 8, 41) wird, wobei eine stickstoffreiche Fraktion (11, 32) aus dem oberen Bereich und eine sauerstoffangereicherte Fraktion (33, 34; 35) aus dem unteren Bereich der Säule (10) als Produkte gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Einzelsäule (10) weniger als 2,0 bar beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Einzelsäule (10) weniger als 1,5 bar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der stickstoffreichen Fraktion (11) erwärmt (9, 5), verdichtet (13), durch indirekten Wärmeaustausch (16) verflüssigt und in die Säule (10) zurückgeführt (17, 18) wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem indirekten Wärmeaustausch (16) zur Verflüssigung der stickstoffreichen Fraktion (15) mindestens ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der Säule verdampft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (36, 39) der Einsatzluft (1, 3) arbeitsleistend entspannt (40) und anschließend in die Säule (10) eingeleitet (41) wird.
6. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der arbeitsleistend zu entspannende Teil (36) der Einsatzluft stromaufwärts der arbeitsleistenden Entspannung (40) nachverdichtet (37, 38) wird.
7. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der arbeitsleistenden Entspannung (40) gewonnene Energie zur Nachverdichtung (38) des arbeitsleistend zu entspannenden Teils (36) der Einsatzluft verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung der Einsatzluft (1) auf einen Druck von weniger als 2,0 bar, mit einer Einsatzluftleitung (4, 6, 7, 8), die stromabwärts des Hauptluftverdichters (2) keine druckvermindernden Vorrichtungen enthält und in eine Einzelsäule (10) führt, und mit Produktleitungen (11, 32; 33, 34; 35) für eine stickstoffreiche Fraktion aus dem oberen Bereich der Säule und für eine sauerstoffangereicherte Fraktion aus dem unteren Bereich der Säule.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Kreislauf, der mit dem oberen Bereich der Säule (10) verbunden (11) ist und durch einen Wärmetauscher (9, 5), einen Verdichter (13) und durch den Verflüssigungsraum eines Kondensator-Verdampfers (16) zurück in die Säule (10) führt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum des Kondensator-Verdampfers (16) mit dem unteren Bereich der Säule (10) verbunden ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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