DE19802609A1 - Einsäulenverfahren und -vorrichtung mit Stickstoffturbine zur Gewinnung von Stickstoff - Google Patents

Einsäulenverfahren und -vorrichtung mit Stickstoffturbine zur Gewinnung von Stickstoff

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule mit den Schritten a) bis d) des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem US-Patent 5373699 bekannt. Dieser Prozeß dient der Gewinnung von Stickstoff unter überatmosphärischem Druck.
Unter Einzelsäule wird in der vorliegenden Anmeldung eine einzelne Destilliersäule verstanden, in der Stickstoff und Sauerstoff voneinander getrennt werden. Dies schließt nicht aus, daß das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung eine oder mehrere weitere Destilliersäulen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten wie zum Beispiel Argon oder anderer Edelgase oder zur Nachreinigung von Produkten der Einzelsäule aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die entsprechende Vorrichtung so zu verbessern, daß die Anlage besonders wenig Energie verbraucht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Einsatzluft in dem Luftverdichter auf einen ersten Druck (p1) verdichtet wird, der im wesentlichen gleich dem Betriebsdruck der Einzelsäule ist.
Die Einsatzluft wird nur auf einen Druck verdichtet, der ausreicht, um den ersten Teilstrom in die Einzelsäule zu drücken. Der Begriff "im wesentlichen gleicher Druck" schließt eine geringfügige Druckdifferenz zwischen p1 und dem Betriebsdruck der Einzelsäule nicht aus, soweit sie in der Größenordnung der Leitungsverluste des ersten Teilstroms zwischen Luftverdichter und Einspeisung in die Säule liegt. Er schließt jedoch insbesondere gezielte Maßnahmen zu Druckerniedrigung aus, beispielsweise die Entspannung des ersten Teilstroms zwischen Luftverdichter und Einspeisung in die Säule durch ein Drosselventil.
Die Erfindung ermöglicht eine relativ geringe Druckdifferenz am Luftverdichter und damit einen besonders geringen Energieverbrauch. Vorzugsweise wird die gesamte Einsatzluft in dem Luftverdichter auf p1 gebracht. Damit ergibt sich insgesamt ein wirtschaftlich besonders günstiges Verfahren.
Der erste Druck (p1) liegt beispielsweise bei 2 bis 4 bar, vorzugsweise bei 2,5 bis 3,5 bar.
Es ist besonders günstig, wenn die Einzelsäule keinen Sumpfverdampfer aufweist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen Prozeßstrom auf einen hohen Druck zu verdichten, der ausreicht, die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit der Einzelsäule zu verdampfen. Außerdem ergibt sich eine apparativ besonders einfache und kostengünstige Vorrichtung. Vorzugsweise wird die gesamte Sumpfflüssigkeit entspannt und im Kopfkondensator gegen kondensierendes Kopfgas der Säule verdampft.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders deutlich zum Tragen, wenn im Verdampfungsraum des Kopfkondensators ein Kühlmittel (beispielsweise aus der Säule abgezogenen Sumpfflüssigkeit) unter einem nur knapp überatmosphärischen Druck (p3) verdampft wird, wobei dieser Druck (p3) ausreicht, um das verdampfte Kühlmittel - gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher - unter im wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren zu entfernen und/oder als Regeneriergas in einer Reinigungseinrichtung einzusetzen. Da der Druck im Kopf der Einzelsäule (also der Druck im Verflüssigungsraum des Kopfkondensators) mit dem Druck des verdampfenden Kühlmittels über die Verdampfungstemperatur der beteiligten Fraktionen und über die den indirekten Wärmeaustausch treibende Temperaturdifferenz zusammenhängt, wird dann auch die Säule unter dem minimal möglichen Druck betrieben. Dadurch muß besonders wenig Energie zum Verdichten der Einsatzluft eingesetzt werden. Der Betriebsdruck der Einzelsäule (an der Stelle der Einspeisung des ersten Teilstroms) liegt vorzugsweise unter 5 bar, höchst vorzugsweise zwischen 2,5 und 3,5 bar.
Vorzugsweise wird das Stickstoffprodukt vor der arbeitsleistenden Entspannung in einem Nachverdichter komprimiert, beispielsweise auf 4 bis 12 bar, vorzugsweise auf 6 bis 10 bar. Dadurch kann der Betriebsdruck der Einzelsäule besonders niedrig gehalten und dennoch die nötige Prozeßkälte allein durch die arbeitsleistende Entspannung eines Teils des Stickstoffprodukts erzeugt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugte Energie teilweise oder vollständig zum Antrieb des Nachverdichters verwendet werden, der zur weiteren Verdichtung des arbeitsleistend zu entspannenden Stickstoffs dient. Die energetischen Vorteile der Erfindung kommen jedoch auch dann zum Tragen, wenn der Nachverdichter mittels externer Energie angetrieben wird. In diesem Fall ist es besonders günstig, wenn der Luftverdichter und der Nachverdichter von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Hierbei kann eine übliche Mehrwellenmaschine, z. B. ein Getriebe- Turboverdichter eingesetzt werden.
Der Nachverdichter kann gleichzeitig als Produktverdichter eingesetzt werden, indem ein Teil des Stickstoffprodukts zwischen dem Nachverdichter und der arbeitsleistenden Entspannung als Hochdruckprodukt abgeführt wird. Das Hochdruckprodukt kann stromabwärts des Nachverdichters weiteren Produktverdichterstufen zugeführt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule gemäß den Patentansprüchen 7 bis 11.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Einsatzluft 1 wird in einem Luftverdichter 2 auf einen ersten Druck p1 = 3,4 bar verdichtet und anschließend in einer Reinigungseinrichtung 3, zum Beispiel einem Molekularsiebadsorber, gereinigt. Die auf p1 verdichtete und gereinigte Einsatzluft 4 strömt ohne weitere druckvermindernde Maßnahmen durch einen Hauptwärmetauscher 7 in eine Einzelsäule 8 und wird dort durch Rektifikation in Stickstoff als Kopfgas und eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit als Sumpffraktion getrennt. Die Einsatzluftleitung 4, 5 enthält zwischen dem Austritt des Luftverdichters 1 und der Einzelsäule 8 keine druckvermindernden Vorrichtungen wie z. B. Entspannungsventile oder -maschinen. Sie weist lediglich den natürlichen Druckverlust (in dem Beispiel: 0,3 bar) auf, wie er in Leitungen, Wärmetauscherpassagen, Reinigungseinrichtungen und ähnlichem entsteht.
Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 12 vom Sumpf der Einzelsäule 8 weist einen Sauerstoffgehalt von 43,3 mol% auf und wird nach Durchlaufen eines Unterkühlungs- Gegenströmers 13 auf 1,3 bar entspannt und in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators 14 geleitet, in dessen Verflüssigungsraum ein Teil 15 des Stickstoffs vom Kopf der Einzelsäule 8 kondensiert wird. Das Kondensat 16 wird mindestens zum Teil 17 als Rücklauf auf die Einzelsäule aufgegeben; ein anderer Teil 18 kann bei Bedarf als Flüssigprodukt LIN gewonnen werden. Der sauerstoffangereicherte Restdampf 22 wird in den Wärmetauschern 13 und 7 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Der warme Restdampf 23 kann ganz oder teilweise als Regeneriergas 24 für die Reinigungseinrichtung 3 verwandt werden. Alternativ oder zusätzlich kann Restdampf 25 in die Atmosphäre abgegeben werden.
Ein Sicherheitsablaß 26 verhindert die Ansammlung gefährlicher Mengen von schwererflüchtigen Komponenten im Verdampfungsraum des Kopfkondensators 14. Bei Bedarf kann ein Teil 27 des Kopfdampfs aus der Einzelsäule 8 gemeinsam mit der entspannten sauerstoffreichen Sumpffraktion in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 14 geleitet werden, beispielsweise beim Kaltfahren der Anlage und/oder zur Entlastung des Kopfkondensators 14.
Hauptprodukt des Prozesses ist gasförmiger Stickstoff, der über Leitung 19 unter einem Druck von 2,9 bar vom Kopf der Einzelsäule 8 abgezogen und im Hauptwärmetauscher 7 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt wird. Der warme Stickstoff 20 kann zum Teil als Mitteldruckprodukt abgezogen werden (nicht dargestellt). In dem Beispiel wird der gesamte Stickstoff 20 in einem Nachverdichter 9 von 2,8 bar auf 9 bar verdichtet. Ein Teil 21 des weiterverdichteten Stickstoffs wird zum Hauptwärmetauscher 7 auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, der Rest als Hochdruckprodukt (DGAN) abgezogen und gegebenenfalls weiter verdichtet.
Der auf Zwischentemperatur abgekühlte Stickstoff wird in einer Entspannungsmaschine 10 arbeitsleistend entspannt und über Leitung 11 in dem aus der Einzelsäule 8 kommenden Stickstoff 19 eingeleitet. In dem Beispiel wird der Nachverdichter 9 mittels externer Energie angetrieben und ist mit dem Luftverdichter 1 als Getriebeverdichter mit fünf Antriebsrädern realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann der Nachverdichter mittels der in der Turbine 10 erzeugten mechanischen Energie angetrieben werden, vorzugsweise durch direkte mechanische Kopplung von Turbine 10 und Nachverdichter 9.
Hinter jedem Verdichter 1, 9 wird das komprimierte Fluid in 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.
In dem Ausführungsbeispiel werden die Stoffaustauschelemente in der Einzelsäule durch Siebböden gebildet. Grundsätzlich können jedoch bei dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung und bei dem Ausführungsbeispiel 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 energiesparende Wirkung der Erfindung weiter.

Claims (11)

1. Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule (8), bei dem
  • a) Einsatzluft (1) in einem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck (p1) verdichtet und in die Einzelsäule (8) eingeführt (4, 5) wird,
  • b) Kopfgas (15) der Einzelsäule (8) in einem Kopfkondensator (14) verflüssigt und das dabei entstandene Kondensat (16) mindestens teilweise (17) als Rücklauf auf die Einzelsäule (8) aufgegeben wird,
  • c) ein Stickstoffprodukt (19, 20) der Einzelsäule (8) entnommen und bei dem
  • d) mindestens ein Teil (21) des Stickstoffprodukts arbeitsleistend entspannt (10) wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • e) die Einsatzluft in dem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck (p1) verdichtet wird, der im wesentlichen gleich dem Betriebsdruck der Einzelsäule (8) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsäule (8) keinen Sumpfverdampfer aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfungsraum des Kopfkondensators (14) ein Kühlmittel (12) unter einem nur knapp überatmosphärischen Druck (p3) verdampft wird, wobei dieser Druck (p3) ausreicht, um das verdampfte Kühlmittel (22) - gegebenenfalls nach Durchgang durch einen oder mehrere Wärmetauscher (13, 7) - unter im wesentlichen Atmosphärendruck aus dem Verfahren zu entfernen (25) und/oder als Regeneriergas (24) in einer Reinigungseinrichtung (3) einzusetzen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffprodukt (20) vor der arbeitsleistenden Entspannung (10) in einem Nachverdichter (9) komprimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (1) und der Nachverdichter (9) über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Stickstoffprodukts (20) zwischen dem Nachverdichter (9) und der arbeitsleistenden Entspannung (10) als Hochdruckprodukt (DGAN) abgeführt wird.
7. Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule (8),
  • a) mit einem Luftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck (p1) und einer Einsatzleitung (4, 5) zur Einführung der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft (4) in die Einzelsäule (8),
  • b) mit einem Kopfkondensator (14), in dem Kopfgas (15) der Einzelsäule (8) verflüssigt wird,
  • c) mit einer Stickstoffproduktleitung (19, 20, 21) zur Entnahme eines Stickstoffstroms aus der Einzelsäule (8) und
  • d) mit einer Entspannungsmaschine (10) zur arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffstroms (21), dadurch gekennzeichnet, daß
  • e) die Einsatzleitung (4, 5) zwischen Luftverdichter (2) und Einzelsäule (8) keine Vorrichtungen zur Druckreduzierung aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsäule (8) keinen Sumpfverdampfer aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Nachverdichter (9), der in der Stickstoffproduktleitung (19, 20, 21) stromaufwärts der Entspannungsmaschine (10) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (1) und der Nachverdichter (9) von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine in der Hochdruckproduktleitung (DGAN), die mit der Stickstoffproduktleitung (20) zwischen Nachverdichter (9) und Entspannungsmaschine (10) verbunden ist.
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