DE19802610A1 - Einsäulenverfahren und -vorrichtung mit Luftturbine zur Gewinnung von Stickstoff - Google Patents

Einsäulenverfahren und -vorrichtung mit Luftturbine 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 e) des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem US-Patent 5404725 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 der zweite Teilstrom der auf den ersten Druck p1 verdichteten Luft vor der arbeitsleistenden Entspannung in einem Nachverdichter auf einen zweiten, höheren Druck p2 weiterverdichtet wird.
Es wird also lediglich derjenige Teil der Einsatzluft, der arbeitsleistend entspannt wird, auf einen entsprechend hohen Druck gebracht. Die Verdichtung im Luftverdichter braucht damit nur auf einen niedrigeren Druck zu führen. 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.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der zweite Teilstrom 6 durch vorzugsweise 10 bis 30%, höchst vorzugsweise 15 bis 25% der im Luftverdichter 1 komprimierten Einsatzluft gebildet. Der erste Druck (p1) liegt beispielsweise bei 2 bis 4 bar, vorzugsweise bei 2,5 bis 3,5 bar. Die Differenz (p1 - p2) zwischen dem zweiten Druck (p2) und dem ersten Druck (p1) beträgt beispielsweise 1 bis 5 bar, vorzugsweise 2 bis 4 bar.
Vorzugsweise wird die gereinigte Einsatzluft in dem Luftverdichter auf einen ersten Druck (p1) verdichtet, der im wesentlichen gleich dem Betriebsdruck der Einzelsäule ist. Der erste und zweite Teilstrom der Einsatzluft werden also gemeinsam 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.
Der arbeitsleistend entspannte zweite Teilstrom der Einsatzluft wird vorzugsweise mindestens einen theoretischen beziehungsweise praktischen Boden (beispielsweise 2 bis 20 theoretische beziehungsweise praktische Böden) oberhalb der Einspeisung des ersten Teilstroms in die Einzelsäule eingeführt.
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 abgezogene 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.
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 zweiten Teilstroms 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.
Falls der Stickstoff unter höherem Druck benötigt wird, kann er einer Außenverdichtung unterworfen, also in gasförmigem Zustand in einem Produktverdichter auf einen Produktdruck verdichtet werden. In diesem Fall können der Luftverdichter und der Produktverdichter (und gegebenenfalls der Nachverdichter) von einer gemeinsamen Welle angetrieben 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 von 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 wird in einen ersten Teilstrom 5 und einen zweiten Teilstrom 6 aufgeteilt.
Der erste Teilstrom 5 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 für den ersten Teilstrom 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.
Der zweite Teilstrom 6 wird durch 11% der auf p1 verdichteten Einsatzluft gebildet und in einem Nachverdichter 9 auf einen zweiten Druck p2 = 5,9 bar weiterverdichtet und ebenfalls in den Hauptwärmetauscher 7 eingeführt und auf eine Zwischentemperatur abgekühlt. Anschließend wird er in einer Entspannungsmaschine 10 arbeitsleistend entspannt und über Leitung 11 unter einem Druck von 3,1 bar der Einzelsäule 8 zugeführt. In dem Beispiel wird der Nachverdichter 9 mittels externer Energie angetrieben und ist mit dem Luftverdichter 1 und dem unten beschriebenen Produktverdichter 21 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. In dem Beispiel wird die Turbine 10 mittels einer Bremsvorrichtung, beispielsweise eines Generators gebremst (nicht dargestellt).
Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 12 vom Sumpf der Einzelsäule 8 weist einen Sauerstoffgehalt von 43,1 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 dem 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 steht unter einem Druck von 2,8 bar und kann, wie in der Zeichnung dargestellt, vor seiner Entnahme als Druckprodukt (DGAN) in einem Produktverdichter 21 auf den gewünschten Produktdruck komprimiert werden.
Hinter jedem Verdichter 1, 9, 21 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 wird,
  • b) ein erster Teilstrom (5) der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft (4) auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt (7) und in die Einzelsäule (8) eingeführt wird,
  • c) ein zweiter Teilstrom (6) der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft (4) arbeitsleistend entspannt (10) und in die Einzelsäule (8) eingeführt wird,
  • d) 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 und bei dem
  • e) ein Stickstoffprodukt (19, 20) der Einzelsäule (8) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • f) der zweite Teilstrom (6) der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft vor der arbeitsleistenden Entspannung (10) in einem Nachverdichter (9) auf einen zweiten, höheren Druck (p2) weiterverdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzluft in dem Luftverdichter (2) auf einen ersten Druck (p1) verdichtet wird, der im wesentlichen gleich dem Betriebsdruck der Einzelsäule (8) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsäule (8) keinen Sumpfverdampfer aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverdichter (1) und der Nachverdichter (9) über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffprodukt (20) in gasförmigem Zustand in einem Produktverdichter (21) auf einen Produktdruck verdichtet wird, wobei der Luftverdichter (1) und der Produktverdichter (21) von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden.
7. Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule (8), mit
  • a) einem Luftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck (p1),
  • b) einer ersten Einsatzleitung (5) zur Einführung eines ersten Teilstroms der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft (4) in die Einzelsäule (8),
  • c) einer Entspannungsmaschine (10) zur arbeitsleistenden Entspannung eines zweiten Teilstroms (6) der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft und einer zweiten Einsatzleitung (11), die vom Austritt der Entspannungsmaschine (10) in die Einzelsäule (8) führt,
  • d) einem Kopfkondensator (14), in dem Kopfgas (15) der Einzelsäule (8) verflüssigt wird, und mit
  • e) einer Stickstoffproduktleitung (19, 20), die mit der Einzelsäule (8) verbunden ist, gekennzeichnet durch
  • f) einen stromaufwärts der Entspannungsmaschine (10) angeordneten Nachverdichter (9) zur Weiterverdichtung des zweiten Teilstroms (6) der auf den ersten Druck (p1) verdichteten Luft (4) auf einen zweiten, höheren Druck (p2).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einsatzleitung (5) zwischen Luftverdichter (2) und Einzelsäule (8) keine Vorrichtungen zur Druckreduzierung aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsäule (8) keinen Sumpfverdampfer aufweist.
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 einen in der Stickstoffproduktleitung (20) angeordneten Produktverdichter (21), wobei der Luftverdichter (1) und der Produktverdichter (21) von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003014639A1 (en) * 2001-08-09 2003-02-20 The Boc Group Plc Nitrogen generation

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