DE19908451A1 - Zweisäulensystem zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Zweisäulensystem zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist. Einsatzluft (1, 5, 7, 8, 11) wird verdichtet (3), in einer Reinigungsstufe (6) gereinigt, abgekühlt (12) und mindestens teilweise in die Drucksäule (14) eingeleitet (13). Mindestens eine Flüssigfraktion (24) aus der Drucksäule (14) wird in die Niederdrucksäule (15) eingespeist (26, 27). Eine stickstoffreiche Fraktion (32) aus der Niederdrucksäule (15) wird angewärmt (25, 12) und mit Einsatzluft (7) vermischt. Die angewärmte stickstoffreiche Fraktion (33) wird stromabwärts der Reinigungsstufe (6) der Einsatzluft mit der Einsatzluft (7) vermischt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei Einsatzluft verdichtet, in einer Reinigungsstufe gereinigt, abgekühlt und mindestens teilweise in die Drucksäule eingeleitet wird, mindestens eine Flüssigfraktion aus der Drucksäule in die Niederdrucksäule eingespeist wird und eine stickstoffreiche Fraktion aus der Niederdrucksäule angewärmt und mit Einsatzluft vermischt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-38 14 187-C2 bekannt. Hier wird unreiner Stickstoff von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule vor die erste Stufe des Luftverdichters zurückgeführt. Einen ähnlichen Prozeß zeigt US 4 848 996, wo der unreine Stickstoff am Kopf der Niederdrucksäule abgenommen und der Einsatzluft an einer Zwischenstufe des Luftverdichters zugemischt wird.
Die Rückführung der stickstoffreichen Fraktion in die Einsatzluft ist an sich vorteilhaft und erhöht die Produktausbeute. Das Verfahren ist dennoch einer weiteren Verbesserung zugänglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind und insbesondere relativ niedrige Investitionskosten benötigen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die angewärmte stickstoffreiche Fraktion stromabwärts der Reinigungsstufe der Einsatzluft mit der Einsatzluft vermischt wird.
Damit ist es im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht notwendig, die Reinigungsstufe, die im allgemeinen durch eine Adsorptionseinrichtung mit Molekularsieb gebildet wird, für das Gemisch aus Einsatzluft und angewärmter stickstoffreicher Fraktion auszulegen, sondern es genügt eine kleinere Reinigungsstufe, die lediglich an die Einsatzluftmenge angepaßt ist. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren mit besonders geringen Apparatekosten realisiert werden.
Die "stickstoffreiche Fraktion" kann durch reinen Stickstoff oder durch ein Gemisch aus Luftgasen gebildet werden, dessen Stickstoffgehalt größer als derjenige von Luft ist. Es kann vom Kopf oder von einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule abgezogen werden.
Vorzugsweise wird die Einsatzluft in einem ersten Verdichter auf einen ersten Druck p1 verdichtet und anschließend der Reinigungsstufe zugeführt, wobei die gereinigte Einsatzluft in einem zweiten Verdichter, der stromabwärts der Reinigungsstufe angeordnet ist, auf einen zweiten Druck p2, der größer als der erste Druck p1 ist, weiterverdichtet wird. Die angewärmte stickstoffreiche Fraktion wird dann stromabwärts der Reinigung der Einsatzluft mit der Einsatzluft vermischt und gemeinsam mit der gereinigten Einsatzluft dem zweiten Verdichter zugeführt.
Der erste und der zweite Verdichter können ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Sie können unabhängig voneinander angetrieben oder über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe miteinander gekoppelt sein. Vorzugsweise liegt der erste Druck p1 in der Nähe des Betriebsdrucks der Niederdrucksäule, das heißt die Differenz zwischen den beiden genannten Drücken beträgt nicht mehr als etwa 0,5 bar. Auf diese Weise wird der Aufwand beim Verdichten der Einsatzluft und beim Rückverdichten der stickstoffreichen Fraktion vergleichsweise gering gehalten.
Bevorzugte Wertebereiche für die Auslaßdrücke der beiden Verdichter sind:
erster Verdichter (p1): 2 bis 12 bar, vorzugsweise 3 bis 4 bar
zweiter Verdichter (p2): 6 bis 40 bar, vorzugsweise 9 bis 13 bar
Die konkreten Werte richten sich im Einzelfall nach dem gewünschten Abgabedruck des oder eines der Produkte (zum Beispiel Stickstoff), die in einer der Säulen gasförmig erzeugt werden, beziehungsweise nach dem Druck eines oder mehrerer Produktströme (Sauerstoff und/oder Stickstoff), die flüssig aus einer der Säulen entnommen und nach Druckerhöhung in flüssigem Zustand unter Abgabedruck verdampft werden.
Es ist günstig, wenn die Anwärmung der stickstoffreichen Fraktion mindestens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch mit der Einsatzluft, beispielsweise stromabwärts des zweiten Verdichters, durchgeführt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders zum Tragen, wenn eine Stickstofffraktion aus dem oberen Bereich der Drucksäule entnommen, angewärmt und als Druckstickstoffprodukt abgezogen wird. Die günstige Form der Rückführung einer stickstoffreichen Fraktion aus der Niederdrucksäule in die Einsatzluft bewirkt eine besonders hohe Ausbeute an Druckstickstoffprodukt bei relativ geringem apparativen Aufwand.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 5.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für Verfahren geeignet, bei denen der Betriebsdruck am Kopf der Drucksäule bei 5,7 bis 29,7 bar, vorzugsweise bei 8,7 bis 12,7 bar, der Betriebsdruck am Kopf der Niederdrucksäule bei 1,8 bis 11,8 bar, vorzugsweise bei 2,8 bis 3,8 bar liegt.
Verfahrenskälte kann bei dem Verfahren durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozeßstroms erzeugt werden. Günstig ist hierbei die Entspannung eines Restgasstroms aus der Niederdrucksäule, der beispielsweise gemeinsam mit der stickstoffreichen Fraktion aus der Niederdrucksäule entnommen, auf eine Zwischentemperatur angewärmt und einer Entspannungsmaschine zugeleitet wird.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter 2 von einem ersten Verdichter 3 angesaugt und auf einen Druck p1 von 3 bar verdichtet. Nach Entfernung der Verdichtungswärme in einem Nachkühler 4 wird die Luft 5 zu einer Reinigungsstufe 6 geführt, die in dem Beispiel durch ein Paar von umschaltbaren Molekularsiebadsorbern gebildet wird. In der Reinigungsstufe 6 werden insbesondere Kohlendioxid und Wasser aus der Einsatzluft entfernt. Die gereinigte Einsatzluft strömt über die Leitungen 7 und 8 einem zweiten Verdichter 9 zu, der sie auf einen Druck p2 von 9 bar bringt. Erneut wird die Verdichtungswärme in einem Nachkühler 10 entfernt. Die hochverdichtete Einsatzluft 11 wird in einem Hauptwärmetauscher 12 auf etwa Taupunkt abgekühlt und teilweise verflüssigt und schließlich über Leitung 13 vollständig der Drucksäule 14 eines Zweisäulen-Rektifiziersystems zugeführt, das außerdem eine Niederdrucksäule 15 aufweist. Drucksäule 14 und Niederdrucksäule 15 stehen über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 16 in wärmetauschender Verbindung. Die Betriebsdrücke (jeweils am Kopf) betragen in dem Beispiel 8,7 bar in der Drucksäule 14 und 2,8 bar in der Niederdrucksäule 15.
Ein erster Teil 18 des Kopfstickstoffs 17 der Drucksäule 14 wird über Leitung 18 dem Hauptkondensator 16 zugeführt und dort gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 15 mindestens teilweise, vorzugsweise im wesentlichen vollständig kondensiert. Das dabei erzeugte Kondensat 19 wird mindestens zum Teil über Leitung 20 als Rücklauf auf die Drucksäule 14 aufgegeben. (Eine Teilmenge kann einer Innenverdichtung zugeführt werden, indem sie in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht und anschließend gegen Einsatzluft verdampft wird; diese Variante ist in der Zeichnung nicht dargestellt). Bei Bedarf kann ein Teil des Kondensats 18 als Flüssigstickstoffprodukt 21 gewonnen werden. Über Leitung 22 wird ein weiterer Teil des gasförmigen Drucksäulenstickstoffs 17 zum Hauptwärmetauscher 12 geführt, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als Druckstickstoffprodukt 23 abgezogen.
Aus dem unteren Bereich der Drucksäule 14, vorzugsweise vom Sumpf, wird flüssiger Rohsauerstoff 24 abgezogen, in einem Gegenströmer 25 unterkühlt, entspannt (26) und in die Niederdrucksäule 15 eingeführt (27), die in dem Beispiel als reine Abtriebssäule ausgebildet ist. Als Hauptprodukt wird der Niederdrucksäule 15 flüssiger Sauerstoff 28 am Sumpf entnommen, mittels einer Pumpe 29 auf einen erhöhten Druck von beispielsweise 30 bar gebracht und gegen Einsatzluft 11 verdampft und angewärmt. Die Sauerstoffverdampfung findet in dem Beispiel im Hauptwärmetauscher 12 statt. Der Sauerstoff wird schließlich über Leitung 31 als Druckprodukt abgeführt.
Am Kopf der Niederdrucksäule 15 wird unreiner Stickstoff 32 als stickstoffreiche Fraktion entnommen und im Gegenströmer 25 und im Hauptwärmetauscher 12 angewärmt. Die auf etwa Umgebungstemperatur angewärmte stickstoffreiche Fraktion 33 wird der gereinigten Einsatzluft 7 zugemischt, gemeinsam mit dieser über Leitung 8 dem zweiten Verdichter 9 und weiter über die Leitungen 11 und 13 der Drucksäule 14 zugeführt.
Ein Teil 34 des über Leitung 32 aus der Niederdrucksäule 15 abgezogenen unreinen Stickstoffs kann bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 12 herausgeführt, arbeitsleistend entspannt (35) und über Leitung 36 wieder dem Hauptwärmetauscher 12 zugeleitet werden. Das praktische drucklose Restgas tritt über Leitung 37 aus dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 12 aus. Ein erster Teil 38 des angewärmten drucklosen Restgases 37 kann in der Reinigungsstufe 6 als Regeneriergas eingesetzt werden, während der Rest 39 in dem Beispiel in die Atmosphäre abgeblasen wird.
Das Ausführungsbeispiel kann leicht abgewandelt werden, beispielsweise zur Erzeugung eines stärker angereicherten Stickstoffprodukts in der Niederdrucksäule 15. Dazu muß oberhalb der Zuspeisung 27 des Rohsauerstoffs mindestens ein weiterer Rektifizierabschnitt vorgesehen sein, an dessen Kopf die stickstoffreiche Fraktion 32 abgezogen wird. Mit Hilfe eines weiteren Abschnitts oberhalb dieses Unreinstickstoffabzugs kann am Kopf der Niederdrucksäule 15 auch reiner Stickstoff gewonnen werden. In beiden Fällen muß ein Teil des flüssigen Stickstoffs 19 von Hauptkondensator 16 der Niederdrucksäule 15 als Rücklaufflüssigkeit zugeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der dargestellten Drucksauerstoffgewinnung mittels Innenverdichtung kann gasförmiger Sauerstoff direkt über dem Sumpf der Niederdrucksäule 15 oder einige Böden oberhalb als Produkt entnommen werden; auch die Gewinnung von Sauerstoff aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 15 als Flüssigprodukt ist möglich, beispielsweise durch eine Entnahme aus der Leitung 28 stromaufwärts der Pumpe 29.

Claims (5)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, wobei Einsatzluft (1, 5, 7, 8, 11) verdichtet (3), in einer Reinigungsstufe (6) gereinigt, abgekühlt (12) und mindestens teilweise in die Drucksäule (14) eingeleitet (13) wird, mindestens eine Flüssigfraktion (24) aus der Drucksäule (14) in die Niederdrucksäule (15) eingespeist (26, 27) wird und eine stickstoffreiche Fraktion (32) aus der Niederdrucksäule (15) angewärmt (25, 12) und mit Einsatzluft (7) vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die angewärmte stickstoffreiche Fraktion (33) stromabwärts der Reinigungsstufe (6) der Einsatzluft mit der Einsatzluft (7) vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzluft (1) in einem ersten Verdichter (3) auf einen ersten Druck p1 verdichtet und anschließend der Reinigungsstufe (6) zugeführt wird, wobei die Einsatzluft (7, 8) stromabwärts der Reinigungsstufe in einem zweiten Verdichter (9) auf einen zweiten Druck p2, der größer als der erste Druck p1 ist, weiterverdichtet wird und die angewärmte stickstoffreiche Fraktion (33) stromaufwärts des zweiten Verdichters (9) mit der Einsatzluft (7) vermischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwärmung der stickstoffreichen Fraktion (32) mindestens teilweise durch indirekten Wärmeaustausch (12) mit Einsatzluft (11) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stickstofffraktion (17, 22) aus dem oberen Bereich der Drucksäule (14) entnommen, angewärmt (12) und als Druckstickstoffprodukt (23) abgezogen wird.
5. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (14) und eine Niederdrucksäule (15) aufweist, und mit einer Einsatzluftleitung (1, 5, 7, 8, 11, 13), die über einen ersten Verdichter (3), eine Reinigungsstufe (6) und einen Hauptwärmetauscher (12) in die Drucksäule (14) führt, mit einer Flüssigkeitsleitung (24, 27) zur Einführung einer Flüssigfraktion aus der Drucksäule (14) in die Niederdrucksäule (15) und mit einer Rückführleitung (32, 33) für eine stickstoffreiche Fraktion aus der Niederdrucksäule (15), die durch den Hauptwärmetauscher (12) führt und in die Einsatzluftleitung (7) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (33) stromabwärts der Reinigungsstufe (6) in die Einsatzluftleitung (7) mündet.
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