DE19933557A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (9) und eine Niederdrucksäule (10) aufweist. Einsatzluft (1, 5, 7) wird zu einem ersten Teil (100, 103, 104) in die Drucksäule (9) eingeleitet. Eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion (16) wird aus der Drucksäule (9) entnommen und in die Niederdrucksäule (10) eingespeist. Gasförmiger Stickstoff (24) aus der Niederdrucksäule (10) wird in einem Kopfkondensator (23) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Kühlfluid (19, 21) mindestens teilweise kondensiert. Stickstoff aus der Drucksäule wird als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (12, 15, 35) gewonnen. Ein zweiter Teil (200, 201) der Einsatzluft (1, 5, 7) wird in die Niederdrucksäule (10) eingeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule aufweist, wobei bei dem Verfahren Einsatzluft in die Drucksäule eingeleitet, eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion aus der Drucksäule entnommen und in die Niederdrucksäule eingespeist wird, gasförmiger Stickstoff aus der Niederdrucksäule in einem Kopfkondensator durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Kühlfluid mindestens teilweise kondensiert wird und Stickstoff aus der Drucksäule als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen wird.
Derartige Verfahren und entsprechende Vorrichtungen sind aus DE 35 28 374 A, WO 9819122, GB 1215377, US 4453957, DE 36 06 967 A1 oder US 5098457 bekannt. Hier wird Rücklauf für die Niederdrucksäule nicht oder nicht ausschließlich im Kopfkondensator der Drucksäule erzeugt, wie es bei klassischen Zweisäulenverfahren üblich ist. Die Niederdrucksäule weist vielmehr einen eigenen Kopfkondensator auf, in dem Stickstoff aus der Niederdrucksäule verflüssigt und mindestens zum Teil als Rücklauf in dieser Säule eingesetzt wird. Durch diese Maßnahme braucht weniger Stickstoff am Kopf der Drucksäule kondensiert zu werden; die entsprechende Menge kann als Druckprodukt unmittelbar aus der Drucksäule abgezogen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stickstoff unter hohem Druck mit relativ geringem Aufwand, insbesondere mit besonders niedrigem Energieverbrauch zu gewinnen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nur ein erster Teil der Einsatzluft in die Drucksäule geleitet wird, ein zweiter Teil der Einsatzluft dagegen in die Niederdrucksäule. Der zweite Teil der Einsatzluft wird also direkt der Niederdrucksäule zugeführt. Er braucht somit lediglich auf etwa Niederdrucksäulendruck verdichtet zu werden. Entsprechend weniger Energie wird zur Luftverdichtung benötigt.
Die Kopfkühlung der Drucksäule und die Sumpfheizung der Niederdrucksäule können bei der Erfindung durch einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) oder durch jede andere bekannte Methode realisiert sein. Die Betriebsdrücke am Kopf der Säulen betragen beispielsweise 8 bis 12 bar in der Drucksäule und 3 bis 6 bar in der Niederdrucksäule, abhängig vom Abgabedruck des Druckstickstoffprodukts.
Der zweite Teil der Einsatzluft wird vorzugsweise unmittelbar über dem Sumpf in die Niederdrucksäule eingeführt. Alternativ ist auch eine Einspeisung weiter oberhalb, zum Beispiel ein bis zehn theoretische oder praktische Böden oberhalb des Sumpfs möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann energetisch besonders günstig betrieben werden, wenn der erste und der zweite Teil der Einsatzluft gemeinsam auf einen ersten Druck verdichtet werden, der niedriger als der Betriebsdruck der Drucksäule ist, und der erste Teil anschließend von dem ersten Druck aus weiterverdichtet wird. Dazu kann beispielsweise eine einzige Maschine mit mehreren Verdichtungsstufen verwendet werden, deren letzte zur Weiterverdichtung des ersten Luftteils verwendet werden, wobei die übrigen Verdichtungsstufen zur gemeinsamen Verdichtung der beiden Luftteile beziehungsweise der Gesamtluft eingesetzt werden.
Kälte kann bei dem Verfahren ohne zusätzliche Verdichtung eines Prozeßstroms erzeugt werden, indem mindestens ein Teil des im Kopfkondensator der Niederdrucksäule verdampften Kühlfluids arbeitsleistend entspannt und gegen Einsatzluft angewärmt wird.
Als Kühlfluid für den Kopfkondensator der Niederdrucksäule kann jedes geeignete Fluid eingesetzt werden, vorzugsweise wird mindestens ein Teil der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verwendet.
Die Menge an Druckstickstoffprodukt kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter erhöht werden, indem mindestens ein Teil des bei dem indirekten Wärmeaustausch im Kopfkondensator entstandenen flüssigen Stickstoffs oder aus der Niederdrucksäule abgezogener flüssiger Stickstoff in flüssigem Zustand auf einen Druck gebracht wird, der den Druck der Niederdrucksäule übersteigt. Die Druckerhöhung in der Flüssigkeit kann durch jede bekannte Maßnahme durchgeführt werden, beispielsweise mittels einer Pumpe, der Ausnutzung eines hydrostatischen Potentials und/oder der Druckaufbauverdampfung an einem Tank.
Der flüssig auf Druck gebrachte Stickstoff kann in die Drucksäule eingeleitet werden, so daß eine entsprechend erhöhte Menge der Drucksäule als Druckgasprodukt entnommen werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann der flüssig auf Druck gebrachte Stickstoff mindestens zum Teil in einem Produktverdampfer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger verdampft und als weiteres Druckstickstoffprodukt gewonnen, wie es in WO 98/19122 im einzelnen dargestellt ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung mit Überleitung von flüssigem Stickstoff aus der Niederdrucksäule in die Drucksäule,
Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit Überleitung von flüssigem Stickstoff aus der Drucksäule in die Niederdrucksäule.
Bei dem Verfahren der Fig. 1 wird atmosphärische Luft 1 nach Durchströmen eines Filters 2 in einem Hauptluftverdichter 3 auf einen ersten Druck von etwa 4,7 bar verdichtet, strömt durch einen Nachkühler 4a und einen Wasserabscheider 4b und wird über Leitung 5 einer Reinigungseinrichtung 6 zugeführt, die in dem Beispiel durch ein Paar von umschaltbaren Molekularsiebadsorbern gebildet wird. Die gereinigte Luft 7 wird in einen ersten Teilstrom 100 und einen zweiten Teilstrom 200 aufgeteilt.
Der erste Teilstrom 100 wird in einem Nachverdichter 101 auf einen Druck von etwa 9,5 bar weiterverdichtet und nach Entfernung der Verdichtungswärme im Nachkühler 102 über Leitung 103 dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 8 zugeleitet.
Nach Abkühlung auf etwa Taupunkt strömt der erste Teilstrom über Leitung 104 zu einer Drucksäule 9 und wird in deren unteren Bereich eingespeist, vorzugsweise unmittelbar über dem Sumpf.
Der Betriebsdruck am Kopf der Drucksäule beträgt 9,3 bar. Das Rektifiziersystem weist außerdem eine Niederdrucksäule 10 auf, die mit einem Druck von 4,4 bar betrieben wird und mit der Drucksäule über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 11 in wärmetauschender Verbindung steht. Ein Teil 13 des am Kopf der Drucksäule entnommenen Stickstoffs 12 wird im Hauptkondensator 11 verflüssigt und über Leitung 14 als Rücklauf auf die Drucksäule aufgegeben. Ein anderer Teil 15 wird im Hauptwärmetauscher 8 angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoffprodukt 35 abgeführt. Das Produkt 35 kann bei Bedarf mittels eines Produktverdichters auf einen Druck oberhalb des Drucksäulendrucks gebracht werden.
Sumpfflüssigkeit 16 der Drucksäule wird nach Unterkühlung 17 als sauerstoffreiche flüssige Fraktion in die Niederdrucksäule 10 eingedrosselt (18). Die Sumpfflüssigkeit 19 der Niederdrucksäule 10 wird zu einem ersten Teil 20 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 11 eingeführt; das bei der Verdampfung im Hauptkondensator 11 entstehende Gas wird über Leitung 38 zur Niederdrucksäule 10 zurückgeleitet. Der Rest 21 der Sumpfflüssigkeit 19 der Niederdrucksäule wird entspannt (22) und anschließend in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 23 der Niederdrucksäule 10 eingeführt. In dessen Verflüssigungsraum kondensiert gasförmiger Stickstoff 24 vom Kopf der Niederdrucksäule; das Kondensat 25 wird in die Niederdrucksäule zurückgeleitet und dort zu einem ersten Teil als Rücklauf verwendet.
Ein anderer Teil 26 des flüssigen Stickstoffs 25 aus dem Kopfkondensator 23 wird entweder wie in Fig. 1 dargestellt aus der Niederdrucksäule entnommen oder direkt aus der Leitung 25 abgezweigt. Er wird mittels einer Pumpe 36 in flüssigem Zustand auf knapp über Drucksäulendruck gebracht und über Leitung 37 in die Drucksäule 9 eingespeist. Die Zuspeisestelle kann unmittelbar am Kopf oder auch - wie in der Zeichnung dargestellt - je nach Reinheit (Argongehalt) des Druckstickstoffprodukts einige theoretische oder praktische Böden darunter liegen.
Restgas 27 von der Verdampfungsseite des Kopfkondensators 23 der Niederdrucksäule 10 wird im Unterkühler 17 angewärmt und strömt über Leitung 28 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 8. Nach Anwärmung auf eine Zwischentemperatur wird es über Leitung 29 zu einer Entspannungsmaschine 30 geführt. Die bei der Entspannung erzeugte mechanische Energie kann an einen Bremsgenerator abgegeben oder zur Verdichtung eines Prozeßstroms verwendet werden. Das arbeitsleistend auf etwas über Atmosphärendruck entspannte Restgas 31 wird im Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 32 an die Atmosphäre abgegeben oder über Leitung 33 der Reinigungseinrichtung zugeführt, gegebenenfalls nach Anwärmung 34.
Der Teil der Einsatzluft 7, der nicht über den Nachverdichter 101 zur Drucksäule 9 geführt wird, bildet in dem Beispiel den zweiten Teilstrom 200 der Einsatzluft. Dieser wird ohne weitere druckverändernde Maßnahmen dem Hauptwärmetauscher 8 zugeführt, ebenfalls auf etwa Taupunkt abgekühlt und schließlich direkt der Niederdrucksäule 10 zugeführt (201), und zwar unmittelbar über dem Sumpf oder einige Böden darüber.
Fig. 2 stimmt in weiten Teilen mit Fig. 1 überein. Im folgenden werden lediglich die Unterschiede beschrieben.
Bei der Ausführungsvariante der Fig. 2 wird das gesamte Kondensat 25 aus dem Kopfkondensator 23 der Niederdrucksäule 10 als Rücklauf in der Niederdrucksäule verwendet. Es ist im Gegensatz zu Fig. 1 nicht vorgesehen, flüssigen Stickstoff aus der Niederdrucksäule 10 oder ihrem Kopfkondensator 23 abzuziehen und auf Druck zu bringen. Im Gegenteil, es wird ein flüssiger Stickstoffstrom 50 aus der Drucksäule 9 als zusätzlicher Rücklauf auf die Niederdrucksäule aufgegeben. Dieser kann aus der Kondensatleitung 14 des Hauptkondensators 11, am Kopf der Drucksäule 9 oder (wie in Fig. 2 dargestellt) einige Böden unterhalb des Kopfs der Drucksäule abgezogen werden; die Stelle 51 der Aufgabe auf die Niederdrucksäule kann in diesem Fall - abhängig von der Produktspezifikation, insbesondere den gewünschten Argongehalten in den Stickstoffprodukten - ebenfalls einige Böden unterhalb des Kopfs liegen.
Die Erfindung kann abweichend von den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 auch in einer üblichen Doppelsäulenanordnung realisiert werden, bei der die Niederdrucksäule 10 über der Drucksäule 9 und der Hauptkondensator 11 im Sumpf der Niederdrucksäule angeordnet sind. Jeder der beiden Kondensatoren kann auch getrennt von den Säulen aufgebaut sein.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (9) und eine Niederdrucksäule (10) aufweist, wobei bei dem Verfahren Einsatzluft (1, 5, 7, 100, 103, 104) in die Drucksäule (9) eingeleitet, eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion (16) aus der Drucksäule (9) entnommen und in die Niederdrucksäule (10) eingespeist wird, gasförmiger Stickstoff (24) aus der Niederdrucksäule (10) in einem Kopfkondensator (23) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Kühlfluid (19, 21) mindestens teilweise kondensiert wird und Stickstoff aus der Drucksäule als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (12, 15, 35) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein erster Teil (100, 103, 104) der Einsatzluft (1, 5, 7) in die Drucksäule (9) geleitet und ein zweiter Teil (200, 201) der Einsatzluft (1, 5, 7) in die Niederdrucksäule (10) eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (200, 201) der Einsatzluft (1, 5, 7) unmittelbar über dem Sumpf oder höchstens zwölf theoretische oder praktische Böden oberhalb des Sumpfs in die Niederdrucksäule (10) eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil der Einsatzluft gemeinsam auf einen ersten Druck verdichtet (3) werden, der niedriger als der Betriebsdruck der Drucksäule (9) ist, und der erste Teil (100) anschließend von dem ersten Druck aus weiterverdichtet (101) wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (29) des im Kopfkondensator (23) der Niederdrucksäule (10) verdampften Kühlfluids (27, 28) arbeitsleistend entspannt (30) und gegen Einsatzluft (103, 200) angewärmt (8) wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sumpfflüssigkeit (19, 21) der Niederdrucksäule (10) als Kühlfluid für den Kopfkondensator (23) der Niederdrucksäule (10) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des bei dem indirekten Wärmeaustausch im Kopfkondensator (23) entstandenen flüssigen Stickstoffs (25) oder aus der Niederdrucksäule abgezogener flüssiger Stickstoff (26) in flüssigem Zustand auf einen Druck gebracht (36) wird, der den Druck der Niederdrucksäule (9) übersteigt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssig auf Druck gebrachte Stickstoff (37) aus der Niederdrucksäule (10) beziehungsweise aus dem Kopfkondensator (23) der Niederdrucksäule mindestens zum Teil in die Drucksäule (9) eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssig auf Druck gebrachte Stickstoff (37) aus der Niederdrucksäule (10) beziehungsweise aus dem Kopfkondensator (23) der Niederdrucksäule mindestens zum Teil in einem Produktverdampfer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger verdampft und als weiteres Druckstickstoffprodukt gewonnen wird.
9. Vorrichtung zur Erzeugung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (9) und eine Niederdrucksäule (10) aufweist, mit einer ersten Einsatzluftleitung (1, 5, 7, 100, 103, 104), die in die Drucksäule (9) führt, mit einer Leitung (16) für eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion, die von der Drucksäule (9) in die Niederdrucksäule (10) führt, mit einem Kopfkondensator (23), dessen Verflüssigungsseite mit einem oberen Bereich der Niederdrucksäule (10) verbunden (24, 25) ist, und mit einer Druckproduktleitung (12, 15, 35) zur Entnahme von Stickstoff aus der Drucksäule (9) als gasförmiges Druckprodukt, gekennzeichnet durch eine zweite Einsatzluftleitung (200, 201), die in die Niederdrucksäule (10) führt.
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