DE3643359A1 - Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch zweistufige rektifikation - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch zweistufige rektifikationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation bei tiefen
Temperaturen, bei dem die zu zerlegende Luft verdichtet,
vorgereinigt und in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen
der erste abgekühlt und der ersten Stufe der Rektifikation
zugeführt und der zweite Teilstrom nachverdichtet, abgekühlt,
entspannt und der zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt
wird.
Die zu zerlegende Luft wird nach der Vorreinigung, bei der im
wesentlichen Wasserdampf und Kohlendioxid abgetrennt werden,
durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten abgekühlt und
anschließend der ersten Stufe zugeführt. Vor der Abkühlung
wird ein Teilstrom der Luft abgezweigt, auf einen höheren
Druck nachverdichtet, abgekühlt, zur Kälteerzeugung entspannt
und der unter einem niedrigeren Druck als die erste Stufe
betriebenen zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt. Ein
derartiges Verfahren ist durch die DE-PS 28 54 508
bekanntgeworden. Dieses an sich zufriedenstellend arbeitende
Verfahren weist den Nachteil auf, daß sich das
Rücklaufverhältnis in der zweiten Stufe, insbesondere bei
größeren Anlagen, d.h. Anlagen, die mehr als 15 000 Nm3/h
Luft verarbeiten, als Folge der Lufteinblasung verschlechtert.
Dies macht sich in einer Verschlechterung der Ausbeute der
Rektifikation bemerkbar.
Als Rücklaufverhältnis wird das Verhältnis der Mengenströme
von in der Rektifizierkolonne herablaufender Flüssigkeit zu in
der Rektifizierkolonne aufsteigendem Dampf bezeichnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei
welchen unabhängig von der Anlagengröße das Rücklaufverhältnis
in der zweiten Stufe verbessert und die Produktausbeute erhöht
wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadudrch gelöst, daß der
entspannte zweite Teilstrom vor seinem Eintritt in die zweite
Stufe abgekühlt wird.
Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß
die Temperatur des zweiten Teilstroms der Luft, die bei der
Entspannung erreicht werden kann, insbesondere bei größeren
Anlagen häufig wesentlich höher ist als die Siedetemperatur
der Flüssigkeit an der Einblasestelle in die zweite Stufe.
Durch die erfindungsgemäße Abkühlung wird die Temperatur des
entspannten Teilstroms im wesentlichen auf die an der
Einblasestelle in der zweiten Stufe herrschende Temperatur
gebracht. Auf diese Weise wird das Rücklaufverhältnis in der
zweiten Stufe verbessert und es ergibt sich eine höhere
Ausbeute. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren
Vorteile ergeben sich insbesondere bei größeren Anlagen, d.h.
bei Anlagen, die mindestens 15 000 Nm3/h Luft, vorzugsweise
20 000 bis 300 000 Nm3/h Luft verarbeiten.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Abkühlung durch Wärmetausch mit einem der
Rektifikation entnommenen Prozeßstrom durchgeführt. Hierbei
wird vorzugsweise ein sauerstoffreicher Gasstrom aus dem
unteren Bereich der zweiten Stufe verwendet.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens der sauerstoffreiche Gasstrom
nach seinem Wärmetausch mit dem entspannten zweiten Teilstrom
in Wärmetausch mit dem ersten Teilstrom gebracht wird. Bei dem
Wärmetausch mit dem ersten Teilluftstrom wird dieser auf
Zerlegungstemperatur abgekühlt, während gleichzeitig der
sauerstoffreiche Gasstrom auf im wesentlichen Umgebungstempe
ratur angewärmt wird.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens die Entspannung des zweiten
Teilstroms arbeitsleistend durchgeführt wird und zumindest ein
Teil der Entspannungsarbeit für die Nachverdichtung des
zweiten Teilstroms verwendet wird. Bei dieser Verfahrensweise,
bei der die Turbine durch den mit ihr gekoppelten
Nachverdichter aufgeladen wird, erweist sich die Abkühlung des
entspannten Teilluftstroms als besonders effektiv. Mit Vorteil
wird dabei der nachverdichtete Teilstrom vor seiner
Entspannung durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten gekühlt.
Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann von erheblichem
Vorteil, wenn wie bereits beschrieben, ein angewärmter
sauerstoffreicher Gasstrom als Zerlegungsprodukt für den
Wärmetausch verwendet wird. Durch die Verwendung des bereits
vorgewärmten sauerstoffreichen Gasstroms erhöht sich die
Eintrittstemperatur des zweiten Luftteilstroms in die
Entspannungsturbine. Daraus resultiert eine größere
Kälteleistung der Turbine, wodurch wiederum die durch die
Turbine geführte Luftmenge, d.h. die in die zweite Stufe
eingeblasene Luftmenge verringert werden kann. Dies führt
wiederum zu einer Verbesserung der Rektifikationsverhältnisse
und Erhöhung der Ausbeute.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare
Verbesserung der Rektifizierverhältnisse ermöglicht eine
Erhöhung der Ausbeute nicht nur bei der Sauerstoffgewinnung,
sondern auch bei der Argongewinnung. Gemäß einer bevorzugten
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ein
mit Sauerstoff und Argon angereicherter Gasstrom aus der
zweiten Stufe entnommen und durch Rektifikation in eine
gasförmige Argonfraktion und eine flüssige Sauerstofffraktion
zerlegt. Mit Vorteil wird dabei die flüssige Sauerstoff
fraktion in die zweite Stufe eingeführt.
Eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige
Rektifikation bei tiefen Temperaturen umfaßt einen
Luftverdichter, eine nachfolgende Reinigungsstufe, die
einerseits über einen Strömungsquerschnitt eines ersten
Wärmetauschers mit der ersten Stufe einer zweistufigen
Rektifikationskolonne und andererseits über einen
Nachverdichter und eine darauffolgende Entspannungseinrichtung
mit der zweiten Stufe der Rektifikationskolonne in Strömungs
verbindung steht, und ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
der Entspannungseinrichtung und der zweiten Stufe ein Wärme
tauscher vorgesehen ist.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden
anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit zusätzlicher Argongewinnung.
In beiden Figuren sind für analoge Bauteile dieselben
Bezugszeichen verwendet. Zu zerlegende Luft wird über eine
Leitung 1 einem Verdichter 2 zugeführt, in dem sie auf einen
Druck von 5,5 bis 8 bar, vorzugsweise 6,5 bar verdichtet wird.
Die komprimierte Luft wird anschließend durch einen
Molsiebadsorber 3 geleitet, um Wasserdampf und Kohlendioxid
daraus abzutrennen. Die vorgereinigte komprimierte Luft wird
anschließend in zwei Teilströme 4, 5 aufgeteilt. Teilstrom 4,
der 6 bis 30%, vorzugsweise 15% der Luftmenge enthält, wird
in einem Wärmetauscher 6 in Wärmetausch mit
Zerlegungsprodukten aus der Rektifikation auf ca. 95 K
abgekühlt und anschließend der ersten Stufe 8 einer
zweistufigen Rektifizierkolonne 7 zugeführt. Die erste Stufe
wird bei einem Druck von 6 bar betrieben. Der zweite Teilstrom
5 der verdichteten vorgereinigten Luft wird in einem
Verdichter 10 auf 7 bis 12 bar, vorzugsweise 9 bar
nachverdichtet, wobei er sich auf ca. 340 K erwärmt. Der
erwärmte nachverdichtete Teilstrom wird anschließend durch
einen Nachkühler und einen Teil des Wärmetauschers 6 geleitet
und dabei in Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten abgekühlt.
Bei einer Temperatur von ca. 180 K wird der Teilstrom aus dem
Wärmetauscher 6 entnommen und einer mit dem Verdichter 10
gekoppelten Entspannungsturbine 11 zugeführt. Dort wird der
Luftstrom auf ca. 1,4 bar entspannt, wobei er sich auf ca. 115 K
abkühlt. Die Entspannungsturbine 11 ist zur Übertragung von
Arbeitsleistung mit dem Verdichter 10 gekoppelt. Der
entspannte Teilstrom 5 wird in einem Wärmetauscher 24 durch
Wärmetausch mit einem Produktstrom aus der Rektifikation
weiter abgekühlt und mit einer Temperatur von 94 bis 98 K ,
vorzugsweise 95 K der mit einem Druck von ca.1,5 bar
betriebenen zweiten Stufe 9 der Rektifizierkolonne 7 zugeführt.
Die beiden Stufen 8, 9 der Rektifizierkolonne 7 stehen über
einen Kondensator-Verdampfer 12 miteinander in
wärmetauschender Verbindung. Sauerstoffreiche Flüssigkeit 13
vom Boden der ersten Stufe sowie stickstoffreiche Flüssigkeit
14 vom Kopf der ersten Stufe werden in Wärmetausch mit
gasförmigem Stickstoff 15 vom Kopf der zweiten Stufe in einem
Wärmetauscher 16 unterkühlt, anschließend drosselentspannt und
entsprechend ihrer Zusammensetzung in die zweite Stufe 9
eingeführt. Der Stickstoff 15 wird nach Anwärmung im
Wärmetauscher 16 durch den Wärmetauscher 6 geleitet, wo er bis
nahezu Umgebungstemperatur angewärmt wird. Oberhalb des
Sumpfes der zweiten Stufe 9 wird Sauerstoff in gasförmigem
Zustand über eine Leitung 17 entnommen und im Wärmetauscher 24
im Wärmetausch mit dem entspannten zweiten Teilstrom 5
angewärmt. Die Temperatur des Sauerstoffgases nach diesem
Wärmetausch beträgt zwischen 98 und 105 K, vorzugsweise 102 K.
Das angewärmte Sauerstoffgas wird anschließend durch den
Wärmetauscher 6 geleitet und dort auf nahezu
Umgebungstemperatur angewärmt.
Bei einer O2-Produktreinheit von 99,6% ergibt sich durch den
Wärmetausch im Wärmetauscher 24 eine Ausbeuteverbesserung um
ca. 2%.
Das in Fig. 2 gezeigte Verfahrensschema unterscheidet sich
von demjenigen gemäß Fig. 1 durch eine zusätzliche
Argongewinnung. Hierzu wird an der Stelle maximaler Argon
konzentration aus der zweiten Stufe 9 ein Gas mit etwa
folgender Zusammensetzung über eine Leitung 18 entnommen:
ca. 90%O₂
ca. 0,002%N₂
ca. 9,9%Ar
Dieses Gas wird einer als Rohargonsäule bezeichneten
Rektifizierkolonne 19 zugeführt, deren Kopf durch einen
Teilstrom 20 der sauerstoffreichen Flüssigkeit 13 aus dem
Sumpf der ersten Stufe gekühlt wird. Bei der Rektifikation
entsteht eine sauerstoffreiche Flüssigkeit 21 im Sumpf der
Argonsäule 19, die über eine Leitung 21 in die zweite Stufe 9
zurückgeleitet wird. Am Kopf der Argonsäule 19 erhält man eine
gasförmige Rohargonfraktion mit etwa 97% Ar 2,5% O2 0,5%
N2, die über eine Leitung 22 entnommen wird. Die im
Kopfkühler der Argonsäule 19 anfallende verdampfte sauerstoff
reiche Flüssigkeit wird über eine Leitung 23 in die zweite
Stufe geleitet.
Durch den Wärmetausch im Wärmetauscher 24 wird eine
Ausbeuteverbesserung für das Rohargon um ca. 5% erreicht.
Claims (9)
1. Verfahren zur Luftzerlegung durch zweistufige
Rektifikation bei tiefen Temperaturen, bei dem die zu
zerlegende Luft verdichtet, vorgereinigt und in zwei
Teilströme aufgeteilt wird, von denen der erste abgekühlt
und der ersten Stufe der Rektifikation zugeführt und der
zweite Teilstrom nachverdichtet, abgekühlt, entspannt und
der zweiten Stufe der Rektifikation zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte zweite
Teilstrom vor seinem Eintritt in die zweite Stufe
abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abkühlung durch Wärmetausch mit einem der Rektifikation
entnommenen Prozeßstrom durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlung durch Wärmetausch mit einem sauerstoff
reichen Gasstrom aus dem unteren Bereich der zweiten Stufe
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
sauerstoffreiche Gasstrom nach seinem Wärmetausch mit dem
entspannten zweiten Teilstrom im Wärmetausch mit dem
ersten Teilstrom gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Entspannung des zweiten Teilstroms
arbeitsleistend durchgeführt wird und zumindest ein Teil
der Entspannungsarbeit für die Nachverdichtung des zweiten
Teilstroms verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der nachverdichtete zweite Teilstrom
vor seiner Entspannung durch Wärmetausch mit
Zerlegungsprodukten gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein mit Sauerstoff und Argon
angereicherter Gasstrom aus der zweiten Stufe entnommen
und durch Rektifikation in eine gasförmige Argonfraktion
und eine flüssige Sauerstofffraktion zerlegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
flüssige Sauerstofffraktion in die zweite Stufe eingeführt
wird.
9. Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige
Rektifikation bei tiefen Temperaturen mit einem
Luftverdichter, einer nachfolgenden Reinigungsstufe, die
einerseits über einen Strömungsquerschnitt eines ersten
Wärmetauschers mit der ersten Stufe einer zweistufigen
Rektifikationskolonne und andererseits über einen
Nachverdichter und eine darauf folgende Entspannungsein
richtung mit der zweiten Stufe der Rektifikationskolonne
in Strömungsquerschnitt steht, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Entspannungseinrichtung und der zweiten Stufe
ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3643359A DE3643359C2 (de) | 1986-12-18 | 1986-12-18 | Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige Rektifikation |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3643359A1 true DE3643359A1 (de) | 1988-06-23 |
DE3643359C2 DE3643359C2 (de) | 1993-11-18 |
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Country Status (1)
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DE (1) | DE3643359C2 (de) |
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