DE1258882B

DE1258882B - Verfahren und Anlage zur Luftzerlegung durch Rektifikation unter Verwendung eines Hochdruckgas-Kaeltekreislaufes zur Druckverdampfung fluessigen Sauerstoffs

Info

Publication number: DE1258882B
Application number: DEG37986A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Becker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1963-06-19
Filing date: 1963-06-19
Publication date: 1968-01-18
Also published as: US3426543A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F 25 j

Deutsche KL: 17 g-2/01

1 258 882
G 379861 a/17 g
19. Juni 1963
18. Januar 1968

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Anlage zur Luftzerlegung durch Rektifikation unter Verwendung einer Gruppe periodisch umschaltbarer Regeneratoren zum Wärmeaustausch zwischen Zerlegungsluft und Stickstoff, wobei eine Kreislaufstickstoff-Fraktion aus der Rektifiziersäule entnommen, über einen Regenerator zur Anwärmung auf Normaltemperatur geführt, nach Hochdruck-Kompression durch Wärmeaustausch mit mehreren Medienströmen abgekühlt und verflüssigt und über eine Entspannungseinrichtung in die Rektifiziersäule in der Nähe der Entnahmestelle zurückgeführt und reiner Stickstoff aus einem Kopfabschnitt der Säule unabhängig vom Kreislaufstickstoff gewonnen und separat verwertet wird, und wobei Drucksauerstoff verdampft wird.

Die Aufgabe, neben Drucksauerstoff auch reinen Stickstoff für die Herstellung von Ammoniaksynthesegas durch Luftzerlegung zu gewinnen, ist gemäß der deutschen Patentschrift 1103 363 in der Weise gelöst, daß gasförmiger Stickstoff aus dem Kopf der Drucksäule eines Doppelrektifikators entnommen wird, in Rohrschlangen in den Regeneratoren auf Umgebungstemperatur angewärmt und komprimiert wird; der komprimierte Stickstoff wird durch Wärmeaustausch mit Ammoniaksynthesegas und Restgas gekühlt, durch Wärmeaustausch mit Zerlegungsluft und beladenem Waschstickstoff verflüssigt bzw. unterkühlt und gelangt zum Teil als Waschmittel in die Gaswaschkolonne und zum Teil direkt in das Kopfgas der Gaswaschkolonne zur Herstellung des stöchiometrischen Ammoniaksynhesegasgemisches. Ein entsprechender Anteil des gasförmigen Stickstoffs aus dem Kopf der Drucksäule wird dann noch durch Wärmeaustausch mit dem Ammoniaksynthesegas unter Verdampfung des eingespeisten flüssigen Stickstoffs verflüssigt und gelangt in den Kopf der Drucksäule als flüssiger Stickstoff zurück.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es mit reinem Stickstoff im Kreislauf arbeitet, so daß man gezwungen ist, Rohrschlangen in die Regeneratoren einzubauen, um eine Verunreinigung des reinen Stickstoffs, der anschließend in die Gaswaschanlage geführt wird, zu vermeiden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun im wesentlichen darin, den für den Wärmeaustausch mit Ammoniaksynthesegas, Restgas und Drucksauerstoff erforderlichen Stickstoffkreislauf und den separat zu verwertenden reinen Stickstoff unabhängig zu machen, den Wärmeaustausch zwischen Kreislaufstickstoff und Zerlegungsluft zu vereinfachen und ohne den Einbau

Verfahren und Anlage zur Luftzerlegung durch
Rektifikation unter Verwendung eines
Hochdruckgas-Kältekreislaufes zur
Druckverdampfung flüssigen Sauerstoffs

Anmelder:

Linde Aktiengesellschaft,

6200 Wiesbaden, Hildastr. 2-10

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Rudolf Becker, 8000 München-Solln

von Rohrschlangen in den Regeneratoren auszukommen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt nach der Erfindung in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise dadurch, daß als Kreislaufstickstoff eine unreine Stickstoff-Fraktion aus der Rektifiziersäule dient, deren Anwärmung auf Normaltemperatur in einem in einer vorhergehenden Schaltphase bereits mit Stickstoff durchgespülten Regenerator erfolgt und die nach der Hochdruck-Kompression gereinigt wird, bevor sie durch Wärmeaustausch mit dem zu verdampfenden Drucksauerstoff und den anderen Medien verflüssigt und wieder in die Rektifiziersäule in der Nähe der Entnahmestelle zurückgeführt wird.

Mit Vorteil erfolgt dabei die Entnahme des unreinen Kreislaufstickstoffs im mittleren Teil der Drucksäule und wird an etwa der gleichen Stelle mindestens teilweise verflüssigt wieder zurückgeführt.

Zur Gewinnung der erforderlichen Zusatzkälte wird erfindungsgemäß ferner ein Teil der unreinen, aus dem mittleren Teil der Drucksäule entnommenen Stickstoff-Fraktion nach Vorwärmung arbeitsleistend entspannt und als Regeneratorspülgas verwendet. Das zu entspannende Gas kann dabei jeweils an geeigneter Stelle aus dem mit Kreislaufstickstoff beschickten Regenerator entsprechend vorgewärmt abgezweigt und/oder unter Umgehung dieses Regenerators zur Vorwärmung über einen Wärmeaustauscher mit Kreislaufstickstoff vor seiner Rückführung in die Drucksäule geführt werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der reine Stickstoff aus dem Kopf der Drucksäule entnommen.

Bei Verwertung des reinen Stickstoffs zur Ammoniaksynthesegasherstellung wird erfindungsgemäß mit

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besonderem Vorteil in der Weise verfahren, daß der Id— gezeichnet Sd und €d — zweien der Regene-

reine Stickstoff aus dem Kopf der Drucksäule teils ratoren 4 bis 7 — gezeichnet 5 und 6 — als Spülgas

flüssig, teils gasförmig entnommen, nach vollständiger und zur Anwärmung auf Umgebungstemperatur zu-

Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung bei geführt. Das Spülgas tritt durch zwei Umschaltventile Entnahmedruck durch Wärmeaustausch mit gege- 5 46 bis 7 b — gezeichnet 5 b und 6b — aus den Re-

benenfalls entspannten Produkten einer Ammoniak- generatoren aus und gelangt durch Leitung 45 ins

synthesegasanlage mittels einer Pumpe auf den Druck Freie.

der hierzu gehörigen Waschsäule gebracht und als Die periodische Umschaltung der Regeneratoren 4 Waschmittel für Wasserstoffgas sowie als Bestandteil bis 7 ist also in der Weise vorgesehen, daß jeder von Ammoniaksynthesegas verwendet wird. Auf io Regenerator in einer ersten Schaltphase von tiefzudiese Weise wird eine Kompression des gasförmigen kühlender Zerlegungsluft von oben nach unten, in Stickstoffs auf den normalerweise höheren Druck einer zweiten und dritten Schaltphase von anzuwärder Waschsäule der Ammoniaksynthesegasanlage ver- mendem Spülgas — zur Sublimation von CO₀ und mieden. Der Energiebedarf der Flüssigkeitspumpe ist Eisablagerungen — von unten nach oben und üTeiner dabei wesentlich kleiner, so daß eine beträchtliche i₅ vierten Schaltphase von anzuwärmendem Kreislauf-Energieersparnis erzielt wird. stickstoff von unten nach oben durchströmt wird.

Die erfindungsgemäße Arbeitsweise soll nun an Ein Teil der Kreislaufstickstoff-Fraktion wird da-Hand des Verfahrensschemas beispielsweise näher er- bei mit Vorteil aus der unteren Hälfte des betreffenläutert werden. den Regenerators durch Ventile 4/ bis 7/ — gezeich-Die durch die Leitung 1 eintretende Zerlegungs- 20 net 7/ — abgezweigt und über Leitung 46 mit Venluft wird im Kompressor 2 auf etwa 6 ata kompri- til 47 sowie über Leitung 48 der Entspannungsturmiert und gelangt durch Leitung 3 in einen der Re- bine 49 zugeführt. Das entspannte Gas gelangt dann generatoren 4 bis 7 — gezeichnet 4 — über eines der über Leitung 50 zur Spülgassammelleitung 44. Zu-Umschaltventile 4α bis la — gezeichnet 4ω —. Die sätzlich oder alternativ kann auch aus der Kreislauftiefgekühlte Luft wird über eines der Umschalt- 25 stickstoffleitung 16 durch Leitung 51 eine Teilmenge ventile 4 d bis Id — gezeichnet 4d — und weiter abgezweigt und über Wärmeaustauscher 34 und Leiüber Leitung 8 in den unteren Teil der Drucksäule 9 rung 52 mit Ventil 53 der Leitung 48 zur Entspangeleitet, die zusammen mit der Niederdracksäule 10 nungsturbine 49 zugeführt werden. Die Regelung erzu einem Doppelrektinkator gehört. folgt nach Maßgabe der Aufrechterhaltung des er-Das Sumpfprodukt der Drucksäule, die mit etwa 30 forderlichen Temperaturgleichgewichtes der Anlage. 5,6 ata arbeitet, gelangt über Leitung 11, Adsorber Aus dem Sumpf der Niederdracksäule 10 wird 12, Wärmeaustauscher 13 und Leitung 14 mit dem durch Leitung 54 flüssiger Sauerstoff entnommen, Entspannungsventil 15 in den mittleren Teil der mittels der Pumpe 55 auf etwa 41 ata gebracht und Niederdracksäule 10, in der ein Druck von etwa durch Leitung 56 den in Reihe geschalteten Wärme-1,4 ata herrscht. 35 austauschern 29, 27 und 23 zugeführt, wo der flüssige Aus dem mittleren Teil der Dracksäule 9 wird er- Sauerstoff auf etwa Umgebungstemperatur gebracht findungsgemäß eine unreine Stickstoff-Fraktion durch und durch Leitung 57 mit Ventil 58 mit etwa 40 ata die Leitung 16 abgezweigt und über eines der Um- seiner Verwertung zugeführt wird, schaltventile 4 β bis 7e — gezeichnet Ie — in einen Aus dem Kopf der Dracksäule wird durch Leitung der Regeneratoren 4 bis 7 — gezeichnet 7 — geführt. 40 59 gasförmiger reiner Stickstoff und durch Leitung 60 Der größere Teil dieser Fraktion gelangt über eines flüssiger reiner Stickstoff mit einem Druck von etwa der Umschaltventile 4 c bis 7 c — gezeichnet 7 c — 5,5 ata entnommen. Beide Leitungen werden dem und die Leitung 17 zum Hochdruckkompressor 18 Wärmeaustauscher 61 zugeführt. Hier erfolgt die und wird dort auf etwa 120 ata kompimiert. weitgehend vollkommene Verflüssigung des noch gas-Das komprimierte Gas gelangt durch die Leitung 45 förmigen Stickstoffs. Der weitgehend verflüssigte 19, vorzugsweise über einen Adsorber 20 bei ge- Stickstoff gelangt durch Leitung 62 in den Wärmeschlossenem Ventil 21, in eine Gruppe von Wärme- austauscher 63, wo er unterkühlt wird und durch Leiaustauschern 23, 24 und 25 und weiter über die tung 64 zur Pumpe 65 gelangt, die den flüssigen Stick-Sammelleitung 26 in den Wärmeaustauscher 27. Von stoff durch Leitung 66 mit Ventil 67 dem Kopf der dort gelangt der Kreislauf stickstoff einerseits über 50 Waschsäule 68 zuführt, die mit einem Druck von etwa Leitung 28 in die Wärmeaustauscher 29 und 30 und 25 ata arbeitet. Ein Teil des flüssigen Stickstoffs wird von dort über Leitung 31 in die Sammelleitung 32 dabei durch Leitung 69 mit Ventil 70 abgezweigt und und andererseits über die Leitung 33, Wärmeaus- der Reingasleitung 71 aus dem Kopf der Waschsäule tauscher 34 und Leitung 35 in die gleiche Sammel- 68 zur Herstellung eines stöchiometrischen Gemisches leitung 32. Die Sammelleitung 32 ist weiterhin mit 55 direkt zugeführt. Die Leitung 71 führt dann das Waseinem Drosselventil 36 versehen, wodurch der minde- serstoff-Stickstoff-Gemisch über die Wärmeaustaustens teilweise verflüssigte Stickstoff etwa an der glei- scher 61, 72, Leitung 73 und 74 in die Wärmeauschen Stelle wieder in die Dracksäule 9 zurückgelangt. tauscher 75 und 25 und gelangt aus diesen durch die Oberhalb der Eintrittsstelle der Leitung 32 befindet Leitungen 76 und 77 in die Sammelleitung 78 mit sich in der Dracksäule ein Flüssigkeitsauffangbecken 60 Ventil 79, von wo das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch 37, aus dem die Leitung 38 nach außen führt und der Ammoniaksynthesegasanlage mit einem Druck über Wärmeaustauscher 39 und Leitung 40 mit Ent- von etwa 24 ata zugeführt wird, spannungsventil 41 flüssigen Stickstoff auf den Kopf Ein wasserstoff reiches Gas, wie z. B. Konvertgas, der Niederdracksäule 10 liefert. _wj_rd dabei durch Leitung 80 dem Kompressor 81 zu-Aus dem Kopf der Niederdracksäule 10 wird dabei 65 geführt und gelangt durch Leitung 82 und Wärme-Stickstoff durch Leitung 42 abgezogen und über austauscher 83, der wassergekühlt sein kann, sowie Wärmeaustauscher39, Leitung 43, Wärmeaustauscher die Leitung 84 zum Wärmeaustauscher 75, von hier und Leitung 44 über zwei Umschaltventile 4 d bis durch Leitung 85 zum Wärmeaustauscher 72 und

von dort durch Leitung 86 zum Wärmeaustauscher 87. Von hier aus wird das Gas dann über Leitung 88, die im Wärmeaustauscher 63 eingelagerte Kühlschlange 89 und Leitung 90 dem unteren Teil der Waschsäule 68 zugeführt.

Der mit Verunreinigungen — in erster Linie CO — beladene flüssige Stickstoff gelangt aus dem Sumpf der Waschsäule 68 durch Leitung 91 mit Entspannungsventil 92 in den Wärmeaustauscher 63 und weiter über Wärmeaustauscher 87, Leitung 93, Wärmeaustauscher 30, Leitung 94, Wärmeaustauscher 24 und Leitung 95 auf Umgebungstemperatur angewärmt als Restgas ins Freie.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation unter Verwendung einer Gruppe periodisch umschaltbarer Regeneratoren zum Wärmeaustausch zwischen Zerlegungsluft und Stickstoff, wobei eine Kreislaufstickstoff-Fraktion aus der Rektifiziersäule entnommen, über einen Regenerator zur Anwärmung auf Normaltemperatur geführt, nach Hochdruck-Kompression durch Wärmeaustausch mit mehreren Medienströmen abgekühlt und verflüssigt und über eine Entspannungseinrichtung in die Rektifiziersäule in der Nähe der Entnahmestelle zurückgeführt und reiner Stickstoff aus einem Kopfabschnitt der Säule unabhängig vom Kreislaufstickstoff gewonnen und separat verwertet wird, und wobei Drucksauerstoff verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kreislauf stickstoff eine unreine Stickstoff-Fraktion aus der Rektifiziersäule dient, deren Anwärmung auf Normaltemperatur in einem in einer vorhergehenden Schaltphase bereits mit Stickstoff durchgespülten Regenerator erfolgt und die nach der Hochdruck-Kompression gereinigt wird, bevor sie durch Wärmeaustausch mit dem zu verdampfenden Drucksauerstoff und den anderen Medien verflüssigt und wieder in die Rektifiziersäule in der Nähe der Entnahmestelle zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unreine Kreislaufstickstoff im mittleren Teil der Drucksäule entnommen und an etwa der gleichen Stelle mindestens teilweise verflüssigt zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der unreinen, aus dem mittleren Teil der Drucksäule entnommenen Stickstoff-Fraktion nach Vorwärmung arbeitsleistend entspannt und als Regeneratorspülgas verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reine Stickstoff aus dem Kopf der Dracksäule entnommen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der reine Stickstoff aus dem Kopf der Dracksäule teils flüssig, teils gasförmig entnommen, nach vollständiger Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung bei Entnahmedrack durch Wärmeaustausch mit gegebenenfalls entspannten Produkten einer Ammoniaksynthesegasanlage mittels einer Pumpe auf den Druck der hierzu gehörigen Waschsäule gebracht und als Waschmittel für Wasserstoffgas sowie als Zusatz zum Ammoniaksynthesegas verwendet wird.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelrektifikator (9,10) zur Luftzerlegung eine Ableitung von unreinem gasförmigem Stickstoff über einen Regenerator in einer seiner Stickstoffspülung folgenden Schaltphase, einen Kompressor (18), vorzugsweise Adsorber (20), Wärmeaustauscher (23, 27, 29) mit zu verdampfendem Drucksauerstoff und eine Rückleitung dieses hierdurch mindestens teilweise verflüssigten Mediums über eine Entspannungsvorrichtung sowie eine Ableitung von reinem gasförmigem (59) und flüssigem (60) Stickstoff aus dem Kopf seiner Dracksäule (9) besitzt, die über Wärmeaustauscher zur vollständigen Verflüssigung (61) und gegebenenfalls Unterkühlung (63) des Stickstoffs sowie über eine Pumpe (65) und Verteilventile (67, 70) einerseits zum Kopf einer Wasserstoffwaschsäule (68) und andererseits direkt in die Wasserstoffleitung (71) vom Kopf dieser Waschsäule zur Gewinnung von Ammoniaksynthesegas führt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 935 195, 955 867,
494,1098 970, 1103 363.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen