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DE2335096C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigem Stickstoff - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigem Stickstoff

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DE2335096C2
DE2335096C2 DE2335096A DE2335096A DE2335096C2 DE 2335096 C2 DE2335096 C2 DE 2335096C2 DE 2335096 A DE2335096 A DE 2335096A DE 2335096 A DE2335096 A DE 2335096A DE 2335096 C2 DE2335096 C2 DE 2335096C2
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condenser
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process stream
air
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigem Stickstoff durch Tieftemperaturrektifikation von Luft in einer Doppelrektifiziersäule. bei dem ein unter Druck stehender Prozeßstrom im kalten Teil einer umschaltbaren Wärmetauschvorrichtung angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt wird.
Es sind bereits Verfahren zur Zerlegung von Luft mittels Tieftemperaturrektifikation bekannt, bei denen die Rohluft in umschaltbaren Wärmetauschern, wie z. B. Regeneratoren oder Revex, gegen gasförmige Zerlegungsprodukte abgekühlt, von Wasserdampf und Kohlendioxid befreit und nach teilweiser Verflüssigung in die Drucksäule einer Doppelrektifiziersäule eingespeist wird. Eine aus der Druclcsäule entnommene Luftfraktion wird im kalten Teil der Wärmetauscher angewärmt und nach arbeitsleistender Entspannung in
ίο die Niederdrucksäule der Doppelrektifiziersaale eingeleitet.
Die Entfernung des Wasserdampfes und des Kohlendioxids aus der Rohluft erfordert die Rückführung bzw. Anwärmung eines Prozeßstromes, z. B. einer Luftfrak-
! 5 tion aus der Drucksäule, auch Ausgleichsstrom genannt, in den kalten Teil der Wärmetauscher. Um eine vollständige Reinigung der Luft zu erreichen, muß dieser Äusgleichsstrom etwa 11 bis 13% der durchgesetzten Luftmenge betragen. Abweichungen hiervon führen zu instabilen Selbstreinigungsverhältnissen und letztlich zu Kohlendioxidanreicherungen im Flüssig-Sanersioffbad des Kondensatorverdampfers der Doppelrektifiziersäule. Kohlendioxidverlegungen vermindern die Austauschleistung und begünstigen die Bildung von Explosionsherden in den Kondensatorverdampfern infolge örtlicher Anreicherungen von Kohlenwasserstoffen wegen der Trockenverdampfung des Sauerstoffs in den mit Kohlenoxid verlegten Verdampferpassagen.
Der Ausgleichsstrom wird nach seiner Kälteabgabe an die eintretende Rohluft üblicherweise in einer Turbine arbeitsleistend entspannt Die hierbei gewonnene Kälte dient zur Deckung aller Kälteverluste des Prozesses. Bei Luftzerlegungsanlagen ab einer bestimmten Größe und bei Gewinnung aller Zerlegungsprodukte in gasförmigem Zustand bei Umgebungstemperatur wird durch die Entspannung des Ausgleichsstromes bedeutend mehr Kälte erzeugt, als der Prozeß benötigt, da mit wachsender Anlagengröße die spezifischen Isolationsverluste kleiner werder Während zur Dekkung des Kältebedarfes bei kleineren Anlagen etwa 20 bis 25% der Einsatzluft in der Turbine entspannt werden müssen, genügt bei modernen Großanlagen meist die Entspannung von nicht mehr als 7%.
Da nun einerseits der Ausgleichsstrom 11 bis 13% der durchgesetzten Luft nicht unterschreiten darf, eine Entspannung von 7% der Einsatzluft andererseits völlig ausreichend ist, wird durch die arbeitsleistende Entspannung des Ausgleichsstromes zuviel Kälte erzeugt, d. h.
es muß zusätzliche Energie aufgewendet werden, um den flüssigen Sauerstoff außerhalb des Prozesses vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand mit Umgebungstemperatur zu überführen. Um diese zusätzliche Verdampfungsenergie einzusparen, wird in der Praxis der Ausgleichsstrom in der Turbine arbeitsleistend entspannt, jedoch wird der Eintrittsdruck vorher soweit erniedrigt, daß die verbleibende Druckentspannung in der Turbine gerade die erforderliche Kälte liefert. Eine derartige Verfahrensweise ist jedoch wegen der damit verbundenen hohen Energieverluste äußerst unbefriedigend.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist durch die DE-OS 15 01732 bekannt geworden. Mit dem vorbekannten Verfahren soll die Aufgabe gelöst werden, eine kontinuierliche, wirtschaftliche Arbeitsweise der Luftzerlegungsanlage auch bei Schwankungen in der Abnahme oder bei längeren Abnahmepausen zu erreichen. Dies wird im wesentlichen dadurch
erreicht, daß der nicht zur Zerlegung benötigte Anteil der Luft Kälte durch arbeitsleistende Entspannung in zumindest zwei Maschinen erzeugt, wobei in der Zerlegungskolonne erzeugter Sauerstoff und/oder Stickstoff angewärmt, verdichtet und teilweise im Gegenstrom zu der entspannten Luft abgekühlt und verflüssigt wird.
Im Gegensatz dazu liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Diskrepanz zu beseitigen, die darin besteht, daß die Menge des als Ausgleichsstrom ι ο durch den Hauptwärmetauscher zurückzuführenden Prozeßstromes einerseits zur ausreichenden Entfernung von Kohlendioxidresten groß und andererseits wegen der bei der Entspannung des Ausgleichsstroms überschüssig erzeugten Kältt klein sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des angewärmten, unter Druck stehenden Prozeßstroms in einem Kondensator-Verdampfer der Doppeirektifiziersäule verflüssigt und nach Unterkühlung in den Niederdruckteil der Doppeirektifiziersäule entspannt wird.
Trotz der bisherigen in der Praxis durchgeführten Drosselung des Ausgleichsstromes vor de,r-;en arbeitsleistender Entspannung bleibt ein Kälteüberschuß bestehen, der ein ständiges Ansteigen der Flüssigkeit im Kondensator der Doppeirektifiziersäule zur Folge hat und eine Entnahme von Flüssigkeit erfordert. Durch die mit dem abgezweigten, nicht arbeitsleistend entspannten Teil des Prozeßstromes erfindungsgemäß in das Kolonnengeb'et eingeführte Wärme kann jedoch die Bilanz ausgeglichen werden, da dieser Gasstrom einen höheren Wärmeinhalt als der arbeitsleistend entspannte Teil aufweist. Die zusätzliche, dem Kondensatorvetdampfer der Doppeirektifiziersäule angebotene Heizwärme zwärme bewirkt eine Verstärkung des Rücklauf-Verhältnisses in der Niederdrucksäule, so daß bei unveränderter Bodenzahl eine höhere Sauerstoffausbeute erzielt wird.
Die Sauerstoffausbeute des Verfahrens kann noch beträchtlich erhöht werden, wenn als Prozeßstrom gasförmiger Stickstoff aus dem Druckteil der Doppelrektifiziersäule verwendet wird, da der abgezweigte und verflüssigte Stickstoff in der Niederdrucksäule als Waschflüssigkeit wirkt.
Um den Kälteüberschuß des Kolonnengebietes noch weiter abzubauen, ist es im Falle der Verwendung von Stickstoff als Ausgleichs- oder Prozeßstrom sehr vorteilhaft, wenn der arbeitsleistend entspannte Teil und der zu verflüssigende Teil des Prozeßstromes gegen Stickstoff aus dem Niederdruckteil der Doppelrektifiziersäule abgekühlt Herden und der arbeitsleistend entspannte und abgekühlte Teilstrom gegen eintretende Rohluft angewärmt wird. Damit wird einerseits dem aus dem Kolonnengebiet kommenden sehr kalten Stickstoff Kälte entzogen, wobei der in dem Kondensatorverdämpfer zu ver/lüssigende Teil vorteilhafterweise auf Taupunkttemperatur abgekühlt wird, und andererseits wird der arbeitsleistend entspannte Teilstrom als Reinstickstoff bei Umgebungstemperatur aus der Anlage entnommen.
Außer der Verwendung von Stickstoff als Prozeßoder Ausgleichsstrom besteht die Möglichkeit, einen Luftstrom heranzuziehen, wobei der Wärmetauscher, in dem der arbeitsleistend entspannte Teilstrom gegen Stickstoff aus der Niederdrucksäule abgekühlt wird, eingespart werden kann. Bei Verwendung von Luft bieten sich zwei Varianten an. Es kann eine mil Sauerstoff angereiche.-,e Luftfraktion aus dem Druckteil der Doppeirektifiziersäule oder aber pin Teil der auf Taupunkttemperatur abgekühlten Luft als Prozeßstrom verwendet werden. In beiden Fällen wird zweckmäßigerweise derart verfahren, daß der arbeitsleistend entspannte Teil des Prozeßstromes unmittelbar in den Niederdruckteil der Doppeirektifiziersäule eingeführt wird, wodurch ein Wärmetauscher entfällt
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene, besteht aus einer Doppelrektifiziersäule, die durch eine Kondensator-Verdampfer-Einheit in einen Druckteil und einen Niederdruckteil aufgeteilt ist, wobei die Kondensator-Verdampfer-Einheit aus mindestens zwei Blöcken zusammengesetzt ist und wobei ein von den übrigen Blöcken getrennter Kondensator-Verdampfer-Block über eine Rohrleitung mit dem Niederdruckteil verbunden ist. Die Trennung der Kondensator-Verdampfer-Blöcke ist erforderlich, da der zu verflüssigende Teil des Prozeßstromes infolge der Durchströmung mehrerer Wärmetauscher einen niedrigeren Druck besitzt als das Gasgemisch in der Drucksäule.
Aufgrund dieses geringeren Druckes arbeitet dieser Kondensator-Verdampfer gegenüt^r den anderen Kondensator-Verdampfern bei einer kleineren mittleren Temperaturdifferenz, weshalb der Anmeldungsgegenstand derart mit Vorteil weitergebildet ist, daC der von den übrigen Blöcken getrennte Kondensator-Verdampfer-Biock eine relativ größere Wärmetauschfläche aufweist als die übriger; Blöcke.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 das erfindungsgemäße Verfahren im Fall der Verwendung von Stickstoff als Prozeßstrom;
F i g. 2 das erfindungsgemäße Verfahren im Falle der Verwendung einer Luftfraktion als Prozeßstrom.
Der besseren Übersicht halber sind in beiden Figuren entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß F i g. 1 tritt über eine Leitung 1 auf ca. 6 bar komprimierte Luft in einen umschaltbaren Wärmetau scher 2, beispielsweise einen Regenerator, ein, wird hier gegen Zerlegungsprodukte abgekühlt, hierbei von Kohlendioxid und Wasserdampf befreit und anschließend in zwei Teilströme 3 und 4 aufgeteilt. Der Teilstrom 3 wird in einem Wärmetauscher 5 gegen gasförmigen Sauerstoff, der über eine Leitung 6 aus jCi Niederdrucksäule 7 einer Doppelrektifiziersäule 8 und nach Anwärmung im Wärmetauscher 2 auf Umgebungstemperatur aus der Anlage abgezogen wird, auf Taupunkttemperatur abgekühlt und in den unteren Bereich der Drucksäule 9 der Doppeirektifiziersäule 8 eingespeist, während der Teilstrom 4 mit der Temperatur, mit der er den Wärmetauscher 2 verläßt, ir· die Dnicksäule 9 gelangt In der Drucksäule 9 wird über eine Leitung 10 eine sauerstoffreiche flüssige Fraktion und über eine Leitung 11 eine flüssige St-ckstofffraktion entnommen. Diese Fraktionen werden in einem Wärmetauscher 12 bzw. 13 gegen am Kopf der Niederdrucksäule 7 abgezogenen Stickstoff abgekühlt und anschließend in die Niederdrucksäule 7 als Waschflüssigkeit entspannt.
Über eine Leitung 14 wird im oberen Bereich der Drucksäule 9 gasförmiger Stickstoff eis Prozeß- oder Ausgleichsstrom abgezogen, im kalten Teil des umschaltbaren Wärmetauschers 2 gegen eintretende Luft angewärmt und e/iindurgsgemäß in zwei Teilströme 15 und 16 aufgetrennt. Der Teilstrom 15 wird in einer Turbine 17 arbeitsleistend entspannt, wobei die für den
Prozeß notwendige Kälte erzeugt wird, in einem Wärmetauscher 18 gegen Stickstoff, der über eine Leitung 19 am Kopf der Niederdrucksäule entnommen wird, angekühlt und nach Anwärmung im Wärmetauscher 2 gegen eintretende Luft auf Umgebungstemperatur als Produktstickstoff aus der Anlage entnommen.
Der erfindungsgemäß vor der Turbine 17 abgezweigte Teilstrom 16 gelangt nach Abkühlung in einem Wärmetauscher 20 gegen Stickstoff aus der Niederdrucksäule auf Taupunkttemperatur in einen von einer Kondensator-Verdampfer-Einheit 21 getrennten Kondensator-Verdampfer-Block 22. wird hier verflüssigt und über eine Leitung 23 nach Unterkühlung im Wärmetauscher 1.3 gegen Stickstoff aus der Niederdrucksäule 7 in diese entspannt. Die Aufteilung der Kondensator-Verdampfer-Blöcke ist notwendig, da der als Prozeßstrom verwendete Stickstoff infolge der Durchströmung der Wärmetauscher 2 und 20 einen um ca. ö,5 bar geringeren Absuiuiuruck ucMi/.i als das Gasgemisch in der Drucksäule 9. Aufgrund dieses niedrigeren Absolutdruckes arbeitet der Kondensator-Verdampfer 22 gegenüber den anderen Kondensator-Verdampfern 21 bei einer kleineren mittleren Temperaturdifferen, weshalb er eine relativ größere Austauschfläche benötigt.
Das Verfahren nach Fig. 2 unterscheidet sich von *· dem Verfahren gemäß F i g. I dadurch, daß anstelle von Stickstoff eine Luftfraktion als Prozeß- oder Ausgleichsstrom verwendet wird. Über eine Leitung 14' wird aus dem unteren Bereich der Drucksäule 9 eine mit gasförmigem Sauerstoff angereicherte Luftfraktion
ίο abgezogen, im kalten Teil des Wärmetauschers 2 gegen eintretende Luft angewärmt und ebenfalls in zwei Teilströme 15 und 16 aufgetrennt. Der Teilstrom 15 wird in der Turbine 17 zur Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt und darauf über Leitung 15' unmittelbar in
i' den mittleren Bereich der Niederdriicksäule 7 eingespeist. Der vor der Turbine 17 abgezweigte Teilstrom 16 wird im Wärmetauscher 20 gegen Stickstoff aus der Niederdriicksäule 7 auf Taupunkttemperatur abgekühlt,
.'ο Wärmetauscher 12 unterkühlt, bevor er in die Niederdrucksäule 7 entspannt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigen Stickstoff durch Tieftemperaturrektifikation von Luft in einer Doppelrektifiziersäule, bei dem ein unter Druck stehender Prozeßstrom im kalten Teil einer umschaltbaren Wärmetauschvorrichtung angewärmt und anschließend arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des angewärmten, unter Druck stehenden Prozeßstromes in einem Kondensator-Verdampfer (22) der Doppelrektifiziersäule (8) verflüssigt und nach Unterkühlung in den Niederdruckteil (7) der Doppelrektifiziersäule (8) entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom gasförmiger Stickstoff (14) aus dem Druckteil (9) der Doppelrektifiziersäule (8) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, öjß der arbeitsleistend entspannte Teil (15) und der zu verflüssigende Teil (16) des Prozeßstromes gegen Stickstoff (19) aus dem Niederdruckteil (7) der Doppelrektifiziersäule (8) abgekühlt werden (18, 20) und der arbeitsleistend entspannte und abgekühlte Teilstrom (15) gegen eintretende Rohluft angewärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom eine Luftfraktion (14') aus dem Druckteil (9) der Doppelrektifiziersäule (8) verwendet wird.
5. Verfairen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrom ein Teil der auf Taupunkttemperatur abgekühlten Luft verwendet wird.
6. Verfahren nach Ansprucn 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der arbeitsleistend entspannte Teil des Prozeßstroms (15') unmittelbar in den Niederdruckteil (7) der Doppelrektifiziersäule (8) eingeführt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Doppelrektifiziersäule, die durch eine Kondensator-Verdampfer-Einheit in einen Druckteil und einen Niederdruckteil aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensator-Verdampfer-Einheit aus mindestens zwei Blöcken (21, 22) zusammengesetzt ist und daß ein von den übrigen Blöcken getrennter Kondensator-Verdampfer-Block (22) über eine Rohrleitung (23) mit dem Niederdruckteil (7) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von den übrigen Blöcken getrennte Kondensator-Verdampf er-Block (22) eine relativ größere Wärmetauschfläche aufweist als die übrigen Blöcke.
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