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DE69004647T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft.

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Publication number
DE69004647T2
DE69004647T2 DE90402488T DE69004647T DE69004647T2 DE 69004647 T2 DE69004647 T2 DE 69004647T2 DE 90402488 T DE90402488 T DE 90402488T DE 69004647 T DE69004647 T DE 69004647T DE 69004647 T2 DE69004647 T2 DE 69004647T2
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DE
Germany
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rich
oxygen
nitrogen
low
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Bao V Ha
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Liquid Air Engineering Corp Canada
Original Assignee
Liquid Air Engineering Corp Canada
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Publication date
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Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Luftzerlegungsverfahren und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon aus Luft, wobei flüssige Luft als Wärmeaustauschmittel für den Hochdruckkolonnenkühler verwendet wird, um ein Verfahren mit hohem energetischen Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.
  • Herkömmliche Tieftemperaturluftzerlegungsverfahren sehen das Filtern zugeführter Luft vor, um aus Partikeln bestehende Stoffe zu entfernen, bevor die Luft komprimiert wird, um Energie für die Zerlegung bereitzustellen. In den meisten Fällen wird der zugeführte Luftstrom danach gekühlt und durch Absorptionsmittel geleitet, um Fremdstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zu entfernen. Der resultierende Strom wird einer Tieftemperaturdestillation unterworfen.
  • Tieftemperaturdestillation oder Luftzerlegung umfaßt das Zuführen der unter Hochdruck stehenden Luft in eine oder mehrere Trennkolonnen, die bei Tieftemperaturen betrieben werden, wobei die Luftbestandteile, einschließlich Sauerstoff, Stickstoff, Argon, und die seltenen Gase durch Destillation abgetrennt werden können.
  • Tieftemperaturzerlegungsverfahren, die mit Dampf- und Flüssigkeitskontakt arbeiten, hängen von den Unterschieden des Dampfdrucks der jeweiligen Bestandteile ab. Der Bestandteil, der einen höheren Dampfdruck aufweist, d.h., daß er flüchtiger ist oder bei tieferer Temperatur siedet, neigt dazu, sich in der Dampfphase anzureichern. Der Bestandteil, der einen niedrigeren Dampfdruck aufweist, was bedeutet, daß er weniger flüchtig ist oder bei höheren Temperaturen siedet, neigt dazu, sich in der flüssigen Phase anzureichern.
  • Das Zerlegungsverfahren, bei dem ein Erwärmen eines Flüssigkeitsgemisches zum Anreichern der flüchtigen Bestandteile in der Dampfphase und der weniger flüchtigen Bestandteile in der flüssigen Phase stattfindet, wird als Destillation bezeichnet. Teilweise Kondensation ist ein Zerlegungsverfahren, bei dem ein Dampfgemisch abgekühlt wird, um die flüchtige Komponente oder die flüchtigen Komponenten in der Dampfphase anzureichern und gleichzeitig den weniger flüchtigen Bestandteil oder die weniger flüchtigen Bestandteile in der flüssigen Phase anzureichern.
  • Ein Verfahren, das aufeinanderfolgende teilweise Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge kombiniert und eine Gegenstrombehandlung des Dampfes in flüssigen Phasen umfaßt, wird Rektifizierung oder mitunter kontinuierliche Destillation genannt. Das Inkontaktbringen des Dampfes und der flüssigen Phasen im Gegenstrom verläuft adiabatisch und kann einen integralen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen umfassen.
  • Vorrichtungen, die zum Ausführen von Zerlegungsverfahren verwendet werden, die auf den Rektifizierungsprinzipien zum Zerlegen von Gemischen basieren, werden oft als Rektifizierungs-, Destillations- oder Fraktionierungskolonnen bezeichnet.
  • Der vorliegend sowie in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Kolonne" bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierungskolonne oder -zone. Sie kann auch als eine Kontaktierungskolonne oder -zone bezeichnet werden, wobei die Flüssig- oder Dampfphasen zum Zweck der Zerlegung eines Fluidgemisches im Gegenstrom kontaktiert werden. Beispielsweise umfaßt dies das Kontaktieren der Dampf- und Flüssigphasen auf einer Reihe vertikal beabstandeter Kolonnenböden oder -platten, die häufig perforiert und mit Rillen versehen sind, und die sich kreuzweise zur Kolonne, senkrecht zu der Mittelachse erstrecken. Anstelle der Kolonnenböden oder -platten können Packelemente verwendet werden, um die Kolonnen zu füllen.
  • Der vorliegend verwendete Begriff "Doppelkolonne" bezieht sich auf eine Kolonne höheren Drucks, deren oberes Ende im Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer Säule niedrigeren Drucks steht.
  • Der vorliegend verwendete Begriff "Standardluftzerlegungsverfahren oder -vorrichtung" meint das vorstehend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene Vorrichtung ebenso wie andere Luftzerlegungsverfahren, die dem Fachmann bekannt sind.
  • Der vorliegend und in den anliegenden Ansprüchen verwendete Begriff "indirekter Wärmeaustausch" bedeutet, daß zwei Fluidströme miteinander ohne physikalischen Kontakt oder Vermischung der Fluide Wärme austauschen.
  • Historisch gesehen sind Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon mittels einem von zwei grundlegenden Verfahrensprinzipien erzeugt worden, einschließlich dem Einkolonnenverfahren und dem Doppelkolonnenverfahren.
  • Die WO 86/02148 beschreibt ein Luftzerlegungsverfahren zur Erzeugung von Stickstoff unter Verwendung eines Doppelkolonnensystems, wobei Luft als Wärmeaustauschmedium verwendet wird. Das in dieser Patentanmeldung beschriebene Verfahren verwendet jedoch Luft ausschließlich als Wärmezufuhrmedium für die Niederdruckkolonne und nicht gleichzeitig als ein Kühlmedium für die Hochdruckkolonne. Ferner erfordert das Verfahren, daß die ganze behandelte Luft zu dem Bodenwiedererhitzer der Niederdruckkolonne geleitet wird, was bedeutet, daß der Wärmeaustauscher (der Bodenwiedererhitzer) sehr groß ist. Außerdem wird die Luft in dem Verfahren nach der vorstehend genannten Patentanmeldung lediglich teilweise kondensiert, wodurch das Verfahren schwierig zu steuern und/oder schwierig richtig einzustellen ist.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung kann für eine energieeffiziente Erzeugung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon verwendet werden.
  • Der Kern der Erfindung liegt in der Verwendung verdampfter und verflüssigter Luft als Erwärmungs- und Kühlmedium zwischen den Hochdruck- und den Niederdruckkolonnen. Früher ist Stickstoff verwendet worden.
  • Die Erfindung wird im Einzelnen in Bezug auf Stickstoff erläutert. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung ebenfalls für die Erzeugung von Sauerstoff oder Argon anwendbar ist. Für den Fachmann ist es offensichtlich, wie die Temperatur, der Druck und andere Betriebsbedingungen zu optimieren sind, um die Produktion von Sauerstoff und/oder Argon als Primärprodukt zu optimieren.
  • Der besondere Vorteil bei der Verwendung von Luft für das Erwärmungs- und Kühlmedium besteht darin, daß weniger Energie erforderlich ist, um Luft zu kondensieren, als einen stickstoffreichen Strom zu kondensieren. Da die hauptsächlichen Energiekosten auf die Kompression der Gase entfallen, ist der geringere Druck, der erforderlich ist, um Luft bei einer vorgegebenen Temperatur zu kondensieren, weniger kostenintensiv, als Stickstoff zu kondensieren.
  • Beispielsweise kondensiert Stickstoff bei einem Druck von 7 bar bei -180ºC. Im Gegensatz hierzu wird lediglich ein Druck von 6 bar bei -178ºC benötigt, um Luft zu kondensieren. Der Temperaturunterschied von 2ºC und der Druckunterschied von 1 bar sind daher für den verminderten Energieaufwand beim erfindungsgemäßen Verfahren verantwortlich.
  • Bei Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen Stickstoff als Erwärmungs- und Kühlmedium zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen verwendet wird, ist es erforderlich, die zugeführte Luft auf den wegen des Stickstoffs notwendigen höheren Druck zu komprimieren. Die Primärenergieeinsparung kommt daher von der verminderten Anforderung an die Kompression der zugeführten Luft.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung hochreinen Stickstoffs im Umfang von mehr als 90% des in der anfänglichen zugeführten Luft enthaltenen Stickstoffs. Es kann in einem Druckbereich zwischen etwa 3 bar und etwa 15 bar erzeugt werden. Es kann sowohl Hochdruck- wie Niederdruckstickstoff erzeugt werden. Dies kann getrennt voneinander oder gemeinsam erfolgen. Außerdem ist das Verfahren im Vergleich mit Verfahren nach dem Stand der Technik energetisch hoch wirksam.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Tieftemperaturverfahren zur Erzeugung von Stickstoff aus Luft mit den folgenden Schritten geschaffen:
  • A) Aufteilen von gekühlter, komprimierter zugeführter Luft, die im wesentlichen frei von Feuchtigkeit und Verunreinigungen ist, in einen ersten und einen zweiten Teilstrom zugeführter Luft;
  • B) Einleiten des ersten Teilstroms zugeführter Luft in eine Hochdruckkolonne, die mit einem Kopfkondensator ausgestattet ist;
  • C) Trennen des ersten Teilstroms zugeführter Luft in der Hochdruckkolonne mittels Tieftemperaturdestillation in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom;
  • D) Abführen zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Hochdruckkolonne;
  • E) Einleiten zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms in eine Niederdruckkolonne, die mit einem Bodenkondensator/Wiedererhitzer und einem Überkopfkühler/Kondensator für die Tieftemperaturzerlegung in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;
  • F) Einleiten des zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kondensator/Wiedererhitzer in der Niederdruckkolonne;
  • G) Kondensieren des zweiten Teilstroms zugeführter Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten sauerstoffreichen Teilstrom in der Niederdruckkolonne, wobei zumindest ein Teil des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms verdampft wird;
  • H) Einleiten zumindest eines Teils des kondensierten zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kopfkondensator der Hochdruckkolonne;
  • I) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten kondensierten Teilstroms zugeführter Luft in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms in der Hochdruckkolonne, um zumindest einen Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms zu kondensieren;
  • J) Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Teilstroms zugeführter Luft, der durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten sauerstoffreichen Teilstrom in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne verdampft wurde, in die Niederdruckkolonne zur Tieftemperaturzerlegung, zusammen mit zumindest einem Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms, in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom;
  • K) Abführen zumindest eines Teils des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne als Nutzstrom;
  • L) Abführen zumindest eines Teils des kondensierten zweiten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne;
  • M) Einleiten zumindest eines Teils des abgezogenen zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in den Überkopfkühler der Niederdruckkolonne;
  • N) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in dem Überkopfkühler durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des aufsteigenden zweiten stickstoffreichen Teilstroms in der Niederdruckkolonne, wobei der zweite stickstoffreiche Teilstrom kondensiert wird und einen Rückstrom für die Niederdruckkolonne bildet; und
  • O) Abführen zumindest eines Teils des verdampften zweiten sauerstoffreichen Teilstroms aus dem Überkopfkühler als Abfall.
  • In einer Ausführungsform wird die zugeführte Luft in zwei Teilströme unterteilt, wobei ein Teilstrom zum Boden einer Hochdruckkolonne und ein weiterer Teilstrom zu einem Kondensator/Wiedererhitzer geleitet wird, der in der Basis einer Niederdrucksäule angeordnet ist. Gute Ergebnisse wurden auf der Grundlage gleicher Teilströme zugeführter Luft erhalten, obwohl auch andere Verhältnisse verwendet werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die zugeführte Luft in drei Teilströme aufgeteilt. Zwei der Teilströme zugeführter Luft werden zu der Hochdruckkolonne und dem Kondensator/Wiedererhitzer an der Basis der Niederdruckkolonne, wie vorstehend beschrieben, geleitet. Der dritte Teilstrom wird zur Kühlung der Anlage entspannt und in die Niederdruckkolonne zur Tiefkühlzerlegung eingeleitet.
  • In einer Ausführungsform wird ein Teil des kondensierten stickstoffreichen Teilstroms in der Hochdruckkolonne zerlegt und in die Niederdruckkolonne eingeleitet, um einen zusätzlichen Rückstrom zu erhalten. Gleichzeitig wird der zweite Teilstrom zugeführter Luft, der durch einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit Stickstoff in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne verdampft worden ist daraufhin in die Niederdruckkolonne zur Tieftemperaturzerlegung eingeleitet.
  • Ein Anteil des zweiten stickstoffreichen Stroms kann als Hochdruckstickstoff-Nutzstrom ausgeleitet werden, während der verbliebene Teil verwendet wird, um einen Rückfluß für die Niederdruckkolonne zu erzielen.
  • Ein Teil des Hochdruckstickstoff-Nutzstroms kann zur Kühlung der Anlage entspannt und dem Niederdruckstickstoff-Nutzstrom beigemischt werden.
  • Der auf den Boden der Hochdruckkolonne fallende zweite sauerstoffreiche Strom wird durch indirekten Wärmeaustauschkontakt mit dem hereinkommenden zweiten Teilstrom zugeführter Luft verdampft, der dadurch kondensiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der zweite sauerstoffreiche Teilstrom außerdem einen dritten zugeführten Teilstrom umfassen, der vor der Einleitung in die Niederdruckkolonne entspannt worden ist.
  • Falls erwünscht, kann der Abfallsauerstoff zur Anlagenkühlung entspannt werden. Alternativ kann der Abfallsauerstoff, der eine Reinheit von 70% aufweist, als Produkt in Anwendungen verwendet werden, bei denen hochreiner Sauerstoff nicht erforderlich ist.
  • In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anlage zum Erzeugen von Stickstoff aus gekühlter kondensierter Luft geschaffen, mit:
  • einer Hochdruckdestillationskolonne, die mit einem Kopfkondensator zur Tieftemperaturzerlegung durch Fraktionierung von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;
  • einer Niederdruckdestillationskolonne mit einem Überkopfkühler und einem Bodenwiedererhitzer, um gekühlte komprimierte zugeführte Luft und zumindest einen Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms durch Fraktionierung zu zerlegen, um zweite stickstoffreiche und sauerstoffreiche Teilströme zu erhalten;
  • einer Leitung für die Zufuhr von gekühlter komprimierter zugeführter Luft zu dem Wiedererhitzer;
  • einer Leitung für den Transport des Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms von der Hochdruckkolonne zu der Niederdruckkolonne für die darin stattfindende Tieftemperaturzerlegung;
  • einer Leitung für den Transport von kondensierter zugeführter Luft von dem Wiedererhitzer zu dem Überkopfkühler;
  • einer Leitung für den Transport von verdampfter Luft von dem Überkopfkühler zu der Niederdruckkolonne;
  • einer Leitung zum Abführen des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms als Abfall nach der Verdampfung des zweiten sauerstoffeichen Teilstroms in dem Überkopfkühler und einer Leitung zum Abführen des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne als Nutzstrom, und
  • einer Leitung zum direkten Einleiten von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in die Hochdruckkolonne.
  • Vorzugsweise sind Entspannungsvorrichtungen zum Entspannen komprimierter Luft vor Einführung in die zweite Destillationskolonne, zum Entspannen von vom Überkopfkondensator abgezogenem Sauerstoff der zweiten Destillationskolonne und/oder zum Entspannen eines Stickstoffprodukts zum Zwecke der Kühlung vorgesehen.
  • Figur 1 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Niederdruckstickstoff;
  • Figur 2 zeigt ein schematisches Flußdiagramm eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ähnlich von Figur 1, mit der Ausnahme, daß anstelle der Abfallentspannung eine Luftentspannung vorgesehen ist;
  • Figur 3 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Hochdruck- und Niederdruckstickstoff; und
  • Figur 4 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ähnlich zu Figur 3, wobei ein Teil des Hochdruckstickstoffs zu Niederdruckstickstoff entspannt wird.
  • Bezugnehmend auf das Flußdiagramm von Figur 1, wird fremdstoffreie komprimierte zugeführte Luft mittels einer Leitung 20 in einen Wärmeaustauscher 30 eingeleitet. Die Luft wird in den Wärmeaustauscher 30 bevorzugt unter einem Druck im Bereich von etwa 5 bar bis etwa 20 bar eingeleitet, wobei die Lufttemperatur durch indirekten Wärmeaustausch mit ausgeleiteten Abfall- und Nutzströmen auf Tieftemperatur abgekühlt wird.
  • Als nächstes wird die zugeführte Luft in zwei Teilströme aufgeteilt. Gute Ergebnisse sind mit gleichen Teilströmen oder Strömen zugeführter Luft erreicht worden; es können jedoch andere Verhältnisse verwendet werden. Der erste Teilstrom der zugeführten Luft wird der Hochdruckkolonne 32 durch Leitungen 22 und 62 zugeführt, und der verbleibende zweite Teilstrom zugeführter Luft wird dem Wiedererhitzer 58 der Niederdruckkolonne 34 über Leitungen 22 und 60 zugeführt.
  • Bei der Hochdruckkolonne 32 liegt ein Druck bevorzugt im Bereich von etwa 5 bis 20 bar an.
  • Der erste Teilstrom zugeführter Luft wird, wie durch 36 angezeigt, in den unteren Teil der Kolonne 32 unterhalb des Destillationsbodens eingeleitet. Hier wird der erste Teilstrom zugeführter Luft in einen ersten stickstoffreichen Dampfteilstrom, der zum Kopf der Kolonne 32 aufsteigt, und einen ersten sauerstoffreichen Flüssigkeitsteilstrom zerlegt, der zum Boden der Kolonne 32 abfällt.
  • Zumindest ein Teil der ersten sauerstoffreichen Flüssigkeit wird vom Boden der Hochdruckkolonne bei 38 abgeführt. Er besteht aus etwa 35 % bis etwa 40 % Sauerstoff, entsprechend in etwa demselben Anteil wie bei Verfahren nach dem Stand der Technik.
  • Die erste sauerstoffreiche Flüssigkeit wird vom Boden der Hochdruckkolonne 32 über eine Leitung 54 abgeführt, durch den Unterkühler 46 geschickt, wo die Temperatur durch einen vom oberen Teil der Niederdruckkolonne 34 über eine Leitung 48 austretenden Nutzstickstoffstrom und durch einen Abfallstrom weiter vermindert, der durch die Leitung 52 von dem Überkopfkondensator/Verdampfer 70 der Niederdrucksäule 34 ausgeleitet wird.
  • Die abgekühlte erste sauerstoffreiche Flüssigkeit von dem Unterkühler 46 wird dann in die Niederdrucksäule 34 oberhalb des Kolonnenbodens nach einer Entspannung durch ein Ventil 76 eingeleitet.
  • Der zweite Teilstrom zugeführter Luft, der in den Kondensator/Wiedererhitzer 58 in der Basis der Niederdruckkolonne 34 eintritt, wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einer sauerstoffreichen Flüssigkeit am Boden der Niederdrucksäule 34 kondensiert. Dadurch wird der zweite Teilstrom zugeführter Luft kondensiert und die sauerstoffreiche Flüssigkeit verdampft.
  • Der kondensierte zweite Teilstrom zugeführter Luft verläßt den Kondensator/Wiedererhitzer 58 der Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 82, über die er in den Unterkühler 46 eintritt. Die verflüssigte Luft tritt am Unterkühler 46 über eine Leitung 84 aus und entspannt sich über ein Ventil 44 in den Kondensator/Wiedererhitzer 40 der Hochdrucksäule 32. Falls erforderlich kann ein Teil des kondensierten zweiten Teilstroms zugeführter Luft in die Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 90 nach einer Entspannung über das Ventil 92 eingeleitet werden, um die Luftbalance zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen zu steueren.
  • Der erste stickstoffreiche Dampfteilstrom steigt zum Kopf der Hochdrucksäule 32 auf, wo er in den Kondensator/Wiedererhitzer 40 eintritt. Dort wird der Stickstoffstrom in einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit dem kondensierten zweiten Teilstrom zugeführter Luft gebracht, der über das Ventil 44 von dem Kondensator/Wiedererhitzer 58 der Niederdrucksäule 34 eintritt. Dadurch wird die verflüssigte Luft verdampft und der Stickstoffdampf kondensiert. Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wird ein Teil des kondensierten Stickstoffstroms zugunsten des erforderlichen Rückflußes in die Hochdrucksäule 32 zurückgeleitet.
  • Jeglicher, durch den indirekten Wärmeaustausch mit dem kondensierten zweiten Teilstrom zugeführter Luft nicht kondensierter Stickstoffstrom kann durch Entnahme vom oberen Teil der Hochdruckkolonne 32, beispielsweise über eine Leitung 67, wie in Figur 3 gezeigt, als Hochdruckstickstoff wiedergewonnen werden.
  • Ein Teil des kondensierten Stickstoffs kann für einen zusätzlichen Rückfluß zu der Niederdruckkolonne 34 geleitet werden, wenn der Hochdruckstickstoffluß gering ist oder nicht benötigt wird. Dieser Teil des kondensierten Stickstoffs wird von dem oberen Teil der Hochdruckkolonne 32, wie in den Figuren 1 und 3 gezeigt, über eine Leitung 68 abgeleitet. Der kondensierte Stickstoff wird daraufhin durch den Unterkühler 66 geleitet, wo er in einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit einem abgeleiteten Stickstoffnutz- und Abfallstrom gebracht wird. Von dem Unterkühler 66 aus wird der kondensierte Stickstoff durch eine Verlängerung der Leitung 68 geleitet und in die Niederdrucksäule 34 nach einer Entspannung über ein Ventil 78 eingeleitet.
  • Gleichzeitig wird die über die Leitung 56 von dem Kondensator/Wiedererhitzer 40 am Kopf der Hochdrucksäule 32 ausgeleitete verdampfte Luft durch Einleitung in die Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 64 bei in etwa demselben Pegel zerlegt, wie für die Einleitung der ersten sauerstoffreichen Flüssigkeit, die über die Leitung 54 eintritt.
  • Die von der Basis der Säule 32 abgeführte erste sauerstoffreiche Flüssigkeit und die von dem Kondensator/Wiedererhitzer 40 am Kopf der Hochdrucksäule 32 über die Leitung 56 abgeführte verdampfte Luft werden weiterhin in der Säule 34 in einen zweiten stickstoffreichen Dampfteilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom zerlegt.
  • Der zweite stickstoffreiche Dampfteilstrom steigt zum Kopf der Niederdrucksäule 34 auf, während der zweite sauerstoffreiche Teilstrom zum Boden der Niederdrucksäule 34 abfällt.
  • Ein Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsteilstroms am Boden der Niederdruckkolonne 34 wird über eine Leitung 74 abgeführt und durch einen ersten Unterkühler 46 geleitet. Dort wird die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit einem über eine Leitung 48 vom oberen Teil der Niederdrucksäule 34 abgeführten Stickstoffgas und mit dem Abfallstrom weiter abgekühlt, der über eine Leitung 52 von dem Überkopfkondensator 70 der Niederdrucksäule 34 austritt.
  • Die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Stickstoffgas, das von dem Kopf der Hochdrucksäule 32 über eine Leitung 68 abgeführt wird, und mit dem Abfallsauerstoffstrom, der von dem Überkopfkondensator 70 durch die Leitung 52 austritt, zur weiteren Abkühlung an einen zweiten Unterkühler 66 geleitet.
  • Die resultierende abgekühlte zweite sauerstoffreiche Flüssigkeit wird durch eine Verlängerung der Leitung 74 geleitet, wo die Flüssigkeit in den Überkopfkondensator 70 im Kopf der Niederdrucksäule 34 nach einer Entspannung durch ein Ventil 72 eingeleitet wird, um den zweiten sauerstoffangereicherten Strom weiter abzukühlen.
  • Ein Hauptteil des zweiten stickstoffreichen Stroms wird als Stickstoffnutzstrom von dem oberen Teil der Niederdrucksäule 34 über die Leitung 48 wiedergewonnen. Der gasförmige Stickstoffstrom wird, bevor er das System verläßt, zur Aufwärmung durch die Unterkühler 66 und 46 geleitet.
  • Der verbleibende Teil des zweiten stickstoffreichen Stroms in der Niederdrucksäule 34 wird durch Wärmeaustausch mit der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit in dem Überkopfverdampfer/Kondensator 70 der Niederdrucksäule 34 kondensiert, wodurch die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit verdampft wird. Die Kondensation des Stickstoffs ergibt einen Rückfluß für die Niederdrucksäule 34. Die verdampfende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit verläßt den Überkopfverdampfer/Kondensator 70 über die Leitung 52 und wird daraufhin beim Durchströmen der Unterkühler 66 und 46 sowie des Wärmetauschers 30 erwärmt.
  • Nach dem Erwärmen in dem Wärmetauscher 30 wird der Abfallsauerstoffstrom durch einen Turboentspanner 78 geleitet, wo der Strom zur Kühlung der Anlage entspannt werden kann.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren benutzt ersichtlich Luft als ein Aufwärm- und Abkühlmedium zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen. Der stickstoffreiche Strom ist bei Verfahren nach dem Stand der Technik herkömmlicherweise dazu verwendet worden, Warme zum Boden der Niederdrucksäule zu transportieren. Es ist zu berücksichtigen, daß für eine vorgegebene Stickstoffrückgewinnung, also für dieselbe Zusammensetzung eines sauerstoffreichen Stroms, mehr Energie erforderlich ist, um den stickstoffreichen Strom zu kondensieren, als um Luft zu kondensieren. Das bedeutet, daß für eine vorgegebene Stickstoffrückgewinnung die Verwendung von Luft als Wärmetransportmedium die Hochdruckkolonne bei einem geringeren Druck betrieben werden kann, als dies für die herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik der Fall ist. Für denselben Druck in der Hochdruckkolonne kann in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Niederdruckkolonne bei einem höheren Druck betrieben werden.
  • Tabelle 1 zeigt die zu erwartende Nutzleistung des in Figur 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens für die Erzeugung von Stickstoff als Nutzstrom. Tabelle 1 Gesamtstrom der zugeführten Luft Druck der zugeführten Luft Stickstoffnutzstrom Stickstoffdruck Stickstoffreinheit (sauerstoffreicher) Abfallstrom Abfalldruck komprimierte Luft Kolonne 32 sauerstoffreiche Flüssigkeit kondensierter zweiter Teilstrom zugeführter Luft Leitung Kopf Boden kondensierter zweiter Teilstrom zugeführter Luft verdampfter zweiter Teilstrom zugeführter Luft vom Kondensator/Wiedererhitzer 40 Kolonne 32 zur Abgabe von Stickstoff Unterkühler 66 zur Abgabe kondensierten Stickstoffs Kolonne 34 sauerstoffreiche Flüssigkeit von der Kolonne 34 vom Kühler 66 abgegebene sauerstoffreiche Flüssigkeit sauerstoffreiche Flüssigkeit nach der Entspannung Nutzstickstoffabgabesäule 34 Sauerstoffabfallstrom vom Kondensator 70 Leitung Ventil
  • Folgt man der in Figur 3 oder 4 gezeigten Ausführungsform, so erzeugt ein mit unter einem Druck von 21 bar absolut zugeführter Luftstrom einen Druck von etwa 20 bar absolut innerhalb der Hochdrucksäule 32 und einen Druck von etwa 14 bar absolut innerhalb der Niederdrucksäule 34.

Claims (17)

1. Tieftemperaturverfahren zur Erzeugung von Stickstoff aus Luft, mit folgenden Schritten:
A) Aufteilen von gekühlter, komprimierter zugeführter Luft, die im wesentlichen frei von Feuchtigkeit und Verunreinigungen ist, in einen ersten und einen zweiten Teilstrom Zugeführter Luft;
B) Einleiten des ersten Teilstroms zugeführter Luft in eine Hochdruckkolonne (32), die mit einem Kopfkondensator (40) ausgestattet ist;
C) Trennen des ersten Teilstroms zugeführter Luft in der Hochdruckkolonne (32) mittels Tieftemperaturdestillation in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom;
D) Abführen zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Hochdruckkolonne (32);
E) Einleiten zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms in eine Niederdruckkolonne (34), die mit einem Bodenkondensator/Wiedererhitzer (58) und einem Überkopfkühler/Kondensator (70) für die Tieftemperaturzerlegung in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;
F) Einleiten des zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kondensator/Wiedererhitzer in der Niederdruckkolonne (34);
G) Kondensieren des zweiten Teilstroms zugeführter Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten sauerstoffreichen Teilstrom in der Niederdruckkolonne (34), wobei zumindest ein Teil des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms verdampft wird;
H) Einleiten zumindest eines Teils des kondensierten zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kopfkondensator (40) der Hochdruckkolonne (32);
I) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten kondensierten Teilstroms zugeführter Luft in dem Kopfkondensator (40) der Hochdruckkolonne (32) durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms in der Hochdruckkolonne (32), um zumindest einen Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms zu kondensieren;
J) Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Teilstroms zugeführter Luft, der durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten sauerstoffreichen Teilstrom in dem Kopfkondensator (40) der Hochdruckkolonne (32) verdampft wurde, in die Niederdruckkolonne (34) zur Tieftemperaturzerlegung, zusammen mit zumindest einem Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms, in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom;
K) Abführen zumindest eines Teils des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne (34) als Nutzstrom;
L) Abführen zumindest eines Teils des kondensierten zweiten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne (34);
M) Einleiten zumindest eines Teils des abgezogenen zweiten Sauerstoffreichen Teilstroms in den Überkopfkühler (70) der Niederdruckkolonne (34);
N) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in dem Überkopfkühler (70) durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des aufsteigenden zweiten stickstoffreichen Teilstroms in der Niederdruckkolonne (34), wobei der zweite stickstoffreiche Teilstrom kondensiert wird und einen Rückstrom für die Niederdruckkolonne (34) bildet; und
O) Abführen zumindest eines Teils des verdampften zweiten Sauerstoffreichen Teilstroms aus dem Überkopfkühler (70) als Abfall.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren folgenden Schritt umfaßt:
Abführen zumindest eines Teils des kondensierten ersten stickstoffreichen Teilstroms aus der Hochdruckkolonne (32) als Hochdruckstickstoffnutzstrom.
3. Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren die Schritte umfaßt:
Abführen zumindest eines Teils des kondensierten ersten stickstoffreichen Teilstroms aus der Hochdruckkolonne (32) und
Einleiten zumindest eines Teils des abgezogenen ersten stickstoffreichen Teilstroms in die Niederdruckkolonne (34).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des weiteren folgende Schritte umfaßt:
Weitere Aufteilung der komprimierten zugeführten Luft in einen dritten Teilstrom zugeführter Luft;
Entspannen zumindest eines Teils des dritten Teilstroms zugeführter Luft für Kühlzwecke; und
Einleiten zumindest eines Teils des entspannten Teilstroins zugeführter Luft in die Niederdruckkolonne (34).
5. Verfahren nach Anspruch 2, das des weiteren den folgenden Schritt umfaßt:
Entspannen zumindest eines Teils des aus dem Überkopfkühler (70) abgeführten Abfallsauerstoffs zum Kühlen der Anlage.
6. Verfahren nach Anspruch 2, das des weiteren folgenden Schritt umfaßt:
Entspannen zumindest eines Teils des Hochdrucknutzstickstoffstroins vor dem Auslaß des Niederdrucknutzstickstoffstroms.
7. Verfahren nach einein der Ansprüche 1 bis 6, das des weiteren folgende Schritte umfaßt:
Kühlen der zugeführten Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit Abfall- und Nutzströmen und
Komprimieren der zugeführten Luft, um in der Hochdruckkolonne (32) einen Druck zwischen ca. 2 bar und ca. 20 bar zu erzeugen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem
der erste Teilstrom zugeführter Luft in Schritt B) in die untere Hälfte der Hochdruckkolonne (32) eingeleitet wird und
der erste sauerstoffreiche Teilstrom in Schritt D) von der Basis der Hochdruckkolonne (32) abgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem
der erste sauerstoffreiche Teilstrom von Schritt E) in die untere Hälfte der Niederdruckkolonne (34) eingeleitet wird und
der zweite sauerstoffreiche Teilstrom von Schritt N) von der Basis der Niederdruckkolonne (34) abgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des weiteren folgende Schritte umfaßt:
Der im Schritt O) erhaltene Abfallsauerstoff durchläuft einen Turbo-Entspanner (78), um gekühlt zu werden, und
der Abfallsauerstoff aus dem Turboentspanner (78) wird durch indirekten Wärmeaustausch mit der zugeführten Luft, die dadurch gekühlt wird, erwärmt.
11. Anlage zum Erzeugen von Stickstoff aus gekühlter kondensierter zugeführter Luft, mit:
- einer Hochdruckdestillationskolonne (32), die mit einem Kopfkondensator (40) zur Tieftemperaturzerlegung durch Fraktionierung von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;
- einer Niederdruckdestillationskolonne (34) mit einem Überkopfkühler (70) und einem Bodenwiedererhitzer (58), um gekühlte komprimierte zugeführte Luft und zumindest einen Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms durch Fraktionierung zu zerlegen, um zweite stickstoffreiche und sauerstoffreiche Teilströme zu erhalten;
- einer Leitung für die Zufuhr von gekühlter komprimierter zugeführter Luft zu dem Wiedererhitzer (58);
- einer Leitung (54) für den Transport des Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms von der Hochdruckkolonne (32) zu der Niederdruckkolonne (34) für die darin stattfindende Tieftemperaturzerlegung;
- einer Leitung (82, 84) für den Transport von kondensierter zugeführter Luft von dem Wiedererhitzer (58) zu dem Überkopfkühler (40);
- einer Leitung (64) für den Transport von verdampfter Luft von dem Überkopfkühler (40) zu der Niederdruckkolonne (34);
- einer Leitung (52) zum Abführen des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms als Abfall nach der Verdampfung des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in dem Überkopfkühler (70) und einer Leitung (48) zum Abführen des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne (34) als Nutzstrom, und
- einer Leitung (22, 62) zum direkten Einleiten von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in die Hochdruckkolonne (32).
12. Anlage nach Anspruch 11, mit einer Einrichtung (46) in der Leitung (82, 84), die eine vollständige Kondensation der zugeführten Luft sicherstellt, und mit einer Leitung (90), um einen Teil der kondensierten zugeführten Luft in die Niederdruckkolonne (34) einzuleiten.
13. Anlage nach Anspruch 11 oder 12, mit einer Leitung (68) zum Abführen des ersten stickstoffreichen Nutzstroms aus der Hochdruckkolonne (32) und zu dessen Einleiten in die Niederdruckkolonne (34), um einen Rückstrom zu erzeugen.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit:
einer Kompressionseinrichtung zum Komprimieren von zugeführter Luft;
einer Reinigungseinrichtung zum Entfernen von Kohlendioxyd, Wasserdampf und anderen Verunreinigungen aus der Luft, die von der Kompressionseinrichtung komprimiert wurde;
einem Wärmetauscher (30) zum Abkühlen der komprimierten Luft aus der Reinigungseinrichtung auf eine tiefe Temperatur;
einer mit dem Überkopfkühler (70) verbundenen Leitung zum Einleiten und Abführen von Flüssigkeiten und Gasen;
einer mit dem Wärmetauscher (30) sowie der Hoch- und Niederdruckkolonne (32, 34) verbundenen Leitung (22, 60, 62) zum Einleiten von gekühlter komprimierter zugeführter Luft; und
einem Ventil in mindestens einer der Leitungen, um Gase und Flüssigkeiten zu messen und sie darin zu entspannen.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die des weiteren einen Entspanner (78) aufweist, und zumindest einen Teil des Nutzstickstoffstroms entspannt, um ihn zu kühlen.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 15, die des weiteren einen Entspanner (78) zum Entspannen von Abfallsauerstoff aufweist.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 16, die des weiteren einen Entspanner zum Entspannen von gekühlter komprimierter Luft vor dem Einleiten in die Niederdruckkolonne (34) aufweist, um die Luft zu kühlen.
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