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DE3905521A1 - Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch rektifikation - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch rektifikation

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Publication number
DE3905521A1
DE3905521A1 DE19893905521 DE3905521A DE3905521A1 DE 3905521 A1 DE3905521 A1 DE 3905521A1 DE 19893905521 DE19893905521 DE 19893905521 DE 3905521 A DE3905521 A DE 3905521A DE 3905521 A1 DE3905521 A1 DE 3905521A1
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DE
Germany
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medium pressure
rectification
oxygen
pressure stage
argon
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Withdrawn
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DE19893905521
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English (en)
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Dietrich Dipl Ing Rottmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to EP90102355A priority patent/EP0384213B1/de
Priority to DE9090102355T priority patent/DE59000514D1/de
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Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur Luftzer­ legung durch Rektifikation, bei dem Luft verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt und in der Druckstufe einer zweistufigen Rektifikation in eine stickstoffreiche Fraktion und in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit vorzerlegt wird und die beiden Fraktionen mindestens teilweise der Mitteldruckstufe der Rektifikation zuge­ führt und in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt werden und bei dem der Mitteldruckstufe ein argonhaltiger Sauerstoffstrom entnommen und einer Rohargonrektifika­ tion zugeleitet wird, und ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren, bei dem im Anschluß an eine Luftzerlegung Rohargon gewonnen wird, ist aus der DE-OS 34 36 897 bekannt.
Wie bei den bislang angewandten Verfahren üblich, wird bei dem vorveröffentlichten Verfahren die Rohargonrekti­ fikation unter demjenigen Druck durchgeführt, unter dem die argonhaltige Sauerstofffraktion aus der Mitteldruckstufe entnommen wird. Flüssiger Sauerstoff wird aus der Rohargonrektifi­ kation an ungefähr die gleiche Stelle der Mitteldruck­ stufe zurückgeführt.
Solch ein Verfahren ist günstig, falls die Mitteldruck­ stufe und damit auch die Rohargonrektifikation im wesentlichen unter Atmosphärendruck durchgeführt. In vielen Fällen werden jedoch Sauerstoff und/oder Stick­ stoff, die in der Mitteldruckstufe erzeugt werden, unter erhöhtem Druck benötigt, beispielsweise in Kohleverga­ sungsanlagen oder zur Einblasung von Stickstoff bei der Erdöl- oder Erdgasgewinnung. Dabei ist es für die Druckstickstoff- und -sauerstoffgewinnung wirtschaftlich vorteilhafter, die Mitteldruckstufe unter einem erhöhten Druck, etwa 2,0 bis 8,0 bar, zu betreiben, als drucklos gewonnene Produkte anschließend zu verdichten.
Da jedoch bei den bekannten Verfahren auch die Rohargon­ rektifikation unter dem erhöhten Druck betrieben werden muß, ergeben sich auch Nachteile, da unter dieser Voraussetzung nur eine relativ geringe Argonausbeute zu erreichen ist.
Die Aufgabe, welche der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Druckstick­ stoff- und Drucksauerstofferzeugung, als auch die Argongewinnung wirtschaftlich günstig durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohargon­ rektifikation unter einem Druck betrieben wird, der niedriger als der Druck der Mitteldruckstufe ist.
Damit sind die Druckverhältnisse bei der Rohargonrekti­ fikation nicht mehr an diejenigen der Mitteldruckstufe gebunden, so daß ein für die Argonausbeute optimaler Wert von 1,1 bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,3 bis 1,5 bar eingehalten werden kann. Trotzdem kann die Mitteldruck­ stufe weiterhin Sauerstoff und Stickstoff unter erhöhtem Druck abgeben.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erweist es sich als vorteilhaft, wenn der argonhaltige Sauerstoffstrom vor der Einleitung in die Rohargonrektifikation arbeits­ leistend entspannt wird. Die bei der Entspannung zurück­ gewonnene Energie kann zur Verdichtung anderer Prozeß­ ströme eingesetzt werden. Außerdem wird bei der arbeits­ leistenden Entspannung besonders viel Kälte erzeugt, die bei der Luftzerlegung benötigt wird. Auf diese Weise kann mindestens teilweise auf die Zufuhr von extern erzeugter Kälte verzichtet werden.
Dabei ist es günstig, den argonhaltigen Sauerstoffstrom vor der arbeitsleistenden Entspannung zu erwärmen. Dies kann im Wärmeaustausch mit anderen Verfahrensströmen, vorzugsweise mit zu zerlegender Luft erfolgen.
Die im allgemeinen flüssig anfallende Restfraktion der Rohargonrektifikation besteht im wesentlichen aus Sauer­ stoff. Da es unwirtschaftlich wäre, diese Fraktion zu verwerfen, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfin­ dung vorgeschlagen, die flüssige Fraktion aus der Rohargonrektifikation zur Mitteldruckstufe zurückzulei­ ten und vor der Einführung in die Mitteldruckstufe auf den Druck der Mitteldruckstufe zu pumpen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine gasförmige Fraktion vom Kopf der Rohargonrektifikation in indirek­ tem Wärmetausch mit verdampfender sauerstoffreicher Flüssigkeit aus der Druckstufe kondensiert wird. Auf diese Weise kann im Verfahren vorhandene Kälte zur Bildung von Rücklauf für die Rohargonrektifikation ausgenützt und auf den Einsatz externer Kälte in diesem Bereich verzichtet werden.
Die dabei entstehende verdampfte sauerstoffreiche Fraktion wird günstigerweise zur Mitteldruckstufe zurückgeführt.
Die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion muß vor der Einführung in der Mitteldruckstufe verdichtet werden. Zu diesem Zweck wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die bei der arbeitsleisten­ den Entspannung des argonhaltigen Sauerstoffstroms gewonnene Arbeit wenigstens teilweise zur Verdichtung der verdampften sauerstoffreichen Fraktion eingesetzt.
Hierzu ist es vorteilhaft, die verdampfte sauerstoff­ reiche Fraktion nach der Verdichtung abzukühlen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Patentansprüchen 10 bis 12.
Anhand der Zeichnung, in welcher eine Auführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt ist, werden die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung näher erläutert.
Über Leitung 1 wird verdichtete und vorgereinigte Luft herangeführt, in einem Wärmetauscher 36 in indirektem Wärmeaustausch mit Produktströmen abgekühlt und in die Druckstufe 3 einer zweistufigen Rektifiziersäule 2 eingespeist. Die Druckstufe 3 (Betriebsdruck: 6 bis 20 bar, vorzugsweise 8 bis 17 bar) steht mit der Mitteldruckstufe 4 (Betriebsdruck: 1,5 bis 10 bar, vorzugsweise 2,0 bis 8,0 bar) über einen gemeinsamen Kondensator/Verdampfer 13 in wärmetauschender Verbin­ dung. Die eingeführte Luft wird in der Druckstufe in Stickstoff und in eine sauerstoffangereicherte Fraktion vorzerlegt. Die sauerstoffangereicherte Fraktion wird über Leitung 6 in flüssigem Zustand abgeführt, in Wärmetauscher 32 unterkühlt und zu einem Teil über Leitung 10 in die Mitteldruckstufe 4 eingedrosselt. Stickstoff vom Kopf der Druckstufe 3 wird über Leitung 5 ebenfalls flüssig abgezogen, in Wärmetauscher 32 unter­ kühlt und zum einen Teil über Leitung 8 als flüssiges Produkt abgeführt. Der andere Teil des Stickstoffs aus der Druckstufe 3 wird über Leitung 9 als Rücklauf auf die Mitteldruckstufe 4 aufgegeben.
Als Produkte der Mitteldruckstufe werden gasförmiger Sauerstoff (Leitung 14), gasförmiger Reinstickstoff (Leitung 15) und unreiner Stickstoff (Leitung 16) entnommen und im Wärmetauscher 36, die Stickstoffströme zusätzlich im Wärmetauscher 32, angewärmt.
Sollte die Kälteleistung der Turbine 18 nicht für den Prozeß ausreichen, so ist es zweckmäßig, wegen des relativ hohen Druckes in der Mitteldruckstufe 4 den unreinen Stickstoff in Leitung 16 zur Erzeugung von fehlender Verfahrenskälte zu verwenden. Dazu sind die in der Zeichnung gestrichelt gezeichneten Verfahrens­ schritte geeignet.
Über die bisher genannten Ströme hinaus wird der Mittel­ druckstufe 4 außerdem ein argonhaltiger Sauerstoffstrom über Leitung 17 entnommen, im Wärmetauscher 36 angewärmt und in eine Rohargonrektifikation 20 eingeleitet, die unter einem Druck von 1,1 bar bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,3 bis 1,5 bar betrieben wird. Die im Sumpf der Roh­ argonrektifikation 20 anfallende Restfraktion wird über Leitung 22 abgeführt und erfindungsgemäß durch Pumpe 23 auf den für die Zurückspeisung in die Mitteldruckstufe 4 erforderlichen Druck gebracht. Außerdem wird der argon­ reiche Sauerstoffstrom 17 vor der Einleitung in die Rohargonrektifikation 20 in einer Entspannungsturbine 18 arbeitsleistend entspannt, um ihn einerseits auf den in der Rohargonrektifikation 20 herrschenden niedrigeren Druck zu bringen und andererseits Verfahrenskälte zu erzeugen.
Das am Kopf der Rohargonrektifikation 20 anfallende gasförmige Rohargon wird über Leitung 33 in einen Kondensator 35 eingeführt, teilweise verflüssigt und zum einen Teil über Leitung 34 als Rücklauf in die Rohargon­ rektifikation 20 zurückgeführt, zum anderen Teil über Leitung 21 als Zwischenprodukt abgeführt und im Wärme­ tauscher 36 angewärmt.
Der Kondensator 35 wird durch einen Teil der sauerstoff­ reichen Fraktion 6 aus der Druckstufe gekühlt, der über Leitung 11 herangeführt, in einem Wärmetauscher 24 unterkühlt und über Leitung 25 zum Kondensator 35 geleitet wird. Der beim indirekten Wärmeaustausch mit dem Kopfgas der Rohargonrektifikation 20 verdampfte Anteil wird über Leitung 26 abgeführt und in den Wärme­ tauschern 24 und 36 erwärmt.
Da es wirtschaftlich ungünstig wäre, den in diesem Strom enthaltenen Sauerstoff zu verwerfen, wird er im Verfah­ ren des Ausführungsbeispiels zur Mitteldruckstufe 4 zurückgeführt. Um den dafür notwendigen Druck zu errei­ chen, wird der sauerstoffreiche Strom in zwei Verdich­ terstufen 27 und 29 komprimiert und jeweils anschließend abgekühlt (Wasserkühler 28 und 30). Anschließend wird der sauerstoffreiche Strom über Leitung 31 durch den Wärmetauscher 36 geführt, dort wieder abgekühlt und anschließend in die Mitteldruckstufe 4 eingespeist. Dabei ist es günstig, die bei der Entspannung der argonreichen Sauerstofffraktion 17 gewonnene Arbeit zum Antrieb des Verdichtes 29 zu verwenden.
Vor der Einspeisung in die Druckstufe 3 kann ein Teil der Luft in Leitung 1 in Wärmetausch mit Sauerstoff aus dem Sumpf der Mitteldruckstufe 4 kondensiert werden. Die Flüssigkeit aus dem Sumpf der Mitteldruckstufe kann dazu mittels einer Pumpe auf hohen Druck gebracht werden und verdampft bei dem Wärmeaustausch. Die teilweise kondensierte Luft wird dann oberhalb der in der Zeichnung gezeigten ersten Einspeisestelle (Leitung 1) in die Druckstufe 3 eingeführt. Dieser Verfahrensteil ist in der Zeichnung nicht dargestellt, kann aber bei den angegebe­ nen Rektifizierdrücken wirtschaftlich günstig sein.
Für eine wirtschaftliche Argonausbeute ist es notwendig, den Produktsauerstoff (Leitung 14) mit einer Reinheit von mindestens 99,5% herzustellen, um in dem argon­ reichen Sauerstoffstrom (Leitung 17) genügend Argon anzureichern. Bei 5 bar Druck in der Mitteldruckstufe 4 ist dazu bei einem konventionellen Verfahren ein Luftfaktor von 5,86 notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert sich der Luftfaktor auf 5,45. Damit wird eine Energieeinsparung von 7,0% erzielt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation, bei dem Luft (1) verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt (36) und in der Druckstufe (3) einer zweistufigen Rektifikation (2) in eine stickstoffreiche Fraktion (5) und in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit (6) vorzerlegt wird und die beiden Fraktionen (5, 6) mindestens teilweise der Mitteldruckstufe (4) der Rektifikation (2) zugeführt und in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt werden und bei dem der Mittel­ druckstufe ein argonhaltiger Sauerstoffstrom (17) entnommen und einer Rohargonrektifikation (20) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohargonrektifikation (20) unter einem Druck betrie­ ben wird, der niedriger als der Druck der Mittel­ druckstufe ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der argonhaltige Sauerstoffstrom (17) vor der Einleitung in die Rohargonrektifikation (20) arbeitsleistend entspannt wird (18).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der argonhaltige Sauerstoffstrom (17) vor der arbeitsleistenden Entspannung (18) erwärmt wird.
4 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssige Fraktion (22) aus der Rohargonrektifikation (20) zur Mitteldruckstufe (4) zurückgeleitet und vor der Einführung in die Mitteldruckstufe (4) auf den Druck der Mitteldruck­ stufe (4) gepumpt wird (23).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasförmige Fraktion (33) vom Kopf der Rohargonrektifikation (20) in indirek­ tem Wärmetausch (35) mit verdampfender sauerstoff­ reicher Flüssigkeit (25) aus der Druckstufe (3) kondensiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion (26) zur Mitteldruckstufe (4) zurückgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion (26) vor der Einführung in der Mitteldruckstufe (4) verdichtet (27, 29) wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bei der arbeitsleistenden Entspan­ nung (18) des argonhaltigen Sauerstoffstroms (17) gewonnene Arbeit wenigstens teilweise zur Verdich­ tung (29) der verdämpften sauerstoffreichen Fraktion (26) eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion (31) nach der Verdichtung (27, 29) abge­ kühlt (36) wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Doppelrektifi­ ziersäule (2) bestehend aus Drucksäule (3) und Mitteldrucksäule (4) und mit einer Rohargonrektifi­ ziersäule (20) und einer ersten (17, 19) und einer zweiten (22) Verbindungsleitung zwischen Mittel­ drucksäule (4) und Rohargonrektifiziersäule (20), dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Verbin­ dungsleitung (17, 19) eine Entspannungseinrichtung (18) eingebaut ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet, daß in der zweiten Verbindungsleitung (22) eine Pumpe (23) eingebaut ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (35), der über eine erste Gasleitung (33) und über eine erste Flüssigkeits­ leitung (34) mit der Rohargonrektifiziersäule (20) und über eine zweite Flüssigkeitsleitung (25) mit der Drucksäule (3) verbunden ist, durch eine zweite Gasleitung (26, 31), welche den Wärmetauscher mit der Mitteldrucksäule (4) verbindet, und durch einen Verdichter (27, 29) in der zweiten Gasleitung (26, 31).
13. Vorrichtung nach Ansprüche 12, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Expansionsturbine als Entspannungs­ einrichtung (18) verwendet wird und diese mechanisch an den Verdichter (29) in der zweiten Gasleitung gekoppelt ist.
DE19893905521 1989-02-23 1989-02-23 Verfahren und vorrichtung zur luftzerlegung durch rektifikation Withdrawn DE3905521A1 (de)

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