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DE69200928T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stickstoff unter erhöhtem Druck. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stickstoff unter erhöhtem Druck.

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DE69200928T2
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Germany
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nitrogen
column
enriched
liquid
oxygen
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Dante Patrick Bonaquist
Harry Cheung
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Praxair Technology Inc
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Publication date
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Description

    Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft allgemein die Tieftemperatur-Zerlegung von Luft zur Herstellung von Stickstoff und genauer betrifft sie die Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff.
    • Stand der Technik
  • Hochreiner Stickstoff bei Überatmosphärendruck wird bei zahlreichen Anwendungen benutzt, wie z.B. als Schutzgas, als Rührgas, zum Transportieren und Inertieren bei vielen Industriebereichen wie z.B. der Glasherstellung, Aluminiumherstellung und in der Elektronikindustrie. Außerdem werden große Mengen von Stickstoff bei Vorgängen der Tertiäröl- oder -gasförderung nach der Booster-Verdichtung auf hohe Drücke eingesetzt.
  • Ein bedeutendes Verfahren zur Herstellung von Stickstoff bei erhöhtem Druck ist die Tieftemperatur-Rektifikation oder Zerlegung von Luft unter Verwendung einer einzelnen Säule. Ein Nachteil bei solch einem System liegt darin, daß es unter erhöhtem Druck stehenden Stickstoff nur bei relativ niedrigen Ausbeuteraten effizient herstellen kann. Im allgemeinen können Einzelsäulensysteme nur etwa 42 % der Einsatzluft effizient als unter erhöhtem Druck stehenden Stickstoff herstellen.
  • Die Gewinnung von Stickstoff mittels Tieftemperatur-Luftzerlegung kann durch den Einsatz eines Doppelsäulen-Tieftemperaturrektifikationssystems gesteigert werden, bei dem eine mit einem höheren Druck arbeitende Säule in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einer mit einem niedrigeren Druck arbeitenden Säule steht. Ob schon solch ein System die Stickstoffausbeute verbessert, wird eine erhebliche Menge des Stickstoffs bei einem niedrigeren Druck gewonnen. Falls unter erhöhtem Druck stehender Stickstoff benötigt wird, muß daher der unter einem niedrigerem Druck stehende Stickstoff auf den höheren Druck verdichtet werden, wodurch sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten des Stickstofferzeugungssystems ansteigen.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stickstoff mit hoher Ausbeute, bei dem:
  • (A) verdichtete Einsatzluft in eine Primärsäule eingebracht wird, die bei einem höheren Druck betrieben wird;
  • (B) die Einsatzluft in der Primärsäule in stickstoffreichere Komponente und mit Sauerstoff angereicherte Komponente zerlegt wird;
  • (C) die stickstoffreichere Komponente durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der mit Sauerstoff angereicherten Komponente kondensiert wird;
  • (D) sich aus dem Verfahrensschritt (C) ergebende mit Sauerstoff angereicherte Komponente in eine Hilfssäule eingeleitet wird, die bei einem Druck betrieben wird, der kleiner als der der Primärsäule ist;
  • (E) mit Sauerstoff angereicherte Komponente in mit Stickstoff angereicherten Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit zerlegt wird;
  • (F) mit Stickstoff angereicherter Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit sauerstoffreicherer Flüssigkeit kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zu erzeugen; und
  • (G) stickstoffreichere Komponente von der Primärsäule als unter erhöhtem Druck stehender Produktstickstoff gewonnen wird
  • sind aus WO 89/04942 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die im Verfahrensschritt (F) erzeugte mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit als Überkopfrücklauf für die Hilfssäule benutzt.
  • Ferner sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von unter Druck stehendem Stickstoff, bei denen:
  • (A) verdichtete Einsatzluft in eine Primärsäule eingebracht wird, die bei einem Druck im Bereich von 8 bis 10 bar betrieben wird;
  • (B) die Einsatzluft in der Primärsäule in stickstoffreichere Komponente und mit Sauerstoff angereicherte Komponente zerlegt wird;
  • (C) mit Sauerstoff angereicherte Komponente in eine Hilfssäule eingeleitet wird, die bei einem Druck im Bereich von 4 bis 5 bar betrieben wird;
  • (D) mit Sauerstoff angereicherte Komponente in mit Stickstoff angereicherten Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit zerlegt wird;
  • (E) mit Stickstoff angereicherter Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit sauerstoffreicherer Flüssigkeit kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zu erzeugen;
  • (F) der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit auf im wesentlichen den Betriebsdruck der Primärsäule erhöht wird;
  • (G) aufgedrückte mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in die Primärsäule zur weiteren Herstellung von stickstoffreicherer Komponente eingeleitet wird; und
  • (H) stickstoffreichere Komponente von der Primärsäule als unter erhöhtem Druck stehender Produktstickstoff gewonnen wird
  • aus FR-A-2 578 532 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die stickstoffreichere Komponente, die sich aus dem Verfahrensschritt der Zerlegung der Einsatzluft in der Primärsäule in stickstoffreichere Komponente und mit Sauerstoff angereicherte Komponente ergibt, durch indirekten Wärmeaustausch mit sauerstoffreicherer Flüssigkeit kondensiert, die in der Hilfssäule erzeugt wurde. Die in der Primärsäule erzielte mit Sauerstoff angereicherte Komponente wird von dem unteren Teil dieser Säule durch ein Expansionsventil in die Hilfssäule eingeleitet.
  • Es ist wünschenswert, über ein System zu verfügen, das unter erhöhtem Druck stehenden Stickstoff mit verbesserter Ausbeute herstellen kann.
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff durch Tieftemperatur-Rektifikation von Luft mit verbesserter Ausbeute zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff durch Tieftemperatur-Rektifikation von Luft mit verbesserter Ausbeute zu schaffen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und andere Aufgaben, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, wobei ein Aspekt derselben lautet: Ein Verfahren zur Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff mit verbesserter Ausbeute, bei dem:
  • (A) verdichtete Einsatzluft in eine Primärsäule eingebracht wird, die bei einem Druck im Bereich von 5,5 bis 10,3 bar (80 bis 150 pounds per square inch absolute) betrieben wird;
  • (B) die Einsatzluft in der Primärsäule in stickstoffreichere Komponente und mit Sauerstoff angereicherte Komponente zerlegt wird;
  • (C) die stickstoffreichere Komponente durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der mit Sauerstoff angereicherten Komponente kondensiert wird;
  • (D) ein Teil der sich aus dem Verfahrensschritt (C) ergebenden mit Sauerstoff angereicherten Komponente turboexpandiert und dieser turboexpandierte Teil in indirekten Wärmeaustausch mit verdichteter Einsatzluft gebracht wird, um Kälte in das System einzubringen;
  • (E) sich aus dem Verfahrensschritt (C) ergebende mit Sauerstoff angereicherte Komponente in eine Hilfssäule eingeleitet wird, die bei einem Druck betrieben wird, der kleiner als der der Primärsäule ist;
  • (F) mit Sauerstoff angereicherte Komponente in mit Stickstoff angereicherten Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit zerlegt wird;
  • (G) mit Stickstoff angereicherter Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit sauerstoffreicherer Flüssigkeit kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit zu erzeugen;
  • (H) der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit auf im wesentlichen den Betriebsdruck der Primärsäule erhöht wird;
  • (J) aufgedrückte mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in die Primärsäule zur weiteren Herstellung von stickstoffreicherer Komponente eingeleitet wird; und
  • (K) stickstoffreichere Komponente von der Primärsäule als unter erhöhtem Druck stehender Produktstickstoff gewonnen wird.
  • Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung lautet:
  • Eine Vorrichtung zur Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff mit verbesserter Ausbeute, mit:
  • (A) einer Primärsäule, die einen Kopfkondensator und eine Anordnung zum Einleiten von Einsatzfluid, von dem mindestens der größere Teil gasförmig ist, in die Primärsäule aufweist;
  • (B) einer Anordnung zum Überleiten von Fluid als Flüssigkeitsstrom von dem unteren Teil der Primärsäule in den Kopfkondensator;
  • (C) einer mit einem Kopfkondensator versehenen Hilfssäule;
  • (D) einer Anordnung zum Überleiten eines ersten Teils des Dampfs von dem Kopfkondensator der Primärsäule in einen Turboexpander und einer Anordnung zum Überleiten eines zweiten Teils des Dampfs von dem Kopfkondensator der Primärsäule in die Hilfssäule;
  • (E) einer Anordnung, die Dampf von dem Turboexpander in indirekten Wärmeaustausch mit gasförmigem Einsatzfluid bringt, um in das System Kälte einzubringen;
  • (F) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von dem Kopfkondensator der Primärsäule in die Hilfssäule;
  • (G) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von dem Kopfkondensator der Hilfssäule in die Primärsäule, wobei diese Anordnung Mittel zum Erhöhen des Druckes dieser Flüssigkeit aufweist; und
  • (H) einer Anordnung zum Gewinnen von Produkt von der Primärsäule.
  • Der Begriff "Säule", wie hier benutzt, bezeichnet eine Destillations-, Rektifikations- oder Fraktioniersäule, d.h. eine Kontaktsäule oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Zerlegung eines Fluidgemisches zu bewirken, zum Beispiel durch das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen an einer Reihe von vertikal in Abstand angeordneten Böden oder Platten, die innerhalb der Säule angebracht sind, oder an Packungselementen oder an einer Kombination davon. Für eine weitere Beschreibung von Fraktioniersäulen wird verwiesen auf Chemical Engineers' Handbook, fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Distillation" B.D. Smith et. al., Seite 13-3 The Continuous Distillation Process.
  • Der Begriff "Kopfkondensator" wird hier so benutzt, daß er den Kondensator der entsprechenden Primär- oder Hilfssäule bezeichnet, in welchem Dampf von der Säule kondensiert wird, um mittels indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Flüssigkeit bei einem niedrigen Druck für Rücklauf zu sorgen.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
  • Der Begriff "Turboexpansion" wird hier so benutzt, daß er die Umwandlung der Druckenergie eines Gases in mechanische Arbeit durch Expansion des Gases durch eine Vorrichtung wie z.B. eine Turbine bezeichnet.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • FIG. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
  • FIG. 2 ist eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Das Verfähren und die Vorrichtung dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf FIG. 1 wird Einsatzluft 1 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 2 verdichtet, und die sich ergebende verdichtete Einsatzluft 3 wird mittels Durchleiten durch einen Vorreiniger 4 von hochsiedenden Verunreinigungen wie z.B. Wasserdampf und Kohlendioxid gereinigt. Typischerweise weist der Vorreiniger 4 Molekularsiebbetten auf. Verdichtete, gereinigte Einsatzluft 5 wird dann mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 6 durch indirekten Wärmeaustausch mit Rücklaufströmen gekühlt.
  • Gekühlte, gereinigte, verdichtete Einsatzluft 9 wird dann in eine Primärsäule 100 eingeleitet, die bei einem Druck im Bereich von 552 bis 1034 kPa (80 bis 150 pounds per square inch absolute (psia)), vorzugsweise im Bereich von 690 bis 896 kPa (100 bis 130 psia) betrieben wird. FIG. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Teil 10 der Einsatzluft mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 11 durch indirekten Wärmeaustausch mit Rücklaufströmen verflüssigt wird. Ein sich ergebender verflüssigter Teil 12 der Einsatzluft und ein gasförmiger Teil 13 der Einsatzluft werden in die Primärsäule 100 eingebracht. Falls benutzt, wird der verflüssigte Teil 12 der Einsatzluft bis zu etwa 10 % der eingeleiteten Einsatzluft 1 ausmachen.
  • Innerhalb der Primärsäule 100 wird die Einsatzluft durch Tieftemperatur-Rektifikation in stickstoffeichere Komponente und mit Sauerstoff angereicherte Komponente zerlegt. Die stickstoffreichere Komponente wird im allgemeinen eine Stickstoffkonzentration von mindestens etwa 99 % haben, und sie kann eine Stickstoffkonzentration von 99,9999 % oder mehr haben. Die mit Sauerstoff angereicherte Komponente wird im allgemeinen eine Sauerstoffkonzentration im Bereich von 30 bis 45 % haben.
  • Gasförmige stickstoffreichere Komponente 14 kann aus der Primärsäule 100 herausgeleitet werden. Ein Teil 15 der stickstoffreicheren Komponente wird mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 11 und 6 erwärmt und als unter erhöhtem Druck stehendes Produktstickstoffgas 16 gewonnen. Der Druck des Produktgases kann so hoch sein, wie der Betriebsdruck der Primärsäule abzüglich des Druckabfalls in der Gewinnungsschleife. Ein weiterer Teil 17 der stickstoffreicheren Komponente wird in den Kopfkondensator 101 der Primärsäule eingebracht. In den Kopfkondensator 101 wird außerdem mit Sauerstoff angereicherte Komponente eingebracht, die als ein flüssiger Strom 18 von oder nahe dem Sumpf der Primärsäule 100 entnommen wird. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsform wird der Strom 18 mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 11 gekühlt. Ein Teil 19 des gekühlten Stromes 18 wird in den Kopfkondensator 101 eingeleitet, während ein anderer Teil 20 direkt in eine Hilfssäule 200 eingebracht wird.
  • Innerhalb des Kopfkondensators 101 der Primärsäule wird die stickstoffreichere Komponente 17 durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Kopfkondensator 101 zugeführter mit Sauerstoff angereicherter Komponente kondensiert, so daß die mit Sauerstoff angereicherte Komponente mindestens teilweise verdampft wird. Bei der in FIG. 1 veranschaulichten Ausführungsförm wird die mit Sauerstoff angereicherte Komponente durch den Wärmeaustausch innerhalb des Kopfkondensators 101 vollständig verdampft, und ein Teil des sich ergebenden Dampfes wird als ein Strom 42 in die Hilfssäule 200 bei oder nahe dem Sumpf der Säule eingebracht. Sich ergebende, kondensierte, stickstoffreichere Komponente 28 wird als flüssiger Rücklauf für die Primärsäule 100 eingesetzt. Falls erwünscht kann ein Teil der stickstoffreicheren Komponente von dem Kopfkondensator 101 als flüssiger Produktstickstoff gewonnen werden.
  • Die Hilfssäule 200 arbeitet bei einer Druck, der niedriger ist als der Druck der Primärsäule 100. Im allgemeinen wird der Betriebsdruck der Hilfssäule 200 in Bereich von 276 bis 483 kPa (40 bis 70 psia) und vorzugsweise im Bereich von 310 bis 414 kPa (45 bis 60 psia) liegen. Innerhalb der Hilfssäule 200 wird der Einsatz oder werden die Einsätze durch Tieftemperatur-Rektifikation in mit Stickstoff angereicherten Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit zerlegt. Der Einsatz in die Hilfssäule 200 wird einen oder mehrere Ströme von mit Sauerstoff angereicherter Komponente beinhalten. Im allgemeinen wird der mit Stickstoff angereicherte Dampf eine Stickstoffkonzentration im Bereich von 90 bis 100 % haben, und die sauerstoffreichere Flüssigkeit wird eine Sauerstoftkonzentration im Bereich von 45 bis 65 % haben.
  • Der mit Stickstoff angereicherte Dampf 22 und die sauerstoffreichere Flüssigkeit 23 werden in den Kopfkondensator 201 der Hilfssäule eingebracht, in welchem der mit Stickstoff angereicherte Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfender sauerstoffreicherer Flüssigkeit kondensiert wird. Der sich ergebende sauerstoffreichere Dampf wird von dem Kopfkondensator 201 als ein Strom 24 durch die Wärmetauscher 11 und 6 und als ein Strom 25 aus dem System heraus geleitet. Die sich ergebende mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit wird in die Hilfssäule 200 als flüssiger Rücklauf geleitet 26.
  • Der Druck eines Teils 27 der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit wird auf im wesentlichen den Druck der Primärsäule 100 erhöht, und dann wird der Teil 27 in die Primärsäule 100 eingebracht. Der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit wird vorzugsweise dadurch gesteigert, daß die Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitspumpe geleitet wird, wie z.B. die in FIG. 1 veranschaulichte Flüssigkeitspumpe 60. Die unter Druck stehende mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit kann zweckmäßig durch Kombination mit dem flüssigen Rücklaufstrom 28 in die Pnmärsäule 100 eingeleitet werden. Die unter Druck, stehende mit Stickstoff angereicherte, in die Primärsäule 100 eingebrachte Flüssigkeit ermöglicht die Herstellung von weiterer stickstoffreicherer Komponente und nachfolgend von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoffprodukt.
  • Obschon es bevorzugt wird, muß der unter Druck stehende, rückgeführte flüssige Stickstoffstrom nicht mit dem Rücklaufstrom 28 kombiniert werden, sondern er kann in den oberen Abschnitt der Primärsäule 100 z.B. dann eingeführt werden, wenn dessen Reinheit etwas geringer ist, als die des Stromes 28. Der zu der Primärsäule rückgefübrte flüssige Stickstoffstrom sorgt für zusätzlichen flüssigen Stickstoffrücklauf, so daß ein großer gasförmiger Stickstoffstrom von dem Kopf der Primärsäule abgezogen werden kann, um einen gasförmigen Stickstoffproduktstrom bei einem einzigen erhöhten Druck von dem Säulensystem zu erzeugen.
  • FIG. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Teil der gekühlten, gereinigten, verdichteten Einsatzluft durch indirekten Wärmeaustausch mit Sumpfflüssigkeit von der Hilfssäule verflüssigt wird, bevor er in die Primärsäule eingeleitet wird. Die Bezugszeichen in FIG. 2 entsprechen für die gemeinsamen Elemente jenen von FIG. 1, und die Beschreibung dieser gemeinsamen Elemente wird nicht wiederholt.
  • Unter Bezugnahme auf FIG. 2 wird ein Teil 30 der gekühlten, gereinigten, verdichteten Einsatzluft in einen Sumpfaufkocher 202 eingebracht, in welchem er durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfender Sumpfflüssigkeit der Hilfssäule 200 kondensiert wird, um für Dampfaufkochen für die Hilfssäule 200 zu sorgen. Der Teil 30 kann falls eingesetzt 1 bis 30 % der eingebrachten Einsatzluft 1 ausmachen. Der verbleibende Teil 34 von Strom 13 wird direkt in die Säule 100 eingebracht. Sich ergebende verflüssigte Luft wird als ein Strom 31 in die Primärsäule 100 eingeleitet. Infolge des Luftaufkochens der Sumpfflüssigkeit der Hilfssäule 200 muß Dampf von dem Kopfkondensator 101 der Primärsäule nicht in den Sumpf der Hilfssäule 200 eingeleitet werden. Bei der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird der gesamte Teil des Stromes 18 in den Kopfkondensator 101 eingeleitet, in welchem mit Sauerstoff angereicherte flüssige Komponente gegen kondensierende stickstoffreichere Komponente teilweise verdampft wird. Ein Teil des sich ergebenden mit Sauerstoff angereicherten Dampfes und verbleibende mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit werden von dem Kopfkondensator 101 als Strom 42 bzw. 33 in die Hilfssäule 200 eingeleitet, und zwar beide an Stellen oberhalb des Aufkochers 202. Das Hinzufügen des Hilfssäulen-Aufkochers 202 steigert die Stickstoffausbeute gegenüber jener der in FIG. 1 veranschaulichten einfacheren Anordnung dadurch, daß der Sauerstoffgehalt des Stromes 23, welcher der abgehende Abfallstrom 24 wird, erhöht wird. Das Einleiten des gesamten Stromes 18 in den Kopfkondensator 101 ist ein Merkmal, das es dem Einsatzstrom 1 gestattet, den niedrigsten Druck des Säulensystems aufzuweisen.
  • Bei beiden Ausführungsförmen der Erfindung wird ein Abfallstrom turboexpandiert, um Kälte zu erzeugen.
  • Unter Bezugnahme auf die FIG. 1 und/oder 2 wird ein Teil 40 des mit Sauerstoff angereicherten Dampfes 41 von dem Kopfkondensator 101 durch einen Teildurchlauf durch den Wärmetauscher 6 erwärmt, während ein anderer Teil 42 des mit Sauerstoff angereicherten Dampfes 41 in die Hilfssäule 200 eingeleitet wird. Erwärmter, mit Sauerstoff angereicherter Dampf 43 wird mittels Durchleiten durch einen Turboexpander 44 turboexpandiert, um Kälte zu erzeugen, und der sich ergebende turboexpandierte Strom 45 wird durch den Wärmetauscher 6 geleitet, z.B. durch Kombination mit dem Strom 24, wodurch zusätzliche Kälte der einströmenden Einsatzluft und dem System zugeführt wird. Der sich ergebende erwärmte Strom wird von dem System z.B. mit dem Abfallstrom 25 abgezogen.
  • Computersimulationen der Erfindung wurden gemäß der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsförm vorgenommen, und die durch diese Simulationen erzeugten Daten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Nummern der Ströme in der Tabelle entsprechen jenen der Figuren. TABELLE 1 Strom Nr. Durchfluß Temp. (ºK) Druck (psia) Druck (kPa) Sauerstoffzusammensetzung (Molenbruch) gering
  • Wie man sehen kann, ermöglicht die in FIG. 2 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung die Gewinnung von 54,9 % der einströmenden Einsatzluft als unter erhöhtem Druck stehender Produktstickstoff.
  • Zu Vergleichszwecken wurde eine Computersimulation eines typischen Einzelsäulen- Stickstoffherstellungszyklus vorgenommen. Bei diesem konventionellen Zyklus konnten nur 40,6 % der einströmenden Einsatzluft als unter Druck stehender Produktstickstoff gewonnen werden. Somit ermöglicht die Erfindung die Gewinnung von über 30 % mehr unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff als bei einem konventionellen Einzelsäulen-Stickstoffherstellungssystem.
  • Obschon die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, daß es andere Ausführungsformen der Erfindung gibt, die im Rahmen der Ansprüche liegen. Zum Beispiel könnte, falls zweckmäßig, mittels Turboexpansion eines mit Sauerstoff angereicherten Dampfstromes, welcher der Hilfssäule entnommen wird, Systemkälte erzeugt werden. Einer oder beide der Kopfkondensatoren könnte(n) innerhalb der entsprechender Säule angeordnet sein, statt außerhalb, wie es in den Figuren veranschaulicht ist. Ferner könnte der in Figur 2 veranschaulichte Aufkocher der Hilfssäule außerhalb der Hilfssäule angeordnet sein.

Claims (10)

1.Verfahren zur Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff mit verbesserter Ausbeute, bei dem:
(A) verdichtete Einsatzluft (3) in eine Primärsäule (100) eingebracht wird, die bei einem Druck im Bereich von 5,5 bis 10,3 bar (80 bis 150 pounds per square inch absolute) betrieben wird;
(B) die Einsatzluft in der Primärsäule (100) in stickstoffreichere Komponente (14) und mit Sauerstoff angereicherte Komponente (18) zerlegt wird;
(C) die stickstoffreichere Komponente (14) durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der mit Sauerstoff angereicherten Komponente (18) kondensiert wird;
(D) ein Teil (40) der sich aus dem Verfahrens schritt (C) ergebenden mit Sauerstoff angereicherten Komponente (41) turboexpandiert und dieser turboexpandierte Teil (45) in indirekten Wärmeaustausch mit verdichteter Einsatzluft (3) gebracht wird, um Kälte in das System einzubringen;
(E) sich aus dem Verfahrensschritt (C) ergebende mit Sauerstoff angereicherte Komponente (33, 42) in eine Hilfssäule (100) eingeleitet wird, die bei einem Druck betrieben wird, der kleiner als der der Primärsäule (100) ist;
(F) mit Sauerstoff angereicherte Komponente in mit Stickstoff angereicherten Dampf (22) und sauerstoffreichere Flüssigkeit (23) zerlegt wird;
(G) mit Stickstoff angereicherter Dampf (22) durch indirekten Wärmeaustausch mit sauerstoffreicherer Flüssigkeit (23) kondensiert wird, um mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit (27) zu erzeugen;
(H) der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit (27) auf im wesentlichen den Betriebsdruck der Pnmärsäule (100) erhöht wird;
(J) aufgedrückte mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit in die Primärsäule (100) zur weiteren Herstellung von stickstoffreicherer Komponente (14) eingeleitet wird; und
(K) stickstoffreichere Komponente von der Primärsäule (100) als unter erhöhtem Druck stehender Produktstickstoff(16) gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil (28) der stickstoffreicheren Komponente (14) kondensiert und in der Primärsäule (100) als Rücklauf benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mit Sauerstoff angereicherte Komponente (18) durch indirekten Wärmeaustausch mit kondensierender stickstoffreicherer Komponente (14) teilweise verdampft wird und sowohl der sich dabei ergebende mit Sauerstoff angereicherte Dampf (32, 42) als auch mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit (20, 33) in die Hilfssäule (200) geleitet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druck der mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit (27) durch Flüssigkeitspumpen erhöht wird.
5. Verfähren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner ein Teil (10, 12, 30, 31) der verdichteten Einsatzluft (3) vor dem Einleiten dieses Teils in die Primärsäule (100) verflüssigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Einsatzluftteil (30, 31) durch indirekten Wärmeaustausch mit Sumpfflüssigkeit der Hilfssäule (200) verflüssigt wird, wodurch für einen nach oben steigenden Dampfstrom für die Hilfssäule gesorgt wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung von unter erhöhtem Druck stehendem Stickstoff mit verbesserter Ausbeute, mit:
(A) einer Primärsäule (100), die einen Kopfkondensator (101) und eine Anordnung zum Einleiten von Einsatzfluid (12, 13), von dem mindestens der größere Teil gasförmig ist, in die Primärsäule aufweist;
(B) einer Anordnung zum Überleiten von Fluid als Flüssigkeitsstrom (18) von dem unteren Teil der Primärsäule (100) in den Kopfkondensator (101);
(C) einer mit einem Kopfkondensator (201) versehenen Hilfssäule (200);
(D) einer Anordnung zum Überleiten eines ersten Teils (40) des Dampfs (41) von dem Kopfkondensator (101) der Primärsäule in einen Turboexpander (44) und einer Anordnung zum Überleiten eines zweiten Teils (42) des Dampfs (41) von dem Kopfkondensator (101) der Primärsäule in die Hilfssäule (200);
(E) einer Anordnung, die Dampf (45) von dem Turboexpander (44) in indirekten Wärmeaustausch mit gasförmigem Einsatzfluid (5, 9) bringt, um in das System Kälte einzubringen;
(F) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (33) von dem Kopfkondensator (101) der Primärsäule in die Hilfssäule (200);
(G) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (27) von dem Koplkondensator (201) der Hilfssäule in die Primärsäule (100), wobei diese Anordnung Mittel (60) zum Erhöhen des Druckes dieser Flüssigkeit aufweist; und
(H) einer Anordnung zum Gewinnen von Produkt (16) von der Primärsäule (100).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Mittel zum Erhöhen des Druckes eine Flüssigkeitspumpe (60) aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, ferner versehen mit einer Anordnung (11, 202) zum Verflüssigen eines Teils (10, 12, 30, 31) des Einsatzfluids bevor dieser Teil in die Primärsäule (100) eingebracht wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung zum Verflüssigen des besagten Teils (30, 31) des Einsatzfluids einen Aufkocher (202) in dem unteren Teil der Hilfssäule (200) aufweist.
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