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EP0384213B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Rektifikation - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Rektifikation Download PDF

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Publication number
EP0384213B1
EP0384213B1 EP90102355A EP90102355A EP0384213B1 EP 0384213 B1 EP0384213 B1 EP 0384213B1 EP 90102355 A EP90102355 A EP 90102355A EP 90102355 A EP90102355 A EP 90102355A EP 0384213 B1 EP0384213 B1 EP 0384213B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
medium pressure
pressure stage
rectification column
crude argon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP90102355A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0384213A3 (en
EP0384213A2 (de
Inventor
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19893905521 external-priority patent/DE3905521A1/de
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP0384213A2 publication Critical patent/EP0384213A2/de
Publication of EP0384213A3 publication Critical patent/EP0384213A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0384213B1 publication Critical patent/EP0384213B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/923—Inert gas
    • Y10S62/924—Argon

Definitions

  • the invention relates to a process for air separation by rectification, in which air is compressed, pre-cleaned, cooled and pre-separated into a nitrogen-rich fraction and an oxygen-rich liquid in the pressure stage of a two-stage rectification, and the two fractions are at least partially fed to the medium pressure stage of the rectification and in Oxygen and nitrogen are broken down and in which an argon-containing oxygen stream is taken from the medium pressure stage and fed to crude argon rectification, and also a device for carrying out the method.
  • the crude argon rectification is usually carried out under the pressure under which the argon-containing oxygen fraction is removed from the medium pressure stage. Liquid oxygen is recycled from crude argon rectification to approximately the same point in the medium pressure stage.
  • the object on which the invention is based is to improve the method and the device of the type mentioned at the outset such that both the production of pressurized nitrogen and pressurized oxygen and the production of argon can be carried out economically.
  • the pressure conditions in the crude argon rectification are no longer tied to those of the medium pressure stage, so that an optimal value for the argon yield of 1.1 to 2.0 bar, preferably 1.3 to 1.5 bar can be maintained. Nevertheless, the medium pressure stage can still release oxygen and nitrogen under increased pressure.
  • a gaseous fraction from the top of the crude argon rectification is condensed from the pressure stage in indirect heat exchange with evaporating oxygen-rich liquid.
  • the cold that is present in the process can be used to form reflux for crude argon rectification and the use of external cold in this area can be dispensed with.
  • the resulting vaporized oxygen-rich fraction is compressed in the process of the invention and introduced into the medium pressure stage.
  • the argon-containing oxygen stream is expanded while performing work before being introduced into the crude argon rectification.
  • the energy recovered during expansion can be used to compress other process streams.
  • a lot of cold is generated during relaxation work, which is required for air separation. In this way, the supply of externally generated cold can be dispensed with at least in part.
  • the work obtained in the work-relieving expansion of the argon-containing oxygen stream is used at least in part to compress the vaporized oxygen-rich fraction.
  • the generally liquid residual fraction of crude argon rectification consists essentially of oxygen. Since it would be uneconomical to discard this fraction, it is proposed according to a further feature of the invention to return the liquid fraction from the crude argon rectification to the medium pressure stage and to pump it to the pressure of the medium pressure stage before introduction into the medium pressure stage.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method according to claims 7 to 9.
  • Compressed and pre-cleaned air is supplied via line 1, cooled in a heat exchanger 36 in indirect heat exchange with product streams and fed into the pressure stage 3 of a two-stage rectification column 2.
  • the pressure level 3 (operating pressure: 6 to 20 bar, preferably 8 to 17 bar) is with the medium pressure level 4 (operating pressure: 1.5 to 10 bar, preferably 2.0 to 8.0 bar) via a common condenser / evaporator 13 in heat exchanging connection.
  • the introduced air is pre-divided in pressure stage 3 into nitrogen and into an oxygen-enriched fraction.
  • the oxygen-enriched fraction is discharged in the liquid state via line 6, subcooled in heat exchanger 32 and in part throttled via line 10 into the medium pressure stage 4.
  • Nitrogen from the head of pressure stage 3 is also drawn off in liquid form via line 5, subcooled in heat exchanger 32 and partly discharged as a liquid product via line 8.
  • the other part of the nitrogen from the pressure stage 3 is fed via line 9 as a return to the medium pressure stage 4.
  • liquid oxygen (line 14), gaseous pure nitrogen (line 15) and impure nitrogen (line 16) are removed and heated in the heat exchanger 36, and the nitrogen streams in the heat exchanger 32.
  • an argon-containing oxygen stream is also removed from line 17 via line 17, heated in heat exchanger 36 and introduced into crude argon rectification 20, which is under a pressure of 1.1 bar to 2.0 bar, preferably 1.3 to 1.5 bar is operated.
  • the residual fraction obtained in the bottom of the crude argon rectification 20 is discharged via line 22 and brought according to the invention by pump 23 to the pressure required for feeding back into the medium pressure stage 4.
  • the argon-rich oxygen stream 17 is expanded prior to introduction into the crude argon rectification 20 in an expansion turbine 18 in order to bring it to the lower pressure prevailing in the crude argon rectification 20 on the one hand and to produce process cold on the other hand.
  • the gaseous crude argon obtained at the top of the crude argon rectification 20 is introduced via line 33 into a condenser 35, partly liquefied and partly returned via line 34 as a return to the crude argon rectification 20, partly discharged via line 21 as an intermediate product and heated in the heat exchanger 36 .
  • the condenser 35 is cooled by a portion of the oxygen-rich fraction 6 from the pressure stage, which is brought in via line 11, subcooled in a heat exchanger 24 and passed to the condenser 35 via line 25.
  • the portion evaporated during the indirect heat exchange with the top gas of the crude argon rectification 20 is discharged via line 26 and heated in the heat exchangers 24 and 36.
  • the oxygen-rich stream is compressed in two compressor stages 27 and 29 and then cooled in each case (water coolers 28 and 30).
  • the oxygen-rich stream is then passed via line 31 through the heat exchanger 36, cooled there again and then fed into the medium pressure stage 4. It is advantageous to use the work obtained in the expansion of the argon-rich oxygen fraction 17 to drive the compression 29.
  • part of the air in line 1 can be condensed in heat exchange with oxygen from the sump of medium pressure stage 4.
  • the liquid from the sump of the medium pressure stage can be brought to high pressure by means of a pump and partially evaporates during the heat exchange.
  • the partially condensed air is then introduced into the pressure stage 3 above the first feed point (line 1) shown in the drawing. This part of the process is not shown in the drawing, but can be economically advantageous at the indicated rectification pressures.

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Description

  • Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur Luftzerlegung 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 zugeführt und in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt werden und bei dem der Mitteldruckstufe ein argonhaltiger Sauerstoffstrom entnommen und einer Rohargonrektifikation zugeleitet wird, und ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Üblicherweise wird bei einem derartigen Verfahren die Rohargonrektifikation unter demjenigen Druck durchgeführt, unter dem die argonhaltige Sauerstofffraktion aus der Mitteldruckstufe entnommen wird. Flüssiger Sauerstoff wird aus der Rohargonrektifikation an ungefähr die gleiche Stelle der Mitteldruckstufe zurückgeführt.
  • Aus des DE-B-1 922 952 sowie der nicht vorveröffentlichten EP-A-0 341 512 ist außerdem ein Doppelsäulenverfahren mit angeschlossener Rohargonrektifikation bekannt, bei dem der Druck der Rohargonrektifikation durch ein Steuerventil in der Leitung für den argonhaltigen Sauerstoffstrom eingestellt wird. Da jedoch der Druck in der Rohargonrektifikation so eingestellt wird, daß der im Kopfkondensator verdampfte sauerstoffreiche Fraktion ungehindert in die Niederdruckstufe einfließen kann, bleibt der Druck der Rohargonrektifikation ebenfalls eng an den Druck der Niederdruckstufe gekoppelt.
  • Solche Verfahren sind günstig, falls die Mitteldruckstufe und damit auch die Rohargonrektifikation im wesentlichen unter Atmosphärendruck durchgeführt wird. In vielen Fällen werden jedoch Sauerstoff und/oder Stickstoff, die in der Mitteldruckstufe erzeugt werden, unter erhöhtem Druck benötigt, beispielsweise in Kohlevergasungsanlagen 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 also bei den bekannten Verfahren auch die Rohargonrektifikation 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, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Druckstickstoff- und Drucksauerstofferzeugung, als auch die Argongewinnung wirtschaftlich günstig durchgeführt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.
  • Damit sind die Druckverhältnisse bei der Rohargonrektifikation 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 Mitteldruckstufe weiterhin Sauerstoff und Stickstoff unter erhöhtem Druck abgeben.
  • Eine gasförmige Fraktion vom Kopf der Rohargonrektifikation wird in indirektem Wärmetausch mit verdampfender sauerstoffreicher Flüssigkeit aus der Druckstufe kondensiert. 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 beim Verfahren der Erfindung verdichtet und in die Mitteldruckstufe eingeleitet.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren erweist es sich als vorteilhaft, wenn der argonhaltige Sauerstoffstrom vor der Einleitung in die Rohargonrektifikation arbeitsleistend entspannt wird. Die bei der Entspannung zurückgewonnene Energie kann zur Verdichtung anderer Prozeßströme eingesetzt werden. Außerdem wird bei der arbeitsleistenden 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.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die bei der arbeitsleistenden Entspannung des argonhaltigen Sauerstoffstroms gewonnene Arbeit wenigstens teilweise zur Verdichtung der verdampften sauerstoffreichen Fraktion eingesetzt.
  • Günstig ist es außerdem, 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 Sauerstoff. Da es unwirtschaftlich wäre, diese Fraktion zu verwerfen, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, die flüssige Fraktion aus der Rohargonrektifikation zur Mitteldruckstufe zurückzuleiten und vor der Einführung in die Mitteldruckstufe auf den Druck der Mitteldruckstufe zu pumpen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion nach der Verdichtung abzukühlen.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Patentansprüchen 7 bis 9 .
  • 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 Verbindung. Die eingeführte Luft wird in der Druckstufe 3 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 unterkühlt 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 4 werden flüssiger Sauerstoff (Leitung 14), gasförmiger Reinstickstoff (Leitung 15) und unreiner Stickstoff (Leitung 16) entnommen und im Wärmetauscher 36, die Stickstoffströme zusätzlich im Wärmetauscher 32, angewärmt.
  • Über die bisher genannten Strome hinaus wird der Mitteldruckstufe 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 Rohargonrektifikation 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 argonreiche 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 Rohargonrektifikation 20 zurückgeführt, zum anderen Teil über Leitung 21 als Zwischenprodukt abgeführt und im Wärmetauscher 36 angewärmt.
  • Der Kondensator 35 wird durch einen Teil der sauerstoffreichen 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 Wärmetauschern 24 und 36 erwärmt.
  • Da es wirtschaftlich ungünstig wäre, den in diesem Strom enthaltenen Sauerstoff zu verwerfen, wird er im Verfahren des Ausführungsbeispiels zur Mitteldruckstufe 4 zurückgeführt. Um den dafür notwendigen Druck zu erreichen, wird der sauerstoffreiche Strom in zwei Verdichterstufen 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 teilweise. Die partiell 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 angegebenen 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 argonreichen 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 (9)

  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 Mitteldruckstufe (4) ein argonhaltiger Sauerstoffstrom (17) entnommen und einer Rohargonrektifikation (20) zugeleitet wird, die unter einem Druck betrieben wird, der niedriger als der Druck der Mitteldruckstufe (4) ist, wobei eine gasförmige Fraktion (33) vom Kopf der Rohargonrektifikation (20) in indirektem Wärmetausch (35) mit verdampfender sauerstoffreicher Flüssigkeit (25) aus der Druckstufe (3) kondensiert und die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion (26) verdichtet (27, 29) und in die Mitteldruckstufe (4) eingeleitet wird.
  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 die bei der arbeitsleistenden Entspannung (18) des argonhaltigen Sauerstoffstroms (17) gewonnene Arbeit wenigstens teilweise zur Verdichtung (29) der verdampften sauerstoffreichen Fraktion (26) eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der argonhaltige Sauerstoffstrom (17) vor der arbeitsleistenden Entspannung (18) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Mitteldruckstufe (4) gepumpt wird (23).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfte sauerstoffreiche Fraktion (31) nach der Verdichtung (27, 29) abgekühlt (36) wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Doppelrektifiziersäule (2), bestehend aus Drucksäule (3) und Mitteldrucksäule (4), mit einer Rohargonrektifiziersäule (20), mit einer ersten (17, 19) und einer zweiten (22) Verbindungsleitung zwischen Mitteldrucksäule (4) und Rohargonrektifiziersäule (20), wobei in der ersten Verbindungsleitung (17, 19) eine Entspannungseinrichtung (18) eingebaut ist, und mit einem Wärmetauscher (35), der über eine erste Gasleitung (33) und über eine erste Flüssigkeitsleitung (34) mit der Rohargonrektifiziersäule (20) und über eine zweite Flüssigkeitsleitung (25) mit der Drucksäule (3) sowie über eine zweite Gasleitung (26, 31), in der ein Verdichter (27, 29) angeordnet ist, mit der Mitteldrucksäule (4) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet, daß in der zweiten Verbindungsleitung (22) eine Pumpe (23) eingebaut ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Expansionsturbine als Entspannungseinrichtung (18) verwendet wird und diese mechanisch an den Verdichter (29) in der zweiten Gasleitung gekoppelt ist.
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