(19)
(11)EP 0 384 483 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
22.07.1992  Patentblatt  1992/30

(21)Anmeldenummer: 90103572.5

(22)Anmeldetag:  23.02.1990
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC)5F25J 3/04

(54)

Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Rektifikation

Air rectification process and apparatus

Procédé et dispositif de rectification d'air


(84)Benannte Vertragsstaaten:
BE DE FR GB IT NL SE

(30)Priorität: 23.02.1989 DE 3905521
26.07.1989 EP 89113815

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
29.08.1990  Patentblatt  1990/35

(73)Patentinhaber: Linde Aktiengesellschaft
65189 Wiesbaden (DE)

(72)Erfinder:
  • Rottmann, Dietrich, Dipl.-Ing.
    D-8000 München 83 (DE)

(74)Vertreter: Schaefer, Gerhard, Dr. 
Linde Aktiengesellschaft Zentrale Patentabteilung
82049 Höllriegelskreuth
82049 Höllriegelskreuth (DE)


(56)Entgegenhaltungen: : 
EP-A- 0 316 768
US-A- 2 666 303
DE-B- 2 548 222
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft 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, wobei mindestens eine gasförmige Stickstofffraktion aus der Mitteldruckstufe herausgeführt, angewärmt und mindestens teilweise verdichtet wird. Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchfürung des Verfahrens mit den Merkwalen des ersten Teils des Anspruchs 6.

    [0002] Ein derartiges Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 2 666 303 bekannt. Hier wird Stickstoff aus der Mitteldruckstufe einer zweistufigen Rektifikation auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt, verdichtet und anschließend als Produkt abgezogen. Dadurch kann der Stickstoff unter einem erhöhtem Druck abgegeben werden. Das vorbekannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß auch bei relativ hohem Druck der Mitteldruckstufe die Druckdifferenz gegenüber der Atmosphäre nicht zur Kälteerzeugung ausgenützt werden kann. Verfahrenskälte wird hier vielmehr durch Entspannung eines Teils der Zerlegungsluft gewonnen, was eine Luftverdichtung auf sehr hohen Druck voraussetzt und daher wegen des entsprechenden Energieverbrauchs wirtschaftlich nicht zufriedenstellend ist.

    [0003] Daneben ist aus der DE-B-25 48 222 ein Verfahren mit einem Stickstoff-Kältekreislauf bekannt, in dem Stickstoff aus der Druckstufe auf einen höheren Druck verdichtet, anschließend teilweise arbeitsleistend in etwa auf Druckstufendruck entspannt und in die Druckstufe zurückgespeist wird. Hierdurch kann zwar ein beträchtlicher Teil des Kältebedarfs der Luftzerlegungsanlage gedeckt werden, allerdings steht der Stickstoff nicht unter dem hohen Druck als Produkt zur Verfügung, sondern wird als Rücklauf in Druck- und Mitteldruckstufe der Rektifikation benötigt. Dieses Verfahren besitzt also ebenfalls Nachteile hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit, insbesondere dann, wenn Stickstoff unter erhöhtem Druck gewonnen werden soll.

    [0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und der Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern und insbesondere auf besonders günstige Weise Verfahrenskälte zur Verfügung zu stellen, ohne dabei die Weiterverwendung der gasförmigen Stickstofffraktion, insbesondere für Anwendungen, die ein erhöhtes Druckniveau erfordern, einzuschränken.

    [0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stickstoff vor der Verdichtung arbeitsleistend entspannt und erneut angewärmt wird, wobei die beim Entspannen gewonnene Kälte an einen oder mehrere andere Prozeßströme abgegeben wird und mindestens ein Teil der beim Entspannen gewonnenen Arbeit zum Verdichten des Stickstoffs verwendet wird.

    [0006] Besonders günstig ist die arbeitsleistende Entspannung mit Rückverdichtung bei Luftzerlegungsanlagen anzuwenden, die unter erhöhtem Druck betrieben werden, da hier auch der Druck am Eingang der Entspannungsturbine relativ hoch ist und somit ein günstiger Wirkungsgrad erzielt werden kann. Dies gilt insbesondere für Luftzerleger, die im Verbund mit Kraftwerken stehen, die gemeinsam mit einer Kohle- oder Schwerölvergasung betrieben werden.

    [0007] Es erweist sich als vorteilhaft, wenn ein Teil der Leistung beim Verdichten durch von außerhalb des Verfahrens importierte Energie aufgebracht wird. Dadurch kann der entspannte Stickstoffanteil wieder auf seinen ursprünglichen Druck (vor dem Entspannen) oder auf einen höheren Druck gebracht werden, falls er mit den entsprechenden Parametern weiterverwendet werden soll. Beispielsweise kann der rückverdichtete Stickstoff bei einem Verbund zwischen Luftzerlegungsanlage und Kohlevergasungskraftwerk in die in der Regel unter erhöhtem Druck stehende Brennkammer geführt werden.

    [0008] Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung der arbeitsleistend entspannte Stickstoff auf einen Druck verdichtet wird, der im wesentlichen gleich dem Druck vor der arbeitsleistenden Entspannung ist, und außerdem der entspannte und wieder verdichtete Stickstoff wieder dem nicht entspannten Teil der gasförmigen Stickstofffraktion aus der Mitteldruckstufe zugeführt wird.

    [0009] Mit Hilfe dieser Verfahrensweise steht auch bei der erfindungsgemäßen Art der Kältegewinnung die gesamte gasförmige Stickstofffraktion unter dem (im allgemeinen erhöhten) Druck der Mitteldruckstufe zur Verfügung und kann beispielsweise in der Brennkammer eines Kohlevergasungskraftwerkes weiterverwendet werden.

    [0010] Besonders bei solchen Anwendungen, bei denen die gesamte Luftzerlegung und insbesondere die Mitteldruckstufe bei relativ hohen Drücken gefahren werden muß, sind die erzielten Produktreinheiten oft nicht befriedigend. Dies gilt für den erzeugten Stickstoff, in besonderem Maße jedoch für das Sauerstoffprodukt.

    [0011] Aus diesem Grunde ist es in bestimmten Fällen günstig, wenn gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung der Mitteldruckstufe eine weitere Stickstofffraktion am Kopf entnommen, angewärmt, verdichtet, anschließend wieder abgekühlt und in die Druckstufe eingeführt wird. Die (Rein-)Stickstofffraktion wird also mindestens teilweise in einem sogenannten Verstärkungskreislauf geführt. Die über den Verstärkungskreislauf in die Druckstufe geleitete Stickstoffmenge wird in indirektem Wärmetausch mit Sumpfflüssigkeit der Mitteldruckstufe kondensiert, flüssig abgezogen und als zusätzliche Rücklaufmenge auf die Mitteldruckstufe aufgegeben. Dadurch wird - ohne Beeinflussung des Stoffaustausches in der Druckstufe - der Umsatz in der Mitteldruckstufe erhöht, so daß die Produktströme höhere Reinheiten aufweisen.

    [0012] Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Patentansprüchen 6 und 7 .

    [0013] Anhand der Zeichnung, in welcher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt ist, werden die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung näher erläutert.

    [0014] Über Leitung 1 wird verdichtete und vorgereinigte Luft herangeführt, in einem Hauptwärmetauscher 17 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 18 unterkühlt und in die Mitteldruckstufe 4 eingedrosselt. Stickstoff vom Kopf der Druckstufe 3 wird über Leitung 5 ebenfalls flüssig abgezogen, in Wärmetauscher 18 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. Eine weitere flüssige Fraktion wird über Leitung 7 aus der Druckstufe 3 ab- und der Niederdruckstufe 4 zugeführt.

    [0015] Als Produkte der Mitteldruckstufe 4 werden flüssiger Sauerstoff (Leitung 14), gasförmiger Reinstickstoff (Leitung 15) und unreiner Stickstoff (Leitung 16) entnommen und im Hauptwärmetauscher 17, die Stickstoffströme zusätzlich im Wärmetauscher 18, angewärmt.

    [0016] Vor der Einspeisung in die Druckstufe 3 kann ein Teil (Leitung 21) der Luft in Leitung 1 in Wärmetausch 20 mit Sauerstoff 14 aus dem Sumpf der Mitteldruckstufe 4 kondensiert werden. Die Flüssigkeit 14 aus dem Sumpf der Mitteldruckstufe 4 wird dazu mittels einer Pumpe 19 auf hohen Druck gebracht und bei dem Wärmeaustausch im Kondensator 20 teilweise verdampft. Die teilweise kondensierte Luft 22 wird oberhalb der ersten Einspeisestelle (Leitung 1) in die Druckstufe 3 eingeführt. Der verdampfte Anteil des Sauerstoffs wird über Leitung 23 abgeführt und angewärmt (17). Ein anderer Teil des Sauerstoffs wird über Leitung 42 als flüssiger Produktstrom abgezogen.

    [0017] Erfindungsgemäß wird ein Teil des unreinen Stickstoffs in Leitung 16 auf einer mittleren Temperatur von etwa 110 bis 210 K, vorzugsweise 135 bis 185 K, über Leitung 30 aus dem Hauptwärmetauscher 17 abgezogen und in einer Entspannungsturbine 31 arbeitsleistend auf einen Druck von 2,6 bis 1,4 bar, vorzugsweise etwa 2,0 bar entspannt. Der entspannte Stickstoff wird über Leitung 32 erneut zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 17 geführt und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Er gibt dabei die beim Entspannen gewonnene Kälte an zu zerlegende Luft in Leitung 1 ab.

    [0018] Um den entspannten Teil des Stickstoffs gemeinsam mit dem nicht entspannten Anteil (Leitung 39) abziehen zu können, wird dieser in zwei Stufen 33, 36 wieder verdichtet, wobei jeweils die Kompressionswärme anschließend entfernt wird (Kühler 35, 37). Die zweite Verdichtungsstufe 36 ist mit der Entspannungsturbine 31 gekoppelt, so daß die bei der Entspannung gewonnene Arbeit für das Verfahren zurückgewonnen wird. Um das Gas wieder auf seinen Anfangsdruck (in Leitung 30 bzw. 39) zu bringen ist jedoch eine weitere Verdichtungsstufe 33 erforderlich, die mit von außen eingebrachter Energie betrieben wird. Diese zusätzlich aufgewandte Energie wird jedoch durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise außerordentlich effektiv in Verfahrenskälte umgesetzt.

    [0019] Falls der Reinstickstoff unter einem höheren Druck als dem Mitteldruckstufe 4 benötigt wird, kann er nach seiner Erwärmung verdichtet werden. Dies geschieht im allgemeinen in mehreren Verdichterstufen 40, 41. Dabei wird in der Regel hinter jeder Stufe 40, 41 die Verdichtungswärme durch (in der Zeichnung nicht dargestellte) Wasserkühler abgeführt.

    [0020] Besonders in diesem Fall ist es günstig, einen Verstärkungskreislauf zur Erhöhung von Umsatz und Produktreinheiten der Mitteldruckstufe vorzusehen. Dazu ist die in der Zeichnung gestrichelt dargestellte Leitung notwendig. Über Leitung 43 wird mindestens ein Teil des Reinstickstoffs aus Leitung 15 auf dem Druckniveau der Drucksäule (im Falle des Ausführungsbeispiel zwischen den Verdichterstufen 40 und 41) abgezweigt, im Hauptwärmetauscher 17 abgekühlt und weiter über Leitung 43 in die Druckstufe 3 eingespeist.

    [0021] Der zusätzliche Stickstoff kondensiert an deren Kopf und verdampft dabei Flüssigkeit im Sumpf der Mitteldruckstufe 4. In flüssiger Form wird er zusätzlich über Leitung 5 entnommen und als Rücklauf auf die Mitteldrucksäule aufgegeben. Eine entsprechend erhöhte Stickstoffmenge wird dann auch über Leitung 15 abgezogen, angewärmt (18, 17) und in der Verdichterstufe 40 komprimiert, so daß sich der Verstärkungskreislauf schließt und die Bilanzen der Wärmetauscher 18 und 17 ausgeglichen sind.


    Ansprüche

    1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Rektifikation, bei dem Luft (1) verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt (17) 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, wobei mindestens eine gasförmige Stickstofffraktion aus der Mitteldruckstufe (4) herausgeführt (16), angewärmt (17) mindestens teilweise (32) verdichtet (33, 36) wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff vor der Verdichtung (33, 36) arbeitleistend entspannt (31) und erneut angewärmt (17) wird, wobei die beim Entspannen gewonnene Kälte an einen oder mehere ander Prozeßströme (1, 43) abgegeben wird und mindestens ein Teil der beim Entspannen (31) gewonnenen Arbeit zum Verdichten (36) des Stickstoffs verwendet wird.
     
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Leistung beim Verdichten (33) durch von außerhalb des Verfahrens importierte Energie aufgebracht wird.
     
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der arbeitsleistend entspannte Stickstoff (32) auf einen Druck verdichtet (33, 36) wird, der im wesentlichen gleich dem Druck vor der arbeitsleistenden Entspannung (31) ist.
     
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte und wieder verdichtete Anteil (38) der gasförmigen Stickstofffraktion wieder dem nicht entspannten Teil (39) der gasförmigen Stickstofffraktion (16) zugeführt wird.
     
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,daß der Mitteldruckstufe (4) eine weitere Stickstofffraktion (15) am Kopf entnommen, angewärmt (18, 17), verdichtet (40), anschließend wieder abgekühlt (17) und in die Druckstufe (3) eingeführt (43) wird.
     
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Hauptwärmetauscher (17), der Passagen für Luft (1) und für Stickstoff (16, 39) enthält, und mit einer Doppelrektifiziersäule (2) bestehend aus Drucksäule (3) und Mitteldrucksäule (4), wobei die Passage für Luft (1) mit der Drucksäule (3) und die Stickstoffpassage (16, 39) mit der Mitteldrucksäule (4) verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Leitung (30), die aus dem mittleren Bereich des Hauptwärmetauschers (17) herausführt und mit der Stickstoffpassage (16) und mit dem Eingang einer Entspannungsturbine (31) verbunden ist, und durch eine weitere Leitung (32), die den Ausgang der Entspannungsturbine (31) mit dem Eingang eines Verdichters (33, 36) verbindet und als Passage durch den Hauptwärmetauscher (17) geführt wird.
     
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verdichters (33, 36) mit dem Ausgang der Stickstoffpassage (39) des Hauptwärmetauschers (17) verbunden ist.
     


    Claims

    1. A process for the separation of air by rectification, wherein air (1) is compressed, pre-purified, cooled (17) and pre-separated in the pressure stage (3) of a two-stage rectification column (2) into a nitrogen-rich fraction (5) and an oxygen-rich liquid (6), and the two fractions (5, 6) are at least partially supplied to the medium pressure stage (4) of the rectification column (2) and separated into oxygen and nitrogen, wherein at least one gaseous nitrogen fraction is withdrawn (16) from the medium pressure stage (4), heated (17), and at least partially (32) compressed (33, 36), characterised in that prior to the compression (33, 36), the nitrogen is expanded (31), with production of work, and is re-heated (17), where the cold acquired by the expansion is fed to one or more other process stream (1, 43), and at least a part of the work obtained by the expansion (31) is used for the compression (36) of the nitrogen.
     
    2. A process as claimed in Claim 1, characterised in that a part of the power for the compression (33) is applied by means of energy imported from outside of the process.
     
    3. A process as claimed in Claim 1 or 2, characterised in that the nitrogen (32) which is expanded with production of work is compressed to a pressure (33, 36) which is substantially equal to the pressure prior to the work-producing expansion (31).
     
    4. A process as claimed in Claim 3, characterised in that the expanded and re-compressed part (38) of the gaseous nitrogen fraction is returned to the non-expanded part (39) of the gaseous nitrogen fraction (16).
     
    5. A process as claimed in one of Claims 1 to 4, characterised in that a further nitrogen fraction (15) is withdrawn from the head of the medium pressure stage (4), is heated (18, 17), compressed (40), then cooled again (17) and introduced (43) into the pressure stage (3).
     
    6. A device for the execution of the process claimed in one of Claims 1 to 5, comprising a main heat exchanger (17) which contains passages for air (1) and for nitrogen (16, 39), and comprising a double rectifier column (2) composed of a pressure column (3) and a medium pressure column (4), where the passage for air (1) is connected to the pressure column (3) and the passage for nitrogen (16, 39) is connected to the med¡um pressure column (4), characterised by a line (30) which leads out from the central zone of the main heat exchanger (17) and is connected to the nitrogen passage (16) and to the input of an expansion turbine (31), and by a further line (32) which connects the output of the expansion turbine (31) to the input of a compressor (33, 36) and extends in the form of a passage through the main heat exchanger (17).
     
    7. A device as claimed in Claim 6, characterised in that the output of the compressor (33, 36) is connected to the output of the nitrogen passage (39) of the main heat exchanger (17).
     


    Revendications

    1. Procédé de fractionnement de l'air par rectification, dans lequel l'air (1) est comprimé, préalablement purifié, refroidi (17) et fractionné dans l'étage sous pression (3) d'une zone de rectification à deux étages (2) en une fraction (5) riche en azote et en une fraction liquide (6) riche en oxygène, et dans lequel les deux fractions (5, 6) sont envoyées au moins en partie dans l'étage de moyenne pression (4) de la zone de rectification (2) et sont fractionnées en oxygène et azote, au moins une fraction gazeuse d'azote étant soutirée (16) de l'étage de moyenne pression (4), réchauffée (17), au moins en partie (32) comprimée (33, 36), caractérisé en ce que l'azote préalablement à la compression (33, 36) est détendu (31) en libérant du travail, et à nouveau réchauffé (17), les frigories obtenues lors de la détente étant échangées avec un ou plusieurs autres flux de procédé (1, 43) et au moins une partie du travail obtenu lors de la détente (31) étant utilisée pour la compression (36) de l'azote.
     
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie du travail lors de la compression (33) est apportée par de l'énergie importée de l'extérieur du procédé.
     
    3. procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'azote (32) détendu en libérant du travail est comprimé (33, 36) sous une pression substantiellement égale à la pression antérieurement à la détente (31) génératrice de travail.
     
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie (38) détendue puis à nouveau comprimée de la fraction d'azote gazeux est ensuite combinée avec la partie non détendue (39) de la fraction d'azote gazeux (16).
     
    5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une autre fraction d'azote (15) est soutirée en tête de l'étage de moyenne pression (4), réchauffée (18, 17), comprimée (40), puis à nouveau refroidie (17) et envoyée (43) dans l'étage de haute pression (3).
     
    6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un échangeur de chaleur principal (17) comprenant des conduites pour l'air (1) et l'azote (16, 39) et reliées à une colonne double de rectification (2) constituée d'une colonne de haute pression (3) et de moyenne pression (4), les conduites pour l'air (1) et l'azote (16, 39) étant connectées respectivement aux colonnes de haute pression (3) et de moyenne pression (4), caractérisée par une conduite (30) qui sort au niveau de la zone médiane de l'échangeur de chaleur principal (17) et qui est connectée avec la conduite d'azote (16) et l'entrée de la turbine de détente (31), et par une conduite supplémentaire (32) qui relie la sortie de la turbine de détente (31) avec l'entrée d'un compresseur (33, 36) et traverse l'échangeur de chaleur principal (17) en tant que conduite.
     
    7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la sortie du compresseur (33, 36) est reliée à la sortie de la conduite d'azote (39) de l'échangeur principal de chaleur (17).
     




    Zeichnung