Verfahren und Vorrichtung zum Zerlegen von Syntheseabgas

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Syntheseabgas in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, bei dem Stickstoff auf einen Enddruck verdichtet, abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, entspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei gasförmiger und zurückverdampfter flüssiger Stickstoff erneut verdichtet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Bei der Erzeugung von Ammoniak-Synthesegas nach dem Steam-Reforming-Verfahren entsteht ein Abgas, das neben Wasserstoff und Stickstoff reich an Argon und Methan ist. Gemäß einem bekannten Verfahren (Winnacker-Küchler, Chem. Technologie, Band 2 (1969), Seite 494) wird das Syntheseabgas in einem Tieftemperaturprozeß zerlegt, wobei einerseits der Wasserstoff zurückgewonnen und andererseits reines Argon erzeugt wird. Die Zerlegung erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen. Zur Erzeugung der für die Zerlegung benötigten tiefen Temperaturen ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen. Stickstoff vom Kopf der zweiten Zerlegungsstufe sowie aus einem Speicherbehälter wird auf 150 bis 200 bar verdichtet, abgekühlt und zum einen Teil arbeitsleistend entspannt und zur Sumpfbeheizung der zweiten Trennstufe verwendet, und zum anderen Teil durch Wärmetausch mit dem unverdichteten Stickstoff weiter abgekühlt und zur Sumpfbeheizung der ersten Trennstufe verwendet. Die beiden Teilströme werden anschließend in teilweise verflüssigter Form in den Vorratsbehälter entspannt. Aus dem Vorratsbehälter wird flüssiger Stickstoff als Waschflüssigkeit für die zweite Trennstufe und zur Kopfkühlung der ersten Trennstufe entnommen. Ein Teil des gasförmig verbliebenen Stickstoffes wird zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe in Wärmetausch mit Syntheseabgas angewärmt, während ein anderer Teil des gasförmig verbliebenen Stickstoffes in Wärmetausch mit Stickstoff für die Beheizung der ersten Trennstufe angewärmt erneut verdichtet wird. Ein Teil des verflüssigten Stickstoffes wird, nachdem er rückverdampft worden ist, zusammen mit einem Teil des gasförmigen stickstoffes erneut verdichtet. Überschüssiger Stickstoff wird nach Wärmetausch mit dem zu zerlegenden Syntheseabgas aus der Anlage abgezogen.

[0003] Dieses Verfahren hat zwar den großen Vorteil, daß es die Rückgewinnung des Wasserstoffes und die Erzeugung von Argon ermöglicht, aufgrund der hohen Drücke, die in dem Stickstoff-Kältekreislauf benötigt werden, ist es jedoch apparativ sehr aufwendig. Drücke in der Größenordnung von 150 bis 200 bar erfordern Verdichter und Wärmetauscher, die teuer, störanfällig und aufwendig zu warten sind.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ohne energetische Einbußen der Hochdruck-Kältekreislauf durch einen Mitteldruck-Kältekreislauf ersetzt werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des Stickstoffes bereits bei einem unterhalb des Enddruckes liegenden Mitteldruck entnommen und in Parallelführung mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, teilweise verflüssigt und mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff nach dessen Entspannung vereinigt wird.

[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des Stickstoffes an einer Zwischenstufe des Verdichters entnommen. Beide Stickstoffströme - sowohl der auf Mitteldruck, als auch der auf Enddruck befindliche - werden gemeinsam abgekühlt und zur Sumpfbeheizung der ersten und der zweiten Trennstufe verwendet. Anschließend werden die beiden Stickstoffströme entspannt und gemeinsam in teilweise verflüssigtem Zustand zusammengeführt, wobei der Flüssigstickstoff wie beim vorbekannten Verfahren zum Teil als Waschflüssigkeit auf die zweite Trennstufe aufgegeben und zum Teil zur Kopfkühlung der ersten Trennstufe verwendet wird. Während bisher der Stickstoff auf sehr hohen Druck verdichtet wurde und ein Teil des Stickstoffes unter dem hohen Druck zur Sumpfbeheizung der ersten Trennstufe verwendet wurde und der restliche Stickstoff arbeitsleistend entspannt und zur Sumpfbeheizung der zweiten Trennstufe verwendet wurde, wird erfindungsgemäß ein Stickstoffstrom, der auf einen weitaus niedrigeren Druck verdichtet worden ist, zur Sumpfbeheizung beider Trennstufen herangezogen und gleichzeitig ein weiterer Stickstoffstrom, der sich auf einem noch niedrigeren Druckniveau befindet, parallel zu dem ersten Stickstoffstrom zur Sumpfbeheizung der beiden Trennstufen verwendet.

[0007] Durch den Erfindungsgegenstand ist es überraschenderweise möglich, den Enddruck des Stickstoffes drastisch zu senken, und dabei dennoch die für den Prozeß erforderliche Kälteleistung bereitzustellen.

[0008] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Mitteldruck zwischen 6 und 20 bar. Vorzugsweise beträgt der Mitteldruck zwischen 10 und 16 bar, insbesondere etwa 13,5 bar.

[0009] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Enddruck zwischen 30 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 35 und 45 bar und insbesondere etwa 40,5 bar.

[0010] Mit den angegebenen Druckbereichen für den Mitteldruck und den Enddruck wird eine ausreichende Kälteleistung für den Prozeß erzielt. Die jeweiligen Druckwerte hängen von äußeren Verfahrensbedingungen, wie Gaszusammensetzung und Gasdruck ab. In jedem Fall aber liegen die Drücke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Druckbereich, der deutlich unter den bisher für den Kältekreislauf erforderlichen hohen Drücken liegt. Dadurch können mit Vorteil anstelle der bisher benötigten gewickelten Wärmetauscher nunmehr Plattenwärmetauscher verwendet werden, die wesentlich preisgünstiger hergestellt werden können. Selbst wenn sich der auf Enddruck befindliche Stickstoff noch oberhalb des kritischen Punktes befindet und daher beim Abkühlen in der ersten Trennstufe nicht verflüssigt wird, so wird er beim Beheizen der ersten Trennstufe doch über den steilen Teil der Enthalpiekurve abgekühlt. In diesem Bereich sind bereits relativ kleine Stickstoffmengen für die erforderliche Heizleistung ausreichend.

[0011] Es ist von Vorteil, wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Teil des verdichteten, abgekühlten Stickstoffes arbeitsleistend entspannt und dem gasförmigen Anteil des teilweise verflüssigten Stickstoffes zugeführt wird.

[0012] Zur Kälteerzeugung wird entweder auf Mitteldruck oder auf Enddruck befindlicher Stickstoff arbeitsleistend entspannt. Wird ein Teil des Mitteldruck-Stickstoffes arbeitsleistend entspannt, so wird mit Vorteil der Austrittsdruck gleich dem Druck des rückverdampften Stickstoffs gewählt. Wird Enddruck-Stickstoff arbeitsleistend entspannt, wird zweckmäßigerweise ein höherer Austrittsdruck eingestellt, damit ein optimales Druckgefälle an der Entspannungsmaschine erreicht wird.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird der arbeitsleistend entspannte Stickstoff auf einen Druck oberhalb des Eingangsdruckes des Verdichters entspannt und dem Verdichter an einer Zwischenstelle zugeführt. Dabei liegt der Druck an der Zwischenstelle vorteilhafterweise unterhalb des Mitteldruckes des aus dem Verdichter abgezogenen Stickstoff-Teilstroms.

[0014] Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird ein Teil des nach der Entspannung gasförmig verbliebenen Stickstoffes zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe in Wärmetausch mit Syntheseabgas angewärmt und anschließend dem zu verdichteten Stickstoffstrom beigemischt. Ein Teil des erneut verdichteten Stickstoffes wird bei dieser Verfahrensführung beispielsweise der Synthese zugeführt.

[0015] In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß ein Teil des bei der Entspannung verflüssigten Stickstoffes durch Kühlen der ersten Trennstufe verdampft und dem im Wärmetausch mit Syntheseabgas anzuwärmenden Stickstoffstrom beigemischt wird.

[0016] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes liefert der zur Beheizung der ersten Trennstufe verwendete Stickstoff mit Mitteldruck zwischen 5 und 20 % der benötigten Gesamtheizleistung in der ersten Trennstufe. Vorzugsweise liefert der Mitteldruck-Stickstoffstrom etwa 10 % Heizleistung.

[0017] Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes liefert der zur Beheizung der zweiten Trennstufe verwendete Stickstoff mit Mitteldruck zwischen 60 und 90 % der benötigten Gesamtheizleistung in der zweiten Trennstufe. Insbesondere liefert dieser Mitteldruck-Stickstoffstrom etwa 75 % der benötigten Heizleistung.

[0018] In beiden Trennstufen wird die restliche Heizleistung durch den auf Enddruck befindlichen Stickstoff geliefert.

[0019] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt zwei hintereinandergeschaltete Trennsäulen sowie einen Stickstoff-Kältekreislauf, der einen Verdichter, einen Wärmetauscher, Aufkocher im Sumpf der beiden Trennsäulen und einen Stickstoff-Vorratsbehälter enthält, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Wärmetauscher und dessen kaltes Ende mit den beiden Aufkochern in Verbindung steht, und die Aufkocher ausgangsseitig in den Vorratsbehälter münden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter mindestens zweistufig ausgebildet ist, wobei die Ausgänge der beiden Verdichterstufen getrennt voneinander durch den Wärmetauscher und die beiden Aufkocher geführt sind und gemeinsam in den Vorratsbehälter münden, und daß der Strömungsweg für den Stickstoff äus der ersten oder zweiten Verdichterstufe mit einer Entspannungsmaschine verbunden ist.

[0020] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Entspannungsmaschine ausgangsseitig über einen Wärmetauscher mit einer zum Verdichter führenden Rückführungsleitung für gasförmigen Stickstoff verbunden.

[0021] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Kühler im Kopf der ersten Trennsäule eingangsseitig mit dem Stickstoff-Vorratsbehälter und ausgangsseitig mit einer weiteren zum Verdichter führenden Rückführungsleitung für gasförmigen Stickstoff verbunden.

[0022] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0023] Hierbei zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 2 eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0024] Ein Syntheseabgas (Purge-Gas) aus der Ammoniaksynthese weist beispielsweise eine Zusammensetzung von 31 Mol % H₂, 10 Mol % N₂, 19 Mol % Ar und 40 Mol % CH₄ auf. Dieses Gasgemisch soll zerlegt werden, um Ammoniak-Synthesegas und flüssiges Argon zu gewinnen.

[0025] Das Syntheseabgas, das bei 1 zugeführt wird, ist in einer nicht dargestellten Verfahrensstufe von Wasser und Ammoniak befreit worden. In einem Wärmetauscher 2 wird das Syntheseabgas in Wärmetausch mit Wasserstoff-Produkt aus der Zerlegung und einem Stickstoff-Kältekreislauf auf etwa 85 K abgekühlt und dabei teilweise verflüssigt. Der gasförmige Anteil, der Wasserstoff mit Produktreinheit (etwa 94,7 Mol %) enthält, wird über den Kopt eines nachfolgenden Abscheiders 3 abgezogen und nach Anwärmung im Wärmetauscher 2 entnommen. Die flüssige Fraktion, die nahezu das gesamte Argon und Methan sowie einen Großteil des Stickstoffres enthält, wird über eine Leitung 4 in eine erste Trennsäule 5 (Methansäule) eingeführt, aus der eine methanfreie Stickstoff-Argon-Fraktion (kopfseitig) und Methan (sumpfseitig) entnommen werden. Die erste Trennsäule 5 wird mit einem Druck von ca. 2,2 bar betrieben. Das Methan (ca. 97 Mol %) wird bei einer Temperatur von etwa 122 K über Leitung 6 entnommen.

[0026] Die Stickstoff-Argon-Fraktion wird über Leitung 7 mit etwa 89 K in eine bei einem Druck von etwa 2 bar betriebene Trennsäule 8 (Argonsäule) eingeführt, in der eine Zerlegung in Stickstoff (kopfseitig) und Argon-Produkt (sumpfseitig) erfolgt. Das flüssige Argon verläuft die zweite Trennsäule 8 mit etwa 94 K, der Stickstoff mit etwa 83,5 K. Das Argon hat eine Produktreinheit von nahezu 100 %, die Stickstoffreinheit beträgt ca. 94 %.

[0027] Zur Durchführung der Rektifikation in den Trennsäulen 5, 8 und zur Kälteerzeugung ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen. Der Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennsäule 8 wird zum Teil (Leitung 9) durch den Wärmetauscher 2 geleitet, in dem er sich unter Abkühlung des Syntheseabgases erwärmt, und der Saugseite der ersten Stufe eines dreistufigen Verdichters 10 zugeführt. Der Druck am Verdichtereingang beträgt ca.1,5 bar. Ein anderer Teil des Stickstoffes (Leitung 11) wird in Wärmetauschern 12, 13 in Wärmetausch mit zwei noch zu beschreibenden Stickstoff-Teilströmen des Stickstoff-Kreislaufs angewärmt und anschließend ebenfalls der ersten Verdichterstufe zugeführt.

[0028] Ein Teil der Sumpfflüssigkeit aus der zweiten Trennsäule 8 wird über eine Leitung 21 entnommen, im Wärmetauscher 12 verdampft und wieder in die zweite Trennsäule 8 zurückgeleitet.

[0029] Um jede Verdichterstufe optimal auszunutzen wird der Stickstoff in jeder Stufe etwa um einen Faktor 3 verdichtet, d.h. auf 4,5; 13,5 und schließlich auf 40,5 bar. Der auf den Enddruck verdichtete Stickstoff (Leitung 15) wird im Wärmetauscher 13 in Wärmetausch mit dem Stickstoffstrom 11 sowie mit einem weiteren noch zu beschreibenden NiederdruckStickstoffstrom 19 abgekühlt. Zusätzliche Kälte liefert ein Kältemittel 14.

[0030] Ein Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes wird in einem Aufkocher 16 im Sumpf der ersten Trennsäule 5 abgekühlt. Der Stickstoff, der sich im überkritischen Zustand befindet, wird dabei über den steilen Teil der Enthalpiekurve geführt (Quasi-Kondensation). Er gelangt anschließend in den Wärmetauscher 12, in dem er unterkühlt wird, und wird schließlich in einen Stickstoff-Vorratsbehälter 17, der sich auf einem Druck von ca. 4,8 bar befindet, entspannt.

[0031] Der restliche Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes wird vor Beendigung des Wärmetausches aus dem Wärmetauscher 13 abgezweigt und in einer Entspannungsmaschine 18 arbeitsleistend entspannt, wobei sich sein Druck von ca. 40 bar auf ca. 5 bar und seine Temperatur von ca. 132 K auf ca. 84 K senken. Bei Bedarf wird ein Teil des auf Enddruck befindlichen Stickstoffes über Leitung 26 abgezweigt und beispielsweise als Sperrgas für den Verdichter 10 oder als Synthesegas weiter verwendet.

[0032] Der in der Entspannungsmaschine 18 entspannte Stickstoff 19 wird durch einen Teil des Wärmetauschers 12 geführt, in dem er Wärme aufnimmt, im Wärmetauscher 13 weiter erwärmt und dem Verdichter 10 an einer Zwischenstelle, nämlich auf der Saugseite der zweiten Verdichterstufe, zugeführt.

[0033] Erfindungsgemäß wird aus dem Verdichter 10 an einer Zwischenstelle ein Stickstoffstrom entnommen, der sich auf einem unterhalb des Enddruckes liegenden mittleren Druck befindet. Dieser Mitteldruck-Stickstoffstrom wird über Leitung 20 mit einem Druck von 13,5 bar am Ausgang der zweiten Verdichterstufe entnommen und in Parallelführung zu dem unter Enddruck befindlichen Stickstoffstrom 15 im Wärmetauscher 13 abgekühlt, im Aufkocher 16 weiter abgekühlt, im Wärmetauscher 12 verflüssigt und unterkühtt und zuletzt ebenfalls in den Stickstoff-Vorratsbehälter 17 entspannt.

[0034] Erfindungsgemäß decken somit die auf unterschiedlichen Druckniveaus befindlichen Stickstoffströme 15 und 20 den Wärmebedarf der beiden Trennsäule 5, 8. Der überwiegende Teil der Heizleistung (ca. 90 Ofo) in der ersten Trennsäule 5 wird von dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff 15 geliefert, während der größere Anteil der Heizleistung in der zweiten Trennsäule 8 (ca. 75 %) von dem Mitteldruck-Stickstoff 20 geliefert wird.

[0035] Aus dem Vorratsbehälter 17 wird gasförmiger Stickstoff 22 entnommen und dem arbeitsleistend entspannten Stickstoff 19 vor dem Wärmetauscher 12 zugemischt. Der flüssige Stickstoff 23 aus dom Vorratsbehälter 17 wird zum Teil in einem Wärmetauscher 27 verdampft, beispielsweise in Wärmetausch mit Argon-Produkt (nicht dargestellt), und dem gasförmigen Stickstoff 9 vor dem Wärmetauscher 2 zugeführt. Zum anderen Teil wird der flüssige Stickstoff einerseits als Waschflüssigkeit auf die zweite Trennsäule 8 aufgegeben (Leitung 24) und andererseits durch einen Kühler 25 im Kopf der ersten Trennsäule 5 geleitet, in welchem er verdampft, und anschließend dampfförmig ebenfalls dem Stickstoffstrom 9 zugeführt.

[0036] In Figur 2, die eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1 zeigt, sind für analoge Anlagenteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Es soll hier nur auf die unterschiedlichen Merkmale zu dem Verfahren gemäß Figur 1 hingewiesen werden. Bei dem Verfahren gemäß Figur 2 wird nicht der auf Enddruck befindliche Stickstoff, sondern der auf Mitteldruck befindliche Stickstoff 20 nach Passieren des Wärmetauschers 13 arbeitsleistend entspannt. Um einen optimalen Wirkungsgrad an der Entspannungsmaschine 18 zu erreichen, wird der Stickstoff von etwa 13 bar auf 2 bar entspannt, wobei er sich von etwa 132 K auf ca. 84 K abkühlt. Der Auspuff 19 der Entspannungsmaschine 18 wird dem Stickstoff 22 aus dem Vorratsbehälter 17 zugeführt und strömt nach Anwärmung in den Wärmetauschern 12 und 13 zum Verdichter 10 zurück. Allerdings wird der Stickstoff hier im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß Figur 1 bereits auf der Saugseite der ersten Verdichterstufe zugeführt. In dem Vorratsbehälter 17 herrscht im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren ein Druck von etwa 2 bar.

Ansprüche

1. Verfahren zur Zerlegung von Syntheseabgas in zwei aufeinanderfolgenden Trennstufen mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, bei dem Stickstoff auf einen Enddruck verdichtet, abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen weiter abgekühlt, entspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei gasförmiger und zurückverdampfter flüssiger Stickstoff erneut verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Stickstoffes (20) bereits bei einem unterhalb des Enddruckes liegenden Mitteldruck entnommen und in Parallelführung mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff (15) abgekühlt, durch Beheizung der beiden Trennstufen (5, 8) weiter abgekühlt, entspannt, mindestens teilweise verflüssigt und mit dem auf Enddruck befindlichen Stickstoff (15) nach dessen Entspannung vereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitteldruck zwischen 6 und 20 bar beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Enddruck zwischen 30 und 50 bar beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des verdichteten, abgekühlten Stickstoffes arbeitsleistend entspannt und dem gasförmigen Anteil (22) des teilweise verflüssigten Stickstoffes zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der arbeitsleistend entspannte Stickstoff auf einen Druck oberhalb des Eingangsdruckes des Verdichters (10) entspannt und dem Verdichter (10) an einer Zwischenstelle zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des nach der Entspannung gasförmig verbliebenen Stickstoffes (22) zusammen mit Stickstoff vom Kopf der zweiten Trennstufe (8) in Wärmetausch mit Syntheseabgas (1) angewärmt und anschließend dem zu verdichtenden Stickstoffstrom (9) beigemischt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bei der Entspannung verflüssigten Stickstoffes (23) durch Kühlen der ersten Trennstufe (5) verdampft und dem in Wärmetausch mit Syntheseabgas (1) anzuwärmenden Stickstoffstrom (9) beigemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beheizung der ersten Trennstufe (5) verwendete Stickstoff mit Mitteldruck (20) zwischen 5 und 20% der benötigten Gesamtheizleistung in der ersten Trennstufe liefert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beheizung der zweiten Trennstufe (8) verwendete Stickstoff mit Mittetdruck (20) zwischen 60 und 90% der benötigten Gesamtheizleistung in der zweiten Trennstufe (8) liefert.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei hintereinandergeschalteten Trennsäulen sowie mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, der einen Verdichter, einen Wärmetauscher, Aufkocher im Sumpf der beiden Trennsäulen und einen Stickstoff-Vorratsbehälter enthält, wobei der Ausgang des Verdichters mit dem Wärmetauscher und dessen kaltes Ende mit den beiden Aufkochern in Verbindung steht, und die Aufkocher ausgangsseitig in den Vorratsbehälter münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (10) mindesten zweistufig ausgebildet ist, wobei die Ausgänge der beiden Verdichterstufen getrennt voneinander durch den Wärmetauscher (13) und die beiden Aufkocher geführt sind und gemeinsam in den Vorratsbehälter (17) münden, und daß der Strömungsweg für den Stickstoff aus der ersten oder zweiten Verdichterstufe mit einer Entspannungsmaschine (18) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine (18) ausgangsseitig über einen Wärmetauscher (12) mit einer zum Verdichter (10) führenden Rückführungsleitung (11, 19) für gasförmigen Stickstoff verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühler (25) im Kopf der ersten Trennsäule (5) eingangsseitig mit dem Stickstoff-Vorratsbehälter (17) und ausgangsseitig mit einer weiteren zum Verdichter (10) führenden Rückführungsleitung (9) für gasförmigen Stickstoff verbunden ist.

Claims

1. A process for separating synthesis waste gas in two consecutive separating stages, having a nitrogen cooling cycle in which nitrogen is compressed to a final pressure, cooled, further cooled by heating the two separating stages, expanded and partially liquified, gaseous and re- vaporised, liquid nitrogen are re-compressed, characterised in that a part of the nitrogen (20) is withdrawn at an intermediate pressure below the final pressure and is cooled in parallel with the nitrogen (15) which is at the final pressure, further cooled by heating the two separating stages (5, 8), expanded, at least partially liquified, and combined with the nitrogen (15) which is at the final pressure after the expansion thereof.

2. A process as claimed in Claim 1, characterised in that the intermediate pressure is between 6 and 20 bar.

3. A process as claimed in Claim 1 or Claim 2, characterised in that the final pressure is between 30 and 50 bar.

4. A process as claimed in one of Claims 1 to 3, characterised in that a part of the compressed, cooled nitrogen is expanded with the performance of external work and is fed to the gaseous component (22) of the partially liquified nitrogen.

5. A process as claimed in Claim 4, characterised in that the nitrogen which is expanded with the performance of external work is expanded to a pressure above the input pressure of the compressor (10) and is fed to the compressor (10) at an intermediate point.

6. A process as claimed in one of Claims 1 to 4, characterised in that a part of the nitrogen (22) which remains in gaseous form after expension is heated, together with nitrogen from the head of the second separating stage (8), in heat exchange with synthesis waste gas (1) and is then added to the nitrogen stream (9) to be compressed.

7. A process as claimed in one of Claims 1 to 6, characterised in that a part of the nitrogen (23) which liquifies during the expansion step is vaporised by cooling the first separating stage and is added to the nitrogen stream (9) which is to be heated in heat exchange with synthesis waste gas (1).

8. A process as claimed in one of Claims 1 to 7, characterised in that the nitrogen at intermediate pressure (2), which is used to heat the first separating stage (5), supplies between 5 and 20 % of the total heating required in the first separating stage.

9. A process as claimed in one of Claims 1 to 8, characterised in that the nitrogen at intermediate pressure (20), which is used to heat the second separating stage (8), supplies between 60 and 90 % of the total heating required in the second separating stage (8).

10. Apparatus for carrying out the process claimed in Claim 1, comprising two separating columns connected in series and a nitrogen cooling cycle which contains a compressor, a heat exchanger, boilers in the sump of the two separating columns, and a nitrogen storage container, the output of the compressor being connected to the heat exchanger and the cold end thereof being connected to the two boilers, and the boilers at the output end opening into the storage container, characterised in that the compressor (10) consists of at least two stages, the outputs of the two compressor stages leading separately through the heat exchanger (13) and the two boilers and leading commonly into the feed container (17); and that the flow path for the nitrogen from the first or second compressor stage is connected to an expansion machine (18).

11. Apparatus as claimed in Claim 10, characterised in that the expansion machine (18) is connected at its output end through a heat exchanger (12) to a return line (11, 19) for gaseous nitrogen which leads to the compressor (10).

12. Apparatus as claimed in Claim 10 or Claim 11, characterised in that a cooler (25) in the head of the first separating column (5) is connected at its input end to the nitrogen storage container (17) and at its output end to another return line (9) for gaseous nitrogen which leads to the compressor (10).

Revendications

1. Procédé de séparation d'un gaz de synthèse dans deux étapes de séparation successives, utilisant un circuit d'azote de réfrigération, procédé dans lequel l'azote est comprimé à une finale, refroidi, puis refroidi à nouveau en assurant l'échauffement des deux étapes de séparation, détendu et partiellement liquéfié, cependant que l'on comprime à nouveau de l'azote gazeux et de l'azote qui a été vaporisé à partir de l'azote liquéfié, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote (20) est retirée dès que celui-ci atteint une pression intermédiaire inférieure à la pression finale, en ce que cette partie d'azote est canalisée en parallèle avec l'azote (15) soumis à la pression finale, pour être refroidie, en ce qu'elle est refroidie davantage en assurant l'échauffement des deux étapes de séparation (5, 8), et en ce qu'elle est liquéfiée partiellement et réunie à l'azote (15) soumis à la pression finale, après une détente de ce dernier.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pression intermédiaire est comprise entre 6 et 20 bars.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractèrisè en ce que ladite pression finale est comprise entre 30 et 50 bars.

4.- Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on détend, avec fourniture de travail, une partie de l'azote comprimé et refroidi et on l'ajoute à la phase gazeuse (22) de l'azote partiellement liquéfié.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on porte la pression de l'azote soumis à détente avec fourniture de travail, à une valeur supérieure à celle de la pression d'entrée du compresseur (10) et on l'introduit dans ce dernier en un point intermédiaire.

6. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote resté en phase gazeuse (22) après la détente est réchauffée avec l'azote provenant de la tête, dans la deuxième étape de séparation (8), par échange de chaleur avec le gaz de synthèse (1), et est ensuite ajoutée au courant d'azote (9) à comprimer.

7. Procédé selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote (23) liquéfié lors de la détente est vaporisée par refroidissement dans la première étape de séparation (5) et ajoutée au courant d'azote (9) à réchauffer par échange de chaleur avec le gaz de synthèse (1).

8. Procédé selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'azote (20) soumis à la pression intermédiaire et l'azote utilisé pour l'échauffement, dans la première étape de séparation (5), fournit 5 à 20 % de la puissance calorifique totale requise pour l'échauffement dans la première étape de séparation.

9. Procédé selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'azote utilisé, sous pression intermédiaire, pour l'échauffement dans la deuxième étape de séparation (8), fournit 60 à 90 % de la puissance calorifique requise totale requise dans cette deuxième étape de séparation (8).

10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant deux colonnes de séparation montées en série, ainsi qu'un circuit de refroidissement à azote comprenant un compresseur, un échangeur de chaleur, des bouilleurs dans la cuve des deux colonnes de séparation et un réservoir d'azote, cependant que la sortie du compresseur est reliée à l'échangeur de chaleur dont le côté froid est relié aux deux bouilleurs et que les sorties respectives desdits bouilleurs débouchent dans ledit réservoir, caractérisé en ce que ledit compresseur (10) comprend au moins deux étages, les sorties des deux étages de compresseur étant reliées séparément audit échangeur de chaleur (13) et aux deux bouilleurs, tout en débouchant ensemble dans ledit réservoir (17), et en ce que le trajet d'écoulement de l'azote sortant du premier ou du deuxième étage du compresseur est relié à une machine de détente (18).

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la machine de détente (18) est reliée, par sa sortie et par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (12) à une conduite de recyclage (11, 19) d'azote gazeux qui débouche dans le compresseur (10).

12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'un refroidisseur (25) disposé dans la tête de la première colonne de séparation (5) est reliée, par son entrée, audit réservoir d'azote (17) et, par sa sortie, à une autre conduite de recyclage (9) d'azote gazeux qui débouche dans ledit compresseur (10).

Zeichnung