[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung
von Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule und eine Niederdrucksäule
aufweist, wobei bei dem Verfahren Einsatzluft in die Drucksäule eingeleitet, eine
sauerstoffhaltige flüssige Fraktion aus der Drucksäule entnommen und in die Niederdrucksäule
eingespeist wird, gasförmiger Stickstoff oberhalb eines Stoffaustauschabschnitts,
der mindestens einen theoretischen beziehungsweise praktischen Boden aufweist, aus
der Niederdrucksäule abgezogen und in einem Kopfkondensator durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem Kältemittel mindestens teilweise kondensiert wird und hoch reiner Stickstoff
unterhalb des Stoffaustauschabschnitts aus der Niederdrucksäule entnommen und als
Stickstoffprodukt gewonnen wird.
[0002] Derartige Verfahren und entsprechende Vorrichtungen sind aus EP 948730 B1 und EP
955509 A1 bekannt. Hier kann in der Niederdrucksäule Stickstoff unter erhöhtem Druck
gewonnen werden. Baut man Sperrböden ("Stoffaustauschabschnitt, der mindestens einen
theoretischen beziehungsweise praktischen Boden aufweist," in den oberen Bereich der
Niederdrucksäule ein, kann das Stickstoffprodukt besonders hohe Reinheit aufweisen,
insbesondere einen sehr geringen Gehalt an leichtflüchtigen Verunreinigungen.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig
sind.
[0004] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren ein Kältezuführungssystem aufweist,
in dem ein Kältefluid strömt und mindestens ein Teil des Kältefluids aus dem Kältezuführungssystem
oberhalb des Stoffaustauschabschnitts in die Niederdrucksäule eingeleitet wird. Alternativ
oder zusätzlich ist im Rahmen der Erfindung eine Einführung des Kältefluids aus dem
Kältezuführungssystem in den oberen Bereich der Drucksäule möglich.
[0005] Das Kältefluid kann bei der Erfindung durch ein leicht erhältliches Medium gebildet
werden, das in die Niederdrucksäule eingeleitet wird und damit an dem Stoffaustausch
in der Niederdrucksäule beteiligt ist, ohne dass die Reinheit des hoch reinen Stickstoffprodukts
beeinträchtigt wird und ohne dass der Betriebsdruck der Niederdrucksäule auf die Bedürfnisse
des Kältezuführungssystem abgestimmt werden muss. (Ein geeignetes Kältefluid stellt
zum Beispiel Stickstoff dar, der noch leichtflüchtige Verunreinigungen enthält.) Im
Gegensatz dazu wird bei dem Kältezuführungssystem der bekannten Verfahren eine Restfraktion,
zum Beispiel vom Verdampfungsraum des Kopfkondensators, abgezogen, arbeitsleistend
auf etwa Atmosphärendruck entspannt und aus dem Verfahren entfernt. Dabei liegt der
Mindest-Betriebsdruck des Kopfkondensators und damit derjenige der Niederdrucksäule
allein durch das Kältezuführungssystem fest. Dieser Nachteil wird bei der Erfindung
vermieden, ohne dabei die Produktreinheit zu verringern.
[0006] Das Kältefluid wird bei der Erfindung vorzugsweise am Kopf der Niederdrucksäule eingespeist.
[0007] In einer ersten Variante der Erfindung wird das Kältefluid aus der Drucksäule entnommen,
in dem Kältezuführungssystem arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule
eingeleitet.
[0008] Durch die arbeitsleistende Entspannung eines Fluids, insbesondere eines Gases, von
Drucksäulen- auf Niederdrucksäulendruck kann auf besonders günstige Weise Verfahrenskälte
erzeugt werden. Damit können die Isolations- und Austauschverluste kompensiert und
gegebenenfalls kleine Mengen an Produkten verflüssigt werden. Das Kältefluid wird
vorzugsweise stromaufwärts seiner arbeitsleistenden Entspannung in indirektem Wärmeaustausch
gegen abzukühlende Prozess-Ströme angewärmt.
[0009] Der Stoffaustauschabschnitt wird durch einen oder mehrere Rektifizierböden (so genannte
Sperrböden) gebildet - hierfür gilt die Angabe in "praktischer" Bodenzahl - oder durch
einen kurzen Packungsabschnitt ("theoretische" Bodenzahl). Die Zahl der Sperrböden
beziehungsweise theoretischen Böden beträgt beispielsweise 1 bis 10, vorzugsweise
2 bis 3. Durch den Abzug der Stickstoffprodukts unterhalb dieser Sperrböden weist
das Stickstoffprodukt einen sehr geringen Gehalt an leichtflüchtigen Verunreinigungen
auf, die im Kopf der Niederdrucksäule zurückbleiben und von dort mit einem weniger
reinen Stickstoffstrom abgezogen werden.
[0010] Das Kältefluid enthält regelmäßig leichter als Stickstoff flüchtige Bestandteile.
Dank der Einspeisung oberhalb des beschriebenen Stoffaustauschabschnitts gelangen
diese jedoch nicht in das weiter unten abgezogenen Stickstoffprodukt.
[0011] Es ist günstig, wenn das Kältefluid aus dem oberen Bereich der Drucksäule entnommen
wird. Es wird zum Beispiel durch eine stickstoffreiche Gasfraktion aus der Drucksäule
gebildet, insbesondere durch deren Kopfgas.
[0012] Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird das Kältefluid durch eine tiefkalte
Flüssigkeit gebildet, die außerhalb des Rektifiziersystems erzeugt wurde.
[0013] Durch die Einspeisung externer Flüssigkeit als Kältequelle (Liquid Assist) weist
das Verfahren eine besonders hohe Flexibilität auf. Es kann beispielsweise ganz oder
teilweise auf Maschinen zur Kälteerzeugung, wie zum Beispiel Entspannungsturbinen,
verzichtet werden. Die tiefkalte Flüssigkeit kann beispielsweise durch Flüssigstickstoff
gebildet werden, der aus einer anderen Luftzerlegungsanlage stammt; altemativ kann
jedes andere Gemisch von Luftkomponenten eingesetzt werden. Die externe Flüssigkeit
kann entweder über eine Rohrleitung herangeführt oder aus einem Speicherbehälter entnommen
werden. Die Einspeisung erfolgt an derjenigen Stelle, die der Zusammensetzung der
externen Flüssigkeit entspricht. Dies kann der obere Bereich der Druck- oder Niederdrucksäule
sein.
[0014] Die tiefkalte Flüssigkeit kann teilweise oder vollständig in die Niederdrucksäule
eingeleitet werden, vorzugsweise an deren Kopf. Alternativ oder zusätzlich kann die
tiefkalte Flüssigkeit mindestens zum Teil in den oberen Bereich der Drucksäule eingeführt
werden.
[0015] Vorzugsweise wird Kältemittel für den Kopfkondensator aus dem unteren Bereich der
Niederdrucksäule entnommen, und das gesamte sauerstoffangereicherte Produkt der Drucksäule
wird in die Niederdrucksäule eingespeist. Unter "sauerstoffangereichert" wird hier
jede Fraktion verstanden, deren Sauerstoffgehalt größer als derjenige der Luft ist.
[0016] Das Stickstoffprodukt kann gasförmig aus der Niederdrucksäule abgezogen werden. Alternativ
wird es flüssig aus der Niederdrucksäule entnommen und in indirektem Wärmeaustausch
mit arbeitsleistend entspanntem Kältefluid verdampft. Auch eine Kombination dieser
beiden Verfahrensschritte ist möglich.
[0017] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 10 bis
12.
[0018] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
zweier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele - je eines für jede der
beiden Varianten der Erfindung - näher erläutert.
[0019] Verdichtete und gereinigte Luft 1 wird bei dem Ausführungsbeispiel von
Figur 1 in einem Hauptwärmetauscher 2 abgekühlt und einer Drucksäule 4 unter einem Druck
von 9 bis 13 bar zugeleitet (3). Das Rektifiziersystem weist außerdem eine Niederdrucksäule
5 auf, die mit einem Druck von 2 bis 5 bar betrieben wird und mit der Drucksäule über
einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 6 in wärmetauschender
Verbindung steht. Ein Teil 8 des am Kopf der Drucksäule entnommenen Stickstoffs wird
im Hauptkondensator 6 verflüssigt und über die Leitungen 9 und 10 teilweise als Rücklauf
auf die Drucksäule aufgegeben. Ein anderer Strom 14 der Flüssigkeit 9 aus dem Hauptkondensator
6 wird unterkühlt (15) und zu einem ersten Teil 20 als Rücklauf der Niederdrucksäule
5 am Kopf zugeführt. Zu einem zweiten Teil 21 wird der unterkühlte Stickstoff als
Flüssigprodukt PLIN abgezogen. Sumpfflüssigkeit 11 der Drucksäule wird nach Unterkühlung
15 als sauerstoffhaltige flüssige Fraktion in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt
(12).
[0020] Die Sumpfflüssigkeit 13 der Niederdrucksäule 5 wird ebenfalls unterkühlt (15) und
entspannt (16) und anschließend in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 17 der
Niederdrucksäule 5 eingeführt. In dessen Verflüssigungsraum kondensiert gasförmiger
Stickstoff 18 vom Kopf der Niederdrucksäule 5; das Kondensat 19 wird in die Niederdrucksäule
zurückgeleitet und dort als zusätzlicher Rücklauf verwendet. Aus dem unteren Bereich
des Verdampfungsraums des Kopfkondensators 17 wird über Leitung 22 kontinuierlich
oder intermittierend eine Spülflüssigkeit (PURGE) abgezogen. Der im Kopfkondensator
17 erzeugte Dampf 23 wird in den Wärmetauschem 15 und 2 auf etwa Umgebungstemperatur
angewärmt und über Leitung 24 verworfen und/oder als Regeneriergas für eine nicht
dargestellte Reinigungsvorrichtung (zum Beispiel Molekularsieb-Station) eingesetzt.
Über eine Leitung 35 wird nicht kondensiertes Gas, das insbesondere leichterflüchtige
Komponenten enthält, abgezogen. Es wird abgeblasen (36) und/oder dem Dampf 23 zugemischt
(37).
[0021] Unterhalb des Kopfs der Niederdrucksäule 5 befindet sich ein Stoffaustauschabschnitt
25, der in dem Beispiel durch drei praktische Böden (Sperrböden) gebildet wird. Darunter
wird über Leitung 26 gasförmiger Stickstoff als hochreines Produkt entnommen und in
den Wärmetauschem 15 und 2 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Das warme Stickstoffprodukt
27 kann unmittelbar als Endprodukt (PGAN) verwendet werden, oder es wird - wie in
der Zeichnung dargestellt - zunächst in einem Stickstoffverdichter 28 mit Nachkühler
29 weiter komprimiert und schließlich über Leitung 30 abgezogen.
[0022] Über Leitung 31 wird ein Teil des gasförmigen Kopfstickstoffs aus der Drucksäule
4 als Kältefluid abgezogen, im Hauptwärmetauscher 2 auf eine Zwischentemperatur angewärmt
und über Leitung 32 einer Entspannungsmaschine 33 zugeführt, die beispielsweise als
Generatorturbine ausgebildet ist. Das arbeitsleistend auf etwa Niederdrucksäulendruck
entspannte Kältefluid 34 wird dem Kopf der Niederdrucksäule zugeführt, also oberhalb
der Sperrböden 25 eingespeist. Diese Verfahrensschritte beziehungsweise die dazu verwendeten
Vorrichtungsteile bilden ein "Kältezuführungssystem" gemäß der ersten Variante der
Erfindung.
[0023] Alternativ oder zusätzlich kann in dem "Kältezuführungssystem" gemäß der ersten Variante
der Erfindung Stickstoff als Kältefluid auf über Drucksäulen-Druck verdichtet, arbeitsleistend
entspannt und in die Drucksäule (vorzugsweise am Kopf) eingespeist werden (in der
Zeichnung nicht dargestellt).
[0024] Bei Ausfall der Turbine 33 kann die Anlage im Notbetrieb gefahren werden, indem eine
tiefkalte Flüssigkeit (38) von außerhalb des Rektifiziersystems in eine der Säulen
des Rektifiziersystems eingeleitet wird ("Liquid Assist"), wie es in Figur 2 im Detail
erläutert ist. Im Unterschied zu der letztgenannten Patentanmeldung muss die tiefkalte
Flüssigkeit nicht unbedingt außerhalb des Rektifiziersystems erzeugt worden sein;
vielmehr kann für den Notbetrieb auch Flüssigkeit (zum Beispiel flüssiger Stickstoff)
verwendet werden, der während des Normalbetriebs der Anlage erzeugt und in einem Speichertank
gelagert wird.
[0025] Das Ausführungsbeispiel von Figur 1 kann so abgewandelt werden, dass in der Niederdrucksäule
ein gasförmiges und/oder flüssiges Sauerstoffprodukt erzeugt wird. Dazu wird nur ein
Teil der Sumpfflüssigkeit 11 der Drucksäule nach Unterkühlung 15 als sauerstoffhaltige
flüssige Fraktion in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt; ein anderer Teil wird vor
dem Ventil 12 abgezweigt und in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 17 geleitet.
Die Einspeisung 16 von Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule in diesen Verdampfungsraum
entfällt ganz oder teilweise. Aus dem Sumpfbereich der Niederdrucksäule 5 wird das
Sauerstoffprodukt gasförmig und/oder flüssig abgezogen.
[0026] Verdichtete und gereinigte Luft 1 wird bei dem Ausführungsbeispiel von
Figur 2 in einem Hauptwärmetauscher 2 abgekühlt und einer Drucksäule 4 unter einem Druck
von 9 bis 10 bar zugeleitet (3). Das Rektifiziersystem weist außerdem eine Niederdrucksäule
5 auf, die mit einem Druck von 2 bis 3 bar betrieben wird und mit der Drucksäule über
einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer (Hauptkondensator) 6 in wärmetauschender
Verbindung steht. Der am Kopf der Drucksäule entnommene Stickstoff 8 wird im Hauptkondensator
6 verflüssigt und über die Leitungen 9 und 10 teilweise als Rücklauf auf die Drucksäule
aufgegeben. Ein anderer Teil 14 der Flüssigkeit 9 aus dem Hauptkondensator 6 wird
unterkühlt (15) und zu einem ersten Teil 20 als Rücklauf der Niederdrucksäule 5 am
Kopf zugeführt. Zu einem zweiten Teil 21 wird der unterkühlte Stickstoff als Flüssigprodukt
PLIN abgezogen. Sumpfflüssigkeit 11 der Drucksäule wird nach Unterkühlung 15 als sauerstoffhaltige
flüssige Fraktion in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt (12).
[0027] Die Sumpfflüssigkeit 13 der Niederdrucksäule 5 wird ebenfalls unterkühlt (15) und
entspannt (16) und anschließend in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 17 der
Niederdrucksäule 5 eingeführt. In dessen Verflüssigungsraum kondensiert gasförmiger
Stickstoff 18 vom Kopf der Niederdrucksäule 5; das Kondensat 19 wird in die Niederdrucksäule
zurückgeleitet und dort als zusätzlicher Rücklauf verwendet. Aus dem unteren Bereich
des Verdampfungsraums des Kopfkondensators 17 wird über Leitung 22 kontinuierlich
oder intermittierend eine Spülflüssigkeit (PURGE) abgezogen. Der im Kopfkondensator
17 erzeugte Dampf 23 wird in den Wärmetauschem 15 und 2 auf etwa Umgebungstemperatur
angewärmt und über Leitung 24 verworfen und/oder als Regeneriergas für eine nicht
dargestellte Reinigungsvorrichtung (zum Beispiel Molekularsieb-Station) eingesetzt.
Über eine Leitung 35 wird nicht kondensiertes Gas, das insbesondere leichterflüchtige
Komponenten enthält, abgezogen. Es wird abgeblasen (36) und/oder dem Dampf 23 zugemischt
(37).
[0028] Unterhalb des Kopfs der Niederdrucksäule 5 befindet sich ein Stoffaustauschabschnitt
25, der in dem Beispiel durch drei praktische Böden (Sperrböden) gebildet wird. Darunter
wird über Leitung 26 gasförmiger Stickstoff als hochreines Produkt entnommen und in
den Wärmetauschem 15 und 2 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Das warme Stickstoffprodukt
27 kann unmittelbar als Endprodukt (PGAN) verwendet werden, oder es wird - wie in
der Zeichnung dargestellt - zunächst in einem Stickstoffverdichter 28 mit Nachkühler
29 weiter komprimiert und schließlich über Leitung 30 abgezogen.
[0029] Über Leitung 38 wird flüssiger Stickstoff, der nicht in einer der Säulen 4, 5 des
Rektifiziersystems hergestellt wurde, dem Kopf der Niederdrucksäule - also oberhalb
der Sperrböden 25 - zugeführt. Diese tiefkalte Flüssigkeit wird in dem Beispiel einem
Speichertank 39 entnommen, der aus einer externen Quelle befüllt wird, beispielsweise
mittels Tankwagen. Diese Verfahrensschritte beziehungsweise die dazu verwendeten Vorrichtungsteile
bilden ein "Kältezuführungssystem" gemäß der zweiten Variante der Erfindung.
[0030] Alternativ oder zusätzlich kann in dem "Kältezuführungssystem" gemäß der zweiten
Variante der Erfindung flüssiger Stickstoff aus dem Speichertank 39 als Kältefluid
in die Drucksäule (vorzugsweise am Kopf) eingespeist werden (in der Zeichnung nicht
dargestellt).
[0031] Das Ausführungsbeispiel von Figur 2 kann so abgewandelt werden, dass in der Niederdrucksäule
ein gasförmiges und/oder flüssiges Sauerstoffprodukt erzeugt wird. Dazu wird nur ein
Teil der Sumpfflüssigkeit 11 der Drucksäule nach Unterkühlung 15 als sauerstoffhaltige
flüssige Fraktion in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt; ein anderer Teil wird vor
dem Ventil 12 abgezweigt und in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 17 geleitet.
Die Einspeisung 16 von Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule in diesen Verdampfungsraum
entfällt ganz oder teilweise. Aus dem Sumpfbereich der Niederdrucksäule 5 wird das
Sauerstoffprodukt gasförmig und/oder flüssig abgezogen.
1. Verfahren zur Gewinnung von hoch reinem Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von
Luft in einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule
(5) aufweist, wobei bei dem Verfahren Einsatzluft (1, 3) in die Drucksäule (4) eingeleitet,
eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion (11) aus der Drucksäule (4) entnommen und
in die Niederdrucksäule (5) eingespeist wird, gasförmiger Stickstoff (18) oberhalb
eines Stoffaustauschabschnitts (25), der mindestens einen theoretischen beziehungsweise
praktischen Boden aufweist, aus der Niederdrucksäule (5) abgezogen und in einem Kopfkondensator
(17) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kältemittel (13) mindestens teilweise
kondensiert wird und hoch reiner Stickstoff (26, 27, 30) unterhalb des Stoffaustauschabschnitts
(25) aus der Niederdrucksäule (5) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Kältezuführungssystem aufweist, in dem ein Kältefluid (31, 32,
34; 38) strömt und mindestens ein Teil des Kältefluids aus dem Kältezuführungssystem
oberhalb des Stoffaustauschabschnitts (25) in die Niederdrucksäule (5) oder in den
oberen Bereich der Drucksäule (4) eingeleitet (34; 38) wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältefluid aus der Drucksäule (4) entnommen, in dem Kältezuführungssystem arbeitsleistend
entspannt (33) und in die Niederdrucksäule (5) eingeleitet (34) wird
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältefluid (31) aus dem oberen Bereich der Drucksäule (4) entnommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältefluid durch eine tiefkalte Flüssigkeit (38) gebildet wird, die außerhalb
des Rektifiziersystems erzeugt wurde.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefkalte Flüssigkeit teilweise oder vollständig in die Niederdrucksäule (5)
eingeleitet wird.
6. Verfahren nach der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kältemittel (13) für den Kopfkondensator (17) aus dem unteren Bereich der Niederdrucksäule
(5) entnommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte sauerstoffangereicherte Produkt (11) der Drucksäule (4) in die Niederdrucksäule
(5) eingespeist (12) wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoffprodukt (26) mindestens teilweise gasförmig aus der Niederdrucksäule
(5) abgezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoffprodukt mindestens teilweise flüssig aus der Niederdrucksäule abgezogen
und in indirektem Wärmeaustausch mit arbeitsleistend entspanntem Kältefluid verdampft
wird.
10. Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in
einem Rektifiziersystem, das eine Drucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (5) aufweist,
mit einer Einsatzluftleitung (1, 3), die in die Drucksäule (4) führt, mit einer Leitung
(11) für eine sauerstoffhaltige flüssige Fraktion, die von der Drucksäule (4) in die
Niederdrucksäule (5) führt, mit einem Kopfkondensator (17), dessen Verflüssigungsseite
mit einem Bereich der Niederdrucksäule (5) oberhalb eines Stoffaustauschabschnitts
(25), der mindestens einen theoretischen beziehungsweise praktischen Boden aufweist,
verbunden (18) ist, und mit einer Stickstoffproduktleitung (26, 27, 30) zur Entnahme
hoch reinen Stickstoffs, die unterhalb des Stoffaustauschabschnitts (25) mit der Niederdrucksäule
(5) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Kältezuführungssystem, das eine Kältefluidleitung (31, 32, 34; 38) aufweist,
die oberhalb des Stoffaustauschabschnitts (25) mit der Niederdrucksäule (5) verbunden
ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältezuführungssystem eine Entspannungsmaschine (33) aufweist, deren Eintritt
mit der Drucksäule (4) verbunden (11, 32) ist und deren Austritt mit der Kältefluidleitung
(31, 32, 34; 38) verbunden (34) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältefluidleitung als Flüssigkeitsleitung (38) zur Einspeisung einer tiefkalten
Flüssigkeit, die außerhalb des Rektifiziersystems erzeugt wurde, ausgebildet ist.