(19)
(11) EP 1 336 806 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
20.08.2003  Patentblatt  2003/34

(21) Anmeldenummer: 03002408.7

(22) Anmeldetag:  04.02.2003
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)7F25J 3/08
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT SE SI SK TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL LT LV MK RO

(30) Priorität: 07.02.2002 DE 10205094

(71) Anmelder: Linde AG
65189 Wiesbaden (DE)

(72) Erfinder:
  • Voit, Jürgen
    86938 Schondorf a.A. (DE)

(74) Vertreter: Imhof, Dietmar 
LINDE AG Zentrale Patentabteilung
82049 Höllriegelskreuth
82049 Höllriegelskreuth (DE)

   


(54) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs


(57) Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist. Ein Strom (4) weniger reinen Stickstoffs wird in die erste Trennsäule (5) eingeleitet. Der Trennsäule des Destilliersäulen-Systems wird ein hoch reines Stickstoffprodukt (8) entnommen. Das Destilliersäulen-System umfasst außerdem einen ersten Kondensator-Verdampfer (6), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist. Im Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) wird Rücklaufflüssigkeit (26) für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt. Im Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) wird ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verdampft. Das Wärmeaustausch-Fluid (20, 21, 11) wird stromabwärts des ersten Kondensator-Verdampfers (6) einem Verdichter (12) zugeleitet. Mindestens ein Teil (14) des Wärmeaustausch-Fluids stromabwärts des Verdichters (11) wird dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers (7) zugeleitet. Im Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers (7) wird in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung betnffü ein Verfahren zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Strom weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule eingeleitet wird und der beziehungsweise einer Trennsäule des Destilliersäulen-Systems ein hoch reines Stickstoffprodukt entnommen wird, wobei das Destilliersäulen-System außerdem einen ersten kondensator-Verdampfer umfasst, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, im Verflüssigungsraum des ersten kondensator-Verdampfers Rücklaufflüssigkeit für die oder eine der Trennsäulen erzeugt und im Verdampfungsraum des ersten K6ndensator-Verdampfers ein Wärmeaustausch-Fluid verdampft wird, und wobei das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des ersten kondensator-Verdampfers einem Verdichter zugeleitet wird.

[0002] Mit Hilfe eines derartigen Systems kann beispielsweise am Ort eines Verbrauchers kostengünstig erhältlicher weniger reiner Stickstoff flüssig antransportiert werden; aus dieser weniger reinen tiefkalten Flüssigkeit wird mit einer relativ unkomplizierten Apparatur das benötigte hoch reine Produkt hergestellt.

[0003] Unter "weniger reinem Stickstoff" wird hier eine Fraktion verstanden, die hauptsächlich aus Stickstoff besteht, aber noch verschiedene Verunreinigungen enthält, insbesondere solche, die leichter als Stickstoff sieden, gegebenenfalls auch schwerer siedende Komponenten. Es kann sich beispielsweise um Stickstoff technischer Reinheit handeln. Der "weniger reine Stickstoff" weist beispielsweise eine Reinheit von mindestens 99,9 mol%, vorzugsweise mindestens 99,99 mol% auf. Er enthält noch beispielsweise 0,1 mol% oder weniger, vorzugsweise 0,01 mol% oder weniger, beispielsweise 0,001 mol% an Verunreinigungen. Er wird beispielsweise durch das Produkt einer benachbarten Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gebildet und/oder einem Flüssigtank entnommen. Das hoch reine Stickstoffprodukt enthält weniger Verunreinigungen als das Einsatzgemisch. Es weist zum Beispiel noch Verunreinigungen im Umfang von 0,1 ppm oder weniger, vorzugsweise von 0,01 ppm oder weniger auf.

[0004] Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus JP 02061481 A US 5421164 bekannt. Dieses System kann aus technisch reinem Stickstoff, der aus einem Speichertank kommt, hoch reinen Stickstoff herstellen. Der Kopfkondensator der (einzigen) Trennsäule ("erster Kondensator-Verdampfer") wird dabei mittels entspannter Sumpfflüssigkeit der Trennsäule gekühlt. Der dabei erzeugte Dampf wird rückverdichtet und in die Trennsäule eingeleitet.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und/oder eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind und insbesondere einen relativ geringen Energieverbrauch aufweisen.

[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des Verdichters dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers zugeleitet wird, der außerdem einen Verdampfungsraum aufweist, in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen erzeugt wird. Das Wärmeaustausch-Fluid ist damit unabhängig von der Zusammensatzung der Sumpfflüssigkeit der ersten Trennsäule. Es kann beispielsweise durch ein externes Medium oder durch eine andere Fraktion der Trennsäule(n) gebildet werden. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustausch-Fluid eingesetzt werden, das einen energetisch besonders günstigen Betrieb des Verfahrens ermöglicht.

[0007] Als Wärmeaustausch-Fluid wird bei der Erfindung beispielsweise eines der in der unten stehenden Tabelle erwähnten Fluide eingesetzt werden (die Konzentrationsangaben an Stickstoff, Argon und Sauerstoff sind als molare Mengen zu verstehen):
Nr. Bezeichnung N2-Gehalt Ar-Gehalt O2-Gehalt
1 Luft 0,78118 0,00932 0,2095
2 O2-angereichert 0,06 0,005 0,395
3 Unrein-O2 0,30 0,005 0,695
4 Reiner O2 0,00 0,005 0,995
5 Unrein-N2 0,98 01,005 0,0015
6 Reiner N2 0,999 0,001 0,00


[0008] Vorzugsweise wird das Wärmeaustausch-Fluid stromabwärts des zweiten Kondensator-Verdampfers entspannt und wieder dem ersten Kondensator-Verdampfer zugeführt, also in einem Kreislauf geführt. Kreislaufverluste können aus der beziehungsweise einer der Trennsäulen ergänzt werden, oder aber aus einer externen Quelle außerhalb des Destilliersäulen-Systems, beispielsweise einer vorgeschalteten Luftzerlegungs-Anlage oder von einem Flüssigtank. In dem Kreislaufsystem kann Kälte durch arbeitseistende Entspannung erzeugt werden, indem ein Fluidstrom aus dem Verdichter vom Wärmeaustausch-Fluid abgezweigt und einer oder mehreren Entspannungsmaschinen (zum Beispiel Turbinen) zugeleitet wird.

[0009] Dabei ist es günstig, wenn kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere der ersten Trennsäule oder in das Innere einer der Trennsäulen des Destiltiersäulen-Systems eingeführt beziehungsweise zurückgeführt wird.

[0010] Das Destilliersäulen-System kann als Einzelsäulensystem oder als Zwei- oder Mehr-Säulen-System ausgebildet sein. Im Fall eines Zwei-Säulen-Systems wird ein Zwischenprodukt aus der ersten Trennsäule entnommen und einer zweiten Trennsäule zugeleitet; der schließlich das hoch reine Stickstoffprodukt entnommen wird. Die Konfiguration und Verbindung der Säulen eines derartigen Zwei-Säulen-System ist den Ausführungsbeispielen der älteren deutschen Patentanmeldung 10158327 und der dazu korrespondierenden Patentanmeldungen zu entnehmen.

[0011] Insbesondere dann, wenn die Einsatzfraktion mindestens zeitweise aus einem Speichertank herangeführt wird, ist es günstig, wenn der Strom weniger reinen Stickstoffs in flüssiger Form in die erste Trennsäule eingeleitet wird. Hierdurch können die Vorteile flüssiger Lagerung genutzt werden und die Verflüssigungskälte geht nicht verloren, sondern kann in dem Destilliersäulen-System nutzbringend eingesetzt werden.

[0012] Wenn das hoch reine Stickstoffprodukt dem Destilliersäulen-System in flüssiger Form entnommen wird, kann dieses ebenfalls in einem Flüssigtank gelagert beziehungsweise gepuffert werden, bevor es einem Verbraucher zugeleitet wird.

[0013] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs gemäß den Patentansprüchen 9 und 10.

[0014] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestetlten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0015] In einem ersten Speichertank 1 wird Stickstoff einer Reinheit von 99,99 mol% ("weniger reiner Stickstoff") flüssig gelagert. Der Speichertank 1 wird beispielsweise aus einer benachbarten Luftzerlegungs-An lage oder von Tankfahrzeugen gespeist. Über eine Einsatzleitung 2, 4 wird flüssiger, weniger reiner Stickstoff mittels einer Pumpe 3 in eine Trennsäule 5 gefördert. Die Zuspeisung erfolgt etwa auf mittlerer Höhe.

[0016] Die Trennsäule (5) ist als Einzelsäule ausgebildet und bildet in dem Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Kopfkondensator ("erster Kondensator-Verdampfer") 6 und einem Sumpfverdampfer ("zweiter Kondensator-Verdampfer") 7 das "Destilliersäulen-System". In dem Kopfkondensator wird Kopfdampf 25 der Trennsäule verflüssigt. Das dabei gewonnene Kondensat 26 wird in die Trennsäule 5 zurückgeleitet und zu einem ersten Teil als Rücklauf eingesetzt. Ein zweiter Teil des Kondensats 26 wird vom Kopf der Trennsäule 5 als hoch reines Stickstoffprodukt 8 flüssig entnommen und in einen zweiten Speichertank 9 eingeleitet. Mit einer Restflüssigkeit 10 werden die schwererflüchtigen Verunreinigungen vom Sumpf der Trennsäule abgezogen, der gleichzeitig den Verdampfungsraum des Sumpfverdampfers 7 bildet. Die Restflüssigkeit 10 wird in den ersten Speichertank 1 zurückgeleitet. Alternativ kann die Restflüssigkeit 10 verworfen werden.

[0017] Das in dem Ausführungsbeispiel gezeigte System weist eineh Kreislauf auf, der zum Beispiel mit dem Fluid Nr. 5 aus der oben stehenden Tabelle als Wärmeaustausch-Fluid betrieben wird und zur Kühlung beziehungsweise Beheizung der beiden Kondensator-Verdampfer 6 und 7 dient. Gasförmiges Wärmeaustausch-Fluid 11 wird in einem Verdichter 12 mit Nachkühler 13 auf ein Druck von beispielsweise 6 bis 16 bar, vorzugsweise 10 bis 12 bar gebracht und anschließend in einem ersten Teilstrom 14 und einen zweiten Tejistrom 15 aufgeteilt.

[0018] Der erste Teilstrom 14 des Wärmeaustausch-Fluids wird in einen Kreislauf-Wärmetauscher 16 eingeleitet, dort abgekühlt, am kalten Ende des Kreislauf-Wärmetauschers 16 entnommen (17) und dem Verflüssigungsraum des Sumpfverdampfers 7 zugeleitet. Das verflüssigte Wärmeaustausch-Fluid 18 wird in einem Drosselventil 19 auf etwa den Eintrittsdruck des Verdichters 12 (beispielsweise 5 bis 15 bar, vorzugsweise 9 bis 10 bar) entspannt und im Verdampfungsraum des Kopfkondensators 6 verdampft. Dabei gebildetes Gas 20 wird über Leitung 21 zum kalten Ende des Kreislauf-Wärmetauschers 16 und weiter über Leitung 11 zum Eintritt des Verdichters 12 zurückgeführt.

[0019] Nur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wird der zweite Teilstrom 15 des verdichteten Wärmeaustausch-Fluids. Unter dieser Zwischentemperatur wird der zweite Teilstrom 22 zum Eintritt einer Generator-gebremsten Turbine 23 geleitet, dort arbeitsleistend auf etwa den Eintrittsdruck des Verdichters 12 entspannt und schließlich über die Leitungen 24,21,11 wieder dem Verdichter 12 zugeführt.

[0020] Die Vorrichtungsteile bzw. Verfahrenssch ritte zur internen Kälteerzeugung 15, 22, 23 und 24 können enifallen, wenn stattdessen Fremdkälte zum Ausgleich der Kälteverluste eingesetzt wird.


Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung hoch reinen Stickstofts aus weniger reinem Stickstoff in einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Strom (4) weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule (5) eingeleitet wird und der beziehungsweise einer Trennsäule des Destilliersäulen-Systems ein hoch reines Stickstoffprodukt (8) entnommen wird, wobei das Destilliersäulen-System außerdem einen ersten Kondensator-Verdampfer (6) umfasst, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, im Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) Rücklaufflüssigkeit (26) für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt und im Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verdampft wird, und wobei das Wärmeaustausch-Fluid (20, 21, 11) stromabwärts des ersten Kondensator-Verdampfers (6) einem Verdichter (12) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (14) des Wärmeaustausch-Fluids stromabwärts des Verdichters (11) dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers (7) zugeleitet wird, der außerdem einen Verdampfungsraum aufweist, in dem aufsteigender Dampf für die oder eine der Trennsäulen (5) erzeugt wird.
 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustausch-Fluid (18) stromabwärts des zweiten Kondensator-Verdampfers (7) entspannt (19) und wieder dem ersten Kondensator-Verdampfer (6) zugeführt wird.
 
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere der ersten Trennsäule (5) eingeführt wird.
 
4. Verfahren nach Anspmch 3, dadurch gekennzeichnet, dass kein Teil des Wärmeaustausch-Fluids in das Innere einer der Trennsäulen (5) des Destilliersäulen-Systems eingeführt wird.
 
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System als Einzelsäulensystem ausgebildet ist.
 
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System eine zweite Trennsäule aufweist, wobei ein Zwischenprodukt aus der ersten Trennsäule entnommen und der zweiten Trennsäule zugeleitet und das hoch reine Stickstoffprodukt der zweiten Trennsäule entnommen wird.
 
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom weniger reinen Stickstoffs (4) in flüssiger Form in die erste Trennsäule (5) eingeleitet wird.
 
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hoch reine Stickstoffprodukt (8) dem Destilliersäulen-System in flüssiger Form entnommen wird.
 
9. Vorrichtung zur Erzeugung hoch reinen Stickstoffs aus weniger reinem Stickstoff mit einem Destilliersäulen-System, das mindestens eine erste Trennsäule (5) aufweist, mit einer Einsatzleitung (2, 4) zur Einleitung eines Stroms weniger reinen Stickstoffs in die erste Trennsäule (5), mit einer Produktleitung (8) zur Entnahme eines hoch reinen Stickstoffprodukts aus dem Destilliersäulen-System, mit einem ersten Kondensator-Verdampfer (6), der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, wobei der Verflüssigungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) in Strömungsverbindung mit dem oberen Bereich der oder einer der Trennsäulen (5) steht und der Verdampfungsraum des ersten Kondensator-Verdampfers (6) mit einer Zuleitung (18) und mit einer Ableitung (20, 21) für ein Wärmeaustausch-Fluid (18) verbunden ist, und die Ableitung (20, 21) zum Eintritt eines Verdichters (12) führt, gekennzeichnet durch einen zweiten Kondensator-Verdampfers (7), dessen Verflüssigungsraum mit dem Austritt des Verdichters (11) verbunden ist und dessen Verdampfungsraum in Strömungsverbindung mit dem unteren Bereich der oder einer der Trennsäulen (5) steht.
 
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Herstellung einer Strömungsverbindung zwischen einer Quelle (1) für weniger reinen Stickstoff und der Einsatzleitung (2, 4).
 




Zeichnung







Recherchenbericht