[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.
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).