Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft

Abstract

 Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (4, 5). Ein erster Einsatzluftstrom (1, 3) wird in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt. Eine sauerstoffreiche Fraktion (34) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung wird flüssig auf Druck gebracht (35) und auf eine Mischsäule (39) aufgegeben (36, 37, 38). Ein Wärmeträgerstrom, insbesondere ein zweiter Einsatzluftstrom (40, 41), wird in den unteren Bereich der Mischsäule (39) eingeleitet und in Gegenstromkontakt mit der sauerstoffreichen Fraktion (34, 36, 37, 38) gebracht. Aus dem oberen Bereich der Mischsäule (39) wird eine Unrein-Sauerstoff-Fraktion (46, 47, 49) entnommen und als unreines Sauerstoffprodukt (50) abgeführt. Die Unrein-Sauerstoff-Fraktion (46) wird arbeitsleistend entspannt (48).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Das Rektifiziersystem der Erfindung kann als Zwei-Säulen-System, beispielsweise als klassisches Doppelsäulen-System, ausgebildet sein, aber auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen (beispielsweise Krypton, Xenon und/oder Argon) aufweisen.

[0003] Die sauerstoffreiche Fraktion, die als Einsatz für die Mischsäule verwendet wird, weist eine Sauerstoffkonzentration auf, die höher als diejenige von Luft ist und beispielsweise bei 70 bis 99,5 mol-%, vorzugsweise bei 90 bis 98 mol-% liegt. Unter Mischsäule wird eine Gegenstromkontaktkolonne verstanden, in der eine leichterflüchtige gasförmige Fraktion einer schwererflüchtigen Flüssigkeit entgegengeschickt wird.

[0004] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Gewinnung von gasförmigem unreinen Sauerstoff. Als unreiner Sauerstoff wird hier ein Gemisch mit einem Sauerstoffgehalt von 99,5 mol-% oder weniger, insbesondere von 70 bis 99,5 mol-% bezeichnet. Der Produktdruck liegt in der Regel unterhalb des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule (bei Einsatz eines Zwei- oder Mehr-Säulen-Prozesses als Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung), beispielsweise bei 2 bis 4 bar, vorzugsweise bei etwa 3 bar. Selbstverständlich kann das Druckprodukt bei Bedarf in gasförmigem Zustand weiter verdichtet werden. Grundsätzlich kann die Erfindung auch bei Mischsäulendrücken oberhalb des Hochdrucksäulendrucks angewendet werden, zum Beispiel bei 4,5 bis 16 bar, insbesondere bei 5 bis 12 bar.

[0005] Mischsäulen-Verfahren und -Vorrichtungen sind in EP 697576 A1 und EP 698772 A1 gezeigt. Bei diesen Systemen wird Kälte mindestens zum Teil durch arbeitsleistende Entspannung von Mischsäulenluft (des "zweiten Einsatzluftstroms") gewonnen.

[0006] Verfahren der eingangs genannten Art sind auch aus EP 531182 A1, DE 19951521 A1 und EP 1139046 A1 bekannt (siehe auch nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldungen 10228111 und 10139727, sowie dazu korrespondierende Anmeldungen in weiteren Ländern). Hier wird Verfahrenskälte durch arbeitsleistende Entspannung von Luft in einer Einblaseturbine erzeugt; die Turbinenluft wird anschließend in die Niederdrucksäule eingeführt. Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10209421 und die und dazu korrespondierenden Anmeldungen in weiteren Ländern offenbaren die Kombination einer Einblase- und einer Mischsäulen-Turbine.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind.

[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Unrein-Sauerstoff-Fraktion arbeitsleistend entspannt wird. Hierbei wird Kälte gewonnen, welche die arbeitsleistende Entspannung von Luft in die Niederdrucksäule (Einblaseturbine) ganz oder teilweise ersetzt. Dadurch wird die Produktausbeute verbessert (verringerter Luftfaktor). Auch beim kostengünstigen Einsatz von Rektifizierböden (zum Beispiel Siebböden) in der oder den Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung an Stelle von Packungen kann bei der Erfindung noch ein akzeptabler Energieverbrauch trotz höheren Luftdrucks erreicht werden. Der erhöhte Luftdruck vermindert wiederum den Aufwand bei der Luftreinigung; es kann beispielsweise eine kleinere Molekularsieb-Station eingesetzt werden.

[0009] Bei der Erfindung wird die Mischsäule unter einem Druck betrieben, der höher als der Abgabedruck des unreinen Sauerstoffprodukts ist. Dabei ist eine anschließende Weiterverdichtung des Produkts (Außenverdichtung) nicht ausgeschlossen; die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen jedoch bei relativ niedrigen Produktdrücken von beispielsweise 2 bis 4 bar, vorzugsweise etwa 3 bar besonders deutlich zum Tragen, bei denen im Allgemeinen keine Weiterverdichtung erforderlich ist. Die Druckdifferenz zwischen Mischsäule und Abgabedruck wird durch die arbeitsleistende Entspannung der Unrein-Sauerstoff-Fraktion zur Erzeugung von Kälte genutzt. Dabei kann jeder bekannte Typ von Entspannungsmaschine zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Booster-Turbine; vorzugsweise wird eine ölgebremste Turbine oder eine Generator-Turbine eingesetzt.

[0010] Vorzugsweise wird eine Flüssigkeit aus dem unteren und/oder mittleren Bereich der Mischsäule in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt.

[0011] Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ist vorzugsweise als Zwei- oder Mehr-Säulen-System ausgebildet und weist eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule auf, wobei der erste Einsatzluftstrom in die Hochdrucksäule eingeführt wird und die sauerstoffreiche Fraktion aus der Niederdrucksäule entnommen wird.

[0012] Es ist günstig, wenn der erste Einsatzluftstrom für das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und der zweite Einsatzluftstrom, der als Wärmeträgerstrom für die Mischsäule dient, gemeinsam auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule verdichtet werden. Dabei wird der zweite Einsatzluftstrom stromabwärts der Verdichtung auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule vorzugsweise nicht nachverdichtet. Auf diese Weise genügt eine einzige Maschine zur Verdichtung von Zerlegungs- und Mischsäulen-Luft.

[0013] Falls die Kälte, die bei der arbeitleistenden Entspannung der Unrein-Sauerstoff-Fraktion erzeugt wird, nicht für das Verfahren ausreicht, kann selbstverständlich jede andere für die Tieftemperaturzerlegung von Luft bekannte Methode der Kälteerzeugung zusätzlich angewendet werden. Beispielsweise kann Luft auf über Mischsäulen- beziehungsweise Hochdrucksäulen-Druck gebracht und anschließend arbeitsleistend in die Mischsäule oder in die Hochdrucksäule entspannt werden. Günstiger ist im Rahmen der Erfindung jedoch eine Kombination mit einer Einblaseturbine, wobei ein dritter Einsatzluftstrom arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule eingeleitet wird. Hierbei können alle drei Einsatzluftströme in einer einzigen Maschine gemeinsam auf einen einheitlichen Druck verdichtet werden. Der dritte Einsatzluftstrom kann direkt in die Einblaseturbine geleitet oder vorher nachverdichtet werden, vorzugsweise in einem von einer Turbine angetrieben Nachverdichter (Turbinen-Booster).

[0014] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 8.

[0015] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0016] Ein erster Einsatzluftstrom 1 wird in einem Hauptwärmetauscher, der in dem Beispiel aus zwei seriell verbundenen Blöcken 2a, 2b besteht, auf etwa Taupunkt abgekühlt. Die kalte Luft 3 wird in die Hochdrucksäule 4 eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 4 beträgt beispielsweise 4,3 bis 6,9 bar, vorzugsweise etwa 5,6 bar. Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist außerdem eine Niederdrucksäule 5 auf, die unter beispielsweise 1,3 bis 1,7 bar, vorzugsweise etwa 1,5 bar betrieben wird. Der Kopf der Hochdrucksäule und der Sumpf der Niederdrucksäule 5 stehen über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer, den Hauptkondensator 6 in wärmetauschender Verbindung. Vor dem Eintritt in den Hauptwärmetauscher 2a wird der erste Einsatzluftstrom 1 auf einen Druck verdichtet (nicht dargestellt), der gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule plus Leitungsverlusten ist.

[0017] Sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit 7 der Hochdrucksäule 4 wird in einem ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 8 abgekühlt, in einem Drosselventil 9 auf etwa Niederdrucksäulen-Druck entspannt und über Leitung 10 der Niederdrucksäule 5 an einer ersten Zwischenstelle zugeführt. Gasförmiger Stickstoff 11 vom Kopf der Hochdrucksäule 4 wird mindestens zu einem ersten Teil über Leitung 12 dem Hauptkondensator 6 zugeführt und dort im Wesentlichen vollständig kondensiert. Der flüssige Stickstoff 13 aus dem Hauptkondensator dient als Rücklauf für Hochdrucksäule und Niederdrucksäule und gegebenenfalls als Flüssigprodukt. Dazu wird ein erster Teil über die Leitungen 14 und 16 durch einen zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 15 in einen ersten Abscheider (Phasentrenner) 17 eingeleitet. Ein zweiter Teil fließt über Leitung 18 in die Hochdrucksäule 4 und wird dort als Rücklauf eingesetzt. Ein weiterer Teil strömt ebenfalls über Leitung 18 in die Hochdrucksäule, wird aber über Leitung 19 wieder entnommen und durch den zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 15 und durch Leitung 20 in einen zweiten Abscheider (Phasentrenner) 21 eingespeist. Die Flüssigkeit 22 aus dem ersten Abscheider 17 wird mindestens zu einem Teil über die Leitungen 23 und 24 als Rücklauf auf die Niederdrucksäule 5 aufgegeben. Die restliche Flüssigkeit 25 kann - wie die flüssige Fraktion 26 aus dem zweiten Abscheider 21 - als flüssiges Stickstoffprodukt gewonnen werden.

[0018] Gasförmiger Reinstickstoff 27 vom Kopf der Niederdrucksäule 5 wird gemeinsam mit den Flashgasen 28 und 29 aus den beiden Abscheidem 17, 26 über Leitung 30 abgezogen, in den beiden Unterkühlungs-Gegenströmem 15, 16 und im Hauptwärmetauscher 2b, 2a angewärmt und über Leitung 31 unter etwa Umgebungstemperatur als druckloses gasförmiges Stickstoffprodukt gewonnen. Einige Böden tiefer wird Unrein-Stickstoff 32 gasförmig entnommen, ebenfalls in den beiden Unterkühlungs-Gegenströmern 15, 16 und im Hauptwärmetauscher 2b, 2a angewärmt und über Leitung 33 als Rest- oder Regeneriergas abgeführt.

[0019] Aus dem Sumpf oder von etwas oberhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule 5 wird eine sauerstoffreiche Fraktion 34 flüssig abgezogen, in einer Pumpe 35 flüssig auf Druck gebracht und strömt unter einem gegenüber dem Abzug aus der Niederdrucksäule 5 erhöhten Druck (in der Regel gleich dem Mischsäulen-Druck plus Leitungsverlusten und statischem Druck) wird über die Leitungen 36, 37 und 38 nach Unterkühlung im ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 8 und am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 2b auf den Kopf einer Mischsäule 39 aufgegeben. Die Mischsäule kann unter demselben Druck wie die Hochdrucksäule 4 betrieben werden, das heißt an mindestens einer Stelle innerhalb der Mischsäule herrscht der gleiche Druck wie an mindestens einer Stelle der Hochdrucksäule. In den Sumpf der Mischsäule wird ein zweiter Einsatzluftstrom 40, 41 eingeblasen, der vorzugsweise unter demselben Druck wie der erste Einsatzluftstrom 1 steht und gemeinsam mit diesem verdichtet wurde (nicht dargestellt). Die Sumpfflüssigkeit 42 - 43 und eine Zwischenflüssigkeit 44 - 45 der Mischsäule 39 werden jeweils in dem ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 8 unterkühlt und an den ihrer Zusammensetzung entsprechenden Stellen in die Niederdrucksäule 5 eingedrosselt.

[0020] Vom Kopf der Mischsäule 39 wird eine Unrein-Sauerstoff-Fraktion 46 abgezogen und im Hauptwärmetauscher 2b auf eine erste Zwischentemperatur angewärmt. Unter dieser ersten Zwischentemperatur wird sie über Leitung 47 einer arbeitsleistenden Entspannung 48 zugeführt. Dort tritt sie unter einem Druck von beispielsweise 2 bis 4 bar, vorzugsweise etwa 3 bar und unter einer zweiten, niedrigeren Zwischentemperatur wieder aus und wird über Leitung 49 wieder dem Hauptwärmetauscher 2b zugeführt. Nach vollständiger Erwärmung im Hauptwärmetauscher 2b, 2a wird sie über Leitung 50 als unreines Sauerstoffprodukt gewonnen.

[0021] In dem Ausführungsbeispiel wird außerdem ein reineres gasförmiges Sauerstoffprodukt 53 gewonnen, indem flüssiger Sauerstoff 51 vom Sumpf der Niederdrucksäule 5 abgezogen, mittels einer Pumpe 52 auf Druck gebracht (Innenverdichtung) und schließlich im Hauptwärmetauscher 2b, 2a verdampft und angewärmt wird.

[0022] Wenn auf die Reinsauerstoff-Erzeugung verzichtet wird, kann die sauerstoffreiche Fraktion 34 entgegen der Darstellung in der Zeichnung unmittelbar vom Sumpf der Niederdrucksäule 5 abgezogen werden. In diesem Fall können über eine kontinuierlich oder intermittierend betriebene Spülleitung 54 schwererflüchtige Komponenten ausgeschleust werden. Dabei wird ein kleiner Teil der sauerstoffreichen Fraktion 34 stromabwärts der Pumpe 35 abgezweigt und über die Spülleitung 54 und ein Drosselventil in die Unrein-Sauerstoff-Fraktion 49 stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung 48 eingeführt.

[0023] Als weiteres Produkt kann gasförmiger Druckstickstoff 55, 56 direkt vom Kopf der Hochdrucksäule 4 abgezogen werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (4, 5), bei dem

◆ ein erster Einsatzluftstrom (1, 3) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt wird,

◆ eine sauerstoffreiche Fraktion (34) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung flüssig auf Druck gebracht (35) und auf eine Mischsäule (39) aufgegeben (36, 37, 38) wird,

◆ ein Wärmeträgerstrom, insbesondere ein zweiter Einsatzluftstrom (40, 41), in den unteren Bereich der Mischsäule (39) eingeleitet und in Gegenstromkontakt mit der sauerstoffreichen Fraktion (34, 36, 37, 38) gebracht wird und bei dem

◆ aus dem oberen Bereich der Mischsäule (39) eine Unrein-Sauerstoff-Fraktion (46, 47, 49) entnommen und als unreines Sauerstoffprodukt (50) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

◆ dass die Unrein-Sauerstoff-Fraktion (46) arbeitsleistend entspannt (48) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit (42, 43, 44, 45) aus dem unteren und/oder mittleren Bereich der Mischsäule (39) in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule (4) und eine Niederdrucksäule (5) aufweist, wobei der erste Einsatzluftstrom (1, 3) in die Hochdrucksäule (4) eingeführt wird und die sauerstoffreiche Fraktion (34) aus der Niederdrucksäule (5) entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatzluftstrom (1, 3) für das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und der zweite Einsatzluftstrom (40, 41), der als Wärmeträgerstrom für die Mischsäule (39) dient, gemeinsam auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule (4) verdichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einsatzluftstrom (40, 41) stromabwärts der Verdichtung auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule (4) nicht nachverdichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Einsatzluftstrom arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Einsatzluftstrom gemeinsam mit dem ersten und dem zweiten Einsatzluftstrom auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule verdichtet wird.

8. Vorrichtung zur Erzeugung von unreinem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (4, 5) und einer Mischsäule (39) mit

◆ einer ersten Einsatzluftleitung (1, 3) zur Einleitung eines ersten Einsatzluftstroms in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung,

◆ einer Flüssigkeitsleitung (34, 36, 37, 38) zur Entnahme einer sauerstoffreichen Fraktion aus dem Destilliersäulen-System, die durch Mittel zur Druckerhöhung im flüssigen Zustand, insbesondere durch eine Flüssigpumpe (35), führt und mit dem oberen Bereich der Mischsäule (39) verbunden ist,

◆ eine Wärmeträgerleitung (40, 41) zur Einleitung eines Wärmeträgerstroms, insbesondere eines zweiten Einsatzluftstroms, in den unteren Bereich der Mischsäule (39) und mit

◆ einer Produktleitung (46, 47, 49, 50) zur Entnahme einer Unrein-Sauerstoff-Fraktion aus dem oberen Bereich der Mischsäule (39) und zum Abführen der Unrein-Sauerstoff-Fraktion als unreines Sauerstoffprodukt,

gekennzeichnet durch

◆ eine Entspannungsmaschine (48) zur arbeitsleistenden Entspannung der Unrein-Sauerstoff-Fraktion.

Zeichnung