Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule

Abstract

 Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Gewinnung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule. Einsatzluft (1) wird in die Einzelsäule (2) eingeleitet. Die Einzelsäule weist einen Kopfkondensator (3) auf, in dem ein Kopfgas aus der Einzelsäule mindestens teilweise kondensiert wird. Mindestens ein Teil des dabei gewonnenen Kondensats wird als Rücklaufflüssigkeit auf die Einzelsäule aufgegeben. Aus der Einzelsäule oder dem Kopfkondensator wird ein Druckstickstoffstrom (5) abgezogen und als Druckstickstoffprodukt gewonnen. Der Kopfkondensator ist als Rücklaufkondensator ausgebildet. Kopfgas der Einzelsäule wird in die Rücklaufpassagen des Rücklaufkondensators eingeleitet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Einzelsäulen-Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Zusätzlich zu der Einzelsäule zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können in dem Verfahren weitere Schritte zur Gewinnung anderer Luftkomponenten vorgesehen sein, insbesondere von Edelgasen.

[0003] Der "HWT" dient zur Abkühlung von Einsatzluft und kann durch einen einzelnen Wärmetauscherblock oder auch durch eine Mehrzahl von Wärmetauscherblöcken gebildet sein. Der Kopfkondensator ist als hiervon getrennter Wärmetauscher ausgeführt, insbesondere als mindestens ein Plattenwärmetauscherblock, höchst vorzugsweise als ein einziger Plattenwärmetauscherblock.

[0004] Unter "Einzelsäule" wird hier eine Trenneinrichtung verstanden, deren Rektifizierzone(n) im Wesentlichen unter demselben Druck betrieben werden. Sie wird in der Regel durch einen einteilige Säule gebildet, kann aber auch durch eine zwei-oder mehrteilige Säulegebildet sein.

[0005] Die Einzelsäule weist einen Kopfkondensator auf. Dieser ist als Kondensator-Verdampfer ausgebildet und weist damit Verflüssigungs- und Verdampfungspassagen auf. Ein Kopf gas der Rohargonsäule wird in die Verflüssigungspassagen eingeleitet und dort mindestens teilweise kondensiert. Ein flüssiges Kühlfluid wird in die Verdampfungspassagen des Kopfkondensators eingeleitet und dort mindestens teilweise verdampft.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind, indem sie eine erhöhte Produktsausbeute, eine höhere Produktreinheit, geringere Betriebskosten und/oder geringere Investitionskosten aufweisen.

[0007] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der der Kopfkondensator als Rücklaufkondensator ausgebildet ist und Kopfgas der Einzelsäule in die Rücklaufpassagen des Rücklaufkondensators eingeleitet wird.

[0008] Unter "Rücklaufkondensator" (auch Dephlegmator genannt) wird hier ein Wärmetauscher verstanden, der Rücklaufpassagen aufweist. Diese Rücklaufpassagen werden von unten mit Dampf (hier: Kopfgas der Einzelsäule) beaufschlagt. Dieser kondensiert beim Aufsteigen in den Rücklaufpassagen mindestens teilweise. Die Rücklaufpassagen sind dabei so konstruiert, dass die kondensierte Flüssigkeit nicht mitgerissen wird, sondern nach unten fließt. Durch den Gegenstrom von Dampf und Flüssigkeit findet in den Rücklaufpassagen eine Rektifikation statt. Das Kondensat, das am unteren Ende austritt, ist an schwererflüchtigen Komponenten angereichert, der oben austretende Dampf an leichterflüchtigen.

[0009] Es sind verschiedene Bauformen von Rücklaufkondensatoren bekannt. Der Wärmetauscherblock (oder auch eine Mehrzahl von Wärmetauscherblöcken) kann im Inneren eines Druckbehälters angeordnet sein, wie dies zum Beispiel in EP 1189000 A2 dargestellt ist, oder der Wärmetauscherblock ist auf allen Seiten durch Header abgeschlossen, siehe zum Beispiel US 6128920. Alternativ dazu kann der Rücklaufkondensator im Kopf einer Trennsäule (hier: der Einzelsäule) eingebaut sein, wobei die Rücklaufpassagen an ihrem unteren Ende in Kommunikation mit dem oberen Bereich der Trennsäule stehen, siehe deutsche Patentanmeldung 102006037058 und dazu korrespondierende Anmeldungen. Der Rücklaufkondensator kann auch gemäß einer der Ausführungsformen der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung 102007035619.8 und der dazu korrespondierenden Anmeldungen konstruiert sein. Der oder die Wärmetauscherblöcke des Rücklaufkondensators sind vorzugsweise als Plattenwärmetauscher, insbesondere als gelötete Aluminium-Plattenwärmetauscher ausgeführt.

[0010] Räumliche Begriffe wie "oben", "unten", "seitlich" etc. beziehen sich hier immer auf die Orientierung der Einzelsäule und des Rücklaufkondensators im bestimmungsgemäßen Betrieb.

[0011] Ein Rücklaufkondensator ermöglicht nicht nur einen Wärmeaustausch, sondern auch einen Stoffaustausch zwischen dem in den Rücklaufpassagen aufsteigenden Gas und der dort nach unten fließenden Flüssigkeit, ähnlich wie die geriffelten Packungen einer Stoffaustauschsäule. Diese Trennwirkung kann als HETP-Wert (Height Equivalent to One Theoretical Plate = Höhe eines theoretischen Bodens) angegeben. Der HETP-Wert des Kondensators liegt im Bereich von 300 bis 600 mm. Damit wirkt zum Beispiel ein 1,5 m hoher Rücklaufkondensator etwa bis zu fünf theoretische Böden.

[0012] Allerdings wirkt sich am Kopf der Einzelsäule dieser Effekt nur geringfügig auf die Stickstoff-Sauerstoff-Trennung aus, das heißt der Einsatz des Rücklaufkondensators spart keine Stoffaustauschelemente (praktische Böden, geordnete Packung oder ungeordnete Füllkörper) in der Einzelsäule. Bisher wurde also kein Grund gesehen, in Einzelsäulen-Verfahren einen Rücklaufkondensator als Kopfkondensator einzusetzen.

[0013] Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass der Einsatz eines solchen Rücklaufkondensators am Kopf der Einzelsäule einen weiteren Vorteil aufweist. Solche Kondensatoren sind regelmäßig als Kondensator-Verdampfer ausgeführt. Gegen das auf der Verflüssigungsseite (Rücklaufpassagen) kondensierende Kopfgas wird also auf der Verdampfungsseite ein Kühlfluid verdampft. Der Wärmetauscherblock ist üblicherweise in einem Bad angeordnet. Wegen des hydrostatischen Drucks steigt die Temperatur in den Verdampfungspassagen von oben nach unten an.

[0014] Durch die Trennwirkung des Rücklaufkondensators am Kopf der Einzelsäule wird das in den Rücklaufpassagen nach oben strömende Gas zunehmend reicher an leichter als Stickstoff flüchtigen Komponenten und ist am Kopf des Kondensators am kältesten. Damit passt sich der Temperaturverlauf in den Rücklaufpassagen an denjenigen der Verflüssigungspassagen an. Auf diese Weise entsteht beim Rücklaufkondensator eine natürliche Tendenz zu einem über die gesamte Blockhöhe fast gleich bleibenden treibenden Temperaturgefälle. Beim konventionellen Kopfkondensator, der von oben nach unten durchströmt wird, ist dagegen das treibende Temperaturgefälle im unteren Kondensatorbereich immer kleiner als im oberen Bereich. Dies schwächt den Beitrag der im unteren Kondensatorteil befindlichen Heizfläche am gesamten Wärmeaustausch. Dies wirkt sich besonders in Unterlastfällen aus, sodass die Temperaturdifferenz gegen Null geht und ein Teil der Heizfläche unwirksam wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dagegen die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungspassagen im Wesentlichen konstant. Damit kann die Austauschfläche entsprechend verkleinert und damit die Investitionskosten verringert werden.

[0015] Damit erhöhen sich Produktreinheit und/oder Produktausbeute. Bei gleich bleibender oder weniger stark erhöhter Trennwirkung kann die Zahl der theoretischen Böden in der Einzelsäule verringert werden; dadurch werden die Investitionskosten der Anlage vermindert.

[0016] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlfluid in Aufwärtsrichtung durch die Verdampfungspassagen geleitet ("Forced Flow"-Verdampfer). Hierdurch ergibt sich wiederum ein besonders günstiger Verlauf der Temperaturen von verdampfendem Kühlfluid und kondensierendem Kopfgas über die Höhe des Kopfkondensators.

[0017] Vorzugsweise wird das Kühlfluid durch eine sauerstoffangereicherte Fraktion aus dem unteren Bereich der Einzelsäule gebildet.

[0018] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5.

[0019] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0020] Atmosphärische Luft 1 wird nach Verdichtung, Reinigung und Abkühlung (nicht dargestellt) unter einem Absolutdruck von 5 bis 10 bar, vorzugsweise etwa 6 bar in die Einzelsäule 2 unmittelbar oberhalb des Sumpfes eingeleitet.

[0021] Der Kopfkondensator 3 der Einzelsäule 2 ist erfindungsgemäß als Rücklaufkondensator ausgebildet. Er besteht in dem Beispiel aus einem einzigen Plattenwärmetauscherblock. Stickstoffreiches Gas vom Kopf der Einzelsäule strömt unten in die Rücklaufpassagen ein (Pfeil nach oben) und wird dort partiell kondensiert. Das dabei erzeugte Kondensat strömt im Gegenstrom zu dem aufsteigenden Gas in den Rücklaufpassagen nach unten (Pfeil nach unten) und wird in der Einzelsäule 2 als flüssiger Rücklauf genutzt. (Ein Teil kann bei Bedarf als Flüssigprodukt abgeführt werden.) Der gasförmig verbliebene Anteil wird am oberen Ende der Rücklaufpassagen über einen seitlichen Header 4 als Druckstickstoffstrom 5 abgezogen und nach Anwärmung in einem nicht dargestellten Hauptwärmetauscher als Druckstickstoffprodukt gewonnen.

[0022] Eine sauerstoffangereicherte Fraktion 6 wird flüssig vom Sumpf der Einzelsäule abgeführt, in einem Drosselventil auf einen Druck von 1,5 bis 4,0 bar, vorzugsweise etwa 2,5 bar entspannt und über einen seitlichen unteren Header 8 in die Verdampfungspassagen des Kopfkondensators 3 eingeleitet, die als Forced Flow-Verdampfer betrieben werden. Die vollständig verdampfte sauerstoffreiche Fraktion 10 wird über einen oberen Header 9 aus den Verdampfungspassagen abgezogen und kann beispielsweise in einer Restgasturbine (nicht dargestellt) arbeitsleistend entspannt werden. Nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher (nicht dargestellt) wird sie als Reststrom abgezogen, zur Regenerierung eines Adsorbers zur Luftreinigung eingesetzt oder als sauerstoffangereichertes Produkt genutzt.

[0023] Abweichend von dem Ausführungsbeispiel kann der Kopfkondensator bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Verdampfungsseite auch als Fallfilmverdampfer oder als Flüssigkeitsbadverdampfer ausgebildet sein (siehe deutsche Patentanmeldung 102006037058 und dazu korrespondierende Anmeldungen oder gleichzeitig eingereichte deutsche Patentanmeldung 102007035619, und dazu korrespondierende Anmeldungen).

[0024] Ein Rücklaufkondensator in einer der hier genannten Ausführungsformen kann auch als Kopfkondensator einer Säule eines Zwei- oder Mehr-Säulen-Verfahrens zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingesetzt werden, beispielsweise als Hauptkondensator einer klassischen Doppelsäule.

Ansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Einzelsäule, bei dem

- Einsatzluft (1) in einem HWT abgekühlt und anschließend in die Einzelsäule eingeleitet wird,

- die Einzelsäule einen Kopfkondensator aufweist, der durch mindestens einen vom HWT getrennten Plattenwärmetauscherblock gebildet wird, der Verflüssigungspassagen und Verdampfungspassagen aufweist,

- ein Kopfgas aus der Einzelsäule in die Verflüssigungspassagen des Kopfkondensators eingeleitet und dort mindestens teilweise kondensiert wird, und mindestens ein Teil des dabei gewonnenen Kondensats als Rücklaufflüssigkeit auf die Einzelsäule aufgegeben wird,

- ein flüssiges Kühlfluid den Verdampfungspassagen an einem ersten Ende zugeleitet und dort teilweise verdampft wird,

- ein Gemisch aus verdampftem Kühlfluid und flüssig verbliebenem Kühlfluid von einem zweiten Ende der Verdampfungspassagen abgezogen wird,

- aus der Einzelsäule oder dem Kopfkondensator ein Druckstickstoffstrom abgezogen und als Druckstickstoffprodukt gewonnen wird,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfkondensator als Rücklaufkondensator ausgebildet ist und Kopfgas der Einzelsäule in die als Rücklaufpassagen ausgebildeten Verflüssigungspassagen des Rücklaufkondensators eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid in den Verdampfungspassagen in Aufwärtsrichtung fließt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid durch eine sauerstoffangereicherte Fraktion aus dem unteren Bereich der Einzelsäule gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklaufkondensator mindestens einen Wärmetauscherblock aufweist, der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

5. Vorrichtung zur Gewinnung zur Gewinnung von Druckstickstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft mit

- einer Einzelsäule,

- einem HWT zur Abkühlung von Einsatzluft,

- Mitteln zur Einführung von abgekühlter Einsatzluft (1) in die Einzelsäule,

- einem Kopfkondensator , der durch mindestens einen vom HWT getrennten Plattenwärmetauscherblock gebildet wird, der Verflüssigungspassagen und Verdampfungspassagen aufweist,

- Mitteln zur Einleitung eines Kopfgases aus der Einzelsäule in die Verflüssigungspassagen des Kopfkondensators,

- Mitteln zur Einleitung eines flüssiges Kühlfluids in die Verdampfungspassagen an einem ersten Ende des Kopfkondensators,

- Mitteln zur Entnahme eines Gemischs aus verdampftem Kühlfluid und flüssig verbliebenem Kühlfluid aus den Verdampfungspassagen von einem zweiten Ende des Kopfkondensators,

- Mitteln zum Aufgeben mindestens eines Teils des in dem Kopfkondensator gewonnenen Kondensats als Rücklaufflüssigkeit auf die Einzelsäule,

- Mitteln zum Entnehmen eines Druckstickstoffstrom aus der Einzelsäule oder dem Kopfkondensator und

- Mitteln zum Abziehen des Druckstickstoffstroms als Druckstickstoffprodukt,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfkondensator als Rücklaufkondensator ausgebildet ist und Mittel zum Einleiten von Kopfgas der Einzelsäule in die als Rücklaufpassagen ausgebildeten Verflüssigungspassagen des Rücklaufkondensators aufweist.

Zeichnung