DE1275555B - Verfahren zum Zerlegen von Luft in einer Destillationskolonne - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ÄÄ PATENTAMT Int Cl.:

AUSLEGESCHRIFT

F 25 j

Deutsche Kl.: 17 g-2/01

Nummer: 1275 555

Aktenzeichen: P 12 75 555.4-13 (St 22866)

Anmeldetag: 27. Oktober 1964

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerlegen von Luft in einer Destillationskolonne, bei dem die Luft in den oberen Teil der Kolonne eingeführt und dort in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit und in eine gasförmige Stickstofffraktion getrennt wird, von denen die sauerstoffreiche Flüssigkeit auf ihrem Weg zum Sumpf der Kolonne weiter angereichert und dort als nahezu reiner Sauerstoff abgezogen wird, während der gasförmige Stickstoff aus dem Kopf der Kolonne entnommen und zum Teil als Rückflußflüssigkeit und als Kühlmittel dem Kopf der Kolonne zugeführt sowie als Aufwärmmittel durch den Sumpf der Kolonne geleitet wird.

Es ist auch bekannt, bei der Zerlegung von Luft in einer Destillationskolonne dem Boden der Kolonne Wärme zuzuführen und am Kopf in einer Serie von zwei Kondensatoren wieder zu entnehmen, wobei die umgewälzte Stickstofffraktion in einem Kompressor auf einen bestimmten Druck verdichtet wird und später entweder entspannt oder gedrosselt entspannt wird, während die Luftzuführung anfänglich auf einen Druck verdichtet werden muß, der drei oder mehr Atmosphären beträgt (USA.-Patentschrift 2 482 303).

Es ist ferner bekannt, flüssige Luft durch fraktionierte Destillation in ihre Bestandteile zu zerlegen und so Sauerstoff zu gewinnen, indem man Luft in an sich bekannter Weise nach Trocknung verflüssigt und diese dann in einer Säule zerlegt. Die erforderliche Abkühlung erhält man dabei durch Expansion, indem man beispielsweise die komprimierte Luft in einer Turbine Arbeit leisten läßt, so daß das Gas nach dem Passieren der Turbine sich ausdehnt und dabei stark abkühlt, wobei das abgekühlte Gas zur Kühlung eines weiteren, stärker komprimierten Luftstromes benutzt wird, der vor weiterer Abkühlung im Wärmeaustausch mit der Turbinenabluft durch eine Heizschlange im unteren Teil der Kolonne strömt, um schließlich dann in den Kolonnenkopf einzutreten, nachdem er vorher über ein Ventil entspannt worden ist. Die Säule arbeitet als Abtriebssäule, wobei der Sauerstoff gasförmig über den Sumpf oder bei ausreichender Kälteleistung auch flüssig aus dem Sumpf entnommen werden kann. Oben an der Säule zieht der Stickstoff ab.

Der Nachteil der bekannten, oben beschriebenen Verfahrensart ist der, daß der Energiebedarf außerordentlich groß und der Sauerstoffgehalt des anfallenden Produktes nicht besonders hoch ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Zerlegung von Luft in einer Destillationskolonne zur Gewinnung von Sauerstoff, das einen hohen Wirkungsgrad besitzt, einen geringen

Verfahren zum Zerlegen von Luft in einer
Destillationskolonne

Anmelder:

Roman Stoklosinski, London

Vertreter:

Dipl.-Chem. W. Rücker

und Dipl.-Ing. S. Leine, Patentanwälte,

3000 Hannover, Am Klagesmarkt 10-11

Als Erfinder benannt:
Roman Stoklosinski, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 29. Oktober 1963 (42 638)

Energiebedarf hat und eine Sauerstofffraktion liefert, die einen hohen Sauerstoffgehalt besitzt.

Erreicht wird das dadurch, daß der zur Kolonne zurückzuführende Teil des Stickstoffes in mehrere auf gestufte Drücke verdichtete Teilströme aufgeteilt wird, welche in entsprechend über die Höhe der Kolonne verteilte Aufwärmstufen geleitet, dort kondensiert, nach jeweiliger Drosselentspannung vereinigt und gemeinsam als Kühlmittel und Rückfluß zum Kopf der Kolonne geführt werden, wobei der Stickstoffstrom mit dem höchsten Druck durch die Aufwärmstufe im Kolonnensumpf und der Strom mit dem niedrigsten Druck durch die dem Kolonnenkopf am nächsten liegende Aufwärmstufe geleitet wird.

Dabei wird die Luft vor ihrem Eintritt in die Destillationskolonne bis in die Nähe ihres Taupunktes durch indirekten Wärmeaustausch mit dem gewonnenen Sauerstoff und der gasförmigen Stickstofffraktion unmittelbar vor und unmittelbar nach der Verdichtung gekühlt.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den sich anschließenden Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Fließbildes, welches ein Ausführungsbeispiel ist, näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Fließbild einer kompletten Anlage zur Durchführung der Erfindung und

F i g. 2 eine Abwandlung eines Teiles der in F i g. 1 gezeigten Anlage.

809 597/155

In der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform wird nach durch die Kompressorstufen strömt und sein ein Luftstrom, der bereits auf eine solche Temperatur Druck dabei progressiv erhöht wird. Beim Durchgang abgekühlt ist, daß eine kleine Fraktion kondensiert, des Stickstoffes durch die Kompressorstufen, von beispielsweise 2 °/o, kontinuierlich einer Plattendestil- denen sieben dargestellt sind, werden kleine Fraklationskolonne 10 über die Leitung 12 einer Stelle zu- 5 tionen aufeinanderfolgend am Ausgang der Stufen 2 geführt, die in der Nähe des oberen Endes der bis 7 über die sechs Leitungen 44 bis 49 abgezogen. Kolonne liegt. Innerhalb der Destillationskolonne 10 Wie aus F i g. 1 ohne weiteres zu erkennen ist, ist wird der auf steigende Luftstrom teilweise kondensiert, der Druck der Fraktion, die über die Leitung 44 abso daß sich eine nach unten strömende sauerstoff- gezogen wird, niedriger als der Druck der Fraktion, reiche flüssige Fraktion bildet und eine nach oben io die über die Leitung 45 abgezogen wird, der wiederum steigende dampfförmige Stickstofffraktion. Das erfolgt niedriger ist als der Druck der Fraktion, die über die vermittels eines Kondensators 16. Der flüssige Stick- Leitung 46 abgezogen wird usw. bis zur Leitung 49, Stoffrückfluß wird in das obere Ende der Kolonne die die Stickstofffraktion mit dem höchsten Druck über die Leitung 18 geleitet. aufnimmt.

Unterhalb des Einleitungspunktes des Luftstromes 15 Jede der Fraktionen in den Leitungen 44 bis 49 ist die Kolonne 10 in Abständen über ihre Länge mit strömt durch nicht dargestellte Zwischenkühler und einer Anzahl von Aufwärmern 20, von denen in der Nachkühler und wird dann in den Wärmeaustauscher Zeichnung sechs dargestellt sind, ausgerüstet, die 34 zurückgeleitet. Jede Fraktion verläßt den Wärmefraktionell das herabströmende Kondensat, welches austauscher 34 leicht überhitzt mit einer Temperatur sich in dem oberen TeE der Kolonne bildet, destil- 20 von 5° C oberhalb des Siedepunktes und wird dann Heren. Dadurch wird weiter Stickstoff als Dampf von zu einem der in der Kolonne angeordneten Aufdem Kondensat entfernt, das sich im Sumpf der wärmer 20 geleitet, wobei die in der Leitung 49 strö-Kolonne im wesentlichen als reiner flüssiger Sauer- mende Fraktion, die den höchsten Druck besitzt, zu stoff ansammelt, der kontinuierlich über eine Leitung dem Aufwärmer im Sumpf geleitet wird und die 22 aus der Kolonne abgepumpt wird. 25 durch die Leitung 44 strömende, die den niedrigsten

Der während der Destillation abgegebene dampf- Druck hat, zum obersten Aufwärmer. Die Fraktionen förmige Stickstoff und der verdampfende Stickstoff- der Leitungen 45 bis 48 für die dazwischenliegenden rückfluß werden am Kopf der Kolonne durch eine vier Aufwärmer werden in absteigender Ordnung zu Leitung 24 abgezogen und durch einen indirekten den Aufwärmern der Kolonne geführt. Wärmeaustauscher oder eine Waschvorrichtung 26 30 Innerhalb der Aufwärmer 20 dienen die Stickstoffgeleitet, in dem sie im Gegenfluß zur zuströmenden ströme als Heizmittel zur fraktionellen Destillation Luft strömen, die dem Wärmeaustauscher über eine des Kondensats in der Kolonne und folglich konden-Leitung 28 mit einer Temperatur zugeführt wird, die sieren sie. Da die Ströme verschiedenen Druck aufin der Nähe ihres Taupunktes liegt. Der Stickstoff weisen, kondensieren sie bei verschiedenen Temperanimmt Wärme von der Luft auf und eine kleine Frak- 35 türen, d. h. der Strom, der durch den Aufwärmer im tion derselben, wie oben bereits erwähnt, wird dem- Sumpf der Kolonne strömt, kondensiert bei einer zufolge kondensiert. Die noch gasförmige Luft strömt höheren Temperatur und der, der durch den obersten am oberen Ende des Wärmeaustauschers 26 aus Aufwärmer strömt, bei der niedrigsten Temperatur, durch eine Leitung 30 und wird mit der flüssigen Luft, _so daß die Temperatur in der Kolonne progressiv die am Boden des Wärmeaustauschers abgezogen 40 vom Sumpf nach oben hin abnimmt, wird, vereinigt, um der Destillationskolonne über die Nach dem Verlassen der Aufwärmer werden die

Leitung 12 zugeführt zu werden. _ Stickstoffströme beim Durchströmen durch Ventile 50

Die Kondensation einer kleinen Luftfraktion vor weiter gekühlt, weil die Ventile eine Entspannung Eintritt in die Kolonne stellt sicher, daß kein gas- auf nahezu Umgebungsdruck bewirken. Die Ströme, förmiges Kohlendioxyd in die Kolonne eintritt, denn 45 die nun verflüssigt sind, werden alle von der Leitung jegliches in der Luft enthaltene Kohlendioxyd wird 52 gesammelt und dann durch die Ventile 54, 56 von der flüssigen Fraktion aufgenommen. wieder in zwei Fraktionen aufgeteilt. Die eine Frak-

Die Stickstofffraktion verläßt den Wärmeaustau- tion wird über eine Leitung 58 durch den Kondenscher 26 über die Leitung 32 und tritt in einen sator 16 geleitet und die andere über die Leitung 18 Verbundwärmeaustauscher 34 mit indirektem Wärme- 5° zurück zum Kopf der Kolonne als flüssiger Rückfluß. austausch ein, der, obgleich schematisch in der Somit dienen beide Fraktionen dazu, den Luftstrom Zeichnung dargestellt, vorzugsweise ein Narston- zu kondensieren, der in das obere Ende der Kolonne Excelsior-Wärmeaustauscher ist und eine große An- eintritt. Die Fraktion, die durch den Kondensator 16 zahl von Gegenstromwegen enthält, die voneinander hindurchgeströmt ist, wird über die Leitung 58 und getrennt sind, aber in wärmeleitendem Kontakt 55 den Wärmeaustauscher 34 zur zweiten Stufe der Serie stehen. Innerhalb dieses Wärmeaustauschers dient von Kompressoren 42 zurückgeleitet, der Stickstoffstrom dazu, die Luft auf eine Tempe- Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird nicht der gesamte

ratur in der Nähe ihres Taupunktes zu kühlen. Der Stickstoff, der den Kompressoren 42 zugeführt wird, Luftstrom tritt über eine Leitung 36 in den Aus- den Aufwärmern zugeleitet. Ein Teil des Stickstoffes, tauscher ein. 60 der von der letzten Kompressorstufe stammt, wird in

Der Stickstoff verläßt den Wärmeaustauscher über einen Entspanner 59 geführt, der direkt mit dem eine Leitung 38. Ein Teil des Stickstoffes wird über Kompressor gekuppelt ist und der den Stickstoff zueine Leitung 40 abgezogen, dessen Zweck weiter rück auf Umgebungstemperatur entspannt, wobei er unten ausführlich beschrieben werden wird, während sich abkühlt. Der so gekühlte Stickstoff wird über der Rest zur ersten Stufe einer Anzahl von Stufen ⁶5 eine Leitung 60 an einem mittleren Punkt des Wärmevon Verbundkompressoren 42 geleitet wird, die in austauschers 34 eingeleitet und mit den Stickstoff-Serie geschaltet sind, so daß der Strom von einem strömen, die durch die Kompressoren fließen, verzum anderen fließt, wodurch der Stickstoff nach und einigt. Der Zweck dieser Maßnahmen ist die Auf-

rechterhaltung des Wärmegleichgewichts in der Anlage.

Es ist oben erwähnt worden, daß ein Teil des Stickstoffes, der durch die Leitung 38 zum Kompressor fließt, über die Leitung 40 abgezogen wird. Die so abgezogene Fraktion dient zur ersten Kühlung der Luft und zur Reinigung, was jetzt beschrieben werden wird.

Die Luft wird von einem Gebläse 61 vorzugsweise über einen Naßfilter 62, in dem Staub und Teilchen entfernt werden, in die Anlage eingesaugt. Das Gebläse verdichtet die Luft in einem Ausmaße, das ausreicht, die Reibungsverluste in der Anlage zu überwinden, beispielsweise auf 0,35 kg/cm² Überdruck, worauf die Luft über die Leitung 64 in einen indirekten Wärmeaustauscher 66 strömt, in dem sie im Wärmeaustausch mit der über die Leitung 40 abgezogenen Stickstofffraktion gekühlt wird. Der Luftstrom wird dann weiter auf eine Temperatur von ungefähr 0 bis 5° C durch Hindurchleiten durch eine Kühlvorrichtung 68 abgekühlt.

Aus der Kühlvorrichtung strömt die Luft über eine Leitung 70 durch zwei Regenerativtrockner 72, von denen ein jeder eine obere Schicht aus Silikagel enthält, die die meiste Feuchtigkeit der Luft aufnimmt, und eine untere Molekularsiebschicht, durch die die Restfeuchtigkeit und das meiste Kohlendioxyd aus der Luft aufgenommen wird. Jeder Trockner wird durch die Verwendung eines Teiles des Stickstoffstromes, der durch den Wärmeaustauscher 66 strömt, reaktiviert. Der Stickstoff, der den Wärmeaustauscher 66 mit einer Temperatur von ungefähr 38° C verläßt, strömt über eine Leitung 74, in der er weiter durch elektrische, nicht dargestellte Einrichtungen erwärmt wird, und zwar auf eine Temperatur, die zur Reaktivierung des Molekularsiebes geeignet ist, das nun reaktiviert werden soll, und strömt so lange durch den Trockner hindurch, bis die Reaktivierung des Molekularsiebes vollständig ist. Danach wird die. elektrische Heizung unterbrochen und die Reaktivierung des Silikagels findet bei ungefähr 38° C statt, bis sie vollständig geworden ist. Danach können die Trockner unter Verwendung von Abfallstickstoff auf ungefähr 7° C gekühlt werden. Sodann werden die Ventile umgeschaltet und die Reaktivierung des anderen Trockners beginnt.

Der auf diese Weise getrocknete Luftstrom ist im wesentlichen frei von Kohlendioxyd und strömt zur Destillationskolonne über die Wärmeaustauscher 34 und 26, wie oben beschrieben.

Die letzte Stufe der Anlage dient auch zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen und der letzten Spuren von Kohlendioxyd aus dem flüssigen Sauerstoff, der sich im Sumpf der Destillationskolonne ansammelt. Bewirkt wird das dadurch, daß der flüssige Sauerstoff aus dem Sumpf abgezogen und über die Leitung 22 durch zwei Regenerativadsorber 78 üblicher Art hindurchgeleitet wird. Das Abziehen des Sauerstoffes erfolgt durch eine Dampfstrahlpumpe 76, die stromabwärts der Adsorber angeordnet ist. Die Adsorber werden durch den Teil des Stickstoffstromes reaktiviert, der den Wärmeaustauscher 66 verläßt und nicht zur Reaktivierung der Trockner 72 benutzt wird. Der Reaktivierungsstickstoff tritt über die Leitung 80 in die Adsorber ein und verläßt diese über die Leitung 82.

Das Sauerstoffprodukt verläßt die Adsorber über Leitung 84 und nach dem Durchgang durch den Wärmeaustauscher 34, in dem es zur Kühlung der Stickstoffströme beiträgt, verläßt es die Anlage über die Leitung 86.

Das oben beschriebene Verfahren kann zur Erzeugung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 90 % in großem Maßstab verwandt werden. Der bedeutendste Vorteil des Verfahrens ist der, daß, verglichen mit den bisher kommerziell benutzten Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff in Mengen, wesentlich weniger Energie benötigt wird und unter den optimalen Bedingungen beträgt der Energiebedarf nur 55°/o desjenigen, der in den derzeitigen Anlagen mit dem besten Wirkungsgrad erforderlich ist. Dadurch werden die Kosten zur Erzeugung von Sauerstoff ganz beträchtlich verringert.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist der, daß die Anlage zur Durchführung des Verfahrens außerordentlich einfach aufgebaut ist, so daß die Installations- und Anlagekosten auf einem Minimum gehalten werden können.

In F i g. 1 ist die Destillationskolonne 10 mit sechs Aufwärmern 20 dargestellt. Der Wirkungsgrad der fraktionierten Destillation von flüssiger Luft läßt sich steigern, wenn eine größere Anzahl von Aufwärmern verwendet wird. Aber die Anlage wird komplizierter, wenn mehr als sechs Aufwärmer benutzt werden, und daher ist sechs die bevorzugte Zahl.

Sauerstoff sehr großer Reinheit in der Größenordnung von 99,5% kann man erhalten, falls eine Modifikation vorgenommen wird, die in F i g. 2 gezeigt ist, in der nur der untere Teil der Destillationskolonne 10 dargestellt ist. Der restliche Teil der Anlage ist der in F i g. 1 beschriebenen identisch. Diese Abwandlung besteht darin, daß Sauerstoffdämpfe vom unteren Ende der Kolonne über eine Leitung 90 abgezogen werden. Dieser Sauerstoff wird im geringen Umfang in einem Kompressor 92 verdichtet, etwa auf 0,07 oder 0,14 atü, und dann in den Aufwärmer 20 im Sumpf zurückgeleitet, in welchem er zufolge des Wärmeverlustes an den flüssigen Sauerstoff kondensiert, der im Sumpf siedet. Der flüssige Sauerstoff wird zum oberen Ende des Sumpfes der Kolonne über eine Leitung 94 mit Ventil 96 zurückgeleitet, das den Sauerstoff auf Umgebungsdruck entspannt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zerlegen von Luft in einer Destillationskolonne, bei dem die Luft in den oberen Teil der Kolonne eingeführt und dort in eine sauerstoffreiche Flüssigkeit und in eine gasförmige Stickstofffraktion getrennt wird, von denen die sauerstoffreiche Flüssigkeit auf ihrem Weg zum Sumpf der Kolonne weiter angereichert und dort als nahezu reiner Sauerstoff abgezogen wird, während der gasförmige Stickstoff aus dem Kopf der Kolonne entnommen und zum Teil als Rückflußflüssigkeit und als Kühlmittel dem Kopf der Kolonne zugeführt sowie als Aufwärmmittel durch den Sumpf der Kolonne geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Kolonne zurückzuführende Teil des Stickstoffs in mehrere auf gestufte Drücke verdichtete Teilströme aufgeteilt wird, welche in entsprechend über die Höhe der Kolonne verteilte Aufwärmstufen geleitet, dort kondensiert, nach jeweiliger

Drosselentspannung vereinigt und gemeinsam als Kühlmittel und Rückfluß zum Kopf der Kolonne geführt werden, wobei der StickstofEstrom mit dem höchsten Druck durch die Aufwärmstufe im Kolonnensumpf und der Strom mit dem niedrigsten Druck durch die dem Kolonnenkopf am nächsten liegende Aufwärmstufe geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor ihrem Eintritt in die Destillationskolonne bis in die Nähe ihres Taupunktes durch indirekten Wärmeaustausch mit dem gewonnenen Sauerstoff und der gasförmigen Stickstofrfraktion unmittelbar vor und unmittelbar nach der Verdichtung gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittel-Stickstoffstrom aus dem Kopf der Kolonne erneut verdichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil des am höchsten verdichteten Stickstoffs arbeitsleistend entspannt, erwärmt und wiederverdichet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu reines Sauerstoffgas vom unteren Teil der Kolonne abgezogen, verdichtet, in der im Sumpf der Kolonne angeordneten Aufwärmstufe kondensiert und zum unteren Teil der Kolonne als Rückfluß zurückgeleitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1339127;
USA.-PatentschriftNr. 2482303;
»Handbuch der Kältetechnik«, 8. Band, Springer-Verlag, 1957, S. 128.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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