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DE3035844A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von sauerstoff mittlerer reinheit - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von sauerstoff mittlerer reinheit

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DE3035844A1
DE3035844A1 DE19803035844 DE3035844A DE3035844A1 DE 3035844 A1 DE3035844 A1 DE 3035844A1 DE 19803035844 DE19803035844 DE 19803035844 DE 3035844 A DE3035844 A DE 3035844A DE 3035844 A1 DE3035844 A1 DE 3035844A1
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DE
Germany
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nitrogen
air
oxygen
compressed
heat exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19803035844
Other languages
English (en)
Inventor
Gerhard Dr. 8022 Grünwald Linde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Publication of DE3035844A1 publication Critical patent/DE3035844A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 1208) H 80/66
Fa/fl 23.9.80
Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung-von Sauerstoff mittlerer Reinheit durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft verdichtet, abgekühlt und einer Zerlegungseinrichtung zugeführt wird, aus der Sauerstoff und Stickstoff entnom-
20men werden, wobei ein Gasstrom aus der Zerlegungseinrichtung zur Deckung von Kälteverlusten arbeitsleistend entspannt wird.
Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit (hierunter ist ein Gasgemisch mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 40 bis 60 % zu verstehen) bzw. zur Sauerstoffanreicherung in Luft ist in LINDE-Berichte aus Technik und Wissenschaft 33 (1973), Seiten 26 und 27 beschrieben. Bei diesem Verfahren, das zur Erzeugung eines Produktgases mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 60 % dient, wird die zu zerlegende Luft verdichtet, auf nahezu Verflüssigungstemperatur abgekühlt und in einer nachfolgenden Rektifiziereinrichtung in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Kältebedarf der Anlage wird vorwiegend durch 35arbeitsleistende Entspannung eines Teils der zu zerlegenden
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Luft gedeckt, der aus der Druckstufe der Rektifiziereinrichtung entnommen, entspannt und der Niederdruckstufe zugeführt wird. Der Stickstoff wird aus der Niederdruckstufe entnommen, in Wärmetausch mit zu zerlegender Luft angewärmt und abgeführt.
Bei der Verbrennung heizwertarmer Gase (z.B. Gichtgas, Konvertgas aus LD-Stahlwerken) mit Luft (20,9 % Sauerstoffgehalt) stellen sich wegen des hohen inerten Stickstoffballastes niedrigere Verbrennungstemperaturen ein oder die «x Flamme erlischt sogar völlig. Der theoretische Heizwert des Gases kann daher nur unvollständig oder unter Umständen überhaupt nicht mehr ausgenutzt werden. Eine Verringerung des Stickstoffgehaltes der Brennluft, oder was gleichbedeutend ist, eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes, kann dieses Problem wesentlich verringern, d.h. die Ausnutzung der Heizleistung wesentlich verbessern. Allerdings ist hierfür die wirtschaftliche Voraussetzung, daß der Energieaufwand für die Sauerstoffanreicherung in der Verbrennungsluft geringer ist als der Energiegewinn, der durch die Verbesserung der Verbrennung, d.h. die Erhöhung der Flammentemperatur, erzielt wird. Mit bisher bekannten Verfahren zur Sauerstoffanreicherung in Luft war dies jedoch nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das sich durch einen iedrigen Energiebedarf auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster, zur Deckung der Kälteverluste ausreichender Teilstrom des Stickstoffes arbeitsleistend entspannt wird, während der restliche Stickstoff auf über Umgebungstemperatur erhitzt und dann ebenfalls arbeitsleistend entspannt wird.
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Während beim bisher bekannten Verfahren der Stickstoff im wesentlichen unter dem Abgabedruck aus der Zerlegungseinrichtung entnommen wird, wird gemäß der Erfindung der Stickstoff mit höherem Druck entnommen und erst nach arbeitsleistender Entspannung auf den Abgabedruck gebracht. Hierbei wird der Stickstoff in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der erste derjenigen Menge entspricht, die bei Entspannung zur Deckung der Kälteverluste der Anlage ausreicht. Der zweite, restliche Stickstoffstrom wird auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und erst dann arbeitsleistend entspannt.
Mit dieser Verfahrensweise wird der Vorteil ausgenutzt, daß der bei arbeitsleistender Entspannung eines Gases erzielte Energiegewinn proportional mit der Temperatur ansteigt. Auf diese Weise ist es möglich, den Energiebedarf bei einem Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit zu senken.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes der zweite Stickstoffteilstrom durch Wärmetausch mit zu zerlegender Luft erhitzt wird. Zu diesem Zweck wird vorteilhafterweise mindestens ein Teilstrom der den Luftverdichter verlassenden heißen komprimierten Luft in Wärmetausch mit dem zweiten Stickstoffteilstrom gebracht. Auf diese Weise wird Wärme, die bisher an die Umgebung abgegeben wurde, in das Verfahren zurückgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird der zweite Stickstoffteilstrom vor seiner Entspannung verdichtet. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn zur Verdichtung des zweiten Stickstoffteilstromes die bei der Entspannung des ersten Stickstoffteil-Stroms gewonnene Energie verwendet wird. Mit Hilfe dieser
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Verfahrensführung kann der Energiebedarf weiter gesenkt werden.
Bei einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teilstrom der zu zerlegenden Luft unter Ausnutzung der bei der Entspannung des ersten Sückstoffteilstroms gewonnenen Energie nachverdichtet und im Wärmetausch mit sauerstoffreicher Sumpfflüssigkeit aus der Zerlegungseinrichtung gebracht. Durch diese zusätzliche Heizung wird der Stickstoffgehalt der Sumpffraktion ver- ^ ringert. Dadurch wird aber wiederum die Gesamtmenge an Druckstickstoff aus der Zerlegungseinrichtung und daher auch die für die in "heiße" Entspannung zur Verfugung stehende Stickstoffmenge merklich größer. Der spezifische Energiebedarf wird damit weiter gesenkt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Luftverdichter, eine nachfolgende Wärmetauschvorrichtung zur Abkühlung der Luft und eine Zerlegungseinrichtung mit Entnahmestellen für Stickstoff und Sauerstoff, sowie eine Entspannungsmaschine, die eingangsseitig mit der Zerlegungseinrichtung verbunden ist, und ist gekennzeichnet durch zwei Stickstoffleitungen, ^ die mit der Stickstoffentnahmestelle verbunden sind, von denen die eine mit der Entspannungsmaschine, die zweite über mindestens einen Wärmetauscher mit einer zeiten Erit-.Spannungsmaschine verbunden ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält einen mit der ersten Entspannungsmaschine gekoppelten Verdichter, der in der zweiten Stickstoffleitung angeordnet ist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält einen mit der ersten Entspannungs-Form. 5729 7.78
maschine gekoppelten Verdichter, der in einem Teilast der Luftzuführungsleitung zur Zerlegungseinrichtung angeordnet ist, und einen dem Verdichter nachgeschalteten Wärmetauscher, der einen Strömungsquerschnitt für Sumpfflüssigkeit aus der Zerlegungseinrichtung aufweist.
Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schemtaisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Hierbei zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der Stickstoff nachverdichtet wird, Figur 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der Luft nachverdichtet wird, Figur 3 eine Modifikation des Verfahrens gemäß Figur 2.
Das in Figur 1 dargestellte Verfahren dient zur Erzeugung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 44 %. Bei 1 werden 100 000 Nm3/h Luft zugeführt und in einem Verdichter 2 auf einen Druck von etwa 3,3 bar verdichtet. Die heiße komprimierte Luft wird anschließend zum Teil über einen Wärmetauscher 16 geleitet und gibt dort Wärme an einen Stickstoffstrom ab, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Der mit der restlichen Luft wiedervereinigte Teilstrom wird in einem Nachkühler 3, der beispielsweise mit Wasser gekühlt ist, auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und in einem nachfolgenden Wärmetauscher 4 durch Wärmetausch mit Zerlegungsprodukten auf etwas über Verflüssigungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird die Luft einer als einstufige Rektifiziersäule ausgebildeten Zerlegungseinrichtung 5 zugeführt, die unter einem Druck von 3,1 bar betrieben wird. Im Sumpf der Rektifziersäule sammelt sich eine sauerstoffreiche Flüssigkeit, die über einen Adsorber 6, der zur
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Entfernung unerwünschter Bestandteile wie CO2/ C2H2 und ande" rer Kohlenwasserstoffe dient, geleitet wird. Nach Anwärmung im Wärmetausch mit über den Kopf der Rektifiziersäule gasförmig abgezogenem Stickstoff 7 im Wärmetauscher 8 wird die sauerstoffreiche Flüssigkeit zusammen mit weiterer Rektifizierflüssigkeit, die an einer oberhalb der Sumpfflüssigkeit gelegenen Stelle entnommen (Leitung 9) und ebenfalls im Wärmetauscher 8 gekühlt wird, einem Kondensator im Kopf der Rektifiziersäule zugeführt. Dort wird durch Verdampfen eines Teils der sauerstoffreichen Flüssigfraktion bei etwa 1,3 bar abs die für die Rektifikation benötigte Rücklaufflüssigkeit erzeugt. Flüssige, sauerstoffreiche Fraktion wird über Leitung 10 entnommen, das verdampfende sauerstoffreiche Gasgemisch wird über Leitung 11 abgezogen, im Wärmetauscher 4 erwärmt und verläßt die Anlage bei 12 (47500 Nm3/h).
Der aus der Rektifiziersäule entnommene Stickstoff 7 wird nach Anwärmung im Wärmetauscher 8 in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der erste nach Anwärmung in einem Teilquerschnitt des Wärmetauschers 4 in einer Turbine 13 von etwa 3 bar auf 1,2 bar entspannt wird. Die Menge des ersten Stickstoffteilstroms ist dabei so eingestellt, daß die durch die Entspannung erzeugte Kälte gerade zur Deckung der durch Isolationsverluste, Wärmetauschverluste und Flüssigkeitsentnähme entstehenden Kälteverluste ausreicht. Es werden etwa 50 bis 60 % des Stickstoffs über die Turbine 13 geleitet. Der Stickstoff wird anschließend in einem Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers 4 angewärmt und bei 14 abgeführt. Der zweite Stickstoffteilstromm wird in einem weiteren Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers 4 auf etwa Umgebungstemperatur vorgewärmt und in einem Verdichter 15, der mechanisch mit der Turbine 13 gekoppelt ist, auf 3,8 bar verdichtet. Anschließend wird dieser Teilstrom im Wärmetausch 16 gegen aus dem Verdichter 2 heiß austretende Luft auf rund 430 K erhitzt. Der heiße Stickstoff (etwa 23500 Nm3/h)
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wird in einer zweiten Turbine 17 unter Abgabe von Energie auf Umgebungsdruck entspannt. Durch die erfindungsgemäße Entspannung eines heißen Stickstoffstromes können rund 16 % der Verdichtungsenergie des Luftverdichters 2 zurückgewonnen werden. Der Energiegewinn an der Turbine 17 ist umso größer, je höher die Eintrittstemperatur des Gases in die Turbine ist. So nimmt beispielsweise der Energiegewinn bei einer Temperaturerhöhung von 300 K auf 400 K um rund 1/3 zu.
Der Leistungsbedarf des Luftverdichters bei diesem Verfahren beträgt 5040 kW, an der Turbine 17 werden 840 kW gewonnen, somit beträgt der Gesamtleistungsbedarf 4200 kW. Der spezifische Energiebedarf beträgt 0,08 kWh/m3 abgetrennter Stickstoff und 0,304 kWh/m3 gleichwertiger Sauerstoff (gleichwertig bedeutet auf diejenige Menge Reinsauerstoff bezogen, die nötig wäre, um bei Mischung mit Luft ein Gas mit derselben Sauerstoffkonzentration - in diesem Fall 44 % zu erhalten).
Bei dem Verfahren gemäß Figur 2 und 3 werden für analoge Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. Es soll in diesem Zusammenhang auch nur näher auf diejenigen Merkmale eingegangen werden, in denen sich diese Verfahren vom Verfahren nach Figur 1 unterscheiden.
Bei dem Verfahren nach Figur 2 werden ebenfalls 100 000 Nm3/h Luft zugeführt. Die Luft wird jedoch nach Abkühlung auf etwa Umgebungstemperatur in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der erste (85000 Nm3/h) direkt in die Rektifiziersäule geleitet, die bei diesem Beispiel unter einem Druck von 3,3 bar betrieben wird. Der Rest der Luft wird in einem Verdichter 15, der mechanisch mit der Stickstoffturbine 13 gekoppelt ist, auf rund 4,8 bar verdichtet und nach Abführung der Kompressionswärme in einem Kühler 19 im Wärmetauscher auf 97 K abgekühlt. In einem Wärmetauscher 20 wird die Luft
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in Wärmetausch mit der flüssigen Sumpffraktion aus der Rektifiziersäule gebracht, wobei sie sich unter Verdampfung eines Teils der Sumpfflüssigkeit verflüssigt. Die Luft wird anschließend drosselentspannt und in die Rektifiziersäule geleitet. Die verdampfte Sumpfflüssigkeit wird ebenfalls in die Rektifiziersäule zurückgeleitet. Durch das Beheizen des Sumpfes erhöht sich dort der Sauerstoffgehalt. Dadurch steigt die über den Kopf der Rektifiziersäule abgezogene Menge an Druckstickstoff, wodurch sich auch die zur "heißen" Turbine 17 gehende Stickstoffmenge vergrößert. In der Turbine 17 werden insgesamt 30500 Nm3/h Stickstoff von 3,1 bar und 430 K auf Umgebungsdruck entspannt. In der Turbine 13 werden 27500 Nm3/h Stickstoff von 3,2 bar auf 1,2 bar entspannt. Bei diesem Verfahren werden 42000 Nm3/h Sauerstoff mit einer Reinheit von 50 % gewonnen.
Der Leistungsbedarf des Luftverdichters beträgt 5500 kW, an der Turbine 17 werden 970 kW gewonnen, somit beträgt der Gesamtleistungsbedarf 4530 kW, Der spezifische Energiebedarf beträgt 0.078 kWh/m3 abgetrennter Stickstoff und 0,294 kWh/m3 gleichwertiger Sauerstoff.
Figur 3 zeigt ein Verfahren, bei dem die Zerlegung der Luft nicht in einer Rektifiziersäule, sondern in einer als Rücklaufkondensator ausgebildeten Zerlegungssäule 25 stattfindet, der durch verdampfende, flüssig dem Sumpf dieses Rücklaufkondensators entnommene sauerstoffreiche Fraktion gekühlt wird. Die eintretende Luft (100 000 Nm3/h) wird durch einen zusätzlichen Ammoniakkühler 21 auf etwa +50C gekühlt, in einem nachfolgenden Abscheider 22 wird Wasser abgetrennt, weitere Verunreinigungen, wie H-O, CO~ werden in einem Adsorber 23 entfernt. Anschließend wird die Luft in zwei Teilströme zerlegt, von denen der eine (10 000 Nm3/h) im Verdichter 18 auf 3,8 bar verdichtet und nach Wärmetausch gegen Sumpfflüssigkeit im Wärmetauscher 20 drosselentspannt
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und in den Außenraum des Rücklaufkondensators geleitet wird, der unter einem Druck von 2,4 bar betrieben wird. Die restliche Luft wird nach Abkühlung im Wärmetauscher 4 direkt in den Rücklaufkondensator geleitet» Am Kopf des Rücklaufkondensators werden 59 650 Nm3Zh Stickstoff gasförmig entnommen, wovon 43 000 Nm3/h in der Turbine 13 von 2,4 auf 1,2 bar zur Deckung von Kälteverlusten entspannt werden. Nach Anwärmung gegen Sumpfflüssigkeit im Wärmetauscher 24 wird der Stickstoff über Wärmetauscher 4 aus der Anlage abgeführt. Der restliche Stickstoff (16 650 Nm3/h) wird im Wärmetauscher 4 sowie im Wärmetauscher 16 auf ca. 400 K angewärmt und auf Umgebungsdruck entspannt.
Die im Sumpf des Rücklaufkondensators anfallende sauerstoffreiche Flüssigkeit wird im Wärmetauscher 24 auf ca. 84 K abgekühlt und über den Rücklaufast 25 geleitet, wo sie bei gleichzeitiger Kondensation von Rücklaufflüssigkeit verdampft. Bei 12 werden 40 350 Nm3/h Sauerstoff mit 52 % Reinheit abgezogen.
20
Der Leistungsbedarf des Luftverdichters beträgt 4140 kW, derjenige der Kälteanlage 210 kW, an der Turbine 17 werden 350 kW gewonnen, somit beträgt der Gesamtleistungsbedarf 4000 kW. Der spezifische Energiebedarf beträgt 0,068 kWh/m3 abgetrennter Stickstoff und 0,253 kWh/m3 gleichwertiger Sauerstoff.
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Leerseite

Claims (7)

  1. 303584A
    (H 1208) H 80/66
    Fa/fl 23.9.80
    Patentansprüche
    Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff mittlerer Reinheit durch Tieftemperaturrektifikation von Luft, bei dem die Luft verdichtet, abgekühlt und einer Zerlegungseinrichtung zugeführt wird, aus der Sauerstoff und Stickstoff entnommen werden, wobei ein Gasstrom aus der Zerlegungseinrichtung zur Deckung von Kälteverlusten arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, zur Deckung der Kälteverluste ausreichender Teilstrom des Stickstoffes arbeitsleistend entspannt wird, während der restliche Stickstoff auf über Umgebungstemperatur erhitzt und dann ebenfalls arbeitsleistend entspannt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stickstoffteilstrom durch Wärmetausch mit zu zerlegender Luft erhitzt wird. 30
  3. 3„ Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stickstoffteilstrom vor seiner Entspannung verdichtet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Teilstrom der zu zerlegenden Luft unter Aus-Form. 5729 7.78
    nutzung der bei der Entspannung des ersten Stickstoffteilstroms gewonnenen Energie nachverdichtet und in Wärmetausch mit sauerstoffreicher Sumpfflüssigkeit aus der Rektifiziereinrichtung (5) gebracht wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Luftverdichter, einer nachfolgenden Wärmetauschvorrichtung zur Abkühlung der Luft und einer Zerlegungseinrichtung mit Entnahmeste1-len für Stickstoff und Sauerstoff, sowie einer Entspan-,•»•»K nungsmaschine, die eingangsseitig mit der Zerlegungsein
    richtung verbunden ist, gekennzeichnet durch zwei Stickstof f leitungen, die mit der Stickstoffentnahmestelle verbunden sind, von denen die eine mit der Entspannungsmaschine (13), die zweite über mindestens einen Wärmetauscher (4,16) mit einer zweiten Entspannungsmaschine (17) verbunden ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein mit der ersten Entspannungsmaschine (13) gekoppelter Verdichter (15) in der zweiten Stickstoffleitung angeordnet ist.
    (^
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der ersten Entspannungsamschine (15) gekoppelter Verdichter (18) in einem Teilast der Luftzuführungsleitung zur Zerlegungseinrichtung (5) angeordnet ist, dem ein Wärmetauscher (20) mit einem Strömungsquerschnitt für Sumpfflüssigkeit aus der Zerlegungseinrichtung (5) nachgeschaltet ist.
    35
    Form. 5729 7.78
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