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DE60020500T2 - Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturdestillation - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturdestillation. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Produktion von reinem Sauerstoff, wobei eine Mischkolonne verwendet wird, und eventuell zur Produktion von Argon, wobei eine Argonkolonne verwendet wird.
  • In EP-A-0229803 wird der Mischkolonne am Sumpf verdampfte, angereicherte Flüssigkeit zugeführt, die vom Kondensator im Kopf der Argonkolonne stammt.
  • EP-A-0269342 bezieht sich auf den Fall, in dem die Argonkolonne thermisch mit einer Mischkolonne verbunden ist, so dass das Gas im Kopf der Argonkolonne die Mischkolonne erhitzt.
  • US-A-5551258 beschreibt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, in dem einer Mischkolonne am Kopf eine Flüssigkeit zugeführt wird, die 55 Vol.-% Sauerstoff enthält, wobei das Gas im Kopf der Mischkolonne dann zum Erhitzen des Kondensators im Sumpf der Niederdruckkolonne dient.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Menge an reinem (mehr als 99,5 Mol-% Sauerstoff enthaltend) gasförmigem Sauerstoff zu erhöhen, die mit einer Doppelkolonne zur Luftzerlegung produziert werden kann.
  • Gemäß einer Aufgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperatur zur Produktion von Sauerstoff mit einer Doppelkolonne bereitgestellt, die eine Mitteldruckkolonne und eine Niederdruckkolonne umfasst, die einen Verdampfer zum Verdampfen der Flüssigkeit im Sumpf der Niederdruckkolonne umfasst, das die folgenden Schritte umfasst:
    • – Senden von gekühlter und verdichteter Luft zur Mitteldruckkolonne,
    • – Senden einer mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit und einer mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne zu der Niederdruckkolonne,
    • – Senden von Gas zum Sumpf der Mischkolonne,
    • – Senden einer zweiten mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit von der Niederdruckkolonne zum Kopf der Mischkolonne, wobei diese zweite Flüssigkeit weniger flüchtig als das dem Sumpf der Mischkolonne zugeführte Gas ist,
    • – Abziehen eines mit Sauerstoff angereicherten Fluids aus der Niederdruckkolonne,
    • – Senden mindestens eines Teils eines Gases, eventuell des Gases im Kopf von der Mischkolonne zu den Durchlässen zum Erhitzen des Verdampfers,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkeit mindestens 5 Mol-% Stickstoff enthält und das von der Mischkolonne zu den Heizdurchlässen gesendete Gas mit Sauerstoff angereichert ist und mindestens 15 Mol-% Stickstoff enthält.
  • Gemäß anderer fakultativer Aspekte:
    • – kondensiert das Gas im Kopf der Mischkolonne mindestens teilweise im Verdampfer und das Kondensat wird an eine Ebene der Niederdruckkolonne gesendet, eventuell über der ersten Ebene.
    • – Die Flüssigkeit vom Sumpf der Argonkolonne wird zum Kopf der Mischkolonne gesendet.
    • – Eine Flüssigkeit vom Sumpf und eine Flüssigkeit vom Mittelteil der Mischkolonne werden zu der Doppelkolonne gesendet.
    • – Ein Gas in der Mitteldruckkolonne oder Luft kondensiert mindestens teilweise in anderen Durchlässen zur Erhitzung des Verdampfers.
    • – Das Gas im Kopf der Mischkolonne umfasst 3 bis 5 Mol-% Stickstoff.
    • – Das Gas im Kopf der Mischkolonne umfasst mindes tens 93 Mol-%, eventuell mindestens 95 Mol-% Sauerstoff.
    • – Die zum Kopf der Mischkolonne gesendete Flüssigkeit enthält mindestens 98 Mol-% Sauerstoff.
    • – Die Mischkolonne wird bei einem Druck zwischen 0,5 und 1 bar über dem Druck der Niederdruckkolonne betrieben.
  • Es versteht sich, dass das Gas im Kopf der Mischkolonne aus dem oberen Teil der Mischkolonne oder höchstens fünf theoretischen Böden unter dem oberen Teil der Mischkolonne abgezogen werden kann.
  • Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, die auf schematische Weise erfindungsgemäße Verfahren darstellen.
  • Die Anlage der 1 umfasst eine Doppelkolonne 1, die eine Mitteldruckkolonne 3 und eine Niederdruckkolonne 5 umfasst, die mittels eines Verdampfers 7 miteinander verbunden sind.
  • Der Verdampfer umfasst Durchlässe zur Verdampfung von Flüssigkeit und zwei unabhängige Reihen von Heizdurchlässen für zwei verschiedene Gase zum Erhitzen.
  • Die Niederdruckkolonne arbeitet bei zwischen 1,4 und 2,7 bar und die Mitteldruckkolonne arbeitet bei zwischen 5 und 8 bar.
  • Die Argonkolonne 9 wird von einer ersten Ebene der Niederdruckkolonne 5 aus gespeist. Es liegt ebenfalls eine Mischkolonne 11 vor, die bei einem Druck zwischen 1,9 bar und 3,7 bar arbeitet.
  • Ein Luftstrom 13 wird zu der Kolonne 3 gesendet und ein Strom eingeblasener Luft 14 wird zu der Kolonne 5 gesendet.
  • Ein Flüssigkeitsstrom 15, der 40 Mol-% Sauerstoff enthält, wird aus dem Sumpf der Mitteldruckkolonne 3 abgezogen: Ein Teil 17 dieser Flüssigkeit speist die Niederdruckkolonne 5 nach Entspannung in einem Ventil und ein Teil 19 der Flüssigkeit wird bei zwischen 1,7 und 2,2 bar absolut in einem Ventil entspannt und zum Verdampfer im Kopf 21 der Argonkolonne 9 gesendet, wo sie mindestens teilweise verdampft. Die verdampfte Flüssigkeit 23 wird zum Sumpf der Mischkolonne gesendet.
  • Der Stickstoff im Kopf der Mitteldruckkolonne kondensiert mindestens teilweise im Verdampfer im Sumpf 7 und das Kondensat wird zu der Mitteldruckkolonne und/oder der Niederdruckkolonne gesendet.
  • Ein Gasstrom 41, der mindestens 80 Mol-% Stickstoff enthält, wird aus dem Kopf der Mitteldruckkolonne als Produkt abgezogen und stellt 10 bis 15% der Luft zur Speisung dar.
  • Ein Flüssigkeitsstrom 25, der mit Stickstoff angereichert ist und mindestens 2 Mol-% Sauerstoff enthält, wird von der Mitteldruckkolonne zum Kopf der Niederdruckkolonne gesendet.
  • Ein Flüssigkeitsstrom 27, der mindestens 5 Mol-% Stickstoff enthält, wird aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne 5 unterhalb des Abzugspunkts des Gases 26, das für die Argonkolonne 9 bestimmt ist, abgezogen. Vorzugsweise wird die zweite Flüssigkeit aus der Niederdruckkolonne an einer Ebene mindestens 5 theoretische Böden unterhalb des Einspritzpunkts der Niederdruckkolonne (oder des tiefsten Einspritzpunkts), eventuell mindestens 10 theoretische Böden unterhalb des Einspritzpunkts der Niederdruckkolonne (oder des tiefsten Einspritzpunkts) und/oder an einer Ebene ungefähr bei einem Drittel der theoretischen Böden der Niederdruckkolonne oberhalb des Sumpfs der Niederdruckkolonne abgezogen.
  • Diese Flüssigkeit wird nach dem Pumpen bei zwischen 1,9 und 3,7 bar zum Kopf der Mischkolonne 11 gesendet. Vorzugsweise wird dieser Strom 27 mit der Flüssigkeit im Sumpf 29 der Argonkolonne gemischt, bevor er mit Druck beaufschlagt und zu der Mischkolonne gesendet wird.
  • Ein Gasstrom 31, der höchstens 5 Mol-% Stickstoff enthält, wird vom Kopf der Mitteldruckkolonne zum Verdampfer 7 gesendet, wo er in den Durchlässen kondensiert, die von denen getrennt sind, in denen der Stickstoff aus der Mitteldruckkolonne kondensiert, um so den Rückfluss im Sumpf der Niederdruckkolonne zu erhöhen. Eventuell kann anstelle dieses Stickstoffs Luft oder ein anderes Fluid, das weniger flüchtig als der unter mittlerem Druck stehende Stickstoff ist, kondensiert werden, mit der Maßgabe, dass dieses in einem anderen Kondensator des Systems kondensiert, für gewöhnlich über dem Verdampfer. Ein Teil des Stroms 31 kann als mit Sauerstoff angereichertes Produkt dienen.
  • Dann wird die Flüssigkeit, die 5 Mol-% Stickstoff enthält, zu der Niederdruckkolonne an eine Ebene unterhalb des Abzugspunkts des Stroms 26 gesendet.
  • Eine Flüssigkeit vom Mittelteil 33 der Mischkolonne, die 80 Mol-% Sauerstoff enthält, wird zu der Niederdruckkolonne 5 gesendet.
  • Die Flüssigkeit im Sumpf 35 der Mischkolonne, die 65 Mol-% Sauerstoff enthält, wird zu der Niederdruckkolonne 5 gesendet.
  • Ein Strom 37, der jenseits von 99,5 Mol-% Sauerstoff enthält, wird entweder in gasförmiger Form oder in flüssiger Form im Sumpf der Niederdruckkolonne 5 abgezogen.
  • Somit lässt sich beobachten, dass die Niederdruckkolonne, von oben nach unten gehend, mit verarmter Flüssigkeit 25, die mindestens 1 Mol-% Sauerstoff enthält, der Einblasungsluft 14, der nicht verdampften, angereicherten Flüssigkeit 45 vom Kondensator im Kopf der Argonkolonne, der angereicherten Flüssigkeit 17, der Flüssigkeit vom Sumpf der Mischkolonne 35, der Flüssigkeit vom Mittelteil der Mischkolonne 33 und dem rekondensierten Gemisch 31 vom Verdampfer 7 gespeist wird.
  • Um das Schema noch mehr zu verbessern, können mehrere Flüssigkeiten vom Mittelteil der Mischkolonne zu der Niederdruckkolonne gesendet werden.
  • Die Niederdruckkolonne enthält mindestens 80 theoretische Böden und vorzugsweise mindestens 90 theoretische Böden.
  • Die Anlage der 2 unterscheidet sich insofern von der der 1, dass die Mischkolonne am Sumpf ausschließlich mit einem Luftstrom gespeist wird, der eventuell von einer Turbine oder einem Zwischenverdichter (nicht dargestellt) stammt. Der Dampf vom Kondensator 21 der Argonkolonne wird zu der Niederdruckkolonne knapp unterhalb des Einspritzpunkts der angereicherten Flüssigkeit 45 gesendet.
  • Es kann in Betracht gezogen werden, die Konzepte der 1 und 2 zu kombinieren und die Mischkolonne gleichzeitig mit Luft und verdampfter, angereicherter Flüssigkeit zu speisen.
  • Wie im Fall der 2 offensichtlich ist, kann die Argonkolonne völlig entfallen oder sie kann auch auf einen einfachen Verdampfer von erhitzter, angereicherter Luft mittels eines Gases von der Niederdruckkolonne (die in einer Argonkolonne ohne theoretische Destillationsböden ausläuft) reduziert werden.
  • Im Bedarfsfall können die Argonkolonne und/oder die Niederdruckkolonne in zwei Abschnitten auf die in EP-A-0628777 beschriebene Weise konstruiert werden.
  • Die zweite Flüssigkeit 27 wird aus der Niederdruckkolonne an einer Ebene mindestens 5 theoretische Böden unterhalb des Einspritzpunkts der angereicherten Flüssigkeit 45 der Niederdruckkolonne, eventuell mindestens 10 theoretische Böden unterhalb des Einspritzpunkts der Niederdruckkolonne und/oder an einer Ebene ungefähr bei einem Drittel der theoretischen Böden der Niederdruckkolonne oberhalb des Sumpfs der Niederdruckkolonne abgezogen.
  • Die zweite Flüssigkeit 27 wird vorzugsweise an einer Ebene zwischen dem Sumpf der Niederdruckkolonne 5 und der Ebene des Abzugs der Einspeisung 26 der Argonkolonne 9 abgezogen, im Fall, dass eine Argonkolonne vorliegt.
  • Die Mitteldruckkolonne und die Niederdruckkolonne können ebenfalls nebeneinander konstruiert werden.
  • Diese verschiedenen abgestuften Einspeisungen ermöglichen es, eine fast perfekte Niederdruckdestillation zu erzielen. Dies ermöglicht ein Steigern der Sauerstoffproduktion, während die Argonproduktion aufrechterhalten oder sogar gesteigert wird, wenn mehr als 10 bis 15% der Luft als unter mittlerem Druck stehender Stickstoff abgezogen oder 10 bis 15% der Luft als Einblasungsluft gesendet werden.
  • Die für die Vorrichtung notwendigen Frigories können von mindestens einer Einblasungsturbine und/oder mindestens einer Claude-Turbine und/oder mindestens einer Stickstoffturbine geliefert werden. Die Vorrichtung kann Flüssigkeiten und/oder Gase produzieren.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturdestillation zur Produktion von Sauerstoff mit einer Doppelkolonne (1), die Folgendes umfasst: – eine Mitteldruckkolonne (3) – eine Niederdruckkolonne (5), die einen Verdampfer (7) zum Verdampfen der Flüssigkeit im Sumpf der Niederdruckkolonne umfasst, das die folgenden Schritte umfasst: – Senden von gekühlter und verdichteter Luft zur Mitteldruckkolonne, – Senden einer mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit und einer mit Stickstoff angereicherten Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne zu der Niederdruckkolonne, – Senden von Gas (23) zum Sumpf der Mischkolonne (11), – Senden einer zweiten mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit (27) von der Niederdruckkolonne zum Kopf der Mischkolonne, wobei diese zweite Flüssigkeit weniger flüchtig als das dem Sumpf der Mischkolonne zugeführte Gas ist, – Abziehen eines mit Sauerstoff angereicherten Fluids (37) aus der Niederdruckkolonne, – Senden mindestens eines Teils eines Gases, eventuell des Gases im Kopf von der Mischkolonne zu den Durchlässen zum Erhitzen des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkeit mindestens 5 Mol-% Stickstoff enthält und das von der Mischkolonne zu den Heizdurchlässen gesendete Gas mit Sauerstoff angereichert ist und mindestens 15 Mol-% Stickstoff enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem es sich beim zum Sumpf der Mischkolonne gesendeten Gas (23) um eine mit Sauerstoff angereicherte, verdampfte Flüssigkeit handelt, die in flüssiger Form (19) aus der Mitteldruckkolonne abgezogen und anschließend verdampft wurde.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Flüssigkeit in einem Kondensator im Kopf (21) einer Argonkolonne (9) verdampft wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Flüssigkeit in einem Kondensator verdampft wird, der mittels eines von der Niederdruckkolonne (5) stammenden Gases erhitzt wurde.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem das Gas im Kopf der Mischkolonne (11) mindestens teilweise im Verdampfer (7) kondensiert und das Kondensat eventuell an eine Ebene über einer ersten Ebene der Niederdruckkolonne gesendet wird, von wo ein mit Argon angereichertes Gas abgezogen und in eine Argonkolonne gesendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, das den Schritt des Sendens der Flüssigkeit vom Sumpf der Argonkolonne (9) zum Kopf der Mischkolonne (11) umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das den Schritt des Sendens einer Flüssigkeit vom Sumpf und/oder einer Flüssigkeit vom Mittelteil der Mischkolonne (11) zu der Doppelkolonne (1) umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem ein Gas in der Mitteldruckkolonne oder Luft mindestens teilweise in anderen Durchlässen zur Erhitzung des Verdampfers kondensiert.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem das Gas im Kopf der Mischkolonne (11) 0,1 bis 5 Mol-% Stickstoff, vorzugsweise zwischen 1 und 3 Mol-% Stickstoff umfasst.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem das Gas im Kopf der Mischkolonne (11) mindestens 93 Mol-%, eventuell mindestens 95 Mol-% Sauerstoff umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in dem die zum Kopf der Mischkolonne (11) gesendete Flüssigkeit mindestens 99 Mol-% Sauerstoff enthält.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in dem Luft zu einer Einblasturbine gesendet wird, die die Luft zu der Niederdruckkolonne oder der Mischkolonne (11) sendet.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in dem das Gas vom Kopf der Mitteldruckkolonne als Produkt abgezogen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in dem das zum Sumpf der Mischkolonne gesendete Gas im Vergleich zu Luft mit Sauerstoff angereichert ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in dem die Mischkolonne bei einem Druck zwischen 0,5 und 1 bar über dem Druck der Niederdruckkolonne betrieben wird.
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