DE102005028012A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft. Einsatzluft (1) wird verdichtet (3), gereinigt (7), in einem Hauptwärmeübertrager (11) abgekühlt und einem Destilliersäulen-System (13, 14, 15) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt (12, 16, 17, 18, 19). Dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) wird mindestens ein Prozess-Strom (20, 39, 54, 56) entnommen, in dem Hauptwärmeüberträger (11) angewärmt und als Produkt- oder Reststrom abgeführt. Ein Kältemittel (62, 65, 66, 67) wird in einem geschlossenen Joule-Thomson-Kreislauf geführt und dabei verdichtet (69), abgekühlt (63), drosselentspannt (64) und in dem Hauptwärmeübertrager (11) angewärmt. Die Abkühlung des Kältemittels erfolgt durch indirekte Wärmeübertragung auf verdampfendes Flüssigerdgas (63) in einem von dem Hauptwärmeübertrager (11) getrennten LNG-Wärmeübertrager (41).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem mindestens ein Teil der Prozesskälte durch verdampfendes Erdgas zugeführt wird.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
  • Das Destilliersäulen-System der Erfindung kann als Einsäulensystem zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zweisäulensystem (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
  • In vielen Fällen wird in der Nähe einer Luftzerlegungsanlage Flüssigerdgas (LNG = Liquefied Natural Gas) verdampft. Es ist an sich bekannt, die dabei frei werdende Verdampfungskälte für den Betrieb einer Luftzerlegungsanlage zu nutzen.
  • Entsprechende Verfahren sind zum Beispiel in DE 1911765 , US 4192662 , US 5139547 , US 5137558 , US 5220798 oder JP 2001141359 A beschrieben.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzung von LNG-Kälte in einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage auf besonders sichere und kostengünstige Weise zu realisieren.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein geschlossener Kreislauf eingesetzt, um die LNG-Verdampfungskälte aufzunehmen und indirekt in den Hauptwärmeübertrager (Hauptwärmetauscher) der Luftzerlegungsanlage einzubringen.
  • Unter einem "geschlossenen Kreislauf" wird hier ein Kreislaufsystem verstanden, bei dem nicht ständig Kältemittel von außen hinzugefügt und/oder nach außen abgezogen wird; dies schließt selbstverständlich gelegentliches Nachfüllen des Kreislaufs beispielsweise durch eine Fraktion aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung nicht aus; insbesondere wird jedoch kein Teil des in dem Kreislauf zirkulierenden Kältemittels in eine der Trennsäulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt. Somit wird – auch unter Berücksichtigung möglicher Undichtheiten der Wärmetauscherpassagen – wirksam verhindert, dass Erdgas und Sauerstoff beziehungsweise Erdgas und Luft miteinander in Kontakt geraten können.
  • Der Joule-Thomson-Kreislauf benötigt lediglich eine Maschine, den Kreislaufverdichter. Auf weitere teure Maschinen wie zum Beispiel eine Expansionsturbine für das Kältemittel wird bei der Erfindung bewusst verzichtet. In vielen Fällen reicht die durch das Flüssigerdgas gelieferte Kälte vollständig für den Ausgleich der Kälteverluste des Luftzerlegers (und für die Verflüssigung eventueller Flüssigprodukte) aus. In diesem Fall braucht in der gesamten Anlage keine Expansionsturbine eingesetzt werden. Die Investitionskosten und der Betriebsaufwand vermindern sich entsprechend.
  • Das erfindungsgemäße System kann insbesondere bei einem Innenverdichtungsverfahren angewendet werden. Hierbei wird mindestens eines der Produkte (zum Beispiel Stickstoff aus Hochdrucksäule und/oder Sauerstoff aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems) flüssig aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder aus einem mit einer dieser Säulen verbundenen Kondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, durch indirekte Wärmeübertragung in dem Hauptwärmeübertrager verdampft beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen.
  • Besonders bei Zwei- oder Mehr-Säulen-Verfahren wird häufig ein flüssiger Strom aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung durch indirekte Wärmeübertragung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer abgekühlt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt er dabei vorzugsweise nicht in indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittel.
  • Als Kältemittel wird vorzugsweise Stickstoff oder Argon eingesetzt. Grundsätzlich kann jedoch auch jedes andere geeignete Fluid hierfür verwendet werden, insbesondere ein Argon-Stickstoff-Gemisch, ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch oder ein Argon-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch.
  • Vorzugsweise wird der Joule-Thomson-Kreislauf unter einem überkritischen Druck betrieben, das heißt das Kältemittel wird in dem Kreislaufverdichter auf einen überkritischen Druck verdichtet und steht insbesondere bei der indirekten Wärmeübertragung mit dem verdampfenden Flüssigerdgas unter überkritischem Druck. Bei der Drosselentspannung gelangt es in der Regel wieder in den unterkritischen Bereich und tritt dann flüssig oder als Zwei-Phasen-Gemisch in den Hauptwärmeübertrager ein.
  • Es kann günstig sein, zusätzlich zu dem verdampfenden Erdgas und dem Kältemittel einen weiteren Strom durch den LNG-Wärmeübertrager (LNG-Wärmetauscher) zu führen, indem ein stickstoffhaltiger Strom aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung in den LNG-Wärmeübertrager eingeführt, dort angewärmt und schließlich als Produkt- oder Reststrom abgeführt wird. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung weiter optimiert werden. Da es sich um eine sauerstoffarme beziehungsweise sauerstofffreie Fraktion handelt und diese nach dem Durchströmen des LNG-Wärmeübertragers nicht in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zurückgeleitet wird, bleibt die hohe Sicherheit des Verfahrens erhalten.
  • Vorzugsweise wird auch bei Innenverdichtung die gesamte Einsatzluft für das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung nur auf etwa den höchsten Druck in dem Destilliersäulen-System verdichtet. Bei einem Zwei-Säulen-System ist das der Druck am Sumpf der Hochdrucksäule (plus den Leitungsverlusten).
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 8.
    •
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter 2 von einem Luftverdichter 3 angesaugt, und auf einen Druck von etwa 6 bar verdichtet. Dieser Druck entspricht dem höchsten Druck in dem noch zu beschreibenden Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung plus den Druck- und Leitungsverlusten, welche die Einsatzluft die auf dem Weg dorthin erleidet.
  • Die verdichtete Einsatzluft 4 wird in einem Direktkontaktkühler 5 in direktem Kontakt mit Wasser abgekühlt und strömt über Leitung 6 weiter zu einer Reinigungseinheit 7, die ein Paar umschaltbarer Adsorber aufweist. Die gereinigte Luft 8, 9, 10 strömt zum warmen Ende eines Hauptwärmeübertragers 11, in dem sie abgekühlt und teilweise verflüssigt wird.
  • Ein Teil 12 der kalten Luft wird in gasförmigem Zustand unmittelbar oberhalb des Sumpfes in eine Hochdrucksäule 13 eingeleitet. Die Hochdrucksäule 13 ist Teil eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das außerdem eine Niederdrucksäule 14 und einen Hauptkondensator 15 aufweist. In dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Säulen 13, 14 nebeneinander angeordnet. Die Betriebsdrücke betragen ca. 5,8 bar in der Hochdrucksäule und ca. 1,3 bar in der Niederdrucksäule (jeweils am Kopf). Verflüssigte Einsatzluft wird zu einem ersten Teil 16 in die Hochdrucksäule und zu einem zweiten Teil 17, 18 über Leitung 19 in die Niederdrucksäule eingeleitet, jeweils an einer Zwischenstelle.
  • Gasförmiger Stickstoff vom Kopf der Hochdrucksäule 13 wird zu einem ersten Teil 20 zum Hauptwärmeübertrager 11 geführt, dort auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 21 – gegebenenfalls nach Weiterverdichtung in einem Produktverdichter 22 mit Nachkühler 23 als gasförmiges Druckprodukt (PGAN) abgezogen. Ein Teil 24 kann auch als Dichtgas für Pumpen oder Maschinen eingesetzt werden.
  • Der Rest 25 des gasförmigen Kopfstickstoffs der Hochdrucksäule wird im Hauptkondensator, der in dem Beispiel als mehrstöckiger Badkondensator ausgebildet ist, verflüssigt. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff 26 wird zu einem ersten Teil 27 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule aufgegeben. Ein anderer Teil 28 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 29 abgekühlt und über die Leitung 30 und eine Pumpe 31 als Flüssigprodukt (LIN) gewonnen.
  • Drei weitere Flüssigströme aus der Hochdrucksäule 13, nämlich Rohsauerstoff 32 vom Sumpf, Flüssigluft 33 und unreiner Flüssigstickstoff 34 werden ebenfalls in den Unterkühlungs-Gegenströmer 29 eingeführt und über die Leitungen 35, 36/19 beziehungsweise 37 in die Niederdrucksäule 14 eingespeist.
  • Vom Kopf der Niederdrucksäule 14 wird unreiner Stickstoff 38 gasförmig abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 29 angewärmt und über die Leitungen 39 beziehungsweise 40 zum kalten Ende des Hauptwärmeübertragers 11 beziehungsweise eines LNG-Wärmeübertragers 41 geführt und nach Anwärmung auf etwa Umgebungstemperatur direkt in die Atmosphäre abgeblasen (42), als Regeneriergas 43 in der Reinigungseinheit 7 eingesetzt und/oder einem Verdunstungskühler 45 zugeführt (44).
  • Flüssiger Sauerstoff 46 vom Sumpf der Niederdrucksäule wird zu einem Teil 47 einer Pumpe 48 zugeleitet, welche die Flüssigkeit über eine Leitung 49 zum Verdampfungsraum des Hauptkondensators fördert beziehungsweise über Leitungen 50, 51, gegebenenfalls nach Durchströmen des Unterkühlungs-Gegenströmers 29, als Flüssigprodukt (LOX) abzieht.
  • Der restliche Flüssigsauerstoff 52 wird in einer weiteren Pumpe auf den gewünschten hohen Produktdruck von beispielsweise 30 bar gebracht. Ein erster Teil 54 wird unter diesem hohen Produktdruck im Hauptwärmeübertrager 11 verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und angewärmt und schließlich über Leitung 55 als Hochdruckprodukt PGOX1 abgeführt. Ein zweiter Teil 56 wird auf einen Zwischendruck abgedrosselt (57), ebenfalls im Hauptwärmeübertrager 11 verdampft und angewärmt und dann über Leitung 58 als Druckprodukt PGOX2 gewonnen.
  • Über die Leitungen 58 kann außerdem eine Argongewinnung an die Niederdrucksäule 14 des Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung angeschlossen sein.
  • Erfindungsgemäß wird dem Prozess Kälte aus verdampfendem Erdgas über einen Joule-Thomson-Kreislauf zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel wird der Kreislauf mit Stickstoff als Kältemittel betrieben. Dieses wird in einem Kreislaufverdichter 60 mit Nachkühler 61 auf einen Druck von etwa 36 bar verdichtet und über Leitung 62 dem warmen Ende des LNG-Wärmeübertragers 41 zugeleitet. Dort wird es durch indirekte Wärmeübertragung gegen verdampfendes Flüssigerdgas (LNG) abgekühlt, mittels eines Drosselventils 64 auf etwa 5,5 bar entspannt und dabei mindestens teilweise verflüssigt und über Leitung 65 dem kalten Ende des Hauptwärmeübertragers 11 zugeleitet. Dort wird das Kältemittel in indirektem Wärmeaustausch mit Einsatzluft 9, 10 verdampft und angewärmt. Bei einer Zwischentemperatur wird das Kältemittel über Leitung 66 wieder aus dem Hauptwärmeübertrager abgezogen, im LNG-Wärmeübertrager 41 weiter angewärmt und kehrt schließlich über Leitung 67 wieder zurück zum Einlass des Kreislaufverdichters 60.
  • Das in dem LNG-Wärmeübertrager 41 verdampfte Erdgas 68 enthält noch nutzbare Kälte, die zum Abkühlen 69 von Wasserdampf aus einem Dampfsystem und/oder zur Abkühlung von Kühlwasser für die Verdichter-Nachkühlungen 23, 61 verwendet werden kann.
  • Das Verfahren des Ausführungsbeispiels kommt dank der effizienten Nutzung der LNG-Kälte ohne Expansionsturbine aus.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem – Einsatzluft (1) verdichtet (3), gereinigt (7), in einem Hauptwärmeübertrager (11) abgekühlt und einem Destilliersäulen-System (13, 14, 15) zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt (12, 16, 17, 18, 19) wird, – dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) mindestens ein Prozess-Strom (20, 39, 54, 56) entnommen, in dem Hauptwärmeübertrager (11) angewärmt und als Produkt- oder Reststrom abgeführt wird, – ein Kältemittel (62, 65, 66, 67) in einem geschlossenen Joule-Thomson-Kreislauf geführt und dabei verdichtet (69), abgekühlt (63), drosselentspannt (64) und in dem Hauptwärmeübertrager (11) angewärmt wird, – wobei die Abkühlung des Kältemittels durch indirekte Wärmeübertragung auf verdampfendes Flüssigerdgas (63) in einem von dem Hauptwärmeübertrager (11) getrennten LNG-Wärmeübertrager (41) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Produktstrom (52) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (53) und anschließend in dem Haupfwärmeübertrager (11) verdampft oder pseudo-verdampft wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 8 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein flüssiger Strom (32, 33, 34) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) durch indirekte Wärmeübertragung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer (29) abgekühlt wird, wobei der flüssige Strom (32, 33, 34) nicht in indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittel (62, 65, 66, 67) tritt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel eines der folgenden Fluide verwendet wird: – Stickstoff – Argon – ein Argon-Stickstoff-Gemisch – ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch – ein Argon-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (67) in dem Joule-Thomson-Kreislauf auf einen überkritischen Druck verdichtet (60) wird und insbesondere bei dem indirekten Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Flüssigerdgas (63) in dem LNG-Wärmeübertrager (41) unter überkritischem Druck steht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein stickstoffhaltiger Strom (49) aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) in den LNG-Wärmeübertrager (63) eingeführt, dort angewärmt und schließlich als Produkt- oder Reststrom abgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einsatzluft für das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15) nur auf etwa den höchsten Druck in dem Destilliersäulen-System verdichtet wird.
  8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit – einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15), – Mitteln zur Verdichtung (3) und zur Reinigung (7) von Einsatzluft (1), – einem Hauptwärmeübertrager (11) zum Abkühlen der gereinigten Einsatzluft – Mitteln (12, 16, 17, 18, 19) zum Einführen der abgekühlten Einsatzluft in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15), – Mitteln (20, 39, 54, 56) zum Entnehmen mindestens eines Prozess-Stroms aus dem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (13, 14, 15), zu dessen Anwärmung in dem Hauptwärmeübertrager (11) und zu seiner Abführung als Produkt- oder Reststrom, – einem geschlossenen Joule-Thomson-Kreislauf zur Führung eines Kältemittels (62, 65, 66, 67) im Kreislauf, wobei der Joule-Thomson-Kreislauf Mittel zum Verdichten (69), Abkühlen (63), Drosselentspannen (64) und Anwärmen des Kältemittels aufweist und die Mittel zum Anwärmen des Kältemittels den Hauptwärmeübertrager (11) umfassen, – und die Mittel zum Abkühlen des Kältemittels einen von dem Hauptwärmeübertrager (11) getrennten LNG-Wärmeübertrager (41) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und verdampfendem Flüssigerdgas (63) umfassen.
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