DE102011113666A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme - Google Patents
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- F25J2205/30—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes
- F25J2205/32—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as direct contact cooling tower to produce a cooled gas stream, e.g. direct contact after cooler [DCAC]
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- F25J2205/34—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using a washing, e.g. "scrubbing" or bubble column for purification purposes as evaporative cooling tower to produce chilled water, e.g. evaporative water chiller [EWC]
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme unter verschiedenen Drücken. Ein Gesamtluftstrom (1) wird auf einen ersten Gesamtluftdruck verdichtet. Der verdichtete Gesamtluftstrom (5) wird unter dem ersten Gesamtluftdruck durch Wärmeaustausch (4, 6) mit Kühlwasser gekühlt. Der Wärmeaustausch mit Kühlwasser zur Kühlung des Gesamtluftstroms (5) wird mindestens teilweise als direkter Wärmeaustausch in einem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen (6) durchgeführt. Der gekühlte Gesamtluftstrom (9) wird in einen ersten Luftteilstrom (10) und einen zweiten Luftteilstrom (11) aufgeteilt. Der erste Luftteilstrom (10) wird unter dem ersten Gesamtluftdruck in einer ersten Reinigungseinrichtung (18) gereinigt und als erster gereinigter Luftteilstrom (19) gewonnen. Der zweite Luftteilstrom (11) wird auf einen höheren Druck nachverdichtet (12), der höher als der erste Gesamtluftdruck ist. Der nachverdichtete zweite Luftteilstrom (14) wird durch Wärmeaustausch (4, 6) mit Kühlwasser gekühlt. Der gekühlte zweite Luftteilstrom (17) wird unter dem höheren Druck in einer zweiten Reinigungseinrichtung (30) gereinigt und als zweiter gereinigter Luftteilstrom (31) gewonnen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme unter verschiedenen Drücken.
- Als ”Kondensator-Verdampfer” wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
- Ein Kondensator-Verdampfer kann beispielsweise als Fallfilm- oder Badverdampfer ausgebildet sein. Bei einem ”Fallfilmverdampfer” strömt das zu verdampfende Fluid von oben nach unten durch den Verdampfungsraum und wird dabei teilweise verdampft. Bei einem ”Badverdampfer” (gelegentlich auch ”Umlaufverdampfer” oder Thermosiphon-Verdampfer” genannt) steht der Wärmetauscherblock in einem Flüssigkeitsbad des zu verdampfenden Fluids. Dieses strömt mittels des Thermosiphon-Effekts von unten nach oben durch die Verdampfungspassagen und tritt oben als Zwei-Phasen-Gemisch wieder aus. Die verbleibende Flüssigkeit strömt außerhalb des Wärmetauscherblocks in das Flüssigkeitsbad zurück. (Bei einem Badverdampfer kann der Verdampfungsraum sowohl die Verdampfungspassagen als auch den Außenraum um den Wärmetauscherblock umfassen.)
- Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer) können im Inneren der Niederdrucksäule angeordnet sein oder einem oder mehreren separaten Behältern.
- Aus
EP 342436 A2 1 ) auf einen ersten Gesamtluftdruck zu verdichten, auf zwei Luftteilströme aufzuteilen, einen davon nachzuverdichten und die beiden Luftteilströme in zwei Reinigungseinrichtungen, die unter verschiedenen Drücken betrieben werden zur verdichtet wird, zu reinigen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung so zu gestalten, dass sie energetisch besonders günstig zu betreiben sind.
- Diese Aufgabe wird dadurch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Bei der Erfindung wird der Gesamtluftstrom vor seiner Aufteilung auf eine besonders niedrige Temperatur abgekühlt, die mit konventionellen Nach- oder Zwischenkühlern üblicherweise nicht erreicht wird. Mit dieser besonders niedrigen Temperatur tritt dann der zweite Luftteilstrom in die Nachverdichtung ein. Die entsprechende Volumenreduzierung am Eintritt des Nachverdichters bewirkt eine spürbare Verbesserung des Wirkungsgrads der Nachverdichtung und spart dadurch Energie.
- Grundsätzlich kann die Kühlung des Gesamtluftstroms durch indirekten Wärmeaustausch mit besonders kaltem Kühlwasser bewirkt werden. Günstiger ist es jedoch, wenn der Wärmeaustausch mit Kühlwasser zur Kühlung des Gesamtluftstroms mindestens teilweise als direkter Wärmeaustausch in einem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen durchgeführt wird. Vor den ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen kann ein konventioneller Nachkühler geschaltet sein, in dem der Gesamtluftstrom nach seiner Verdichtung auf den ersten Gesamtluftdruck durch indirekten Wärmeaustausch mit Kühlwasser auf eine Temperatur gekühlt wird, die regelmäßig höher als die Umgebungstemperatur ist. Die Kühlung kann aber auch ausschließlich in dem Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen vorgenommen werden.
- Auch der Wärmeaustausch mit Kühlwasser zur Kühlung des nachverdichteten zweiten Luftteilstroms (
14 ) kann grundsätzlich indirekt erfolgen. Vorzugsweise wir diese Kühlung jedoch mindestens teilweise als direkter Wärmeaustausch in einem zweiten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen durchgeführt. Vor den zweiten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen kann ein konventioneller Nachkühler geschaltet sein, in dem der nachverdichtete zweite Luftteilstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit Kühlwasser auf eine Temperatur gekühlt wird, die regelmäßig höher als die Umgebungstemperatur ist. Die Kühlung kann aber auch ausschließlich in dem Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen vorgenommen werden. - Alle Verdichtungsschritte können mehrstufig ausgeführt sein und weisen dann vorzugsweise je eine konventionelle Zwischenkühlung zwischen jedem Paar von aufeinander folgenden Stufen auf.
- Die Erfindung betrifft außerdem die Anwendung des obigen Verfahrens zur Bereitstellung von Einsatzluft auf zwei unterschiedlichen Druckniveaus für eine Tieftemperatur-Luftzerlegung gemäß Patentanspruch 4.
- Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
- Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in
1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. - Atmosphärische Luft
1 wird in1 von einem Hauptluftverdichter3 mit Nachkühler4 über ein Filter2 angesaugt und dort auf einen ersten Gesamtluftdruck von 3,1 bar verdichtet. Der Hauptluftverdichter kann zwei oder mehr Stufen mit Zwischenkühlung aufweisen; er ist aus Redundanzgründen vorzugsweise zweisträngig ausgebildet (beides in der Zeichnung nicht dargestellt). Der Gesamtluftstrom5 wird unter dem ersten Gesamtluftdruck und einer Temperatur von 295 K einem ersten Direktkontaktkühler6 zugeführt und dort in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser7 aus einem Verdunstungskühler8 weiter auf 283 K abgekühlt. Der abgekühlte Gesamtluftstrom9 wird in einen ersten Luftteilstrom10 und einen zweiten Luftteilstrom11 aufgeteilt. - Der zweite Luftteilstrom
11 wird in einem Nachverdichter12 mit Nachkühler13 von dem ersten Gesamtluftdruck (minus Druckverlusten) auf einen zweiten Gesamtluftdruck von 4,9 bar verdichtet. Der Nachverdichter kann zwei oder mehr Stufen mit Zwischenkühlung aufweisen; er ist aus Redundanzgründen vorzugsweise zweisträngig ausgebildet (beides in der Zeichnung nicht dargestellt). Je ein Strang des Hauptluftverdichters und des Nachverdichters können als eine Maschine mit gemeinsamem Antrieb ausgebildet sein, insbesondere als Getriebeverdichter. Der zweite Luftteilstrom14 wird anschließend in einem zweiten Direktkontaktkühler15 von 295 K auf 290 K abgekühlt, und zwar in direktem Wärmeaustausch mit einem wärmeren Kühlwasserstrom16 . - Der erste Luftteilstrom wird in einer ersten Reinigungseinrichtung
18 , die unter dem ersten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt und anschließend über Leitung19 unter diesem Druck dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers zugeleitet, der in dem Ausführungsbeispiel durch zwei parallel geschaltete Blöcke20 ,21 gebildet wird. Die auf etwa Taupunkt abgekühlte Luft bildet einen ”ersten Einsatzluftstrom”, der einer ersten Hochdrucksäule23 zugeführt wird. - Die erste Hochdrucksäule
23 ist Teil eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das außerdem eine zweite Hochdrucksäule24 , eine Niederdrucksäule, bestehend aus zwei Anschnitten25 ,26 , einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer27 , einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 und einen Nebenkondensator29 aufweist. Der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer27 und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 sind als Fallfilmverdampfer ausgebildet, der Nebenkondensator29 als Badverdampfer. - Der vorgekühlte zweite Luftteilstrom
17 wird in einer zweiten Reinigungseinrichtung30 , die unter dem zweiten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt. Aus dem gereinigten zweite Luftteilstrom kann über Leitung32 ein kleiner Teil entnommen werden, der als Instrumentenluft oder für zwecke außerhalb der Luftzerlegung eingesetzt wird. Der Rest strömt über Leitung33 zum Hauptwärmetauscher20 und wird dort abgekühlt. Der abgekühlte zweite Luftteilstrom34 wird aufgeteilt in einen ”zweiten Einsatzluftstrom”35 , der in die zweite Hochdrucksäule24 eingeleitet wird, und in einen ”dritten Einsatzluftstrom”36 , welcher dem Verflüssigungsraum des Nebenkondensators29 zugeleitet wird. - Der mindestens teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig kondensierte dritte Teilstrom
37 wird in einen Abscheider (Phasentrenner)38 eingeleitet. Der flüssige Anteil39 wird zu einem ersten Teil40 der ersten Hochdrucksäule23 zugeleitet. Zu einem zweiten Teil41 wird er über einen Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Leitung43 in die Niederdrucksäule26 eingespeist. - Stickstoffreiches Kopfgas
44 der ersten Hochdrucksäule23 wird zu einem ersten Teil in dem Niederdrucksäulen-Zwlschenverdampfer27 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff46 wird zu einem ersten Teil47 als Rücklauf auf den Kopf der ersten Hochdrucksäule23 aufgegeben. Ein zweiter Teil48 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer42 abgekühlt und über Leitung49 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule26 aufgegeben. Ein Teil50 der unterkühlten Flüssigkeit kann bei Bedarf als Flüssigprodukt (LIN) gewonnen werden. - Ein zweiter Teil
51 des stickstoffreichen Kopfgases44 der ersten Hochdrucksäule23 wird in dem Hauptwärmetauscher20 auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Der angewärmte Druckstickstoff52 wird in einer generatorgebremsten Druckstickstoff-Turbine53 von 2,7 bar auf 1,25 bar arbeitsleistend entspannt. Der Austrittsdruck der Turbine reicht gerade aus, um den arbeitsleistend entspannten Strom54 durch den Hauptwärmetauscher20 und über die Leitungen55 ,56 ,57 als Regeneriergas durch die erste und die zweite Reinigungseinrichtung18 ,30 zu drücken. - Stickstoffreiches Kopfgas
58 der zweiten Hochdrucksäule24 wird in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer28 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff59 wird zu einem ersten Teil60 als Rücklauf auf den Kopf der zweiten Hochdrucksäule24 aufgegeben. Ein zweiter Teil61 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer42 abgekühlt und über Leitung62 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule26 aufgegeben. - Die Sumpfflüssigkeiten
63 ,64 der beiden Hochdrucksäulen23 ,24 werden zusammengeführt, über Leitung65 , den Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Leitung66 in die Niederdrucksäule26 eingespeist. - Die Sumpfflüssigkeit
66 der Niederdrucksäule25 wird in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers28 eingeleitet und dort teilweise verdampft. Der flüssig verbliebene Anteil67 strömt in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators29 und wird dort teilweise verdampft. Der verdampfte Anteil68 wird zum kalten Ende des Hauptwärmetauscher-Blocks20 geleitet, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung69 als gasförmiges Sauerstoffprodukt (GOX) einer Reinheit von 95 mol-% gewonnen. Der flüssig verbliebene Anteil wird zu einem Teil70 in einer Pumpe71 auf einen Druck von 6 bar, in dem Hauptwärmetauscher-Block21 verdampft und angewärmt und schließlich dem gasförmigen Sauerstoffprodukt69 zugemischt. Ein anderer Teil72 kann über den Unterkühlungs-Gegenströmer42 , Pumpe73 und Leitung74 als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX) gewonnen werden. - Eine flüssige Zwischenfraktion
75 , die am unteren Ende des zweiten Niederdrucksäulenabschnitts26 anfällt wird mittels einer Pumpe76 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers27 gefördert und dort teilweise verdampft. Dabei erzeugter Dampf wird gemeinsam mit dem am Kopf des ersten Niederdrucksäulenabschnitts25 anfallenden Dampf über die Leitungen77 und79 in den zweiten Niederdrucksäulenabschnitt26 geleitet, gegebenenfalls gemeinsam mit umlaufender Spülflüssigkeit78 . Der Rest der flüssig verbliebenen Zwischenfraktion dient als Rücklaufflüssigkeit im ersten Niederdrucksäulenabschnitt25 . - Am Kopf der Niederdrucksäule
26 wird stickstoffreiches Restgas80 unter einem Druck von 1,26 bar abgezogen und nach Anwärmung in Unterkühlungs-Gegenströmer42 und Hauptwärmetauscher20 über Leitung81 praktisch drucklos als trockenes Gas in den Verdunstungskühler8 eingespeist und dort zur Abkühlung von Kühlwasser82 genutzt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 342436 A2 [0005]
Claims (5)
- Verfahren zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme unter verschiedenen Drücken, bei dem – ein Gesamtluftstrom (
1 ) auf einen ersten Gesamtluftdruck verdichtet wird, – der verdichtete Gesamtluftstrom (5 ) unter dem ersten Gesamtluftdruck durch Wärmeaustausch (4 ,6 ) mit Kühlwasser gekühlt wird, – der Wärmeaustausch mit Kühlwasser zur Kühlung des Gesamtluftstroms (5 ) mindestens teilweise als direkter Wärmeaustausch in einem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen (6 ) durchgeführt wird, – der gekühlte Gesamtluftstrom (9 ) in einen ersten Luftteilstrom (10 ) und einen zweiten Luftteilstrom (11 ) aufgeteilt wird, – der erste Luftteilstrom (10 ) unter dem ersten Gesamtluftdruck in einer ersten Reinigungseinrichtung (18 ) gereinigt und als erster gereinigter Luftteilstrom (19 ) gewonnen wird, – der zweite Luftteilstrom (11 ) auf einen höheren Druck nachverdichtet (12 ) wird, der höher als der erste Gesamtluftdruck ist, – der nachverdichtete zweite Luftteilstrom (14 ) durch Wärmeaustausch (4 ,6 ) mit Kühlwasser gekühlt wird, – der gekühlte zweite Luftteilstrom (17 ) unter dem höheren Druck in einer zweiten Reinigungseinrichtung (30 ) gereinigt und als zweiter gereinigter Luftteilstrom (31 ) gewonnen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass des Gesamtluftstroms (
5 ) in dem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen (6 ) auf eine niedrige Temperatur gekühlt wird, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch mit Kühlwasser zur Kühlung des nachverdichteten zweiten Luftteilstroms (
14 ) mindestens teilweise als direkter Wärmeaustausch in einem zweiten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen (6 ) durchgeführt wird. - Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, bei dem ein erster und ein zweiter gereinigter Luftteilstrom gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 erzeugt wird und mindestens ein Teil des ersten gereinigten Luftteilstroms und mindestens ein Teil des zweiten gereinigten Luftteilstroms in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeführt werden.
- Vorrichtung zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme unter verschiedenen Drücken, mit – einem HL zum Verdichten eines Gesamtluftstroms (
1 ) auf einen ersten Gesamtluftdruck, – einem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen (6 ) zum Kühlen des verdichtetes Gesamtluftstrom (5 ) unter dem ersten Gesamtluftdruck durch direkten Wärmeaustausch (4 ,6 ) mit Kühlwasser, – Mitteln zum Aufteilen des in dem ersten Die Kondensator-Verdampfer für die Niederdrucksäule (der Niederdrucksäulen gekühlten Gesamtluftstrom (9 ) in einen ersten Luftteilstrom (10 ) und einen zweiten Luftteilstrom (11 ), – einer ersten Reinigungseinrichtung (18 ) zum Reinigen des ersten Luftteilstroms (10 ) unter dem ersten Gesamtluftdruck, – Mitteln zum Gewinnen des ersten Luftteilstroms als erster gereinigter Luftteilstromstrom (19 ) stromabwärts der ersten Reinigungseinrichtung (18 ), – einem Nachverdichter (12 ) zum Nachverdichten des zweiten Luftteilstroms (11 ) auf einen höheren Druck, der höher als der erste Gesamtluftdruck ist, – Mitteln zum Kühlen des nachverdichteten zweiten Luftteilstroms (14 ) durch Wärmeaustausch (4 ,6 ) mit Kühlwasser, – einer zweiten Reinigungseinrichtung (30 ) zum Reinigen des gekühlten zweiten Luftteilstroms (17 ) unter dem höheren Druck und mit – Mitteln zum Gewinnen des zweiten Luftteilstroms als zweiter gereinigter Luftteilstromstrom (31 ) stromabwärts der zweiten Reinigungseinrichtung (30 ).
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- 2011-09-20 DE DE102011113666A patent/DE102011113666A1/de not_active Withdrawn
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