DE102011113666A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung zweier gereinigter Luftteilströme - Google Patents

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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 ist es bekannt, einen Gesamtluftstrom (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 in 1 von einem Hauptluftverdichter 3 mit Nachkühler 4 über ein Filter 2 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 Gesamtluftstrom 5 wird unter dem ersten Gesamtluftdruck und einer Temperatur von 295 K einem ersten Direktkontaktkühler 6 zugeführt und dort in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser 7 aus einem Verdunstungskühler 8 weiter auf 283 K abgekühlt. Der abgekühlte Gesamtluftstrom 9 wird in einen ersten Luftteilstrom 10 und einen zweiten Luftteilstrom 11 aufgeteilt.
  • Der zweite Luftteilstrom 11 wird in einem Nachverdichter 12 mit Nachkühler 13 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 Luftteilstrom 14 wird anschließend in einem zweiten Direktkontaktkühler 15 von 295 K auf 290 K abgekühlt, und zwar in direktem Wärmeaustausch mit einem wärmeren Kühlwasserstrom 16.
  • Der erste Luftteilstrom wird in einer ersten Reinigungseinrichtung 18, die unter dem ersten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt und anschließend über Leitung 19 unter diesem Druck dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers zugeleitet, der in dem Ausführungsbeispiel durch zwei parallel geschaltete Blöcke 20, 21 gebildet wird. Die auf etwa Taupunkt abgekühlte Luft bildet einen ”ersten Einsatzluftstrom”, der einer ersten Hochdrucksäule 23 zugeführt wird.
  • Die erste Hochdrucksäule 23 ist Teil eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das außerdem eine zweite Hochdrucksäule 24, eine Niederdrucksäule, bestehend aus zwei Anschnitten 25, 26, einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 27, einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 28 und einen Nebenkondensator 29 aufweist. Der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 27 und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 28 sind als Fallfilmverdampfer ausgebildet, der Nebenkondensator 29 als Badverdampfer.
  • Der vorgekühlte zweite Luftteilstrom 17 wird in einer zweiten Reinigungseinrichtung 30, die unter dem zweiten Gesamtluftdruck betrieben wird, gereinigt. Aus dem gereinigten zweite Luftteilstrom kann über Leitung 32 ein kleiner Teil entnommen werden, der als Instrumentenluft oder für zwecke außerhalb der Luftzerlegung eingesetzt wird. Der Rest strömt über Leitung 33 zum Hauptwärmetauscher 20 und wird dort abgekühlt. Der abgekühlte zweite Luftteilstrom 34 wird aufgeteilt in einen ”zweiten Einsatzluftstrom” 35, der in die zweite Hochdrucksäule 24 eingeleitet wird, und in einen ”dritten Einsatzluftstrom” 36, welcher dem Verflüssigungsraum des Nebenkondensators 29 zugeleitet wird.
  • Der mindestens teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig kondensierte dritte Teilstrom 37 wird in einen Abscheider (Phasentrenner) 38 eingeleitet. Der flüssige Anteil 39 wird zu einem ersten Teil 40 der ersten Hochdrucksäule 23 zugeleitet. Zu einem zweiten Teil 41 wird er über einen Unterkühlungs-Gegenströmer 42 und Leitung 43 in die Niederdrucksäule 26 eingespeist.
  • Stickstoffreiches Kopfgas 44 der ersten Hochdrucksäule 23 wird zu einem ersten Teil in dem Niederdrucksäulen-Zwlschenverdampfer 27 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff 46 wird zu einem ersten Teil 47 als Rücklauf auf den Kopf der ersten Hochdrucksäule 23 aufgegeben. Ein zweiter Teil 48 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 42 abgekühlt und über Leitung 49 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 26 aufgegeben. Ein Teil 50 der unterkühlten Flüssigkeit kann bei Bedarf als Flüssigprodukt (LIN) gewonnen werden.
  • Ein zweiter Teil 51 des stickstoffreichen Kopfgases 44 der ersten Hochdrucksäule 23 wird in dem Hauptwärmetauscher 20 auf eine Zwischentemperatur angewärmt. Der angewärmte Druckstickstoff 52 wird in einer generatorgebremsten Druckstickstoff-Turbine 53 von 2,7 bar auf 1,25 bar arbeitsleistend entspannt. Der Austrittsdruck der Turbine reicht gerade aus, um den arbeitsleistend entspannten Strom 54 durch den Hauptwärmetauscher 20 und über die Leitungen 55, 56, 57 als Regeneriergas durch die erste und die zweite Reinigungseinrichtung 18, 30 zu drücken.
  • Stickstoffreiches Kopfgas 58 der zweiten Hochdrucksäule 24 wird in dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 28 kondensiert. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff 59 wird zu einem ersten Teil 60 als Rücklauf auf den Kopf der zweiten Hochdrucksäule 24 aufgegeben. Ein zweiter Teil 61 wird in dem Unterkühlungs-Gegenströmer 42 abgekühlt und über Leitung 62 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 26 aufgegeben.
  • Die Sumpfflüssigkeiten 63, 64 der beiden Hochdrucksäulen 23, 24 werden zusammengeführt, über Leitung 65, den Unterkühlungs-Gegenströmer 42 und Leitung 66 in die Niederdrucksäule 26 eingespeist.
  • Die Sumpfflüssigkeit 66 der Niederdrucksäule 25 wird in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfers 28 eingeleitet und dort teilweise verdampft. Der flüssig verbliebene Anteil 67 strömt in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators 29 und wird dort teilweise verdampft. Der verdampfte Anteil 68 wird zum kalten Ende des Hauptwärmetauscher-Blocks 20 geleitet, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 69 als gasförmiges Sauerstoffprodukt (GOX) einer Reinheit von 95 mol-% gewonnen. Der flüssig verbliebene Anteil wird zu einem Teil 70 in einer Pumpe 71 auf einen Druck von 6 bar, in dem Hauptwärmetauscher-Block 21 verdampft und angewärmt und schließlich dem gasförmigen Sauerstoffprodukt 69 zugemischt. Ein anderer Teil 72 kann über den Unterkühlungs-Gegenströmer 42, Pumpe 73 und Leitung 74 als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX) gewonnen werden.
  • Eine flüssige Zwischenfraktion 75, die am unteren Ende des zweiten Niederdrucksäulenabschnitts 26 anfällt wird mittels einer Pumpe 76 in den Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfers 27 gefördert und dort teilweise verdampft. Dabei erzeugter Dampf wird gemeinsam mit dem am Kopf des ersten Niederdrucksäulenabschnitts 25 anfallenden Dampf über die Leitungen 77 und 79 in den zweiten Niederdrucksäulenabschnitt 26 geleitet, gegebenenfalls gemeinsam mit umlaufender Spülflüssigkeit 78. Der Rest der flüssig verbliebenen Zwischenfraktion dient als Rücklaufflüssigkeit im ersten Niederdrucksäulenabschnitt 25.
  • Am Kopf der Niederdrucksäule 26 wird stickstoffreiches Restgas 80 unter einem Druck von 1,26 bar abgezogen und nach Anwärmung in Unterkühlungs-Gegenströmer 42 und Hauptwärmetauscher 20 über Leitung 81 praktisch drucklos als trockenes Gas in den Verdunstungskühler 8 eingespeist und dort zur Abkühlung von Kühlwasser 82 genutzt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 342436 A2 [0005]

Claims (5)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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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