DE19913907B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation in einer Luftdestillationsdoppelsäule (400), bei dem:
– ein erster Luftstrom (100) und ein zweiter Luftstrom (104) einem Hauptwärmetauscher (200) zugeführt und dort gekühlt werden,
– zumindest ein Teil (101) des ersten kühlen Luftstroms (100) in einer ersten Turbine (D1) entspannt wird, der in der ersten Turbine (D1) entspannte Luftstrom (103) mit dem zweiten Luftstrom (104) zur Erzeugung des dritten Luftstroms (105) vermengt wird,
– zumindest ein Teil (106) des dritten Luftstroms (105) in einer zweiten Turbine (D2) entspannt wird,
– zumindest ein Teil des in der zweiten Turbine (D2) entspannten Luftstroms in eine Rektifiziersäule der Luftdestillationsdoppelsäule (400) eingeleitet wird,
– die Luft in der Luftdestillationsdoppelsäule (400) in ein sauerstoffreiches und ein stickstoffreiches Fluid zerlegt wird, und
– ein flüssiges Fluid als Endprodukt (110, 111) erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation.
  • Um Flüssigkeit aus einer Luftzerlegungsdoppelsäule zu gewinnen, werden zur Entspannung der Luft bekanntlich zwei in Reihe angeordnete Turbinen eingesetzt.
  • Aus der US 39 05 201 ist ein Verfahren zur Zerlegung von Luft bekannt, bei dem unter Einsatz von zwei in Reihe angeordneten Turbinen flüssiger Stickstoff und flüssiger Sauerstoff erzeugt werden. Die zweite Turbine entspannt Luft, die dann entweder an die Umgebung abgelassen oder einer sogenannten Niederdrucksäule zugeführt wird.
  • Aus der EP 0 420 725 A1 ist ein System bekannt, bei dem eine Claude-Turbine für eine sogenannte Mitteldrucksäule bestimmte Luft sowie Luft erzeugt, die vor einer Entspannung erwärmt und entweder an die Umgebung abgelassen oder einer sogenannten Niederdrucksäule zugeführt wird.
  • Aus der EP 0 542 539 A1 ist ein Verfahren zur Zerlegung von Luft unter Einsatz von zwei in Reihe angeordneten Turbinen bekannt, wobei die zweite Turbine eine Blasturbine ist.
  • Die Auslaßtemperatur der ersten Turbine entspricht der Ein laßtemperatur der zweiten Turbine.
  • Aus der EP 0 641 983 A1 ist ein Verfahren zur Zerlegung von Luft unter Einsatz von zwei in Reihe angeordneten Turbinen bekannt, wobei die aus der ersten Turbine austretende Luft erwärmt wird, bevor sie der zweiten Turbine zugeführt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die spezifische Energie des Verfahrens zur Zerlegung von Luft durch weitestmögliche Vermeidung von Abweichungen von dem Austauschdiagramm des Hauptwärmeaustauschers zu senken.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem Anspruch 11 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung können mindestens eines des Folgenden aufweisen:
    • – der in der ersten Turbine entspannte Strom wird ge kühlt, bevor er in der zweiten Turbine entspannt wird;
    • – der in der ersten Turbine entspannte Strom ist geringer als der in der zweiten Turbine entspannte Strom;
    • – zumindest ein Teil des in der zweiten Turbine entspannten Stroms wird in eine sogenannte Mitteldrucksäule oder eine sogenannte Niederdrucksäule eingeleitet;
    • – der für die erste Turbine bestimmte Strom steht unter einem Druck von mindestens 15 bar;
    • – der zweite Luftstrom steht unter einem Druck von mindestens 6 bar;
    • – der in der zweiten Turbine entspannte Strom besteht zumindest zu 70 % aus Luft;
    • – der Druck am Auslaß der zweiten Turbine ist geringfügig höher als der Druck in der Mitteldrucksäule;
    • – die Einlaßtemperaturen der ersten und der zweiten Tur bine entsprechen Zwischentemperaturen des Hauptwärmeaustauschers;
    • – ein Teil des dritten Stroms wird in dem Hauptwärmeaustauscher weiter gekühlt und an dem kalten Ende verflüssigt;
    • – zumindest ein gegebenenfalls verdichteter flüssiger Strom verdampft in dem Hauptwärmeaustauscher;
    • – ein aus der Niederdrucksäule der Doppelsäule stammender Fluidstrom speist eine Argonsäule und aus letzterer wird ein Argonstrom abgezogen;
    • – der mittels der zweiten Turbine enspannte Strom verläßt diese als zweiphasiges Fluid.
  • Des Weiteren hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation nach dem Verfahren des Anspruchs 1 zum Gegenstand, umfassend:
    • – einen Hauptwärmeaustauscher;
    • – eine Luftdestillationsdoppelsäule;
    • – Mittel, um einen Luftstrom einer ersten Turbine zuzuführen;
    • – Mittel zum Vermengen von in der ersten Turbine entspannter Luft und eines zweiten Luftstroms, um einen dritten Luftstrom zu erzeugen;
    • – Mittel, um zumindest einen Teil des dritten Luftstroms einer zweiten Turbine zuzuführen;
    • – Mittel, um in der zweiten Turbine entspannte Luft der Doppelsäule zuzuführen; und
    • – Mittel, um ein flüssiges Produkt aus der Doppelsäule abzuziehen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt Mittel zum Kühlen des dritten Luftstroms, bevor zumindest ein Teil dieses Luftstroms der zweiten Turbine zugeführt wird.
    •
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigt:
  • 1 den Ablauf eines Verfahrens nach der Erfindung;
  • 2 ein Austauschdiagramm für ein Verfahren nach der EP 0 420 725 A1 und
  • 3 ein Austauschdiagramm für ein Verfahren nach der Erfindung.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 treten 35 % der zur Verfügung stehenden Luft unter einem Druck von mehr als 30 bar in den Hauptwärmetauscher 200 ein. Der Druck ist stets deutlich höher als der in der sogenannten Mitteldrucksäule 401 herrschende Druck. Ein erster Luft-Strom 100 wird auf –10 °C gekühlt und in einen 15 % der Luft umfassenden Luft-Strom 102 und einen 20 % der Luft umfassenden Luft-Strom 101 aufgeteilt. Der Luft-Strom 102 wird in dem Hauptwärmetauscher gekühlt und tritt an dessen kalten Ende aus.
  • Der Luft-Strom 101 wird in einer Turbine D1 auf 30 bar entspannt und auf –50 °C gekühlt, dann zu dem Hauptwärmetauscher 200 zurückgeführt und mit einem zweiten Luftstrom 104 (65 % der Luft) unter einem Druck von 30 bar vermengt. Die vermengten Ströme bilden einen dritten Luft-Strom 105, der auf –100 °C gekühlt und dann in zwei Ströme 106 und 107 aufgeteilt wird. Der Luft-Strom 106 (70 % der Luft) wird in der Turbine D2 auf den in der Mitteldrucksäule herrschenden Druck entspannt und dann in diese eingeleitet. Der aus der Turbine D2 austretende Strom kann ein zweiphasiger Strom sein. Der Luft-Strom 107 (15% der Luft) wird in dem Hauptwärmetauscher 200 weitergekühlt.
  • Ein aus der Luftdestillationsdoppelsäule 400 stammender Flüssigsauerstoffstrom 300 wird mittels einer Pumpe verdichtet und verdampft dann in dem Hauptwärmetauscher 200. Alternativ kann dieser Strom durch mehrere flüssige Ströme, die unter unterschiedlichen Drücken stehen, oder durch Flüssigstickstoff- oder Flüssigargonströme ersetzt sein.
  • Flüssiger Sauerstoff 110 und/oder flüssiger Stickstoff 111 werden/wird aus der Doppelsäule 400 abgezogen.
  • Gegebenenfalls kann die Niederdrucksäule 403 eine Argonsäule 405 speisen.
  • Die Turbinen D1, D2 können mit Luftverdichtern gekuppelt sein.
  • Die Niederdrucksäule 403 kann unter Druck arbeiten, d.h. unter einem Druck, der über 1,5 bar liegt.
  • Die Säulen 401, 403 und 405 können Böden oder strukturierte Auskleidungen enthalten.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation in einer Luftdestillationsdoppelsäule (400), bei dem: – ein erster Luftstrom (100) und ein zweiter Luftstrom (104) einem Hauptwärmetauscher (200) zugeführt und dort gekühlt werden, – zumindest ein Teil (101) des ersten kühlen Luftstroms (100) in einer ersten Turbine (D1) entspannt wird, der in der ersten Turbine (D1) entspannte Luftstrom (103) mit dem zweiten Luftstrom (104) zur Erzeugung des dritten Luftstroms (105) vermengt wird, – zumindest ein Teil (106) des dritten Luftstroms (105) in einer zweiten Turbine (D2) entspannt wird, – zumindest ein Teil des in der zweiten Turbine (D2) entspannten Luftstroms in eine Rektifiziersäule der Luftdestillationsdoppelsäule (400) eingeleitet wird, – die Luft in der Luftdestillationsdoppelsäule (400) in ein sauerstoffreiches und ein stickstoffreiches Fluid zerlegt wird, und – ein flüssiges Fluid als Endprodukt (110, 111) erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Luftstrom (105) gekühlt wird, bevor zumindest ein Teil davon in der zweiten Turbine (D2) entspannt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der ersten Turbine (D1) entspannte Luftstrom (101) geringer als der in der zweiten Turbine (D2) entspannte Luftstrom (106) ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des in der zweiten Turbine (D2) entspannten Luftstroms in eine sogenannte Mitteldrucksäule (401) eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der für die erste Turbine (D1) bestimmte Luftstrom (101) unter einem Druck von mindestens 15 bar steht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom (104) unter einem Druck von mindestens 6 bar steht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßtemperaturen der ersten (D1) und der zweiten (D2) Turbine Zwischentemperaturen des Hauptwärmetauschers (200) sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (102) des ersten Luftstroms und/oder ein Teil (107) des dritten Luftstroms in dem Hauptwärmetauscher (200) weitergekühlt und an dessen kalten Ende verflüssigt werden/wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein gegebenenfalls unter Druck stehender flüssiger Strom in dem Hauptwärmetauscher (200) verdampft.
  10. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer sogenannten Niederdrucksäule (403) der Luftdestillationsdoppelsäule (400) stammender Fluidstrom eine Argonsäule (405) speist und aus letzterer ein Argonstrom abgezogen wird.
  11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend: – einen Hauptwärmetauscher (200); – eine Luftdestillationsdoppelsäule (400); – Mittel (100, 101), um einen Luftstrom einer ersten Turbine (D1) zuzuführen; – Mittel zum Vermengen von in der ersten Turbine entspannter Luft und eines zweiten Luftstroms, um einen dritten Luftstrom zu erzeugen; – Mittel (103, 105, 106), um zumindest einen Teil des dritten Luftstroms einer zweiten Turbine (D2) zuzuführen; – Mittel (103, 104, 106), um in der zweiten Turbine entspannte Luft der Luftdestillationsdoppelsäule zuzuführen; und – Mittel, um ein flüssiges Produkt aus der Luftdestillationsdoppelsäule abzuziehen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zum Kühlen der aus der ersten Turbine (D1) austretenden Luft, bevor diese der zweiten Turbine (D2) zugeführt wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Argonsäule (405), die mit aus der Luftdestillationsdoppelsäule stammender Luft gespeist wird.
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