DE69004773T2 - Kühlverfahren, der angewandte Kühlkreislauf und seine Anwendung in der Lufttrennung. - Google Patents

Kühlverfahren, der angewandte Kühlkreislauf und seine Anwendung in der Lufttrennung.

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DE69004773T2 DE90402594T DE69004773T DE69004773T2 DE 69004773 T2 DE69004773 T2 DE 69004773T2 DE 90402594 T DE90402594 T DE 90402594T DE 69004773 T DE69004773 T DE 69004773T DE 69004773 T2 DE69004773 T2 DE 69004773T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Kälteerzeugung. Sie befaßt sich insbesondere mit der Verflüssigung von Gasen aus der Luft und mit Anlagen zur Lufttrennung, und sie betrifft an erster Stelle ein Verfahren zur Kälteerzeugung durch Entspannen eines unter Druck stehenden Fluids bei einer ersten Temperatur in einer ersten Turbine, einer sogenannten Hochdruckturbine, und anschließendes Entspannen eines Teils des von dieser Hochdruckturbine hervorgegangenen Fluids in einer zweiten Turbine, einer sogenannten Niederdruckturbine. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in dem Dokument US-A-4 522 636 beschrieben.
  • Bei den bekannten Verfahren dieser Art ist die Hochdruckturbine die "heiße" Turbine, d.h., daß ihre Eintrittstemperatur höher ist als diejenige der Niederdruckturbine. Eine derartige Anordnung hat gewisse Nachteile:
  • - Die Tatsache, daß die Abkühlung der Gesamtheit des eintretenden Fluids auf die Eintrittstemperatur der heißen Turbine begrenzt werden muß, ist für den Wärmeaustausch ungünstig;
  • - die "kalte" Turbine verarbeitet eine verringerte Fluidmenge, obwohl sie noch weniger Kälte pro Einheit der Fluidmenge erzeugt, und obwohl in der Kältezone die größte Kältemenge erforderlich ist, weil es sich um die Verflüssigung eines Gases handelt;
  • darüber hinaus sind die thermischen Verluste gleichfalls in dieser Kältezone am größten.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, die Wärmeaustauschbeziehungen zu verbessern und die Kälteerzeugung dem Bedarf besser anzupassen.
  • Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren der vorstehend genannten Art zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus der Hochdruckturbine entnommene Teil des Fluids vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur ist.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kühlkreislauf, der dazu bestimmt ist, ein derartiges Verfahren durchzuführen. Dieser Kühlkreislauf mit einem Zirkulationskreis für ein zirkulierendes Fluid, einem Kreislaufkompressor, einer auch Hochdruckturbine genannten ersten Turbine, einer auch Niederdruckturbine genannten zweiten Turbine, wobei der Kreis eine Einrichtung umfaßt, um mindestens einen Teil des vom Kompressor komprimierten zirkulierenden Fluids nach der Abkühlung auf eine erste Temperatur in die Hochdruckturbine zu transportieren, und eine Einrichtung um wenigstens einen Teil des aus dieser Turbine austretenden Fluids in die Niederdruckturbine zu transportieren, ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Erhitzen des aus der Hochdruckturbine austretenden Teils des Fluids vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine auf eine zweite Temperatur umfaßt, die höher ist als die erste Temperatur.
  • In seinen Anwendungen zur Trennung von Luft hat die Erfindung außerdem zum Gegenstand:
  • - Ein Verfahren zur Lufttrennung, bei dem komprimierte Luft in einer ersten Turbine, einer sogenannten Hochdruckturbine abgekühlt und auf einen mittleren Druck entspannt wird und ein Teil der derart entspannten Luft in eine Doppeldestillationskolonne eingeleitet wird, während der Rest der derart entspannten Luft in einer zweiten Turbine, einer sogenannten Niederdruckturbine, nochmals bis auf ungefähr den Atmosphärendruck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest der aus der Hochdruckturbine entnommenen Luft vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur ist; und
  • - eine Lufttrennungsanlage mit einer Doppelkolonne für die Lufttrennung und einem Kühlkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf wie nachfolgend definiert ausgestaltet ist, wobei das zirkulierende Fluid die zu trennende Luft ist, welche Anlage eine Einrichtung umfaßt, um einen Teil der eingespeisten Luft bis in die Nähe ihres Taupunktes abzukühlen, sie in einem Entspannungsventil zu entspannen und sie zur Doppelkolonne zu fördern, und eine Einrichtung umfaßt, um einen Teil der aus der Hochdruckturbine entnommenen Luft zu dieser Doppelkolonne zu fördern.
  • Das Dokument EP-A-0 316 768 beschreibt ein Verfahren zur Kälteerzeugung zur Lufttrennung, bei dem ein Arbeitsfluid durch einen Hauptkompressor auf einen mittleren Druck komprimiert wird, ein Teil des Fluids mittleren Drucks in einer ersten Turbine entspannt wird, ein anderer Teil des Fluids mittleren Drucks durch zwei in Reihe geschaltete Kompressoren unter Überdruck und in einer Hochdruckturbine entspannt wird, wobei die beiden Turbinen zur Betätigung der Kompressoren der zweistufigen Uberdruckleitung dienen, wobei das die Niederdruckturbine verlassende und ein Teil des die Hochdruckturbine verlassenden entspannten Fluids zum Hauptkompressor zurückgeführt werden.
  • Mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen werden nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben; es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lufttrennungsanlage;
  • Fig. 2 ein dieser Anlage entsprechendes Wärmetauschdiagramm; und
  • Fig. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Luftrennungsanlage ist dazu bestimmt, Sauerstoff und Stickstoff in flüssiger Form zu gewinnen. Sie umfaßt eine Doppeldestillationskolonne 1, die ihrerseits eine Mitteldruckkolonne 2 umfaßt, die bis zu 6 Bar absolut arbeitet und auf der Niederdruckkolonne 3 angeordnet ist, die bis knapp unter den Atmosphärendruck arbeitet. Das Kopfgas (Stickstoff) der Kolonne 2 befindet sich in indirektem Wärmeaustausch mit der Küvettenf lüssigkeit (Sauerstoff) der Kolonne 3 mittels eines Verdampferkondensators 4.
  • Die Anlage umfaßt außerdem eine Wärmetauschereinheit 5 mit Gegenstromkreislaufführung der im Wärmeaustauschverhältnis stehenden Fluide und zwei Turbinenboosteranordnungen 6 und 7.
  • Die Anordnung 6 umfaßt einen Booster oder einen Überdruckerzeuger 8 und eine "heiße" Niederdruckturbine 9, die an derselben Welle 10 angebracht ist, und die Anordnung 7 umfaßt einen Booster oder Überdruckerzeuger 11 und eine kalte Hochdruckturbine 12, die an derselben Welle 13 angebracht ist. Die beiden Booster 8 und 11 sind in Reihe geschaltet.
  • Die auf 20 Bar komprimierte und hinsichtlich Wasser und CO&sub2; gereinigte zu trennende Luft wird durch die Anordnung des ersten Boosters 8 und des zweiten Boosters 11 auf 30 Bar über Druck gebracht und daraufhin bis auf eine Temperatur T1, beispielsweise in der Größenordnung von -125ºC in den Kanälen oder Durchlässen 14 der Wärmetauschereinheit 5 abgekühlt. Ein Teil, beispielsweise etwa ein Viertel dieser Luft wird bis zum kalten Ende der Wärmetauschereinheit in denselben Durchlässen 14 weiter abgekühlt, von wo sie über eine Leitung 15 verflüssigt austritt, in einem Entspannungsventil 16 auf 6 Bar entspannt und in den unteren Teil der Kolonne 2 eingeleitet wird. in Abwandlung hiervon kann die gesamte oder ein Teil dieser Flüssigkeit auf den niedrigen Druck entspannt und in die Kolonne 3 eingeleitet werden. Der Rest der Luft bei 30 Bar wird aus der Wärmetauschereinheit 5 über eine Leitung 17 ausgeleitet und in der Turbine 12 auf 6 Bar entspannt, von wo die Luft in der Nähe ihres Taupunkts austritt.
  • Ein Teil der aus der Turbine 12 entnommenen Luft, beispielsweise ein in etwa der Hälfte der anfänglichen Luft entsprechender Teil, wird über die Leitung 18 in die Küvette der Kolonne 2 überführt, und der Rest wird in den Durchlässen 19 der Wärmetauschereinheit, an derem kalten Ende auf eine Temperatur T2 erhitzt, die deutlich höher als T1 ist. Diese Temperatur T2 kann beispielsweise zwischen der Umgebungstemperatur und etwa -30ºC liegen.
  • Die derart erhitzte Luft wird über eine Leitung 20 aus der Wärmetauschereinheit abgeführt und in der Turbine 9 bis in die Nähe des Umgebungsdrucks entspannt, von wo sie unter einer Temperatur nahe T1 austritt. Daraufhin wird sie über die Leitung 21 wieder in die Wärmetauschereinheit eingeführt, in den Durchlässen 22 bis auf die Umgebungstemperatur erhitzt und aus der Anlage abgeführt, nachdem sie gegebenenfalls zur Regeneration des Adsorptionsmittels eingesetzt worden ist, das zur Reinigung der eingespeisten Luft und/oder zum Kühlen der Luft verwendet worden ist, die aus dem (nicht dargestellten) Hauptkompressor der Anlage austritt.
  • Bei einer in Fig. 1 strichpunktiert dargestellten Variante kann die gesamte aus der Turbine 9 entnommene Luft oder ein Teil von ihr bis an das kalte Ende der Wärmetauschereinheit in den Durchlässen 23 abgekühlt, daraufhin in die Niederdruckkolonne 3 eingeblasen werden und außerdem im Laufe der Erhitzung in den Durchlässen der Wärmetauschereinheit mit reinem Stickstoff vermischt werden, der den Rückstand der Doppelkolonne bildet.
  • Der Rest der Anlage entspricht herkömmlichem Aufbau: Die sauerstoffreiche Flüssigkeit LR (die mit Sauerstoff angereicherte Luft), die aus der Küvette der Kolonne 2 erhalten wird, wird in die Kolonne 3 überführt, nachdem sie in einem Unterkühler 25 durch Verdampfen von aus der Küvette der Kolonne 3 abgezogenem flussigem Sauerstoff abgekühlt worden ist, bei 25A gefiltert und in die Kolonne 3 zurückgeführt, daraufhin in einem Entspannungsventil 26 entspannt, und sauerstoffarme Flussigkeit LP, die im wesentlichen aus Stickstoff besteht und aus dem oberen Teil der Kolonne 2 abgezogen wird, wird ebenfalls nach einer Unterkühlung in einem Unterkühler 27 in die Kolonne 3 überführt und daraufhin in einem Entspannungsventil 28 entspannt. Die Anlage erzeugt einerseits flüssigen Stickstoff, der über eine Leitung 29 aus dem Kopf der Kolonne 2 abgeführt, in dem Unterkühler 27 unterkühlt, in einem Entspannungsventil 30 in die Nähe des Umgebungsdrucks entspannt und in einem Vorratsbehälter 31 bevorratet wird, und andererseits flussigen Sauerstoff, der über eine Leitung 32 aus dem Gefäß der Kolonne 3 entnommen und in dem Unterkühler 27 unterkühlt wird. Letzterer wird durch unreinen Stickstoff gekühlt, der vom Kopf der Kolonne 3 über eine Leitung 33 abgezogen und dann den Durchgängen 24 der Wärmetauschereinheit zugeleitet wird. Der in dem Vorratsbehälter 31 gebildete gasförmige Stickstoff wird über eine Leitung 34 in die Leitung 33 zurückgeführt.
  • Durch die Anordnung der beiden vorstehend beschriebenen Turbinen wird die Gesamtheit der auf Überdruck gebrachten Luft bis auf die Temperatur am Eintritt der kalten Turbine abgekühlt, die im vorliegenden Beispiel bis zu -25ºC beträgt. im Vergleich zur umgekehrten herkömmlichen Anordnung der beiden Turbinen steigert dies die Kühlfähigkeit für die unter Druck stehende Luft durch den Joule-Thompson- Effekt in dem Temperaturbereich, der sich von dem Eintritt der heißen Turbine zu demjenigen der kalten Turbine erstreckt.
  • In Fig. 2, in der auf der Abszisse die Temperatur in ºC und auf der Ordinate die Enthalpie H aufgetragen ist, gibt die untere Kurve C1 die Änderung der Enthalpie der Luft während des Abkühlens und des Verflüssigens und die obere Kurve C2 die Änderung der Enthalpie der Gase während des Erhitzens wieder. Man sieht, daß
  • - die kalte Turbine 12 einen großen Luftstrom mit Eintritts- und Austrittstemperaturen verarbeitet, die den Bereich 35 der Luftverflüssigung umschließen, d.h., daß diese Turbine ungeachtet ihrer Funktion bei niederer Temperatur viel Kälte erzeugt, und daß sie diese Kälte darüber hinaus genau in dem Temperaturbereich erzeugt, wo viel Kälte erforderlich ist, um die Luft zu verf lüssigen, und wo außerdem die thermischen Verluste am größten sind; und
  • - die heiße Turbine 9 eine geringe Luftmenge verarbeitet und unter Gewährleistung einer Entspannung von 6 Bar auf 1 Bar den Temperaturbereich zu überspannen vermag, der über dem vorstehend genannten liegt, und in dem die Abkühlung durch die Turbinen gewährleistet ist; die Turbine 9 erzeugt also in einem weiten Temperaturbereich genau dort wenig Kälte, wo wenig Kälte erforderlich ist, wo die im Wärmeaustausch stehenden Erzeugnisse gasförmig sind, und wo außerdem die thermischen Verluste gering sind.
  • Aus den vorstehenden Betrachtungen folgt, daß die Anlage von Fig. 1 eine verminderte spezifische Verflüssigungsenergie erfordert. Außerdem ist festzustellen, daß die durch die Leitung 18 bei mittlerem Druck transportierte Luft sich ohne Nachteile in der Nähe ihres Taupunkts befinden kann, was für die Trennung in der Doppelkolonne günstig ist.
  • Der Vorteil einer spezifischen Verflüssigungsenergie trifft auch auf den in Fig. 3 gezeigten Kreislauf zur Stickstoffverflüssigung zu. in dieser Figur tragen die Elemente, die denjenigen von Fig. 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen unter Hinzufügung von A. Auch hier findet man eine Wärmetauschereinheit 5A, einen ersten Überdruckerzeuger 8A, der mit einer heißen Niederdruckturbine 9A verbunden ist, und einen zweiten Überdruckerzeuger 11A, der mit einer kalten Hochdruckturbine 12A verbunden ist, und der Kreislauf umfaßt ferner zwei Kreislaufkompressoren 36 (1 Bar bis 6 Bar) und 37 (6 Bar bis 30 Bar), die in Reihe geschaltet sind.
  • Der durch den Kompressor 37 verdrängte Stickstoff des Kreislaufs wird durch die Anordnung der Überdruckerzeuger 8A und 11A auf einen Überdruck von 50 Bar gebracht und in die Durchlässe 14A der Tauschereinheit eingespeist. Ein Teil dieses Stickstoffs wird bis zum kalten Ende der Wärmetauschereinheit fortgesetzt abgekühlt, auf den mittleren Druck (6 Bar), in einem Entspannungsventil 16A entspannt und in einem Trenngefäß 38 in die flüssige und die dampfförmige Phase getrennt. Die dampfförmige Phase wird in den Durchlässen 19A der Wärmetauschereinheit bis auf die Umgebungstemperatur erwärmt, und die flüssige Phase wird in dem Unterkühler 39 unterkühlt. Ein Teil dieser unterkühlten Flüssigkeit wird in einem Entspannungsventil 40 auf einen Druck von etwa 1 Bar entspannt, in dem Unterkühler 39 mit Flüssigkeitsgegenstromführung verdampft und daraufhin in den Durchlässen 24A der Wärmetauschereinheit bis auf die Umgebungstemperatur erwärmt. Der Rest der unterkühlten Flüssigkeit bildet das über eine Leitung 41 abgezogene flussige Stickstoffprodukt.
  • Der nicht verflüssigte Teil des unter hohen Druck vorliegenden Stickstoffs wird über eine Leitung 17A aus der Wärmetauschereinheit abgeführt, in der Turbine 12A auf den mittleren Druck entspannt und in die Trennvorrichtung 38 eingespeist. Ein Teil der durch die Durchlässe 19A transportierten Menge wird über eine Leitung 20A aus der Wärmetauschereinheit bei einer Temperatur T2, die deutlich höher ist als T1 abgeführt, in der Turbine 9A auf einen Druck von etwa 1 Bar entspannt und über eine Leitung 21A in die Durchlässe 24A bei einer Temperatur nahe T1 eingespeist. Die Leitungen 42 und 43 verbinden jeweils die Ausgänge der Durchlässe 19A und 24A mit dem Eintritt der Kompressoren 37 und 36. Eine Leitung 44 führt dem Eintritt des Kompressors 36 einen gasförmigen Stickstoffstrom zu, die dem erzeugten flüssigen Stickstoffstrom in der Leitung 41 entspricht.
  • Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf der Größenunterschied T2 - T1 wenigstens gleich der Hälfte des durch eine Turbine gelieferten Temperaturabfalls.
  • Es ist zu bemerken, daß der heiße Teil der Wärmetauschereinheit 5 oder 5A durch eine zusätzliche Ammoniak- oder "Freon"-Kühlanlage gegebenenfalls bis auf etwa -40ºC abgekühlt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung durch Entspannen eines Fluids unter hohem Druck auf einen mittleren Druck bei einer ersten Temperatur (T1) in einer ersten Turbine (12; 12A), einer sogenannten Hochdruckturbine, und anschließendes Entspannen eines Teils des aus dieser Hochdruckturbine unter mittlerem Druck koininenden Fluids in einer zweiten Turbine (9; 9A), einer sogenannten Niederdruckturbine, auf einen niedrigen Druck, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Hochdruckturbine (12; 12A) entnommene Teil des Fluids unter mittlerem Druck vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine (9, 9A) auf eine zweite Temperatur (T2) erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur (T1) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, für die Verflüssigung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- (T1) und Austrittstemperaturen der Hochdruckturbine (12; 12A) den Temperaturbereich (35) begrenzen, bei dem das Fluid flüssig wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- (T2) und Austrittstemperaturen der Niederdruckturbine (9; 9A) den Kernbereich der Temperatur begrenzen, die zwischen der Anfangstemperatur der durch die Turbinen erzeugten Abkühlung und der Eintrittstemperatur (T1) der Hochdruckturbine (12; 12A) liegt.
4. Verfahren zur Lufttrennung, bei dem auf einen hohen Druck komprimierte Luft in einer ersten Turbine (12), einer sogenannten Hochdruckturbine, abgekühlt und auf einen mittleren Druck entspannt wird und ein Teil der so auf einen mittleren Druck entspannten Luft in eine Doppeldestillationskolonne eingeleitet wird, während der Rest dieser auf einen mittleren Druck entspannten Luft in einer zweiten Turbine (9), einer sogenannten Niederdruckturbine, nochmals bis auf ungefähr den Atinosphärendruck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest der aus der Hochdruckturbine (12; 12A) entnommenen Luft unter mittlerem Druck vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine (9, 9A) auf eine zweite Temperatur (T2) erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur (T1) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Niederdruckturbine (9) entnommene Luft erhitzt und anschließend abgeblasen wird, nachdem sie wahlweise die komprimierte Luft abgekühlt sowie ein Reinigungsadsorptionsmittel dieser Luft abgetrennt und/oder regeneriert hat.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Niederdruckturbine (9) entnommene Luft zumindest teilweise abgekühlt und dann in die Niederdruckkolonne (3) der Doppelkolonne (1) eingeblasen (21) wird.
7. Kühlkreislauf mit einem Zirkulationskreis für ein zirkulierendes Fluid, mindestens einem Kreislaufkompressor (36, 37), einer auch Hochdruckturbine ge-30 nannten ersten Turbine (12; 12A) und einer auch Niederdruckturbine genannten zweiten Turbine (9; 9A), wobei der Kreis eine Vorrichtung umfaßt, um mindestens einen Teil des vom Kompressor auf einen hohen Druck komprimierten zirkulierenden Fluids nach der Abkühlung auf eine erste Temperatur (T1) in die Hochdruckturbine zu transportieren, und einen Kreis (19, 20) umfaßt, um mindestens einen Teil des auf einen mittleren Druck entspannten Fluids aus der Hochdruckturbine zum Eingang der Niederdruckturbine zu fördern, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung (5) umfaßt, die mit dem Kreis (19) des Fluids unter mittlerem Druck zusammenwirkt, um den aus der Hochdruckturbine (12, 12A) austretenden Teil des Fluids unter mittlerem Druck vor seinem Eintritt in die Niederdruckturbine (9; 9A) auf eine zweite Temperatur (T2) aufzuheizen, die höher als die erste Temperatur (T1) ist.
8. Lufttrennungsanlage mit einer Doppelkolonne (1) für die Lufttrennung und einem Kühlkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf gemäß Anspruch 7 ausgestaltet ist, wobei das zirkulierende Fluid die zu trennende Luft ist, welche Anlage eine Einrichtung (5) umfaßt, umfaßt, um einen Teil der eingespeisten Luft bis in die Nähe ihres Taupunkts abzukühlen, sie in einem Entspannungsventil (16) zu entspannen und sie zur Doppelkolonne zu fördern, und eine Einrichtung (18) umfaßt, um einen Teil der aus der Hochdruckturbine (12) entnommenen Luft zu dieser Doppelkolonne zu fördern.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (5; 22) umfaßt, um die aus der Niederdruckturbine (9) entnommene Luft zu erhitzen und anschließend diese Luft, wahlweise nach Durchlaufen eines Kühlers der eingespeisten komprimierten Luft und/oder eines Adsorptionsabscheiders dieser Luft, aus der Anlage abzuführen.
10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (5, 23) umfaßt, um die aus der Niederdruckturbine (9) entnommene Luft abzukühlen und sie anschließend in die Niederdruckkolonne (3) der Doppelkolonne einzublasen.
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