DE69100399T3

DE69100399T3 - Tieftemperatur-Lufttrennung mit zweifacher Turboexpansion der Zufuhrluft bei verschiedenen Temperaturen.

Info

Publication number: DE69100399T3
Application number: DE69100399T
Authority: DE
Inventors: James Robert Dray; David Ross Parsnick
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: BR9102696A; DE69100399T2; ES2044653T5; EP0464636B1; CA2045740C; EP0464636B2; CN1058467A; EP0464636A1; ES2044653T3; KR920000365A; JPH04227457A; US5108476A; KR960003273B1; CA2045740A1; DE69100399D1; CN1057380C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Tieftemperatur-Luftzerlegung und genauer betrifft sie die Erzeugung von Produktgas mit erhöhtem Druck aus der Luftzerlegung, wobei eine Flüssigkeitserzeugung ebenfalls erwünscht sein kann.
Ein häufig benutztes kommerzielles System flir die Zerlegung von Luft, ist Tieftemperaturrektifikation. Die Zerlegung wird durch erhöhten Druck des Einsatzfluids vorangetrieben, der im allgemeinen dadurch erzielt wird, daß Einsatzluft in einem Kompressor verdichtet wird, bevor sie in ein Säulensystem eingeleitet wird. Die Zerlegung wird ausgeführt, indem Flüssigkeit und Dampf in einem Kontakt im Gegenstrom durch die Säule oder die Säulen an Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelementen geleitet werden, wodurch die flüchtigere(n) Komponente(n) von der Flüssigkeit in den Dampf geleitet wird (werden), und die weniger flüchtigere(n) Komponente(n) von dem Dampf in die Flüssigkeit geleitet wird (werden). Wenn der Dampf in einer Säule nach oben steigt, wird er fortschreitend reicher an den stärker flüchtigen Komponenten, und wenn die Flüssigkeit in einer Säule nach unten strömt, wird sie fortschreitend reicher an den weniger flüchtigen Komponenten. Im allgemeinen wird die Tieftemperaturzerlegung in einem Hauptsäulensystem ausgeführt, das mindestens eine Säule aufweist, in der das Einsatzfluid in stickstoffreiche und sauerstoffreiche Komponenten getrennt wird, und in einer Hilfsargonsäule, in der Einsatzfluid von dem Hauptsäulensystem in argonreichere und sauerstoffreichere Komponenten zerlegt wird.
WO-A-8 805 148 offenbart ein Verfahren zur Tieftemperaturdestillation von verdichteter Luft zur Erzeugung eines Sauerstoffprodukts plus eines fakultativen Rohargon-Nebenprodukts, wobei:
a) zumindest ein unverdichteter Teil eines Hauptanteils der Einsatzluft in einen Hochdruck- Rektifikationsapparat geleitet wird;
b) Überkopfflüssigkeit für den Hochdruck-Rektifikationsapparat abgezogen wird, und mindestens eine Teilmenge davon in eine mit niedrigem Druck arbeitende Stickstoffentfernungssäule als Überkopfrücklauf dafür eingeleitet wird;
c) ein kleinerer Anteil der Einsatzluft auf einen Zwischendruck turboexpandiert wird;
d) die expandierte Luft mittels Austausch von latenter Wärme mit zumindest einer Flüssigkeit der Zwischenhöhe der Stickstoffentfernungssäule und zumindest einer Teilmenge der Sumpfflüssigkeit des mit hohem Druck arbeitenden Rektifikationsapparats kondensiert wird; und
e) die sich ergebende flüssige Luft in mindestens zwei Anteile aufgeteilt wird, und ein Anteil einer Zwischenrücklaufhöhe des mit hohem Druck arbeitenden Rektifikationsapparats und ein anderer Anteil der mit niedrigem Druck arbeitenden Stickstoffentfemungssäule zugeführt wird.
In manchen Situationen ist es wünschenswert, ein flüssiges Produkt zu erzeugen, das während Zeiten hoher Nachfrage benutzt werden kann, und das zu anderen Zwecken benutzt werden kann, als die Zwecke des Gasproduktes.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zu schaffen, das eine wesentliche Steigerung der Erzeugung von Anlagenkühlung ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Energiezufiihr ermöglicht, und das somit das Vermögen einer Steigerung der Erzeugung von Flüssigkeit aus der Luftzerlegungsanlage aufweist.
Die obige Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, die im allgemeinen die Turboexpansion zweier Teile der verdichteten Einsatzluft bei zwei unterschiedlichen Temperaturpegeln einschließt, um eine Kühlung der Anlage zu bewirken, und die die Kondensation eines anderen Teils der Einsatzluft gegen eine verdampfende Flüssigkeit zur Erzeugung von Produktgas einschließt.
Genauer lautet ein Aspekt der vorliegenden Erfindung:
Ein Verfahren zum Zerlegen von Luft durch Tiefiemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas, bei dem:
(A) ein erster Teil von verdichteter Einsatzluft turboexpandiert wird, der turboexpandierte erste Teil durch Wärmeaustausch mit rückströmendem Fluid gekühlt wird und der erhaltene gekühlte turboexpandierte erste Teil in eine erste Säule einer Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, wobei die erste Säule bei einem Druck arbeitet, der im wesentlichen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) liegt;
(B) ein zweiter Teil der verdichteten Einsatzluft gekühlt wird, der gekühlte zweite Teil bei einer Temperatur turboexpandiert wird, die niedriger als die Temperatur ist, bei welcher die Turboexpansion des Verfahrensschrittes (A) ausgeführt wird, und der erhaltene turboexpandierte zweite Teil in die erste Säule eingeleitet wird;
(C) mindestens ein Teil eines dritten Teils der Einsatzluft kondensiert wird und erhaltene Flüssigkeit in die erste Säule eingeleitet wird;
(D) die in die erste Säule eingeleiteten Fluide in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide getrennt werden und diese Fluide in eine zweite Säule der Luftzerlegungsanlage eingeleitet werden, wobei die zweite Säule bei einem Druck arbeitet, der niedriger als der Druck der ersten Säule ist;
(E) die in die zweite Säule eingeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt werden;
(F) sauerstoffreiche Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit dem dritten Teil der Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (C) auszuführen, wobei der verdampfte Sauerstoff als rückströmendes Fluid im Verfahrensschritt (A) verwendet wird; und
(G) aus dem Wärmeaustausch des Verfahrensschrittes (F) erhaltener Dampf als Produkt Sauerstoffgas gewonnen wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung lautet:
Eine Vorrichtung zum Zerlegen von Luft durch Tieftemperatur-Destillation zum Erzeugen von Produktgas, versehen mit:
(A) einer Luftzerlegungsanlage, die eine erste Säule, eine zweite Säule, einen Aulkocher, eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von der ersten Säule zu dem Aufkocher und eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Aufkocher zu der zweiten Säule aufweist;
(B) einem ersten Turboexpander, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem ersten Turboexpander, einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem ersten Turboexpander zu einem Wärmetauscher und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Wärmetauscher in die erste Säule;
(C) einem zweiten Turboexpander, einer Anordnung zum Kühlen von Einsatzluft und zum Zuleiten von gekühlter Einsatzluft zu dem zweiten Turboexpander, und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem zweiten Turboexpander in die erste Säule;
(D) einem Kondensator, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Kondensator in die erste Säule;
(E) einer Anordnung zum Überleiten von sauerstoffreicher Flüssigkeit von der zweiten Säule zu dem Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Sauerstoffproduktgas von dem Kondensator zu dem Wärmetauscher; sowie
(F) einer Anordnung zum Gewinnen von Sauerstoffproduktgas von dem Wärmetauscher.
Oft ist es auch erwünscht, Produktgas aus dem Luftzerlegungssystem bei einem erhöhten Druck zu gewinnen. Im allgemeinen wird dies ausgeführt, indem das Produktgas mittels Durchleitens durch einen Kompressor auf einen höheren Druck verdichtet wird. Solch ein System ist wirkungsvoll, jedoch ist es recht kostspielig.
Demgemäß ist es eine andere Aufgabe dieser Erfindung, ein Tiefiemperatur-Luftzerlegungssystem zur Erzeugung von Produktgas mit erhöhtem Druck zu schaffen, während außerdem flüssiges Produkt erzeugt und der Bedarf einer Produktgasverdichtung vermindert oder ausgeschlossen wird.
Diese weitere Aufgabe wird erreicht, indem bei dem obigen Verfahren gemäß der Erfindung der Druck der sauerstoffreichen Flüssigkeit vor der Verdampfung des Verfahrensschrittes (F) erhöht wird.
Der Begriff "Säule" wie hier benutzt bezeichnet eine Destillations- oder Fraktioniersäule oder -zone, d.h. eine Kontaktsäule oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Zerlegung eines Fluidgemisches zu bewirken, zum Beispiel durch das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen an einer Reihe von vertikal in Abstand angeordneten Böden oder Platten, die innerhalb der Säule angebracht sind, oder alternativ an Packungselementen. Für eine weitere Beschreibung von Destillationssäulen wird verwiesen auf Chemical Engineers' Handbook, fünfie Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Distillation" B.D. Smith et. al., Seite 13-3 The Continuous Distillation Process. Der Begriff Doppelsäule, wie hier benutzt, bezeichnet eine Säule mit höherem Druck, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer Säule mit niedrigerem Druck steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelsäulen erscheint in Ruheman, "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Argonsäule" eine Säule, in der nach oben strömender Dampffortschreitend durch Gegenstrom gegen eine nach unten fließende Flüssigkeit mit Argon angereichert wird, wobei ein Argonprodukt von der Säule entnommen wird.
Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelemente" jegliche Vorrichtungen, die sich in Säulen befinden, um den Stoffübergang oder die Trennung von Komponenten an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu erleichtern.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Boden" eine im wesentlichen flache Platte mit Öffnungen und Ein- und Auslässen für Flüssigkeit, so daß die Flüssigkeit über die Platte fließen kann, wenn Dampf durch die Öffnungen steigt, um einen Stoffübergang zwischen den beiden Phasen zu ermöglichen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Packung" jeden ausgefüllten oder hohlen Körper mit vorbestimmter Anordnung, Größe und Form, der im Innern von Säulen benutzt wird, um Oberfläche für die Flüssigkeit zu schaffen, um einen Stoffübergang an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu ermöglichen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Zufallspackung" Packung, bei der einzelne Körper keine spezielle Ausrichtung bezüglich anderer Körper oder der Säulenachse haben.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "strukturierte Packung" Packung, bei der einzelne Körper eine spezielle Ausrichtung bezüglich anderer Körper und der Säulenachse haben.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "theoretische Stufe" den idealen Kontakt zwischen nach oben strömendem Dampf und nach unten strömender Flüssigkeit in eine Stufe, so daß die austretenden Ströme im Gleichgewicht sind.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Turboexpansion" den Fluß eines Gases hohen Drucks durch eine Turbine zur Verminderung von Druck und Temperatur des Gases und dadurch zum Bewirken einer Kühlung. Typischerweise wird eine Ladegerät wie z.B. ein Generator, ein Dynamometer oder ein Kompressor benutzt, um Energie zu gewinnen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Kondensator" einen Wärmetauscher, der benutzt wird, um einen Dampf mittels indirektem Wärmeaustausch zu kondensieren.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Aufkocher" einen Wärmetauscher, der benutzt wird, um eine Flüssigkeit mittels indirektem Wärmeaustausch zu verdampfen. Aufkocher werden typischerweise am Sumpf von Destillationssäulen benutzt, um für einen Dampfstrom zu den Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelementen zu sorgen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Luftzerlegungsanlage" eine Anlage, in der Luft mittels Tieftemperaturrektifikation zerlegt wird, und die mindestens eine Säule und eine zugehörige Verbindungsausrüstung wie z.B. Pumpen, Leitungen, Ventile und Wärmetauscher aufweist.
Figur 1 ist ein vereinfachtes schematisches Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Tieftemperatur-Luftzerlegungssystems gemäß dieser Erfindung.
Figur 2 ist eine graphische Darstellung des Luftkondensationsdrucks gegenüber dem Druck des siedenden Sauerstoffs.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird Einsatzluft 100, die auf einen Druck im allgemeinen im Bereich von 6,2 bis 35 bar (90 bis 500 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia)) verdichtet wurde, durch indirekten Wärmeaustausch gegen Rückströme mittels Durchleitens durch einen Wärmetauscher 101 gekühlt. Ein erster Teil 200 der verdichteten Einsatzluft wird vor einem vollständigen Durchgang von dem Wärmetauscher 101 abgezogen und zu einem ersten Turboexpander 201 geleitet, in dem er auf einen Druck im allgemeinen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) turboexpandiert wird. Im allgemeinen weist der erste Teil 200 10 bis 30 Prozent der Einsatzluft 100 auf Der sich ergebenede turboexpandierte erste Teil 204 wird mittels indirektem Wärmeaustausch durch Wärmetauscher 202 gekühlt, und der sich ergebende gekühlte, turboexpandierte erste Teil wird als Strom 206 in die erste Säule 105 geleitet. Ein zweiter Teil 103 der verdichteten Einsatzluft wird durch einen vollständigen Durchgang durch den Wärmetauscher 101 gekühlt und einem zweiten Turboexpander 102 zugeführt, und er wird auf einen Druck im allgemeinen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) turboexpandiert. Die sich ergebenede turboexpandierte Luft 104 wird in die erste Säule 105 eingeleitet, die bei einem Druck im allgemeinen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) arbeitet. Im allgemeinen wird der zweite Teil 103 40 bis 60 Prozent der Einsatzluft 100 enthalten. Figur 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die turboexpandierten ersten und zweiten Teile kombiniert und als ein einziger Strom 206 in die Säule 105 geleitet werden. Die Turboexpansion durch den Turboexpander 201 wird bei einem höheren Temperaturpegel ausgeführt als die Turboexpansion durch den Turboexpander 102. Im allgemeinen wird die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Turboexpansionen im Bereich von 50 bis 70 ºK liegen. Dies gestattet die Erzeugung von Kühlung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturpegeln, wodurch eine Steigerung der Flüssigkeitserzeugung über ein einziges Turboexpansionssystem ohne jegliche zusätzliche Energiezufuhr zu dem Haupteinsatzluftstrom ermöglicht wird.
Ein dritter Teil 106 der verdichteten Einsatzluft wird einem Kondensator 107 zugeführt, in dem er mindestens teilweise mittels indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Flüssigkeit, die der Luftzerlegungsanlage entnommen wurde, kondensiert wird. Im allgemeinen weist der dritte Teil 106 5 bis 30 Prozent der Einsatzluft 100 auf. Die sich ergebende Flüssigkeit wird in die Säule 105 an einer Stelle oberhalb der Dampfzufuhr eingeleitet. Falls der Strom 106 nur teilweise kondensiert ist, kann der sich ergebende Strom 160 direkt in die Säule 105 geleitet werden, oder er kann wie gezeigt in Figur 1 zu einem Abscheider 108 geleitet werden. Flüssigkeit 109 von dem Abscheider 108 wird dann in die Säule 105 geleitet. Die Flüssigkeit 109 kann mittels Durchleitens durch Wärmetauscher 110 weiter gekühlt werden, bevor sie in Säule 105 geleitet wird. Bin Kühlen des kondensierten Teils der Einsatzluft verbessert die Flüssigkeitserzeugung des Verfahrens.
Dampf 111 von Abscheider 108 kann direkt in die Säule 105 geleitet werden, oder er kann in Wärmetauscher 112 gegen Rückströme gekühlt oder kondensiert und dann in die Säule 105 geleitet werden. Weiterhin kann ein fünfter Teil 113 der Einsatzluft in dem Wärmetauscher 112 gegen Rückströme gekühlt oder kondensiert und dann in die Säule 105 geleitet werden. Die Ströme 111 und 113 können benutzt werden, um die Temperatur der Anteile der Einsatzluft einzustellen, die turboexpandiert werden. Zum Beispiel wird eine Vergrößerung des Stromes 113 die Erwärmung der Rückströme in Wärmetauscher 112 vergrößern, und dadurch wird die Temperatur der Binsatzluftströme angehoben. Die höheren Einlaßtemperaturen zu den Turpoexpandern können die entwickelte Kühlung vergrößern, und sie können die Auslaßtemperatur der expandierten Luft steuern, um jeglichen Flüssigkeitsgehalt auszuschließen. Wenn die Luftzerlegungsanlage eine Argonsäule aulweist, kann ein vierter Teil 120 der Einsatzluft mittels indirektem Wärmeaustausch wie z.B. in Wärmetauscher 122 weiter gekühlt oder kondensiert werden, wobei Fluid in der Argonsäule erzeugt und dann in die Säule 105 geleitet wird.
Innerhalb der ersten Säule 105 werden die in die Säule eingebrachten Fluide miffels Tieftemperaturdestillation in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide zerlegt. Bei der in Figur 1 veranschaulichten Ausfühmngsform ist die erste Säule die mit höherem Druck arbeitende Säule eines Doppelsäulensystems. Mit Stickstoff angereicherter Dampf 161 wird von der Säule 105 abgezogen und in Aulkocher 162 gegen siedende Sumpfflüssigkeit der Säule 130 kondensiert. Die sich ergebende Flüssigkeit 163 wird in einen Strom 164, der zu der Säule 105 als flüssiger Rücklauf zurückgeführt wird, und in einen Strom 118 getrennt, der in Wärmetauscher 112 unterkühlt und in die zweiten Säule 130 der Luftzerlegungsanlage entspannt wird. Die zweite Säule 130 arbeitet bei einem Druck, der geringer als der der ersten Säule 105 ist, und der im allgemeinen im Bereich von 1,0 bis 2,1 bar (15 bis 30 psia) liegt. Flüssiges Stickstoffprodukt kann von Strom 118 gewonnen werden, bevor es in die Säule 130 entspannt wird, oder es kann, wie veranschaulicht in Figur 1, direkt von der Säule 130 als Strom 119 entnommen werden, um den Tank-Flashoff zu minimieren.
Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird von der Säule 105 als Strom 117 abgezogen, in dem Wärmetauscher 112 unterkühlt und in die Säule 130 geleitet. Falls die Luftzerlegungsanlage wie bei der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform eine Argonsäule aufweist, kann der gesamte Strom 117 oder eine Teilmenge davon in den Kondensator 131, der zum Kondensieren des Kopfdampfes der Argonsäule dient, entspannt werden. Die sich ergebenden, Dampf bzw. Flüssigkeit aufweisenden Ströme 165 und 166 werden dann von dem Kondensator 131 in die Säule 130 übergeleitet.
Innerhalb der Säule 130 werden die Fluide mittels Tiefiemperaturdestillation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit zerlegt. Stickstoffreicher Dampf wird von der Säule 130 als Strom 114 abgezogen, mittels Durchleitens durch die Wärmetauscher 112 und 101 auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und als Produktstickstoffgas gewonnen. Zu Zwecken der Steuerung der Säulenreinheit wird ein stickstoffreicher Abfallstrom 115 von der Säule 130 an einer Stelle abgezogen, die zwischen den Einleitungsstellen für die Ströme des mit Stickstoff angereicherten Einsatzfluids und des mit Sauerstoff angereicherten Einsatzfluids liegt, und er wird mittels Durchleitens durch die Wärmetauscher 112 und 101 erwärmt, bevor er in die Atmosphäre abgelassen wird. Durch den Gebrauch dieser Erfindung sind Stickstoffausbeuten von bis zu 90 Prozent oder mehr möglich.
Wie erwähnt enthält die in Figur 1 veranschaulichte Ausführungsform eine Argonsäule in der Luftzerlegungsanlage. Bei solch einer Ausführungsform wird ein hauptsächlich Sauerstoff und Argon aufweisender Strom von Säule 130 in die Argonsäule 132 geleitet 134, in der er mittels Tiefiemperaturdestillation in sauerstoffreichere Flüssigkeit und argonreicheren Dampf zerlegt wird. Sauerstoffreichere Flüssigkeit wird als Strom 133 zu Säule 130 zurückgeführt. Argonreicherer Dampf wird zu dem Argonsäulenkondensator 131 geleitet 167 und gegen mit Sauerstoff angereichertes Fluid kondensiert, um argonreichere Flüssigkeit 168 zu erzeugen. Ein Teil 169 der argonreicheren Flüssigkeit wird als flüssiger Rücklauf für Säule 132 eingesetzt. Ein anderer Teil 121 der argonreicheren Flüssigkeit wird als Rohargonprodukt gewonnen, dessen Argonkonzentration im allgemeinen 96 Prozent übersteigt. Wie veranschaulicht in Figur 1 kann der Rohargonproduktstrom 121 in dem Wärmetauscher 122 gegen den Einsatzluftstrom 120 erwärmt oder verdampft werden, bevor er weiter gereinigt und gewonnen wird.
Sauerstoffreiche Flüssigkeit 140 wird von der Säule 130 abgezogen und vorzugsweise auf einen Druck verdichtet, der größer als der von Säule 130 ist, entweder mittels einer Änderung der Höhe, d.h. der Erzeugung einer Flüssigkeitsdruckhöhe, mittels Pumpens, mittels Einsatzes eines unter Druck stehenden Speichertanks oder mittels jeglicher Kombination dieser Verfahren. Bei der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform wird sauerstoffreiche Flüssigkeit 140 mittels Durchleitens durch Pumpe 141 unter Druck gesetzt, um einen Flüssigkeitsstrom 142 mit erhöhtem Druck zu erzeugen. Die Flüssigkeit höheren Drucks wird dann mittels Durchleitens durch den Wärmetauscher 110 erwärmt und in den Seitenkondensator oder Produktkocher 107 gedrosselt, in dem sie mindestens teilweise verdampft wird. Gasförmiger Produktsauerstoff 143 wird von dem Kondensator 107 übergeleitet, durch den Wärmetauscher 101 erwärmt und als Produktsauerstoffgas gewonnen. Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff "gewonnen" jede Behandlung des Gases oder der Flüssigkeit, einschließlich des Ablassens in die Atmosphäre. Flüssigkeit 116 kann dem Kondensator 107 entnommen, mittels Durchleitens durch den Wärmetauscher 112 unterkühlt und als flüssiger Produktsauerstoff gewonnen werden.
Der Sauerstoffgehalt der Flüssigkeit vom Sumpf der Säule 105 ist niedriger als bei einem konventionellen Verfahren, bei dem kein Luftkondensator benutzt wird. Dies ändert die Rücklaufverhältnisse in den Sumpf der Säule 105 und in alle Abschnitte der Säule 130, im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren. Mit der Erfindung sind hohe Produktausbeuten möglich, da Kühlung erzeugt wird, ohne daß ein Dampfentzug von der Säule 105 oder eine zusätzliche Dampfzufuhr zu Säule 130 erforderlich wäre.
Die Erzeugung von Kühlung durch die Zugabe von dampfförmiger Luft von einer Turbine zu Säule 130 oder durch das Entfernen von dampfförmigem Stickstoff von Säule 105 um diesen einer Turbine zuzuführen, würde die Rücklaufverhältnisse in Säule 130 verändern und die Produktausbeuten erheblich herabsetzen. Bei der Erfindung können leicht hohe Rücklaufverhältnisse und somit hohe Produktausbeuten und hohe Produktreinheiten beibehalten werden. Durch den Gebrauch des Systems gemäß dieser Erfindung sind Sauerstoffausbeuten von bis zu 99,9 Prozent möglich. Es kann Sauerstoffprodukt gewonnen werden, dessen Reinheit im allgemeinen im Bereich von 95 bis 99,95 Prozent liegt.
Zusätzliche Flexibilität könnte gewonnen werden, indem die Einsatzluft aufgeteilt wird, bevor sie in den Wärmetauscher 101 gelangt. Die Luft könnte mit zwei unterschiedlichen Drücken zugeführt werden, falls die Anforderungen an die Flüssigkeitserzeugung nicht mit den Anforderungen an den Produktdruck übereinstimmen. Eine Erhöhung des Produktdruckes wird den Luftdruck anheben, der bei dem Produktkocher erforderlich ist, während erhöhte Flüssigkeitsanforderungen den an den Turbineneinlässen erforderlichen Luftdruck anheben würde.
Die in Figur 1 dargestellte Ausfühmngsform veranschaulicht die Kondensation von Luft, die zur Erzeugung von Produktsauerstoffgas zugeführt wird. Figur 2 veranschaulicht den zur Erzeugung von Sauerstoffgasprodukt erforderlichen Luftkondensationsdruck über einen Druckbereich für Temperaturdifferenzen ΔT zum Sieden des Produkts von 1 und 2 ºK. Zwischen Strömen in jedem indirekten Wärmetauscher wird es eine endliche Temperaturdifferenz (ΔT) geben. Eine Erhöhung der Oberfläche des Wärmetauschers und/oder der Wärmeübergangskoeffizienten wird die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den Strömen herabsetzen. Für einen festen Sauerstoffdruckbedarf wird eine Verminderung von ΔT eine Verminderung des Luftdrucks ermöglichen, wobei die zum Verdichten der Luft erforderliche Energie abnimmt und die Betriebskosten gesenkt werden.
Die sich ergebende Flüssigkeitserzeugung wird durch viele Parameter beeinflußt. Turbinenströme, Drücke, Einlaßtemperaturen und Wirkungsgrade werden einen erheblichen Einfluß haben, da sie die Erzeugung der Kühlung bestimmen. Der Lufteinlaßdruck, die Temperatur und das ΔT am warmen Ende werden die Verluste am warmen Ende bestimmen. Die gesamte Flüssigkeitserzeugung (ausgedrückt als ein Prozentsatz der Luft) hängt von den Luftdrücken in die und aus den Turbinen, den Turbineneinlaßtemperaturen, den Turbinenwirkungsgraden, der Einlaßtemperatur des Hauptwärmetauschers und der Menge des als Gas höheren Drucks erzeugten Produkts ab. Das als Produkt höheren Drucks erzeugte Gas erfordert, daß Energie dem Produktkompressor statt dem Luftkompressor zugeführt wird.
In der letzten Zeit wurde in steigendem Maß Packung als Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelemente bei Tieftemperaturdestillation anstelle von Böden benutzt. Strukturierte Packung oder Zufallspackung hat den Vorteil, daß einer Säule Stufen hinzugefügt werden können, ohne daß der Betriebsdruck der Säule wesentlich erhöht wird. Dies hilft, die Produktausbeuten zu maximieren, die Flüssigkeitserzeugung zu steigern und die Produktreinheiten zu erhöhen. Strukturierte Packung wird gegenüber Zufallspackung bevorzugt, da sie vorhersehbarer wirkt. Die vorliegende Erfindung ist gut für den Gebrauch von strukturierter Packung geeignet. Insbesondere kann strukturierte Packung besonders vorteilhaft für einige oder alle der Dampf- Flüssigkeits-Kontaktelemente in der zweiten Säule oder der mit niedrigerem Druck arbeitenden Säule, und falls benutzt in der Argonsäule eingesetzt werden.
Der mit dieser Erfindung erreichbare hohe Produktlieferdruck wird die Kosten für die Produktverdichtung herabsetzen oder ausschließen. Falls außerdem eine gewisse Flüssigkeitserzeugung erforderlich ist, kann jene durch diese Erfindung bei relativ geringen Investitionskosten erzeugt werden.
Das System gemäß dieser Erfindung ermöglicht eine erhebliche Steigerung der Erzeugung von Anlagenkühlung, ohne daß eine zusätzliche Energiezufiihr notwendig wäre. Dies führt zu dem Vermögen, die Erzeugung von Flüssigkeit aus der Luftzerlegungsanlage zu steigern, wodurch die Anlage sowohl unter Bedingungen eines niedrigeren als auch eines höheren Bedarfs mit Bezug auf den Auslegungspunkt wirkungsvoller betrieben werden kann. Die erhöhte Kühlung wird zum Teil durch die Turboexpansion höherer Temperatur, gekoppelt mit der nachfolgenden Kühlung zur Erzeugung einer Turboexpansion niedrigerer Temperatur bewirkt. Die Turboexpansion mit hoher Temperatur und die nachfolgende Kühlung ermöglichen, daß mehr Kühlung aus den erwärmenden Strömen bei einem hohen Temperaturpegel erzeugt wird. Dies führt zu einer kleineren Temperaturdifferenz am kalten Ende des Wärmetauschers 202 und verbessert somit den Gesamtwirkungsgrad des Zyklus. Dies kommt daher, daß die zweistufige Turboexpansion mit zwei Temperaturpegeln die Kühlung effizienter erzeugen kann, als eine Turboexpansion bei einem einzigen, niedrigen Temperaturpegel.

Claims

1. Verfahren zum Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas, bei dem:

(A) ein erster Teil (200) von gekühlter, verdichteter Einsatzluft turboexpandiert wird, der turboexpandierte erste Teil (204) durch Wärmeaustausch mit rückströmendem Fluid gekühlt wird und der erhaltene gekühlte turboexpandierte erste Teil (206) in eine erste Säule (105) einer Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, wobei die erste Säule bei einem Druck arbeitet, der im wesentlichen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) liegt;

(B) ein zweiter Teil der verdichteten Einsatzluft gekühlt wird, der gekühlte zweite Teil (103) bei einer Temperatur turboexpandiert wird, die niedriger als die Temperatur ist, bei welcher die Turboexpansion des Verfahrensschrittes (A) ausgeführt wird, und der erhaltene turboexpandierte zweite Teil (104) in die erste Säule eingeleitet wird;

(C) mindestens ein Teil eines dritten Teils (106) der Einsatzluft kondensiert wird und erhaltene Flüssigkeit (109) in die erste Säule eingeleitet wird;

(D) die in die erste Säule eingeleiteten Fluide in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide getrennt werden und diese Fluide in eine zweite Säule (130) der Luftzerlegungsanlage eingeleitet werden, wobei die zweite Säule bei einem Druck arbeitet, der niedriger als der Druck der ersten Säule ist;

(E) die in die zweite Säule eingeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf (114) und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt werden;

(F) sauerstoffreiche Flüssigkeit (140) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem dritten Teil (106) der Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (C) auszuführen, wobei der verdampfte Sauerstoff als rückströmendes Fluid im Verfahrensschritt (A) verwendet wird; und

(G) aus dem Wärmeaustausch des Verfahrensschrittes (F) erhaltener Dampf als Produkt Sauerstoffgas (143) gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die durch die Kondensation des Verfahrensschrittes (C) erhaltene Flüssigkeit (109) weiter gekühlt wird, bevor sie in die erste Säule (105) eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die sauerstoffreiche Flüssigkeit (140) vor dem Verdampfen des Verfahrensschrittes (F) erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druck der sauerstoffreichen Flüssigkeit (140) erhöht wird, bevor die Verdampfung des Verfahrensschrittes (F) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Luftzerlegungsanlage ferner eine Argonsäule (132) aulweist, ein Strom (134) von der zweiten Säule (130) der Argonsäule zugeleitet und in argonreicheren Dampf (167) und sauerstoffreichere Flüssigkeit (133) getrennt wird, sowie der argonreichere Dampf kondensiert und mindestens zum Teil gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der argonreichere Dampf (167) durch indirekten Wärmeaustausch mit mit Sauerstoff angereichertem Fluid (117) zur Erzeugung von argonreicherer Flüssigkeit (168, 121, 169) kondensiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem argonreichere Flüssigkeit (121) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem vierten Teil (120) der gekühlten, verdichteten Einsatzluft verdampft wird und der erhaltene kondensierte vierte Teil in die erste Säule (105) eingeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dritte Teil (106) der Einsatzluft teilweise kondensiert wird, der erhaltene Dampf (111) danach kondensiert und dann in die erste Säule (105) eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Flüssigkeit (116, 119) aus der Luftzerlegungsanlage abgezogen und die Flüssigkeit als Produktflüssigkeit gewonnen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Produktflüssigkeit mit Stickstoff angereichertes Fluid (119) ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Produktflüssigkeit sauerstoffreiche Flüssigkeit (116) ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aus dem Verfahrensschritt (C) erhaltene Flüssigkeit (109) in die erste Säule (105) an einer Stelle eingeleitet wird, die höher als die Einleitungsstelle des Dampfes (206) aus dem Verfahrensschritt (A) oder des Dampfes (206) aus dem Verfahrensschritt (B) ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein fünfter Teil (113) der Einsatzluft, der einen höheren Druck hat als der turboexpandierte erste Teil (206) oder der turboexpandierte zweite Teil (104), durch indirekten Wärmeaustausch mit Fluid (114, 115), das aus der Luftzerlegungsanlage entnommen wird, gekühlt und der erhaltene fünfte Teil in die erste Säule (105) eingeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem stickstoffreicher Dampf (114) als Produkt Stickstoffgas gewonnen wird.

15. Vorrichtung zum Zerlegen von Luft durch Tieftemperatur-Destillation zum Erzeugen von Produktgas, versehen mit:

(A) einer Luftzerlegungsanlage, die eine erste Säule (105), eine zweite Säule (130), einen Aulkocher (162), eine Anordnung zum Überleiten von Fluid (161) von der ersten Säule zu dem Aulkocher und eine Anordnung zum Überleiten von Fluid (163, 118) von dem Aulkocher zu der zweiten Säule aufweist;

(B) einem ersten Turboexpander (201), einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft (200) zu dem ersten Turboexpander, einer Anordnung zum Überleiten von Fluid (204) von dem ersten Turboexpander zu einem Wärmetauscher (202) und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid (206) von dem Wärmetauscher in die erste Säule;

(C) einem zweiten Turboexpander (102), einer Anordnung (101) zum Kühlen von Einsatzluft und zum Zuleiten von gekühlter Einsatzluft (103) zu dem zweiten Turboexpander, und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid (104, 206) von dem zweiten Turboexpander in die erste Säule;

(D) einem Kondensator (107), einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft (106) zu dem Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid (109) von dem Kondensator in die erste Säule;

(E) einer Anordnung zum Überleiten von sauerstoffreicher Flüssigkeit (140, 142) von der zweiten Säule (130) zu dem Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Sauerstoffproduktgas (143) von dem Kondensator (107) zu dem Wärmetauscher (202); und

(F) einer Anordnung zum Gewinnen von Sauerstoffproduktgas (143) von dem Wärmetauscher (202).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15 ferner versehen mit einer Anordnung (141) zum Erhöhen des Druckes des von der Luftzerlegungsanlage zu dem Kondensator (107) geleiteten Fluids (140, 142).

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 des weiteren versehen mit einer Anordnung (110) zum Steigern der Temperatur des von der Luftzerlegungsanlage zu dem Kondensator (107) übergeleiteten Fluids (140, 142).

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Luftzerlegungsanlage des weiteren mit einer Argonsäule (132) und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid (134) von der zweiten Säule (130) in die Argonsäule versehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18 ferner versehen mit einem Argonsäulenkondensator (131), einer Anordnung zum Beaufschlagen des Argonsäulenkondensators mit Dampf (167) von der Argonsäule (132), einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (121) von dem Argonsäulenkondensator zu einem Argonsäulenwärmeaustauscher (122) sowie Anordnungen zum Beaufschlagen des Argonsäulenwärmeaustauschers mit Einsatzluft (120) und zum Überleiten derselben von dem Argonsäulenwärrneaustauscher in die erste Säule (105).

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste Säule (105) Dampf/Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die eine strukturierte Packung aufweisen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die zweite Säule (130) Dampf/Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die eine strukturierte Packung aufweisen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Argonsäule (132) Dampf/Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die eine strukturierte Packung aufweisen.