EP2767787A1 - Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft Download PDF

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EP2767787A1
EP2767787A1 EP14000396.3A EP14000396A EP2767787A1 EP 2767787 A1 EP2767787 A1 EP 2767787A1 EP 14000396 A EP14000396 A EP 14000396A EP 2767787 A1 EP2767787 A1 EP 2767787A1
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EP
European Patent Office
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pressure
pressure column
low
column
oxygen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14000396.3A
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English (en)
French (fr)
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Alexander Alekseev
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F25J2235/50—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/04—Down-flowing type boiler-condenser, i.e. with evaporation of a falling liquid film
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/40—One fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • the distillation column systems of the invention may be designed as two-column systems (for example, as a classic Linde double column system), or as three or more column systems.
  • they may comprise further apparatuses for obtaining highly pure products and / or other air components, in particular noble gases, for example argon recovery and / or krypton-xenon recovery.
  • distillation column in particular under “high-pressure column” and under “low-pressure column”, is understood here to mean an apparatus which has mass transfer elements for the direct countercurrent mass transfer between an ascending gas and a liquid flowing down.
  • the mass transfer elements are formed by exchange trays or packing or by a combination of both.
  • the two high-pressure column head condensers are used to generate liquid reflux from the top gas of the respective high-pressure column and are cooled with bottom liquid of the corresponding low-pressure column or another suitable cooling fluid.
  • Both high-pressure column head capacitors are designed as a condenser-evaporator.
  • Each "condenser-evaporator” has a liquefaction space and an evaporation space, which consist of liquefaction passages or evaporation passages. In the liquefaction space, the condensation of a first fluid flow is performed, in the evaporation space, the evaporation of a second fluid flow.
  • the two fluid streams are in indirect heat exchange. Evaporation and Liquefaction space is formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • the "main heat exchanger” is used for cooling feed air against return flows and may be formed from one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example from one or more plate heat exchanger blocks.
  • the "first oxygen-enriched fraction” is usually taken from the bottom of the first high-pressure column; Alternatively, it can also be taken from some practical or theoretical soils higher.
  • the "second oxygen-enriched fraction” is usually taken from the bottom of the second high-pressure column; Alternatively, it can also be taken from some practical or theoretical soils higher.
  • the "third oxygen-enriched fraction” is usually taken from the bottom of the second low-pressure column; Alternatively, it can also be taken from some practical or theoretical soils higher.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, which has a particularly low energy consumption and thereby has a high flexibility, that allows fast load changes.
  • the invention is concerned with the production of pressureless oxygen.
  • a product pressure pressure in the evaporation chamber of Secondary condenser
  • pressure in the evaporation chamber of Secondary condenser is less than 0.4 bar, preferably less than 0.3 bar or less than 0.2 bar, most preferably less than 0.15 bar above the pressure in the gas space of the first low-pressure column immediately above the sump.
  • these pressure limits generally correspond to 1.7, 1.6, 1.5 and 1.45 bar, respectively.
  • the use of a secondary condenser initially seems pointless, because even no increased pressure is desired, and a secondary condenser basically increases the pre-liquefaction of the air, which is generally considered unfavorable for the efficiency of the rectification in the separation columns.
  • a secondary condenser basically increases the pre-liquefaction of the air, which is generally considered unfavorable for the efficiency of the rectification in the separation columns.
  • the liquid air produced in the secondary condenser causes a massive improvement in the separation performance when it is introduced into at least one, preferably both, low-pressure columns.
  • the introduction into the low pressure column (s) can be done directly or indirectly.
  • the indirect introduction can for example lead via a separator in which the gaseous portion of the air is removed from the secondary condenser;
  • the air from the secondary condenser is introduced into a cup in one of the high-pressure columns, from which in turn the liquid air is taken to the low-pressure column (s).
  • the improvement of the separation performance causes a reduction of the total energy consumption of the system by 3 to 4% compared to a process without secondary condenser, that is, with direct removal of the gaseous oxygen product from the first low-pressure column.
  • the process allows - despite the additional condenser-evaporator - a very dynamic driving of the system.
  • load adjustment speeds of up to 5% per minute, measured by the change in the amount of product of gaseous oxygen.
  • the inventive method is particularly suitable for the production of particularly large amounts of oxygen, that is for air separation plants with a feed air quantity of more than 130,000 Nm 3 / h.
  • FIG. 1 the air compression as well as the pre-cooling and the cleaning of the air are not shown.
  • all the air in a main air compressor (MAC) is compressed to the lower level of the "second pressure", pre-cooled and cleaned under this pressure and then split into a first partial flow and a second partial flow 200.
  • the first partial flow is recompressed to the level of the higher, "first pressure” in a booster compressor (BAC booster air compressor, also not shown).
  • the first partial flow 100 (HP AIR - high pressure air) - shown in the drawing only downstream of the recompression - comprises the "first feed air stream" and the "third feed air stream” of the claims.
  • the second partial stream 200 forms the "second feed air stream" in the sense of the claims, but in this exemplary embodiment additionally contains a turbine air stream which will be described in more detail below. (Smaller proportions of air used for other purposes, called instrument air, are neglected here).
  • the "main heat exchanger” consists in the embodiment of three air side parallel blocks 8a, 8b 8c.
  • the purified and recompressed first partial stream 100 is supplied under the high pressure via the lines 101 a, 101 b, 101 c to the warm end of a main heat exchanger 8 a, 8 b, 8 c.
  • the cooled first partial stream 102 is branched into the "first feed air stream” 105 and the "second" feed air stream "103, 104, which are supplied in gaseous or liquid form or substantially liquid to the first high-pressure column 110 of a first distillation column system 109, which also has a first low-pressure column 111 and a "first high-pressure column overhead condenser” 113, which is designed as a classic main capacitor of a conventional double column.
  • a first part of the overhead gas of the first high-pressure column 110 is condensed.
  • a second portion 128 of this top gas is warmed in the main heat exchanger 8a and partially withdrawn via line 129 as gaseous pressurized nitrogen product (PGAN).
  • GPN gaseous pressurized nitrogen product
  • the liquid nitrogen 114 obtained in the first main condenser 113 is fed to a first part 115 as reflux to the first high-pressure column 110.
  • the remainder 116 is subcooled in a first subcooling countercurrent 117 and fed via line 118 as reflux to the top of the first low pressure column 111.
  • a part can be obtained as required via line 119 as liquid nitrogen product (LIN).
  • line 119 can be used to feed externally generated liquid nitrogen into the first low pressure column 111 ("liquid assist").
  • the bottom liquid of the first high-pressure column 110 is also subcooled to a first part 120 a likewise in the subcooling countercurrent 117.
  • the supercooled bottom liquid 122 forms a "first oxygen-enriched fraction" and is introduced into the first low-pressure column 111 at a first intermediate point.
  • an "oxygen stream” 123 is removed in the liquid state from the first low-pressure column 111 and introduced into the evaporation space of a secondary condenser 300. There, it is substantially completely evaporated in indirect heat exchange with the third feed air stream 103, which is thereby substantially completely liquefied.
  • a "gaseous oxygen stream” 124a is withdrawn, heated in the main heat exchanger 8 to approximately ambient temperature and finally withdrawn via line 124b as a “gaseous oxygen product” (GOX) recovered end product (GOX).
  • GOX gaseous oxygen product
  • liquid oxygen is withdrawn from the evaporation space of the secondary condenser 300 and discharged to at least a portion 136 - optionally after subcooling in the first supercooling countercurrent 117 - as a liquid oxygen product (LOX).
  • LOX liquid oxygen product
  • a small portion 137 of the liquid sump oxygen is removed as purge stream, in brought to supercritical pressure by a pump 138, warmed to approximately ambient temperature in the main heat exchanger 8b, and finally combined with the gaseous oxygen product in line 124b.
  • the top nitrogen of the first low-pressure column 111 is removed under a pressure of more than 1.3 bar, for example 1.4 to 2.0 bar, as the first gaseous top product 125 and after heating in the first supercooling countercurrent 117 and in the main heat exchanger 8 via line 126 withdrawn warm and finally at least temporarily blown off via line 127 into the atmosphere (amb). It can also be used as a regeneration gas (reggas) in air purification or as a dry gas in an evaporative cooler ().
  • reggas regeneration gas
  • the purified second substream 200 of the feed air is fed at about the second pressure to the warm end of a main heat exchanger 8c, shown in the "second feed air stream” 201 and a turbine air stream 202/9.
  • the second feed air stream 201 cooled to about dew point temperature, taken at the cold end of the main heat exchanger 8c via line 208 and the second high-pressure column 210 of a second distillation column system 209, which also has a second low-pressure column 211 and a "second high-pressure column head capacitor" 213.
  • the second high-pressure column overhead condenser 213 is likewise designed here as a conventional main condenser of a conventional double column, but is not operated as a bath evaporator, but as a falling-film evaporator, as in 113.
  • a first part of the overhead gas of the second high-pressure column 210 is condensed.
  • a second portion 228 of the overhead gas of the second high pressure column 110 is warmed in the main heat exchanger 8c and withdrawn via line 230 as a medium pressure gaseous nitrogen (MPGAN) gas product.
  • MPGAN medium pressure gaseous nitrogen
  • the liquid nitrogen 214 obtained in the second main condenser 213 is fed to a first part 215 as reflux to the second high-pressure column 210.
  • the remainder 216 is subcooled in a second subcooling countercurrent 217 and fed via line 218 as reflux to the top of the second low pressure column 211.
  • the bottom liquid 220 of the second high-pressure column 210 forms a "second oxygen-enriched fraction" and is subcooled in the subcooling countercurrent 217.
  • the supercooled bottom liquid 221 is introduced at an intermediate point into the second low-pressure column 211.
  • a part 229 of the supercooled bottoms liquid 121 from the first high-pressure column 110 is fed in at this intermediate point.
  • a "third oxygen-enriched fraction" 223 is removed liquid and fed to a part 236a by means of a liquid pump 235 to a second intermediate point of the first low-pressure column 111.
  • the remainder 236b flows to the evaporation space of the first main capacitor 213.
  • the top nitrogen of the second low-pressure column 211 is removed under a pressure of less than 1.3 bar as a second gaseous top product 225 and after warming in the second supercooling countercurrent 217 and in the main heat exchanger 8c via line 226 warm withdrawn and finally at least temporarily into the atmosphere (amb ) blown off. It can also be used as a regeneration gas (regas gas) in air purification or used as a dry gas in an evaporative cooler.
  • the introduced via line 124 into a cup in the interior of the first high-pressure column 110 liquid air is for the most part again taken over line 150 again and fed via lines 151 and 152 after subcooling 117, 217 two low-pressure column 111, 211 at a suitable intermediate point.
  • the turbine air stream 202, 9 is supplied at an intermediate temperature of the main heat exchanger 8c of an air turbine 11, which is coupled to a generator 12, and there relaxed to about the operating pressure of the first low-pressure column 111.
  • the relaxed turbine air stream 13 is fed to the first low-pressure column 11.
  • FIG. 2 is different from this FIG. 1 in that two independent air compressor trains are used to generate the two partial air streams 100 and 200.
  • atmospheric air (AIR) 401 is brought down to a "first pressure" of 4.0 to 5.8 bar (plus pressure drops) from a first main air compressor 404 via a filter 403, cooled in a first direct contact cooler 405 with evaporative cooler 406 and then in a cleaning device 407, which consists of a pair of reversible molecular sieve adsorber, cleaned at about the first pressure and then fed via line 100 to the warm end of the main heat exchanger 408 .
  • first pressure of 4.0 to 5.8 bar (plus pressure drops) from a first main air compressor 404 via a filter 403, cooled in a first direct contact cooler 405 with evaporative cooler 406 and then in a cleaning device 407, which consists of a pair of reversible molecular sieve adsorber, cleaned at about the first pressure and then fed via line 100 to the warm end of the main heat exchanger 408 .
  • atmospheric air (AIR) 501 is brought down to a "second pressure" of 2.0 to 4.0 bar (plus pressure drops) from a second main air compressor 504 via a filter 503, cooled in a second direct contact cooler 505 with evaporative cooler 506 and then in a second cleaning device 507, which also consists of a pair of switchable molecular sieve adsorber, cleaned at about the second pressure and then fed via line 200 to the hot end of a main heat exchanger 508.
  • the first distillation column system 109 could be designed analogously to the second distillation column system 209 in the form of columns arranged next to one another.
  • the first main capacitor 113 could be realized as a falling-film evaporator instead of a bath evaporator.

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Abstract

Das Verfahren dient zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) einer Reinheit von weniger als 98 mol-% durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das eine erstes Destilliersäulen-System (109) und ein zweites Destilliersäulen-System (209) aufweist. Beide Destilliersäulen-Systeme (109; 209) weisen je eine Hochdrucksäule (110; 210), eine Niederdrucksäule (111; 211) und einen Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (113; 213) auf, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist. Ein erster und ein zweiter Einsatzluftstrom (100, 200) werden in einem Hauptwärmetauscher (8a, 8b, 8c) abgekühlt und unter verschiedenen Drücken in die erste beziehungsweise zweite Hochdrucksäule (110) eingeleitet werden. Eine sauerstoffangereicherte Fraktion (223, 236a) wird in flüssigem Zustand aus dem unteren Bereich der zweiten Niederdrucksäule (211) entnommen und der ersten Niederdrucksäule (111) an einer Zwischenstelle zugeleitet. wird, die unterhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist. Der ersten Niederdrucksäule (111) wird ein Sauerstoffstrom (123) entnommen und aus diesem der gasförmige Sauerstoffprodukt (124b) gewonnen. Dieser Sauerstoffstrom (123) wird in flüssigem Zustand aus der ersten Niederdrucksäule (111) entnommen und in den Verdampfungsraum eines Nebenkondensators (300) eingeleitet, aus dessen Verdampfungsraum ein gasförmiger Sauerstoffstrom (124a) als das gasförmige Sauerstoffprodukt (124b) gewonnen wird. Der Druck im Gasraum des Verdampfungsraums des Nebenkondensators (300) ist weniger als 0,4 bar höher als der Druck im Gasraum der ersten Niederdrucksäule (111) unmittelbar über dem Sumpf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
  • Die Destilliersäulen-Systeme der Erfindung können als Zwei-Säulen-Systeme (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-Systeme ausgebildet sein. Sie können zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
  • Unter "Destilliersäule", insbesondere unter "Hochdrucksäule" und unter "Niederdrucksäule", wird hier ein Apparat verstanden, der Stoffaustauschelemente für den direkten Gegenstrom-Stoffaustausch zwischen einem aufsteigenden Gas und einem einer herabfließenden Flüssigkeit aufweist. Die Stoffaustauschelemente werden durch Austauschböden oder Packung oder durch eine Kombination aus beidem gebildet.
  • Die beiden Hochdrucksäulen-Kopfkondensatoren dienen zur Erzeugung von flüssigem Rücklauf aus dem Kopfgas der jeweiligen Hochdrucksäule und werden mit Sumpfflüssigkeit der entsprechenden Niederdrucksäule oder einem anderen geeigneten Kühlfluid gekühlt. Beide Hochdrucksäulen-Kopfkondensatoren sind als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Jeder "Kondensator-Verdampfer" weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Die beiden Fluidströme stehen dabei in indirektem Wärmeaustausch. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Der "Hauptwärmetauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft gegen Rückströme und kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
  • Die "erste sauerstoffangereicherte Fraktion" wird in der Regel am Sumpf der ersten Hochdrucksäule entnommen; alternativ kann sie auch einige praktische oder theoretische Böden höher entnommen werden. Die "zweite sauerstoffangereicherte Fraktion" wird in der Regel am Sumpf der zweiten Hochdrucksäule entnommen; alternativ kann sie auch einige praktische oder theoretische Böden höher entnommen werden. Die "dritte sauerstoffangereicherte Fraktion" wird in der Regel am Sumpf der zweiten Niederdrucksäule entnommen; alternativ kann sie auch einige praktische oder theoretische Böden höher entnommen werden.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus EP 2489968 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einen besonders niedrigen Energieverbrauch aufweist und dabei eine hohe Flexibilität aufweist, das heißt schnelle Lastwechsel ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Es ist an sich bekannt, das Produkt einer Niederdrucksäule in Nebenkondensatoren zu verdampfen, anstatt es unmittelbar gasförmig zu gewinnen. Dieser zusätzliche apparative Aufwand rechtfertigt sich bei den bekannten Verfahren dadurch, dass der Druck, unter dem der Sauerstoff im Nebenkondensator verdampft wird, deutlich höher als der Niederdrucksäulendruck liegt. Die Druckdifferenz liegt dabei höher als 1 bar und beträgt regelmäßig 3 bis 5 bar. Mit Hilfe des Nebenkondensators kann also der Produktdruck des Sauerstoffs erhöht werden.
  • Die Erfindung befasst sich aber mit der Gewinnung drucklosen Sauerstoffs. Unter "drucklos" wird hier ein Produktdruck (Druck im Verdampfungsraum des Nebenkondensators) verstanden, der weniger als 0,4 bar, vorzugsweise weniger als 0,3 bar oder weniger als 0,2 bar, höchst vorzugsweise weniger als 0,15 bar über dem Druck im Gasraum der ersten Niederdrucksäule unmittelbar über dem Sumpf. In absoluten Werten entsprechen diese Druckgrenzen in der Regel 1,7, 1,6, 1,5 beziehungsweise 1,45 bar.
  • In diesem Rahmen erscheint der Einsatz eines Nebenkondensators zunächst sinnlos, weil ja gar kein erhöhter Druck gewünscht ist, und ein Nebenkondensator grundsätzlich die Vorverflüssigung der Luft erhöht, was im Allgemeinen als ungünstig für die Effizienz der Rektifikation in den Trennsäulen angesehen wird. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass sich im Bereich von relativ niedrigen Sauerstoffreinheiten (unter 98 mol-%) die im Nebenkondensator produzierte Flüssigluft eine massive Verbesserung der Trennleistung bewirkt, wenn sie in mindestens eine, vorzugsweise in beide Niederdrucksäulen eingeleitet wird. Die Einleitung in die Niederdrucksäule(n) kann dabei direkt oder indirekt geschehen. Die indirekte Einleitung kann beispielsweise über einen Abscheider führen, in dem der gasförmige Anteil der Luft aus dem Nebenkondensator entfernt wird; alternativ wird die Luft aus dem Nebenkondensator in eine Tasse in einer der Hochdrucksäulen eingeleitet, aus der wiederum die Flüssigluft zu der oder den Niederdrucksäule(n) entnommen wird. Die Verbesserung der Trennleistung bewirkt eine Verringerung des Gesamtenergieverbrauchs des Systems um 3 bis 4 % im Vergleich zu einem Verfahren ohne Nebenkondensator, das heißt mit direkter Entnahme des gasförmigen Sauerstoffprodukts aus der ersten Niederdrucksäule.
  • Daneben erlaubt das Verfahren - trotz des zusätzlichen Kondensator-Verdampfers - eine sehr dynamische Fahrweise des Systems. Es sind Lastverstellgeschwindigkeiten von bis 5 % pro Minute, gemessen anhand der Änderung der Produktmenge an gasförmigem Sauerstoff.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Erzeugung besonders großer Sauerstoffmengen geeignet, das heißt für Luftzerlegungsanlagen mit einer Einsatzluftmenge von mehr als 130.000 Nm3/h.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer einsträngigen Luftverdichtung und
    Figur 2
    ein zweites Ausführungsbeispiel mit zweisträngiger Luftverdichtung.
  • In Figur 1 sind die Luftverdichtung sowie die Vorkühlung und die Reinigung der Luft nicht dargestellt. Hier wird die gesamte Luft in einem Hauptluftverdichter (MAC - main air compressor) auf das niedrigere Niveau des "zweiten Drucks" verdichtet, unter diesem Druck vorgekühlt und gereinigt und anschließend in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom 200 aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird in einem Nachverdichter (BAC - booster air compressor, ebenfalls nicht dargestellt) auf das Niveau des höheren, "ersten Drucks" nachverdichtet. Der erste Teilstrom 100 (HP AIR - high pressure air) - in der Zeichnung erst stromabwärts der Nachverdichtung dargestellt - umfasst den "ersten Einsatzluftstrom" und den "dritten Einsatzluftstrom" der Patentansprüche. Der zweite Teilstrom 200 bildet den "zweiten Einsatzluftstrom" im Sinne der Ansprüche, enthält aber in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Turbinenluftstrom, der weiter unten näher beschrieben wird. (Kleinere Luftanteile, die für andere Zwecke benutzt werden, so genannte Instrumentenluft, werden hier vernachlässigt).
  • Der "Hauptwärmetauscher" besteht in dem Ausführungsbeispiel aus drei luftseitig parallel geschalteten Blöcken 8a, 8b 8c. Der gereinigte und nachverdichtete erste Teilstrom 100 wird unter dem hohen Druck über die Leitungen 101 a, 101 b, 101 c dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 8a, 8b, 8c zugeleitet. Der abgekühlte erste Teilstrom 102 wird in den "ersten Einsatzluftstrom" 105 und den "zweiten "Einsatzluftstrom" 103, 104 verzweigt, die gasförmig beziehungsweise flüssig oder im Wesentlichen flüssig der ersten Hochdrucksäule 110 eines ersten Destilliersäulen-Systems 109 zugeleitet, das außerdem eine erste Niederdrucksäule 111 und einen "ersten Hochdrucksäulen-Kopfkondensator" 113 aufweist, der als klassischer Hauptkondensator einer konventionellen Doppelsäule ausgebildet ist.
  • In dem Hauptkondensator 113 wird ein erster Teil des Kopfgases der ersten Hochdrucksäule 110 kondensiert. Ein zweiter Teil 128 dieses Kopfgases wird im Hauptwärmetauscher 8a angewärmt und teilweise über die Leitung 129 als gasförmiges Druckstickstoffprodukt (PGAN - pressurized gaseous nitrogen) abgezogen.
  • Der in dem ersten Hauptkondensator 113 gewonnene flüssige Stickstoff 114 wird zu einem ersten Teil 115 als Rücklauf auf die erste Hochdrucksäule 110 aufgegeben. Der Rest 116 wird in einem ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 117 unterkühlt und über Leitung 118 als Rücklauf auf den Kopf der ersten Niederdrucksäule 111 aufgegeben. Ein Teil kann bei Bedarf über Leitung 119 als Flüssigstickstoffprodukt (LIN - liquid nitrogen) gewonnen werden. Alternativ kann Leitung 119 zur Einspeisung extern erzeugten Flüssigstickstoffs in die erste Niederdrucksäule 111 genutzt werden ("liquid assist").
  • Die Sumpfflüssigkeit der ersten Hochdrucksäule 110 wird zu einem ersten Teil 120a ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 117 unterkühlt. Die unterkühlte Sumpfflüssigkeit 122 bildet eine "erste sauerstoffangereicherte Fraktion" und wird an einer ersten Zwischenstelle in die erste Niederdrucksäule 111 eingeleitet. Unmittelbar am ersten Hauptkondensator 113, anders gesagt am Sumpf der ersten Niederdrucksäule 111, wird ein "Sauerstoffstrom" 123 in flüssigem Zustand aus der ersten Niederdrucksäule 111 entnommen und in den Verdampfungsraum des eines Nebenkondensators 300 eingeleitet. Dort wird er im Wesentlichen vollständig verdampft in indirektem Wärmeaustausch mit dem dritten Einsatzluftstrom 103, der dabei im Wesentlichen vollständig verflüssigt wird. Aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 300 wird ein "gasförmiger Sauerstoffstrom" 124a abgezogen, im Hauptwärmetauscher 8 auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und schließlich über Leitung 124b als "gasförmiges Sauerstoffprodukt" (GOX) gewonnen Endprodukt (GOX) abgezogen.
  • Über Leitung 135 wird flüssiger Sauerstoff aus dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 300 abgezogen und mindestens zu einem Teil 136 - gegebenenfalls nach Unterkühlung im ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 117 - als Flüssigsauerstoffprodukt (LOX - liquid oxygen) abgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird ein kleiner Teil 137 des flüssigen Sumpfsauerstoffs als Spülstrom entnommen, in einer Pumpe 138 auf überkritischen Druck gebracht, im Hauptwärmetauscher 8b auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich mit dem gasförmigen Sauerstoffprodukt in Leitung 124b vereinigt.
  • Der Kopfstickstoff der ersten Niederdrucksäule 111 wird unter einem Druck von mehr als 1,3 bar, zum Beispiel 1,4 bis 2,0 bar, als erstes gasförmiges Kopfprodukt 125 entnommen und nach Anwärmung im ersten Unterkühlungs-Gegenströmer 117 und im Hauptwärmetauscher 8 über Leitung 126 warm abgezogen und schließlich mindestens zeitweise über Leitung 127 in die Atmosphäre (amb) abgeblasen. Er kann auch als Regeneriergas (Reggas) in der Luftreinigung eingesetzt werden oder als trockenes Gas in einem Verdunstungskühler () genutzt werden.
  • Der gereinigte zweite Teilstrom 200 der Einsatzluft wird unter etwa dem zweiten Druck dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 8c zugeleitet, und zwar verzeigt in den "zweiten Einsatzluftstrom" 201 und einen Turbinenluftstrom 202/9. Der zweite Einsatzluftstrom 201 auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt, am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 8c über Leitung 208 entnommen und der zweiten Hochdrucksäule 210 eines zweiten Destilliersäulen-Systems 209 zugeleitet, das außerdem eine zweite Niederdrucksäule 211 und einen "zweiten Hochdrucksäulen-Kopfkondensator" 213 aufweist. Der zweite Hochdrucksäulen-Kopfkondensator 213 ist hier ebenfalls als klassischer Hauptkondensator einer konventionellen Doppelsäule ausgebildet, wird aber nicht wie 113 als Badverdampfer, sondern als Fallfilmverdampfer betrieben..
  • In dem zweiten Hauptkondensator 213 wird ein erster Teil des Kopfgases der zweiten Hochdrucksäule 210 kondensiert. Ein zweiter Teil 228 des Kopfgases der zweiten Hochdrucksäule 110 wird im Hauptwärmetauscher 8c angewärmt und über die Leitung 230 als gasförmiges Mitteldruck-Stickstoffprodukt (MPGAN - medium pressure gaseous nitrogen) abgezogen.
  • Der in dem zweiten Hauptkondensator 213 gewonnene flüssige Stickstoff 214 wird zu einem ersten Teil 215 als Rücklauf auf die zweite Hochdrucksäule 210 aufgegeben. Der Rest 216 wird in einem zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 217 unterkühlt und über Leitung 218 als Rücklauf auf den Kopf der zweiten Niederdrucksäule 211 aufgegeben.
  • Die Sumpfflüssigkeit 220 der zweiten Hochdrucksäule 210 bildet eine "zweite sauerstoffangereicherte Fraktion" und wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 217 unterkühlt. Die unterkühlte Sumpfflüssigkeit 221 wird an einer Zwischenstelle in die zweite Niederdrucksäule 211 eingeleitet. An dieser Zwischenstelle wird außerdem ein Teil 229 der unterkühlten Sumpfflüssigkeit 121 aus der ersten Hochdrucksäule 110 zugespeist.
  • Aus dem Sumpf der zweiten Niederdrucksäule 211 wird ein "dritte sauerstoffangereicherte Fraktion" 223 flüssig entnommen und zu einem Teil 236a mittels einer Flüssigpumpe 235 zu einer zweiten Zwischenstelle der ersten Niederdrucksäule 111 geführt. Der Rest 236b strömt zum Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 213.
  • Der Kopfstickstoff der zweiten Niederdrucksäule 211 wird unter einem Druck von weniger als 1,3 bar als zweites gasförmiges Kopfprodukt 225 entnommen und nach Anwärmung im zweiten Unterkühlungs-Gegenströmer 217 und im Hauptwärmetauscher 8c über Leitung 226 warm abgezogen und schließlich mindestens zeitweise in die Atmosphäre (amb) abgeblasen. Er kann auch als Regeneriergas (Reggas) in der Luftreinigung eingesetzt werden oder als trockenes Gas in einem Verdunstungskühler genutzt werden.
  • Die über Leitung 124 in eine Tasse im Inneren der ersten Hochdrucksäule 110 eingeleitete Flüssigluft wird zum größten Teil wieder über Leitung 150 wieder entnommen und über die Leitungen 151 und 152 nach Unterkühlung 117, 217 beiden Niederdrucksäule 111, 211 an einer geeigneten Zwischenstelle zugeführt.
  • Kälte wird in dem Verfahren durch arbeitsleistende Entspannung eines Prozessstroms in einer Expansionsturbine erzeugt. Der Turbinenluftstrom 202, 9 wird unter einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers 8c einer Luftturbine 11, die mit einem Generator 12 gekoppelt ist, zugeführt und dort auf etwa den Betriebsdruck der ersten Niederdrucksäule 111 entspannt. Der entspannte Turbinenluftstrom 13 wird der ersten Niederdrucksäule 11 zugeführt.
  • Figur 2 unterscheidet sich dadurch von Figur 1, dass zwei unabhängige Luftverdichterstränge genutzt werden, um die beiden Luftteilströme 100 und 200 zu erzeugen.
  • In einem ersten Strang wird atmosphärische Luft (AIR) 401 über ein Filter 403 von einem ersten Hauptluftverdichter 404 auf einen "ersten Druck" von 4,0 bis 5,8 bar (plus Druckverlusten) gebracht, in einem ersten Direktkontaktkühler 405 mit Verdunstungskühler 406 abgekühlt und anschließend in einer Reinigungsvorrichtung 407, die aus einem Paar umschaltbarer Molekularsieb-Adsorber besteht, unter etwa dem ersten Druck gereinigt und anschließend über Leitung 100 dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 408 zugeleitet..
  • In einem zweiten Strang wird atmosphärische Luft (AIR) 501 über ein Filter 503 von einem zweiten Hauptluftverdichter 504 auf einen "zweiten Druck" von 2,0 bis 4,0 bar (plus Druckverlusten) gebracht, in einem zweiten Direktkontaktkühler 505 mit Verdunstungskühler 506 abgekühlt und anschließend in einer zweiten Reinigungsvorrichtung 507, die ebenfalls aus einem Paar umschaltbarer Molekularsieb-Adsorber besteht, unter etwa dem zweiten Druck gereinigt und anschließend über Leitung 200 dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 508 zugeleitet.
  • In einer Variante, die auf beide Ausführungsbeispiele anwendbar ist, könnte das erste Destilliersäulen-System 109 analog zum zweiten Destilliersäulen-System 209 in Form von nebeneinander angeordneten Säulen ausgebildet sein. Unabhängig davon könnte der erste Hauptkondensator 113 als Fallfilmverdampfer statt als Badverdampfer realisiert sein.
  • Die einzelnen Verfahrensschritte und Systemkomponenten können im Rahmen der Erfindung durch eine Vielzahl von Varianten realisiert werden:
    1. 1. Kondensator-Design für die beiden Hauptkondensatoren (unabhängig vom jeweils anderen Hauptkondensator)
      • 1.1. Fallfilmverdampfer
      • 1.2. Once-Through-Fallfilm-Verdampfer (ohne Umlaufpumpe) bei Säulenanordnung gemäß 210/211/213 gemäß Figur 1
      • 1.3. Badkondensator (wie in Figur 1)
    2. 2. Turbinenschaltung:
      • 2.1. PGAN-Turbine betrieben mit Stickstoff aus der zweiten Hochdrucksäule,
      • 2.2. PGAN-Turbine betrieben mit Stickstoff aus der ersten Hochdrucksäule,
      • 2.3. Lachmann-Turbine vom MP-AIR-Niveau aus, entweder als Generator- oder als Booster-Turbine (letzteres wie Figur 1)
      • 2.4. Lachmann-Turbine vom HP-AIR-Niveau aus, entweder als Generator- oder als Booster-Turbine
      • 2.5. Austritt der Lachmann-Turbine in die erste Niederdrucksäule,
      • 2.6. Austritt der Lachmann-Turbine in die zweite Niederdrucksäule (Figur 1)
      • 2.7. Austritt der Lachmann-Turbine in beide Niederdrucksäulen,
    3. 3. Ausführung des Kolonnensystems (erstes Destilliersäulen-System 109 und/oder zweites Destilliersäulen-System 209, unabhängig voneinander
      • 3.1. Kolonnen übereinander
      • 3.2. Kolonnen nebeneinander
    4. 4. Unterschiedliche Kompressor-Schaltungen:
      • 4.1. ein MP-MAC und ein HP-MAC (Figur 2)
      • 4.2. ein MP-MAC und zwei HP-MACs (Lastbereich wird dadurch günstiger, auch Verfügbarkeit wird dadurch größer)
      • 4.3. zwei MP-MACs und zwei HP-MACs (Lastbereich und Verfügbarkeit),
      • 4.4. ein großer MP-MAC und kleiner Booster-Verdichter vom MP auf HP (Figur 1)
    5. 5. Adsorber-Schaltung:
      • 5.1. ein MP-AIR-Adsorbersystem und ein HP-AIR-Adsorbersystem, in Kombination mit 4.1., 4.2 oder 4.3.
      • 5.2. ein großes MP-Adsorbersystem, in Kombination mit 4.4
    6. 6. DCAC-Schaltung (Direktkontaktkühler - direct contact air cooler)
      • 6.1 zwei separate DCACs, in Kombination mit 4.1. (Figur 2), 4.2, 4.3 und 5.1
      • 6.2 ein DCAC, in Kombination mit 4.4 und 5.2 (Figur 1)
    7. 7. EVC (Verdunstungskühler - evaporative cooler)
      • 7.1. zwei separate EVC, insbesondere für MP-AIR-System und HP-AIR-System (Figur 2)
      • 7.2. ein gemeinsamer EVC für beide Luftteile (Figur 1)
    8. 8. Regeneriergaserhitzung
      • 8.1 ein gemeinsames Regeneriergaserhitzungssystem für zwei Adsorbersysteme (falls zwei)
      • 8.2 zwei separate Kleinere Regeneriergaserhitzungen für zwei separate Adsorbersysteme

Claims (2)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines gasförmigen Sauerstoffprodukts (GOX) einer Reinheit von weniger als 98 mol-% durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersystem, das eine erstes Destilliersäulen-System (109) und ein zweites Destilliersäulen-System (209) aufweist, wobei das erste Destilliersäulen-System (109) eine erste Hochdrucksäule (110), eine erste Niederdrucksäule (111) und einen ersten Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (113) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, und das zweite Destilliersäulen-System eine zweite Hochdrucksäule (210), eine zweite Niederdrucksäule (211) und einen zweiten Hochdrucksäulen-Kopfkondensator (213) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist, und wobei
    - ein erster und ein zweiter Einsatzluftstrom (100, 200) in einem Hauptwärmetauscher (8a, 8b, 8c) abgekühlt werden,
    - der erste Einsatzluftstrom (105) unter einem ersten Druck und in gasförmigem Zustand in die erste Hochdrucksäule (110) eingeleitet wird,
    - der zweite Einsatzluftstrom (208) unter einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, und in gasförmigem Zustand in die zweite Hochdrucksäule (210) eingeleitet wird,
    - eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion (120a, 122) flüssig aus dem unteren Bereich der ersten Hochdrucksäule (110) entnommen und der ersten Niederdrucksäule (111) an einer ersten Zwischenstelle zugeleitet wird,
    - eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion (220, 221) flüssig aus dem unteren Bereich der zweiten Hochdrucksäule (210) entnommen und der zweiten Niederdrucksäule (211) zugeleitet wird,
    - eine dritte sauerstoffangereicherte Fraktion (223, 236a) in flüssigem Zustand aus dem unteren Bereich der zweiten Niederdrucksäule (211) entnommen und in flüssigem Zustand der ersten Niederdrucksäule (111) an einer zweiten Zwischenstelle zugeleitet wird, die unterhalb der ersten Zwischenstelle angeordnet ist,
    - der ersten Niederdrucksäule (111) ein Sauerstoffstrom (123) entnommen und aus diesem der gasförmige Sauerstoffprodukt (124b) gewonnen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Sauerstoffstrom (123) in flüssigem Zustand aus der ersten Niederdrucksäule (111) entnommen und in den Verdampfungsraum eines Nebenkondensators (300) eingeleitet wird,
    - aus dem Verdampfungsraum ein gasförmiger Sauerstoffstrom (124a) abgezogen wird, und aus diesem gasförmiger Sauerstoffstrom das gasförmige Sauerstoffprodukt (124b) gewonnen wird,
    - ein dritter Einsatzluftstrom (103), der unter dem ersten Druck steht, in den Verflüssigungsraum des Nebenkondensators (300) eingeleitet wird und
    - aus dem Verflüssigungsraum des Nebenkondensators ein Flüssigluftstrom (104) entnommen wird, der mindestens teilweise in mindestens eine der beiden Niederdrucksäulen (111, 211) eingeleitet (150, 151, 152) wird,
    - wobei der Druck im Gasraum des Verdampfungsraums des Nebenkondensators (300) weniger als 0,4 bar höher als der Druck im Gasraum der ersten Niederdrucksäule (111) unmittelbar über dem Sumpf ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigluftstrom (104) mindestens teilweise in beide Niederdrucksäulen (111, 211) eingeleitet (150, 151, 152) wird, eine vierte sauerstoffangereicherte Fraktion (229) flüssig aus dem unteren Bereich der ersten Hochdrucksäule (110) entnommen und der zweiten Niederdrucksäule (211) zugeleitet wird.
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