DE10024708A1 - Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffgas - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffgas

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Abstract

Flüssiger Sauerstoff, der aus dem Sumpf einer Niederdruck-Rektifizierungsanlage extrahiert wurde und mit einer Pumpe für flüssigen Sauerstoff auf einen vorbestimmten Zuführungsdruck verdichtet wurde, wird in einem Hauptwärmetauscher unter Herstellung eines Sauerstoffgasproduktes verdampft, während das Sauerstoffgas in dem Hauptwärmetauscher mit einer Lineargeschwindigkeit zirkuliert, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 _m ist, berechnet in Abhängigkeit von dem Zuführungsdruck. Dieses Verfahren verhindert wirksam die Ausfällung von schweren Verunreinigungen in dem Wärmetauscher und erzeugt Hochdrucksauerstoffgas bei verminderten Betriebskosten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoffgas, das Verdichten von flüssigem Sauerstoff, erhalten durch kryogene Trennung und dann Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs durch Erwärmen, unter Herstellung von gasförmigem Sauerstoff höheren Drucks einschließt.
Bei oxidierenden Veredelungs- bzw. Reinigungsschritten in stahlerzeugenden Konvertern in der Stahlindustrie, bei Syntheseschritten von Ethylenoxid durch Oxidation von Ethylen in der chemischen Industrie und bei Teiloxidationsschritten von Brennstoffen, wie Kohle- und Erdölrückständen in Brennstoff-befeuerten Kraftwerken, wird eine hohe Menge an gasförmigem Sauerstoff höheren Drucks eingesetzt. Der Bedarf für solchen Sauerstoff stieg in den letzten Jahren.
Ein typisches Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff im Industriemaßstab ist die kryogene Trennung, die die Rektifizierung von ungereinigter Luft bei Niedertemperaturen zur Abtrennung von Sauerstoff einschließt. Bei der kryogenen Trennung werden Stickstoff und Sauerstoff aus der ungereinigten Luft aufgrund des Unterschieds im Siedepunkt abgetrennt. Das heißt, verflüssigte Luft wird einer Rektifizierungsanlage zugeführt und Stickstoff mit einer höheren Flüchtigkeit als Sauerstoff wird in der Rektifizierungsvorrichtung verdampft, unter Gewinnung von flüssigem Sauerstoff in hoher Konzentration.
Beim Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff höheren Drucks bei der kryogenen Trennung wird aus der Rektifizierungsvorrichtung extrahierter flüssiger Sauerstoff unter Verwendung einer Pumpe verdichtet und dann in einem Wärmetauscher zur Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs erwärmt. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Verdichtungskosten, verglichen mit der Verdichtung von gasförmigem Sauerstoff, deutlich vermindert werden können.
Ungereinigte Luft enthält Spurenmengen von Verunreinigungen, wie Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen, Propan, Propylen, Butan, Buten und Pentan, Kohlendioxid und Stickoxide, zusätzlich zu den Hauptkomponenten, wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Da solche Verunreinigungen höhere Siedepunkte als jene von Stickstoff und Sauerstoff aufweisen, und sie weniger flüchtig sind, werden diese daher schwere Verunreinigungen genannt. Diese schweren Verunreinigungen werden in flüssigem Sauerstoff, der eine geringere Flüchtigkeit als Stickstoff aufweist, gelöst. Da die schweren Verunreinigungen, verglichen mit Sauerstoff, einen höheren Siedepunkt aufweisen und weniger flüchtig sind, werden diese in dem flüssigen Sauerstoff konzentriert, wenn die Verdampfung des flüssigen Sauerstoffes in dem Wärmetauscher fortschreitet, und fallen in einem Sauerstoffkanal im Wärmetauscher als feste Phase oder als flüssige Phase aus, wenn die Konzentration die Löslichkeit für flüssigen Sauerstoff übersteigt. Die ausgefällten schweren Verunreinigungen reagieren in dem Wärmetauscher leicht mit Sauerstoff und verstopfen den Sauerstoffkanal. Im Ergebnis verschlechtert sich die Leistung des Wärmetauschers und somit die Gesamtleistung der Anlage.
Zur Lösung derartiger Probleme sind die nachstehenden üblichen Maßnahmen offenbart worden.
Die Japanische ungeprüfte Patent-Offenlegungsschrift Nr. 7-174460 offenbart die Extraktion einer Hauptfraktion von flüssigem Sauerstoff aus einer flüssigen Phase mit einer relativ niedrigen Konzentration an schwerer Verunreinigung in dem Boden der zweiten Stufe genau oberhalb der untersten Stufe in einem Niederdruck-Destillationsturm. Außerdem wird eine geringe Fraktion von flüssigem Sauerstoff von der untersten Stufe, die die höchste Menge an Verunreinigungen enthält, extrahiert. Der extrahierte flüssige Sauerstoff wird zu einem Druck verdichtet, der gleich oder höher als der letzte Zuführungsdruck ist, um den Siedepunkt von Sauerstoff anzuheben und wird in einen Wärmetauscher gespeist, um den Dampfdruck der in dem flüssigen Sauerstoff enthaltenen Verunreinigungen anzuheben. Die Verdampfung der schweren Verunreinigungen wird dadurch in dem Wärmetauscher erleichtert und die schweren Verunreinigungen sammeln sich in dem Wärmetauscher nicht an.
Die Japanische ungeprüfte Patent-Offenlegungsschrift Nr. 8-61843 offenbart ein Verfahren, das einen Rückführungsstrom zur Entfernung von schweren Verunreinigungen einschließt. Der Rückführungsstrom bedeutet den folgenden Gasstrom. Eine Flüssigkeit mit einem angereicherten Sauerstoffgehalt von ungefähr 40% und mit konzentrierten schweren Verunreinigungen wird aus dem Sumpf einer Rektifizierungsanlage höheren Drucks extrahiert und wird in ausreichendem Maße so verdichtet, daß die schweren Verunreinigungen in einem Wärmetauscher verdampft werden. Der Druck der Restluft wird vermindert und es wird zugelassen, daß sich die Luft mit der ungereinigten Luft vereinigt bzw. annähert. Der vereinigte bzw. angenäherte Luftstrom wird zu einer vorläufigen Reinigungsanlage geführt, um die schweren Verunreinigungen zu entfernen.
Diese Verfahren weisen allerdings noch die nachstehenden Probleme auf. Bei dem ersteren Verfahren enthält der aus dem Boden bzw. Sumpf der zweiten Stufe extrahierte flüssige Sauerstoff eine geringe Konzentration an schweren Verunreinigungen. Somit ist dieses Verfahren keine grundsätzliche Gegenmaßnahme gegen Ausfällung von schweren Verunreinigungen. Wenn das System kontinuierlich über einen langen Zeitraum, z. B. ein Jahr, betrieben wird, fallen die schweren Verunreinigungen im Wärmetauscher in deutlichem Maße aus. Da das System zwei Sauerstoffkanäle aufweist, steigen die Kosten für die Anlage und für die Verfahrensführung aufgrund der Verwendung kostspieliger Anlagen, wie Pumpen für flüssigen Sauerstoff und aufgrund eines komplizierten Gesamtverfahrens.
Das letztere Verfahren erfordert auch zusätzliche Anlagen, wie Pumpen für flüssigen Sauerstoff, für den Kreisrückstrom. Dieses Verfahren erfordert somit ein hohes Maß an Anlagen- und Betriebskosten aufgrund eines komplizierten Systems und einer komplizierten Verfahrensführung. Dieses Verfahren ist daher ebenfalls keine grundsätzliche Gegenmaßnahme.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff durch kryogene Trennung bei geringen Kosten bereitzustellen, das keine Ausfällung von schweren Verunreinigungen in einem Sauerstoffkanal eines Wärmetauschers verursacht.
Bei der Herstellung von gasförmigem Sauerstoff, die Verdichten von flüssigem Sauerstoff, der durch Rektifizieren von ungereinigter Luft auf einen vorbestimmten Druck und Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs in einem Wärmetauscher abgetrennt wurde, einschließt, führten die Erfinder Versuche unter verschiedenen Bedingungen durch und fanden, daß die vorstehend genannten Aufgaben gelöst werden, wenn die Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs in dem Sauerstoffkanal des Wärmetauschers so erhöht wird, daß sie den nachstehenden Parametern genügt.
Ein Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff gemäß vorliegender Erfindung umfaßt Verdichten von flüssigem Sauerstoff, der durch Rektifizieren von verunreinigter Luft abgetrennt wurde, auf einen vorbestimmten Zuführungsdruck und Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs in einem Wärmetauscher, wobei der gasförmige Sauerstoff in einem Sauerstoffkanal des Wärmetauschers mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts strömt, die gleich oder größer als die in Abhängigkeit des Zuführungsdruck berechnete Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit vorbestimmtem Durchmesser ist.
Das Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff aus ungereinigter Luft umfaßt die Schritte: Verdichten von flüssigem Sauerstoff, der durch Rektifizieren der ungereinigten Luft abgetrennt wurde, auf einen vorbestimmten Zuführungsdruck; Zuführen des verdichteten flüssigen Sauerstoffs zu einem Wärmetauscher unter einem vorbestimmten Zuführungsdruck; und Verdampfen und Gasförmigmachen des flüssigen Sauerstoffs in dem Wärmetauscher, wobei der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts strömt, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm ist, berechnet durch die Gleichung (1):
wobei
u: die Endgeschwindigkeit der flüssigen Sauerstofftröpfchen bedeutet,
g: die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft bedeutet,
ρL: die Dichte von gesättigtem flüssigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
ρG: die Dichte von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
µ: die Viskosität von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet und
DP: der Durchmesser des flüssigen Sauerstofftröpfchens ist.
Gleichung (1) bestimmt die Endgeschwindigkeit eines Mikrotröpfchens, das dem Aren'schen Widerstandsgesetz genügt, welches den Bereich 2 < Re < 500 abdeckt, wobei Re die Reynolds-Zahl ist.
Vorzugsweise strömt der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm ist, berechnet durch die Gleichung (2):
wobei
u: die Endgeschwindigkeit der flüssigen Sauerstofftröpfchen bedeutet,
g: die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft bedeutet,
ρL: die Dichte von gesättigtem flüssigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
ρG: die Dichte von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
DP: der Durchmesser des flüssigen Sauerstofftröpfchens ist.
Gleichung (2) bestimmt die Endgeschwindigkeit eines Mikrotröpfchens, das dem Newton'schen Widerstandsgesetz genügt, welches den Bereich 500 < Re < 100000 abdeckt, wobei Re die Reynolds-Zahl ist.
Bevorzugter strömt der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm ist, berechnet durch Gleichung (2).
Wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Sauerstoffkanal des Wärmetauschers mit einer Lineargeschwindigkeit, die gleich oder größer als die Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem vorbestimmten Durchmesser ist, aufwärts strömt, werden Ansammlung und Ausfällung von schweren Verunreinigungen verhindert. Hierfür wird nachstehender Grund angenommen.
Wenn flüssiger Sauerstoff in dem Sauerstoffkanal des Wärmetauschers verdampft, werden Sauerstoffmikrotröpfchen aufgrund der Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des flüssigen Sauerstoffs oder der Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche gebildet. Es wird angenommen, daß die Sauerstoffmikrotröpfchen schwere Verunreinigungen in einer Konzentration enthalten, die im wesentlichen dieselbe wie die Konzentration in dem flüssigen Sauerstoff in dem Wärmetauscher ist. Solche Mikrotröpfchen sinken schließlich bei einer Endgeschwindigkeit, die durch Gleichung (1) oder (2) berechnet wird. Wenn peripherer gasförmiger Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit ist, steigt, steigen diese Mikrotröpfchen in Übereinstimmung mit dem Gasstrom. Die in dem Gasstrom mitgerissenen Sauerstofftröpfchen werden durch die periphere Wärme verdampft und somit werden in den Sauerstofftröpfchen enthaltene schwere Verunreinigungen ebenfalls vollständig verdampft.
Durch Mitreißen der Sauerstofftröpfchen in den Gasstrom werden die schweren Verunreinigungen, die in den Sauerstofftröpfchen enthalten sind, zwangsweise verdampft. Solches Verdampfen ist signifikant effizient, verglichen mit der Migration von schweren Verunreinigungen aus der flüssigen Phase in die Gasphase auf der Basis der Dampfdrücke der schweren Verunreinigungen.
Da dieses Verfahren und die Anlage die Verdampfung der schweren Verunreinigungen in dem Sauerstoffkanal des Wärmetauschers erleichtern, ist kein spezieller Mechanismus, wie der vorstehend genannte Rückführstrom, zur Verhinderung des Ausfällens von schweren Verunreinigungen erforderlich. Folglich verhindert dieses Verfahren die Konzentrierung von schweren Verunreinigungen in flüssigem Sauerstoff und somit die Ausfällung von schweren Verunreinigungen in den Sauerstoffkanal, während die Betriebskosten zurückgedrängt werden.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Sauerstoffgas gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers und
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Versuchsvorrichtung, die in den Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung (einer Lufttrennvorrichtung), die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff verwendet wird. Diese Vorrichtung kann verschiedene Konfigurationen aufweisen, in Abhängigkeit von der Menge und Reinheit des erzeugten Sauerstoffs und in Abhängigkeit davon, ob Edelgase zurückgewonnen werden oder nicht.
Ungereinigte Luft, eingespeist mit Leitung 1, tritt durch ein Luftfilter 2, der groben Staub entfernt, wird in einen Luftverdichter 3 eingeführt und wird darin verdichtet (Verdichtungsschritt).
Die verdichtete Luft wird in einen Naßkühlturm 4 eingeführt, um die Verdichtungswärme durch Wasserkühlung aus Leitung 8 (Kühlschritt) zu entfernen. Ein Teil des aus Leitung 8 in den Naßkühlturm 4 zu speisenden Kühlwassers wird zu einem Verdampfungskühlturm 5 geführt, wird durch kryogenes Stickstoffgas, das in einer Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 abgetrennt wurde, gekühlt und dann dem Naßkühlturm 4 durch Kühlwasserpumpe 7 zugeführt. Der Rest des Kühlwassers aus Leitung 8 wird direkt dem Naßkühlturm 4 durch Wasserpumpe 6 zugeführt. Das kryogene Stickstoffgas wird aus dem Verdampfungskühlturm 5 durch Leitung 10 abgelassen und das Kühlwasser wird aus dem Naßkühlturm 4 durch Leitung 9 abgelassen.
Die in dem Naßkühlturm 4 gekühlte, ungereinigte Luft wird in eine Zwillingsturm-Molekularsieb-Adsorptionseinheit 11 durch Leitung 26 gespeist, um das meiste der schweren Verunreinigungen zu entfernen (Reinigungsschritt). In dieser Zwillingsturm-Molekularsieb-Adsorptionseinheit 11 adsorbiert ein Turm schwere Verunreinigungen in der ungereinigten Luft, während der andere Turm die adsorbierten schweren, wieder zu verwendenden Verunreinigungen desorbiert. Der Desorptionsvorgang wird durch Kreislaufführen von Stickstoffgas ausgeführt, das in der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 gereinigt und durch Heizer 14 erwärmt wird. Ein Ventil 12 schaltet die Adsorption/Desorption dieser Türme und das in dem Desorptionsvorgang verwendete Stickstoffgas wird durch eine Leitung 10 abgelassen.
Die in der Molekularsieb-Adsorptionseinheit 11 gereinigte Rohluft bzw. ungereinigte Luft wird in die Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 und eine bei höherem Druck arbeitende Rektifizierungsanlage 22 über Leitung 13 geleitet. Das heißt, eine Fraktion der ungereinigten Luft wird in einen Hauptwärmetauscher 17 gespeist, wird darin verflüssigt und wird in die bei höherem Druck arbeitende Rektifizierungsanlage 22 geführt, während die andere Fraktion der ungereinigten Luft in einer Entspannungsturbine 19 verdichtet wird, in dem Hauptwärmetauscher 17 gekühlt wird, in der Entspannungsturbine 19 entspannt wird und zu der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 gespeist wird.
Die bei höherem Druck arbeitende Rektifizierungsanlage 22 erzeugt am Kopf Stickstoffgas mit hoher Reinheit. Das erzeugte Stickstoffgas wird zu einem Hauptkondenser 23, der in der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 angeordnet ist, geführt und wird darin exotherm verflüssigt. Der flüssige Stickstoff wird zu der bei höherem Druck arbeitenden Rektifizierungsanlage 22 zurückgeführt. Das heißt, der Hauptkondenser 23 dient auch als Destillierblase bzw. Verdampfungsofen (engl.: Reboiler) der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 und gestattet Wärmeaustausch zwischen der bei höherem Druck arbeitenden Rektifizierungsanlage 22 und der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21. Eine Fraktion des flüssigen Stickstoffs, der von dem Hauptkondenser 23 zurückgeführt wurde, wird zu einer Superkühlanlage 20 gespeist, darin supergekühlt, und wird zu dem Kopf der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 als Rückflußflüssigkeit gespeist, während der Druck davon durch ein Druckreduzierventil 18 vermindert wird.
Am Boden bzw. im Sumpf der bei höherem Druck arbeitenden Rektifizierungsanlage 22 wird mit Sauerstoff konzentrierte Luft erhalten, wird aus der bei höherem Druck arbeitenden Rektifizierungsanlage 22 extrahiert, in der Superkühlanlage 20 supergekühlt und zu der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 geführt, während der Druck davon durch ein weiteres Druckreduzierventil 18 vermindert wird.
Die Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 rektifiziert die Luft. Am Kopf der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 wird Stickstoffgas hoher Reinheit als Endprodukt erzeugt. Das Stickstoffgas hoher Reinheit wird vom Kopf der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 extrahiert und in die Superkühleinheit 20 über Leitung 24 eingeführt. Das Gas wird in der Superkühlanlage 20 und dem Hauptwärmetauscher 17 erwärmt und wird aus Leitung 16 als fertiges Stickstoffgasprodukt abgelassen.
Abgelassenes Stickstoffgas wird ebenfalls in der Nähe des Kopfes der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 extrahiert, zu der Molekularsieb- Adsorptionsanlage 11 und dem Verdampfungskühlturm 5 geführt.
Flüssiger Sauerstoff hoher Reinheit, der später als fertiges Sauerstoffgasprodukt wiedergewonnen wird, wird im Sumpf der Niederdruck- Rektifizierungsanlage 21 erzeugt. Der flüssige Sauerstoff enthält schwere Verunreinigungen, die in dem Reinigungsschritt nicht entfernt wurden. Die vorliegende Erfindung ist durch einen Schritt gekennzeichnet, der gasförmigen Sauerstoff mit einem gewünschten Zuführungsdruck aus schwere Verunreinigungen enthaltendem flüssigem Sauerstoff erzeugt.
Der vom Sumpf der Niederdruck-Rektifizierungsanlage 21 extrahierte flüssige Sauerstoff wird zu einem vorbestimmten Zuführungsdruck durch eine Pumpe für flüssigen Sauerstoff (Verdichtungsanlage) 27 verdichtet und wird dem Hauptwärmetauscher 17 über Leitung 25 zugeführt. Der flüssige Sauerstoff wird durch Wärme in einem Sauerstoffkanal des Hauptwärmetauschers 17 verdampft und das fertige Sauerstoffgasprodukt wird von Leitung 15 wiedergewonnen. Bei dieser Ausführungsform wird die Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs in dem Sauerstoffkanal höher eingestellt als eine Endgeschwindigkeit von flüssigen Sauerstofftröpfchen mit vorbestimmtem Durchmesser, wobei die Endgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Zuführungsdruck bestimmt wird.
Fig. 2 ist ein Beispiel des Hauptwärmetauschers 17. Der Hauptwärmetauscher 17 in Fig. 2 ist ein Plattenlamellen-Wärmetauscher mit üblichem Aufbau. Das heißt, der Hauptwärmetauscher 17 weist eine Vielzahl von Barrieren 172 und gewellten Plattenlamellen 171, zwischen den Barrieren 172 angeordnet, auf. Der Hauptwärmetauscher 17 schließt Leitung 13 für die zu verflüssigende ungereinigte Luft und einen Sauerstoffkanal, einschließlich Leitung 25 für den zu verdampfenden flüssigen Sauerstoff, und Leitung 15 für das fertige Sauerstoffgasprodukt ein.
Um die Lineargeschwindigkeit des Sauerstoffgases in Leitung 15 das in dem Sauerstoffkanal des Hauptwärmetauschers 17 zu der vorstehend erwähnten, vorbestimmten Geschwindigkeit oder mehr verdampft wurde, zu steuern, werden der Querschnitt des Sauerstoffkanals zu Leitung 15 in dem Wärmetauscher 17, die Wärmetauscherwirksamkeit in dem Hauptwärmetauscher 17 und die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten flüssigen Sauerstoffs geeignet bestimmt.
Das heißt, wenn Sauerstoff unter einem Druck von 0,503 MPa in dem Hauptwärmetauscher 17 verdampft wird, ist die Dichte des gesättigten flüssigen Sauerstoffs 1,042 kg/m3, die Dichte von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff ist 19,8 kg/m3 und die Viskosität des gesättigten gasförmigen Sauerstoffs ist 9,02 × 10-6 Pa.s (0,00000902 Pa.s) unter einem solchen Druck. Somit ist die Endgeschwindigkeit u eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm 0,430 m/s gemäß Gleichung (1), die Endgeschwindigkeit u eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm ist 0,874 m/s gemäß Gleichung (2) und die Endgeschwindigkeit u eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm ist 1,24 m/s gemäß Gleichung (2). Wenn die Menge des in dem Wärmetauscher erzeugten oder aus dem Auslaß des Wärmetauschers abgelassenen Sauerstoffgases 10 kg/s ist, wird die Menge zu einer Dichte des gesättigten gasförmigen Sauerstoffs von 0,505 m3/s umgewandelt. Wenn der Querschnitt des Sauerstoffkanals in dem Wärmetauscher 1,17 m2 oder weniger ist, kann somit das Sauerstoffgas bei einer Lineargeschwindigkeit strömen, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit 0,430 m/s eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm ist. Wenn der Querschnitt des Sauerstoffkanals in dem Wärmetauscher 0,578 m2 oder weniger ist, kann das Sauerstoffgas bei einer Lineargeschwindigkeit strömen, die gleich oder höher ist als die Endgeschwindigkeit 0,874 m/s eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm. Wenn der Querschnitt des Sauerstoffkanals in dem Wärmetauscher 0,407 m2 oder weniger ist, kann das Sauerstoffgas bei einer Lineargeschwindigkeit strömen, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit 1,24 m/s eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm ist.
BEISPIELE
Versuche unter verschiedenen Bedingungen wurden hinsichtlich der Lineargeschwindigkeit des Sauerstoffgases in dem Sauerstoffkanal des Hauptwärmetauschers 17 ausgeführt, um die Ansammlung und Ablagerung von schweren Verunreinigungen zu verhindern.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Versuche. Ein Kohlenwasserstoffgas 53 als schwere Verunreinigung wurde zu flüssigem Sauerstoff 51, der zu einem vorbestimmten Zuführungsdruck durch Pumpe 52 verdichtet wurde, gegeben, und das Gemisch wurde in einem Aluminium-Lamellen-Wärmetauscher 59 verdampft. Flüssiger Sauerstoff 61, der dem Aluminium-Lamellen-Wärmetauscher 59 nicht zugeführt wurde, und Sauerstoffgas 62, das aus dem Aluminium-Lamellen-Wärmetauscher 59 abgelassen wurde, wurden als Proben gezogen, und die Konzentrationen der schweren Verunreinigung in diesen Proben wurde ermittelt. In der Zeichnung geben Bezugsziffern 54 bis 58 Ventile wieder.
Beispiel 1
Die Erzeugung von Sauerstoffgas unter Verwendung von ungereinigter Luft, die typische Mengen an schweren Verunreinigungen enthielt, wurde untersucht, wie in Tabelle 1 dargestellt. Im allgemeinen wird ungereinigte Luft durch Adsorption in einer Molekularsieb-Adsorptionseinheit vor einer Rektifikation gereinigt. Die schweren Verunreinigungen zeigen unterschiedliche Entfernungsgeschwindigkeiten bei dem Adsorptionsvorgang. Die Permeabilität der schweren Verunreinigungen und die Konzentrationen der schweren Verunreinigungen in der ungereinigten Luft nach dem Adsorptionsvorgang werden in Tabelle 1 dargestellt. Die gereinigte Rohluft wird in der Rektifizierungsanlage rektifiziert. Bei dem Rektifizierungsverfahren werden die schweren Verunreinigungen in Sauerstoff, der einen höheren Siedepunkt aufweist, gelöst. Da die ungereinigte Luft etwa 20% Sauerstoff enthält, werden die schweren Verunreinigungen in dem flüssigen Sauerstoff um etwa das 5-fache konzentriert. Somit werden die konzentrierten schweren Verunreinigungen in dem flüssigen Sauerstoff gelöst und werden zu dem Wärmetauscher gespeist. Die Konzentrationen der schweren Verunreinigungen sind in der unteren Zeile von Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Der flüssige Sauerstoff, der schwere Verunreinigungen in den in der unteren Zeile von Tabelle 1 gezeigten Mengen enthielt, wurde unter Verwendung der vorstehend genannten Anlage hergestellt. Der flüssige Sauerstoff wurde in dem Wärmetauscher verdampft, um gasförmigen Sauerstoff zu erzeugen und um zu beobachten, ob sich schwere Verunreinigungen in dem Wärmetauscher ansammelten und ausfielen oder nicht.
Die Versuche wurden bei fünf Druckniveaus von 0,3 MPa, 0,5 MPa, 1 MPa, 2 MPa und 4 MPa ausgeführt. Der verdampfte gasförmige Sauerstoff wurde in dem Wärmetauscher bei einer Lineargeschwindigkeit zirkuliert, die der Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 100 µm oder 200 µm gemäß Gleichung (1) entsprach und die Konzentration der schweren Verunreinigungen in dem flüssigen, dem Wärmetauscher zugeführten Sauerstoff und die Konzentration in dem gasförmigen Sauerstoff, der aus dem Wärmetauscher abgelassen wurde, wurden bei jedem Zuführungsdruck verglichen. Die Versuchsgeschwindigkeit basiert auf der Dichte von gesättigtem Gas bei dem Druck.
Tabellen 2 und 3 zeigen die Ergebnisse bei 100 µm bzw. 200 µm.
Tabelle 2
Endgeschwindigkeit von 100-µm-Sauerstofftröpfchen
Tabelle 3
Endgeschwindigkeit von 200-µm-Sauerstofftröpfchen
Wie in Tabelle 2 dargestellt, sammeln sich Butan und Pentan bei einem Zuführungsdruck von 1 MPa oder weniger in einem höheren Maß als die Löslichkeit an und fallen in dem Wärmetauscher aus, wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Wärmetauscher mit einer Lineargeschwindigkeit, entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens, mit einem Durchmesser von 100 µm zirkuliert wird. Es wird angenommen, daß bei einer geringen Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs in dem Wärmetauscher Migration von schweren Verunreinigungen durch Mitreißen in die Gasphase unzureichend ist. Somit hängt die Migration der schweren Verunreinigungen im wesentlichen von den Dampfdrücken der schweren Verunreinigungen ab. Im Ergebnis wird die Verdampfung von Butan und Pentan, die niedere Dampfdrücke aufweisen, nicht gefördert.
Im Gegensatz dazu wird, wie in Tabelle 3 dargestellt, die Konzentration von jeder schweren Verunreinigung in dem flüssigen Sauerstoff in dem Wärmetauscher auf einem Niveau gehalten, das geringer als deren Löslichkeit in flüssigem Sauerstoff ist, und die Konzentration von jeder Komponente in dem gasförmigen Sauerstoff, der aus dem Wärmetauscher abgelassen wird, erreicht die Konzentration der entsprechenden Komponente in dem zu dem Wärmetauscher zugeführten flüssigen Sauerstoff, wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Wärmetauscher bei einer Lineargeschwindigkeit entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm zirkuliert wird. Somit wird ein Beharrungszustand bzw. konstanter Zustand bzw. Gleichgewichtszustand erreicht und diese schweren Verunreinigungen werden in dem Wärmetauscher nicht ausfallen.
Es wird festgestellt, daß bei einer ausreichend hohen Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs, Migration der schweren Verunreinigungen in die Gasphase durch Mitreißen gefördert bzw. veranlaßt wird.
Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß Ansammlung und Ausfällung von schweren Verunreinigungen in dem Wärmetauscher verhindert werden können, wenn die Anlage bei einer Lineargeschwindigkeit entsprechend der Endgeschwindigkeit der Sauerstofftröpfchen mit einem Durchmesser von 200 µm gefahren wird.
Beispiel 2
Die Herstellung von Sauerstoffgas unter Verwendung von ungereinigter Luft, die hohe Mengen an schweren Verunreinigungen enthielt, wurde, wie in Tabelle 4 dargestellt, untersucht. Solche hohen Mengen an schweren Verunreinigungen werden manchmal in Industriegebieten beobachtet. Die Konzentrationen an schweren Verunreinigungen, die in dem aus der ungereinigten Luft abgetrennten flüssigen Sauerstoff enthalten sind, werden wie in Beispiel 1 berechnet. Die Konzentrationen an schweren Verunreinigungen in dem zu dem Wärmetauscher zugeführten flüssigen Sauerstoff sind in der unteren Zeile von Tabelle 4 dargestellt.
Wie in Tabelle 4 dargestellt, steigen die Konzentrationen von schweren Verunreinigungen auch in dem dem Wärmetauscher zugeführten flüssigen Sauerstoff, wenn die Konzentrationen an schweren Verunreinigungen in der ungereinigten Luft ansteigen, und diese schweren Verunreinigungen neigen dazu sich in dem Wärmetauscher abzulagern.
Der schwere Verunreinigungen mit Konzentrationen, wie in der unteren Zeile von Tabelle 4 gezeigt, enthaltende Sauerstoff wurde unter Verwendung der vorstehend angeführten Anlage, wie in Beispiel 1, hergestellt. Der flüssige Sauerstoff wurde zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff und zur Beobachtung, ob die schweren Verunreinigungen in dem Wärmetauscher sich ansammelten und ausfielen oder nicht, in dem Wärmetauscher verdampft.
Die Versuche wurden bei fünf Druckniveaus von 0,3 MPa, 0,5 MPa, 1 MPa, 2 MPa und 4 MPa ausgeführt. Der verdampfte gasförmige Sauerstoff wurde in dem Wärmetauscher bei einer Lineargeschwindigkeit zirkuliert, die der Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm gemäß Gleichung (1), der Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm gemäß Gleichung (2) oder der Endgeschwindigkeit eines Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm gemäß Gleichung (2) entsprach, und die Konzentration der schweren Verunreinigungen in dem flüssigen, dem Wärmetauscher zugeführten Sauerstoff und die Konzentration in dem gasförmigen Sauerstoff, der aus dem Wärmetauscher abgelassen wurde, wurden bei jedem Zuspeisungsdruck verglichen.
Tabellen 5 bis 7 zeigen die Ergebnisse bei 200 µm, 500 µm bzw. 1 mm.
Tabelle 4
Tabelle 5
Endgeschwindigkeit von 200-µm-Sauerstofftröpfchen
Tabelle 6
Endgeschwindigkeit von 500-µm-Sauerstofftröpfchen
Tabelle 7
Endgeschwindigkeit von 1-mm-Sauerstofftröpfchen
Wie in Tabelle 5 dargestellt, wird Pentan bei einem Zuführungsdruck von 2 MPa oder weniger zu einem Grad, der höher als die Löslichkeit ist, angesammelt, wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Wärmetauscher bei einer Lineargeschwindigkeit entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm zirkuliert wird und fällt in dem Wärmetauscher aus. Es wird festgestellt, daß bei einer geringen Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs in dem Wärmetauscher Migration von schweren Verunreinigungen durch Mitreißen in die Gasphase unzureichend ist. Somit hängt die Migration der schweren Verunreinigungen im wesentlichen von den Dampfdrücken der schweren Verunreinigungen ab. Im Ergebnis wird die Verdampfung von Pentan mit einem geringen Dampfdruck nicht gefördert.
Im Gegensatz dazu werden, wie in Tabelle 6 gezeigt, die schweren Verunreinigungen nicht ausfallen, ausgenommen Pentan, das bei einem Zuführungsdruck von 0,3 MPa ausfällt, wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Wärmetauscher bei einer Lineargeschwindigkeit entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm zirkuliert wird.
Außerdem wird, wie in Tabelle 7 dargestellt, die Konzentration von jeder schweren Verunreinigung in dem flüssigen Sauerstoff in dem Wärmetauscher auf einem Niveau gehalten, das geringer als die Löslichkeit davon in flüssigem Sauerstoff ist und die Konzentration von jeder Komponente in dem aus dem Wärmetauscher abgelassenen gasförmigen Sauerstoff erreicht die Konzentration der entsprechenden Komponente in dem flüssigen Sauerstoff, der dem Wärmetauscher zugeführt wird, wenn der gasförmige Sauerstoff in dem Wärmetauscher mit einer Lineargeschwindigkeit, entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm, zirkuliert wird. Somit ist dies ein Beharrungszustand, und diese schweren Verunreinigungen werden in dem Wärmetauscher nicht abgeschieden.
Es wird festgestellt, daß bei einer ausreichend hohen Lineargeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs Migration der schweren Verunreinigungen in die Gasphase durch Mitreißen veranlaßt wird.
Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß die Ansammlung und Ausfällung von schweren Verunreinigungen in dem Wärmetauscher verhindert werden können, wenn die Anlage bei einer Lineargeschwindigkeit entsprechend der Endgeschwindigkeit des Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm und bevorzugter 1 mm betrieben wird.
Vorzugsweise werden ebenfalls die nachstehenden Ausführungsformen in der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
  • A) Die vorliegende Erfindung ist auf beliebige bekannte Produktionsanlagen zur Herstellung von Sauerstoffgas aus flüssigem Sauerstoff, der mit einer Rektifizierungsanlage abgetrennt wird, zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Anlage anwendbar.
  • B) Die vorliegende Erfindung ist auf beliebige Wärmetauscher zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Plattenlamellen-Wärmetauscher anwendbar.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff aus ungereinigter Luft, umfassend die Schritte:
Verdichten von flüssigem Sauerstoff, der durch Rektifizieren der ungereinigten Luft abgetrennt wurde, auf einen vorbestimmten Zuführungsdruck;
Zuführen des verdichteten flüssigen Sauerstoffs zu einem Wärmetauscher unter einem vorbestimmten Zuführungsdruck; und
Verdampfen und Gasförmigmachen des flüssigen Sauerstoffs in dem Wärmetauscher,
wobei der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts strömt, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 200 µm ist, berechnet durch die Gleichung (1):
wobei
u: die Endgeschwindigkeit der flüssigen Sauerstofftröpfchen bedeutet,
g: die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft bedeutet,
ρL: die Dichte von gesättigtem flüssigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
ρG: die Dichte von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
µ: die Viskosität von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet und
DP: der Durchmesser des flüssigen Sauerstofftröpfchens ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff, wobei der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts strömt, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 500 µm ist, berechnet durch die Gleichung (2):
wobei
u: die Endgeschwindigkeit der flüssigen Sauerstofftröpfchen bedeutet,
g: die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft bedeutet,
ρL: die Dichte von gesättigtem flüssigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet,
ρG: die Dichte von gesättigtem gasförmigem Sauerstoff bei dem Zuführungsdruck bedeutet, und
DP: der Durchmesser des flüssigen Sauerstofftröpfchens ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff, wobei der gasförmige Sauerstoff mit einer Lineargeschwindigkeit aufwärts strömt, die gleich oder höher als die Endgeschwindigkeit u eines flüssigen Sauerstofftröpfchens mit einem Durchmesser von 1 mm ist, berechnet durch die Gleichung (2).
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