DE102010055448A1 - Method and apparatus for the cryogenic separation of air - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (21) und eine Niederdrucksäule (22) aufweist. Einsatzluft (1) wird in einem Hauptluftverdichter (3) auf einen ersten Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (17) ist. Die verdichtete Einsatzluft (8) wird in einen ersten und einen zweiten Luftstrom (7,8) aufgeteilt und in einem Hauptwärmetauscher (16) gegen Rückströme (34,35) abgekühlt. Der erste Luftstrom (7), wird stromaufwärts der Einleitung in den Hauptwärmetauscher (16) in einem Nachverdichter (10) auf einen zweiten Druck nachverdichtet, der höher als der erste Druck ist. Der erste Luftstrom wird nach teilweiser Abkühlung im Hauptwärmetauscher (16) bei einer ersten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (12c) und in einem Kaltverdichter (113) auf einen dritten Druck nachverdichtet, der höher als der zweite Druck ist. Der kaltverdichtete erste Luftstrom (115) wird bei einer zweiten Zwischentemperatur, die höher als die erste Zwischentemperatur ist, dem Hauptwärmetauscher (16) wieder zugeführt und im Hauptwärmetauscher (16) weiter abgekühlt und verflüssigt oder pseudo-verflüssigt. Der (pseudo-)verflüssigte erste Luftstrom (17) wird in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Der zweite Luftstrom (8) wird in dem Hauptwärmetauscher (16) auf eine dritte Zwischentemperatur abgekühlt, unter der dritten Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher (16) entnommen (24,28) und anschließend arbeitsleistend entspannt (25,28). Der arbeitsleistend entspannte zweite Luftstrom (30) wird ebenfalls in das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingeleitet. Ein flüssiger Produktstrom (31) wird aus dem Destilliersäulen-System entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (32) und unter diesem erhöhten Druck im Hauptwärmetauscher (16) verdampft oder pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiger Druckproduktstrom (34) abgezogen. Die arbeitsleistende Entspannung des zweiten Luftstroms wird in zwei parallel geschalteten Entspannungsmaschinen (25,28) durchgeführt. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung (25,28) ist im Wesentlichen gleich dem ersten Druck. Das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom (7) und dem zweiten Luftstrom (8) liegt zwischen zwischen 0,38 und 0,67. Das Druckverhältnis am Kaltverdichter (113) beträgt 1,3 bis 2,3.The method and the device are used for the low-temperature separation of air in a distillation column system for nitrogen-oxygen separation, which has a high-pressure column (21) and a low-pressure column (22). Feed air (1) is compressed in a main air compressor (3) to a first pressure which is significantly higher than the operating pressure of the high pressure column (17). The compressed feed air (8) is divided into a first and a second air flow (7,8) and cooled in a main heat exchanger (16) against reverse flows (34,35). The first air stream (7) is post-compressed upstream of the introduction into the main heat exchanger (16) in a post-compressor (10) to a second pressure which is higher than the first pressure. After partial cooling in the main heat exchanger (16), the first air stream is removed (12c) from the main heat exchanger (16) at a first intermediate temperature and recompressed in a cold compressor (113) to a third pressure which is higher than the second pressure. The cold-compressed first air stream (115) is fed back to the main heat exchanger (16) at a second intermediate temperature which is higher than the first intermediate temperature and further cooled and liquefied or pseudo-liquefied in the main heat exchanger (16). The (pseudo) liquefied first air stream (17) is introduced into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation. The second air stream (8) is cooled in the main heat exchanger (16) to a third intermediate temperature, is removed from the main heat exchanger (16) below the third intermediate temperature (24, 28) and then expanded to perform work (25, 28). The second air stream (30), which is relaxed during work, is likewise introduced into the distillation column system for nitrogen-oxygen separation. A liquid product stream (31) is removed from the distillation column system, brought to an increased pressure (32) in the liquid state and evaporated or pseudo-evaporated under this increased pressure in the main heat exchanger (16) and finally drawn off as a gaseous pressure product stream (34). The work-related relaxation of the second air stream is carried out in two relaxation machines (25, 28) connected in parallel. The entry pressure of the work relaxation (25, 28) is essentially equal to the first pressure. The mass flow ratio between the first air flow (7) and the second air flow (8) is between 0.38 and 0.67. The pressure ratio at the cold compressor (113) is 1.3 to 2.3.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus
Bei einem derartigen Innenverdichtungsverfahren wird mindestens eines der Produkte (zum Beispiel Stickstoff aus der Hochdrucksäule, Sauerstoff aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Luftzerlegers) flüssig aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems oder aus einem mit einer dieser Säulen verbundenen Kondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in indirektem Wärmeaustausch mit Einsatzluft im Hauptwärmetauscher verdampft beziehungsweise (bei überkritischem Druck) pseudo-verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Bei dem vorliegenden Verfahren wird nicht nur ein Teil der Einsatzluft, sondern die Gesamtluft auf einen ersten Druck verdichtet, der deutlich höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist. Unter ”deutlich höher” wird hier ein Druckunterschied von mindestens 2 bar, vorzugsweise mindestens 5 bar verstanden.In such an internal compression process, at least one of the products (for example, nitrogen from the high-pressure column, oxygen from the low-pressure column of a two-column air separator) is taken off liquid from one of the columns of the distillation column system or from a condenser connected to one of these columns, in liquid Condition brought to an elevated pressure, vaporized in indirect heat exchange with feed air in the main heat exchanger or pseudo-evaporated (at supercritical pressure) and finally recovered as gaseous pressure product. In the present method, not only a portion of the feed air, but the total air is compressed to a first pressure which is significantly higher than the operating pressure of the high pressure column. By "significantly higher" is meant here a pressure difference of at least 2 bar, preferably at least 5 bar.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit zwei Turbinen ähnelt grundsätzlich dem Prozess mit einer Turbine, der in der älteren
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind.The invention has for its object to provide a method of the type mentioned above and a corresponding device, which are economically particularly favorable to operate.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom und dem zweiten Luftstrom zwischen 0,38 und 0,67 liegt und das Druckverhältnis am Kaltverdichter 1,3 bis 2,3 beträgt. Hierdurch ergibt sich ein besonders effizientes Verfahren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das Massenstromverhältnis zwischen dem ersten Luftstrom und dem zweiten Luftstrom zwischen 0,45 und 0,51 und/oder das Druckverhältnis am Kaltverdichter beträgt 1,6 bis 1,8.This object is achieved in that the mass flow ratio between the first air flow and the second air flow is between 0.38 and 0.67 and the pressure ratio at the cold compressor is 1.3 to 2.3. This results in a particularly efficient process. In a particularly preferred embodiment, the mass flow ratio between the first air flow and the second air flow is between 0.45 and 0.51 and / or the pressure ratio at the cold compressor is 1.6 to 1.8.
Beide Luftströme werden den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach ihrer (Pseudo-)Verflüssigung) beziehungsweise arbeitsleistenden Entspannung vorzugsweise in die Hochdrucksäule eingeleitet. Alternativ dazu kann mindestens ein Teil des ersten und/oder des zweiten Luftstroms in die Niederdrucksäule eingeleitet werden, insbesondere nach Durchströmen eines Abscheiders zur Phasentrennung und gegebenenfalls nach Unterkühlung.Both air streams are preferably introduced into the high-pressure column in the process according to the invention after their (pseudo) liquefaction) or work-performing expansion. Alternatively, at least a portion of the first and / or the second air stream may be introduced into the low-pressure column, in particular after flowing through a separator for phase separation and optionally after supercooling.
Der ”Hauptwärmetauscher” kann aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.The "main heat exchanger" may be formed of one or more parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.
Die beiden Entspannungsmaschinen werden vorzugsweise durch Expansionsturbinen gebildet. Sie sind ”parallel” geschaltet; das bedeutet in der vorliegenden Anmeldung, dass ihre Eintritts- und Austrittsdrücke und Eintrittstemperaturen jeweils paarweise gleich sind. Der Eintrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung ist ”im Wesentlichen gleich” dem ersten Druck, das heißt der zweite Luftstrom wird zwischen Hauptluftverdichter und arbeitsleistender Entspannung keinem Nachverdichtungsschritt unterzogen; kleinere Druckunterschiede, die durch den natürlichen Druckverlust beim Durchströmen der zwischengeschalteten Apparate entstehen, sind dabei zugelassen.The two expansion machines are preferably formed by expansion turbines. They are "parallel" switched; that means in the present application that their inlet and outlet pressures and inlet temperatures are each equal in pairs. The inlet pressure of the working expansion is "substantially equal" to the first pressure, that is, the second air flow is not subjected to Nachverdichtungsschritt between the main air compressor and work-performing relaxation; smaller pressure differences caused by the natural pressure loss when flowing through the intermediary apparatus are permitted.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der erste Druck, auf den die Gesamtluft verdichtet wird, ”deutlich höher” als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Dies bedeutet hier, dass die Druckdifferenz zwischen dem erstem Druck und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule nicht nur dem natürlichen Druckabfall durch Leitungen, Wärmetauscher und andere Apparate entspricht, sondern mindestens 1 bar, vorzugsweise mindestens 3 bar, höchst vorzugsweise mindestens 5 bar beträgt.In the method according to the invention, the first pressure, to which the total air is compressed, is "significantly higher" than the operating pressure of the high-pressure column. This means here that the pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column not only corresponds to the natural pressure drop through lines, heat exchangers and other apparatus, but at least 1 bar, preferably at least 3 bar, most preferably at least 5 bar.
Die Druckdifferenz zwischen erstem Druck und Betriebsdruck der Hochdrucksäule beträgt beispielsweise 5 bis 25 bar, vorzugsweise 7 bis 15 bar. (Alle hier und im Folgenden angegeben Drücke sind Absolutdrücke.)The pressure difference between the first pressure and the operating pressure of the high-pressure column is, for example, 5 to 25 bar, preferably 7 to 15 bar. (All pressures given here and below are absolute pressures.)
Beispielsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit den folgenden Drücken gefahren:
- – Erster Druck (stromabwärts des Hauptluftverdichters): 10 bis 25 bar, vorzugsweise 16 bis 20 bar
- – Betriebsdruck der Hochdrucksäule: 4 bis 8 bar, vorzugsweise 5 bis 7 bar
- – Zweiter Druck stromabwärts des warmen Nachverdichters 12 bis 31 bar, vorzugsweise 19 bis 25 bar
- – Dritter Druck stromabwärts des
Kaltverdichters 20 bis 52 bar, vorzugsweise 32 bis 42. bar - – Erhöhter Druck des
Produktdruckstroms 6 bis 50 bar, vorzugsweise 25 bis 35 bar.
- - First pressure (downstream of the main air compressor): 10 to 25 bar, preferably 16 to 20 bar
- - Operating pressure of the high pressure column: 4 to 8 bar, preferably 5 to 7 bar
- - Second pressure downstream of the hot booster 12 to 31 bar, preferably 19 to 25 bar
- - Third pressure downstream of the
cold compressor 20 to 52 bar, preferably 32 to 42. bar - - Increased pressure of the
product pressure stream 6 to 50 bar, preferably 25 to 35 bar.
Beim Produktdruck ist grundsätzlich jedes Niveau möglich, insbesondere auch eine Mehrzahl von Druckniveaus. Zum Beispiel kann flüssiger Sauerstoff in einer Innenverdichtungspumpe auf 30 bar gebracht und vor dem Hauptwärmetauscher im Kalten in zwei Teilströmen aufgeteilt werden, von denen einer auf einen niedrigeren Druck abgedrosselt wird, bevor er im Hauptwärmetauscher verdampft und angewärmt wird. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere flüssige Stickstoffströme im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verdampft werden.In principle, every level of product pressure is possible, in particular also a plurality of pressure levels. For example, liquid oxygen can be brought to 30 bar in an internal compression pump and divided in cold into two partial streams upstream of the main heat exchanger, one of which is throttled to a lower pressure before it is vaporized and heated in the main heat exchanger. Alternatively or additionally, one or more liquid nitrogen streams in the main heat exchanger (pseudo) are evaporated.
Wenn die Drücke des Druckproduktstroms und des ersten Luftstroms unterkritisch sind, werden diese im Hauptwärmetauscher verdampft oder verflüssigt. Bei überkritischem Druck findet kein echter Phasenübergang statt, dann wird der entsprechende Strom pseudo-verdampft beziehungsweise pseudo-verflüssigt.When the pressures of the pressurized product stream and the first air stream are subcritical, they are vaporized or liquefied in the main heat exchanger. At supercritical pressure no real phase transition takes place, then the corresponding stream is pseudo-vaporized or pseudo-liquefied.
Es ist günstig, wenn der gesamte kaltverdichtete zweite Luftstrom im Hauptwärmetauscher (pseudo-)verflüssigt wird. Dadurch wird die gesamte Druckerhöhung, die durch den Kaltverdichter bewirkt wird auf denjenigen Luftteil konzentriert, der zur (Pseudo-)Verdampfung des flüssigen Produktstroms eingesetzt wird. Somit kann der erste Druck entsprechend niedriger gewählt und Energie gespart werden.It is favorable if the entire cold-compressed second air stream in the main heat exchanger (pseudo) is liquefied. Thereby, the entire pressure increase, which is caused by the cold compressor is concentrated on the part of air, which is used for (pseudo) evaporation of the liquid product stream. Thus, the first pressure can be selected correspondingly lower and energy saved.
Vorzugsweise wird die gesamte in den Hauptwärmetauscher eingeführte verdichtete Einsatzluft auf den ersten und den zweiten Luftstrom aufgeteilt. Es gibt also keinen dritten Luftstrom, sondern die gesamte Einsatzluft wird entweder unter dem dritten Druck (pseudo-)verflüssigt (erster Luftstrom) oder unter dem ersten Druck der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt (zweiter Luftstrom). Ein kleinerer Teil der auf den ersten, zweiten oder dritten Druck verdichteten Luft kann stromaufwärts des Hauptwärmetauschers als Instrumentenluft abgezweigt werden.Preferably, the entire introduced into the main heat exchanger compressed feed air is divided into the first and the second air flow. So there is no third air flow, but the entire feed air is either under the third pressure (pseudo) liquefied (first air flow) or supplied under the first pressure of the working expansion relaxation (second air flow). A smaller portion of the first, second or third pressure compressed air may be diverted upstream of the main heat exchanger as instrument air.
Vorzugsweise ist eine der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit dem warmen Nachverdichter gekoppelt und die andere der beiden Entspannungsmaschinen mechanisch mit dem Kaltverdichter gekoppelt. Dadurch können einerseits beide Nachverdichter angetrieben werden, ohne dass externe Energie eingesetzt werden muss; andererseits wird dem Prozess Wärme entzogen durch die Übertragung der mechanischen Energie aus der arbeitsleistenden Entspannung auf den warmen Nachverdichter. Durch die mit dem Kaltverdichter gekoppelte Entspannungsmaschinen strömen beispielsweise zwischen 40 und 60%, vorzugsweise 46 bis 54% des zweiten Luftstroms, der Rest des zweiten Luftstroms wird in die mit dem warmen Nachverdichter gekoppelte Entspannungsmaschine.Preferably, one of the two expansion machines is mechanically coupled to the warm booster and the other of the two expansion machines mechanically coupled to the cold compressor. As a result, on the one hand, both boosters can be driven without external energy having to be used; On the other hand, the process heat is removed by the transfer of mechanical energy from the work-relaxing relaxation on the warm booster. For example, between 40 and 60%, preferably 46 to 54%, of the second air flow flow through the expansion machines coupled to the cold compressor, the remainder of the second air flow is introduced into the expansion machine coupled to the warm after-compressor.
Der Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung ist vorzugsweise etwa gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule. ”Etwa gleich” schließt geringe Druckdifferenzen in der Größenordnung des natürlichen Druckabfalls zwischen dem Austrittsdruck der arbeitsleistenden Entspannung und dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule ein.The outlet pressure of the work-performing expansion is preferably approximately equal to the operating pressure of the high-pressure column. "About equal to" includes small pressure differences on the order of magnitude of the natural pressure drop between the discharge pressure of the work-performing expansion and the operating pressure of the high-pressure column.
Vorzugsweise liegt die Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten zwischen 0,05% und 2,0% der Einsatzluftmenge, insbesondere zwischen 0,1% und 1,0% der Einsatzluftmenge. Unter ”Gesamtmenge an flüssig erzeugten Produkten” wird hier die molare Menge an Flüssigprodukten wie Flüssigsauerstoff, Flüssigstickstoff und gegebenenfalls Flüssigargon verstanden, die in dem Prozess als Endprodukt gewonnen werden.Preferably, the total amount of liquid-produced products is between 0.05% and 2.0% of the amount of feed air, in particular between 0.1% and 1.0% of the amount of feed air. By "total amount of liquid products" is meant here the molar amount of liquid products such as liquid oxygen, liquid nitrogen and possibly liquid argon, which are obtained in the process as a final product.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 7 bis 9.The invention also relates to a device for the cryogenic separation of air according to the
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention and further details of the invention are explained in more detail below with reference to a first embodiment schematically illustrated in the drawing.
Atmosphärische Luft wird als Einsatzluft über Leitung
Der erste Luftstrom
Der Luftstrom
Nicht nachverdichtet wird der zweite Luftstrom
Der zweite Luftstrom wird bei dieser Zwischentemperatur in zwei Teilströme
Die ”erste Zwischentemperatur” (Eintrittstemperatur des Kaltverdichters
Aus der Niederdrucksäule
In dem Ausführungsbeispiel sind die erste Turbine
Der Booster-Wärmetauscher
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel kann der zweite Luftstrom stromaufwärts des kalten Nachverdichters
Aufgrund des hohen Drucks sind hier alle folgenden Variationen für die Vorkühlung der Luft aus dem Luftverdichter
- 1. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend Wasserabscheider danach direkt zur Reinigungsvorrichtung.
- 2. Luftverdichter mit Nachkühler, anschließend weiterer indirekter Kaltwassernachkühler, der mit Kaltwasser aus einem Verdunstungskühler betrieben wird.
- 3. Luftverdichter ohne Nachkühler, aber mit Direktkontaktkühler (wie in der Zeichnung dargestellt), wobei der Direktkontaktkühler vorzugsweise mit einer Kühlwasseranwärmung
von mehr als 10°C betrieben wird. - 4.
Wie Variante 3 mit zusätzlichem Verdunstungskühler für die Erzeugung von Kaltwasser für den Direktkontaktkühler. - 5. Zusätzlich kann bei allen Varianten eine Kälteanlage zur Vorkühlung der Einsatzluft eingesetzt werden.
- 1. Air compressor with aftercooler, then water separator then directly to the cleaning device.
- 2. Air compressor with aftercooler, then another indirect cold water aftercooler, which is operated with cold water from an evaporative cooler.
- 3. air compressor without aftercooler, but with direct contact cooler (as shown in the drawing), wherein the direct contact cooler is preferably operated with a cooling water heating of more than 10 ° C.
- 4. As
variant 3 with additional evaporative cooler for the production of cold water for the direct contact cooler. - 5. In addition, in all variants, a refrigeration system can be used to pre-cool the feed air.
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- EP 10002439 [0004] EP 10002439 [0004]
- EP 1067345 B1 [0031] EP 1067345 B1 [0031]
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