DE102011114089A1

DE102011114089A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

Info

Publication number: DE102011114089A1
Application number: DE201110114089
Authority: DE
Inventors: Stefan Lochner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft. Einsatzluft (1, 3) wird in einer Reinigungsvorrichtung (2) gereinigt und anschließend in einem Hauptwärmetauscher (4) in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen abgekühlt und in ein Destilliersäulen-System (6) eingeleitet. Ein erster Rückstrom (8) wird gasförmig aus dem Destilliersäulen-System (6) entnommen und in dem Hauptwärmetauscher (4) durch indirekten Wärmeaustausch mit der Einsatzluft (1, 3) angewärmt. Der erste Rückstrom (8) wird in einen ersten und einen zweiten Teil (11, 21) verzweigt. Der erste Teil (11) des angewärmten ersten Rückstroms wird als Regeneriergas in die Reinigungsvorrichtung (2) eingeleitet. Die Verzweigung (10, 20) des ersten Rückstroms (8) wird stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher (4) durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei wird Einsatzluft in einer Reinigungsvorrichtung gereinigt und anschließend in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in ein Destilliersäulen-System eingeleitet, ein erster Rückstrom gasförmig aus dem Destilliersäulen-System entnommen und in dem Hauptwärmetauscher durch indirekten Wärmeaustausch mit der Einsatzluft angewärmt, wobei der erste Rückstrom in einen ersten und einen zweiten Teil verzweigt wird und der erste Teil des angewärmten ersten Rückstroms als Regeneriergas in die Reinigungsvorrichtung eingeleitet wird. Der Rückstrom kann durch einen Reststrom oder auch durch einen Produktstrom gebildet werden. Der zweite Teil des Rückstroms wird nicht in die Reinigungsvorrichtung eingeleitet und beispielsweise in die Atmosphäre abgeblasen. Alternativ kann er zum Beispiel in einen Verdunstungskühler oder in einen Wärmetauscher zur Kühlung eines anderen Stroms, zum Beispiel zur Vorkühlung von Luft, verwendet werden. Wird der erste Rückstrom durch einen Produktstrom gebildet, kann sein zweiter Teil beispielsweise einem Verdichter zugeführt werden.
Bei den bisher bekannten Verfahren werden der erste und der zweite Teil des ersten Rückstroms regelmäßig gemeinsam im Hauptwärmetauscher angewärmt und erst stromabwärts des Hauptwärmetauschers im Warmen verzweigt. Außerdem ist aus EP 698772 B1 (= US 5490391 ) bekannt, die Verzweigung vordem Hauptwärmetauscher vorzunehmen und die beiden Teile in getrennten Passagengruppen des Hauptwärmetauschers anzuwärmen.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
Das ”Destilliersäulen-System” der Erfindung kann als Zwei-Säulen-System (zum Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr-Säulen-System ausgestaltet sein. Es kann 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.
Der ”Hauptwärmetauscher” dient zur Abkühlung von Einsatzluft in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destilliersäulen-System. Es kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig zu betreiben sind, indem sie geringere Betriebskosten und/oder geringere Investitionskosten aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die beiden Passagengruppen so ausgelegt sind, dass die erste Passagengruppe einen geringeren Druckverlust als die zweite Passagengruppe aufweist. Der erste Teil des ersten Rückstroms wird zum Beispiel am kalten Ende des Hauptwärmetauschers in die erste Passagengruppe eingeleitet, der zweite Teil in die separate zweite Passagengruppe des Hauptwärmetauschers. Am warmen Ende werden die beide Teile separat über getrennte Header aus dem Hauptwärmetauscher abgezogen und über jeweils eigene Rohrleitungen weitergeführt. Die beiden Passagengruppen sind so ausgelegt, dass die erste Passagengruppe einen niedrigeren Druckverlust aufweist als die zweite.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung erscheint auf den ersten Blick nicht sinnvoll, da zusätzlicher Aufwand beim Auslegen des Hauptwärmetauschers entsteht und die Investitionskosten für die Anlage damit steigen. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise im Gegenteil die Anlagenkosten und/oder die Betriebskosten vermindert werden. Die Verzweigung stromaufwärts der Abkühlung im Hauptwärmetauscher auf Passagengruppen unterschiedlichen Druckverlusts entkoppelt die Drücke der beiden Restgasteile am warmen Ende des Hauptwärmetauschers. Während der erste Teil noch genügend Druck aufweisen muss, um den Druckverlust durch die Reinigungsvorrichtung zu überwinden, kann der zweite Teil grundsätzlich unter niedrigerem Druck in die Atmosphäre oder an ein anderes Ziel abgegeben werden. Bei den bisherigen Verfahren muss jedoch der gesamte Reststrom so gefahren werden, dass er am warmen Ende des Hauptwärmetauschers den für die Regenerierung benötigten Überdruck aufweist. Dieser Überdruck wird bei den bisher bekannten Verfahren beim zweiten Teil des Reststroms nicht genutzt, sondern ungenutzt vernichtet, durch Drosselentspannung beim Ablassen in die Atmosphäre oder auf andere Weise. Die erfindungsgemäße Entkoppelung stromaufwärts der Abkühlung im Hauptwärmetauscher vermeidet dies und führt – je nach konkreter Ausgestaltung des Ausnutzens des Überdrucks im zweiten Teil des Reststroms entweder zu einer Verminderung des Energieverbrauchs der Anlage oder zu einer Reduzierung der Anlagekosten oder zu beidem.
Hierbei ist zu beachten, dass Luftzerlegungsverfahren regelmäßig als Niederdruckprozesse betrieben werden, das heißt dem niedrigsten möglichen Druck. Limitierender Faktor für das gesamte Destilliersäulen-System ist dabei der Reststrom, der noch den für die Regerierierung benötigten Überdruck aufweisen muss; dieser Überdruck wird durch den Arbeitstakt der Reinigungsvorrichtung mit dem höchsten Druckverlust bestimmt. Gelingt es also, den Druck im Reststrom abzusenken (bei der Erfindung: in dessen erstem Teil), kann das gesamte Verfahren unter einem niedrigeren Druck gefahren werden, das heißt bei der Verdichtung der Einsatzluft stromaufwärts der Reinigungseinrichtung kann nennenswert Energie eingespart werden.
Im Vergleich zu einer Anwärmung der beiden Reststromteile in Passagen mit gleichem Druckverlust kann beispielsweise der Druckverlust in der ersten Passagengruppe bei gleichem Gesamtvolumen des Hauptwärmetauschers reduziert werden. Damit verringert sich der Überdruck stromaufwärts des Hauptwärmetauschers und damit der gesamte Verfahrensdruck. Die Einsatzluft braucht nur auf einen geringeren Druck verdichtet werden. Dabei sind Einsparungen im Energieverbrauch von 2 bis 4% möglich.
Alternativ zur Energieeinsparung wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Zerlegungssystem so ausgeführt, das das Wärmeaustauschvolumen des Hauptwärmetauschers verringert wird, indem ein relativ hoher Druckverlust für den Reststrom, insbesondere für die zweite Passagengruppe gewählt wird. Dabei beträgt das Verhältnis des Druckverlusts in der zweiten Passagengruppe zum Druckverlust der Einsatzluft durch den Hauptwärmetauscher mindestens 1,2, vorzugsweise mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,8. Bei gleich bleibendem Druckverlust der Luft ergäbe sich zwar gegenüber dem Vergleichsfall keine oder nur eine geringere Energieeinsparung, aber durch das verringerte Wärmetauschervolumen können Investitionskosten eingespart werden, ohne dass der Energieverbrauch steigt.
Die Verzweigung des ersten Rückstroms auf die beiden Teile kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass jeder der beiden Teile je einen separaten Header am Ein- und am Austritt des Hauptwärmetauschers bekommt. Die Verzweigung wird also stromaufwärts des Hauptwärmetauschers durchgeführt, die Teilströme werden getrennt in den Hauptwärmetauscher eingeleitet. In diesem Fall kann die Verteilung der Gesamtmenge des ersten Rückstroms auf die beiden Teile stromaufwärts oder (bevorzugt) stromabwärts des Hauptwärmetauschers durch entsprechende Ventile geregelt werden.
Vorzugsweise werden jedoch der erste und der zweite Teil des ersten Rückstroms über einen gemeinsamen Header in den Hauptwärmetauscher eingeleitet, wobei der gemeinsame Header sowohl mit der ersten Passagengruppe als auch mit der zweiten Passagengruppe in Strömungsverbindung steht. Nur am Austritt (am warmen Ende) werden separate Header für die beiden Teile verwendet. Der gesamte erste Rückstrom wird auf einen gemeinsamen Header am Eintritt des Hauptwärmetauschers (am kalten Ende) geführt, und die Verzweigung wird innerhalb des Headers realisiert. Der gemeinsame Header steht stromabwärts seines Eintrittstutzens mit beiden Passagengruppen in Strömungsverbindung. Durch Ventile im warmen Teil stromabwärts des Hauptwärmetauschers wird die Verteilung der Gesamtmenge des ersten Rückstroms auf die beiden Teile eingestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mindestens ein Produktstrom in dem Hauptwärmetauscher und mindestens ein Reststrom aus dem Destilliersäulen-System entnommen und als Rückströme in dem Hauptwärmetauscher angewärmt, wobei der erste Rückstrom durch den Reststrom gebildet wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 5 bis 8.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen stellen nur den Kern der Erfindung dar. Im Übrigen können das Verfahren und die Vorrichtung wie jedes andere Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem mit Reinigungsvorrichtung, die mittels Restgas regeneriert wird, ausgebildet sein.
Zwei Varianten des Ausführungsbeispiels der 1 stimmen bis auf die Aufteilung des Reststroms stromaufwärts des Hauptwärmetauschers auf Passagengruppen unterschiedlichen Druckverlusts mit den Ausführungsbeispielen der EP 697576 B1 (= US 5454227 ) beziehungsweise der EP 698772 B1 (= US 5490391 ) überein. Einsatzluft wird aus der Atmosphäre angesaugt und ein einem nicht dargestellten Luftverdichter komprimiert. Die verdichtete Einsatzluft 1 wird in einer Reinigungsvorrichtung 2 gereinigt. Diese ist als Adsorptionsvorrichtung mit mindestens zwei umschaltbaren Behältern ausgestaltet. Die Behälter enthalten mindestens ein Adsorbens, beispielsweise ein Molekularsieb. Die gereinigte Einsatzluft 3 wird in einem Hauptwärmetauscher 4 im Gegenstrom mit Rückströmen auf etwa Taupunkt abgekühlt. Der Hauptwärmetauscher 4 wird in dem Ausführungsbeispiel durch einen einzigen Plattenwärmetauscherblock gebildet. Die abgekühlte Einsatzluft 5 wird in ein Destilliersäulen-System 6 eingeleitet, insbesondere in die Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung.
Die Rückströme aus dem Destilliersäulen-System 6 werden durch einen Produktstrom 7 und durch einen Reststrom 8 gebildet, die in dem Hauptwärmetauscher 4 auf etwa Umgebungstemperatur. Der Reststrom 8 wird gasförmig aus dem Destilliersäulen-System 6 entnommen, bildet den ”ersten Rückstrom” und wird in gasförmigem Zustand dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt. Gegebenenfalls können weitere Produkt- oder Restströme hinzukommen. Der warme Produktstrom 9 wird an einen oder mehrere Verbraucher abgegeben.
Der Restrom 8 wird stromaufwärts des Hauptwärmetauschers 4 in einen ersten Teil 10 und einen zweiten Teil 20 verzweigt, die in einer ersten Passagengruppe 15 beziehungsweise einer zweiten Passagengruppe 25 des Hauptwärmetauschers 4 getrennt angewärmt werden, wobei die beiden Passagengruppen 15, 25 unterschiedliche Druckverluste aufweisen. Der zweite Teil 21 wird warm in die Atmosphäre abgeblasen. Der angewärmte erste Teil 11 wird der Reinigungsvorrichtung 2 mindestens zeitweise als Regeneriergas zugeführt, dieser als beladenes Regeneriergas 12 entnommen und anschließend in die Atmosphäre abgeblasen.
In dem Ausführungsbeispiel ist der Hauptwärmetauscher 4 so ausgelegt, dass die erste Passagengruppe 15 einen geringeren Druckverlust als die zweite Passagengruppe 25 aufweist. In einem konkreten Zahlenbeispiel weist die erste Passagengruppe 15 einen Druckverlust von 80 mbar auf, die zweite einen Druckverlust von 170 mbar.
Dies entspricht hinsichtlich des Wärmetauschervolumens einer gemeinsamen Passagengruppe mit 155 mbar Druckverlust. Der Druck in der Leitung 8 ist aber um 75 mbar geringer. Trotz etwa gleicher Anlagekosten kann das Destilliersäulen-System also mit einem entsprechend niedrigeren Druck betrieben werden. Bei einem Zwei-Säulen-System mit konventionellem Hauptkondensator entspricht dies einer Verminderung im Druck der Einsatzluft 1 von knapp 225 mbar und damit einem entsprechend niedrigeren Energieverbrauch.
Alternativ kann die erste Passagengruppe mit einem Druckverlust von 155 mbar ausgelegt werden. Dann ergäbe sich zwar gegenüber dem Vergleichsfall keine Energieeinsparung, aber die zweite Passagengruppe kann mit noch höherem Druckverlust ausgelegt und damit Wärmetauschervolumen eingespart werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen von 1 nur hinsichtlich der abweichenden Konfiguration des Hauptwärmetauschers 4, wie sie in 2 schematisch dargestellt ist. Die beiden Teile des ersten Reststroms 8 werden hier in einen gemeinsamen Header 30 am unteren (kalten) Ende des Hauptwärmetauschers 4 eingeführt. Dieser gemeinsame Header 30 steht nicht wie üblich nur mit einer einzigen Passagengruppe in Strömungsverbindung, sondern mit beiden Passagengruppen 15 und 25 für den ersten und zweiten Teil des ersten Reststroms 8, die gemäß der Erfindung unterschiedliche Druckverluste aufweisen. Die Verzweigung des ersten Rückstroms 8 auf den ersten und den zweiten Teil findet hier innerhalb des gemeinsamen Headers 30 statt.
Am oberen (warmen) Ende des Hauptwärmetauschers 4 weist der Hauptwärmetauscher für jeden der beiden Teile einen eigenen Header 31, 32, der jeweils nur mit einer der beiden Passagengruppen 15, 25 in Strömungsverbindung steht. Die Mengenaufteilung auf den ersten und zweiten Teil wird durch Ventile in den Leitungen 9 und 21 eingestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 698772 B1 [0002, 0017]
US 5490391 [0002, 0017]
EP 697576 B1 [0017]
US 5454227 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) [0003]

Claims

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Einsatzluft (1, 3) in einer Reinigungsvorrichtung (2) gereinigt und anschließend in einem Hauptwärmetauscher (4) abgekühlt und in ein Destilliersäulen-System (6) eingeleitet wird, ein erster Rückstrom (8) gasförmig aus dem Destilliersäulen-System (6) entnommen und in dem Hauptwärmetauscher (4) durch indirekten Wärmeaustausch mit der Einsatzluft (1, 3) angewärmt wird, wobei der erste Rückstrom (8) stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher (4) in einen ersten und einen zweiten Teil (11, 21) verzweigt wird und der erste Teil (11) des angewärmten ersten Rückstroms als Regeneriergas in die Reinigungsvorrichtung (2) eingeleitet wird, wobei der erste Teil (10) des ersten Rückstroms (8) in einer ersten Passagengruppe (15) des Hauptwärmetauschers (4) angewärmt wird und der zweite Teil (20) des Reststroms (8) in einer zweiten Passagengruppe (25) des Hauptwärmetauschers (4) angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Passagengruppen (15, 25) so ausgelegt sind, dass die erste Passagengruppe (15) einen geringeren Druckverlust als die zweite Passagengruppe (25) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Druckverlusts in der zweiten Passagengruppe (15) zum Druckverlust der Einsatzluft (1, 3) in dem Hauptwärmetauscher (4) mindestens 1,2, vorzugsweise mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,8 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teil des ersten Rückstroms über einen gemeinsamen Header (30) in den Hauptwärmetauscher (4) eingeleitet wird, wobei der gemeinsame Header sowohl mit der ersten Passagengruppe (15) als auch mit der zweiten Passagengruppe (25) in Strömungsverbindung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Produktstrom (7) und mindestens ein Reststrom (8) aus dem Destilliersäulen-System (6) entnommen und als Rückströme in dem Hauptwärmetauscher (4) angewärmt werden, wobei der erste Rückstrom durch den Reststrom (8) gebildet wird.
Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, mit einem ein Destilliersäulen-System (6), mit einer Reinigungsvorrichtung (2) zum Reinigen von Einsatzluft (1) mit einem Hauptwärmetauscher (4) zum Abkühlen der gereinigten Einsatzluft (3) durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem Rückstrom (8, 7), mit Mitteln zum Einleiten der abgekühlten Einsatzluft (5) in das Destilliersäulen-System (6), mit Mitteln zum Entnehmen eines ersten Rückstroms (8) in gasförmigem Zustand aus dem Destilliersäulen-System (6), mit Mitteln zum Einleiten des ersten Rückstroms (8) in gasförmigem Zustand in den Hauptwärmetauscher (4) zum Anwärmen des ersten Rückstroms (8), mit Mitteln zu Verzweigen des ersten Rückstroms (8) in einen ersten und einen zweiten Teil (11, 21), die stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher (4) angeordnet sind und mit Mitteln zum Einleiten des ersten Teils (11) des angewärmten ersten Rückstroms als Regeneriergas in die Reinigungsvorrichtung (2), wobei der Hauptwärmetauscher (4) eine erste Passagengruppe (15) zum Anwärmen des ersten Teils (10) des ersten Rückstroms (8) und eine zweite Passagengruppe (25) zum Anwärmen des zweiten Teils (20) des Reststroms (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Passagengruppen (15, 25) so ausgelegt sind, dass die erste Passagengruppe (15) im Betrieb der Anlage einen geringeren Druckverlust als die zweite Passagengruppe (25) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (4) so ausgelegt ist, dass das Verhältnis des Druckverlusts in der zweiten Passagengruppe (15) zum Druckverlust der Einsatzluft (1, 3) in dem Hauptwärmetauscher (4) im Betrieb der Anlage mindestens 1,2, vorzugsweise mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,8 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (4) einen gemeinsamen Header (30) zur gemeinsamen Einleitung des ersten und des zweiten Teils des ersten Rückstroms in den Hauptwärmetauscher (4) aufweist, wobei der gemeinsame Header sowohl mit der ersten Passagengruppe (15) als auch mit der zweiten Passagengruppe (25) in Strömungsverbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Entnehmen eines ersten Rückstroms (8) in gasförmigem Zustand aus dem Destilliersäulen-System (6) als Mittel zum Entnehmen eines Reststroms ausgebildet sind und dass die Vorrichtung außerdem Mittel zum Entnehmen eines Produktstroms (7) aus dem Destilliersäulen-System (6) und zum Einleiten des Produktstroms (7) in den Hauptwärmetauscher (4) aufweist.