DE102011114090A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (1, 5) in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (3) aufweist, wobei ein erstes Fluid (16, 17; 29) flüssig aus der Hochdrucksäule (2) entnommen und in die Niederdrucksäule (3) eingeleitet (22, 23; 30) wird. Zur Überleitung des ersten Fluids aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule wird eine erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (15; 28) eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung.
  • Derartige Verfahren sind regelmäßig als Doppelsäulen-Prozesse ausgestaltet, bei denen insbesondere die Niederdrucksäule oberhalb der Hochdrucksäule angeordnet ist. Alternativ können Niederdrucksäule und Hochdrucksäule Teil eines Drei- oder Mehr-Säulen-Systems zur Luftzerlegung sein. Zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen vorhanden sein, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
  • Die Begriff ”Niederdrucksäule” und ”Hochdrucksäule” werden hier allgemeiner als im üblichen Sprachgebrauch verwendet. Die Begriffe bezeichnen zwei beliebige Trennsäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, wobei der Betriebsdruck der Hochdrucksäule höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule ist. Im Falle eines klassischen Doppelsäulensystems entspricht dies dem üblichen Sprachgebrauch. Beispielsweise in einem Drei-Säulen-System kann die ”Niederdrucksäule” sowohl die Säule mit dem niedrigsten Druck als auch die Säule unter Zwischendruck (üblicherweise Mitteldrucksäule genannt) bezeichnen; die ”Hochdrucksäule” ist entweder die Säule mit dem höchsten Druck oder die Säule unter Zwischendruck.
  • Die bevorzugte Anordnung der beiden Säulen der Doppelkolonne ist die so genannte ”Säulen übereinander”-Anordnung (stacked columns), dabei wird die Niederdrucksäule auf dem Kopf der Hochdrucksäule platziert. Diese Konfiguration ist insbesondere Platz sparend. Noch wertvoller ist die Tatsache, dass man zum Transport von Flüssigkeiten (Rohsauerstoff aus dem unteren Bereich der Hochdrucksäule, Wasch-LIN aus dem oberen Bereich der Hochdrucksäule, ggf. ein zusätzliches Fluid von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule etc.) von der Hochdrucksäule zur Niederdrucksäule (direkt oder über einen Argon-Teil) keine Pumpen braucht – Flüssigkeiten werden allein durch den Druckunterschied (in der Regel ca. 8 bar in der Hochdrucksäule und ca. 1.5 bar in der Niederdrucksäule) befördert.
  • Bei größeren Anlagen (mit beispielsweise mehr als 50.000 Nm3/h Sauerstoffprodukt oder mehr 250.000 Nm3/h Einsatzluft) werden jedoch Kolonnen so groß, dass dieser Druckdifferenz nicht mehr ausreicht, um die Flüssigkeit hoch zu Niederdruckkolonne zu bringen. In diesem Fall werden für den Flüssigkeitstransport eine oder mehrere zusätzliche mechanische Pumpen gebraucht.
  • Diese Verfahrensweise hat jedoch gravierende Nachteile. Durch die zusätzlichen Hardwarekomponenten werden erhebliche Mehrkosten verursacht. Außerdem wird die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Gesamtluftzerlegungsanlage durch diese rotierenden und daher grundsätzlich störungsanfälligen Maschinen negativ beeinflusst; je größer die Zahl an rotierenden Maschinen ist, desto höher wird die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Anlage durch einen Schaden an einer Maschine. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit des Gesamtvorhabens verschlechtert werden.
  • Die übliche technische Lösung besteht darin, dass man alle Pumpen im Doppelpack installiert. Dabei ist nur eine Pumpe richtig in Betrieb, die zweite – redundante – Maschine läuft ohne Last mit (Stand-By-Betrieb), kann beim Ausfall der ersten Maschine jedoch sofort einspringen und die erforderliche Funktion übernehmen. Diese Losung verbessert zwar die Verfügbarkeit, jedoch verteuert die Anlage aber erheblich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Flüssigkeiten von der Hochdruck- zur Niederdrucksäule zuverlässig zu transportieren und auf dieser Weise große Luftzerleger mit Übereinander-Anordnung der Säulen zu bauen
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Überleitung des ersten Fluids aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule eine erste Flüssigkeitsstrahlpumpe eingesetzt wird.
  • Anstelle einer mechanischen Pumpe wird also eine Flüssigkeitsstrahlpumpe eingesetzt. Zum Antrieb von Flüssigkeitsstrahlpumpen werden Hochdruckströme verwendet, die in der Anlage bereits vorhanden sind (Drosselströme und innenverdichtete Ströme), daher werden keine zusätzliche mechanische Pumpen gebraucht.
  • Eine Flüssigkeitsstrahlpumpe enthält keine mechanisch bewegte Teile, ist daher äußerst zuverlässig und robust. Außerdem sind Flüssigkeitsstrahlpumpen viel kostengünstiger als mechanische Pumpen, da diese Apparate recht einfach sind, nur wenige Bauteile enthalten und beispielsweise keinen Motor zum Antrieb brauchen.
  • Im Rahmen der Erfindung können auch zwei oder mehr Flüssigkeitsstrahlpumpen eingesetzt werden um ein zweites und gegebenenfalls weitere Fluide von der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule zu transportieren.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 5 bis 8.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In der Zeichnung sind Luftverdichtung, Luftreinigung, Hauptwärmetauscher und Mitteldruckturbine, über die ein Teil der Einsatzluft von einem Hohen Druck auf den Druck der Hochdrucksäule entspannt wird, nicht dargestellt; diese Verfahrensschritte sind wie allgemein üblich ausgeführt. Gasförmige Luft 1 (GAP) aus dem Hauptwärmetauscher wird in eine Hochdrucksäule 2 eingeleitet, die unter einer Niederdrucksäule 3 angeordnet ist. Ein Teil 43 der Luft kann für die Ausheizung einer Roh-Krypton-Xenon-Säule in einer Einrichtung 35 zur Krypton-Xenon-Gewinnung eingesetzt werden. Dazwischen befindet sich der Hauptkondensator 4, ein Kondensator-Verdampfer, über den Hochdrucksäule und Niederdrucksäule in wärmetauschender Verbindung stehen.
  • Ein Hochdruckluftstrom 5, die Joule-Thomson-Luft (JL), steht unter einem erheblich höheren Druck als die Hochdrucksäule 2 und wird in einem Drosselventil 6 und/oder einer Generatorturbine 7 auf etwa Hochdrucksäulendruck entspannt. Der entspannte, größtenteils flüssige Hochdruckluftstrom wird in dem Ausführungsbeispiel zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule aufgeteilt. Ein erster Teil fließt über Leitung 8 zu einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 2. Der Rest fließt zu einer oder mehreren Zwischenstellen der Niederdrucksäule, entweder über die Leitungen 9 und 10 durch einen Unterkühlungs-Gegenströmer 12 und Drosselventil 11 oder über die Leitungen 13 und 14, den Unterkühlungs-Gegenstromer 12 und eine erste Flüssigkeitsstrahlpumpe 15, als deren Treibstrom sie wirkt.
  • Die Sumpfflüssigkeit 16 der Hochdrucksäule 2 wird ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 12 unterkühlt und strömt über Leitung 17 zur ersten Flüssigkeitsstrahlpumpe 15, die sie auf den benötigten Druck bringt, um die Höhe zur Niederdrucksäule beziehungsweise zu den Verdampfungsräumen des Kopfkondensators 18 einer Rohargonsäule 19 und des Kopfkondensators 20 einer Reinargonsäule 21 zu bringen. Die Hochdrucksäulen-Sumpffraktion wird hier indirekt über den Dampfanteil 22 beziehungsweise den Flüssiganteil 23 aus den Kopfkondensatoren 18, 20 zu einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule geführt. (Alternativ zu der Darstellung in der Zeichnung kann die erste Flüssigkeitsstrahlpumpe 15 einen Teil der Hochdrucksäulen-Sumpfflüssigkeit 17 direkt in die Niederdrucksäule 3 fördern; falls keine Argongewinnung vorhanden ist, wird sogar die gesamte Sumpffraktion direkt in die Niederdrucksäule eingeleitet.)
  • Flüssiger Stickstoff 24 aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 4 wird in einer Stickstoffpumpe 25 auf einen hohen Druck gebracht und strömt zu einem großen Teil über Leitung 26 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers; dort wird der Hochdruck-Stickstoff verdampft beziehungsweise (falls der Druck überkritisch ist) pseudo-verdampft, auf Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Hochdruckprodukt gewonnen (so genannte Innenverdichtung). Als Wärmequelle dient dabei hauptsächlich die Hochdruckluft 5. Der Rest 27 des gepumpten dient als Treibstrom in einer zweiten Flüssigkeitsstrahlpumpe 28, die erfindungsgemäß eine flüssige Zwischenfraktion 29, 30 aus der Hochdrucksäule 2 in die Niederdrucksäule 3 fördert. In dem Beispiel steht der Treibstrom 27 der zweiten Flüssigkeitsstrahlpumpe unter einem Druck von 25 bar und bringt den Hauptstrom von 5,5 auf 6,5 bar. Die molare Menge des Treibstroms beträgt etwa ein Drittel des Hauptstroms. Der vermischte Strom wird dann dem Kopf der Niederdrucksäule zugeleitet.
  • Über die Leitungen 31, 32 ist eine Argongewinnung mit Rohargonsäule 19 und Reinargonsäule 21 angeschlossen, über die Leitungen 33 und 34 die Einrichtung 35 zur Krypton-Xenon-Gewinnung.
  • Folgende Produkte beziehungsweise Restgase verlassen die Anlage:
    • • Unreiner Stickstoff 36 vom Kopf der Niederdrucksäule über Unterkühlungs-Gegenstromer 12 und Hauptwärmetauscher
    • • Von etwas oberhalb des Sumpfs der Niederdrucksäule 2: Flüssiger Sauerstoff 38 und in einer Sauerstoffpumpe (nicht dargestellt) innenverdichteter gasförmiger Sauerstoff 39 nach Durchströmen des Hauptwärmetauschers
    • • Innenverdichteter Stickstoff aus Leitung 26 (siehe Beschreibung oben)
    • • Flüssigstickstoff 40
    • • Reinargon 41 vom Sumpf der Reinargonsäule 21; ein Teil davon kann gegebenenfalls über Leitung 42 abgezogen und über den Hauptwärmetauscher als gasförmiges druckloses oder innenverdichtetes Produkt abgezogen werden
    • • Krypton-Xenon-Konzentrat (nicht dargestellt)

Claims (4)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (1, 5) in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (3) aufweist, wobei ein erstes Fluid (16, 17; 29) flüssig aus der Hochdrucksäule (2) entnommen und in die Niederdrucksäule (3) eingeleitet (22, 23; 30) wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überleitung des ersten Fluids aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule eine erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (15; 28) eingesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Fluid flüssig aus der Hochdrucksäule entnommen und in die Niederdrucksäule eingeleitet wird, wobei zur Überleitung des ersten Fluids aus der Hochdrucksäule in die Niederdrucksäule eine zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe eingesetzt wird.
  3. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft (1, 5) mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (3) aufweist, mit ersten Überleitungsmitteln zum Entnehmen einen ersten Fluids (16, 17; 29) in flüssiger Form aus der Hochdrucksäule (2) und zum Einleiten (22, 23; 30) desselben in die Niederdrucksäule (3), dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Überleitungsmittel eine erste Flüssigkeitsstrahlpumpe (15; 28) aufweisen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, mit zweiten Überleitungsmitteln zum Entnehmen einen zweiten Fluids in flüssiger Form aus der Hochdrucksäule (2) und zum Einleiten desselben in die Niederdrucksäule, wobei die zweiten Überleitungsmittel eine zweite Flüssigkeitsstrahlpumpe aufweisen.
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