DE10222121A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist. Ein erster Luftstrom (8) wird in einem Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet (10, 11). Ein zweiter Luftstrom (201. 202) wird arbeitsleistend entspannt (203) und anschließend in dem Hauptwärmetauscher (9) angewärmt. Der zweite Luftstrom (204) wird stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (203) und stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher (9) in einen Zusatzwärmetauscher (205) eingeleitet und dort durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule aufweist, wobei ein erster Luftstrom in einem Hauptwärmetauscher abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet wird und ein zweiter Luftstrom arbeitsleistend entspannt und anschließend in dem Hauptwärmetauscher angewärmt wird.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt. Bei dem Rektifiziersäulensystem kann es sich um Ein-, Zwei- oder Mehr- Säulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung handeln. Gegebenenfalls kann das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere weitere Säulen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen.
  • Verfahren der eingangs genannten Art sind aus DE 25 18 557 C und aus Rathbone, "Latest developments in the field of cryogenic techniques for gas separation", Proceedings of the International Symposium on Gas Separation Technology, Antwerp, Belgium, September 10-15, 1989 bekannt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird hier nicht in das Rektifiziersäulensystem eingespeist, sondern in dem Hauptwärmetauscher angewärmt und anschließend verworfen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die besonders wirtschaftlich zu betreiben sind.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der zweite Luftstrom stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung und stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher in einen Zusatzwärmetauscher eingeleitet und dort durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt wird. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird die bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugte Spitzenkalte gezielt auf einen Flüssigstrom übertragen und kann damit für das Verfahren weiter genutzt werden.
  • Der "Hauptwärmetauscher" kann bei der Erfindung durch jede bekannte Art von Wärmetauscher gebildet werden, durch Regeneratoren oder durch einen rekuperativen - umschaltbaren oder nicht umschaltbaren - Wärmetauscher. Er kann aus einem Block oder mehreren, parallel und/oder seriell verbundenen Blöcken bestehen.
  • Der erfindungsgemäße "Zusatzwärmetauscher" wird vorzugsweise durch einen einzelnen, separaten Wärmetauscher-Block gebildet, durch den keine anderen Prozess-Ströme als der zweite Luftstrom und die zu abzukühlende flüssige Fraktion geleitet werden. Alternativ ist eine Integration in einen Unterkühlungs-Gegenströmer denkbar, durch den auch andere Prozess-Ströme des Verfahrens fließen.
  • Der "zweite Luftstrom" kann beispielsweise getrennt von dem "ersten Luftstrom" verdichtet und/oder gereinigt werden. Alternativ werden beide Luftströme gemeinsam verdichtet und gereinigt und stromaufwärts der Abkühlung im Hauptwärmetauscher oder bei einer Zwischentemperatur des Hauptwärmetauschers verzweigt. In einer weiteren Variante (beispielsweise bei Abkühlung der Luft in einem umschaltbaren Hauptwärmetauscher - Revex) kann der zweite Luftstrom auch aus einer der Säulen des Rektifiziersäulensystems entnommen werden, beispielsweise oberhalb einiger Sperrböden aus der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems.
  • Die "arbeitsleistende Entspannung" wird in einer Entspannungsmaschine durchgeführt, vorzugsweise in einer Expansions-Turbine.
  • Vorzugsweise wird der zweite Luftstrom stromabwärts seiner Anwärmung im Hauptwärmetauscher aus dem Verfahren entfernt. Dies bedeutet, dass er weder dem Rektifiziersäulensystem zugeführt, noch (in einem Kreislaufsystem) zu der arbeitsleistenden Entspannung zurückgeleitet wird. Er kann in die Atmosphäre abgeblasen oder als unreines Produkt verwendet werden.
  • Die entspannte Luft kann mit einem Produkt- oder Reststrom aus dem Rektifiziersäulensystem vermischt werden, beispielsweise mit einem unreinen Stickstoffstrom aus der Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems. Zusätzlich kann ein Teil der aus der Entspannungsmaschine austretenden Luft in eine Säule des Rektifiziersäulensystems eingeführt werden, zum Beispiel in die Niederdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems. Die Vermischung kann stromaufwärts oder stromabwärts des Hauptwärmetauschers erfolgen, vorzugsweise wird sie aber zwischen Austritt aus dem Zusatzwärmetauscher durchgeführt. Anschließend wird das Gemisch aus dem Verfahren entfernt und beispielsweise in die Atmosphäre abgeblasen oder als unreines Produkt verwendet.
  • Vorzugsweise nehmen an dem indirekten Wärmeaustausch in dem Zusatzwärmetauscher keine weiteren Prozess-Ströme außer dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom und der flüssigen Fraktion teil, das heißt der Zusatzwärmetauscher wird durch einen separaten Wärmetauscher-Block mit genau zwei Gruppen von Passagen gebildet. Die Spitzenkälte aus der arbeitsleistenden Entspannung wird damit vollständig auf die flüssige Fraktion übertragen.
  • Die weitere Nutzung dieser Spitzenkälte wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die flüssige Fraktion stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Zusatzwärmetauscher in den Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers eingeleitet wird. Bei der Verdampfung wird die Kälte durch indirekten Wärmeaustausch auf einen kondensierenden Strom übertragen. Vor der Einleitung in den Kondensator- Verdampfer kann die flüssige Fraktion entspannt werden. Durch die erfindungsgemäße Abkühlung in dem Zusatzwärmetauscher entsteht dabei eine besonders geringe Flashgas-Menge.
  • Es ist ferner günstig, wenn das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere Säulen zur Argongewinnung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer flüssiger Rücklauf für mindestens eine der Säulen zur Argongewinnung erzeugt wird. "Säulen zur Argongewinnung" stellen beispielsweise eine Rohargonsäule (zur Argon-Sauerstoff- Trennung) und/oder einer Reinargonsäule (zur Argon-Stickstoff-Trennung) dar. Die unterkühlte flüssige Fraktion kann zur Kopfkühlung einer oder beider dieser Säulen, insbesondere der Rohargonsäule, eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Wärmeaustausch in dem Zusatzwärmetauscher bewirkt dabei die Übertragung einer erhöhten Kältemenge und damit eine um bis zu 6% verbesserte Argonausbeute. Durch die verstärkte Unterkühlung der Flüssigkeit für die Rohargonsäulen-Kopfkühlung besteht außerdem eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Entspannungsventils stromaufwärts des Kondensator-Verdampfers.
  • Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Systeme mit Argongewinnung sind beispielsweise aus DE 23 25 422 A, EP 171711 A2, EP 377117 B2 (= US 5019145), EP 628777 B1 (= US 5426946), EP 669508 A1 (= US 5592833), EP 669509 B1 (= US 5590544) oder EP 942246 A2 bekannt.
  • Stromaufwärts des Zusatzwärmetauschers wird die flüssige Fraktion vorzugsweise im Sumpfverdampfer einer Reinargonsäule abgekühlt. Dieser Sumpfverdampfer dient zur Erzeugung aufsteigenden Dampfs für die Reinargonsäule. Die Flüssigkeit wird bei dem indirekten Wärmeaustausch gibt in dem Sumpfverdampfer fühlbare, aber keine latente Wärme ab. Diese Vorgehensweise an sich ist im Detail in EP 669509 B1 (= US 5590544) beschrieben.
  • Als flüssige Fraktion wird beispielsweise eine Flüssigkeit aus dem unteren Bereich einer der Säulen des Rektifiziersäulensystem, insbesondere aus dem unteren Bereich der Hochdrucksäule eines Zwei-Säulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eingesetzt. Sie ist in der Regel sauerstoffangereichert, das heißt sie weist einen höheren Sauerstoffgehalt als Luft auf.
  • Die bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Luftstroms erzeugte mechanische Energie kann mindestens teilweise zur Verdichtung des ersten und/oder zweiten Luftstroms eingesetzt werden, indem ein entsprechender Verdichter mechanisch mit der Entspannungsmaschine gekoppelt ist.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Atmosphärische Luft 1 wird in einem Luftverdichter 2 auf einen Druck von beispielsweise 6 bar gebracht, strömt nach Durchlaufen einer Nachkühlung 3 über Leitung 4 zu einem Nachverdichter 5 und wird dort weiter auf beispielsweise 16,5 bar verdichtet. Nach einer weiteren Nachkühlung 6 wird verzweigt die durch Leitung 7 strömende Luft in einen ersten Luftstrom 8 und in einen zweiten Luftstrom 201.
  • Vor der Einleitung in den Hauptwärmetauscher 9 wird die Luft gereinigt (nicht dargestellt). Die Reinigungseinrichtung - in der Regel eine Molekularsiebstation - befindet sich vorzugsweise zwischen dem Nachkühler 3 und dem Nachverdichter 5.
  • Der erste Luftstrom 8 wird in einem Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt und über Leitung 10 - gegebenenfalls nach Drosselung 11 - in die Hochdrucksäule 12 eines Rektifiziersäulensystems eingespeist. Das Rektifiziersäulensystems ist hinsichtlich der Stickstoff-Sauerstoff-Trennung als Zwei-Säulen-System aufgebaut, das neben der Hochdrucksäule 12 eine Niederdrucksäule 13 aufweist. Diese beiden Säulen stehen über einen Kondensator- Verdampfer 14, den so genannten Hauptkondensator, in wärmetauschender Verbindung.
  • Sauerstoffangereicherter Flüssigkeit 15 vom Sumpf der Hochdrucksäule 12 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 16 abgekühlt, über Leitung 17 zwei später zu beschreibenden Wärmetauschern 18 und 205 zugeleitet, dort weiter unterkühlt und anschließend in einem Drosselventil 19 entspannt. (Ein Teil der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit kann über eine Bypass-Leitung 20 an dem Wärmetauscher 18 vorbeigeführt werden.) Die entspannte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 21 wird in einen ersten Teilstrom 22 und einen zweiten Teilstrom 23 verzweigt. Der erste Teilstrom 22 wird in einem Kondensator-Verdampfer 24, der als Reinargon-Kopfkondensator ausgebildet ist, teilweise verdampft und anschließend über Leitung 25 in den Verdampfungsraum eines weiteren Kondensator-Verdampfers 26, des Rohargon-Kopfkondensators, eingeleitet, während der erste Teilstrom direkt in den Rohargon-Kopfkondensator strömt. Der in dem Verdampfungsraum des Rohargon-Kopfkondensators 26 gebildete Dampf 27 und der flüssig verbliebene Anteil 28 werden an geeigneter Stelle in die Niederdrucksäule eingeführt.
  • Der am Kopf der Hochdrucksäule 12 gebildete gasförmige Stickstoff 29 wird zu einem ersten Teil 30 im Hauptwärmetauscher 9 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 31 als gasförmiges Druckprodukt abgeführt. Zu einem zweiten Teil 32 wird er in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 13 geleitet. Das dort gebildete Kondensat 33 wird zu einem Teil 34 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 12 aufgegeben. Der Rest wird als Flüssigprodukt gewonnen, und zwar teilweise als flüssiger Druckstickstoff 36, oder nach Unterkühlung 16, Drosselung 39 und Phasentrennung 40 (über Leitungen 37 und 38) als druckloser Flüssigstickstoff 41. Flashgas 42 aus der Phasentrennung 40 wird gemeinsam mit dem Kopfprodukt 43 der Niederdrucksäule 14 abgeführt.
  • Von einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 12 wird unreiner Stickstoff 44 flüssig abgezogen, unterkühlt (16) und über Leitung 45 und Drosselventil 46 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 14 aufgegeben.
  • Gasförmig verlassen die Niederdrucksäule 14 Sauerstoff (47-48), Kopfstickstoff (43 - 49-50-51) und unreiner Stickstoff (53-54-55-56) und werden nach Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 16 und/oder im Hauptwärmetauscher 9 als gasförmige Produkte beziehungsweise Restgas unter Umgebungstemperatur abgezogen. Außerdem wird flüssiger Sauerstoff 56 vom Sumpf der Niederdrucksäule 14 abgezogen und - gegebenenfalls nach Unterkühlung in 16 - als weiteres Flüssigprodukt 57 gewonnen.
  • Das Rektifiziersäulensystem des Ausführungsbeispiels weist außerdem eine Argongewinnung mit einer Rohargonsäule, die aus zwei Teilen 58 und 59 besteht, und mit einer Reinargonsäule 60 auf. An einer Zwischenstelle der Niederdrucksäule 14 wird eine argonhaltige Sauerstofffraktion 61 abgezogen und in die erste Rohargonsäule 58 eingeleitet. Der Kopfdampf 62 der ersten Rohargonsäule wird weiter zum Sumpf der zweiten Rohargonsäule 59 geführt. Gasförmiges Rohargon 63 vom Kopf der zweiten Rohargonsäule wird in dem Rohargon-Kopfkondensator 26 partiell kondensiert. Dabei gewonnene Flüssigkeit 64 wird als Rücklauf auf die zweite Rohargonsäule 59 aufgegeben. Die Sumpfflüssigkeit 65 der zweiten Rohargonsäule 59 wird mittels einer Pumpe 66 über Leitung 67 auf den Kopf der ersten Rohargonsäule 58 gefördert. Die sauerstoffreiche Flüssigkeit 68 aus dem Sumpf der ersten Ras 58 wird schließlich in die Niederdrucksäule 14 zurückgespeist.
  • Im Rohargon-Kopfkondensator 26 dampfförmig verbliebenes Rohargon 69 wird der Reinargonsäule 60 an einer Zwischenstelle zugeführt. Kopfdampf 70 der Reinargonsäule 60 wird im Reinargonsäule-Kopfkondensator 24 partiell kondensiert. Dabei erzeugtes Kondensat 71 wird als Rücklauf auf den Kopf der Reinargonsäule 60 aufgegeben. Mit dem verbliebenen Gas 72 werden die leichter als Argon flüchtigen Komponenten, insbesondere Stickstoff, als Restdampf ausgeschlaust. Der Sumpfverdampfer 18 dient zur Gewinnung von aufsteigendem Dampf durch Verdampfung eines Teils 74 der im Sumpf der Reinargonsäule 60 anfallenden Flüssigkeit 73. Der Rest bildet das flüssige Reinargon-Produkt 75.
  • Gemäß der Erfindung wird der zweite Luftstrom 201 nach Abkühlung im Hauptwärmetauscher 9 auf eine Zwischentemperatur über Leitung 202 einer arbeitsleistenden Entspannung in einer Turbine 203 zugeführt und dort auf etwas über Atmosphärendruck gebracht. Die arbeitsleistend entspannte Luft 204-206-207 wird, gegebenenfalls nach Drosselung 208 - dem Restgas (unreinen Stickstoff) 53 aus der Niederdrucksäule 14 zugemischt und gemeinsam mit diesem aus dem Verfahren entfernt (Leitung 54/55). Vorher überträgt sie allerdings in dem Zusatzwärmetauscher 205 ihre Spitzenkälte bei etwa 91 K durch indirekten Wärmeaustausch mit der flüssigen Fraktion 15-17 aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 12. Die flüssige Fraktion wird im Zusatzwärmetauscher 205 von etwa 95 auf etwa 93 K abgekühlt. Damit verringert sich der Flashgas-Anteil bei der Entspannung 19 der flüssigen Fraktion stromabwärts des Zusatzwärmetauschers 205, und entsprechend mehr Kälte steht zur Kopfkühlung 26/24 der Rohargonsäule 58/59 beziehungsweise der Reinargonsäule 60 zur Verfügung.
  • Die Turbine 203 ist über eine gemeinsame Welle mit dem Nachverdichter 5 gekoppelt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist, wobei ein erster Luftstrom (8) in einem Hauptwärmetauscher (9) abgekühlt und in das Rektifiziersäulensystem eingeleitet (10, 11) wird und ein zweiter Luftstrom (201, 202) arbeitsleistend entspannt (203) und anschließend in dem Hauptwärmetauscher (9) angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom (204) stromabwärts der arbeitsleistenden Entspannung (203) und stromaufwärts der Anwärmung im Hauptwärmetauscher (9) in einen Zusatzwärmetauscher (205) eingeleitet und dort durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem angewärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom (206, 207) stromabwärts seiner Anwärmung im Hauptwärmetauscher (9) mindestens teilweise aus dem Verfahren entfernt (54, 55) wird.
3. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom stromabwärts seiner arbeitsleistenden Entspannung (203) mit einem Produkt- oder Reststrom (53) aus dem Rektifiziersäulensystem vermischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem indirekten Wärmeaustausch in dem Zusatzwärmetauscher (205) keine weiteren Prozess-Ströme außer dem arbeitsleistend entspannten zweiten Luftstrom (204) und der flüssigen Fraktion (17) teilnehmen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion (21, 22, 23) stromabwärts des indirekten Wärmeaustauschs in dem Zusatzwärmetauscher (205) in den Verdampfungsraum eines Kondensator- Verdampfers (24, 26) eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine oder mehrere Säulen (58, 59, 60) zur Argongewinnung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer (24, 23) flüssiger Rücklauf (64, 71) für mindestens eine der Säulen (59, 60) zur Argongewinnung erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine Rohargonsäule (59) zur Argon-Sauerstoff-Trennung aufweist und in dem Kondensator-Verdampfer (26) flüssiger Rücklauf (64) für die Rohargonsäule (59) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rektifiziersäulensystem eine Reinargonsäule (60) zur Argon-Stickstoff-Trennung umfasst, wobei die Reinargonsäule (60) einen Sumpfverdampfer (18) aufweist und die flüssige Fraktion (17) stromaufwärts des Zusatzwärmetauschers (205) in dem Sumpfverdampfer (18) abgekühlt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion (15, 17) aus dem unteren Bereich einer der Säulen des Rektifiziersäulensystem, insbesondere aus dem unteren Bereich der Hochdrucksäule (12) eines Zwei-Säulen-Systems (12/14) zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung, entnommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der arbeitsleistenden Entspannung (203) des zweiten Luftstroms (201, 202) erzeugte mechanische Energie mindestens teilweise zur Verdichtung (5) des ersten und/oder zweiten Luftstroms eingesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Rektifiziersäulensystem, das mindestens eine Trennsäule (12, 14, 58, 59, 60) aufweist, mit einer ersten Luftleitung (8, 10) für einen ersten Luftstrom, wobei die erste Luftleitung (8, 10) durch einen Hauptwärmetauscher (9) in das Rektifiziersäulensystem führt, und mit einer zweiten Luftleitung (201, 202, 204, 206, 207, 54, 55) für einen zweiten Luftstrom, wobei die zweite Luftleitung (201, 202, 204, 206, 207, 54, 55) durch eine Entspannungsmaschine (203) zu dem Hauptwärmetauscher (9) führt, gekennzeichnet durch einen Zusatzwärmetauscher (205) zur Anwärmung des zweiten Luftstroms (204) stromabwärts der Entspannungsmaschine (203) und stromaufwärts seiner Einleitung in den Hauptwärmetauscher (9) durch indirekten Wärmeaustausch mit einer flüssigen Fraktion (15, 17) aus dem Rektifiziersäulensystem.
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