DE19910871A1 - Verfahren und Anlage zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation

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Abstract

Zum flexibleren Betrieb einer Säule zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation steht ein erster Luftstrom (6) im Wärmeaustausch mit einer verdampfenden Flüssigkeit (16) und ein zweiter Luftstrom (7, 7A) wird auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung abgezogen und einer Säule zugeführt, in der er destilliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation.
Um ein Gas aus verdichteter Luft zu gewinnen, wird bekannt­ lich eine Flüssigkeit aus einer Luftdestillationssäule ab­ gezogen, verdichtet und in einer Hauptwärmeaustauschleitung der betreffenden Anlage verdampft. Das Gas kann auf diese Weise unter einem höheren als dem in der Säule herrschenden Druck gewonnen werden.
Aus der FR-A-2 674 011 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die zu destillierende Luft auf zwei Fraktionen aufgeteilt wird. Die erste Fraktion wird in der Austauschleitung gegen ein verdampfendes flüssiges Produkt verflüssigt und die zweite Fraktion wird, bevor sie in einer Claude-Turbine entspannt und zu einer sog. Mitteldrucksäule geleitet wird, bis zu einem Zwischenniveau der Austauschleitung abgekühlt.
Aus der FR-A-2 711 778 ist ein Pumpverfahren bekannt, bei dem drei Luftströme zu der Mitteldrucksäule geleitet werden. Einer dieser Ströme stammt aus einer Claude-Turbine. Die beiden anderen Ströme durchströmen die Austauschleitung. Einer dieser Ströme wird dabei verflüssigt, wogegen der andere die Austauschleitung an seinem Taupunkt verläßt. Die Temperaturen dieser beiden, das kalte Ende der Aus­ tauschleitung verlassenden Ströme sind daher ungefähr gleich.
Diese Bedingung der Temperaturgleichheit verhindert häufig ein optimales Arbeiten der Mitteldrucksäule.
Der verflüssigte, unter einem höheren Druck stehende Strom, wird entspannt und unterliegt beim Eintritt in die Mittel­ drucksäule einem Flash-Schritt. Der unter einem niedrigeren Druck stehende Strom, der am kalten Ende der Austauschlei­ tung austritt, enthält bisweilen eine flüssige Fraktion. Daher arbeitet der untere Bereich der Mitteldrucksäule nicht optimal, und zwar wegen einer zu kalten Sumpfbeschickung und/oder einer zu warmen Kopfbeschickung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die die Säulen speisenden Luftströme in Bezug auf die Temperaturen einen zusätzlichen Freiheitsgrad haben, so daß der optimale Betrieb der Säulen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation in einer Anlage mit einem Säulensystem gelöst, umfassend folgende Schritte:
  • a) Zumindest zwei Luftströme werden in einer Wärmeaus­ tauschleitung gekühlt und dem Säulensystem zugeführt;
  • b) die Luft wird in einer Säule des Systems in eine sau­ erstoffreiche und eine stickstoffreiche Fraktion zer­ legt;
  • c) ein flüssiger Strom wird aus einer Säule des Systems abgezogen und in der Wärmeaustauschleitung verdampft;
  • d) ein erster Luftstrom steht in der Wärmeaustauschlei­ tung im Wärmeaustausch mit der verdampfenden Flüssig­ keit;
  • e) ein zweiter Luftstrom wird auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung abgezogen,
wobei der zweite Luftstrom aus der Austauschleitung ohne Entspannung einer Säule des Systems zugeführt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahren nach der Erfin­ dung können mindestens eines der folgenden Merkmale auf­ weisen:
  • - ein dritter Luftstrom wird, ggfs. auf einem Zwischen­ niveau der Austauschleitung, stromab oder stromauf des Niveaus, auf dem der zweite Luftstrom abgezogen wird, abgezogen;
  • - der dritte Luftstrom wird ggfs. ohne Entspannung aus der Austauschleitung dem Säulensystem zugeführt;
  • - der dritte Strom wird mittels eines Ventils geregelt;
  • - mindestens ein Teil des ersten Stroms wird verflüssigt und einer Säule der Anlage zugeführt;
  • - zumindest ein Teil des ersten verflüssigten Stroms wird in einer Turbine entspannt.
Des weiteren hat die Erfindung eine Anlage zur Zerlegung von Luft durch Destillation zum Gegenstand, umfassend:
  • - ein Säulensystem,
  • - Mittel, um einen ersten und einen zweiten Luftstrom zu einer Austauschleitung und von der Austauschleitung zu dem Säulensystem zu leiten;
  • - Mittel, um mindestens eine verdichtete, aus dem Säu­ lensystem stammende Flüssigkeit der Austauschleitung zuzuführen,
  • - Mittel, um den zweiten Luftstrom auf einem Zwischen­ niveau der Austauschleitung abzuziehen;
wobei die Anlage Mittel aufweist, um den zweiten Strom von dem Zwischenniveau der Austauschleitung zu der Mitteldruck­ säule zu leiten, und diese Mittel keine Mittel zur Entspan­ nung des Stroms umfassen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Anlage nach der Erfindung können mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen:
  • - Leitungen für einen dritten Luftstrom, der in der Aus­ tauschleitung abkühlt, und Mittel zum Abziehen des dritten Stroms stromauf oder stromab der Stelle, an der der zweite Strom abgezogen wird;
  • - Mittel, um den dritten Strom zu einer Mitteldrucksäule zu leiten, wobei diese Mittel keine Entspannungsmittel umfassen;
  • - eine Argonsäule, die mit einem aus der Niederdruck­ säule stammenden Strom gespeist wird.
Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in der Zeich­ nung schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Luftdestillationsanla­ ge;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform;
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform;
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform.
Die in Fig. 1 dargestellte Luftdestillationsanlage dient zur Gewinnung flüssigen Stickstoffs, flüssigen Sauerstoffs und gasförmigen Sauerstoffs mit einer Reinheit von 99,5% und einem Druck, der wesentlich höher als l bar ist, z. B. 40 bar, und ggfs. 100 bar oder mehr erreichen kann.
Die Anlage umfaßt im wesentlichen eine Wärmeaustauschleitung 1, eine Destillationsdoppelsäule 2, welche wiederum eine Mitteldrucksäule 3, eine Niederdrucksäule 4 und einen Kon­ densator-Aufkocher 5 umfaßt. Die Säulen 3 und 4 arbeiten unter einem Druck von 6 bzw. 1,2 bar.
Ein erster Strom 6 wird unter einem Druck von 70 bar in den Austauscher 1 geleitet, dort verflüssigt und danach auf zwei Fraktionen aufgeteilt, um den Rückfluß zu der Niederdruck- und der Mitteldrucksäule bereitzustellen.
Ein zweiter Luftstrom 7 wird unter einem Druck von 6 bar in den Austauscher 1 geleitet, durchströmt aber nur einen Teil desselben. Nachdem der Strom 7 aus dem Austauscher 1 abgezo­ gen wurde, wird er in den Bodenbereich der Mitteldrucksäule eingeleitet.
Ein weiterer Strom 8, der unter einem Druck von 6 bar steht, wird in dem Vorverdichter 9 verdichtet, in dem Austauscher 1 gekühlt, auf einem Niveau abgezogen, das stromab des Niveaus liegt, auf dem der zweite Strom abgezogen wird, in einer mit dem Vorverdichter 9 gekuppelten Blasturbine 10 entspannt und der Niederdrucksäule 4 zugeführt.
Arme und reiche Flüssigkeit werden aus der Mitteldrucksäule 3 in die Niederdrucksäule 4 geleitet.
Flüssiger Sauerstoff, von dem ein Teil zur Flüssigkeits­ gewinnung genutzt wird, wird aus dem Sumpf der Niederdruck­ säule 4 abgezogen. Der Rest 16 wird mittels einer Pumpe 11 verdichtet und in dem Austauscher 1 verdampft. Stickstoff­ ströme, die aus der Doppelsäule stammen, werden ebenfalls in dem Austauscher 1 erwärmt.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, kann die verflüssigte Luft 6, bevor sie zu den Säulen der Doppelsäule geführt wird, alter­ nativ in einer hydraulischen Turbine 12 entspannt werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird der zweite Strom 7 in Ströme 7A und 7B aufgeteilt. Der Strom 7A wird auf einem Zwischenniveau des Austauschers 1 abgezogen; der Strom 7B durchströmt den Austauscher 1 vollständig und verläßt letz­ teren an dessen kaltem Ende. Beide Ströme werden zu der Mit­ teldrucksäule 3 geführt. Der Strom 7A wird mit einem Ventil geregelt.
Diese Ausführungsform kann, wie auch die nach Fig. 1, mit einer hydraulischen Turbine 12 ergänzt werden (siehe Fig. 4).
Wenn die Blasturbine 10 durch eine Claude-Turbine ersetzt wird, die z. B. mit einer Fraktion des ersten, unter hohem Druck stehenden, aus der Austauschleitung mit einer mitt­ leren Temperatur abgezogenen Stroms oder mit einem anderen Strom mit einem Druck, der über dem des zweiten Luftstroms liegt, gespeist wird, ist das Verfahren zur Gewinnung Rohar­ gons unter Verwendung einer aus der Niederdrucksäule 4 gespeisten Argonsäule geeignet.
Die verdichtete, in der Austauschleitung verdampfte Flüssig­ keit kann Flüssigstickstoff oder Flüssigargon sein.
In der Austauschleitung können mehrere Flüssigkeiten gleich­ zeitig verdampfen.
Wenn der Strom 6 unter einem superkritischen Druck steht, wird er in der Austauschleitung nicht verflüssigt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene De­ stillation in einer Anlage mit einem Säulensystem, umfassend folgende Schritte:
  • a) zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) werden in einer Austauschleitung (1) gekühlt und einer Säu­ le (3) des Systems zugeführt;
  • b) in der Säule wird die Luft in eine sauerstoff­ reiche Fraktion und eine stickstoffreiche Frak­ tion zerlegt;
  • c) aus einer Säule (4) des Systems wird ein flüssi­ ger Strom (16) abgezogen und in der Austauschlei­ tung verdampft;
  • d) in der Wärmeaustauschleitung steht ein erster Luftstrom (6) im Wärmeaustausch mit der verdamp­ fenden Flüssigkeit;
  • e) auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung wird ein zweiter Luftstrom (7, 7A) abgezogen;
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strom (7, 7A) ohne Entspannung aus der Austauschleitung (1) zu dem Säulensystem geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Luftstrom (7B), ggfs. auf einem Zwischen­ niveau der Austauschleitung (1), stromab oder stromauf oder stromab des Niveaus, auf dem der zweite Strom (7, 7A) abgezogen wird, abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Luftstrom (7B) ohne Entspannung aus der Austauschleitung (1) zu der Säule geführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des ersten Stroms (6) verflüssigt und einer sog. Mitteldrucksäule und/oder einer sog. Niederdrucksäule einer Doppelsäule (2) zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des ersten verflüssigten Stroms (6) in einer Turbine (12) entspannt wird.
6. Anlage zur Zerlegung von Luft durch deren Destilla­ tion, umfassend:
  • - ein Säulensystem (2),
  • - Mittel, um einen ersten (6) und einen zweiten Luftstrom (7, 7A) einer Austauschleitung (1) und von der Austauschleitung zu einer Säule zu füh­ ren;
  • - Mittel, um zumindest eine aus der Doppelsäule stammende, verdichtete Flüssigkeit (16) der Aus­ tauschleitung zuzuführen;
  • - Mittel, um den zweiten Luftstrom (7, 7A) auf ei­ nem Zwischenniveau der Austauschleitung abzuzie­ hen,
gekennzeichnet durch Mittel, die den zweiten Strom von dem Zwischenniveau der Austauschleitung (1) zu der Mitteldrucksäule (3) führen, wobei diese Mittel keine Mittel zur Entspannung des Stroms aufweisen.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Luftstrom (6) in Richtung des kalten Endes der Austauschleitung (1) gekühlt wird.
8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Leitungen für einen dritten Luftstrom (7B), der in der Austauschleitung abkühlt, und Mittel zum Abziehen des dritten Luftstroms stromauf oder stromab der Stelle, an der der zweite Strom (7, 7A) abgezogen wird.
9. Anlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel, die den dritten Strom (7B) zu einer Mitteldrucksäule (3) einer Doppelsäule führen, wobei diese Mittel keine Entspannungsmittel umfassen.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeich­ net durch eine Argonsäule, die mit einem aus einer Niederdrucksäule einer Doppelsäule stammenden Strom gespeist wird.
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