DE19910871B4 - Verfahren und Anlage zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation in einer Anlage mit einer Doppelsäule (2), umfassend folgende Schritte:
a) zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) werden in einer Austauschleitung (1) gekühlt und einer ersten Säule (3) der Doppelsäule zugeführt;
b) in der ersten Säule (3) wird die Luft in eine sauerstoffreiche Fraktion und eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt;
c) aus einer zweiten Säule (4) der Doppelsäule wird ein flüssiger Strom (16) abgezogen und in der Austauschleitung (1) verdampft;
d) in der Austauschleitung (1) steht ein erster (6) der zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) im Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Flüssigkeitsstrom;
e) auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung (1) wird der zweite Luftstrom (7, 7A) der zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) abgezogen;
f) der zweite Luftstrom (7, 7A) wird ohne Entspannung aus der Austauschleitung (1) zu der Doppelsäule (2) geleitet,
dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage zur des Zerlegung von Luft durch deren Destillation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
  • Um ein Gas aus verdichteter Luft zu gewinnen, wird bekanntlich eine Flüssigkeit aus einer Luftdestillationssäule abgezogen, 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 EP 0 745 817 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zu destillierende Luft in zwei Luftströme aufgeteilt wird, die dann einem Wärmetauscher zugeführt werden. Einer der beiden Luftströme wird vor Eintritt in den Wärmetauscher zusätzlich verdichtet. Die beiden Luftströme speisen, ohne vorher entspannt zu werden, den Bodenbereich einer sogenannten Mitteldrucksäule einer Doppelsäulenanordnung.
  • Aus der FR 2 674 011 A1 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 2 711 778 A1 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 Austauschleitung 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 Mitteldrucksäule einem Flash-Schritt. Der unter einem niedrigeren Druck stehende Strom, der am kalten Ende der Austauschleitung 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 und eine Anlage 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 durch ein Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation nach dem Anspruch 1 bzw. eine Anlage nach dem Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • a) Zumindest zwei Luftströme werden in einer Wärmeaustauschleitung gekühlt und einem Säulensystem zugeführt;
    • b) die Luft wird in einer Säule des Systems in eine sauerstoffreiche und eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt;
    • c) ein flüssiger Strom wird aus einer Säule des Systems abgezogen und in der Wärmeaustauschleitung verdampft;
    • d) ein erster Luftstrom steht in der Wärmeaustauschleitung im Wärmeaustausch mit der verdampfenden Flüssigkeit;
    • e) ein zweiter Luftstrom wird auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung abgezogen und ohne Entspannung einer Säule des Systems zugeführt;
    • f) ein dritter Luftstrom wird auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung, stromab des Niveaus, auf dem der zweite Luftstrom abgezogen wird, abgezogen, und
    • g) der dritte Luftstrom wird ggfs. ohne Entspannung aus der Austauschleitung dem Säulensystem zugeführt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung können mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen:
    • – 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 Säulensystem stammende Flüssigkeit der Austauschleitung zuzuführen,
    • – Mittel, um den zweiten Luftstrom auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung abzuziehen;
    • – Mittel, um den zweiten Luftstrom von dem Zwischenniveau der Austauschleitung zu der Mitteldrucksäule zu leiten, wobei diese Mittel keine Mittel zur Entspannung des Stroms umfassen;
    • – Leitungen für einen dritten Luftstrom, der in der Aus tauschleitung abkühlt, und Mittel zum Abziehen des dritten Stroms stromab der Stellen an der der zweite Strom abgezogen wird;
    • – Mittel, um den dritten Strom zu einer Mitteldrucksäule zu leiten, wobei diese Mittel keine Entspannungsmittel umfassen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Anlage nach der Erfindung können eine Argonsäule, die mit einem aus der Niederdrucksäule stammenden Strom gespeist wird, aufweisen.
  • Die Zeichnung zeigt schematisch vereinfacht:
  • 1 eine Luftdestillationsanlage nach dem Stand der Technik
  • 2 eine zweite Luftdestillationsanlage nach dem Stand der Technik,
  • 3 eine Luftdestillationsanlage nach der Erfindung und
  • 4 eine zweite Luftdestillationsanlage nach der Erfindung.
  • Die in 1 dargestellte Luftdestillationsanlage dient zur Gewinnung flüssigen Stickstoffs, flüssigen Sauerstoffs und gasförmigen Sauerstoffs mit einer Reinheit von 99,5 % und einen Druck, der wesentlich höher als 1 bar ist, z.B. 40 bar, und ggfs. 100 bar oder mehr erreichen kann.
  • Die Anlage umfasst im Wesentliche eine (Wärme)-Austauschleitung 1, eine (Destillations)-Doppelsäule 2, welche wiederum eine Mitteldrucksäule (erste Säule) 3, eine Niederdrucksäle (zweite Säule) 4 und einen Kondensator-Aufkocher 5 umfasst. Die Säulen 3 und 4 arbeiten unter einem Druck von 5 bzw. 1,2 bar.
  • Ein erster Luftstrom 6 wird unter einem Druck von 70 bar in die Austauschleitung 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 die Austauschleitung 1 geleitet, durchströmt aber nur einen Teil desselben. Nachdem der Luftstrom 7 aus der Austauschleitung 11 abgezogen 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 der Austauschleitung 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 Flüssigkeitsgewinnung genutzt wird, wird aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 4 abgezogen. Der Rest 16 wird mittels einer Pumpe 11 verdichtet und in der Austauschleitung 1 verdampft. Stickstoffströme, die aus der Doppelsäule stammen, werden ebenfalls in der Austauschleitung 1 erwärmt.
  • Wie 2 zu entnehmen ist, kann die verflüssigte Luft (erster Luftstrom) 6, bevor sie zu den Säulen der Doppelsäule geführt wird, alternativ in einer hydraulischen Turbine 12 entspannt werden.
  • Bei der Ausführungsform nach 3 wird der zweite Luftstrom 7 in die Luftströme 7A und 7B aufgeteilt. Der Luftstrom 7A wird auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung 1 abgezogen; der Luftstrom 7B durchströmt der Austauschleitung 1 vollständig und verläßt letz teren an dessen kaltem Ende. Beide Ströme werden zu der Mitteldrucksäule 3 geführt. Der Luftstrom 7A wird mit einem Ventil geregelt.
  • Diese Ausführungsform kann, wie auch die nach 1, mit einer hydraulischen Turbine 12 ergänzt werden (siehe 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 mittleren 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 Rohargons unter Verwendung einer aus der Niederdrucksäule 4 gespeisten Argonsäule geeignet.
  • Die verdichtete, in der Austauschleitung verdampfte Flüssigkeit kann Flüssigstickstoff oder Flüssigargon sein.
  • In der Austauschleitung können mehrere Flüssigkeiten gleichzeitig verdampfen.
  • Wenn der Luftstrom 6 unter einem superkritischen Druck steht, wird er in der Austauschleitung nicht verflüssigt.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Zerlegung von Luft durch kryogene Destillation in einer Anlage mit einer Doppelsäule (2), umfassend folgende Schritte: a) zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) werden in einer Austauschleitung (1) gekühlt und einer ersten Säule (3) der Doppelsäule zugeführt; b) in der ersten Säule (3) wird die Luft in eine sauerstoffreiche Fraktion und eine stickstoffreiche Fraktion zerlegt; c) aus einer zweiten Säule (4) der Doppelsäule wird ein flüssiger Strom (16) abgezogen und in der Austauschleitung (1) verdampft; d) in der Austauschleitung (1) steht ein erster (6) der zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) im Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Flüssigkeitsstrom; e) auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung (1) wird der zweite Luftstrom (7, 7A) der zumindest zwei Luftströme (6, 7, 7A) abgezogen; f) der zweite Luftstrom (7, 7A) wird ohne Entspannung aus der Austauschleitung (1) zu der Doppelsäule (2) geleitet, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Luftstrom (7B) auf einem der Austauschleitung (1) stromab des Zwischenniveaus, auf dem der zweite Luftstrom (7, 7A) abgezogen wird, entnommen wird, und dass der dritte Luftstrom (7B) ohne Entspannung aus der Austauschleitung (1) zu der ersten Säule (3) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des ersten Luftstroms (6) verflüssigt und einer Mitteldrucksäule und/oder einer Niederdrucksäule der Doppelsäule (2) zugeführt wird.
  3. Anlage zur Zerlegung von Luft durch deren Destillation umfassend – eine Doppelsäule (2), – Mittel, um einen ersten (6) und einen zweiten Luftstrom (7, 7A) zu einer Austauschleitung (1) und von der Austauschleitung (1) zu der Mitteldrucksäule (3) zu führen, wobei der erste Luftstrom (6) zum kalten Ende der Austauschleitung (1) hin gekühlt wird; – Mittel, um zumindest eine aus der Doppelsäule (2) stammende verdichtete Flüssigkeit (flüssiger Strom) (16) der Austauschleitung (1) zuzuführen; – Mittel, um den zweiten Luftstrom (7, 7A) auf einem Zwischenniveau der Austauschleitung abzuziehen, – Mittel, die den zweiten Luftstrom (7, 7A) von dem Zwischenniveau der Austauschleitung (1) zu der Mitteldrucksäule (3) führen, wobei diese Mittel keine Mittel zur Entspannung des Luftstroms aufweisen, gekennzeichnet durch – Leitungen für einen dritten Luftstrom (7B), der in der Austauschleitung (1) abgekühlt wird, – Mittel zum Abziehen des dritten Luftstroms (7B) stromab des Zwichenniveaus, an dem der zweite Luftstrom (7, 7A) abgezogen wird und – Mittel, die den dritten Luftstrom (7B) zu der Mitteldrucksäule (3) führen, wobei diese Mittel keine Entspannungsmittel umfassen.
  4. Anlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Argonsäule, die mit einem aus einer Niederdrucksäule einer Doppelsäule stammenden Strom gespeist wird.
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