DE2427596A1 - Verbesserungen in luftzerlegungsverfahren - Google Patents

Verbesserungen in luftzerlegungsverfahren

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DE2427596A1
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Description

Verbesserungen 1n Luftzerlegungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft die Trennung der Luft bei tiefen Temperaturen und besonders das zweifache Frakt1on1erungsverfahren, wobei die Fraktionierzonen unter erhoehtem Druck arbeiten.
In dem hierunter dargestellten Verfahren arbeitet die Hochdruckzone unter einem Druck, der hoeher als 7 ata aber niedriger als 25 ata ist und die Niederdruck= zone unter einem Druck, der hoeher als 1.5 ata aber niedriger als 9 ata 1st. Außerdem wird der stickstoffrei ehe Dampf vom oberen Ende der Hochdruckzone kondensiert und als Ruecklauf fuer die Hochdruckzone und Niederdruckzone ver» wendet. Gleichfalls wird die sauerstoffreiche Fluessigkeit vom unteren Ende der Hochdruckzone als Feed fuer die Niederdruckzone verwendet. Es 1st mindestens ein Kondensator vorgesehen, in dem ein Teil der sauerstoffreichen Fluess1gke1t vom unteren Ende der Niederdruckzone verdampft und die dadurch erzeugte Kaelte wird zur Kondensation des stickstoffreichen Dampfes vom oberen Ende der Hoch3 iruckzone verwendet. /ftftöö2/03S0
Das Ziel der Erfindung ist einen relativ hohen Grad der Lufttrennung zu erreichen, obwohl die Fraktionierung unter erhoehtem Druck durchgefuehrt wird. Die Erfindung kann auch benutzt werden um einen erheblichen Teil der Energie die fuer die Trennung der Luft erforderlich 1st»zurueckzugewinnen. Das geschieht Indem Stickstoffprodukt mit niedrigem Sauerstoffgehalt von der Niederdruckzone extrahiert wird, durch Ver= brennung von Brennstoff erhitzt wird und 1n einer Gasturbine arbeitsleistend expan= diert, wie es in meiner Offen!egungsschrift Nr.2244216 beschrieben 1st.
Die Lufttrennung bei erhoehtem Druck 1st In der Industrie bekannt und als Beispiele koennen die britischen Patente 976,352 und 1,180,904 erwaehnt werden. Jedoch.beitn frueheren Stand der Technik war der Grad der Trennung btgrenzt wenn die Niederdruck= zone unter verhaeltnismaessig erhoehtem Druck gearbeitet hat, well In diesem Falle keine genuegende Menge des Ruecklaufs in dieser Zone verfuegbar war.
Wenn der Feed und der Ruecklauf von der Hochdruckzone 1n die Niederdruckzone gedrosselt werden, werden diese beiden Fluessigkeiten teilweise verdampft und diese teilweise Verdampfung wird unter erhoehtem Druck groesser und hindert das Verlaufen des Fraktionierungsverfahrens 1η der Niederdruckzone.
Die teilweise Verdampfung von Feed und Ruecklauf kann durch Unterkuehlung dieser Fluessigkeiten vermindert werden. Unterkuehlung von Feed und/oder Ruecklauf wurde auch frueher verwendet, aber frueher wurde dazu meistens das Stickstoffprodukt verwendet, welches in gewissen Faellen, um die noetige Kaelte zu erzeugen, in einer Kaelteturbine entspannt wurde. Das vermindert aber, oder schliesst die Moeglichkeit das Stickstoffprodukt fuer die Erzeugung von mechanischer Energie zu benutzen, voll= staendig aus. Die Erfindung ermoeglicht es das Gesamte des Stickstoffproduktes in einem komprimierten Zustande zu erhalten und dabei mit einem verhaeltnismaessig geringen Sauerstoffgehalt, was fuer einen wirtschaftlichen Gebrauch des Stickstoff= Produktes fuer die Erzeugung von mechanischer Energie ausschlaggebend ist.
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Um die teilweise Verdampfung von Feed und Ruecklauf, die waehrend der Drosselung dieser Fluessigkeiten von der Hochdruckzone in die Niederdruck= zone stattfindet zu vermeiden, muessen sie so unterkuehlt werden, dass ihre Enthalpien nicht groesser werden als diejenigen die ihren fluessigen Phasen in gesaettigtem Zustande unter dem Druck der Niederdruckzone entsprechen. Das erfordert eine betraechtliche Menge von Kaelte bei Temperaturen die tiefer sein koennen als die Temperatur des von der Niederdruckzone extra= hierten Stickstofforoduktes.
Erfindungsaemaess wird dieser Kaeltegrad erreicht indem man die Verdampfunqs= waerme mindestens eines Teiles des Sauerstoffproduktes benutzt und, falls erwuenscht, wird dieser Teil des SauerstoffProduktes auch ueber seine Säet= tigungstemperatur hinaus erwaermt. Dieses wird in folaender Weise ausge= fuehrt:
Mindestens ein Teil des Sauerstoffproduktes wird in fluessiger Phase von der Niederdruckzone entnommen und bis auf einen solchen Druck gedrosselt, dass · seine Temperatur tiefer faellt als die des unterkuphltpn Fepdes und Rueck= laufes. Dieser, mindestens ein Te^l de« Sauprstnffproduktes, wird anschlie= ssend in einen Waermeaustausch mit dem Feed und Ruecklauf von dpr Hochdruck= 7one nebracht, wird voHstaendig verdampft und, falls erwuenscht, auch ueber seine Saettigungstemperatur hinaus erwaermt. Die Kaelte die von diesem, mindestens einen Tpü des Sauerstofforoduktes an den Feed und Ruecklauf ab= gegeben wird, ist von diesen Fluessigkeiten in der Niederdruckzone entnommen und ermoeglicht die Gewinnung von diesem, mindestens einen Teil des Sauer= Stoffproduktes in fluessiger Phase.
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Durch die erfindungsgemaesse Verwendung der Verdampfungswaertne mindestens eines Teiles des SauerstoffProduktes fuer Unterkuehlung von Feed und Rueck= lauf, ist es moeglich betraechtliche Mengen von Kaelte zu behandeln, obwohl verhaeltnismaessig kleine Massen von Kuehlmittel (d.h. von Sauerstoffprodukt) im Waermeaustausche Anteil nehmen. So werden, zum Beispiel, 1n der Luft= Zerlegungsanlage die in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, 8.67 KKaI von Kaelte an 0.6068 SM3 von Feed und 0.4712 SM3 von Ruecklauf uebertragen, wobei nur 0.1389 SM von Sauerstoffprodukt benutzt werden. Diese 0.1389 SM von Sauerstoffprodukt werden Infolge der Drosselung nicht unter 5 ata sondern unter 1 ata erhalten und ihre Enthalpie in Dampfphase wird dadurch mit nur 0.30 KKaI fuer jeden 1 SM3 der zerlegten Luft vermindert.
Um das Ruecklaufverhaeltnis 1n der Niederdruckzone noch mehr zu erhoehen, wird ein Teil des StickstoffProduktes von der Niederdruckzone entnommen und auf einen Druck ein wenig ueber jenen der Hochdruckzone verdichtet und 1n den Kondensator, der fuer Kondensation des stickstoffreichen Dampfes von der Hochdruckzone dient,eingefuehrt. Dort wird er kondensiert und dann als zusaetzlicher Ruecklauf fuer die Niederdruckzone verwendet. Dieser verdichtete Teil des StickstoffProduktes kann auch, bevor er in den Kondensator gelangt, vorgekuehlt werden.
Um den verdichteten Zustand des StickstoffProduktes fuer die eventuelle Erzeugung von mechanischer Energie aufrechtzuhalten, kann die fuer die Luftzer= legung noetige Kaelte durch einen besonderen Hochdruckumlauf erzeugt werden. Ein kleiner Teil der Einsatzluft wird bis auf 100 - 200 ata verdichtet, bis zur Umgebungstemperatur gekuehlt, noch weiter durch ein Kuehlmittel, wie z.B.Ammoniak, bis zu einer viel tieferen Temperatur als 2730K gekuehlt, und bis auf einen, ein wenig hoeheren Druck als jener in der Hochdruckzone, in einer Kaelteturbine
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expandiert. Die expandierte Kuehlumlauf!uft wird dann als zusaetzlicher Feed in die Hochdruckzone eingefuehrt.
Auch frueher wurde das stickstoffrei ehe Gas von der Fraktioniersaeule zur Erzeugung von mechanischer Energie verwendet (z.B. die deutsche Offenlegungsschrift OS 2164795). Jedoch, dem vorigen Stand der Technik gemaess war der Grad der Trennung» wenn die Luft unter erhoehtem Druck fraktioniert wurde, ziemlich begrenzt und darum musste dieses stickstoffrei ehe Gas einen erheb= liehen Sauerstoffgehalt haben wenn die Produkte der Fraktionierung verhaelt= nismaessig rein sein sollten. Das verminderte aber den Sauerstoffgewinn betraechtlich und bedingte groessere Verdichter und Gasturbinen und eine groessere Menge von Brennstoff zum Treiben der Gasturbine.
Im Gegensatz zum frueheren Stand der Technik ermoeglicht die vorliegende Erfindung die Benutzung des StickstoffProduktes mit niedrigem Sauerstoff= gehalt fuerdie Produktion von mechanischer Energie, sogar wenn die Luft unter verhaeltnismaessig erhoehtem Druck getrennt wird und dies ermoeglicht nicht nur den Gebrauch kleinerer Verdichter und Gasturbinen, sondern auch niedrigeren Brennstoffgebrauch.
In dieser Hinsicht ueberwindet die vorliegende Erfindung das technische Vor= urteil, dass es am guenstigsten 1st das ganze Sauerstoffprodukt im verdien= teten Zustande zu erhalten, da seine Verdichtung grosse Kosten fuer den Sauer» stoffverdichter und die Verdichtungsarbelt bedingen wuerde. Das 1st in der Offenlegungsschrift Mr. 2164795 als ein Vorteil erwaehnt. Doch wird dabei , der tjroesste Teil des stickstoffreichen Gases mit einem Sauerstoffgehalt von j 8^ von der Miederdruckzone entnommen um das Ruecklaufverhaeltnis in dieser
j- Zone zu verbessern. Wenn ?.B. dieser Teil des stickstoffreichen Gases 60%
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von der Einsatzluft ausmacht und wenn angenommen wird dass die Luft etwa 20.6% Sauerstoff enthaelt, gehen dadurch etwa 23.3% des verfuegbaren Sauer= stoffes verloren und die ganze Einsatzluftmenge, die Verdichter und die ganze Luftzerlegungsanlage wird um 23.3% groesser. Dagegen wird gemaess der vorliegenden Erfindung, um den Effekt der Drosselung des fluessigen Sauer= stoffProduktes zu kompensieren, nur das Sauerstoffprodukt (oder ein Teil von ihm) erneut verdichtet werden muessen, und zwar nur bis auf den Druck der Niederdruckzone-.
An Hand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise beschrieben.
Die Einsatzluft wird nach Ihrer Befreiung von Staub, Feuchtigkeit und Kohlen= stoffdioxyd bis auf 15.5 ata verdichtet und bis zur Umgebungstemperatur ab= gekuehlt; (die hierfuer erforderlichen Apparaturen und Maschinen sind nicht dargestellt); sie gelangt dann in den drei Paaren der Umschaltwaermeaus= tauscher 3, 4 und 5 in Waermeaustausch mit den getrennten Stickstoff- und Sauerstoffprodukten, wird bis 117.90K abgekuehlt und betritt die Hochdruck» zone 1 der Fraktioniersaeule, die unter 15 ata arbeitet. Die sauerstoff= reiche Fluessigkeit vom Boden der Fraktioniersaeule (unteres Ende der Hoch» druckzone), die als Feed fuer die Niederdruckzone 2 dient, wird zuerst zum ersten Unterkuehler 7 und dann zum zweiten Ünterkuehler 8 geleitet. Nachdem dieser sauerstoffreiche fluessige Feed den zweiten Unterkuehler 8 verlaesst, 1st seine Temperatur etwa 95.50K und er wird dann durch das Drosselventil 10 In die Niederdruckzone 2, die unter 5 ata arbeitet« eingeführt. Da der sautrstoffrei ehe fluessige Feed eine sehr tiefe Temperatur erreicht hit, wird stint teil weis· Verdampfung, wenn er von 15 ata gedrosselt wird» praktisch ganz veroiltden. Der Rueckutnlauf vom Kondensatorrtum der Hochdruckzone* 1
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betritt zuerst den ersten Unterkuehier 7. Dort wird er unterkuehit und dann in den zweiten Unterkuehier 8 geleitet, wo er noch weiter unterkuehlt wird und eine Temperatur von etwa 950K erreicht. Der Rueckiauf wird dann in das obere Ende der Niederdruckzone 2 durch das Ventil 11 gedrosselt. Da der Ruecklauf eine sehr tiefe Temperatur erreicht hat, wird seine teil= weise Verdampfung bei der Drosselung von 15 ata auf 5 ata praktisch ver= mieden.
Ein Teil des SauerstoffProduktes wird In fluessiger Phase vom Kondensator= raum der Niederdruckzone 2 entnommen und durch das Ventil 9 von 5 ata bis auf etwa 1 ata gedrosselt. Dieser Teil des Sauerstoffproduktes wird dadurch bis auf 900K gekuehlt und teilweise verdampft. Er wird dann zum zweiten Unterkueh1er 8 gefuehrt, wo er den Ruecklauf und den sauerstoffreichen Feed, die von der Hochdruckzone 1 kommen, unterkuehlt und dadurch vollstaendig verdampft und bis auf 107.3°K erwaermt wird. Dieser Teil des Sauerstoff= Produktes verlaesst nun den zweiten Unterkuehler 8 unter ungefaehr 1.0 ata und wird dann in den Waermeaustauscher 4 geleitet, wo er einen Teil der EIn= satzluft kuehIt und dann den Waermeaustauscher 4 bei Umgebungstemperatur verlaesst. Der Rest des Sauerstoffproduktes wird 1n Dampfphase vom unteren Teil der Niederdruckzone 2 unter etwa 5 ata entnommen. Er wird dann in den Waermeaustauscher 5 geleitet wo er einen Teil der Einsatzluft kuehlt und dann den Waermeaustauscher 5 bei Umgebungstemperatur und unter Druck von etwa 4.9 ata verlaesst.
Das Stickstoffprodukt verlaesst die Niederdruckzone unter 5 ata und bei 94.60K und wird 1n zwei Stroeme aufgeteilt:
Der erste Strom wird 1m Verdichter 12 von 5 ata bis auf ein wenig mehr als
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15 ata verdichtet, im Kuehler 14 gekuehlt und in den Kondensatorraum der Hochdruckzone 1 geleitet. Im Kondensatorraum der Hochdruckzone wird der erste Strom des StickstoffProduktes kondensiert und dann als zusaetzlicher Ruecklauf fuer die Niederdruckzone 2 verwendet.
Der zweite Strom wird in den Unterkuehler 7 geleitet, wo er den Ruecklauf und den Feed von der Hochdruckzone unterkuehlt und dann in den Kuehler 14 gelangt. Von dem Kuehler 14 wird der zweite Strom des StickstoffProduktes zum Kuehler 15 geleitet, wo er die Hochdruckluft weiter bis 2170K kuehlt und dann in den Waermeaustauscher 3 gelangt. Im Waermeaustauscher 3 kuehlt dieser zweite Strom des StickstoffProduktes den groesseren Teil der Einsatz= luft und verlaesst den Waermeaustauscher 3 bei Umgebungstemperatur und unter Druck von etwa 4.9 ata.
Ein kleiner Teil der Einsatzluft wird nach seiner Befreiung von Staub, Feuchtigkeit und Kohl enstoffdioxyd bis auf 15.0 ata verdichtet und bis zur Umgebungstemperatur gekuehlt (die hierfuer erforderlichen Apparaturen sind
nicht dargestellt). Diese bis zu 150 ata verdichtete Luft wird dann weiter im Kuehler 6 bis 2320K, im Kuehler 15 bis 2170K gekuehlt und anschliessend in der Kaelteturbine 13 bis auf 15 ata entspannt. Sie wird dann als zusaetz= Iieher Feed in die Hochdruckzone eingeleitet.
Obwohl in dem in der Zeichnung beschriebenen Beispiel ein besonderer Luft= umlauf fuer die Erzeugung der fehlenden Kaelte verwendet wird, koennen dazu auch andere Methoden gebraucht werden. So kann, zum Beispiel, durch Ent= spannung eines Teiles des SauerstoffProduktes, Kaelte in einer Kaelteturbine erzeugt werden. Falls erwuenscht, kann man auch auf die beiden Kuehler 14 und 15 verzichten und dann wird der zweite Strom des StickstoffProduktes
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vom Unterkuehler 7 direkt in die Waermeaustauscher 3 geleitet. Der im Verdichter 12 verdichtete erste Strom des StickstoffProduktes wird in diesem Fall direkt in den Kondensatorraum der Hochdruckzone eingeleitet.
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Claims (4)

  1. - ίο -
    Ansprueche
    λ J In einem Verfahren fuer die Trennung der Luft unter erhoehtem Druck und durch doppelte Fraktionierung, in dem die Hochdruckzone unter Druck der hoeher als 7 ata aber niedriger als 25 ata 1st und die Niederdruckzone unter Druck der hoeher als 1.5 ata aber niedriger als 9 ata 1st arbeiten und in dem die sauerstoffreiche Fluessigkeit vom Boden der Hochdruckzone als Feed fuer die Niederdruckzone verwendet wird und der stickstoffreiche Dampf vom oberen Teil der Hochdruckzone kondensiert und als Ruecklauf fuer die Nieder= druck- und Hochdruckzonen verwendet wird und in dem diese sauerstoff- und stickstoffreichen Fluessigkeiten unterkuehlt werden bevor sie als Feed und Ruecklauf fuer die Niederdruckzone verwendet werden, eine Verbesserung dadurch gekennzeichnet, dass fuer diese Unterkuehlung mindestens ein Teil des Sauer= stoff Produktes verwendet wird, der in fluessige,r Phase von der Niederdruck= zone entnommen wird, gedrosselt wird um seine Temperatur auf eine tiefere als die des unterkuehlten Feedes und Ruecklaufes zu bringen und anschliessend in einen Waermeaustausch mit dem Feed und Ruecklauf fuer die Niederdruck= zone gebrächt wird so dass die teilweise Verdampfung dieser Fluessigkeiten, wenn sie in die Niederdruckzone gedrosselt werden, im Wesentlichen gaenzlich vermieden wird.
  2. 2. Verbesserung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Einsatzluft bis auf 100 - 200 ata verdichtet wird, gekuehlt, in einer Kaelteturbine entspannt und in die Hochdruckzone eingefuehrt wird.
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  3. 3. Verbesserung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des StickstoffProduktes vom oberen Ende der Niederdruckzone entnommen wird, bis auf einen Druck etwas hoeher als derjenige in der Hochdruckzone verdichtet wird, kondensiert wird und als zusaetzlicher Ruecklauf fuer die Nieder= druckzone verwendet wird.
  4. 4. Verbesserung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der fuer die Trennung der Luft erforderlichen Kaelte durch die Entspannung eines Teiles des SauerstoffProduktes in einer Kaelteturbine erzeugt wird.
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    AZ
    Leerseite
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