DE2548222C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Luftzerlegung durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation mit einem Verflüssigungskreislauf, durch den vom Kopf der Druckstufe gasförmig entnommener Stickstoff mittels Anwärmung Komprimierung, Wiederabkühlung und Entspannung verflüssigt und in die Druckstufe zurückgegeben wird, und mit einer Nieclerdruckexpansionsturbine, mit der vorgewärmtes komprimiertes Gas entspannt wird.

Bekannte Verfahren dieser Art weisen den Nachteil auf, daß sich im kalten Tci! dtS Vcrf!üssigurigskrcis!au fes, zwischen den anzuwärmenden und abzukühlenden Strömen aufgrund ihrer charakteristischen von der Temperatur abhängigen Wärmekapazität zwangsläufig große Temperaturdifferenzen einstellen. Diese großen Temperaturdifferenzen führen beim Wärmetausch zu großen Zunahmen der Entropie und somit zu einem Energieverlust.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das mit optimal kleinen Temperaturdifferenzen insbesondere im kalten Teil des Verflüssigungskreislaufes arbeitet und das sich somit durch große Wirtschaftlichkeit auszeichnet

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das in der Niederdruckexpansionsturbine entspannte Gas durch Wärmetausch mit mindestens einem Teil des Stickstoffes des Verflüssigungskreislaufes abgekühlt wird.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden die Temperaturdifferenzen im kalten Teil des Verflüssigungskreislaufes verkleinert, wodurch die gewünschte Energieeinsparung erzielt wird.

Zu weiteren bedeutsamen Vorteilen führt die Anwendung des erfmdungsgemäßen Verfahrens bei den Luftzerlegungsanlagen, bei denen das in der Niederdruckexpansionsturbine entspannte Gas Luft ist. Die entspannte Luft wird gewöhnlich in die Niederdruckstu-/e der Rektifiziereinrichtung eingeblasen. Durch die erfindungsgemäße Nachkühksng der Turbinenaustrittsluft wird nun die Möglichkeit eröffnet, die Turbine auf einem höheren Temperaturniveau zu betreiben, ohne den Nachteil in Kauf nehmen zu müssen, daß die in die Niederdruckstufe eingeblasene Turbinenaustrittsluft relativ warm ist. Die Einblasung überhitzter Luft in die Niederdruckstufe wirkt sich störend auf den Rektifikationsvorgang aus, da durch die eingeblasene warme Luft Waschflüssigkeit in der Säule verdampft wird. Der Betrieb der Turbine auf höherem Temperaturniveau, der durch die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht wird, hat seinerseits zwei entscheidende Vorteile. Zum einen wird die Kälteleistung größer, zum anderen kann mit einer kleineren Turbinertdurchsatzmenge gearbeitet werden. Eine kleinere Turbinendurchsatzmenge führt wiederum zu besseren Rektiiikationsbedingungen, da der Rektifiziereinrichtung eine kleinere Luftmenge entzogen und somit der Umsatz in der Einrichtung vergrößert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil auch anwenden, wenn das in der Niederdruckexpansionsturbine entspannte Gas Stickstoff ist.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Fällen aus, in denen ein Teil des komprimierten Kreislaufstickstoffes in an sich bekannter Weise vor Beendigung der Abkühlung in einer Mitteldruckexpansionsturbine arbeitsleistend entspannt werden soll. Die Menge des in der Mitteldruckturbine arbeitsleistend entspannten Stickstoffs kann vergrößert werden, da infolge der erfindungsgemäßen Verfahrensführung die Anwärmung des aus der Druckstufe kommenden kalten Kreislaufstickstoffes zu einem Teil von der in der Niederdruckturbine entspannten Luft übernommen wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß mehr Kreislaufstickstoff in der Mitteldruckturbine und weniger in einem Drosselventil entspannt werden muß. Da die Turbinenentspannung mit einem geringeren Entropiezunahme verbunden ist als die Drosselventilentspannung, wird so der Energieverbrauch der Anlage gesenkt.

Geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung mit einem Stickstoffverflüssigungskreislauf, der einen Kompressor, einen Nachverdichter, gegebenenfalls mindestens eine Kältemaschine, mindestens zwei Wärmetauscher aufweist, und mit mindestens einer Niederdruckexpansions-

turbine, bei der die Ntederdruckexpansionsturbine über einen zum Stickstoffverflüssigungskreislauf gehörenden Wärmetauscher mit der Niederdruck.nufe der Rektiziersäule in Verbindung steht

Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es günstig, den Verflüssigungskreislauf abzuschalten. In diesem Fall ist zur Durchführung des erfhdungsgemäßen Verfahrens eine Vorrichtung von Vorteil, bei der zwischen der Niederdruckexpansionsturbine und der Niederdruckstufe der Rektifiziersäule und parallel zu dem von der entspannten Luft durchströmten Wärmetauscher eine mit einem Ventil verschließbare Umwegleitung vorgesehen ist. Durch Benützung dieser Umwegleitung werden die im Wärmetauscher auftretenden Druckverluste vermieden.

In den Fig. 1 bis 4 ist die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele und eines Dia^rammes näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schema der Anlage zur Zerlegung von Luft, bei der Luft als Ausgleichsstrom verwendet wird, F i g. 2 ein schematisches Verfahrensdiagramm,

Fig.3 ein Schema wie in Fig. 1, mit dem Unterschied, daß Stickstoff als Ausgleichsstrom verwendet wird,

Fig.4 ein Schema wie in Fig. 1, mit einer leicht modifizierten Verfahrensführung.

Gleiche Teile sind in den Fig. 1,3 und 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Hauptwärmetauscher trägt das Bezugszeichen 2. Mit den Bezugszeichen 10 und 15 bis 18 sind weitere Wärmetauscher bezeichnet. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine Drucksäule, das Bezugszeichen 5 eine Niederdrucksäule. Eine Niederdruck-Expansionsturbine ist mit dem Bezugszeichen 26, eine Mitteldruck-Expansionsturbine mit dem Bezugszeichen 23 versehen.

Komprimierte und gereinigte Luft tritt bei 1 in den Hauptwärmetauscher 2 ein und wird nach Abkühlung bei 3 in die Drucksäule 4 eingeblasen. Stickstoff wird über Leitung 6, Sauerstoff über Leitung 7, jeweils flüssig, entnommen. Gasförmiger Sauerstoff wird über Leitung 28 der Niederdrucksäule 5 entnommen und über den Hauptwärmetauscher 2 abgezogen. Durch die Leitung 8 wird die sauerstoffreiche, durch die Leitung 9 die stickstoffreiche Fraktion der Drucksäule 4 entnommen, über den Wärmetauscher 10 geführt und zur weiteren Rektifikation in die Niederdrucksäule 5 aufgegeben. Über Leitung 11 wird Restgas abgezogen und über den Hauptwärmetauscher 2 aus der Anlage geführt. Gasförmiger Reinstickstoff wird über Leitung 12 der Drucksäule 4 entnommen und im Hauptwärmetauscher 2 bis auf Umgebungstemperatur angewärmt. Ein Teil davon wird als Endprodukt deir Anlage entnommen, ein anderer Teil wird einem Kompressor 13 des Verflüssigungskreislaufes zugeführt und nach Weiterverdichtung im Nachverdichter 14 in den Wärmetauschern 15 bis 18 und in einer Freonkälteanlage 19 abgekühlt und schließlich bei 20 wieder in die Drucksäule etngedrosseit. Ein Teil des bei 12 entnommenen Stickstoffes wird vor Eintritt in den Hauptwärmetauscher 2 bei 21 abgezweigt und in den Wärmetauschern 15 bis 18 dem komprimierten Stickstoff entgegen zu dem Ansaugstutzen des Kompressors 13 geführt Bei Punkt 22 wird ein Teil des komprimierten Kreislaufstickstoffes abgezweigt, in einer Mittddruckexpansionsturbine 23 entspannt und zusammen mit dem bei 21 abgezweigten Teilstrom in den Wärmetauscher 18 eingeführt.

Zur Aufrechterhaltung der gewünschten kleinen Temperaturdifferenz am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 2 wird bei 24 Luft der Drucksäule 4 zwischen deren zweitem und drittem Boden entnommen, im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt, vor Beendigung des Wärmetauschprozesses bei 25 entnommen und in der Niederdruckturbine 26 entspannt. Erfindungsgemäß wird dieser entspannte Luftstrom im Wärmetauscher 18 weiter abgekühlt bevor er bei 27 in die Niederdrucksäule 5 eingeblasen wird.

In Fi g. 2 ist der Wärmeinhall: der in den Wärmetauschern 15 bis 18 anzuwärmenden und abzukühlenden Ströme in Meal als Funktion der absoluten Temperatur dargestellt.

Kurve 100 zeigt den Wärmeinhalt des anzuwärmenden und Kurve 101 den der abzukühlenden Ströme bis zum Verzweigungspunkt 22 der Fig. 1. Durch die Abzweigung eines Teilstromes verläuft die Kurve 103 ab Punkt 102 flacher als Kurve 101. Dank der erfindungsgemäßen Maßnahme verläuft Kurve 103a nahezu parallel zu Kurve 100, wodurch gleichmäßige kleine Temperaturdifferenzen erzielt werden. Die gestrichelte Kurve 104 zeigt den Verlauf des Wärmeinhaltes ohne die erfindungsgemäße Abkühlung. Um die Überschneidung der beiden Kurven bei Punkt 105 zu vermeiden, müßte eine wesentlich kleinere Gasmenge in die Mitteldruckexpansionsturbine 23 geführt werden, um der Abkühlungskurve von Punkt 102 an einen steileren Verlauf zu geben. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall sich größere Temperaturdifferenzen einstellen würden.

In F i g. 3 ist eine Luftzerlegungsanlage schematisch dargestellt, bei der als Ausgleichstrom Stickstoff verwendet wird. Von dem über Leitung 12 der Drucksäule gasförmig entnommenen Stickstoff wird ein Teil bei Punkt 29 abgezweigt und über Leitung 25 in die Niederdruckexpansionsturbine geführt. Das entspannte und im Wärmetauscher 18 nachgekühlte Stickstoffgas, wird über Revex 2 aus der Anlage geführt.

Das Verfahrensschema der Fig.4 unterscheidet sich von dem der F i g. 1 durch folgende Punkte:

Die erfindungsgemäße Nachkühlung der aus der Niederdruckexpansionsturbine kommenden Luft wird in einem vom Wärmetauscher 18 gesonderten Wärmetauscher 30 durchgeführt. Zu diesem Zweck wird ein Teil des Kreislaufstickstoffes bei Punkt 31 abgezweigt und nach seiner Anwärmung im Wärmetauscher 30 bei Punkt 32 dem Kreislauf wieder zugeführt.

Hierzu 4 Blatl Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Luftzerlegung durch zweistufige Tieftemperaturrektifikation mit einem Verflüssigungskreislauf, durch den vom Kopf der Druckstufe gasförmig entnommener Stickstoff mittels Anwärrnung, Komprimierung, Wiederabkühlung und Entspannung verflüssigt und in die Druckstufe zurückgegeben wird, und mit einer Niederdruckexpansionsturbine, mit der vorgewärmtes komprimiertes Gas entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Niederdruckexpansionsturbine (26) entspannte Gas durch Wärmetausch (18) mit mindestens einem Teil des anzuwärmenden Stick-Stoffs des Verflüssigungskreislaufes abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Niederdruckexpansionsturbine (26) entspannte Gas Luft ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das in der Niederdruckexpansionsturbine (26) entspannte Gas Stickstoff ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Wärmetausch mit dem in der Niederdruckexpansionsturbine (26) entspannte Gas anzuwärmende Stickstoff zum Teil direkt aus der Druckstufe (4) stammt, zum anderen Teil aus dem Verflüssigungskreislauf entnommen und mit einer Mitteldruckexpansionsturbine (23) auf den Druck der Druckstufe (4) entspannt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Stickstoffverflüssigungskreislauf, der einen Kompressor, einen Nach ν erdichter, gegebenenfalls mindestens eine Kältemaschine, mindestens einen Wärmetauscher aufweist und mit mindestens einer Niederdruckexpansionsturbine; dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckexpansionsturbine (26) über einen der zum Stickstoffverflüssigungskreislauf gehörenden Wärmetauscher (18) mit der Niederdruckstufe (5) der Rektifiziersäule in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Niederdruckexpansionsturbine (26) und der Niederdruckstufe (5) der Rektifiziersäule und parallel zu dem von der entspannten Luft durchströmten Wärmetauscher (18) eine mit einem Ventil verschließbare Umwegleitung vorgesehen ist.