DE3123748A1 - Lufttrennungsanlage - Google Patents

Lufttrennungsanlage

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DE3123748A1
DE3123748A1 DE19813123748 DE3123748A DE3123748A1 DE 3123748 A1 DE3123748 A1 DE 3123748A1 DE 19813123748 DE19813123748 DE 19813123748 DE 3123748 A DE3123748 A DE 3123748A DE 3123748 A1 DE3123748 A1 DE 3123748A1
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adsorbers
cooling
gas
valves
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DE19813123748
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English (en)
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Yuju Nishinomiya Hyogo Horii
Yasushi Kobe Tomisaka
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Description

NACHQEREIOHTJ : : _ -- -
• Beschreibung
'A '
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lufttrennungsänlage und im einzelnen auf eine solche/ die nach dem Kühlen komprimierter Zufuhrluft durch Umkehr-Wärmeaustauscher Sauerstoff und Stickstoff durch einen Doppelsäulen-Fraktionierturm rektifiziert und trennt und die mit Adsorbern zum Entfernen von Feuchtigkeit und Kohlenwasserstoffen, wie Kohlendioxid und Acetylen/ und anderen Verunreinigungen von der Zufuhrluft durch Adsorption versehen ist.
Es ist beispielsweise eine Lufttrennungsanlage gemäß der Darstellt '-'
"-- lung in Figur 1 bekannt, bei der die Zufuhrluft, die von einem Kompressor 2 auf einen vorbestimmten Druck verdichtet wird, in einem Luftkühlturm 3 vorgekühlt und dann zu einem von Adsorptionszylindern 10a und 10b (beispielsweise zu dem Adsorptionszylinder 10a) geleitet wird, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen, wie Kohlendioxid, zu entfernen. Die gereinigte Luft wird durch Umkehr-Wärmeaustauscher 15 weitgehend auf ihren Taupunkt abgekühlt und zu einer unteren Säule 16a eines Doppelsäulen-Fraktionierturms 16 zur Raffinierung und Abtrennung von Sauerstoff und Stickstoff geleitet, während überschüssiger Stickstoff von einem mittleren Abschnitt der oberen Säule 16b abgezogen wird. Das überschüssige Stickstoffgas wird nach einem Erwärmen auf Raumtempera-( \ tür durch den. Wärmeaustauscher 15 teilweise an die Umgebung abgegeben und ferner erhitzt sowie teilweise zu dem anderen Adsorptionszylinder (beispielsweise dem Adsorptionszylinder lob) geleitet, uni als ein regeneratives Reinigungsgas zu dienen. Das Lufttrennungssystem mit einem solchen Aufbau wird jedoch als Ganzes in einer Hochdruckstufe gehalten, und zwar aufgrund des Widerstandes des Adsorptionszylinders, der das Abfall-Stickstoffgas für die Regenerierung benutzt. Dieses führt zu Problemen, da der Druck der Zufuhrluft auf einen Pegel angehoben werden muß, der wesentlich größer als bei einem sonstigen Lufttrennungssystem ohne Verunreinigungsadsorptionsmittel ist. Im einzelnen erfordert der Verunreinigungsadsorber der oben erwähnten Art ein Regeneriergas-Druckdifferential von etwa 0,3 kp/cm2 über dem Adsorptions zylinder, was einer Vergrößerung von etwa 0,7-0,8 kp/cm2
NACHGEREICHT j
bezüglich des Drucks der Zufuhrluft entspricht/, die allgemein einen Druck von, etwa 5,0 kp/cm2 .in einem Lufttrennungssystem ohne Verunreinigungsadsorptionsmittel hat. Die komprimierte Zufuhrluft muß mit einem Druck von 6,0 - 6,4 kp/cm2 zugeführt werden, und dieses entspricht einer Steigerung der Leistung für die Verdichtung der Zufuhrluft um etwa 8-10 %. Ein solcher Druckanstieg kann durch Vorsehen eines Gebläses für das Regeneriergas vermieden werden. Tatsächlich ist jedoch das Gebläse-Regeneriersystem nicht allgemein annehmbar, und zwar teilweise wegen des komplizierten Systemaufbaues und teilweise wegen der Unzuverlässigkeit des Gebiases, obwohl die zum Betreiben des Gebläses erforderliche Leistung klein genug ist.
Bei einem Lufttrennungssystern mit Verunreinigungsadsorptionszylindern der erwähnten Art ist es allgemein üblich, die Zufuhrluft auf etwa 5°C bzw. 278,15°K vorzukühlen, um die Benutzung einer großen Adsorptionseinheit zu vermeiden und Vergrößerungen bezüglich der Regeneriertemperatur und der Betriebskosten zu unterbinden. Nichtsdestoweniger wird die Zufuhrluft gewöhnlich durch einen Kühler (Ammoniak oder Freon) vorgekühlt, der eine Leistung von etwa 400 kW in einer Anlage der Größenordnung von 20000 Nm3/H(O2) benötigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Probleme zu lösen, die sich durch das Vorsehen von Verunreinigungsadsorption s'zyl indem in einem Lufttrennungs sys tem ergeben, wie es zuvor erläutert wurde. Im einzelnen soll eine solche Lufttrennungsanlage geschaffen werden, die verminderte Wartungs- bzw. Aufrechterhaltungskosten für die Verunreinigungsadsorptionszylinder wie auch verminderte Betriebskosten für das Gesamtsystem bereitet.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Anlage der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale aus. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
ι '
Die obigen sowie weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Er-
"haphoereioht]
indung e.rgeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines dargestellten Augführungsbeispiels. Es zeigen:
FiQW 1 - §in Flußdiagranun einer herkömmlichen Lufttrennungs-
gnlage und
figur 2 - ein Flußdiagramm einer Lufttrennungsanlage nach der
Vorliegenden Erfindung.
In Figur 2 ist ein Beispiel fjar eine erfindungsgemäße Lufttrennbzw, =r.ektifikatipns.anlage zum Erzeugen von Sauerstoff und Stickstoff dargestellt. Die allgemein mit 100 bezeichnete Lufttrenn- ; _ anlage ist mit yerunreinigungsadsorptionsmitteln versehen, die
yier AdgprptipnsZylindern 23 bis 26 in Speiseluft- bzw. Zu- -Leitungen 21 und 22 bestehen, welche von einem Luftkühl-
(die gufuhrluft durch einen Wasserwaschvorgang kühlt, UiBH§h¥"W&imeaustayßchern (reversing heat exchangers) 15 führen.
^dsprber bzw. Adsorptionszylinder 23 bis 26
UÜ paralleigesghaltet durch Ein-Aus-Ventile 27 bis 38, durch !'©igeventile (fpllpwer valves) 27' bis 38', die in Abhängigkeit WQU Öen Ein^Aus^Vgntilen 27 bis 38 geöffnet und geschlossen werdurph yerzw§i)gungsleitungen 39 bis 44. Es besteht eine
mit der Rphluft-Zuf uhr leitung 21 über eine mit ä§n §inlaßseitigen Ein-Aus=-yentilen 28, 31, 34 und 37 verbunä§ne yergweigungsleitpng &1 und mit einer Leitung 45, die sich §J§e|: eine mit £en Ein^Aus-Ventilen 27, 30, 33 und 36 verbundene ¥@iigW§igungsleitung 39 gu? Atmosphäre bzw. nach außen öffnet.
© §n die gii>rrA}as=-y§ntile 29, 32, 35 und 38 angeschlossene Ver-
4P ißt Ober eine Regeneriergasleitung 46 mit @i-f}ejr yerg^eigungsleitüjig AA y@rbunden. Diese ist an die Folgeven-27', IQ', 33' ynd 36' angeschlossen, die ihrerseits mit Zu-
b j^is 26b der entsprechenden Absorber verbun- i§t, Eine an die Fplgeventilß 28', 31', 34' und 37' angeschlos-
yerzv/gigyngpleityng 43 ist niit einer Zufuhrluft-Leitung 22 unden, die ihrerseits an die Wärmeaustauscher 15 angeschlossen ging mit ^en Fpigeyentilen 29', 32', 35· und 38' verbundene ^ A2 ist an @ine Auslaßgas-Leitung 47 einer Ex-
fen, die mit den Wärmeaustauschern 15 ist*
NAOHQEREICHT
Der Luftkühlturm 3 ist in einen unteren Abschnitt 3a und einen oberen Abschnitt 3b unterteilt. Das in dem unteren Abschnitt 3a zu benutzende Kühlwasser wird von außen durch eine Pumpe 4 über eine Leitung 48 zugeführt und über eine Leitung 49 abgelassen. Das Kühlwasser für den oberen Abschnitt 3b wird über eine Leitung 54 zu einem Wasserkühlturm 50 geleitet und in diesem durch direkten Gegenstromkontakt mit Abfallstickstoffgas gekühlt/ das von dem Umkehr-Wärmeaustauscher 15 über eine Leitung 51 abgelassen wird. Das gekühlte Wasser wird durch einen Zirkulationskreis mit den Leitungen 52 sowie 53 und einer Pumpe 7 zu dem oberen Abschnitt des Luftkühlturms 3 zurückgeleitet.
•w Bei dem Fraktioniervorgang des obigen Systems wird die durch den Luftfilter 1 gesaugte Zufuhrluft durch den Luft-Kompressor 2 auf einen vorbestimmten Druck (etwa 5 kp/cm2) verdichtet und hauptsächlich in der unteren Säule bzw.dem unteren Abschnitt 3a des Luftkühlturms gekühlt, und zwar vor dem sekundären Kühlen auf 3-4°C bzw. 276,15-277,15°K in der oberen Säule bzw. dem oberen Abschnitt 3b. Die gekühlte Zufuhrluft wird durch Ein-Aus-Ventile 28 und 31 zu Adsorptionszylindern 23 und 24 geleitet, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen, wie Kohlendioxid, zu entfernen. Die gereinigte Zufuhrluft wird über Folgeventile 28' und 31' zu der Zufuhrluft-Leiturig 22 geführt und in dem Umkehr-Wärmeaustauscher 15 etwa auf ihren Taupunkt abgekühlt, bevor sie der unteren Säule 16a für den Doppelsäulen-Fraktionierturm zugeleitet wird. Die in der unteren Säule 16a aufsteigende Zufuhrluft wird durch Kontakt mit der Rückflußflüssigkeit fraktioniert und in eine obere Fraktion von hochreinem Stickstoff sowie eine untere Fraktion von verflüssigter, sauerstoffreicher Luft getrennt. Die verflüssigte Luft am Boden der unteren Säule wird durch eine Leitung 56 abge-• zogen. Sie wird nach einem Wärmeaustausch mit dem durch eine Leitung 67 fließenden Abfallstickstoffgas in einem Kühler 75 durch ein Expansionsventil 57 zu einem mittleren Abschnitt der oberen Säule 16b des Fraktionierturms geleitet, wo sie in eine obere Fraktion von Stickstoffgas und eine untere Fraktion von verflüssigtem Sauerstoff rektifiziert wird. Der Stickstoff am oberen
Ende der unteren Säule des Fraktionierturms wird über eine Lei-
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I NAQHegRfflOHT{
tung 58 zu einem Verdampfer 59 für einen Wärmeaustausch mit dem verflüssigten Sauerstoff am Boden der oberen Säule 16b geleitet/ wobei das Stickstoffgas kondensiert und verflüssigt/ während der verflüssigte Sauerstoff verdampft und vergast. Der verflüssigte Sauerstoff wird als Rückflußflüssigkeit über eine Leitung 60 zu dem oberen Ende der unteren Säule 16a geleitet. Ein Teil der Flüssigkeit gelangt zu dem oberen Ende der oberen Säule über eine Leitung 61 und ein Expansionsventil 62 nach einem Wärmeaustausch in einem Flüssigstickstoff-Kühler 80 im Gegenstrom zu dem Produkt Stickstoffgas von dem oberen Ende der oberen Säule. Die Stickstoff- und Sauerstoffgase an der Oberseite und der Unterseite der oberen Säule 16b des Fraktionierturms werden entsprechend über Leitungen 63 sowie 64 abgelassen und nach einem Wärmeaustausch mit der Zufuhrluft in den Wärmeaustauschern 15 für eine Abgabe als Produkte, durch Kompressoren 65 und 66 verdichtet. Das unreine Stickstoffgas (Abfall-Stickstoffgas) in dem mittleren Abschnitt der oberen Säule 16b wird über eine Leitung 67 abgezogen und nach einem Wärmeaustausch mit der von einer Leitung 73 zu einem Verflüssiger 74 geführten Zufuhrluft in den Wärmeaustauschern 15 etwa auf Raumtemperatur erwärmt/ um über die Leitung 51 zu dem Wasserkühlturm 50 geleitet zu werden. Das Abfall-Stickstoffgas, das ein einwandfrei getrocknetes Gas mit einer Temperatur von 1-3°C bzw. 274/15-276/15°K ist/ wird benutzt, um das Kühlwasser durch direkten Kontakt hiermit in dem Wasserkühlturm 50 auf 3-40C bzw. 276,15-277,15°K zu kühlen, und es wird dann von dem oberen Ende des Wasserkühlturms in die Umgebung abgelassen.
Andererseits wird ein Teil der Zufuhrluft, der von dem mittleren Abschnitt der unteren Säule 16a des Fraktionierturms durch eine Leitung 68 als ein Zirkulationsgas des Zirkulationssystems abgesogen wird, zu. Niedertemperatur-Abschnitten der Wärmeaustauscher 15 geführt/ um die rohe Zufuhrluft zu kühlen und dann durch eine Leitung 69 sowie ein Filter 70 zu einer Expansionsturbine 71 zu gelangen, wo die Luft einer wärmeisolierten Expansion reversibel unterworfen wird, um eine für das System erforderliche Abkühlung (chili) zu erzeugen, und es erfolgt dann eine Aufteilung in zwei Hälften. Eine Hälfte der kalten Luft wird über eine Leitung 72 zu
dem mittleren Abschnitt der oberen Säule 16b des Fraktionierturms geleitet, währe'nd die durch die Leitung 90 gelangende andere Hälfte in den Umkehr-Wärmeaustauschern 15 im wesentlichen auf Raumtemperatur erwärmt, und über die Leitung 47 sowie das Folgeventil 35' zu dem Absorber zum Kühlen desselben und daiin durch das Ein-Aus-Ventil 35 zu einem Heizer 89 geleitet wird. Die erhitzte Luft wird durch das Folgeventil 36' in den Adsorptionszylinder 26 zum Heizen und Reinigen desselben eingelassen und dann zusammen mit den mitgenommenen Verunreinigungen durch das Ein-Aus-Ventil 36 und die Leitung 45 an die Umgebung abgelassen. Der von dem Boden der oberen Säule 16b des Fraktionierturms mittels ' einer Pumpe 77 über eine Leitung 76 abgezogene verflüssigte Sau- ·— erstoff wird nach dem Entfernen von Kohlenwasserstoffen in einem Absorber 78 zu dem Bodenabschnitt der oberen Säule 16b zurückgeführt .
Die Adsorber 23 bis 26 werden abwechselnd geschaltet/ um drei zyklische Phasen einer Adsorption von Verunreinigungen in der Zufuhrluft herzustellen, wobei die Verunreinigungen von dem entsprechenden Zylinder mit einem Heizen und einem Abkühlen (Vorkühlen) auf die Adsorptionstemperatur gereinigt bzw. entfernt werden, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Lufttrennsystems möglich ist. In einem Fall, wo das Ausgabegas der Expansionsturbine als ein Regeneriergas für die Adsorber benutzt wird, wie es zuvor erörtert wurde, ist es notwendig, den Ausgabegas-Druck der Turbine zu vergrößern, um einen differentiellen Gasdruck für die Regenerierung der Adsorber zu garantieren, was zu einer Verminderung der Kälteproduktion (chill production) führt. Die Abnahme der Kälteproduktion infolge des vergrößerten Turbinenausgangsdrucks kann durch Vergrößern der Strömungsrate der Turbine kompensiert werden. Wenn beispielsweise der zum Regenerieren der Adsorber erforderliche differenzielle1 Gasdruck 0,4 kp/cm2 beträgt, muß der Gasdruck des Turbinenausgangs auf 0,65 kp/cm2G (von dem herkömmlichen Pegel von 0,25 kp/cm2G) erhöht werden. Entsprechend Berechnungen kann jedoch die Verminderung der Kälteproduktion durch Vergrößert der Turbinen-Strömungsrate um etwa 15 % kompensiert werden. In diesem Zusammenhang wird die Turbinen-Strömungs-
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rate bzw. Durchsatzmenge, die etwa 10 bis 11 % der Zufuhrluft in einer Anlage der Größenordnung von etwa 20000 Nm3/H(O2) beträgt, durch die Zunahme um 11,5 bis 13 % der Zufuhrluft verstärkt, mit einer Zunahme von etwa 0,5 - 3 % in der Menge der Zufuhrluft. Deshalb können die Adsorber durch geringes Vergrößern (by barely increasing) des Drucks der Zufuhrluft regeneriert werden, wodurch die Leistungskosten· der Kompressoren der Zufuhrluft im Vergleich zu herkömmlichen Gegenständen bzw. Einrichtungen reduziert werden können.
t v Das zum Vorkühlen eines Adsorbers benutzte Turbinenauslaßgas, das gerade das Reinigen, von adsorbierten Verunreinigungen mit einem Erwärmen durchlaufen hat, wird zum Erwärmen eines anderen Adsorbers erwärmt, so daß die kalorische bzw. Wärmeleistung, die zum Erwärmen des Gases auf einen erforderlichen Temperatürpegel benötigt wird, um etwa 40' % .reduziert werden kann. Während das Regeneriergas für das Regenerieren eines Adsorbers allgemein in einer Menge von etwa 20 % der Zufuhrluft benutzt wird, ist es möglich, das Heiz- und. Vorkühlungsgas bei der vorliegenden Erfindung um etwa 50 % .zu reduzieren.. Hierbei werden zumindest drei Adsorber angewendet, die in aufeinanderfolgenden Zyklen be-.trieben werden, die jeweils aus dem Entfernen der Verunreinigungen in dem Zufuhrgas durch Adsorption, aus dem Reinigen bzw. Ent-
$ l^· fernen von Verunreinigungen aus dem Adsorber mit einem Erwärmen bzw. Erhitzen und aus einem Abkühlen auf die Adsorptionstemperatur bestehen.
Da der Abfall-Stickstoff, der. von dem Lufttrennsystem der Erfindung abgelassen wird, direkt mit dem zum Kühlen der Zufuhrluft su benutzenden Kühlwasser in Kontakt gebracht wird, kann das System von einem Zufuhrluft-Kühler absehen, der soweit in einem Fall notwendig gewesen ist, bei dem der Produkt-Stickstoff und Sauerstoff in äquivalenten Mengen gesammelt werden, so daß diesbezügliche Leistungskosten vermieden werden. Selbst in einem Fall, wo der Produkt-Stickstoff in einer größeren Menge gesammelt wi:
zieren.
melt wird, ist^es möglich, die Kapazität des Kühlers zuredu-

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    ( 1. Lufttrennungsanlage, gekennzeichnet durch zumindest drei Verurireinigungsadsorber (23-26), die miteinander durch eine Anzahl von Ein-AusrVentilen (27-38) sowie eine Anzahl von Folge-
    '- ventilen (27'-38') verbunden und in Zufuhrluft-Leitungen angeordnet sind, die von einem Luftkühlturm (3) zum Wasserkühlen der Zufuhrluft zu Umkehr-Wärmeaustauschern (15) der Anlage führen, um hierdurch Verunreinigungen von der Zufuhrluft zu entfernen, durch eine Expansionsturbine (71) zum Erzeugen der für die Anlage erforderlichen Kälte (chill), durch Turbinenauslaß-Gasleitungen (90, 47) zum Führen eines Teils des Ausgabegases der Expansionsturbine zu einem der Verunreinigungsadsorber (23-26) durch die Wärmeaustauscher (15), durch Regeneriergas-Leitungen (46) zum Führen des Turbinenausgabegas-Aüsflusses von den Adsorbern (23-ϊ26) nach dem Erhitzen bzvz. Erwärmen erneut zu den Adsorbern (23-26) und durch einen Kühl-
    f''s, wasserkreis zum Zirkulieren von Kühlwasser zwischen einem Wasserkühlturm (50). zum Kühlen des Kühlwassers mit Abfall-Stickstoff gas, das von dem System durch die Wärmeaustauscher (15) abgelassen wird, und dem Luftkühlturm (3), wobei die Zufuhrluft von dem Luftkühlturm (3) im Betrieb durch zumindest einen der Adsorber (23-26) zu den Wärmeaustauschern (15) geleitet wird, während ein Teil des Turbinenausgabegases durch die übrigen Adsorber abgelassen wird, die durch die Ein-Aus-Ventile (27-38), Folgeventile (27'-38') und Regeneriergas-Leitungen (46) in Reihe geschaltet sind.
    2ο Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Zufuhrluft-Ein- und -Auslässe der Adsorber (23-26)
    über drei Ein-Aus.-Ventile und drei Folgeventile mit drei Ver-
    NAGMGEREICHT
    31237x48
    zweigungsleitungen verbunden sind/ die an der Lufteinlaßseite an eine Zufuhrluft-Leitung von dem Luftkühlturm (3) , eine Verzweigungsleitung an der Luftauslaßseite und eine sich zur Atmosphäre bzw. nach außen öffnende Gasablaßleitung angeschlossen sind/ während die verbleibenden Verzweigungsleitungen an der Luftauslaßseite der Adsorber mit einer Zufuhrluft-Leitung zu den Wärmeaustauschern und der Turbinenausgabegas-Leitung . verbunden sind.
    3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die .Verunreinigungsadsorber (23-26) aus drei Füllkörper-Adsorptionszylindern (packed adsorption cylinders) bestehen..
    4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungsadsorber (23-26) aus vier Füllkörper-Adsorptionszylindern (packed adsorption cylinders) bestehen und daß Zufuhrluft von dem Luftkühlturm (3) zu den Wärmeaustauschern .(15) durch ein .erstes Paar der Adsorptionszylinder geleitet wird, die durch die Ein-Aus-Ventile und die Folgeventile parallelgeschaltet sind, während ein Teil des Turbinenausgabegases durch verbleibende Adsorptionszylinder abgelassen wird, die mit dem ersten Paar in Reihe geschaltet sind.
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