DE3706733A1

DE3706733A1 - Gastrennungsverfahren mit einzeldestillationskolonne

Info

Publication number: DE3706733A1
Application number: DE19873706733
Authority: DE
Inventors: Thirthahalli Ashok Shenoy; Keith Bateman Wilson
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1986-03-10
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1987-09-24
Also published as: DE3706733C2; US4707994A; JPS62218782A; JPH0123710B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Gasmischungen in im wesentlichen reine komprimierte gasförmige Produktbestandteile

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Trennung von Gasmischungen in ihre hauptsächlichen Bestandteile bekannt und wurden verwendet. Zusätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Einzeldruckdestillationskolonne für solche Trennungen zu verwenden.

In US-PS 32 14 926 ist ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff oder flüssigem Stickstoff beschrieben. In diesem Patent ist es jedoch notwendig, zwei Destillationskolonnen zu besitzen, eine mit hohem Druck und die andere mit niedrigem Druck, um flüssigen Sauerstoff zu extrahieren.

In US-PS 32 17 502 ist ein System beschrieben, das eine Einzeldruckdestillationskolonne verwendet. Das Produkt dieses Lufttrennungssystems ist flüssiger Stickstoff, und der Sauerstoff, der in der Luftzufuhr enthalten war, wird abgelassen. In diesem Patent ist es der Sauerstoffstrom, der expandiert wird, um Kälteerzeugung für das Lufttrennungssystem zu liefern.

Eine Lufttrennungsanlage zur Herstellung von Sauerstoff ist in US-PS 33 94 555 beschrieben, worin die Verbrennung einer getrennten Brennstoffquelle wie pulverförmige Kohle mit Sauerstoff oder einer Luft-Sauerstoff-Mischung erfolgt, in der Sauerstoff von der Lufttrennungsanlage abgeleitet wird. Dieses Verbrennungsverfahren liefert Energie zur Kompression von Heliumgas zur Kälteerzeugung, die für das Tieftemperaturtrennungssystem erforderlich ist. Die Energie aus einer solchen Verbrennung wird von einem Hydromagnetgenerator abgeleitet.

US-PS 37 31 495 beschreibt ein Lufttrennungssystem, das einen Luftzufuhrkompressor verwendet, der direkt durch eine Turbine von den Verbrennungsgasen betrieben wird. Der Turbinenauslaß erwärmt den Dampf des Dampferzeugers, um den Kompressorantrieb zu ergänzen. Eine elektrische Energieerzeugung wird ebenfalls in Betracht gezogen. Darüber hinaus verwendet diese Entgegenhaltung zwei getrennte Kolonnen bei getrenntem Druck, um die einzelnen gasförmigen Komponenten der Luft, die getrennt werden, zurückzugewinnen.

US-PS 41 52 130 beschreibt eine Lufttrennungsanlage, die Mehrfachzufuhren zu einer zweistufigen Destillationskolonne mit zwei Drücken aufweist. Beide Zufuhren zur Destillationskolonne werden durch eine Expansionsvorrichtung expandiert. Das System kann je nach Forderung flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Stickstoff erzeugen. US-PS 42 24 045 ist auf ein Verfahren gerichtet, in dem Sauerstoff durch Destillation verflüssigter Luft in einer Anlage mit zwei Kolonnen erzeugt wird. Eine Gasturbine, die durch einen Teil des Stickstoffstromes aus der Destillation betrieben wird, liefert die Energie, um die Luftzufuhr zu komprimieren.

US-PS 43 82 366 beschreibt eine Lufttrennungsanlage, die eine Einzeldruckdestillationskolonne verwendet und einen aufgebrachten Sauerstoffstrom verbrennt, um Energie für den Luftkompressor zu liefern, das Sauerstoffprodukt muß jedoch erneut unter Druck gesetzt werden. Die Destillationskolonne dieses Patentes hat eine getrennte Zufuhr und verwendet einen Teil der Zufuhr, um Wiederaufkochung und Rückfluß zu regeln. Die Regelung des Rückflusses erfolgt durch Einlasses dieses Stromes in die Oberseite der Kolonne eher als die Verwendung als Arbeitsfluid für den Kondensator.

Der oben erläuterte Stand der Technik beschreibt keine wirksame Weise, mit der Gasbestandteile aus Gasmischungen abgetrennt werden können, indem eine Einzeldruckdestillationskolonne verwendet wird, die die Gaszufuhr als Arbeitsfluid verwendet, um sowohl Rückfluß als auch Wiederaufkochung zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Abtrennung im wesentlichen reiner komprimierter gasförmiger Produktbestandteile aus einer Gasmischung in einer Einzeldruckdestillationskolonne gerichtet, welches die Stufen umfaßt: Komprimieren eines Gaszufuhrstromes, wenn dieser nicht bereits komprimiert ist, Entfernung von Verunreinigungen aus dem Gaszufuhrstrom, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, Abkühlen des Gaszufuhrstromes, Expandieren und weiteres Abkühlen des Gaszufuhrstromes in einer Turbine, um Arbeit zu erzeugen, Wärmeaustausch des Gaszufuhrstromes mit der flüssigen Phase des Kolonnenbodens, um den Gaszufuhrstrom zumindest teilweise zu kondensieren und zumindest einen Teil der Flüssigkeit wiederaufzukochen, weiteres Abkühlen des zumindest teilweise kondensierten Gaszufuhrstromes, Trennen des unterkühlten Stromes in zwei Teilströme, Expandieren des ersten Teilstromes und Einleiten in die Destillationskolonne als Rückfluß, Expandieren des zweiten Teilstromes auf einen geringeren Druck, Wärmeaustausch des expandierten zweiten Teilstromes gegen die Dampfphase aus dem oberen Teil der Kolonne, um die Dampfphase teilweise zu kondensieren und den zweiten Teil des Gaszufuhrstromes vollständig zu verdampfen, um dadurch den Kolonnenrückfluß zu schaffen, kaltes Komprimieren des zweiten Teilstromes auf einen Druck oberhalb des Betriebsdruckes der Kolonne, wahlweise das Heraustrennen eines kleinen Seitenstromes, um dadurch die Produktreinheit zu vergrößern, Einlassen des verbleibenden zweites Teilstromes in einen mittleren Punkt der Kolonne, Entfernen eines Gasproduktbestandteiles mit geringerem Siedepunkt aus dem oberen Teil der Kolonne unter Druck als Kopfproduktstrom und Entfernen eines Produktbestandteiles mit höherem Siedpunkt aus dem Kolonnenboden unter Druck.

Die vorliegende Erfindung ist für Abtrennung von Luft in komprimierte Sauerstoff- und Stickstoffprodukte besonders vorteilhaft. Wenn das Verfahren zur Lufttrennung verwendet wird, umfaßt es die oben aufgelisteten Schritte, zusätzlich kann das Stickstoffprodukt als sekundäres Kühlgas für die Verbrennungseinrichtung verwendet werden, dessen Auslaßgas, wenn es einer Gasturbine zugeführt wird, mechanische Energie liefern kann, die zur Kompression der Luftzufuhr und/oder Elektroenergieerzeugung zur Abgabe oder zum Betrieb des Verfahrens verwendet werden kann.

Die Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Fließschema der vorliegenden Erfindung, wobei das Fließschema eine Gastrennungsanlage zeigt, die den Gaszufuhrstrom als Arbeitsfluid für den Reboiler und den Kondensator verwendet;

Fig. 2 ein Fließschema einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Fließschema eine Lufttrennungsanlage für die Herstellung von Sauerstoff- und Stickstoffprodukten zeigt, die den Luftzufuhrstrom als Arbeitsfluid für den Reboiler und den Kondensator, einen kleinen Luftseitenstrom als Verbrennungsgas gleichzeitig mit dem Brennstoff und das Stickstoffprodukt als sekundäre Kühlluft zum Abschrecken der Verbrennungseinrichtung verwendet, dessen Auslaßgas, wenn es einer Gasturbine zugeführt wird, Kompressionsenergie für das Verfahren und wahlweise elektrische Energie für den Verfahrensbetrieb und zur Abgabe liefert;

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Verhältnisses der Gesamtluft zur Luft der Destillationskolonne gegenüber der Reinheit des Sauerstoffproduktes;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Reinheit des Sauerstoffproduktes gegenüber der Rückgewinnung des Sauerstoffes in der Zufuhr, die die vorliegende Erfindung und US-PS 43 82 366 vergleicht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Tieftemperaturgasabscheider mit einer Einzeldruckdestillationskolonne gezeigt. Diese Kolonne und die Seite des Arbeitsfluids des Reboilers müssen unter dem kritischen Druck der Gasmischungszufuhr betrieben werden, und das Verfahren muß bei Drücken oberhalb des atmosphärischen Druckes betrieben werden. Der Gasmischungsstrom 1 wird dem Kompressor 100 zugeführt. Dieser Schritt ist nicht notwendig, wenn das Gas bereits einen ausreichend hohen Druck hat. Die komprimierte Gaszufuhr, Strom 2, wird der Vorrichtung 300 zugeführt, um die Verunreinigungen zu entfernen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden. Diese Einheit kann von jeder Art sein, die Verunreinigungen entfernt, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, die bevorzugteste Vorrichtung ist eine Molekularsiebvorrichtung. Die Gaszufuhr wird als Strom 3 zur Kühlung im Wärmeaustauscher 200 gegen die wärmenden Produktströme zurückgeführt. In Abhängigkeit von der Natur des Gaszufuhrstromes kann es geeignet sein, die Gaszufuhr von ihrer jetzigen Temperatur auf eine Temperatur abzukühlen, bei der eine optimale Entfernung der Verunreinigungen stattfinden würde. Wenn dies so wäre, würde danach der Gaszufuhrstrom 2 zuerst zu einem Wärmeaustauscher 200 geführt, um ihn auf eine optimale Entfernungstemperatur abzukühlen, danach zur Vorrichtung 300 geleitet, um die Verunreinigungen zu entfernen und zum weiteren Abkühlen zurück zur Vorrichtung 200 geführt. Die abgekühlte Gaszufuhr, Strom 4, wird dann in der Turbine 101 expandiert, um einen Teil der für das Verfahren benötigten Kälteerzeugung zu liefern und weiter im Wärmeaustauscher 201 abgekühlt. Der Schritt der Expansion und weiteren Abkühlung kann in einer einzelnen Stufe oder in einer Mehrzahl von Stufen durchgeführt werden, die relativen Wärmekapazitäten der Gaszufuhr und der zurückkommenden Produktströme wird die Zahl der Stufen festlegen, die für diesen Schritt am besten sind.

Die Gaszufuhr vom Wärmeaustauscher 201, Strom 5, wird dem Reboiler 202 der Destillationskolonne 400 zugeführt, worin der Strom 5 die Heizleistung liefert, die notwendig ist, um die Flüssigkeit in der Kolonne aufzukochen, und er wird in diesem Verfahren zumindest teilweise selbst kondensiert. Das verflüssigte Gas, Strom 6, das den Reboiler verläßt, wird im Wärmeaustauscher 203 weiter abgekühlt. Dieser unterkühlte Strom, Strom 7, wird in zwei Teilströme getrennt. Der erste Teilstrom wird durch ein Drosselventil, Vorrichtung 501, expandiert und betritt die Destillationskolonne 400 vorrangig in der flüssigen Phase als Strom 14. Der zweite Teilstrom wird durch das Drosselventil 500 expandiert, um die Niedrigtemperatur-Abkühlleistung im Kondensator 204 für die Destillationskolonne 400 zu liefern. In diesem Verfahren wird zur Lieferung dieser Leistung der Strom 8 vollständig verdampft, und dieser Dampfstrom, Strom 9, wird verwendet, um einen Teil der Unterkühlungsleistung für den Strom 6 im Wärmeaustauscher 203 zu schaffen. Der wiedererwärmte bzw. nachgewärmte Dampf, der Strom 10, wird dann wieder in dem Kältekompressor 103 auf einen Druck oberhalb des Betriebsdruckes der Kolonne 400 komprimiert. Diese erneute Kompression ist notwendig, da der Druck des Stromes 8 (nach der Expansion) bei einem Druck liegt, der geringer als der der Kolonne ist.

Der Auslaßstrom des Kompressors 103, Strom 11, mit einem Druck, der etwas höher als der der Kolonne 400 ist, kann wahlweise in zwei Ströme getrennt werden. Wegen der Begrenzung der Leistungen des Reboilers und des Kondensators der Kolonne 400 kann ein geringer Anteil herausgetrennt werden, um dadurch die Produktreinheit zu erhöhen. Deshalb wird der Strom 20 herausgetrennt und wird auf Umgebungstemperatur erwärmt und geht als Strom 21 heraus, der als "Überschußgas" bezeichnet wird. Der größere Anteil des Stromes 11 oder der gesamte Anteil in den Fällen, in denen kein Seitenstrom entfernt wird, der Strom 12, wird im Wärmeaustauscher 205 gegen das Wiedererwärme- bzw. Nachwärmeprodukt (nachfolgend als Nachwärmeprodukt bezeichnet), die Ströme 40 bzw. 31, abgekühlt. Der abgekühlte Gaszufuhrstrom 13 wird der Destillationskolonne 400 zugeführt. Die Destillationskolonne, eine Einzeldruckkolonne, die eine Vielzahl von Böden enthält, arbeitet bei superatmosphärischen Drücken und bewirkt eine Destillationstrennung zwischen dem Produktbestandteil mit geringerem Siedepunkt, Strom 30, und dem Produktbestandteil mit höherem Siedepunkt, Strom 40. Der komprimierte Produktbestandteil mit höherem Siedepunkt, der vom Kolonnenboden freikommt, wird in den Wärmeaustauschervorrichtungen 205, 201 und 200 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und geht als Strom 42 heraus, der als "komprimiertes Produkt mit höherem Siedepunkt" bezeichnet wird. Das komprimierte Produkt mit geringerem Siedepunkt, Strom 30, von dem oberen Teil der Kolonnen 400 wird in den Wärmeaustauschervorrichtungen 203, 205, 201 und 200 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 33 aus, der als "komprimiertes Produkt mit geringerem Siedepunkt" bezeichnet wird.

Er kann mechanisch geeignet sein, um die mechanische Energie aus der Expansionsvorrichtung 101 zu liefern, die für den Kältekompressor 103 erforderlich ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Tieftemperatursauerstoffgenerator mit einer Einzeldruckdestillationskolonne gezeigt, die unter den kritischen Bedingungen der Luft arbeitet. Luft, Strom 110, wird dem Kompressor 104 zugeführt, der Auslaß dieses Kompressors, Strom 111, wird in einen Teil der Luft, die der Trennung zugeführt wird, Strom 113, und den Rest der Luft, Strom 112, getrennt, die wärmeausgetauscht wird und mit einem Brennstoff der Verbrennungsvorrichtung 610 zugeführt wird. Der Luftzufuhrstrom 113, der komprimiert wurde, wird im Wärmeaustauscher 210 teilweise abgekühlt, der Molekularsiebvorrichtung 310 zugeführt, um Wasser und Kohlendioxid zu entfernen und als Strom 115 zum weiteren Abkühlen im Wärmeaustauscher 210 gegen die wärmenden Produktströme zurückgeführt. Die abgekühlte Luftzufuhr, Strom 16, wird danach in der Turbine 105 expandiert, um einen Teil der Kälteerzeugung zu liefern, die für das Verfahren notwendig ist, im Wärmeaustauscher weiter abgekühlt und danach in der Turbine 106 expandiert (siehe Strom 118), um einen weiteren Anteil der für den Kreislauf erforderlichen Kälteerzeugung zu liefern.

Das Auslaßgas aus der Turbine 106, Strom 119, wird dem Reboiler 212 der Destillationskolonne 410 zugeführt, worin der Strom 119 die Heizleistung liefert, die notwendig ist, um die Flüssigkeit in der Kolonne wieder aufzukochen, und dieser wird in diesem Verfahren zumindest teilweise selbst kondensiert. Die verflüssigte Luft, Strom 120, die den Reboiler verläßt, wird im Wärmeaustauscher 213 weiter abgekühlt, und der unterkühlte flüssige Strom 121 wird in zwei Teilströme getrennt. Der erste Teilstrom wird durch Drosselventil 511 expandiert und betritt die Destillationskolonnen 410 vorwiegend in der flüssigen Phase, Strom 128. Der zweite Teilstrom wird danach durch das Drosselventil 510 expandiert, um die Niedrigtemperatur-Kühlleistung im Kondensator 214 für die Destillationskolonne 410 zu liefern.

In diesem Verfahren der Bereitstellung dieser Leistung wird der Strom 122 vollständig verdampft, und dieser Dampfstrom, der Strom 123, wird verwendet, um eine gewisse Unterkühlungsleistung für den Strom 120 im Wärmeaustauscher 213 zu liefern. Der wiedererwärmte Dampf, der Strom 124, wird dann im Kältekompressor 107 auf einen Druck oberhalb des Betriebsdruckes der Kolonne 410 erneut komprimiert. Diese erneute Kompression ist notwendig, da der Druck des Stromes 122 (nach der Expansion) ein Druck ist, der niedriger als der der Kolonne ist.

Der Abgasstrom des Kompressors 107, der Strom 125, bei einem Druck, der etwas höher als der der Kolonne 410 ist, kann in zwei Ströme getrennt werden. Wegen der Begrenzung der Leistungen des Reboilers und des Kondensators der Kolonne kann ein geringer Teil herausgetrennt werden, um dadurch die Reinheit des Produktes zu vergrößern. Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung des Verhältnisses des Gesamtluftdurchsatzes durch das Verfahren zum Luftdurchsatz durch die Destillationskolonne gegenüber der Reinheit des Sauerstoffproduktes. Aus dieser grafischen Darstellung ist ebenfalls ersichtlich, daß ein Überschuß des Luftdurchsatz durch das Verfahren erforderlich ist, um Sauerstoffreinheiten von größer als etwa 96,5 Vol.-% zu erzielen. Dies ist der Überschuß, der im Strom 130 entfernt wird. Deshalb wird der Strom 130 herausgetrennt und auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 131 aus. Der größere Anteil des Stromes 125 oder der gesamte Teil, wenn kein Seitenstrom entfernt wird, der Strom 126, wird im Wärmeaustauscher 215 gegen das Nachwärmeprodukt, die Ströme 150 bzw. 141 abgekühlt Der abgekühlte Luftzufuhrstrom 127 wird der Destillationskolonne 410 zugeführt.

Die Destillationskolonne, eine Einzeldruckkolonne, die z. B. etwa 50 Böden enthält, arbeitet bei superatmosphärischem Druck bis zu etwa 200 psia (13,79 bar) und bewirkt eine Destillationstrennung zwischen dem Sauerstoffprodukt, Strom 150, und dem Stickstoffprodukt, Strom 140. Das komprimierte Sauerstoffprodukt, das vom Kolonnenboden aufsteigt, wird in den Wärmeaustauschern 215, 211 und 210 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 152 aus, der als "komprimiertes Sauerstoffprodukt" bezeichnet wird.

Das komprimierte Stickstoffprodukt, der Strom 140, vom oberen Teil der Kolonne 410, wird in den Wärmeaustauschervorrichtungen 213, 215, 211 und 210 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 143 aus, der als "komprimiertes Stickstoffprodukt" bezeichnet wird. Dieses komprimierte Stickstoffprodukt, der Strom 143, der frei von Wasser und Kohlendioxid ist und bei einem Druck unter dem des Stromes 114 liegt, ist ein idealer Strom, um ihn insgesamt oder teilweise für die Regenerierung der Molekularsiebvorrichtung 310 zu verwenden. Ob der komprimierte Stickstoffstrom dazu verwendet wird, die Molekularsiebvorrichtung zu regenerieren oder nicht, wird er als sekundäres Kühlgas für die Verbrennungsvorrichtung 610 verwendet. Das Auslaßgas, der Strom 134, aus der Verbrennungsvorrichtung 610, wird verwendet, um die Gasturbine 108 zu betreiben, die die Energie liefert, um die Luftzufuhr, den Strom 110, zu komprimieren. Der rezirkulierte Luftstrom, der Strom 131, wird gleichzeitig mit dem abgetrennten komprimierten Luftstrom, Strom 112, dem Brennstoff, Strom 113, verbrannt, um die Kompressionsleistung zu erzeugen.

Um ausreichende Abkühlungsenergie zu liefern, damit der Zyklus wie gefordert durchgeführt werden kann, ist es notwendig, daß die Luftzufuhr, Strom 113, auf einen Druck komprimiert wird, daß die Expansion der Expansionsvorrichtungen 105 und 106 ausreichend hoch ist, um sowohl den Kompressor 107 zu betreiben und ausreichende Kälteerzeugung zu schaffen, um die verlorengehende Wärme zu kompensieren und die warme Endtemperatur im Wärmeaustauscher 210 zu erreichen. Folglich wird z. B. die Luftzufuhr (Strom 113) auf 400 psia (27,58 bar) komprimiert und nach dem Kühlen (siehe Strom 116) in der Expansionsvorrichtung 105 auf etwa 325 psia (22,41 bar) expandiert, um den oberen Temperaturwert der Kälteerzeugung zu schaffen und danach in der Expansionsvorrichtung 106 auf etwa 150 psia (10,34 bar) expandiert, um den unteren Temperaturwert der Kälteerzeugung zu schaffen. Zumindest ein Teil der Energie, die aus diesen Expansionsvorrichtungen gewonnen wird, kann verwendet werden, um den Kältekompressor 107 zu betreiben. Das Joule-Thompson-Expansionsventil 510 verringert den Druck des Luftzufuhrstromes 122 weiter, so daß das Wiederaufkochen des flüssigen Teiles des Stromes 122 ermöglicht wird, um die Kondensationsleistung im Austauscher 214 für die Kolonne 410 zu liefern.

Zur Verdeutlichung der Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wird das folgende Beispiel erklärt.

Beispiel

Unter Bezugnahme aus Fig. 1 wird der Gasmischungsstrom 1, wobei die Gasmischung in diesem Fall Luft ist, dem Kompressor 100 zugeführt und von Umgebungsbedingungen auf einen Druck von 417 psia (28,75 bar) und eine Temperatur von 32°C komprimiert. Die komprimierte Zufuhr, der Strom 2, wird der Vorrichtung 300 zugeführt, um Kohlendioxid und Wasserdampf zu entfernen und wird als Strom 3 zur Kühlung in der Vorrichtung 200 gegen die wärmenden Produktströme zurückgeführt. Die abgekühlte Zufuhr, Strom 4, wird danach in der Turbine 101 expandiert, um einen Teil der Arbeit zu liefern, die für das Verfahren erforderlich ist, und im Wärmeaustauscher 201 weiter abgekühlt. Der Schritt der Expansion und der weiteren Abkühlung kann in einer einzelnen Stufe oder in einer Vielzahl von Stufen durchgeführt werden, die relativen Wärmekapazitäten der Gaszufuhr und der zurückkehrenden Produktströme werden die Zahl der Stufen bestimmen, die für diesen Schritt am besten sind.

Die Zufuhr aus dem Wärmeaustauscher 201, der Strom 5, der einen Druck von 250 psia (17,24 bar) und eine Temperatur von -155°C hat, wird dem Reboiler 202 der Destillationskolonne 400 zugeführt, worin der Strom 5 die Heizleistung liefert, die ausreichend ist, um die Flüssigkeit in der Kolonne aufzukochen, und dieser wird in dem Verfahren zumindest teilweise selbst kondensiert. Das verflüssigte Gas, der Strom 6, der den Reboiler bei einem Druck von 250 psia (17,24 bar) und einer Temperatur von -158°C verläßt, wird im Wärmeaustauscher 203 weiter gekühlt. Dieser unterkühlte Strom, der Strom 7, wird in zwei Teilströmen getrennt. Der erste Teilstrom, der etwa 15 Gew.-% des Stromes 7 umfaßt, wird durch das Drosselventil, die Vorrichtung 501, expandiert und tritt über Strom 14 in die Destillationskolonne 400 ein. Die Bedingungen dieses Stromes 14 sind ein Druck von 107 psia (7,38 bar) und eine Temperatur von -172°C. Der zweite Teilstrom, der die verbleibenden 85 Gew.-% des Stromes 7 darstellt, wird durch das Drosselventil 500 expandiert, um die Niedrigtemperatur-Abkühlleistung im Kondensator 204 für die Destillationskolonne 400 zu liefern. Die Bedingungen des Stromes 8 sind ein Druck von 71 psia (4,89 bar) und eine Temperatur von -177°C. In diesem Verfahren der Schaffung dieser Leistung wird der Strom 8 vollständig verdampft und dieser Dampfstrom, der Strom 9, wird verwendet, um eine gewisse Unterkühlungsleistung für den Strom 6 im Wärmeaustauscher 203 zu liefern. Der nachgewärmte Dampf, der Strom 10, wird danach im Kältekompressor 103 wieder auf einen Druck von 108,5 psia (7,48 bar) komprimiert, ein Druck, der größer als der Betriebsdruck der Destillationskolonne 400 von 108 psia (7,45 bar) ist.

Der Auslaßstrom des Kompressors 103, der Strom 11, wird in zwei Ströme getrennt. Ein geringer Teil, etwa 7,4 Gew.-% des Stromes 11, wird als Strom 20 herausgetrennt und wird auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 21 aus, der als "Überschußgas" bezeichnet wird. Die verbleibenden 92,6 Gew.-% des Stromes 11 werden im Wärmeaustauscher gekühlt und der Destillationskolonne 400 zugeführt. Die Bedingungen dieses Stromes sind ein Druck von 108 psia (7,45 bar) und eine Temperatur von -157°C.

Die Destillationskolonne bewirkt die Destillationstrennung zwischen dem an Stickstoff reichen Produkt, dem Strom 30, und dem an Sauerstoff reichen Produkt, dem Strom 40. Das komprimierte sauerstoffreiche Produkt, das vom Boden der Kolonne 400 aufsteigt, wird in den Wärmeaustauschvorrichtungen 205, 201 und 200 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt als Strom 42 bei einem Druck von 107 psia (7,38 bar) und bei einer Sauerstoffreinheit von 97,7 Vol.-% aus. Das komprimierte stickstoffreiche Produkt, der Strom 30, der vom oberen Teil der Kolonne 400 kommt, wird in den Wärmeaustauschern 203, 205, 201 und 200 wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt und tritt bei einem Druck von 106 psia (7,31 bar) und einer Stickstoffreinheit von 98 Vol.-% aus.

Die vorliegende Erfindung schafft eine vorteilhafte Verbesserung gegenüber bekannten Lufttrennungssystemen. Wie in Tabelle 1 gezeigt, trennt die vorliegende Erfindung, die bei den obengenannten Bedingungen arbeitet, Luft in ihre Bestandteilkomponenten bei geringerem Energiebedarf als der übliche patentierte Zyklus, der in US-PS 43 82 366 beschrieben ist. Der Bereich der Energieeinsparungen gegenüber US-PS 43 82 366 beträgt in Abhängigkeit von der Reinheit des Sauerstoffproduktes etwa 2 bis 10%. Es wird eine berechnete Energieminderung von mehr als 2% als signifikante Verringerung in Gastrennungssystemen angenommen.

Tabelle 1

Die Grundlage dieser Berechnung war eine Sauerstoffproduktgeschwindigkeit von 1686 kg-Mol/h bei 97,7 Vol.-% Sauerstoff im Produkt, eine Temperatur von 15°C und ein Druck des Produktes von 107 psia (7,38 bar).

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik, insbesondere US-PS 43 82 366, ist die Rückgewinnung des zugeführten Sauerstoffs. In US-PS 43 82 366 wird die Rückgewinnung der Sauerstoffzufuhr durch die Sauerstoffkonzentration in der Luft eingegrenzt, die als Rückfluß zugeführt wird, in der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Sauerstoffrückgewinnung durch die Wechselwirkung des flüssigen Rückflusses und der Dampfaufkochung bewirkt, folglich erhöht sich die Sauerstoffrückgewinnung mit Veränderungen in der Sauerstoffreinheit sehr stark. Diese Wirkung ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Veränderung der Rückgewinnung hat einen Einfluß auf die Kosten. Zum Beispiel würde die vorliegende Erfindung bei einem 97 Vol.-% reinen Sauerstoffprodukt nur zwei Drittel der Luftzufuhr erfordern, die von US-PS 43 82 366 erforderlich ist.

Auf der Grundlage der vorangegangenen detaillierten Beschreibung ist es deshalb eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung, den Gaszufuhrstrom als Arbeitsfluid sowohl für den Reboiler als auch den Kondensator der Kolonne zu verwenden, bevor der Gaszufuhrstrom in die Kolonne eingeführt wird.

Eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Tieftemperatur-Gastrennungssystems zur Rückgewinnung der komprimierten, im wesentlichen reinen Stickstoff- und Sauerstoffprodukte aus Luft.

Es ist eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfindung, Sauerstoff in einer Einzeldruckkolonne aus der Luft zu erzeugen, in der der Energiebedarf der Luftkompression, der für die Abtrennung des Sauerstoffs notwendig ist, aus der Verwendung des Stickstoffproduktstromes als sekundäre Kühlluft für die Verbrennungsvorrichtung abgeleitet ist, dessen Auslaßgas verwendet wird, um die Gasturbine zu betreiben, die wiederum die Energie für die Luftkompression und/oder Elektrizität zur Abgabe und den Verfahrensbetrieb liefert, wenn die Gasturbine an den Generator verbunden wird.

Es ist weiterhin eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung, den Stickstoffproduktstrom teilweise oder insgesamt zu verwenden, um die Molekularsiebvorrichtung zu regenerieren.

Claims

1. Verfahren zur Tieftemperaturtrennung von im wesentlichen reinen komprimierten Gasproduktbestandteilen aus einer Gasmischung in einer Einzeldestillationskolonne, gekennzeichnet durch die Stufen:

(a) Schaffung eines komprimierten Gaszufuhrstromes;
(b) Entfernung der Verunreinigungen aus dem Gaszufuhrstrom, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden;
(c) Kühlen des Gaszufuhrstromes;
(d) Expandieren und weiteres Abkühlen des Gaszufuhrstromes in einer Turbine, um Arbeit zu erzeugen;
(e) Wärmeaustausch des Gaszufuhrstromes mit der flüssigen Phase vom Kolonnenboden, um zumindest den Gaszufuhrstrom teilweise zu kondensieren und zumindest einen Teil der Flüssigkeit aufzukochen;
(f) Trennung des Gaszufuhrstromes in zwei Teilströme;
(g) Expandieren des ersten Teilstromes und Zufuhr zur Destillationskolonne hauptsächlich in der flüssigen Phase;
(h) Expandieren des zweiten Teilstromes auf einen geringeren Druck und Wärmeaustausch des expandierten Gaszufuhrstromes gegen die Dampfphase vom oberen Teil der Kolonne, um die Dampfphase teilweise zu kondensieren und den Gaszufuhrstrom vollständig zu verdampfen, um dadurch den Kolonnenrückfluß zu schaffen;
(i) Kaltkompression des zweiten Teilstromes auf einen Druck oberhalb des Betriebsdruckes der Kolonne;
(j) Einführen des zweiten Teilstromes an einem mittleren Punkt der Kolonne;
(k) Entfernen des Gasproduktbestandteiles mit geringerem Siedepunkt vom oberen Teil der Kolonne unter Druck als Kopfproduktstrom und
(l) Entfernen des Produktbestandteiles mit höherem Siedepunkt aus dem Kolonnenboden unter Druck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Entfernung eines kleinen Seitenstromes aus dem zweiten Teilstrom vor dessen Einlassen an einem mittleren Punkt der Kolonne, um dadurch die Produktreinheit zu erhöhen.

3. Verfahren zur Tieftemperaturabtrennung eines im wesentlich reinen komprimierten Sauerstoffproduktes aus Luft in einer Einzeldruckdestillationskolonne, gekennzeichnet durch die Stufen:

(a) Schaffung eines komprimierten Luftzufuhrstromes;
(b) Entfernung der Verunreinigungen aus dem Luftzufuhrstrom, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden;
(c) Kühlen des Luftzufuhrstromes;
(d) Expandieren und weiteres Abkühlen des Luftzufuhrstromes in einer Turbine, um Arbeit zu erzeugen;
(e) Wärmeaustausch des Luftzufuhrstromes mit der flüssigen Phase vom Kolonnenboden, um den Luftzufuhrstrom zumindest teilweise zu kondensieren und zumindest einen Teil der Flüssigkeit aufzukochen;
(f) Trennung des Luftzufuhrstromes in zwei Teilströme;
(g) Expandieren des ersten Teilstromes und Zufuhr zur Destillationskolonne hauptsächlich in der flüssigen Phase;
(h) Expandieren des zweiten Teilstromes auf einen geringeren Druck und Wärmeaustausch des expandierten Gaszufuhrstromes gegen die Dampfphase vom oberen Teil der Kolonne, um die Dampfphase teilweise zu kondensieren und den Gaszufuhrstrom vollständig zu verdampfen, wodurch der Kolonnenrückfluß geschaffen wird;
(i) Kaltkompression des zweiten Teilstromes auf einen Druck oberhalb des Betriebsdruckes der Kolonne;
(j) Einführen des zweiten Teilstromes an einem mittleren Punkt der Kolonne;
(k) Entfernen des Stickstoffproduktes vom oberen Teil der Kolonne als Kopfproduktstrom unter Druck und
(l) Entfernen eines im wesentlichen reinen Sauerstoffproduktes vom Kolonnenboden unter Druck.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Entfernung eines kleinen Seitenstromes vom zweiten Teilstrom vor dessen Einlassen an einem mittleren Punkt der Kolonne, um dadurch die Produktreinheit zu erhöhen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Verwendung des Stickstoffproduktes als sekundäres Kühlgas zum Abschrecken der Verbrennungsvorrichtung, deren Abgas eine Gasturbine betreibt, die Energie für die Luftkompression liefert.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Verwendung des Stickstoffproduktes als sekundäres Kühlgas zum Abschrecken der Verbrennungsvorrichtung, deren Abgas die Gasturbine betreibt, die die Energie für die Luftkompression liefert.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, Wasser und Kohlendioxid sind.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, in einer Molekularsiebvorrichtung entfernt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, Wasser und Kohlendioxid sind.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, in einer Molekularsiebvorrichtung entfernt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, Wasser und Kohlendioxid sind.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die bei Tieftemperaturen gefrieren würden, in einer Molekularsiebvorrichtung entfernt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Verwendung des Stickstoffproduktes zur Regenerierung der Molekularsiebvorrichtung.

14. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Verwendung des Stickstoffproduktes zur Regenerierung der Molekularsiebvorrichtung.

15. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine weitere Stufe der Verwendung des Stickstoffproduktes, um die Molekularsiebvorrichtung zu regenerieren, bevor es als sekundäres Kühlgas der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine den Kompressor und den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Abgabe oder für den Verfahrensbedarf betreibt.

17. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine den Kompressor und den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Abgabe oder für den Verfahrensbedarf betreibt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine den Kompressor und den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zur Abgabe oder für den Verfahrensbedarf betreibt.