DE60012382T2

DE60012382T2 - Luftzerlegung

Info

Publication number: DE60012382T2
Application number: DE60012382T
Authority: DE
Inventors: Thomas Farnham Rathbone
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: DE60012382D1; EP1030148A1; US6244072B1; GB9903908D0; ATE272199T1; EP1030148B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Lufttrennung. Sie befasst sich insbesondere mit einem solchen Verfahren und einer solchen Anlage, wo die Luft in ein Sauerstoffprodukt und ein Stickstoffprodukt getrennt wird, und wo ein Teil des Stickstoffprodukts auf einem erhöhten Druck einer Gasturbine zugeführt wird.
Die GB-A-2028 991 bezieht sich auf ein solches Verfahren und eine solche Anlage. Eine Doppelrektifiziersäule wird zum Trennen der Luft eingesetzt (eine Doppelrektifiziersäule hat eine Rektifiziersäule höheren Drucks, eine Rektifiziersäule niedrigeren Drucks, und einen Kondensator-Rückverdampfer, der eine oberen, üblicherweise einen Kopfbereich der Rektifiziersäule höheren Drucks in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Bereich, gewöhnlich einem Bodenbereich, der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks setzt.) Die Luft wird in der Rektifiziersäule höheren Drucks rektifiziert, um eine sauerstoffangereicherte flüssige Fraktion und eine erste dampfförmige Stickstofffraktion zu bilden. Ein Strom der sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion wird aus der Rektifiziersäule höheren Drucks abgezogen und wird zur Bildung eines Speisestroms in die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks benutzt, um so eine Sauerstoffproduktfraktion und eine zweite dampfförmige Stickstofffraktion zu bilden. Mindestens ein Strom eines Stickstoffprodukts wird aus der Doppelrektifiziersäule entnommen. Ein Teil des Stickstoffprodukts wird im Druck angehoben und in eine Gasturbine eingeleitet, die einen Luftverdichter, eine Brennkammer mit einem ersten, mit dem Luftverdichter in Verbindung stehenden Einlaß und einen zweiten, mit einer Brennstoffquelle in Verbindung stehenden Einlaß aufweist, und einen Expansionsteil umfaßt, der mit der Brennkammer in Verbindung steht, um die heißen gasförmigen Produkte der Brennstoffverbrennung zu expandieren. Der Stickstoff wird in die Brennkammer oder den Expansionsteil zum Zweck der Reduzierung von Stickstoffoxiden im Abgas des Expansionsteils eingeleitet. Die von Expansionsteil verrichtete Arbeit wird typischerweise zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgenutzt.
Da die Brennkammer der Gasturbine normalerweise auf hohem Druck arbeitet, typischerweise im Bereich von 10 bis 20 bar, beschreibt die GB-A-2028 991, dass stromab des Erwärmens auf Umgebungstemperatur ein Strom der zweiten dampfförmigen Stickstofffraktion stromauf seiner Einleitung in die Gasturbine auf den notwendigen hohen Druck verdichtet wird. Die Stickstoffzufuhr zur Gasturbine wird normalerweise ausschließlich durch die zweite dampfförmige Stickstofffraktion gebildet, welche die in der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks abgetrennte Stickstofffraktion ist. Um die zum Verdichten dieses Stickstoffs zu verrichtende Arbeit zu verringern, empfiehlt die GB-A-2028 991 den Betrieb der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks nicht auf ihrem normalen Druck im Bereich von 1 bis 2 bar (absolut), sondern stattdessen auf einem höheren Druck typischerweise im Bereich von 3 bis 5 bar. Mehrere Nachteile treten auf. Erstens muß nun die Rektifiziersäule höheren Drucks auf einen Druck im Bereich von 8 bis 12 bar anstatt auf einem herkömmlichen Druck im Bereich von 5 bis 6 bar betrieben werden. Daher muß mehr Arbeit beim Verdichten der ankommenden Luft zur Trennung verrichtet werden, und es ist mehr Verdichtungsausrüstung erforderlich, als wenn die Rektifiziersäule höheren Drucks auf ihrem herkömmlichen Druck betrieben wird. Zweitens verringert eine Steigerung der Betriebsdrücke der Rektifiziersäulen höheren und niedrigeren Drucks die Flüchtigkeit von Stickstoff relativ zu Sauerstoff. Daraus resultiert eine Steigerung der Anzahl der zum Bewirken der Trennung erforderlichen Destillationsstufen. Drittens ist die Menge des bei einem Druck oberhalb Atmosphärendruck mitproduzierten Stickstoffs durch das Sauerstoff/Stickstoff-Verhältnis in der Speiseluft festgelegt. Es ist sehr oft der Fall, dass die Menge des auf erhöhtem Druck mitproduzierten Stickstoffs über den Bedürfnissen zur Steuerung der NO_X-Emissionen liegt. Es gibt daher Nachteile hinsichtlich der thermodynamischen Effizienz beim Vermischen all des Stickstoffs mit dem Brennstoffgas.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schaffung eines Verfahrens und einer Anlage zu ermöglichen, die es möglich machen, diese Nachteile zu verringern, aber nicht auf Kosten wesentlicher zusätzlicher Stickstoffverdichtungsarbeit im Vergleich damit, wenn die Säule niedrigen Drucks auf dein in der GB-A-2028 991 A beschriebenen optimalen Druck betrieben wird.
Die EP-A-538 118 beschreibt in Fig. 4 eine Lufttrennanlage, die zum Erzeugen von Strömen mittleren und niedrigeren Drucks für eine Gasturbine eingesetzt werden kann. Die am Boden einer Rektifiziersäule hohen Drucks, die Teil der Lufttrennanlage bildet, erhaltene sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird zu einer Rektifiziersäule mittleren Drucks geleitet, die weiteren Stickstoff abtrennt und einen Speisestrom zu der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks mit einem Bodenrückverdampfer, der als Kondensator am oberen Ende der Hochdrucksäule funktioniert, zur Trennung in dieser leitet. Ein Sauerstoffprodukt im Dampfzustand wird aus der Niederdruckrektifiziersäule abgezogen.
drucksäule funktioniert, zur Trennung in dieser leitet. Ein Sauerstoffprodukt im Dampfzustand wird aus der Niederdruckrektifiziersäule abgezogen.
Die EP-A-357 299 gibt ein Beispiel einer Lufttrennanlage an, die zur Erzeugung von Stickstoffströmen mittleren und niederen Drucks betrieben werden kann, wobei der gesamte Mitteldruckstickstoff zu einer Gasturbine geleitet wird. Ein Werbepumpenkreis mit einem Kondensator am Boden der Niederdrucksäule stellt einen Rückfluß für die Doppelrektifiziersäule bereit. Ein Sauerstoffprodukt wird in flüssigem Zustand von der Niederdruckrektifiziersäule abgezogen und gegen einen Teil des Luftstroms verdampft.
Die EP-A-717 249 beschreibt eine Lufttrennanlage, die ähnlich der EP-A-538 118 eine Zwischendruckrektifiziersäule einsetzt. Sämtliches gasförmiges Stickstoffprodukt wird ja doch vom oberen Ende der Niederdruckrektifiziersäule abgezogen, der ein zweiter Zwischenrückverdampfer zugeordnet ist. Ein Sauerstoffprodukt wird in flüssigem Zustand abgezogen und im Hauptwärmeaustauscher der Anlage verdampft.
Die EP-A-636 845 beschreibt in Fig. 3, dass eine Lufttrennanlage mit einer Zwischendruckrektifiziersäule betrieben werden kann, um so zusätzlich zu einem aus der Niederdrucksäule entnommenen Stickstoffprodukt und einem in dampfförmigem oder flüssigem Zustand aus der Niederdrucksäule entnommenen Sauerstoffprodukt ein weiteres von der Hochdrucksäule entnommenes Stickstoffprodukt zu erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen von Luft in ein Sauerstoffprodukt und ein Stickstoffprodukt gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Anlage zur Trennung von Luft und zur Erzeugung von Energie mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 gemäß Anspruch 8.
Vorzugsweise werden mindestens 90 Volumenprozent des Teils des Stickstoffprodukts, der zur Gasturbine zugeführt wird, aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion entnommen. Mehr vorzugsweise wird alles von diesem Teil des Stickstoffprodukts so entnommen. Daher erfolgt in diesem Fall die Verbindung zwischen der Gasturbine und der Doppelrektifiziersäule allein mit demjenigen Bereich der Rektifiziersäule höheren Drucks, Durch Entnehmen der Stickstoffströmung zur Gasturbine hauptsächlich oder ausschließlich aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion kann die Doppelrektifiziersäule auf herkömmlichen Drücken zur Lufttrennung betrieben werden, während immer noch die Stickstoffzufuhr zur Gasturbine auf einem Anfangsdruck typischerweise im Bereich von 4,5 bis 5 bar entnommen werden kann, d.h. auf einem Druck im optimalen Druckbereich, der in der GB-A-2028 991 angegeben ist, so dass der Vorteil reduzierter Stickstoffverdichtungsarbeit erhalten werden kann (die reduzierte Arbeit im Vergleich zu derjenigen, die erforderlich wäre, wenn der gesamte Turbinenstickstoff auf einem Druck im Bereich von einem bar unter Verwendung einer auf herkömmlichen Drücken arbeitenden Doppelrektifiziersäule erzeugt würde).
Darüber hinaus ermöglicht es die weitere Trennung des Stroms der sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion, die Lufttrennung mit hoher thermodynamischer Effizienz trotz des Verlusts von Stickstoff für die Gasturbine zu betreiben, der ansonsten zur Bildung von flüssigem Stickstoffrückfluß für die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks kondensiert würde.
Beispiele der Erfindung, bei denen sämtlicher Turbinenstickstoff von der Rektifiziersäule höheren Drucks entnommen wird, sind besonders vorteilhaft, weil typischerweise nur eine einzige Stickstoffdruckbeaufschlagungseinrichtung erforderlich ist. Dies resultiert in einer relativ einfachen Stickstoffverdichtungsanordnung.
Das Verfahren und die Anlage nach der Erfindung sind besonders vorteilhaft, wenn das meiste oder sämtliches von dem Sauerstoffprodukt (z.B. mindestens 75 %) zu einem Hochdruck-Teiloxidationsprozeß zugeführt wird. Die Größe der Teiloxidationseinheit und der Anteil des Sauerstoffprodukts, der zu der Einheit geleitet wird, gibt den Sauerstoffbedarf von der Doppelrektifiziersäule vor. Wir haben gefunden, dass für eine Standardgröße einer Teiloxidationseinheit die Anlage nach der Erfindung ihren Bedarf an Sauerstoffprodukten decken kann, während typischerweise ausreichend Stickstoff geliefert wird, um die Anforderungen für die NO_x-Steuerung der Gasturbine zu befriedigen, vorausgesetzt, dass der Stickstoff stromauf seiner Einleitung in die Gasturbine angefeuchtet wird. Eine solche Anfeuchtung kann unter Ausnutzung von Abwärme erfolgen, die beispielsweise im Teilo xidationsprozeß, bei der Verdichtung der zu trennenden Luft, oder bei der Verdichtung des Stickstoffs stromauf seiner Einleitung in die Gasturbine erzeugt wird. Es wird daher bevorzugt, denjenigen Teil des Stickstoffprodukts mit Feuchtigkeit zu sättigen, der in die Gasturbine eingeleitet wird.
Das Entnehmen des Sauerstoffprodukts in flüssigem Zustand in dem Verfahren und der Anlage nach der Erfindung verringert die thermische Belastung auf Rücksiedemittel, die der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks zugeordnet sind.
Vorzugsweise wird sämtliches Sauerstoffprodukt typischerweise mit einer Reinheit von weniger als 97 % erzeugt. Oxidations- und Vergasungsprozesse benutzen typischerweise 95 % reinen Sauerstoff. Obwohl ein solcher großer Anteil des Sauerstoffprodukts auf einem Reinheitspegel von weniger als 97 % erforderlich ist, ist der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks nur ein Rückverdampfer zugeordnet, trotz der heutigen Bevorzugung sogenannter Doppel-(oder sogar Dreifach-)Rückverdampferverfahren bei der Lufttrennung, wenn ein unreines Sauerstoffprodukt hauptsächlich oder ausschließlich erforderlich ist. Einfachrückverdampferverfahren haben gegenüber Doppel-und Dreifachrückverdampferverfahren den Vorteil, dass sie das Erreichen einer größeren Rückgewinnung an Stickstoffprodukt ermöglichen.
Typischerweise wird in Ausführungsbeispielen des Verfahrens nach der Erfindung, bei denen mindestens ein Teil des Sauerstoffprodukts im flüssigen Zustand abgezogen, druckbeaufschlagt und auf eine nicht kryogene Temperatur erwärmt wird, ein zweiter zu trennender Luftstrom verflüssigt und mindestens teilweise in die Rektifiziersäule höheren Drucks eingeleitet. Ein weiterer Teil oder Teile des verflüssigten zweiten Luftstroms kann in die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks und/oder irgendeine weitere Rektifiziersäule eingeleitet werden, die zur Durchführung der genannten weiteren Trennung der sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion eingesetzt wird.
Diese weitere Trennung wird in der Tat vorzugsweise in einer weiteren Rektifiziersäule bewerkstelligt, der ein Rückverdampfer zugeordnet ist, wobei die weitere Rektifiziersäule vorzugsweise auf Drücken arbeitet, die niedriger als diejenigen sind, auf welcher die Rektifiziersäule höheren Drucks arbeitet. Der der weiteren Rektifiziersäule zugeordnete Rück verdampfer wird vorzugsweise mittels eines aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion entnommenen Stroms beheizt. Daraus resultierender kondensierter Stickstoff wird vorzugsweise als Rücktluß in einer oder beiden der Rektifiziersäulen höheren Drucks und niedrigeren Drucks verwendet.
Die dritte dampfförmige Stickstofffraktion, die vorzugsweise von im wesentlichen der gleichen Reinheit wie die erste und die zweite dampfförmige Stickstofffraktion ist, wird vorzugsweise durch Wärmeaustausch mit dem genannten Speisestrom kondensiert, wobei der letztere dadurch mindestens teilweise verdampft wird.
Obwohl es bevorzugt wird, durch Verdichtung auf nicht krygene Temperatur den Druck desjenigen Teils des Stickstoffprodukts anzuheben, der in die Gasturbine geleitet wird, liegt es im Bereich der Erfindung, diesen Teil des Stickstoffprodukts zu kondensieren und ihn auf einen gewünschten höheren Druck stromauf des Erwärmens auf eine nicht kryogene Temperatur zu pumpen.
Um Kühlung für das Lufttrennverfahren nach der Erfindung zu erzeugen, können ein oder mehrere Turboexpansionseinrichtungen eingesetzt werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung wird ein dritter Strom von zu trennender Luft unter Leistung externer Arbeit turboexpandiert, und der resultierende turboexpandierte dritte Luftstrom wird in die Rektifiziersäule höheren Drucks eingeleitet.
Vorzugsweise wird nichts von der Luft für die Trennung aus der Gasturbine entnommen.
Es können herkömmliche Mittel zum Vorreinigen der zu trennenden Luft eingesetzt werden, das heißt zum Abscheiden von Verunreinigungen hiervon, die bei den in der Lufttrennanlage erreichten kryogenen Temperaturen gefrieren oder erstarren würden, und die vorgereinigte Luft auf eine für ihre Trennung durch Rektifizierung geeignete Temperatur oder Temperaturen abzukühlen.
Rektifiziersäulen zur Verwendung bei dein Verfahren und der Anlage nach der Erfindung sind typischerweise jeweils durch einen oder mehrere Behälter gebildet, in welchen abwärtsströmende Flüssigkeit in innige Massenaustauschbeziehung mit aufsteigendem Dampf gebracht wird. Es liegt jedoch innerhalb des Bereichs der Erfindung, in der weiteren Säule irgendwelche Mittel zum Bewirken eines solchen innigen Massenaustauschs wegzulassen.
Das Verfahren und die Anlage nach der Erfindung werden nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die ein schematisches Strömungsdiagramm einer integrierten Anlage zeigt, die eine Lufttrennanlage, eine Gasturbine und eine Teiloxidationseinheit umfaßt.
Die Zeichnung ist nicht maßstäblich.
Gemäß der Zeichnung wird Luft in einem Verdichter 2 auf einen gewählten Druck typischerweise im Bereich von 5 bis 6 bar verdichtet. Die Luft wird in einem Nachkühler 4 (und/oder in einem Wasserkühler mit direkter Berührung (nicht dargestellt)) abgekühlt, um Verdichtungswärme daraus abzuführen. Die resultierende abgekühlte verdichtete Luft wird durch Druckwechseladsorption oder Temperaturwechseladsorption in einer Einheit 6 so vorgereinigt, dass von der Luft Wasserdampf, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen relativ niedriger Reinheit abgeschieden werden, die anderenfalls in kryogenen Teilen der Anlage gefrieren würden. Die Konfiguration und der Betrieb solcher Vorreinigungseinheiten sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und brauchen daher hier nicht weiter beschrieben zu werden.
Ein erster Strom der resultierenden gereinigten verdichteten Luft strömt durch einen Hauptwärmetauscher 8 von dessen warmem Ende 10 zu dessen kaltem Ende 12 und wird dadurch auf eine kryogene Temperatur abgekühlt, die für ihre Trennung durch Rektifizierung geeignet ist. Der resultierende abgekühlte erste Luftstrom wird durch einen Einlaß 22 in die Rektifiziersäule 16 höheren Drucks einer Doppelrektifiziersäule 14 eingeleitet. Die Doppelrektifiziersäule 14 weist außerdem eine Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks auf. Der Kopfbereich der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks ist in (indirekter) Wärmeaustauschbeziehung mit dem Bodenbereich der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks mittels eines Kondensatorrückverdampfers 20 plaziert. Im Betrieb wird in der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks abgetrennter Stickstoff im Kondensatorrückverdampfer kondensiert, und ein Teil des in der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks abgetrennten flüssigen Sauerstoffs wird rückverdampft. Ein zweiter Strom gereinigter verdichteter Luft wird in einem Hilfsverdichter 24 stromauf des warmen Endes 10 des Hauptwärmetauschers 8 weiter verdichtet. Verdichtungswärme wird von dem weiter verdichteten zweiten Luftstrom in einem Nachkühler (nicht dargestellt) abgeführt. Der nachgekühlte zweite Luftstrom strömt durch den Hauptwärmetauscher 8 von dessen warmem Ende 10 zu dessen kaltem Ende 12. Stromab des kalten Endes 12 des Hauptwärmetauschers 8 gelangt der zweite Strom verdichteter Luft durch eine Expansionseinrichtung 26, welche die Form eines Ventils oder, wie in der Zeichnung dargestellt, einer Turboexpansionseinrichtung haben kann. Ein Strom flüssiger Luft tritt aus der Expansionseinrichtung 26 auf dem Betriebsdruck der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks aus und wird durch einen Einlaß 28 in einen mittleren Massenaustauschbereich der Rektifziersäule 16 höheren Drucks eingeleitet.
Ein dritter Strom gereinigter verdichteter Luft wird aus dem zweiten Strom aus einem Zwischenbereich des Hauptwärmetauschers 8 abgezogen und unter Leistung externer Arbeit in einer Turboexpansionseinrichtung 30 expandiert. Der resultierende turboexpandierte dritte Strom wird mit dein ersten Strom stromauf des Einlasses 22 zur Rektifiziersäule 16 höheren Drucks, aber stromab des kalten Endes des Hauptwärmetauschers 8 vereinigt.
Die drei Luftströme werden in der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks in eine sauerstoffangereicherte flüssige (Luft-)Bodenfraktion und eine erste dampfförmige Stickstoffkopffraktion getrennt. Ein Teil dieser Stickstofffraktion strömt in den Kondensatorrückverdampfer 20 und wird kondensiert. Das resultierende Kondensat wird als Rückfluß in der Säule 16 höheren Drucks verwendet. Ein weiterer Teil der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion strömt in einen Rückverdampfer 34, der einer weiteren Rektifiziersäule 32 zugeordnet ist, und wird ebenfalls kondensiert. Das resultierende Kondensat wird teilweise als Rückfluß in der Rektifiziersäule höheren Drucks verwendet, und, wie nachstehend noch beschrieben wird, teilweise als Rückfluß in der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks. Ein dritter Teil der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion wird als Produkt entnommen, wie unten ebenfalls beschrieben wird.
Ein Strom der sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion strömt vom Boden der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks durch einen Auslaß 36 aus, wird durch Hindurchleiten durch ein Drossel- oder Expansionsventil 38 im Druck abgesenkt, und in einen Bodenbereich der weiteren Rektifziersäule 32 eingeleitet. Der Druck am Kopf der Rektifiziersäule 32 ist höher als der Druck am Kopf der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks, aber niedriger als der Druck am Kopf der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks. Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird in der weiteren Rektifiziersäule 32 zu einer dritten dampfförmigen Stickstoffkopffraktion (die in der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks abgetrennte entsprechende Stickstofffraktion wird als "die zweite dampfförmige Stickstoffkopffraktion" bezeichnet) und eine flüssige Bodenfraktion getrennt, die typischerweise weiter an Sauerstoff angereichert ist. (Typischerweise wird in der weiteren Rektifiziersäule 32 außerdem ein flüssiger Luftstrom getrennt, der durch einen Zwischenauslaß 40 der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks abgezogen wird, durch Hindurchleiten durch ein Drossel- oder Expansionsventil 42 im Druck abgesenkt wird, und in die weitere Rektifiziersäule 32 in einem Zwischenmassenaustauschbereich derselben eingeleitet wird.)
Eine Strömung der dritten dampfförmigen Stickstofffraktion wird in einem Kondensator 44 am Kopf der weiteren Rektifiziersäule kondensiert. Ein Strom der weiter angereicherten flüssigen Bodenfraktion wird aus der weiteren Rektifziersäule 32 durch einen Auslaß 46 abgezogen und bildet einen Speisestrom für die Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks; jedoch wird dieser Speisestrom durch Hindurchleiten durch ein Drossen- oder Expansionsventil 48 im Druck abgesenkt und wird zur Bereitstellung der notwendigen Kühlung für den Kondensator 44 verwendet. Als Ergebnis wird der Speisestrom mindestens teilweise verdampft. Der resultierende, mindestens teilweise verdampfte Speisestrom wird in die Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks durch einen Einlaß 50 an einer Zwischenhöhenposition desselben eingeleitet.
Ein Teil des im Kondensator 44 kondensierten Stickstoffs wird als Rückfluß in die weitere Rektifiziersäule 32 und der restliche Teil als Rückfluß in die Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks verwendet.
Ein weiterer Speisestrom zur Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks wird durch Abziehen eines flüssigen Luftstroms aus einem Zwischenmassenaustauschbereich der weiteren Rektifiziersäule 32 und Absenken von dessen Druck durch Hindurchleiten durch ein Drossel- oder Expansionsventil 52 gebildet. Der weitere Speisestrom wird durch einen Einlaß 54 in einen weiteren Zwischenbereich der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks eingeleitet, wobei dieser Bereich oberhalb desjenigen liegt, der vom Einlaß 50 bedient wird.
Die Speiseströme werden in der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks in eine Sauerstoffprodukt-Bodenfraktion, die typischerweise im Bereich von 95 % (nach Volumen) rein ist, und eine zweite Stickstoffdampf-Kopffraktion getrennt. Eine Aufwärtsströmung von Dampf durch die Säule 18 niedrigeren Drucks wird durch den Kondensatorrückverdampfer 20 bereitgestellt, und eine Abwärtsströmung von flüssigem Stickstoffrückfluß wird, wie oben erwähnt, von Rückverdampfer 34 und dem der weiteren Rektifiziersäule 32 zugeordneten Kondensator 44 bereitgestellt, wobei die jeweiligen flüssigen Stickstoffströme jeweils durch Drossel- oder Expansionsventile 56 und 58 in geeigneter Weise im Druck abgesenkt werden.
Ein erster Stickstoffproduktstrom wird von der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion durch einen Auslaß 61 abgezogen und durch Hindurchleiten durch den Hauptwärmetauscher 8 von dessen kaltem Ende 12 zu dessen warmem Ende 10 erwärmt. Stromab des warmen Endes 10 wird der erste Stickstoffproduktstrom in einem Stickstoffverdichter 62 typischerweise auf einen Druck im Bereich von 15 bis 30 bar absolut verdichtet, wobei dieser Druck typischerweise ein wenig höher als derjenige ist, auf welchem die Brennkammer 74 einer Gasturbine 70 arbeitet, wobei die Gasturbine 70 einen Luftverdichter 72 und eine Expansionseinrichtung 76 zusätzlich zur Brennkammer 74 aufweist. Das verdichtete erste Stickstoffprodukt wird in einer geeigneten Einheit 74 zu diesem Zweck angefeuchtet und wird in die Brennkammer 74 oder einen Kanal eingeleitet, durch welchen heiße Verbrennungsprodukte, die beim Betrieb der Gasturbine 70 erzeugt werden, von der Brennkammer 74 zur Expansionseinrichtung 76 strömen.
Die zweite dampfförmige Stickstofffraktion wird als ein zweites Stickstoffprodukt durch einen Auslaß 60 entnommen und wird durch den Hauptwärmetauscher 8 von dessen kaltem Ende 12 zu dessen warmem Ende 10 geleitet. Ein Teil des zweiten Stickstoffprodukts wird zum Zweck des Regenerierens von Adsorptionsmittelbetten genutzt, die Teil der Vorreinigungseinheit 6 bilden. Typischerweise wird der Rest des Stickstoffprodukts in die Atmosphäre entlüftet.
Das Sauerstoffprodukt wird von der Sauerstoffbodenfraktion entnommen, die in der Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks mittels einer Pumpe 68 entnommen wird, die dessen Druck typischerweise auf über 10 bar anhebt. Der resultierende druckbeaufschlagte flüssige Sauerstoffstrom wird durch Hindurchleiten durch den Hauptwärmetauscher 8 von dessen kaltem Ende 12 zu dessen warmem Ende 10 auf eine nicht kryogene Temperatur erwärmt. Der Sauerstoff, wenn er sich unterhalb seines kritischen Drucks befindet, verdampft im Hauptwärmetauscher 10. Dabei findet typischerweise beträchtlicher Wärmeaustausch zwischen dem verdampfenden Sauerstoffprodukt und einem sich verflüssigenden zweiten Strom verdichteter gereinigter Luft im Hauptwärmetauscher 8 statt. Stromab des warmen Endes 10 des Hauptwärmetauschers 8 wird das Sauerstoffprodukt in einem Sauerstoffverdichter 80 weiter verdichtet (dein Typischerweise ein Nachkühler (nicht dargestellt) zum Abführen der Verdichtungswärme zugeordnet ist), und wird zu einem Teiloxidationsreaktor 82 zur Bildung eines gasförmigen Brennstoffstroms in diesem geleitet.
In einem typischen Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Anlage liegt der Druck am Boden der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks im Bereich von 5 bar; der Druck am Kopf der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks liegt im Bereich von 1,3 bar; der Druck am Kopf der weiteren Rektifiziersäule 32 liegt im Bereich von 3 bar; der Auslassdruck der Pumpe 68 liegt im Bereich von 15 bar; und der Auslassdruck des weiteren Verdichters liegt im Bereich von 80 bar absolut. Von 40 bis 45 % des gesamten Stickstoffprodukts wird aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion, das heißt von der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks entnommen. In diesem Beispiel enthält das Stickstoffprodukt weniger als 0,1 % nach Volumen Sauerstoffverunreinigung, und das Sauerstoffprodukt hat eine Reinheit von 95 % nach Volumen.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können bei der in der Zeichnung gezeigten Anlage vorgenommen werden. Beispielsweise kann stromauf des Durchgangs durch den Hauptwärmetauscher 8 der zweite Stickstoffproduktstrom zum Unterkühlen der flüssigen Speiseströme in die Rektifiziersäule 18 niedrigeren Drucks verwendet werden.
Der aus der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks abgezogene sauerstoffangereicherte flüssige Strom wird typischerweise durch indirekten Wärmeaustausch im Gegenstrom zum Stickstoffproduktgas stromauf der Entspannungsverdampfung in die weitere Rektifiziersäule 32 durch das Ventil 38 unterkühlt.
Des weiteren braucht gewünschtenfalls nicht alles von dem zweiten verdichteten und gereinigten Luftstrom durch die Expansionseinrichtung 26 in die Rektifiziersäule 16 höheren Drucks eingeleitet zu werden. Ein Teil des Stroms kann direkt in die Säule 18 niedrigen Drucks strömen, und ein weiterer Teil direkt in die weitere Rektifiziersäule 32. Dies vermeidet das Vorhandensein von Zwischenauslässen aus der Rektifiziersäule 16 höheren Drucks und der weiteren Rektifiziersäule 32.

Claims

Verfahren zum Trennen von Luft in ein Sauerstoffprodukt und ein Stickstoffprodukt, wobei ein Teil des Stickstoffprodukts unter einem erhöhten Druck zu einer Gasturbine zur Energieerzeugung zugeführt wird, mit den Schritten des Einleitens eines ersten Luftstroms in die Rektifiziersäule höheren Drucks einer Doppelrektifiziersäule, des Rektifizierens der Luft darin zur Bildung einer sauerstoff-angereicherten flüssigen Fraktion und einer ersten dampfförmigen Stickstofffraktion, des Abziehen eines Stroms der Sauerstoff-angereicherten flüssigen Fraktion aus der Rektifiziersäule höheren Drucks und Benutzens des Stroms der sauerstoff-angereicherten flüssigen Fraktion zur Bildung eines Speisestroms für die Rektifziersäule niedrigeren Drucks der Doppelrektifiziersäule, des Rektifizierens des genannten Speisestroms in der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks, um eine Sauerstoffproduktfraktion und eine zweite dampfförmige Stickstofffraktion zu bilden, des Entnehmens mindestens eines Stroms eine Stickstoffprodukts aus der Doppelrektifiziersäule, Anhebens des Drucks des Stickstoffprodukts, und Einleitens desselben in die Gasturbine, wobei der Strom der sauerstoffangereicherten flüssigen Fraktion stromauf der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks einer weiteren Trennung unterzogen wird, um eine Sauerstoff enthaltende Fraktion zu bilden, aus welcher der genannte Speisestrom entnommen wird, und eine dritte dampfförmige Stickstofffraktion zu bilden, wobei ein Strom der dritten dampfförmigen Stickstofffraktion kondensiert und als Rückfluß in die Rektifiziersäule niedrigern Drucks benutzt wird, wobei weiter mindestens 60 Vol.-% desjenigen Teils des Stickstoffprodukts, das in die Gasturbine eingeleitet wird, aus der ersten Stickstoffdampffraktion entnommen wird, die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks an ihrem oberen Ende auf einem Druck von weniger als 2 bar absolut betrieben wird, ein Teil der oder die gesamte Sauerstoffproduktfraktion in flüssigem Zustand aus der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks entnommen und auf einen höheren Druck gepumpt wird sowie in Wärmeaustauschbeziehung mit zu trennender Luft auf eine nicht kryogene Temperatur erwärmt wird, mindestens 80% des Sauerstoffprodukts mit einem Reinheitsgrad von weniger als 97% erzeugt wird, und die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks mit nur einem einzigen, ihr zugeordneten Rückverdampfer betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens 90 Vol.-% des Teils des Stickstoffprodukts, das zur Gasturbine zugeführt wird, aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zweiter Luftstrom verflüssigt und mindestens teilweise in die Rektifiziersäule höheren Drucks eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter zu trennender Luftstrom unter Leistung externer Arbeit turbo-expandiert und in die Rektifiziersäule höheren Drucks eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Trennung in einer weiteren Rektifiziersäule mit einem ihr zugeordneten Rückverdampfer durchgeführt wird, wobei die weitere Rektifiziersäule auf Drücken arbeitet, die niedriger als diejenigen sind, auf welcher die Rektifiziersäule höheren Drucks arbeitet, aber höher als diejenigen sind, auf welcher die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der der weiteren Rektifiziersäule zugeordnete Rückverdampfer mittels eines Stroms beheizt wird, der aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion entnommen wird, und wobei resultierender kondensierter Stickstoff als Rückfluß in eine oder beide der Rektifiziersäulen höheren und niedrigeren Drucks benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte dampfförmige Stickstofffraktion durch Wärmeaustausch mit dem genannten Speisestrom kondensiert und der genannte Speisestrom mindestens teilweise dadurch verdampft wird.
Anlage zur Trennung von Luft und zum Erzeugen von Energie durch ein Verfahren nach Anspruch 1, mit einer Doppelrektifiziersäule zum Erzeugen sowohl eines Stickstoffprodukts als auch eines Sauerstoffprodukts, wovon mindestens 80% einen Rein heitsgrad von weniger als 97% haben, mit einer Rektifiziersäule (16) höheren Drucks und einer Rektifiziersäule (18) niedrigeren Drucks, einer Gasturbine (76) mit einem Einlaß für Produktstickstoff, der mit der Doppelrektifiziersäule über Stickstoffdruckbeaufschlagungsmittel (62) in Verbindung steht, einem Einlaß (22) zur Rektifiziersäule höheren Drucks für einen ersten darin in eine erste Sauerstoff-angereicherte flüssige Fraktion (36) und eine erste dampfförmige Stickstofffraktion (61) zu trennenden Luftstrom, einem Auslaß (36) aus der Rektifiziersäule höheren Drucks für einen Strom der Sauerstoff-angereicherten flüssigen Fraktion, damit daraus ein Speisestrom zur Rektifiziersäule niedrigeren Drucks gebildet werden kann, einem Einlaß (54) zur Rektifiziersäule niedrigeren Drucks für den Speisestrom, einem ersten Auslaß (60) aus der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks für einen ersten Produktstickstoffstrom einer zweiten dampfförmigen Stickstofffraktion, die in der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks abgetrennt worden ist, und einem zweiten Auslaß aus der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks für einen Strom einer darin abgetrennten Sauerstoffproduktfraktion, wobei die Anlage zusätzlich weitere Trennmittel (32) zur Bildung einer dritten dampfförmigen Stickstofffraktion und einer Sauerstoff enthaltenden Fraktion, aus welcher der genannte Speisestrom im Betrieb der Anlage entnommen wird, und einen Kondensator (44) mit einem Einlaß für eine Strömung der dritten dampfförmigen Stickstofffraktion und einem Auslaß für Stickstoffkondensat aufweist, der mit der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks in Verbindung steht, wodurch im Betrieb der Anlage das Stickstoffkondensat einen Rückfluß für die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks bildet, weiter mit mindestens einer Pumpe (68) zum Abziehen eines Teils der oder der gesamten Sauerstoffproduktfraktion in flüssigem Zustand aus der Rektifiziersäule niedrigeren Drucks und zum Anheben der so abgezogenen Flüssigkeit auf einen höheren Druck sowie mit Mitteln (8) zum Erwärmen der druckbeaufschlagten Flüssigkeit auf eine nicht kryogene Temperatur, wobei die Verbindung zwischen der Gasturbine und der Doppelrektifiziersäule derart ist, daß im Betrieb mindestens 60 Vol.-% der Stickstoffproduktströmung aus der Doppelrektifiziersäule zur Gasturbine aus der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion entnommen wird, wobei die Rektifiziersäule (18) niedrigeren Drucks nur einen einzigen, ihr zugeordneten Rückverdampfer (20) aufweist, und wobei die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks so angeordnet ist, daß sie an ihrem oberen Ende auf einem Druck von weniger als 2 bar absolut arbeitet.
Anlage nach Anspruch 8, wobei die Verbindung zwischen der Gasturbine und der Doppelrektifiziersäule allein mit dem Bereich der Rektifiziersäule (16) höheren Drucks besteht, von welchem im Betrieb die erste dampfförmige Stickstofffraktion (61) erhalten wird.
Anlage nach Anspruch 8 oder 9, die zusätzlich Mittel (28) zum Einleiten mindestens eines Teils eines zweiten verflüssigten Luftstroms in die Rektifiziersäule höheren Drucks aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die des weiteren eine Turbo-Expansionseinrichtung (30) zum Einleiten eines dritten zu trennenden Luftstroms in die Rektifiziersäule (16) höheren Drucks umfasst.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die weiteren Trennmittel (32) eine weitere Rektifiziersäule mit einem zugeordneten Rückverdampfer (34) sind.
Anlage nach Anspruch 12, wobei der der weiteren Rektifiziersäule zugeordnete Rückverdampfer (34) so angeordnet ist, daß ihr durch einen Strom der ersten dampfförmigen Stickstofffraktion beheizt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Kondensator (44) so angeordnet ist, daß er durch den genannten Speisestrom beheizt wird.