DE60016874T2

DE60016874T2 - Luftzerlegung

Info

Publication number: DE60016874T2
Application number: DE60016874T
Authority: DE
Inventors: Paul Guilford Higginbotham
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: EP1094287A3; CA2323330A1; EP1094287A2; US6293126B1; CN1295228A; EP1094287B1; CA2323330C; GB9925097D0; JP2001165566A; CN1135354C; ATE285554T1; DE60016874D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Luft.
Die Trennung von Luft durch Rektifizierung ist in der Tat sehr gut bekannt. Die Rektifizierung ist ein Verfahren, bei welchem ein Massenaustausch zwischen einem absteigenden Flüssigkeitsstrom und einem aufsteigenden Dampfstrom derart bewirkt wird, daß der aufsteigende Dampfstrom mit einer flüchtigeren Komponente (Stickstoff) des zu trennenden Gemischs angereichert und der absteigende Flüssigkeitsstrom mit einer weniger flüchtigen Komponente (Sauerstoff) des zu trennenden Gemischs angereichert wird.
Insbesondere ist es bekannt, in einem Hauptwärmetauscher abgekühlte Luft in einer Anordnung von Rektifiziersäulen zu trennen, die eine Säule höheren Drucks und eine Säule niedrigeren Drucks umfasst. Eine anfängliche Trennung wird in der Säule höheren Drucks durchgeführt, und als Resultat wird eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeitsfraktion an deren Boden und eine Stickstoffdampffraktion in deren Kopf gebildet. Die Stickstoffdampffraktion wird kondensiert. Ein Teil des Kondensats stellt einen Rückfluß für die Säule höheren Drucks bereit, und ein anderer Teil des Kondensats bildet einen Rückfluß für die Säule niedrigeren Drucks. Ein Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit wird von der Säule höheren Drucks abgezogen und durch eine Expansionseinrichtung, normalerweise ein Ventil, in die Säule niedrigeren Drucks geleitet. Hier wird er in Sauerstoff- und Stickstofffraktionen getrennt, die rein oder unrein sein können. Stickstoff- und Sauerstoffprodukte werden typischerweise aus der Säule niedrigeren Drucks abgezogen und durch den Hauptwärmetauscher in Gegenstromwärmeaustausch mit dem ersten Strom verdichteter Luft zurückgeführt. Herkömmlicherweise wird der sauerstoffangereicherte Flüssigkeitsstrom stromauf der Expansionseinrichtung durch indirekten Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Stickstoffproduktstrom unterkühlt, der von der Säule niedrigeren Drucks abgezogen wird. Eine solche Unterkühlung reduziert die Entspannungsgasmenge, die bei der Expansion des Sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsstroms gebildet wird. Als Ergebnis können höhere Rückflussverhältnisse in den Bereichen der Säule niedrigeren Drucks unterhalb demjenigen erhalten werden, in welchem der sauerstoffangereicherte Flüssigkeitsstrom eingeleitet wird, wodurch der effiziente Betrieb der Säule niedrigeren Drucks erleichtert wird. Zusätzlich hat die Unterkühlung die Wirkung eines Anhebens der Temperatur des Stickstoffproduktstroms, der durch den Unterkühler gelangt. Dies begünstigt den Vorteil einer Reduzierung der Temperaturdifferenzen im Hauptwärmetauscher zwischen gekühlten Luftströmen und erwärmten Produktströmen und führt dadurch zu einem effizienteren Wärmeaustausch. Trotzdem trägt das Hinzufügen eines Unterkühlers zur Komplexität der Lufttrennanlage bei.
Die US-A-5 400 600 beschreibt ein Verfahren zum trennen von Luft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die EP-A-0 848 220 zeigt beispielsweise in Figur 8 eine Lufttrennanlage, in welcher ein aus der Säule höheren Drucks entnommener sauerstoffangereicherter Flüssigkeitsstrom im Hauptwärmetauscher unterkühlt wird. Die US-A-5 275 004 beschreibt die Verwendung des Hauptwärmetauschers zur Durchführung der Funktion des Rückverdampfer-Kondensators, der normalerweise den Kopf der Säule höheren Drucks in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Boden der Säule niedrigeren Drucks setzt. Weiter ist in der US-A-5 275 004 beschrieben, daß, wo der Prozeß das Unterkühlen eines flüssigen Prozessstroms in einem Unterkühler umfasst, die Wärmetauscherfunktion des Unterkühlers im Hauptwärmetauscher durchgeführt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das eine Vereinfachung einer Lufttrennanlage ermöglicht, die ohne Notwendigkeit eines übermäßigen Verlusts an betrieblicher Effizienz durchgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen von Luft vorgesehen, wobei ein erster Strom verdichteter Luft abgekühlt und stromab der Kühlung in einer Anordnung von Rektifiziersäulen rektifiziert wird, die eine Säule höheren Drucks und eine Säule niedrigeren Drucks umfasst, wobei ein Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit aus der Säule höheren Drucks abgezogen, expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, ein zweiter Strom verdichteter Luft auf einem höheren Druck als der erste Strom verdichteter Luft abgekühlt wird, wobei der erste und der zweite Strom verdichteter Luft in indirektem Gegenstromwärmeaustausch mit einem gasförmigen Stickstoffstrom abgekühlt werden, der von der Säule niedrigeren Drucks entnommen wird, der erste Strom verdichteter Luft aus der Wärmeaustauschbeziehung mit dem gasförmigen Stickstoffstrom auf einer höheren Temperatur als der zweite Strom herausgelangt, mindestens ein Teil des zweiten Luftstroms stromab seines Wärmeaustauschs mit dem Stickstoffstrom expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, und der Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit im wesentlichen mit konstanter Enthalpie von der Säule höheren Drucks zu ihrer Expansion gelangt, nämlich ein Verfahren zum Trennen von Luft, wobei ein erster Strom verdichteter Luft in einem Wärmetauscher abgekühlt und stromab des Abkühlens in einer Anordnung von Rektifiziersäulen rektifiziert wird, die eine Säule höheren Drucks und eine Säule niedrigeren Drucks umfasst, wobei ein Strom von sauerstoffangereicherter Flüssigkeit aus der Säule höheren Drucks abgezogen, expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, ein zweiter Strom verdichteter Luft auf einem höheren Druck als der erste Strom verdichteter Luft abgekühlt wird, der erste und der zweite Strom verdichteter Luft in indirektem Gegenstrom Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Stickstoffstrom gekühlt werden, der aus der Säule niedrigeren Drucks entnommen wird, der erste Strom verdichteter Luft aus dem Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Stickstoffstrom auf einer höheren Temperatur als der zweite Stromaustritt, mindestens ein Teil des zweiten Luftstroms stromab des Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, und der Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit im wesentlichen mit konstanter Enthalpie aus der Säule höheren Drucks zu seiner Expansion gelangt, wobei die gesamte Abkühlung des zweiten Stroms verdichteter Luft von 0°C in dem gleichen Wärmetauscher wie das Abkühlen des ersten Stroms verdichteter Luft erfolgt, und der zweite Luftstrom aus dem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom auf einer Temperatur von mindestens 5 K weniger als der Blasenpunkttemperatur der Luft bei dem am Einlaß für den ersten Strom verdichteter Luft zur Säule höheren Drucks herrschenden Druck herausgelangt.
Weil der Strom der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit mit konstanter Enthalpie zur ersten Expansionseinrichtung gelangt, gelangt er nicht durch einen Unterkühler. Das Weglassen eines Unterkühlers für den sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsstrom erleichtert die Herstellung der Lufttrennanlage, weil die Leitung, welche die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit von der Säule höheren Drucks zur Säule niedrigeren Drucks leitet, relativ nahe an den Säulen angeordnet sein kann und nicht durch einen herkömmlichen, vom Hauptwärmetauscher getrennten Unterkühler oder durch den Hauptwärmetauscher selbst in der Weise der entsprechenden, in Figur 8 der EP-A-0 848 220 gezeigten Leitung verlaufen muß. Des weiteren wird die nachteilige Wirkung des Betriebs der Säule niedrigeren Drucks durch das nicht erfolgende Unterkühlen des Stroms der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit weitgehend durch das Kühlen des zweiten Stroms der verdichteten Luft auf eine niedrigere Temperatur als dem ersten Luftstrom aufgehoben. Vorzugsweise gelangt der zweite Luftstrom aus dem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom auf einer Temperatur von mindestens 5 K und mehr vorzugsweise von mindestens 10 K weniger als der Blasenpunkttemperatur von Luft bei dem Druck am Einlaß zur Säule höheren Drucks heraus. Wenn er auf einem Druck von weniger als einem kritischen Druck zugeführt wird, wird der zweite Strom verdichteter Luft verflüssigt und in indirektem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom unterkühlt. Darüber hinaus, da viele Lufttrennverfahren Flüssigluft benützen, werden durch das Unterkühlen dieser Luft typischerweise nur wenig zusätzliche Kosten hinzugefügt. Tatsächlich wird die gesamte Kühlung des zweiten Stroms verdichteter Luft von 0°C vorzugsweise im gleichen Wärmetauscher bewirkt, indem auch der erste Strom verdichteter Luft gekühlt wird.
Der erste und der zweite Strom verdichteter Luft werden vorzugsweise ebenfalls durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Sauerstoffstrom gekühlt, der von der Säule niedrigeren Drucks abgezogen wird. Die Reinheit des Sauerstoffs kann gemäß den Anforderungen irgendeines Prozesses gewählt werden, zu welchem der Sauerstoff zugeführt wird.
Ein besonders effizienter Wärmeaustausch kann erreicht werden, wenn der Sauerstoffstrom in flüssigem Zustand von der Säule niedrigeren Drucks abgezogen und im Druck stromauf seines Wärmeaustauschs mit dem ersten und dem zweiten Strom verdichteter Luft angehoben wird.
Typischerweise umfasst die Anordnung von Rektifiziersäulen eine Doppelrektifiziersäule, in welcher ein oberer Bereich der Säule höheren Drucks in Wärmeaustauschbeziehung mit einem unteren Bereich der Säule niedrigeren Drucks durch einen Rückverdampfer-Kondensator gesetzt wird. Bei solchen Beispielen des Verfahrens und der Anlage nach der Erfindung, die eine Doppelrektifiziersäule benutzen, wird ein vorzugsweise vom Rückverdampfer-Kondensator abgezogener Strom flüssigen Stickstoffs unterkühlt, in einer dritten Expansionseinrichtung expandiert, und als Rückfluß in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet. Diese zusätzliche Unterkühlung wird vorzugsweise in indirektem Wärmeaustausch mit dem genannten gasförmigen Stickstoffstrom durchgeführt. Daher entfällt die Notwendigkeit, einen separaten Unterkühler für den flüssigen Stickstoff zu haben. Vor zugsweise gelangt der gasförmige Stickstoffstrom im wesentlichen mit konstanter Enthalpie aus der Säule niedrigeren Drucks in einen Hauptwärmetauscher, in welchem sein indirekter Gegenstromwärmeaustausch mit dem ersten und dem zweiten Strom verdichteter Luft durchgeführt wird. Alternativ kann ein Teil des Wärmeaustauschs in einem separaten Wärmetauscher zwischen dem gasförmigen Stickstoffstrom und dem flüssigen Stickstoffstrom stromauf des Eintritts des gasförmigen Stickstoffstroms in den Hauptwärmetauscher stattfinden.
Vorzugsweise wird nicht alles von dem gekühlten zweiten Strom verdichteter Luft in die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks eingeleitet. Ein Teil kann in die Rektifiziersäule höheren Drucks eingeleitet werden, um dort das Flüssigkeits-Dampf-Verhältnis in einem unteren Bereich jener Säule zu vergrößern. Typischerweise können die Wärmetauschmittel auch über eine vierte Expansionseinrichtung mit der Säule höheren Drucks in Verbindung stehen. Vorzugsweise ist jede Expansionseinrichtung ein Expansionsventil. Alternativ können eine oder mehrere der Expansionseinrichtungen, insbesondere die zweite Expansionseinrichtung, durch eine Turboexpander gebildet sein. Bei einer weiteren alternativen Anordnung kann die zweite Expansionseinrichtung eine Anordnung aus einem Turboexpander und einem Expansionsventil umfassen, das stromab des Turboexpanders gelegen ist, wobei der Turboexpander auch die vierte Expansionseinrichtung abgibt.
Bei einer zweckmäßigen Anordnung wird die gesamte Speiseluftströmung in einem Hauptverdichter verdichtet, wobei die resultierende verdichtete Speiseluft durch Adsorption gereinigt wird, und der erste Strom verdichteter Luft wird aus der gereinigten Speiseluft entnommen, und der Rest der gereinigten Speiseluft wird in einem Hilfsverdichter weiter verdichtet, um so den zweiten verdichteten Luftstrom zu bilden.
Die Kühlung für das Lufttrennverfahren und die Anlage nach der Erfindung kann nach irgendeinem zweckmäßigen Verfahren erfolgen. Gewünschtenfalls kann beispielsweise ein dritter Strom verdichteter Luft auf einer geeigneten Temperatur entweder vom ersten oder vom zweiten Strom verdichteter Luft entnommen und unter Leistung externer Arbeit expandiert werden, typischerweise in einem Turboexpander, und in eine der Rektifiziersäulen eingeleitet werden, typischerweise in die Säule niedrigeren Drucks. Wenn flüssige Produkte gesammelt werden, kann ein zweiter Turboexpander zum Bereitstellen einer zusätzli chen Kühlung eingesetzt werden. Das Verfahren nach der Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die ein schematisches Strömungsdiagramm einer Lufttrennanlage nach der Erfindung zeigt.
Die Zeichnung ist nicht maßstäblich.
Gemäß 1 der Zeichnung wird eine Luftströmung in einem Hauptluftverdichter 2 verdichtet. Die Verdichtungswärme wird von der resultierenden verdichteten Luft in einem Nachkühler (nicht dargestellt) abgezogen, der dem Hauptluftverdichter 2 zugeordnet ist. Die verdichtete Luftströmung wird in einer Adsorptionseinheit 4 gereinigt. Die Reinigung umfasst das Abscheiden von Verunreinigungen mit relativ hohem Siedepunkt, insbesondere Wasserdampf und Kohlendioxid, aus der Luft, die ansonsten in Niedertemperaturteilen der Anlage gefrieren würden. Andere Verunreinigungen wie ungesättigte Kohlenwasserstoffe werden auch typischerweise abgeschieden. Die Einheit 4 kann die Reinigung durch Druckwechseladsorption oder Temperaturwechseladsorption bewirken. Die Einheit 4 kann zusätzlich einen oder mehrere Schichten eines Katalysators für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Wasserstoffverunreinigungen zu Kohlendioxid bzw. Wasser enthalten. Die oxidierten Verunreinigungen können durch Adsorption abgeschieden werden. Eine solche Abscheidung von Kohlenmonoxid- und Wasserstoffverunreinigungen ist in der EP-A-438 282 beschrieben. Die Konstruktion und der Betrieb adsorptiver Reinigungseinheiten sind gut bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden.
Ein erster Strom verdichteter gereinigter Luft strömt von der Reinigungseinheit 4 zu einem Hauptwärmetauscher 6 mit einem warmen Ende 8 und einem kalten Ende 10. Abgesehen von einem Rückverdampfer-Kondensator 24, dessen Betrieb unten beschrieben wird, ist der Hauptwärmetauscher 6 der einzige Wärmetauscher in der dargestellten Anlage. Der erste Strom verdichteter Luft tritt in den Hauptwärmetauscher 6 an dessen warmem Ende 8 ein und strömt den größten Teil des Wegs durch den Hauptwärmetauscher 6 und wird von diesem stromauf dessen kaltem Ende 10, aber auf einer für seine Trennung durch Rektifizierung geeigneten Temperatur abgezogen. Der Hauptwärmetauscher 6 kann als drei fortlaufende Bereiche aufweisend angesehen werden. Diese sind ein erster Bereich 12, der sich vom warmen Ende 8 des Hauptwärmetauschers 6 aus erstreckt und einen Bereich darstellt, in dem nur fühlbare Wärme zwischen gasförmigen Strömen ausgetauscht wird. Das Ende des ersten Bereichs 12 tritt an einer Stelle im Hauptwärmetauscher 6 auf, wo der gekühlte Luftstrom seine Phase von Dampf zu Flüssigkeit zu ändern beginnt und/oder ein erwärmter Rückstrom eine Änderung vom Flüssigkeits- zum Dampfzustand erfährt. Von diesem Punkt bis zu einem Punkt näher am kalten Ende 10 des Hauptwärmetauschers 6 erstreckt sich ein zweiter Bereich 14, der ein solcher ist, in dem ein zweiter gekühlter Strom verdichteter Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Flüssigkeitsstrom verflüssigt wird. Der dritte Bereich 16, der am kalten Ende 10 des Hauptwärmetauschers 6 endigt, ist ein Unterkühlbereich.
Der erste Strom verdichteter Luft wird im Dampfzustand aus dem ersten Bereich 12 des Hauptwärmetauschers 6 auf einer für seine Trennung durch Rektifizierung geeigneten Temperatur abgezogen. Der Hauptwärmetauscher 6 kann von der Platten-Rippen-Bauart sein und kann einen einzigen Wärmeblock oder eine Mehrzahl von Wärmetauscherblöcken umfassend. Der erste Luftstrom strömt im wesentlichen mit konstanter Enthalpie und isobarisch zu einer Säule 20 höheren Drucks und wird in deren Boden durch einen Einlaß 21 eingeleitet. Die Säule 20 höheren Drucks bildet einen Teil einer Doppelrektifiziersäule 18, die außer der Säule 20 höheren Drucks eine Säule 22 niedrigeren Drucks umfasst. Der Kopf der Säule 20 höheren Drucks ist in Wärmeaustauschbeziehung mit der Säule 22 niedrigeren Drucks durch den Rückverdampfer-Kondensator 24 gesetzt.
Der Rest der verdichteten gereinigten Luft, d. h. derjenige Teil der die Reinigungseinheit 4 verlassenden Luft, die nicht als der erste Strom verdichteter Luft entnommen wird, wird in einem Hilfsverdichter 26 weiter verdichtet, um so den zweiten Strom verdichteter Luft auf einem höheren Druck als der erste Strom zu bilden. Der zweite Strom verdichteter Luft wird in einem dem Hilfsverdichter 26 zugeordneten Nachkühler (nicht dargestellt) abgekühlt, um die Verdichtungswärme von der Luft abzuführen. Der zweite Luftstrom wird daher auf eine Temperatur ein wenig oberhalb Umgebungstemperatur abgekühlt. Der so abgekühlte zweite Strom verdichteter Luft strömt durch den Hauptwärmetauscher 6 von dessen warmen Ende 8 bis nahezu dessem kalten Ende 10. Dementsprechend erfolgt die Kühlung des zweiten Stroms verdichteter Luft von dessen Eintrittstemperatur auf 0°C und von 0°C auf seine Austrittstemperatur am kalten Ende 10 im gleichen Wärmetauscher wie das Kühlen des ersten Stroms verdichteter Luft. Der zweite Strom verdichteter Luft wird im zweiten (Verflüssigungs-)Bereich 14 kondensiert und auf unterhalb seiner Sättigungs temperatur im dritten (Unterkühlungs-)Bereich 16 des Hauptwärmetauschers 6 abgekühlt. Der zweite Strom der verdichteten Luft verlässt den Hauptwärmetauscher 6 ein kurzes Stück vor dessen kaltem Ende auf einer Tempertur, die um mindestens 10 K niedriger als die Blasenpunkttemperatur der Luft auf dem Druck liegt, bei welchem der erste Strom verdichteter Luft in die Säule 20 höheren Drucks eintritt. Typischerweise wird der Hauptwärmetauscher 6 so betrieben, daß an dessem kalten Ende 10 eine mittlere Temperaturdifferenz von nicht mehr als etwa 3 K zwischen erwärmten Strömen und gekühlten Strömen liegt.
Ein Teil des unterkühlten zweiten Luftstroms wird durch ein Expansionsventil 28 expandiert und in einen Zwischenmassenaustauschbereich der Säule 22 niedrigeren Drucks durch einen Einlaß 30 eingeleitet. Der Rest des unterkühlten zweiten Luftstroms wird durch ein weiteres Expansionsventil 32 expandiert und in einen Zwischenmassenaustauschbereich der Säule 20 höheren Drucks durch einen Einlaß 34 eingeleitet. Typischerweise strömen etwa 2 Drittel des unterkühlten zweiten Luftstroms in die Säule 22 niedrigeren Drucks.
Luft wird in der Säule 20 höheren Drucks in eine Stickstoff-Dampfphase, die sich an deren Kopf sammelt, und eine sauerstoffangereichte Flüssigkeitsphase getrennt, die sich an ihrem Boden sammelt. Ein Strom der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit wird vom Boden der Säule 20 höheren Drucks durch einen Auslaß 36 abgezogen.
Eine Leitung 38 für die Strömung des Stroms der sauerstoffangereicherten Flüssigkeit verläuft vom Auslaß 36 der Säule 20 höheren Drucks zu einem Einlaß 40 in einen Zwischenbereich der Säule 22 niedrigeren Drucks. Typischerweise liegt der Bereich der Säule 22, der von dem Einlaß 40 bedient wird, unterhalb demjenigen, der vom Einlaß 30 bedient wird. Ein Expansionsventil 42 ist in der Leitung 38 angeordnet. Die Flüssigkeit wird keinem Wärmeaustausch in der Leitung 38 stromauf des Expansionsventils 42 (oder stromab dieses Ventils) unterzogen und strömt daher mit im wesentlicher konstanter Enthalpie zu dem Ventil 42. Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit entspannt sich im Ventil 42, und ein Gemisch aus restlicher Flüssigkeit und Entspannungsgas tritt in die Säule 22 niedrigeren Drucks durch den Einlaß 40 ein.
Ein Strom der in der Säule 20 höheren Drucks abgetrennten Stickstoffdampffraktion wird von dieser abgezogen und im Rückverdampfer-Kondensator 24 durch indirekten Wärmeaustausch mit siedendem Sauerstoff kondensiert. Ein Teil des resultierenden Kondensats (flüssiger Stickstoff) wird zum Kopf der Säule 20 höheren Drucks zurückgeleitet und bildet einen Rückfluß zur Trennung von Luft in dieser.
Der Rest des Flüssigstickstoffkondensats strömt vom Rückverdampfer-Kondensator 24 in den Unterkühlungsbereich 16 des Hauptwärmetauschers 6 und gelangt zum kalten Ende 10 des Hauptwärmetauschers 6 und wird dadurch unterkühlt. Der resultierende unterkühlte flüssige Stickstoffstrom verlässt den Hauptwärmetauscher an oder stromauf seines kalten Endes, strömt durch ein weiteres Expansionsventil 44, wird in den Kopf der Säule 22 niedrigeren Drucks durch einen Einlaß 48 eingeleitet, und bildet einen Rückfluß für die Säule 22 niedrigeren Drucks.
Der in die Säule 22 niedrigeren Drucks durch den Einlaß 30 eingeleitete Luftstrom ist nicht der einzige Luftstrom, der darin getrennt wird. Ein Strom verdichteter Luft wird vom ersten Strom verdichteter Luft abgezogen, während er durch den ersten Bereich 12 des Hauptwärmetauschers 6 gelangt und unter Leistung externer Arbeit in einem Turboexpander 50 expandiert und in die Säule 22 niedrigeren Drucks durch einen Einlaß 52 eingeleitet wird, der auf im wesentlichen der gleichen Höhe wie der Einlaß 40 angeordnet ist. Die vom Turboexpander 50 geleistete externe Arbeit kann beispielsweise der Betrieb eines elektrischen Generators 54 sein.
Die verschiedenen in die Säule 22 niedrigeren Drucks eingeleiteten Luftströme werden darin durch Rektifizierung in eine obere Stickstoffdampffraktion und die flüssige Sauerstofffraktion am Boden getrennt. Die flüssige Sauerstofffraktion kann mehr als 99 Molprozent Sauerstoff enthalten, kann aber alternativ unrein sein, typischerweise eine Sauerstoffkonzentration im Bereich von 80 bis 97 Molprozent haben. Ein Stickstoffdampfstrom wird von einem Auslaß 56 am oberen Ende der Säule 22 niedrigeren Drucks abgezogen und strömt im wesentlichen mit konstanter Enthalpie direkt zum kalten Ende 10 des Hauptwärmetauschers 6. Er strömt durch den Unterkühlungsbereich 16 des Hauptwärmetauschers 6 im Gegenstrom zum zweiten Strom verdichteter Luft und bewirkt dadurch das Unterkühlen dieses Stroms und auch des flüssigen Stickstoffstroms, der als Rückfluß zum Kopf der Säule 22 niedrigeren Drucks zugeführt wird. Der gasförmige Stickstoffstrom strömt aus dem Unterkühlungsbereich 16 des Hauptwärmetauschers 6 zu dessen Verflüssigungsbereich 14 und dann zu dessen fühlbaren Abkühlbereich 12 stromauf des Austritts aus dem Hauptwärmetauscher 6 durch dessen warmes Ende 8 auf ungefähr Umgebungstemperatur. Ein flüssiger Sauerstoffproduktstrom wird mittels einer Pumpe 60 durch einen Auslaß 58 am Boden der Säule 22 niedrigeren Drucks abgezogen. Die Pumpe 60 hebt den Druck des flüssigen Sauerstoffstroms auf einen gewählten Druck an und leitet ihn zum Hauptwärmetauscher 6, wo er direkt in dessen Verflüssigungsbereich 14 eintritt. Der druckbeaufschlagte flüssige Sauerstoff gelangt durch diesen Bereich im Gegenstrom zum ersten und zweiten Strom verdichteter Luft hindurch. Der druckbeaufschlagte flüssige Sauerstoffstrom wird in diesem Bereich durch indirekten Gegenstromwärmeaustausch mit insbesondere dem sich verflüssigenden zweiten Luftstrom verdampft. Der resultierende verdampfte Sauerstoffstrom wird durch den Durchgang durch den Bereich 12 fühlbarer Wärme des Hauptwärmetauschers 6 erwärmt und verlässt das warme Ende 8 ungefähr auf Umgebungstemperatur.
Der Druck des zweiten Stroms verdichteter Luft kann entsprechend dem Druck des Sauerstoffproduktstroms gewählt werden, um so die Temperaturdifferenz zwischen erwärmten Strömen und gekühlten Strömen im Hauptwärmetauschers 6 niedrig zu halten. Die Verteilung des unterkühlten Stroms flüssiger Luft zwischen den Säulen höheren und niedrigeren Drucks kann so bestimmt werden, daß die günstigsten Rektifizierbedingungen in diesen beiden Säulen erreicht werden. Das Einleiten von flüssiger Luft in die Säule 22 niedrigeren Drucks durch ein Einlaß 30 kompensiert den Verlust an flüssigem Rückfluß, wenn der sauerstoffangereicherte Flüssigkeitsstrom durch das Ventil 42 entspannungsverdampft wird. Trotz der Einfachheit der in 1 gezeigten Anlage ist diese daher in der Lage, mit brauchbarer Effizienz betrieben zu werden. In einem typischen Beispiel beträgt der Betriebsdruck der Säule höheren Drucks an deren Boden 5,4 bar, der Betriebsdruck der Säule 22 niedrigeren Drucks an ihrem Kopf 1,4 bar, der Auslassdruck des Hilfsverdichters 26 beträgt 15,4 bar, und der Auslassdruck der Flüssigsauerstoffpumpe 60 beträgt 6,5 bar.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können an der in der Zeichnung dargestellten Anlage vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Hauptwärmetauscher 6 drei separate Wärmetauscher umfassen, die den Bereichen 12, 14 und 16 entsprechen. Des wei teren kann statt einer Doppelrektifiziersäule 18 mit einem einzigen Rückverdampfer-Kondensator-24 eine Doppelrückverdampferanordnung benutzt werden. Darüber hinaus, insbesondere wenn die Säule niedrigeren Drucks zum Erzeugen eines Sauerstoffprodukts mit mehr als 99 Molprozent Sauerstoff benutzt wird, kann zusätzlich ein Argonprodukt unter Verwendung einer herkömmlichen Argon-"Seitenzweig"-Säule (nicht dargestellt) erzeugt werden. In diesem Fall kann ein Teil oder alles von dem expandierten Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit statt des Leitens direkt zur Säule 22 niedrigeren Drucks in einem Kopfkondensator abgekühlt werden, der der Seitenarmsäule zugeordnet ist. Des weiteren ist es nicht wesentlich, daß das Sauerstoffprodukt aus der Säule 22 niedrigeren Drucks in flüssigem Zustand abgezogen wird. Gewünschtenfalls kann es im Dampfzustand entnommen werden. Eine weitere Option ist die Erzeugung eines Teils des Sauerstoffs und/oder des Stickstoffprodukts als Flüssigkeit. Diese Option erfordert typischerweise eine größere Produktion an flüssiger Luft, als wenn dampfförmige Produkte erzeugt werden, und können leicht durch das Verfahren nach der Erfindung angepasst werden.
Der zweite Strom verdichteter Luft kann gewünschtenfalls auf überkritischem Druck bereitgestellt werden. Wenn dies der Fall ist, bleibt der zweite Strom verdichteter Luft während seines Durchgangs durch den Hauptwärmetauscher 6 ein überkritisches Medium und wird nicht als solches verflüssigt. Trotzdem vermindert die Bereitstellung des zweiten Stroms verdichteter Luft auf überkritischem Druck nicht die wesentlichen Vorteile des Verfahrens und der Anlage nach der Erfindung.

Claims

Verfahren zum Trennen von Luft, wobei ein erster Strom verdichteter Luft in einem Wärmetauscher abgekühlt und stromab des Abkühlens in einer Anordnung von Rektifiziersäulen rektifiziert wird, die eine Säule höheren Drucks und eine Säule niedrigeren Drucks umfasst, wobei ein Strom von sauerstoffangereicherter Flüssigkeit aus der Säule höheren Drucks abgezogen, expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, ein zweiter Strom verdichteter Luft auf einem höheren Druck als der erste Strom verdichteter Luft abgekühlt wird, der erste und der zweite Strom verdichteter Luft in indirektem Gegenstrom-Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Stickstoffstrom gekühlt werden, der aus der Säule niedrigeren Drucks entnommen wird, der erste Strom verdichteter Luft aus dem Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Stickstoffstrom auf einer höheren Temperatur als der zweite Strom austritt, mindestens ein Teil des zweiten Luftstroms stromab des Wärmeaustauschs mit dem Stickstoffstrom expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird, wobei die gesamte Abkühlung des zweiten Stroms verdichteter Luft von einer Einlasstemperatur von 0°C im selben Wärmetauscher wie das Abkühlen des ersten Stroms verdichteter Luft erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom sauerstoffangereicherter Flüssigkeit im wesentlichen mit konstanter Enthalpie von der Säule höheren Drucks zu seiner Expansion gelangt und der zweite Luftstrom aus dem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom mit einer Temperatur von mindestens 5 K niedriger als die Blasenpunkttemperatur von Luft bei dem am Einlaß für den ersten Strom verdichteter Luft zur Säule höheren Drucks vorherrschenden Druck austritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Luftstrom aus dem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffstrom auf einer Temperatur von mindestens 10 K niedriger als die Blasenpunkttemperatur von Luft auf dem am Einlaß für den ersten Strom verdichteter Luft zur Säule höheren Drucks vorherrschenden Druck herausgelangt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Strom verdichteter Luft ebenfalls durch indirekten Wärmeaustausch mit einem aus der Säule niedrigeren Drucks abgezogenen Sauerstoffstrom abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Sauerstoffstrom in flüssigem Zustand aus der Säule niedrigeren Drucks abgezogen und stromauf seines Wärmeaustauschs mit dem ersten und dem zweiten Strom verdichteter Luft im Druck angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung von Rektifiziersäulen eine Doppelrektifiziersäule umfasst, wobei ein oberer Bereich der Säule höheren Drucks über einen Rückverdampfer-Kondensator in Wärmeaustauschbeziehung mit einem unteren Bereich der Säule niedrigeren Drucks steht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Strom flüssigen Stickstoffs aus dem Kondensator-Rückverdampfer abgezogen, in indirektem Wärmeaustausch mit dem genannten gasförmigen Stickstoffstrom unterkühlt, expandiert und als Rückfluß in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gasförmige Stickstoffstrom im wesentlichen mit konstanter Enthalpie aus der Säule niedrigeren Drucks in den Wärmetauscher gelangt, in welchem der indirekte Gegenstrom-Wärmeaustausch desselben mit dem ersten und dem zweiten Strom verdichteter Luft durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der unterkühlte zweite Strom verdichteter Luft in zwei Teilströme unterteilt wird, von denen ein Teilstrom expandiert und in die Säule niedrigeren Drucks eingeleitet und der andere Teilstrom expandiert und in die Säule höheren Drucks eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Strom verdichteter Luft aus dem ersten oder zweiten Strom verdichteter Luft entnommen, unter Leistung externer Arbeit expandiert und in die Rektifiziersäule niedrigeren Drucks eingeleitet wird.