DE60019198T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Rektifikation der Gase der Luft, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zerlegung von Luft durch Tiefsttemperaturrektifikation. Sie erlaubt eine Verbesserung der Sauerstoffausbeute und damit auch der Energieausnutzung bei Rektifikationsschemen, die normalerweise keine Zufuhr von verflüssigter Luft in die Kolonnen umfassen, und deren Kühlleistung durch Luftentspannung gedeckt wird (Turbine mit Ölbremse, Generator, oder selbstverstärkende Turbine). Der Energiegewinn, wenn diese Erfindung bei einer Luftzerlegungsanlage implementiert wird beläuft sich auf 3,5 % als Trennarbeit des Sauerstoffes (siehe Fallbeispiel unten).
  • Das stellt einen bedeutenden Fortschritt dar in einem schon gut erforschten Bereich, wo Gewinne oberhalb von 1 % willkommen sind, vor allem in Ländern, wo die Energiekosten hoch sind.
  • Die grundlegenden Rektifikationsverfahren, bei denen die Erfindung verwendet werden kann, sind Verfahren, die normalerweise keine Zufuhr von verflüssigter Luft in die Rektifikationskolonnen umfassen.
  • Diese grundlegenden Verfahren sind die Trennverfahren für die Gase der Luft mit Luftkompression, Vorkühlung der komprimierten Luft, Reinigung der Luft, Abkühlung der Luft in einem Hauptwärmetauscher, Auftrennung der Luft in einer Rektifikationskolonne, die mindestens eine Mitteldruckkolonne und eine Niederdruckkolonne umfasst, und Unterkühlung der Flüssigkeiten, die als Rückfluss von der Mitteldruckkolonne zur Niederdruckkolonne zurückfließen. Unter den betroffenen Schemen können wir zitieren: Doppelkolonne (einfacher Zyklus), die Sauerstoff mit niedrigem Druck am Ausgang des Kryostaten herstellt.
  • Ein Anwendungsfall: Herstellung unreinen Sauerstoffs mit Mitteldruckkolonne (MP) und Niederdruckkolonne (BP) unter Druck (Rückstandsverwertung). In diesem Fall macht sich die geringere Ausbeute aufgrund des geringeren Rückflusses (schwierigere Rektifikation in der Mitteldruckkolonne MP) schmerzlich bemerkbar. Diese Erfindung erlaubt es, die Ausbeute in diesem Fall zu verbessern.
  • Doppelkolonne mit Mischkolonne
  • Bei dieser Art von Schema, die Sauerstoff direkt unter Druck produziert (5 bar, zum Beispiel), indem der Vorrichtung nur das Minimum an Energie zugeführt wird (im Vergleich zu einem Schema mit Pumpe), erreicht man für eine Ausbeute von 99 % O2 eine Produktion von 1,1 Stickstoff mit mittlerem Druck (ein mögliches Kennzeichen der überhöhten Rektifikationstrennleistung beim gasförmigen Stickstoff unter mittlerem Druck) (Einblasturbine, 2000 t/Tag, 95 %iger Sauerstoff und 5 bar, hohe Anzahl von Böden).
  • Für kleinere Anlagen kann die Ausbeute von 99 % nicht mehr erreicht werden. Auch hier wird mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Ausbeute erreicht.
  • Bei diesen beiden Schemen werden wir so die Sauerstoffausbeuten verbessern können (oder die Menge des erzeugten Stickstoffs bei mittlerem Druck, wenn die Sauerstoffausbeute schon hoch ist) und so die Energienutzung der Luftzerlegungseinheit verbessern können. Dies führt natürlich zu erheblichen Geldeinsparungen.
  • Es ist aus EP-A-0 556 516 bekannt, einen Luftstrom, der aus einer Einblasturbine kommt, in einem Verdampfer/Kondensator zu kondensieren, entweder bei einer Zwischenhöhe der Niederdruckkolonne, oder gespeist von einer Flüssigkeit, die von der Mitteldruckkolonne oder der Niederdruckkolonne kommt. Die so verflüssigte Luft wird in die Niederdruckkolonne eingespeist, aber stellt nicht den einzigen Zustrom von flüssiger Luft in die Vorrichtung dar, da auch im Sumpfkondensator der Vorrichtung Luft verflüssigt wird, und den beiden Kolonnen der Doppelsäule zugeführt wird.
  • EP-A-0 381 319 beschreibt ein Kolonnensystem, in dem ein Luftstrom gegen einen Strom mit 95 Vol.% Sauerstoff verdampft wird.
  • US-Patentschrift 5,765,396 betrifft ein klassisches Verfahren mit Pumpe, in dem ein Luftstrom gegen eine Flüssigkeit kondensiert, die zwischen 98 und 100 mol% enthält.
  • US-Patentschriften 5,582,035 und 5,291,737 offenbaren Verfahren zur Luftzerlegung mit Mischsäule, in denen die ganze Luft gasförmig in die Säulen eingebracht wird.
  • US-Patentschrift 3,754,406 schlägt vor, angereicherte Flüssigkeit der Mitteldruckkolonne einer Doppelkolonne gegen gasförmigen Stickstoff mittleren Drucks zu Verdampfen. Luft wird durch Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff, der aus der Niederdrucksäule gepumpt und dorthin zurückgeführt wird, verflüssigt.
  • Nach einem Ziel der Erfindung, ist eine Vorrichtung zur Luftzerlegung nach Anspruch 1 vorgesehen.
  • Wahlweise stellt zumindest teilweise kondensierte Luft, die der Niederdruckkolonne zugeführt wird den einzigen Strom von verflüssigter Luft dar, der dem Kolonnensystem zugeführt wird.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung Mittel, um die Luft unter Arbeitsabgabe zu entspannen, bevor sie dem zweiten Verdampfer/Kondensator zugeführt wird und/oder Mittel, um die Luft bis zu ihrem Taupunkt abzukühlen, bevor sie dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird.
  • Die mindestens teilweise kondensierte Luft kann der Niederdruckkolonne und/oder der Mitteldruckkolonne und/oder einer anderen Kolonne des Kolonnensystems zugeführt werden.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mischsäule, in die am Kopf eine sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdrucksäule eingespeist wird, und in die im Sumpf ein Gas eingespeist wird, das flüchtiger ist als die sauerstoffreiche Flüssigkeit.
  • Es können Mittel vorhanden sein, um ein stickstoffreiches Gas am Kopf der Mitteldrucksäule abzuziehen.
  • Vorzugsweise hat die Niederdruckkolonne keinen Kopfkondensator. Nach einem anderen Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Luftzerlegung nach Anspruch 7 vorgesehen.
  • Nach anderen, fakultativen Aspekten:
    • – entspannt man den zweiten Strom in einer Turbine, bevor mindestens ein Teil davon dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird;
    • – führt man eine sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdrucksäule zum Kopf einer Mischsäule, und führt ein Gas, das flüchtiger ist als die Flüssigkeit zum Sumpf der Mischsäule, zum Beispiel Luft;
    • – zieht man Stickstoff vom Kopf der Mitteldrucksäule ab.
  • Gasförmige Luft, die aus einer Turbine kommt, kann in dem zweiten Verdampfer/Kondensator gegen einen Teil der angereicherten Flüssigkeit, die aus der Mitteldruckkolonne kommt, kondensiert werden. Diese Fraktion der Flüssigkeit verdampft beim Druck der Niederdruckkolonne und wird anschließend auf einer Höhe unterhalb der Haupteinspeisung der angereicherten Flüssigkeit in die Niederdruckkolonne geführt. Die verflüssigte Luft wird dagegen zum Beispiel in die Niederdruckkolonne eingespeist, auf einer Höhe, die zwischen der angereicherten und der abgereicherten Flüssigkeit liegt (siehe beiliegende Zeichnungen).
  • Der entscheidende Vorteil des Hinzufügens dieses zweiten Verdampfers/Kondensators ist, dass dieser durch das Destillieren eines Teils der angereicherten Flüssigkeit flüssige Luft erzeugt, die den Rückfluss im oberen Teil der Niederdruckkolonne, zusätzlich zu der abgereicherten Flüssigkeit, sicherstellt. Das Rektifikationsdiagramm der Niederdruckkolonne wird so verbessert. Auch wenn aufgrund einer Erhöhung des eingeblasenen Luftstroms (geringerer Entspannungsgrad) weniger Luft in die Mitteldruckkolonne eingespeist wird, geht der Gesamteffekt in die Richtung einer Erhöhung der Rektifikationsleistung.
  • Die Erfindung wird jetzt in größerem Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren:
  • 1 ist ein Schema einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, 2 ist ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In 1 wird ein Luftstrom von 5,25 bar aufgeteilt, um einen Luftstrom 2 von 188135 Nm3/h und einen Luftstrom 81 von 12900Nm3/h zu bilden. Der Luftstrom 2 kühlt sich im Wärmetauscher 100 ab und wird dem Sumpf der Mitteldruckkolonne 104 zugeführt. Der Luftstrom 81 wird auf 8,7 bar komprimiert, im Wärmetauscher 100 teilweise abgekühlt, und in der Einblasturbine 103 entspannt, bevor er der Niederdruckkolonne 105 zugeführt wird.
  • Die Mitteldruckkolonne 104 arbeitet bei 5 bar und die Niederdruckkolonne 105 arbeitet bei 1,3 bar. Die Kolonnen sind thermisch durch einen ersten Verdampfer/Kondensator 111 verbunden.
  • Die Vorrichtung produziert flüssigen Sauerstoff 46 und flüssigen Stickstoff 36. Die angereicherte Flüssigkeit der Mitteldrucksäule 104 wird der Niederdrucksäule 105 oberhalb der Höhe der Einblasluft zugeführt.
  • Flüssiger Sauerstoff 50, der aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogen wird, wird zum Kopf der Mischsäule 107 geführt, nachdem er auf 5,1 bar gepumpt wurde. Ein dritter Luftstrom 90 kühlt sich im Wärmetauscher 100 vollständig ab, und wird am Sumpf in die Mischsäule eingespeist. Eine Sumpfflüssigkeit 93 und mindestens eine Flüssigkeit von einer Zwischenhöhe, die aus der Mischsäule abgezogen werden, werden der Niederdruckssäule zugeführt, während ein Sauerstoffstrom, der 54 bis 95 mol% Sauerstoff enthält, am Kopf der Mischsäule abgezogen wird, und sich im Wärmetauscher mit 3100 Nm3/h Mitteldruck-Stickstoff und dem Niederdruckrückstand erwärmt.
  • In 2 findet man die gleichen Kolonnen und Wärmetauscher wieder, die auf die gleiche Art gespeist werden, außer dass die gesamte Luft 86 aus der Einblasturbine in den zweiten Verdampfer- Kondensator 109 geführt wird, wo sie gegen einen Teil der angereicherten Flüssigkeit 18, die dort mindestens teilweise verdampft, kondensiert wird. Die verflüssigte Luft wird in einem Ventil entspannt und der Niederdrucksäule einige Böden oberhalb der Einspeisung der abgereicherten Flüssigkeit aus der Niederdrucksäule zugeführt.
  • Die angereicherte Flüssigkeit 18, die zum zweiten Verdampfer/Kondensator 109 geführt wird, macht 37 % der Gesamtmenge der angereicherten Flüssigkeit aus, und verdampft in dem zweiten Verdampfer/Kondensator, um anschließend einige theoretische Böden oberhalb des ersten Verdampfer-Kondensators 111 der Niederdruckkolonne zugeführt zu werden.
  • Dies erlaubt es, 11400 Nm3/h gasförmigen Stickstoff 30 mit mittlerem Druck abzuziehen.
  • Die Ergebnisse der Anwendung dieser Erfindung auf ein Schema mit Mischsäule
    Figure 00070001
  • Die Vorrichtung kann eine Argonkolonne oder eine Kolonne mit einem zwischen dem Mitteldruck und dem Niederdruck liegenden Druck umfassen.
  • Die für die Vorrichtung nötige Kälte kann durch eine Claude-Turbine oder eine Stickstoffturbine oder eine Kombination von mehreren Turbinen erzeugt werden.
  • Die Niederdruckkolonne kann mindestens zwei Verdampfer-Kondensatoren umfassen, wobei der Sumpfverdampfer zum Beispiel mit komprimiertem Stickstoff gespeist wird.
  • Die Mischsäule kann bei gleichem, höherem oder niedrigerem Druck arbeiten wie die Mitteldruckkolonne.
  • Eine stickstoff- oder sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Vorrichtung kann auf Druck gebracht werden, zum Beispiel mit einer Pumpe, und im Wärmetauscher 100 oder einem anderen Wärmetauscher verdampft werden, zum Beispiel durch Wärmeaustausch mit der Luft, um ein gasförmiges Produkt unter Druck zu liefern.
  • Die Niederdrucksäule kann bei einem Druck zwischen 1,5 und 10 Bar betrieben werden. Um Sauerstoff direkt unter Druck zu produzieren, wird die Niederdrucksäule zwischen 4 und 10 Bar betrieben.
  • Ein Teil der Luft der Einblasturbine kann in die Mischsäule geführt werden.
  • Die Mitteldruck- und Niederdrucksäulen können nebeneinander gebaut werden.
  • Das Verfahren kann eine Produktion von gasförmigem Sauerstoff erlauben, indem ein gasförmiger Sauerstoffstrom am Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogen wird. Das Gas erwärmt sich im Wärmetauscher 100 und kann eventuell, wenn es erwärmt ist, komprimiert werden.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Luftzerlegung, umfassend ein System von Kolonnen, das mindestens eine Doppelkolonne umfasst, die eine Mitteldruckkolonne (104) und eine Niederdruckkolonne (105) umfasst, die thermisch miteinander verbunden sind über einen ersten Verdampfer-Kondensator (111), wo das Kopfgas der Mitteldruckkolonne kondensiert wird, Mittel, um gereinigte Druckluft einem Wärmetauscher (100) zuzuführen, wo sie abgekühlt wird, Mittel (2), um die abgekühlte Luft gasförmig der Mitteldruckkolonne zuzuführen, Mittel, um eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne der Niederdruckkolonne zuzuführen, wo sie durch Tieftemperaturrektifikation aufgetrennt wird, Mittel, um eine mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne der Niederdruckkolonne zuzuführen, Mittel, um eine stickstoffreiche Flüssigkeit und eine sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdruckkolonne abzuziehen, einen zweiten Verdampfer-Kondensator (109), Mittel (86), um Luft dem zweiten Verdampfer-Kondensator zuzuführen, wo sie zumindest teilweise kondensiert, und Mittel, um die mindestens teilweise kondensierte Luft der Niederdruckkolonne zuzuführen und wobei die mindestens teilweise kondensierte Luft, die der Niederdruckkolonne (104) zugeführt wird den einzigen Strom verflüssigter Luft umfasst, der dem Kolonnensystem zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit, die dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird, von der Mitteldruckkolonne kommt, wobei die Anlage Mittel umfasst, um einen Teil der Sumpfflüssigkeit der Mitteldruckkolonne (104) direkt der Niederdruckkolonne (105) auf einer ersten Höhe zuzuführen, und einen anderen Teil (18) der Sumpfflüssigkeit der Mitteldruckkolonne dem zweiten Verdampfer-Kondensator (109) zuzuführen, und Mittel, um die im zweiten Verdampfer-Kondensator verdampfte Flüssigkeit auf einer geringeren als der ersten Höhe der Niederdruckkolonne zuzuführen, wobei die Flüssigkeit (18), die dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird, zwischen 22 und 70 mol%, eventuell zwischen 22 und 35 mol% Sauerstoff enthält.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die Mittel (103) umfasst, um die Luft unter Arbeitsleistung zu entspannen, bevor sie dem zweiten Verdampfer-Kondensator (109) zugeführt wird.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mittel umfasst, um die Luft bis zum Taupunkt abzukühlen, bevor sie dem zweiten Verdampfer-Kondensator (109) zugeführt wird.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Mischkolonne (107) umfasst, in die am Kopf eine sauerstoffreiche Flüssigkeit (50) eingespeist wird, die von der Niederdruckkolonne kommt, und in die im Sumpf ein Gas (90) eingespeist wird, das flüchtiger ist als die sauerstoffreiche Flüssigkeit.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Mittel (30) umfasst, um ein stickstoffreiches Gas am Kopf der Mitteldruckkolonne abzuziehen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckkolonne keinen Kopfkondensator hat.
  7. Verfahren zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation in einer Vorrichtung, die mindestens eine Doppelkolonne mit einer Mitteldruckkolonne (104) und einer Niederdruckkolonne (105) umfasst, die thermisch miteinander durch einen ersten Verdampfer-Kondensator (111) verbunden sind, wobei ein gereinigter, abgekühlter Druckluftstrom (2) gasförmig der Mitteldruckkolonne zugeführt wird, eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne der Niederdruckkolonne zugeführt wird, wo sie durch Tieftemperaturrektifikation aufgetrennt wird, eine mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit von der Mitteldruckkolonne der Niederdruckkolonne zugeführt wird, eine sauerstoffreiche Flüssigkeit und eine stickstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdruckkolonne abgezogen werden, ein zweiter gereinigter und abgekühlter Druckluftstrom (86) einem zweiten Verdampfer-Kondensator (109) zugeführt wird, wo er zumindest teilweise kondensiert durch Wärmeaustausch mit einer Flüssigkeit (18), die aus der Mitteldruckkolonne (104) kommt, die mindestens teilweise kondensierte Luft der Niederdruckkolonne zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit (18), die dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird, zwischen 22 und 70 mol% Sauerstoff enthält, eventuell zwischen 22 und 35 mol% Sauerstoff, wobei die im zweiten Verdampfer-Kondensator verflüssigte Luft den einzigen Strom verflüssigter Luft darstellt, der dem Kolonnensystem zugeführt wird, wobei ein Teil der Sumpfflüssigkeit der Mitteldruckkolonne direkt der Niederdruckkolonne auf einer ersten Höhe zugeführt wird, wobei ein anderer Teil der Sumpfflüssigkeit dem zweiten Verdampfer-Kondensator zugeführt wird, wo sie verdampft, und die verdampfte Flüssigkeit der Niederdruckkolonne auf einer geringeren als der ersten Höhe zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der zweite Strom in einer Turbine (103) entspannt wird, bevor mindestens ein Teil davon dem zweiten Verdampfer-Kon densator (109) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine sauerstoffreiche Flüssigkeit (50), die von der Niederdruckkolonne kommt, einer Mischkolonne (109) am Kopf zugeführt wird, und ein Gas (90), das flüchtiger ist als die Flüssigkeit, dem Sumpf der Mischkolonne (107) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7,8 oder 9, wobei vom Kopf der Mitteldruckkolonne (104) Stickstoff (30), eventuell gasförmig, abgezogen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei eine sauerstoffreiche Flüssigkeit und/oder ein sauerstoffreiches Gas aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogen werden, eventuell als Produkt(e).
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Niederdruckkolonne zwischen 1,5 und 10 bar abs. betrieben wird, eventuell zwischen 3 und 10 bar abs.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Kopfgas der Niederdruckkolonne (105) nicht in einem Kondensator kondensiert wird.
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