DE60113211T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff unter niedrigem Druck - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff unter niedrigem Druck Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung von Sauerstoffgas ("GOX" für "gaseous oxygen") und speziell die Herstellung von GOX unter niedrigem Druck durch die kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation von Luft.
  • Es gibt besonders in der Glas- und metallurgischen Industrie einen beachtlichen Markt für GOX mit einer geringen Reinheit, z. B. von 90 bis 98 Gew.-% und niedrigem Druck, z. B. von 1,5 bis 3,0 bar absolut (0,15 bis 0,3 MPa). Der GOX wird in Verfahren angewendet, die eine sauerstoffangereicherte Verbrennung benötigen, wobei sich der erforderliche Druck des Sauerstoffs am Gebrauchspunkt nahe dem atmosphärischen Druck befindet.
  • Für Anwendungen, die 90 bis 93% O2 benötigen, wird gewöhnlich ein O2-Unterdruckwechselabsorptions- ("VSA" für "vacuum swing adsorption") Verfahren verwendet. Es wird jedoch häufig ein GOX mit bis zu 98% O2 benötigt, wobei damit auch Verfahren in kryogenen bzw. Tieftemperaturanlagen verwendet werden. Es gibt viele frühere, allgemeine Offenbarungen von Verfahren, die eine kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation von Luft verwenden, um ein GOX-Produkt zu erzeugen. Eine Reihe von offenbarten Verfahren verwendet ein flüssiges Kältemittel von einer externen Quelle als ein Kühlmittel. In der Druckschrift US-A-4 853 015 (Yoshino) und in der Druckschrift US-A-4 732 595 (Yoshino) wird zum Beispiel flüssiger Sauerstoff ("LOX" für "liquid oxygen") in die Säule mit niedrigem Druck eines Doppelsäulen-Destillationssystems injiziert, um Kühlung zur Verfügung zu stellen. In der Druckschrift US-A-4 732 595 wird ein Expander verwendet, um einen Teil des Kühlungsbedarfs des Verfahrens zur Verfügung zu stellen. Die Verwendung eines solchen Expanders erhöht die gesamten Investitions- und laufenden Kosten des Verfahrens und ist an sich unerwünscht.
  • In der Druckschrift US-A-5 408 831 (Guillard et al) wird Luft in einem Doppelsäulen-Destillationssystems ohne die Verwendung eines Expanders kryogen destilliert, um einen Teil der Kühlleistung zur Verfügung zu stellen. GOX bei einem Druck von 2 bis 5 bar absolut (0,2 bis 0,5 MPa) wird von der Säule mit niedrigem Druck ("LP" für "low pressure") eines Destillationssäulen-Systems als Produkt entnommen. Es ist ein wesentliches Merkmal des Guillard-Verfahrens, dass eine gewisse Kühlung durch Expansion von wenigstens einem gasförmigen Produkt von einer LP-Säule des Destillationssäulensystems zur Verfügung gestellt wird. Ein Teil der Kühlleistung, die benötigt wird, um die in das Säulensystem eingespeiste Speiseluft zu kondensieren, kann durch ein LOX-Kühl- bzw. Kältemittel von einer externen Quelle zur Verfügung gestellt werden. Das Kühl- bzw. Kältemittel kann in die LP-Säule oder in das GOX-Produkt an einer Zwischenstelle des Hauptwärmetauschers eingeführt werden. Die tatsächliche Temperatur, mit der der GOX eingeführt wird, wird so ausgewählt, dass das Risiko einer Explosion von jeglichen Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen minimiert wird.
  • Um den benötigten Druck des GOX-Produktes zu erreichen, wird das Säulensystem nach der Druckschrift US-A-5 408 831 unter Gegendruck gesetzt. Infolge des unter Gegendrucksetzens des Säulensystems ist der Luftdruck notwendigerweise höher, bei einem Druck von 8 bis 16 bar absolut (0,8 bis 1,6 MPa), als der in den Verfahren ohne das unter Gegendrucksetzen der Säule, wobei ein bedeutender Energienachteil von etwa 12% für eine bestimmte Luftströmung gegeben ist. Ein solcher Nachteil stellt ein unerwünschtes Ansteigen der Betriebskosten dar, besonders wenn man bedenkt, dass Energie der Haupt-Betriebskostenpunkt einer Luftzerlegungsanlage ist.
  • Es werden Verfahren gewünscht, GOX mit niedrigem Druck erzeugen, in dem die Energie des Luftkompressors minimiert wird, ohne sich nachteilig sowohl auf die gesamten Investitions- als auch auf die laufenden Kosten auszuwirken. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, wenigstens einen Teil der Kühlleistung zur Verfügung zu stellen, die benötigt wird, um Speiseluft durch Wärmeaustausch vor der kryogenen bzw. Tieftemperatur-Destillation durch die Verwendung eines LOX-Kühl- bzw. Kältemittels von einer externen Quelle zu kühlen und wenigstens teilweise zu kondensieren.
  • Die Druckschrift US-A-5 505 052 (Ekins et al) offenbart ein Verfahren für die kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation von Luft unter Verwendung eines Doppelsäulensystems mit einer Säule für hohen Druck ("HP" für "high pressure") und einer LP-Säule, um GOX bei einem Druck von etwa 25 bar (2,5 MPa) zur Verwendung in installierten Anlagen zu erzeugen, die zum Beispiel elektrische Lichtbogenöfen umfassen, die angepasst sind, um rostfreien Stahl zu erzeugen. Sauerstoff wird in flüssiger Form vom Unterteil der LP-Säule abgezogen, durch eine Pumpe auf Gebrauchsdruck gebracht und verdampft, und in der Wärmeaustauscherlinie gegen die Speiseluft auf etwa Umgebungstemperatur wieder erwärmt. Der gasförmige Sauerstoff wird dann in die installierte Anlage eingespeist.
  • Ein Teil des vom Unterteil der Säule abgezogenen LOX kann zu einem Speicher gesandt werden, zum Beispiel während Zeitabschnitten, in denen es in der installierten Anlage einen geringen Bedarf für GOX gibt, wo es bis zu dem Zeitpunkt aufbewahrt wird, an dem der Bedarf für GOX in der installierten Anlage ansteigt, woraufhin er auf Gebrauchsdruck gepumpt, verdampft und in der Wärmeaustauscherlinie gegen die Speiseluft auf etwa Umgebungstemperatur wieder erwärmt wird. Der LOX vom Speicher kann die gleichen Verdampfungsdurchgänge durch die Wärmeaustauscherlinie durchlaufen wie der LOX vom Säulensystem, oder er kann getrennte Verdampfungsdurchgänge durchlaufen. Der gasförmige Sauerstoff wird dann in die installierte Anlage eingespeist.
  • Zusätzlicher LOX kann dem LOX im Speicher von Kesselwagen zum Beispiel während längerer Zeitabschnitte hinzugefügt werden, in denen es einem hohen Bedarf für GOX gibt. Alternativ muss die Speichereinrichtung nicht mit dem Doppelsäulensystem verbunden sein, und kann nur durch Kesselwagen zugeführt werden. In den veranschaulichenden Ausführungsbeispielen des bei Ekins et al offenbarten Verfahrens tritt LOX entweder vom Doppelsäulensystem oder vom Speicher aus in die Wärmeaustauscherlinie am kalten Ende, d. h. an dem Ende, an dem die gekühlte Luft aus der Linie austritt, ein.
  • Nach Ekins et al werden sowohl das LOX-Produkt von der Destillationssäule als auch der zusätzliche LOX vom Speicher auf einem Druck (etwa 25 bar (2,5 MPa)) gepumpt, der wesentlich höher ist als der Druck (etwa 5 bis 6 bar (0,5 bis 0,6 MPa)) der LP-Säule. Zusätzlich wird ein Teil der gesamten Kühlleistungs-Anforderung des Verfahrens durch einen Expander bereitgestellt, wobei ein weiterer Teil durch die Erwärmung und Verdampfung eines Stroms von flüssigem Argon zur Verfügung gestellt wird.
  • Es gibt einen Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von GOX mit niedrigem Druck bei niedrigen Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu bestehenden Verfahren. Es gibt außerdem einen Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung von GOX mit niedrigem Druck, in dem das Explosionsrisiko, das sich aus der Ablagerung von Verunreinigungen in der Wärmeaustauscherlinie, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, CO2 und N2O aus LOX ergibt, verringert ist. Dieses Risiko wird unten in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung ausführlicher erörtert.
  • Entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von GOX zur Verfügung gestellt, mit:
    • – Kühlen und wenigstens teilweisem Kondensieren von Speiseluft durch Wärmeaustausch unter Verwendung einer Wärmeaustauscheranordnung mit einem warmen Ende und einem kalten Ende, um gekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Speiseluft zu erzeugen;
    • – Destillieren der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft in einem Destillationssäulensystem, um ein LOX-Produkt zu erzeugen;
    • – Entnehmen eines Stroms des LOX-Produktes aus dem Destillationssäulensystem und Verdampfen des LOX-Produkt-Stroms durch Wärmeaustausch gegen die Speiseluft, um GOX zu erzeugen; und
    • – Verdampfen – getrennt von dem LOX-Produkt – von LOX-Kühl- bzw. Kältemittel aus einer externen Quelle durch Wärmeaustausch gegen die Speiseluft, um verdampftes Kühlmittel zu erzeugen, wodurch ein Teil der Kühlleistung zur Verfügung gestellt wird, der zum Kühlen und zum wenigstens teilweisen Kondensieren der Speiseluft benötigt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das LOX-Kühlmittel in die Wärmeaustauscheranordnung injiziert wird, entweder:
    • (a) bei einem Druck, der größer ist als der des LOX-Produktes, das in die Wärmetauscheranordnung eintritt; oder
    • (b) bei einem Druck der im Wesentlichen gleich dem des LOX-Produktes ist, das in die Wärmetauscheranordnung eintritt, und zwar an einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und kalten Enden, an dem die Temperatur der Wärmeaustauscheranordnung sich über der Siedetemperatur des LOX-Kühlmittels befindet.
  • Die Wärmeaustauscheranordnung umfasst ein "warmes Ende" (oder "heißes Ende") und ein "kaltes Ende". Das warme Ende (oder heiße Ende) ist das Ende, an dem die Speiseluft in die Wärmeaustauscheranordnung eintritt, wobei das kalte Ende das Ende ist, an dem die gekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Speiseluft die Wärmeaustauscheranordnung verlässt. Die Begriffe "warmes Ende" (oder "heißes Ende") und "kaltes Ende" werden in der Technik üblicherweise verwendet, um die zwei Enden der Wärmeaustauscheranordnung durch ihre relativen Temperaturen zu unterscheiden.
  • GOX kann bei einem leicht erhöhten Druck durch ein bekanntes Verfahren erzeugt werden, in dem das LOX-Produkt von der LP-Säule eines Doppelsäulensystems abgezogen wird. LOX wird vom Destillationssäulensystem abgezogen und verdampft, und durch Wärmeaustausch gegen die Speiseluft erwärmt. Ein Bruchteil der Speiseluft wird durch den Wärmeaustausch gegen das abgezogene LOX kondensiert, wobei es damit weniger Luftdampf gibt, der in das Destillationssäulensystem eintritt, als es ansonsten sein würde, wenn die Speiseluft einem indirekten Wärmeaustausch mit GOX, das vom Säulensystem abgezogen wird, unterzogen werden sollte. Dies hat die Wirkung, dass die Wirksamkeit der Destillation im Vergleich zu einem Verfahren verringert wird, in dem GOX vom Destillationssäulensystem abgezogen wird. Da jedoch nur GOX mit geringer Reinheit benötigt wird, gibt es keinen Leistungsnachteil, da etwa 99,7% des O2 zum Produkt werden. Daher ist das Verfahren überraschenderweise effizient.
  • Ein Grund für die Verwendung von LOX als Kühl- bzw. Kältemittel ist, dass das verdampfte LOX-Kühlmittel mit dem durch die Verdampfung des LOX-Produktes erzeugten GOX kombiniert werden kann, um ein GOX-Produkt zu erzeugen. Auf diese Weise gibt es keine Vergeudung des verdampften Kühlmittels.
  • Vorzugsweise umfasst das Destillationssäulensystem ein Mehrfachsäulensystem mit einer Säule mit höherem Druck ("HP") und einer Säule mit niedrigem Druck ("LP"), die durch die Kondensation eines Stickstoff-Kopfproduktes von der HP-Säule gegen das flüssige Bodenprodukt in der LP-Säule thermisch integriert sind. Ein Teil des kondensierten Stickstoff-Kopfproduktes der HP-Säule kann durch Wärmeaustausch unterkühlt werden, um einen unterkühlten Stickstoffstrom zu erzeugen, der in die LP-Säule eingespeist werden kann.
  • In bevorzugten Verfahren wird im Wesentlichen die gesamte Kühlleistung, die benötigt wird, um die Anlage im Energie-Gleichgewicht zu halten, durch das LOX-Kühlmittel zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise wird keine Kühlleistung durch Expansion eines Verfahrenstroms zur Verfügung gestellt. Jegliches Entweichen von Wärme in das Verfahren über die Isolation und die Tatsache, dass die Produktströme den Wärmeaustauscher bei einer Temperatur verlassen, die etwas niedriger ist als die Eintrittstemperatur des Speisestroms, wird bei der Berechnung der Menge des erforderlichen LOX-Kühlmittels in Betracht gezogen.
  • Überraschenderweise haben die Verdampfung und die Erwärmung des LOX-Kühlmittels getrennt vom Produkt LOX wenig Auswirkung auf die Temperaturprofile des Hauptwärmeaustauschers und verursachen nur einen sehr kleinen Anstieg der Menge des Kühlmittels. Dies ist besonders deutlich für ein Verfahren der Erfindung, in dem das LOX-Kühlmittel bei im Wesentlichen dem gleichen Druck wie das LOX-Produkt verdampft und erwärmt wird, aber in den Wärmeaustauscher an einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und kalten Enden des Wärmeaustauschers eingeführt wird.
  • Das LOX-Kühlmittel wird getrennt vom LOX-Produkt verdampft, um das Risiko von jeglichen Problemen zu verringern, die sich aus dem Aufbau von Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen wie Ethylen auf Grund der Ablagerung von CO2 und N2O an den inneren Wandflächen der Siede-Durchgänge durch den Wärmeaustauscher ergeben.
  • Gewerbliche Quellen von LOX-Kühlmittel, das z. B. durch eine Luftzerlegungsanlage hergestellt wird, werden Kohlenwasserstoff-, CO2- und N2O-Verunreinigungen enthalten. Die Konzentration dieser Verunreinigungen im LOX-Kühlmittel wird abhängig von der Anlage, die sie herstellt, dem Betriebsmodus der Anlage und dem Verhältnis des hergestellten LOX zur Speiseluft, die in die Anlage eintritt, schwanken. Konzentrationen von etwa 1 500 ppb (Vol.) CO2 und etwa 3 000 ppb (Vol.) N2O sind typisch.
  • Da das LOX-Produkt bei etwa 2,2 bar absolut (0,22 MPa) siedet, beträgt die Löslichkeit in der Dampfphase von CO2- und N2O-Verunreinigungen etwa 50 ppb (Vol.) bzw. etwa 500 ppb (Vol.). Falls das LOX-Kühlmittel direkt in den LOX-Produktstrom eingeführt werden würde, würde die Konzentration der Verunreinigungen des kombinierten LOX-Stroms ausreichend ansteigen, so dass man sich garantiert Sorgen um einen ungewollten und gefährlichen Aufbau von Verunreinigungs-Ablagerungen im Wärmeaustauscher macht. Selbst eine sehr kleine Menge eines "Abgleitens" von CO2 und/oder N2O aus der Luftreinigung wird die Konzentration von CO2 und/oder N2O verursachen, die die Grenze der Löslichkeit in der Dampfphase überschreitet und zu einer wenigstens teilweisen Blockierung des Wärmeaustauschers durch abgelagertes CO2 und N2O führt.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird die Verdampfung des LOX-Kühlmittels, ohne eine Blockierung des Wärmeaustauschers durch CO2- und N2O-Ablagerungen zu verursachen, durch die Verdampfung des Kühlmittels bei einem größeren Druck als das LOX-Produkt erreicht, so dass sich die CO2- und N2O-Verunreinigungskonzentrationen bei der Siedetemperatur des LOX-Kühlmittels unter den Grenzen der Löslichkeit in der Dampfphase befinden.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Blockierung des Wärmeaustauschers durch ungewollte Verunreinigungsablagerungen durch das Injizieren des LOX-Kühlmittels in die Wärmeaustauscheranordnung bei einem Druck vermieden, der im Wesentlichen gleich dem Druck des LOX-Produktes ist, wenn er in die Wärmeaustauscheranordnung eintritt, vorausgesetzt dass der Punkt der Injektion zwischen den warmen und kalten Enden der Wärmeaustauscheranordnung liegt. Die Temperatur der Wärmeaustauscheranordnung an dem Zwischenpunkt der Injektion beträgt vorzugsweise von –165°C bis –80°C, d. h. sie liegt im Wesentlichen über der Siedetemperatur von O2.
  • In diesem alternativen Ausführungsbeispiel sind, da die bevorzugte Temperatur des Injektionspunktes im Wärmeaustauscher relativ warm ist, die Löslichkeiten von CO2 und N2O relativ hoch, wobei eine Ablagerung auf den Flächen des Wärmeaustauschers nicht auftreten wird. Für den bevorzugten Bereich des Verdampfungsdrucks von O2, d. h. etwa 1,5 bar absolut (0,15 MPa) bis 3,0 bar absolut (0,3 MPa), tritt die Verdampfung tatsächlich bei jeweils etwa –179°C bis etwa –171°C auf, wobei sich jegliches feste CO2 und N2O, dass sich anfänglich bildet, nicht auf dem Metall ablagert, sondern weiter zu einem wärmeren Teil des Wärmeaustauschers befördert wird, wobei nach einer kurzen Entfernung der gesamte Strom etwa –165°C bis –80°C erreicht oder überschritten hat, wobei in dieser Zeit CO2 und N2O in Dampf sublimiert werden und nicht ausfällen können.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird der LOX-Produktstrom unter Druck gesetzt, bevor der Strom durch Wärmeaustausch verdampft wird, um GOX zur Verfügung zu stellen. Der LOX-Produktstrom kann gepumpt werden. Vorzugsweise wird der LOX-Produktstrom jedoch nicht gepumpt, wobei stattdessen das Unterdrucksetzen hydrostatisch durch zum Beispiel das Leiten des Stromes vom Destillationssäulensystem auf eine geringere Höhe erreicht wird.
  • Der Druck des LOX-Produktes, der das Destillationssäulensystem verlässt, beträgt gewöhnlich etwa 1,4 bar absolut (0,14 MPa). Der Druck des LOX-Kühlmittels beträgt vorzugsweise von etwa 4 bar absolut (0,4 MPa) bis 10 bar absolut (1,0 MPa). Der Druck des GOX-Produktes kann von 1,5 bar absolut (0,15 MPa) bis 3,0 bar absolut (0,3 MPa), vorzugsweise von 1,8 bar absolut (0,18 MPa) bis 2,5 bar absolut (0,25 MPa) betragen.
  • Das Verfahren kann weiterhin das Kombinieren des LOX-Kühlmittels mit der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft umfassen, um die Speiseluft, vorzugsweise während des Abkühlens der Anlage, weiter zu kühlen. Das Verfahren kann außerdem das Einführen des LOX-Kühlmittels in das Destillationssäulensystem unter Niveau-Steuerung bzw. -Regelung umfassen.
  • Vorzugsweise wird das LOX-Kühlmittel durch eine Luftzerlegungsanlage zur Verfügung gestellt.
  • Das Verfahren kann weiterhin das Abziehen von wenigstens einem Stickstoffgas-Produktstrom vom Destillationssäulensystem umfassen.
  • Die Speiseluft wird vorzugsweise vor dem Wärmeaustausch gereinigt, um die CO2- und N2O-Verunreinigungskonzentrationen auf ein Niveau zu verringern, das gewährleistet, dass sich diese Verunreinigungskonzentrationen im LOX-Produkt unter deren Löslichkeiten in der Dampfphase bei Bedingungen des Verdampfungsdrucks und des Temperatur-Wärmeaustausches befinden. Die Speiseluft kann unter Verwendung von zum Beispiel entweder einem Temperaturwechsel-Absorptionssystem, das Aluminiumoxid und CaX verwendet, oder einem Druckwechsel-Absorptionssystem gereinigt werden, das Aluminiumoxid und 13X verwendet.
  • In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt, um gasförmigen Sauerstoff zu erzeugen, mit:
    • – einer Wärmeaustauscheranordnung zum Kühlen und wenigstens teilweisen Kondensieren von Speiseluft, um gekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Speiseluft zu erzeugen, wobei die Wärmeaustauscheranordnung ein warmes Ende und ein kaltes Ende hat;
    • – einem Destillationssäulensystem zum Destillieren der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft, um ein LOX-Produkt zu erzeugen;
    • – einer Leitungsanordnung zur Führung der gekühlten Speiseluft von der Wärmeaustauscheranordnung zum Destillationssäulensystem; und
    • – einer Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Produktes vom Destillationssäulensystem zur Wärmeaustauscheranordnung, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung weiterhin umfasst, entweder:
    • (a) eine Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Kühlmittels bei einem höheren Druck als der Druck des LOX-Produktes, das in die Wärmeaustauscheranordnung eintritt, von einem externen Vorrat zur Wärmeaustauscheranordnung, jedoch keinen Expander zum Expandieren eines Prozessstroms aufweist, um Kühlleistung zur Verfügung zu stellen; oder
    • (b) eine Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Kühlmittels bei einem Druck, der im Wesentlichen gleich dem Druck des LOX-Produktes ist, das in die Wärmeaustauscheranordnung eintritt, von einem externen Vorrat zu einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und den kalten Enden der Wärmeaustauscheranordnung, wobei die Temperatur der Wärmeaustauscheranordnung sich über der Siedetemperatur des LOX-Kühlmittels befindet, wobei die Wärmeaustauscheranordnung getrennte Kreisläufe für das LOX-Kühlmittel und das LOX-Produkt hat.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise angepasst oder aufgebaut, um eine beliebige Kombination der bevorzugten Merkmale des oben erörterten Verfahrens durchzuführen.
  • Es ist vorzuziehen, die Menge des LOX-Kühlmittels, das durch das Verfahren verbraucht wird, zu minimieren, da es kostspielig ist. Die benötigte Menge ist sehr von der Anzahl der Übertragungseinheiten (number of transfer units – NTU) der Wärmeaustauscheranordnung abhängig. Die NTU wird wie folgt definiert: NTU = (THeißluft – TKaltluft)/mittlerer DTWobei THeißluft = die Lufttemperatur am heißen Ende des Wärmeaustauschers;
    TKaltluft = die Lufttemperatur am kalten Ende des Wärmeaustauschers;
    mittlerer DT = der effektive, mittlere Temperaturunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Strom im Wärmeaustauscher zwischen dem Lufteintritt und – austritt ist.
  • Die Wärmeaustauscheranordnung der Vorrichtung kann wenigstens 55 NTU, vorzugsweise von 70 bis 90 NTU und noch besser etwa 80 NTU haben.
  • Die Menge des in dem Verfahren verbrauchten LOX-Kühlmittels hängt außerdem sehr vom Wärmegewinn durch die Isolation ab. Der kryogene Teile der Vorrichtung, d. h. das Destillationssäulensystem und die Wärmeaustauscheranordnung, sind vakuumgedämmt, um Wärmeverluste zu verringern.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen verläuft das LOX-Kühlmittel durch die Wärmeaustauscheranordnung über eine getrennte Leitung zum LOX-Produkt. Das LOX-Kühlmittel verläuft vorzugsweise durch die Wärmeaustauscheranordnung über einen einzelnen Durchgang. Des Weiteren wird das LOX-Kühlmittel in die Wärmeaustauscheranordnung vorzugsweise an einem Zwischenpunkt zwischen den kalten und warmen Enden der Wärmeaustauscheranordnung eingeführt, wo sich die Temperatur des Metalls der Wärmeaustauscheranordnung über der Siedetemperatur des Kühlmittels befindet.
  • Das Folgende ist eine nur beispielhafte Beschreibung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung, die ein Ablaufdiagramm des gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist.
  • Ein gereinigter und unter Druck stehender Speiseluftstrom 1 mit einer Konzentration von CO2 und N2O, die niedrig genug ist, um die Ablagerung in der Haupt-LOX-Leitung des Hauptwärmeaustauschers E1 zu verhindern, tritt in den Hauptwärmeaustauscher E1, vorzugsweise ein Wirbelzellenwärmeaustauscher, ein, wobei er auf eine kryogene Temperatur gekühlt und wenigstens teilweise kondensiert wird. Ein wenigstens teilweise kondensierter Speiseluftstrom 2 wird vom Hauptwärmeaustauscher E1 entnommen und in die Hochdrucksäule C1 in einem Doppeldestillations-Säulensystem C1, C2 mit einem Rückverdampfungs-Kondensator E2 eingespeist.
  • Der Speiseluftstrom 2 wird in der Hochdrucksäule C1 destilliert, wobei ein stickstoffreicher Dampfstrom 3 im Kondensator E2 kondensiert wird, um einen kondensierten, stickstoffreichen Strom 13 zu erzeugen. Ein Teil 5 des kondensierten, stickstoffreichen Stroms 13 wird zur Hochdrucksäule C1 als Rückfluss zurückgeführt, um aufsteigendes Gas zu reinigen, wobei der übrige Teil 4 zum oberen Teil der Niederdrucksäule C2 über den Hauptwärmeaustauscher E1 geschickt wird, wo er unterkühlt wird. Ein sauerstoffreicher Strom 6 wird von der Hochdrucksäule C1 entnommen und in die Niederdrucksäule C2 an einer Mittelstelle wahlweise über einen Wärmeaustauscher eingespeist, um den Strom zu unterkühlen.
  • Die zwei Flüssigkeitsströme 4, 6, die in die Niederdrucksäule C2 eintreten, werden auf Grund des Dampfes, der vom Rückverdampfer E2 aufsteigt, destilliert. Ein Stickstoffdampf-Abfallstrom mit niedrigem Druck 7 wird vom oberen Teil der Niederdrucksäule abgezogen und im Hauptwärmeaustauscher E1 auf Umgebungstemperatur erwärmt. Ein LOX-Produktstrom 8 wird vom Bodenprodukt der Niederdrucksäule C2 entnommen und entweder auf eine geringere Höhe geleitet, um einen statischen Druck zu erlangen, oder gepumpt, um einen Druck zu erlangen, bevor er verdampft, und dann im Hauptwärmeaustauscher E1 auf Umgebungstemperatur erwärmt wird, um den GOX-Strom 9 zu bilden. Auf diese Weise kann GOX bei einem Druck von typischerweise 1,8 bis 2,5 bar absolut (0,18 bis 0,25 MPa) direkt von der Anlage gewonnen werden.
  • Selbst wenn der kryogene bzw. Tieftemperatur-Teil der Anlage vakuumgedämmt ist, um Wärmeverluste zu minimieren, muss eine gewisse Kühlung zugeführt werden, um ein Kühlungs-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Ein LOX-Kühlmittelstrom 10 wird in eine getrennte Leitung des Hauptwärmeaustauschers E1 an einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und kalten Enden und mit einem Druck, der gleich oder höher ist als der für den LOX-Produktstrom 8, in einer Weise eingeführt, dass die Ablagerung von CO2 und N2O vermieden wird. Der LOX-Kühlmittelstrom 10 wird verdampft und auf Umgebungstemperatur erwärmt, um einen Strom 11 aus verdampften LOX-Kühlmittel zu erzeugen, der mit dem GOX-Strom 9 kombiniert wird, um einen GOX-Produktstrom 12 zu bilden.
  • In einem speziellen Beispiel wird eine Luftströmung von 10 000 Nm3/h (167 Nm3/s) auf etwa 6 bar absolut (0,6 MPa) komprimiert, gereinigt, im Hauptwärmeaustauscher E1 gekühlt und in die HP-Säule C1 bei einem Druck von 5,5 bar absolut (0,55 MPa) eingespeist. Ein LOX-Kühlmittel von einer externen Quelle mit einer Reinheit von etwa 99,8% O2 wird in den Hauptwärmeaustauscher E1 mit einer Strömungsrate von etwa 50 Nm3/h (etwa 0,8 Nm3/s) injiziert, verdampft und auf Umgebungstemperatur erwärmt. Das LOX-Produkt bei einer Reinheit von etwa 95% O2 und einer enthaltenen O2-Strömung von 2090 Nm3/h (35 Nm3/s) verlässt die Niederdrucksäule C2 bei etwa 1,4 bar absolut (0,14 MPa). Der Druck des LOX-Produktstroms wird um etwa 0,8 bar absolut (0,08 MPa) auf Grund der Druckhöhe erhöht und verlässt nach der Verdampfung und Erwärmung den Hauptwärmeaustauscher bei 2,0 bar absolut (0,2 MPa). Die zwei erwärmten GOX-Ströme werden kombiniert, wobei sie eine enthaltene O2-Strömung von 2140 Nm3/h (36 Nm3/s) des GOX ergeben.
  • Die Wirtschaftlichkeit der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft mit jener von O2-VSA-Anlagen bei Produktströmungen über 870 Nm3/h (15 Nm3/s) vergleichen. Die vorliegende Erfindung hat die gleichen oder geringere Gaskosten ohne die viel höheren Investitionskosten oder Zuverlässigkeitsprobleme der O2-VSA-Anlagen. Zusätzlich lässt sich die Wirtschaftlichkeit der vorliegenden Erfindung außerdem mit jener einer kryogenen bzw. Tieftemperatur-Anlage mit einem Expander bei einer Kapazität von etwa 3480 Nm3/h (58 Nm3/s) vorteilhaft vergleichen. Wiederum ist die vorliegende Erfindung mit dem gleichen Gaskosten und niedrigen Investitionskosten ökonomisch.
  • Es ist nicht offensichtlich, das LOX-Kühlmittel in den Wärmeaustauscher an einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und kalten Enden einzuführen, um eine Kühlung aus verschiedenen Gründen zur Verfügung zu stellen. Erstens ist es thermodynamisch weniger effizient, Kühlung eher durch indirekten Wärmeaustausch unter Verwendung eines Stroms des LOX-Kühlmittels, der in den Wärmeaustauscher getrennt vom LOX-Produkt injiziert wird, zur Verfügung zu stellen als eine äquivalente Kühlung durch die Injektion des LOX-Kühlmittels direkt in den LOX-Produktstrom vor der Verdampfung im Wärmeaustauscher zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich ist die Ausführung eines Wärmeaustauschers, die zur Durchführung der Erfindung geeignet ist, komplizierter und daher kostenintensiver als ein herkömmlicher Wärmeaustauscher. Des Weiteren ist es thermodynamisch einfach ineffizient, einen LOX-Kühlmittelstrom in einen warmen Teil des Wärmeaustauschers zu injizieren. Ein Grund, das LOX-Kühlmittel auf diese Weise zu injizieren ist es, die Wahrscheinlichkeit des Freisetzens von explosiver Energie, die dem Aufbau von Kohlenwasserstoffen als ein Ergebnis der Ablagerung von gelösten Verunreinigungen im LOX folgt, zu verringern.
  • Einige der Vorteile des veranschaulichenden Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
    • – das Destillationssäulensystem wird nicht unter Gegendruck gesetzt, wobei damit der Luftdruck minimiert wird;
    • – GOX wird mit einer minimalen Luftströmung erzeugt, da im Wesentlichen der gesamte O2 in der Speiseluft und das gesamte LOX-Kühlmittel zum GOX-Produkt werden;
    • – infolge des Fehlens des unter Gegendrucksetzens und der minimalen Luftströmung wird die Energie des Luftkompressors minimiert;
    • – GOX wird bei etwa 2,0 bar absolut (0,2 MPa) direkt von der kryogenen Sektion erzeugt; und
    • – infolge der Verwendung einer Vakuumdämmung und eines Hauptwärmeaustauschers mit wenigstens 55 NTU wird die Menge des LOX-Kühlmittels minimiert.
  • Man wird erkennen, dass die Erfindung nicht auf die oben mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelheiten beschränkt ist, sondern dass zahlreiche Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (25)

  1. Verfahren für die Herstellung von gasförmigem Sauerstoff ("GOX" für "gaseous oxygen") mit: Kühlen und wenigstens teilweise Kondensieren von Speiseluft (1) durch Wärmeaustausch unter Verwendung einer Wärmeaustauscheranordnung (E1) mit einem warmen Ende und einem kalten Ende, um gekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Speiseluft (2) zu erzeugen; Destillieren der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft (2) in einem Destillationssäulensystem (C1, C2), um ein Flüssigsauerstoff- ("LOX" für "liquid oxygen") Produkt zu erzeugen; Entnehmen eines Stroms (8) des LOX-Produktes aus dem Destillationssäulensystem (C1, C2) und Verdampfen des LOX-Produkt-Stroms (8) durch Wärmeaustausch (E1) gegen die Speiseluft (1), um GOX zu erzeugen; und Verdampfen – getrennt von dem LOX-Produkt – von LOX-Kühl- bzw. Kältemittel (10) aus einer externen Quelle durch Wärmeaustausch (E1) gegen die Speiseluft (1), um verdampftes Kühlmittel (11) zu erzeugen, wodurch ein Teil der Kühlleistung zur Verfügung gestellt wird, der zum Kühlen und zum wenigstens teilweise Kondensieren der Speiseluft benötigt wird; wobei das Verfahren den Schritt aufweist, dass das LOX-Kühlmittel in die Wärmetauscheranordnung (E1) injiziert wird entweder: (a) bei einem Druck, der größer als der des LOX-Produktes ist, das in die Wärmetauscheranordnung eintritt; oder (b) bei einem Druck, der im wesentlichen gleich dem des LOX-Produktes ist, das in die Wärmeaustauscheranordnung eintritt, und zwar an einem Zwischenpunkt zwischen den warmen und kalten Enden, an dem die Temperatur der Wärmetauscheranordnung (E1) sich über der Siedetemperatur des LOX-Kühlmittels befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Wärmetauscheranordnung (E1) an dem Zwischenpunkt, an dem das LOX-Kühlmittel injiziert wird, von –165°C bis –80°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das verdampfte LOX-Kühlmittel (10) mit dem GOX (9) kombiniert wird, das durch die Verdampfung des LOX-Produktes hergestellt wird, um das GOX-Produkt (12) herzustellen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Destillationssäulensystem ein Mehrfachsäulensystem mit einer Säule (C1) mit höherem Druck ("HP" für "higher pressure") und einer Säule (C2) mit niedrigerem Druck ("LP" für "lower pressure") aufweist, die durch die Kondensation des Stickstoff-Kopfproduktes von der HP-Säule gegen das flüssige Bodenprodukt in der LP-Säule thermisch integriert sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei keine Kühlleistung durch die Expansion eines Verfahrensstroms zur Verfügung gestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das LOX-Kühlmittel (10) die gesamte externe Kühlleistung zur Verfügung stellt, die benötigt wird, um das Verfahren im Energie-Gleichgewicht zu halten.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Druck des LOX-Kühlmittels (10) von 0,4 MPa (4 bar absolut) bis 1,0 MPa (10 bar absolut) beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei weiterhin der LOX-Produktstrom (8) unter Druck gesetzt wird, bevor dieser Strom durch Wärmeaustausch (E1) verdampft wird, um GOX (9) zur Verfügung zu stellen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der LOX-Produktstrom nicht durch Pumpen des Stroms unter Druck gesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der LOX-Produktstrom hydrostatisch unter Druck gesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der LOX-Produktstrom durch Pumpen des Stroms unter Druck gesetzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Druck des GOX-Produktes von 0,15 MPa (1,5 bar absolut) bis 0,3 MPa (3,0 bar absolut) beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Druck des GOX-Produktes (12) von 0,18 MPa (1,8 bar absolut) bis 0,25 MPa (2,5 bar absolut) beträgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin mit Kombinieren des LOX-Kühlmittels mit der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft, um die Speiseluft weiter zu kühlen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, weiterhin mit Einführen des LOX-Kühlmittels in das Destillationssäulensystem unter Niveau-Steuerung bzw. -Regelung.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das LOX-Kühlmittel durch eine Luftzerlegungsanlage zur Verfügung gestellt wird.
  17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff mit: einer Wärmetauscheranordnung (E1) zum Kühlen und wenigstens teilweise Kondensieren von Speiseluft (1), um gekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Speiseluft (2) zu erzeugen, wobei die Wärmetauscheranordnung (E1) ein warmes Ende und ein kaltes Ende hat; einem Destillationssäulensystem (C1, C2) zum Destillieren der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft (2), um ein LOX-Produkt (8) zu erzeugen; einer Leitungsanordnung zur Führung der gekühlten und wenigstens teilweise kondensierten Speiseluft (2) von der Wärmetauscheranordnung (E1) zu dem Destillationssäulensystem (C1, C2); und einer Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Produktes (8) von dem Destillationssäulensystem (C1, C2) zu der Wärmetauscheranordnung (E1); wobei die Vorrichtung weiterhin aufweist entweder (a) eine Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Kühlmittels (10) bei einem höheren Druck als der Druck des LOX-Produktes, das in die Wärmetauscheranordnung eintritt, von einem externen Vorrat zu der Wärmetauscheranordnung (E1), jedoch keinen Expander zum Expandieren eines Prozessstroms aufweist, um Kühlleistung zur Verfügung zu stellen; oder (b) eine Leitungsanordnung zur Führung des LOX-Kühlmittels (10) bei einem Druck, der im Wesentlichen gleich dem Druck des LOX-Produktes ist, das in die Wärmetauscheranordnung eintritt, von einem externen Vorrat zu einem Zwischenpunkt zwischen dem warmen und dem kalten Ende der Wärmetauscheranordnung, wo die Temperatur der Wärmetauscheranordnung sich über der Siedetemperatur des LOX-Kühlmittels befindet, wobei die Wärmetauscheranordnung getrennte Kreisläufe für das LOX-Kühlmittel und das LOX-Produkt hat.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, angepasst oder aufgebaut, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16 durchzuführen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei der Kryogen- bzw. Tieftemperatur-Teil der Vorrichtung vakuumisoliert ist, um Wärmeverluste zu reduzieren.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Wärmetauscheranordnung (E1) wenigstens 55 NTU hat.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Wärmetauscheranordnung (E1) von 70 bis 90 NTU hat.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Wärmetauscheranordnung (E1) ungefähr 80 NTU hat.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei bei der Option (a) die Wärmetauscheranordnung getrennte Kreisläufe für das LOX-Kühlmittel und das LOX-Produkt hat.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei bei der Option (b) die Vorrichtung keinen Expander zum Expandieren eines Prozessstroms aufweist, um Kühlleistung zur Verfügung zu stellen.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das LOX-Kühlmittel (10) über einen einzigen Durchgang durch die Wärmetauscheranordnung (E1) verläuft
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