DE69004647T2 - Method and device for the low-temperature separation of air. - Google Patents
Method and device for the low-temperature separation of air.Info
- Publication number
- DE69004647T2 DE69004647T2 DE90402488T DE69004647T DE69004647T2 DE 69004647 T2 DE69004647 T2 DE 69004647T2 DE 90402488 T DE90402488 T DE 90402488T DE 69004647 T DE69004647 T DE 69004647T DE 69004647 T2 DE69004647 T2 DE 69004647T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- pressure column
- rich
- oxygen
- nitrogen
- low
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 40
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims description 23
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 186
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 92
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 85
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 85
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 85
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 25
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 21
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 14
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 4
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 4
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 3
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 claims description 3
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims 2
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005292 vacuum distillation Methods 0.000 claims 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001944 continuous distillation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000006163 transport media Substances 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
- F25J3/04309—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
- F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
- F25J3/04303—Lachmann expansion, i.e. expanded into oxygen producing or low pressure column
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
- F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
- F25J3/04321—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of oxygen
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
- F25J3/04424—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system without thermally coupled high and low pressure columns, i.e. a so-called split columns
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/20—Processes or apparatus using separation by rectification in an elevated pressure multiple column system wherein the lowest pressure column is at a pressure well above the minimum pressure needed to overcome pressure drop to reject the products to atmosphere
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
- F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
- F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
- F25J2240/40—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval
- F25J2240/42—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Luftzerlegungsverfahren und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon aus Luft, wobei flüssige Luft als Wärmeaustauschmittel für den Hochdruckkolonnenkühler verwendet wird, um ein Verfahren mit hohem energetischen Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.The invention relates to the field of air separation processes and in particular to a process and apparatus for producing nitrogen, oxygen and/or argon from air, using liquid air as a heat exchange medium for the high pressure column cooler to provide a process with high energy efficiency.
Herkömmliche Tieftemperaturluftzerlegungsverfahren sehen das Filtern zugeführter Luft vor, um aus Partikeln bestehende Stoffe zu entfernen, bevor die Luft komprimiert wird, um Energie für die Zerlegung bereitzustellen. In den meisten Fällen wird der zugeführte Luftstrom danach gekühlt und durch Absorptionsmittel geleitet, um Fremdstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zu entfernen. Der resultierende Strom wird einer Tieftemperaturdestillation unterworfen.Conventional cryogenic air separation processes involve filtering feed air to remove particulate matter before compressing the air to provide energy for separation. In most cases, the feed air stream is then cooled and passed through absorbents to remove impurities such as carbon dioxide and water vapor. The resulting stream is subjected to cryogenic distillation.
Tieftemperaturdestillation oder Luftzerlegung umfaßt das Zuführen der unter Hochdruck stehenden Luft in eine oder mehrere Trennkolonnen, die bei Tieftemperaturen betrieben werden, wobei die Luftbestandteile, einschließlich Sauerstoff, Stickstoff, Argon, und die seltenen Gase durch Destillation abgetrennt werden können.Cryogenic distillation or air separation involves feeding the high pressure air into one or more separation columns operating at cryogenic temperatures, where the air constituents, including oxygen, nitrogen, argon, and the rare gases, can be separated by distillation.
Tieftemperaturzerlegungsverfahren, die mit Dampf- und Flüssigkeitskontakt arbeiten, hängen von den Unterschieden des Dampfdrucks der jeweiligen Bestandteile ab. Der Bestandteil, der einen höheren Dampfdruck aufweist, d.h., daß er flüchtiger ist oder bei tieferer Temperatur siedet, neigt dazu, sich in der Dampfphase anzureichern. Der Bestandteil, der einen niedrigeren Dampfdruck aufweist, was bedeutet, daß er weniger flüchtig ist oder bei höheren Temperaturen siedet, neigt dazu, sich in der flüssigen Phase anzureichern.Cryogenic separation processes that use vapor and liquid contact depend on the differences in vapor pressure of the respective components. The component that has a higher vapor pressure, meaning it is more volatile or boils at a lower temperature, tends to concentrate in the vapor phase. The component that has a lower vapor pressure, meaning it is less volatile or boils at a higher temperature, tends to concentrate in the liquid phase.
Das Zerlegungsverfahren, bei dem ein Erwärmen eines Flüssigkeitsgemisches zum Anreichern der flüchtigen Bestandteile in der Dampfphase und der weniger flüchtigen Bestandteile in der flüssigen Phase stattfindet, wird als Destillation bezeichnet. Teilweise Kondensation ist ein Zerlegungsverfahren, bei dem ein Dampfgemisch abgekühlt wird, um die flüchtige Komponente oder die flüchtigen Komponenten in der Dampfphase anzureichern und gleichzeitig den weniger flüchtigen Bestandteil oder die weniger flüchtigen Bestandteile in der flüssigen Phase anzureichern.The separation process in which heating of a liquid mixture takes place to enrich the volatile components in the vapor phase and the less volatile components in the liquid phase is called distillation. Partial condensation is a separation process in which a vapor mixture is cooled to enrich the volatile component or components in the vapor phase and simultaneously enrich the less volatile component or components in the liquid phase.
Ein Verfahren, das aufeinanderfolgende teilweise Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge kombiniert und eine Gegenstrombehandlung des Dampfes in flüssigen Phasen umfaßt, wird Rektifizierung oder mitunter kontinuierliche Destillation genannt. Das Inkontaktbringen des Dampfes und der flüssigen Phasen im Gegenstrom verläuft adiabatisch und kann einen integralen oder differentiellen Kontakt zwischen den Phasen umfassen.A process combining successive partial evaporation and condensation processes and involving countercurrent treatment of the vapor in liquid phases is called rectification or sometimes continuous distillation. The countercurrent contacting of the vapor and liquid phases is adiabatical and may involve integral or differential contact between the phases.
Vorrichtungen, die zum Ausführen von Zerlegungsverfahren verwendet werden, die auf den Rektifizierungsprinzipien zum Zerlegen von Gemischen basieren, werden oft als Rektifizierungs-, Destillations- oder Fraktionierungskolonnen bezeichnet.Devices used to carry out separation processes based on the principles of rectification to separate mixtures are often referred to as rectification, distillation or fractionation columns.
Der vorliegend sowie in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Kolonne" bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierungskolonne oder -zone. Sie kann auch als eine Kontaktierungskolonne oder -zone bezeichnet werden, wobei die Flüssig- oder Dampfphasen zum Zweck der Zerlegung eines Fluidgemisches im Gegenstrom kontaktiert werden. Beispielsweise umfaßt dies das Kontaktieren der Dampf- und Flüssigphasen auf einer Reihe vertikal beabstandeter Kolonnenböden oder -platten, die häufig perforiert und mit Rillen versehen sind, und die sich kreuzweise zur Kolonne, senkrecht zu der Mittelachse erstrecken. Anstelle der Kolonnenböden oder -platten können Packelemente verwendet werden, um die Kolonnen zu füllen.The term "column" used herein and in the claims refers to a distillation or fractionation column or zone. It may also be referred to as a contacting column or zone, wherein the liquid or vapor phases are contacted for the purpose of separating a fluid mixture in countercurrent. For example, this involves contacting the vapor and liquid phases on a series of vertically spaced column trays or plates, often perforated and grooved, extending crosswise to the column, perpendicular to the central axis. Instead of the column trays or plates, packing elements may be used to fill the columns.
Der vorliegend verwendete Begriff "Doppelkolonne" bezieht sich auf eine Kolonne höheren Drucks, deren oberes Ende im Wärmeaustausch mit dem unteren Ende einer Säule niedrigeren Drucks steht.The term "double column" as used here refers to a higher pressure column whose upper end is in heat exchange with the lower end of a lower pressure column.
Der vorliegend verwendete Begriff "Standardluftzerlegungsverfahren oder -vorrichtung" meint das vorstehend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene Vorrichtung ebenso wie andere Luftzerlegungsverfahren, die dem Fachmann bekannt sind.As used herein, the term "standard air separation process or apparatus" means the process and apparatus described above as well as other air separation processes known to those skilled in the art.
Der vorliegend und in den anliegenden Ansprüchen verwendete Begriff "indirekter Wärmeaustausch" bedeutet, daß zwei Fluidströme miteinander ohne physikalischen Kontakt oder Vermischung der Fluide Wärme austauschen.The term "indirect heat exchange" as used herein and in the appended claims means that two fluid streams exchange heat with each other without physical contact or mixing of the fluids.
Historisch gesehen sind Stickstoff, Sauerstoff und/oder Argon mittels einem von zwei grundlegenden Verfahrensprinzipien erzeugt worden, einschließlich dem Einkolonnenverfahren und dem Doppelkolonnenverfahren.Historically, nitrogen, oxygen and/or argon have been produced using one of two basic process principles, including the single column process and the double column process.
Die WO 86/02148 beschreibt ein Luftzerlegungsverfahren zur Erzeugung von Stickstoff unter Verwendung eines Doppelkolonnensystems, wobei Luft als Wärmeaustauschmedium verwendet wird. Das in dieser Patentanmeldung beschriebene Verfahren verwendet jedoch Luft ausschließlich als Wärmezufuhrmedium für die Niederdruckkolonne und nicht gleichzeitig als ein Kühlmedium für die Hochdruckkolonne. Ferner erfordert das Verfahren, daß die ganze behandelte Luft zu dem Bodenwiedererhitzer der Niederdruckkolonne geleitet wird, was bedeutet, daß der Wärmeaustauscher (der Bodenwiedererhitzer) sehr groß ist. Außerdem wird die Luft in dem Verfahren nach der vorstehend genannten Patentanmeldung lediglich teilweise kondensiert, wodurch das Verfahren schwierig zu steuern und/oder schwierig richtig einzustellen ist.WO 86/02148 describes an air separation process for producing nitrogen using a double column system, using air as a heat exchange medium. The process described in this patent application uses however, air is used exclusively as a heat supply medium for the low pressure column and not simultaneously as a cooling medium for the high pressure column. Furthermore, the process requires that all the treated air is directed to the bottom reheater of the low pressure column, which means that the heat exchanger (the bottom reheater) is very large. Furthermore, the air is only partially condensed in the process according to the above-mentioned patent application, which makes the process difficult to control and/or difficult to adjust correctly.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann für eine energieeffiziente Erzeugung von Stickstoff, Sauerstoff und Argon verwendet werden.The method according to the invention can be used for energy-efficient production of nitrogen, oxygen and argon.
Der Kern der Erfindung liegt in der Verwendung verdampfter und verflüssigter Luft als Erwärmungs- und Kühlmedium zwischen den Hochdruck- und den Niederdruckkolonnen. Früher ist Stickstoff verwendet worden.The core of the invention lies in the use of evaporated and liquefied air as a heating and cooling medium between the high-pressure and low-pressure columns. Previously, nitrogen was used.
Die Erfindung wird im Einzelnen in Bezug auf Stickstoff erläutert. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung ebenfalls für die Erzeugung von Sauerstoff oder Argon anwendbar ist. Für den Fachmann ist es offensichtlich, wie die Temperatur, der Druck und andere Betriebsbedingungen zu optimieren sind, um die Produktion von Sauerstoff und/oder Argon als Primärprodukt zu optimieren.The invention will be explained in detail with reference to nitrogen. However, it is to be understood that the invention is also applicable to the production of oxygen or argon. It is obvious to those skilled in the art how to optimize the temperature, pressure and other operating conditions in order to optimize the production of oxygen and/or argon as the primary product.
Der besondere Vorteil bei der Verwendung von Luft für das Erwärmungs- und Kühlmedium besteht darin, daß weniger Energie erforderlich ist, um Luft zu kondensieren, als einen stickstoffreichen Strom zu kondensieren. Da die hauptsächlichen Energiekosten auf die Kompression der Gase entfallen, ist der geringere Druck, der erforderlich ist, um Luft bei einer vorgegebenen Temperatur zu kondensieren, weniger kostenintensiv, als Stickstoff zu kondensieren.The particular advantage of using air for the heating and cooling medium is that less energy is required to condense air than to condense a nitrogen-rich stream. Since the main energy cost is in the compression of the gases, the lower pressure required to condense air at a given temperature is less costly than condensing nitrogen.
Beispielsweise kondensiert Stickstoff bei einem Druck von 7 bar bei -180ºC. Im Gegensatz hierzu wird lediglich ein Druck von 6 bar bei -178ºC benötigt, um Luft zu kondensieren. Der Temperaturunterschied von 2ºC und der Druckunterschied von 1 bar sind daher für den verminderten Energieaufwand beim erfindungsgemäßen Verfahren verantwortlich.For example, nitrogen condenses at a pressure of 7 bar at -180ºC. In contrast, only a pressure of 6 bar at -178ºC is required to condense air. The temperature difference of 2ºC and the pressure difference of 1 bar are therefore responsible for the reduced energy consumption in the process according to the invention.
Bei Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen Stickstoff als Erwärmungs- und Kühlmedium zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen verwendet wird, ist es erforderlich, die zugeführte Luft auf den wegen des Stickstoffs notwendigen höheren Druck zu komprimieren. Die Primärenergieeinsparung kommt daher von der verminderten Anforderung an die Kompression der zugeführten Luft.In state-of-the-art processes in which nitrogen is used as a heating and cooling medium between the high-pressure and low-pressure columns, it is necessary to compress the supplied air to the higher pressure required by the nitrogen. The primary energy saving therefore comes from the reduced requirement for compression of the supplied air.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung hochreinen Stickstoffs im Umfang von mehr als 90% des in der anfänglichen zugeführten Luft enthaltenen Stickstoffs. Es kann in einem Druckbereich zwischen etwa 3 bar und etwa 15 bar erzeugt werden. Es kann sowohl Hochdruck- wie Niederdruckstickstoff erzeugt werden. Dies kann getrennt voneinander oder gemeinsam erfolgen. Außerdem ist das Verfahren im Vergleich mit Verfahren nach dem Stand der Technik energetisch hoch wirksam.The process according to the invention enables the production of high-purity nitrogen in the amount of more than 90% of the nitrogen contained in the initially supplied air. It can be produced in a pressure range between about 3 bar and about 15 bar. Both high-pressure and low-pressure nitrogen can be produced. This can be done separately or together. In addition, the process is highly energetically efficient compared to processes according to the state of the art.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Tieftemperaturverfahren zur Erzeugung von Stickstoff aus Luft mit den folgenden Schritten geschaffen:In accordance with the invention there is provided a cryogenic process for producing nitrogen from air comprising the following steps:
A) Aufteilen von gekühlter, komprimierter zugeführter Luft, die im wesentlichen frei von Feuchtigkeit und Verunreinigungen ist, in einen ersten und einen zweiten Teilstrom zugeführter Luft;A) dividing cooled, compressed supply air, which is substantially free of moisture and contaminants, into a first and a second partial flow of supply air;
B) Einleiten des ersten Teilstroms zugeführter Luft in eine Hochdruckkolonne, die mit einem Kopfkondensator ausgestattet ist;B) introducing the first partial stream of supplied air into a high-pressure column equipped with a top condenser ;
C) Trennen des ersten Teilstroms zugeführter Luft in der Hochdruckkolonne mittels Tieftemperaturdestillation in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom;C) separating the first partial stream of supplied air in the high-pressure column by means of cryogenic distillation into a first nitrogen-rich partial stream and a first oxygen-rich partial stream;
D) Abführen zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Hochdruckkolonne;D) removing at least part of the first oxygen-rich substream from the high-pressure column;
E) Einleiten zumindest eines Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms in eine Niederdruckkolonne, die mit einem Bodenkondensator/Wiedererhitzer und einem Überkopfkühler/Kondensator für die Tieftemperaturzerlegung in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;E) introducing at least a portion of the first oxygen-rich substream into a low pressure column equipped with a bottom condenser/reheater and an overhead cooler/condenser for cryogenic separation into a second nitrogen-rich substream and a second oxygen-rich substream;
F) Einleiten des zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kondensator/Wiedererhitzer in der Niederdruckkolonne;F) introducing the second partial stream of supplied air into the condenser/reheater in the low pressure column;
G) Kondensieren des zweiten Teilstroms zugeführter Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten sauerstoffreichen Teilstrom in der Niederdruckkolonne, wobei zumindest ein Teil des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms verdampft wird;G) condensing the second partial stream of supplied air by indirect heat exchange with the second oxygen-rich partial stream in the low-pressure column, wherein at least a portion of the second oxygen-rich partial stream is evaporated;
H) Einleiten zumindest eines Teils des kondensierten zweiten Teilstroms zugeführter Luft in den Kopfkondensator der Hochdruckkolonne;H) introducing at least a portion of the condensed second partial stream of supplied air into the top condenser of the high-pressure column;
I) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten kondensierten Teilstroms zugeführter Luft in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms in der Hochdruckkolonne, um zumindest einen Teil des ersten stickstoffreichen Teilstroms zu kondensieren;I) evaporating at least a portion of the second condensed partial stream of supplied air in the top condenser of the high-pressure column by indirect heat exchange with at least a portion of the first nitrogen-rich partial stream in the high-pressure column, to condense at least a portion of the first nitrogen-rich substream;
J) Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Teilstroms zugeführter Luft, der durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten sauerstoffreichen Teilstrom in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne verdampft wurde, in die Niederdruckkolonne zur Tieftemperaturzerlegung, zusammen mit zumindest einem Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms, in einen zweiten stickstoffreichen Teilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom;J) introducing at least a portion of the second partial stream of supplied air, which was evaporated by indirect heat exchange with the first oxygen-rich partial stream in the top condenser of the high-pressure column, into the low-pressure column for cryogenic separation, together with at least a portion of the first oxygen-rich partial stream, into a second nitrogen-rich partial stream and a second oxygen-rich partial stream;
K) Abführen zumindest eines Teils des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne als Nutzstrom;K) discharging at least part of the second nitrogen-rich partial stream from the low-pressure column as useful stream;
L) Abführen zumindest eines Teils des kondensierten zweiten sauerstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne;L) removing at least part of the condensed second oxygen-rich partial stream from the low-pressure column;
M) Einleiten zumindest eines Teils des abgezogenen zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in den Überkopfkühler der Niederdruckkolonne;M) introducing at least part of the withdrawn second oxygen-rich partial stream into the overhead cooler of the low-pressure column;
N) Verdampfen zumindest eines Teils des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms in dem Überkopfkühler durch indirekten Wärmeaustausch mit zumindest einem Teil des aufsteigenden zweiten stickstoffreichen Teilstroms in der Niederdruckkolonne, wobei der zweite stickstoffreiche Teilstrom kondensiert wird und einen Rückstrom für die Niederdruckkolonne bildet; undN) evaporating at least a portion of the second oxygen-rich partial stream in the overhead cooler by indirect heat exchange with at least a portion of the ascending second nitrogen-rich partial stream in the low-pressure column, wherein the second nitrogen-rich partial stream is condensed and forms a return stream for the low-pressure column; and
O) Abführen zumindest eines Teils des verdampften zweiten sauerstoffreichen Teilstroms aus dem Überkopfkühler als Abfall.O) Discharging at least a portion of the evaporated second oxygen-rich partial stream from the overhead cooler as waste.
In einer Ausführungsform wird die zugeführte Luft in zwei Teilströme unterteilt, wobei ein Teilstrom zum Boden einer Hochdruckkolonne und ein weiterer Teilstrom zu einem Kondensator/Wiedererhitzer geleitet wird, der in der Basis einer Niederdrucksäule angeordnet ist. Gute Ergebnisse wurden auf der Grundlage gleicher Teilströme zugeführter Luft erhalten, obwohl auch andere Verhältnisse verwendet werden können.In one embodiment, the feed air is divided into two partial streams, one partial stream being directed to the bottom of a high pressure column and another partial stream being directed to a condenser/reheater located in the base of a low pressure column Good results have been obtained based on equal partial flows of supplied air, although other ratios can also be used.
In einer weiteren Ausführungsform wird die zugeführte Luft in drei Teilströme aufgeteilt. Zwei der Teilströme zugeführter Luft werden zu der Hochdruckkolonne und dem Kondensator/Wiedererhitzer an der Basis der Niederdruckkolonne, wie vorstehend beschrieben, geleitet. Der dritte Teilstrom wird zur Kühlung der Anlage entspannt und in die Niederdruckkolonne zur Tiefkühlzerlegung eingeleitet.In another embodiment, the feed air is divided into three partial streams. Two of the partial streams of feed air are directed to the high pressure column and the condenser/reheater at the base of the low pressure column, as described above. The third partial stream is expanded to cool the plant and introduced into the low pressure column for cryogenic separation.
In einer Ausführungsform wird ein Teil des kondensierten stickstoffreichen Teilstroms in der Hochdruckkolonne zerlegt und in die Niederdruckkolonne eingeleitet, um einen zusätzlichen Rückstrom zu erhalten. Gleichzeitig wird der zweite Teilstrom zugeführter Luft, der durch einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit Stickstoff in dem Kopfkondensator der Hochdruckkolonne verdampft worden ist daraufhin in die Niederdruckkolonne zur Tieftemperaturzerlegung eingeleitet.In one embodiment, a portion of the condensed nitrogen-rich substream is separated in the high-pressure column and introduced into the low-pressure column to obtain an additional return stream. At the same time, the second substream of supplied air, which has been evaporated by an indirect heat exchange contact with nitrogen in the top condenser of the high-pressure column, is then introduced into the low-pressure column for cryogenic separation.
Ein Anteil des zweiten stickstoffreichen Stroms kann als Hochdruckstickstoff-Nutzstrom ausgeleitet werden, während der verbliebene Teil verwendet wird, um einen Rückfluß für die Niederdruckkolonne zu erzielen.A portion of the second nitrogen-rich stream can be discharged as high pressure nitrogen feed stream, while the remaining portion is used to provide reflux for the low pressure column.
Ein Teil des Hochdruckstickstoff-Nutzstroms kann zur Kühlung der Anlage entspannt und dem Niederdruckstickstoff-Nutzstrom beigemischt werden.A portion of the high-pressure nitrogen useful stream can be expanded to cool the system and mixed with the low-pressure nitrogen useful stream.
Der auf den Boden der Hochdruckkolonne fallende zweite sauerstoffreiche Strom wird durch indirekten Wärmeaustauschkontakt mit dem hereinkommenden zweiten Teilstrom zugeführter Luft verdampft, der dadurch kondensiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der zweite sauerstoffreiche Teilstrom außerdem einen dritten zugeführten Teilstrom umfassen, der vor der Einleitung in die Niederdruckkolonne entspannt worden ist.The second oxygen-rich stream falling to the bottom of the high pressure column is vaporized by indirect heat exchange contact with the incoming second partial stream of supplied air, which is thereby condensed. In another embodiment, the second oxygen-rich partial stream also comprise a third feed stream which has been expanded before being introduced into the low-pressure column.
Falls erwünscht, kann der Abfallsauerstoff zur Anlagenkühlung entspannt werden. Alternativ kann der Abfallsauerstoff, der eine Reinheit von 70% aufweist, als Produkt in Anwendungen verwendet werden, bei denen hochreiner Sauerstoff nicht erforderlich ist.If desired, the waste oxygen can be expanded for equipment cooling. Alternatively, the waste oxygen, which has a purity of 70%, can be used as a product in applications where high purity oxygen is not required.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anlage zum Erzeugen von Stickstoff aus gekühlter kondensierter Luft geschaffen, mit:In accordance with another aspect of the invention, there is provided a system for producing nitrogen from cooled condensed air, comprising:
einer Hochdruckdestillationskolonne, die mit einem Kopfkondensator zur Tieftemperaturzerlegung durch Fraktionierung von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in einen ersten stickstoffreichen Teilstrom und einen ersten sauerstoffreichen Teilstrom ausgestattet ist;a high pressure distillation column equipped with a top condenser for cryogenic separation by fractionating cooled compressed feed air into a first nitrogen-rich sub-stream and a first oxygen-rich sub-stream;
einer Niederdruckdestillationskolonne mit einem Überkopfkühler und einem Bodenwiedererhitzer, um gekühlte komprimierte zugeführte Luft und zumindest einen Teil des ersten sauerstoffreichen Teilstroms durch Fraktionierung zu zerlegen, um zweite stickstoffreiche und sauerstoffreiche Teilströme zu erhalten;a low pressure distillation column having an overhead condenser and a bottom reheater for fractionating cooled compressed feed air and at least a portion of the first oxygen-rich substream to obtain second nitrogen-rich and oxygen-rich substreams;
einer Leitung für die Zufuhr von gekühlter komprimierter zugeführter Luft zu dem Wiedererhitzer;a line for supplying cooled compressed air to the reheater;
einer Leitung für den Transport des Teils des ersten sauerstoffreichen Teilstroms von der Hochdruckkolonne zu der Niederdruckkolonne für die darin stattfindende Tieftemperaturzerlegung;a line for transporting the part of the first oxygen-rich partial stream from the high-pressure column to the low-pressure column for the cryogenic separation taking place therein;
einer Leitung für den Transport von kondensierter zugeführter Luft von dem Wiedererhitzer zu dem Überkopfkühler;a line for transporting condensed supply air from the reheater to the overhead cooler;
einer Leitung für den Transport von verdampfter Luft von dem Überkopfkühler zu der Niederdruckkolonne;a line for transporting vaporized air from the overhead cooler to the low pressure column;
einer Leitung zum Abführen des zweiten sauerstoffreichen Teilstroms als Abfall nach der Verdampfung des zweiten sauerstoffeichen Teilstroms in dem Überkopfkühler und einer Leitung zum Abführen des zweiten stickstoffreichen Teilstroms aus der Niederdruckkolonne als Nutzstrom, unda line for discharging the second oxygen-rich partial stream as waste after evaporation of the second oxygen-rich partial stream in the overhead cooler and a line for discharging the second nitrogen-rich partial stream from the low-pressure column as useful stream, and
einer Leitung zum direkten Einleiten von gekühlter komprimierter zugeführter Luft in die Hochdruckkolonne.a line for the direct introduction of cooled compressed air into the high pressure column.
Vorzugsweise sind Entspannungsvorrichtungen zum Entspannen komprimierter Luft vor Einführung in die zweite Destillationskolonne, zum Entspannen von vom Überkopfkondensator abgezogenem Sauerstoff der zweiten Destillationskolonne und/oder zum Entspannen eines Stickstoffprodukts zum Zwecke der Kühlung vorgesehen.Preferably, expansion devices are provided for expanding compressed air before introduction into the second distillation column, for expanding oxygen withdrawn from the overhead condenser of the second distillation column and/or for expanding a nitrogen product for the purpose of cooling.
Figur 1 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Niederdruckstickstoff;Figure 1 shows a schematic flow diagram of the method and apparatus according to the invention for producing low pressure nitrogen;
Figur 2 zeigt ein schematisches Flußdiagramm eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ähnlich von Figur 1, mit der Ausnahme, daß anstelle der Abfallentspannung eine Luftentspannung vorgesehen ist;Figure 2 shows a schematic flow diagram of a process and apparatus according to the invention similar to Figure 1, except that instead of waste expansion, air expansion is provided;
Figur 3 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Hochdruck- und Niederdruckstickstoff; undFigure 3 shows a schematic flow diagram of the method and the apparatus according to the invention for producing high-pressure and low-pressure nitrogen; and
Figur 4 zeigt ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ähnlich zu Figur 3, wobei ein Teil des Hochdruckstickstoffs zu Niederdruckstickstoff entspannt wird.Figure 4 shows a schematic flow diagram of the method and apparatus according to the invention similar to Figure 3, wherein a portion of the high pressure nitrogen is expanded to low pressure nitrogen.
Bezugnehmend auf das Flußdiagramm von Figur 1, wird fremdstoffreie komprimierte zugeführte Luft mittels einer Leitung 20 in einen Wärmeaustauscher 30 eingeleitet. Die Luft wird in den Wärmeaustauscher 30 bevorzugt unter einem Druck im Bereich von etwa 5 bar bis etwa 20 bar eingeleitet, wobei die Lufttemperatur durch indirekten Wärmeaustausch mit ausgeleiteten Abfall- und Nutzströmen auf Tieftemperatur abgekühlt wird.Referring to the flow diagram of Figure 1, impurity-free compressed supply air is introduced into a heat exchanger 30 via a line 20. The air is introduced into the heat exchanger 30 preferably under a pressure in the range from about 5 bar to about 20 bar, the air temperature being cooled to cryogenic temperature by indirect heat exchange with discharged waste and useful streams.
Als nächstes wird die zugeführte Luft in zwei Teilströme aufgeteilt. Gute Ergebnisse sind mit gleichen Teilströmen oder Strömen zugeführter Luft erreicht worden; es können jedoch andere Verhältnisse verwendet werden. Der erste Teilstrom der zugeführten Luft wird der Hochdruckkolonne 32 durch Leitungen 22 und 62 zugeführt, und der verbleibende zweite Teilstrom zugeführter Luft wird dem Wiedererhitzer 58 der Niederdruckkolonne 34 über Leitungen 22 und 60 zugeführt.Next, the feed air is divided into two substreams. Good results have been achieved with equal substreams or streams of feed air; however, other ratios may be used. The first substream of feed air is fed to the high pressure column 32 through lines 22 and 62, and the remaining second substream of feed air is fed to the reheater 58 of the low pressure column 34 through lines 22 and 60.
Bei der Hochdruckkolonne 32 liegt ein Druck bevorzugt im Bereich von etwa 5 bis 20 bar an.In the high pressure column 32, a pressure is preferably in the range of about 5 to 20 bar.
Der erste Teilstrom zugeführter Luft wird, wie durch 36 angezeigt, in den unteren Teil der Kolonne 32 unterhalb des Destillationsbodens eingeleitet. Hier wird der erste Teilstrom zugeführter Luft in einen ersten stickstoffreichen Dampfteilstrom, der zum Kopf der Kolonne 32 aufsteigt, und einen ersten sauerstoffreichen Flüssigkeitsteilstrom zerlegt, der zum Boden der Kolonne 32 abfällt.The first partial stream of supplied air is introduced into the lower part of the column 32 below the distillation tray as indicated by 36. Here, the first partial stream of supplied air is separated into a first nitrogen-rich vapor partial stream which rises to the top of the column 32 and a first oxygen-rich liquid partial stream which falls to the bottom of the column 32.
Zumindest ein Teil der ersten sauerstoffreichen Flüssigkeit wird vom Boden der Hochdruckkolonne bei 38 abgeführt. Er besteht aus etwa 35 % bis etwa 40 % Sauerstoff, entsprechend in etwa demselben Anteil wie bei Verfahren nach dem Stand der Technik.At least a portion of the first oxygen-rich liquid is discharged from the bottom of the high pressure column at 38. It consists of about 35% to about 40% oxygen, corresponding to about the same proportion as in prior art processes.
Die erste sauerstoffreiche Flüssigkeit wird vom Boden der Hochdruckkolonne 32 über eine Leitung 54 abgeführt, durch den Unterkühler 46 geschickt, wo die Temperatur durch einen vom oberen Teil der Niederdruckkolonne 34 über eine Leitung 48 austretenden Nutzstickstoffstrom und durch einen Abfallstrom weiter vermindert, der durch die Leitung 52 von dem Überkopfkondensator/Verdampfer 70 der Niederdrucksäule 34 ausgeleitet wird.The first oxygen-rich liquid is discharged from the bottom of the high pressure column 32 via line 54, passed through the subcooler 46 where the temperature is further reduced by a useful nitrogen stream exiting from the top of the low pressure column 34 via line 48 and by a waste stream discharged through line 52 from the overhead condenser/evaporator 70 of the low pressure column 34.
Die abgekühlte erste sauerstoffreiche Flüssigkeit von dem Unterkühler 46 wird dann in die Niederdrucksäule 34 oberhalb des Kolonnenbodens nach einer Entspannung durch ein Ventil 76 eingeleitet.The cooled first oxygen-rich liquid from the subcooler 46 is then introduced into the low pressure column 34 above the column bottom after being released through a valve 76.
Der zweite Teilstrom zugeführter Luft, der in den Kondensator/Wiedererhitzer 58 in der Basis der Niederdruckkolonne 34 eintritt, wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einer sauerstoffreichen Flüssigkeit am Boden der Niederdrucksäule 34 kondensiert. Dadurch wird der zweite Teilstrom zugeführter Luft kondensiert und die sauerstoffreiche Flüssigkeit verdampft.The second partial stream of feed air entering the condenser/reheater 58 in the base of the low pressure column 34 is condensed by indirect heat exchange with an oxygen-rich liquid at the bottom of the low pressure column 34. This condenses the second partial stream of feed air and vaporizes the oxygen-rich liquid.
Der kondensierte zweite Teilstrom zugeführter Luft verläßt den Kondensator/Wiedererhitzer 58 der Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 82, über die er in den Unterkühler 46 eintritt. Die verflüssigte Luft tritt am Unterkühler 46 über eine Leitung 84 aus und entspannt sich über ein Ventil 44 in den Kondensator/Wiedererhitzer 40 der Hochdrucksäule 32. Falls erforderlich kann ein Teil des kondensierten zweiten Teilstroms zugeführter Luft in die Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 90 nach einer Entspannung über das Ventil 92 eingeleitet werden, um die Luftbalance zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen zu steueren.The condensed second partial flow of supplied air leaves the condenser/reheater 58 of the low pressure column 34 via a line 82, through which it enters the subcooler 46. The liquefied air exits the subcooler 46 via a line 84 and expands via a valve 44 into the condenser/reheater 40 of the high pressure column 32. If necessary, a portion of the condensed second partial flow of supplied air can be introduced into the low pressure column 34 via a line 90 after expansion via the valve 92 in order to control the air balance between the high pressure and low pressure columns.
Der erste stickstoffreiche Dampfteilstrom steigt zum Kopf der Hochdrucksäule 32 auf, wo er in den Kondensator/Wiedererhitzer 40 eintritt. Dort wird der Stickstoffstrom in einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit dem kondensierten zweiten Teilstrom zugeführter Luft gebracht, der über das Ventil 44 von dem Kondensator/Wiedererhitzer 58 der Niederdrucksäule 34 eintritt. Dadurch wird die verflüssigte Luft verdampft und der Stickstoffdampf kondensiert. Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wird ein Teil des kondensierten Stickstoffstroms zugunsten des erforderlichen Rückflußes in die Hochdrucksäule 32 zurückgeleitet.The first nitrogen-rich vapor stream rises to the top of the high-pressure column 32, where it enters the condenser/reheater 40. There, the nitrogen stream is brought into indirect heat exchange contact with the condensed second partial stream of supplied air which enters the low pressure column 34 via the valve 44 from the condenser/reheater 58. This evaporates the liquefied air and condenses the nitrogen vapor. As shown in Figures 3 and 4, a portion of the condensed nitrogen stream is returned to the high pressure column 32 for the benefit of the required reflux.
Jeglicher, durch den indirekten Wärmeaustausch mit dem kondensierten zweiten Teilstrom zugeführter Luft nicht kondensierter Stickstoffstrom kann durch Entnahme vom oberen Teil der Hochdruckkolonne 32, beispielsweise über eine Leitung 67, wie in Figur 3 gezeigt, als Hochdruckstickstoff wiedergewonnen werden.Any nitrogen stream not condensed by indirect heat exchange with the condensed second substream of supplied air can be recovered as high pressure nitrogen by withdrawal from the upper part of the high pressure column 32, for example via a line 67 as shown in Figure 3.
Ein Teil des kondensierten Stickstoffs kann für einen zusätzlichen Rückfluß zu der Niederdruckkolonne 34 geleitet werden, wenn der Hochdruckstickstoffluß gering ist oder nicht benötigt wird. Dieser Teil des kondensierten Stickstoffs wird von dem oberen Teil der Hochdruckkolonne 32, wie in den Figuren 1 und 3 gezeigt, über eine Leitung 68 abgeleitet. Der kondensierte Stickstoff wird daraufhin durch den Unterkühler 66 geleitet, wo er in einen indirekten Wärmeaustauschkontakt mit einem abgeleiteten Stickstoffnutz- und Abfallstrom gebracht wird. Von dem Unterkühler 66 aus wird der kondensierte Stickstoff durch eine Verlängerung der Leitung 68 geleitet und in die Niederdrucksäule 34 nach einer Entspannung über ein Ventil 78 eingeleitet.A portion of the condensed nitrogen may be passed to the low pressure column 34 for additional reflux when the high pressure nitrogen flow is low or not required. This portion of the condensed nitrogen is discharged from the upper portion of the high pressure column 32 as shown in Figures 1 and 3 via line 68. The condensed nitrogen is then passed through the subcooler 66 where it is brought into indirect heat exchange contact with a discharged nitrogen useful and waste stream. From the subcooler 66, the condensed nitrogen is passed through an extension of line 68 and introduced into the low pressure column 34 after expansion via valve 78.
Gleichzeitig wird die über die Leitung 56 von dem Kondensator/Wiedererhitzer 40 am Kopf der Hochdrucksäule 32 ausgeleitete verdampfte Luft durch Einleitung in die Niederdrucksäule 34 über eine Leitung 64 bei in etwa demselben Pegel zerlegt, wie für die Einleitung der ersten sauerstoffreichen Flüssigkeit, die über die Leitung 54 eintritt.At the same time, the vaporized air discharged via line 56 from the condenser/reheater 40 at the top of the high pressure column 32 is separated by introduction into the low pressure column 34 via a line 64 at approximately the same level, as for the introduction of the first oxygen-rich liquid entering via line 54.
Die von der Basis der Säule 32 abgeführte erste sauerstoffreiche Flüssigkeit und die von dem Kondensator/Wiedererhitzer 40 am Kopf der Hochdrucksäule 32 über die Leitung 56 abgeführte verdampfte Luft werden weiterhin in der Säule 34 in einen zweiten stickstoffreichen Dampfteilstrom und einen zweiten sauerstoffreichen Teilstrom zerlegt.The first oxygen-rich liquid discharged from the base of column 32 and the vaporized air discharged from the condenser/reheater 40 at the top of high pressure column 32 via line 56 are further separated in column 34 into a second nitrogen-rich vapor substream and a second oxygen-rich substream.
Der zweite stickstoffreiche Dampfteilstrom steigt zum Kopf der Niederdrucksäule 34 auf, während der zweite sauerstoffreiche Teilstrom zum Boden der Niederdrucksäule 34 abfällt.The second nitrogen-rich vapor stream rises to the top of the low-pressure column 34, while the second oxygen-rich substream falls to the bottom of the low-pressure column 34.
Ein Teil des zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeitsteilstroms am Boden der Niederdruckkolonne 34 wird über eine Leitung 74 abgeführt und durch einen ersten Unterkühler 46 geleitet. Dort wird die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit einem über eine Leitung 48 vom oberen Teil der Niederdrucksäule 34 abgeführten Stickstoffgas und mit dem Abfallstrom weiter abgekühlt, der über eine Leitung 52 von dem Überkopfkondensator 70 der Niederdrucksäule 34 austritt.A portion of the second oxygen-enriched liquid substream at the bottom of the low pressure column 34 is removed via a line 74 and passed through a first subcooler 46. There, the second oxygen-enriched liquid is further cooled by indirect heat exchange with a nitrogen gas removed via a line 48 from the upper part of the low pressure column 34 and with the waste stream exiting via a line 52 from the overhead condenser 70 of the low pressure column 34.
Die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Stickstoffgas, das von dem Kopf der Hochdrucksäule 32 über eine Leitung 68 abgeführt wird, und mit dem Abfallsauerstoffstrom, der von dem Überkopfkondensator 70 durch die Leitung 52 austritt, zur weiteren Abkühlung an einen zweiten Unterkühler 66 geleitet.The second oxygen-enriched liquid is passed to a second subcooler 66 for further cooling by indirect heat exchange with a nitrogen gas discharged from the top of the high pressure column 32 via line 68 and with the waste oxygen stream exiting from the overhead condenser 70 through line 52.
Die resultierende abgekühlte zweite sauerstoffreiche Flüssigkeit wird durch eine Verlängerung der Leitung 74 geleitet, wo die Flüssigkeit in den Überkopfkondensator 70 im Kopf der Niederdrucksäule 34 nach einer Entspannung durch ein Ventil 72 eingeleitet wird, um den zweiten sauerstoffangereicherten Strom weiter abzukühlen.The resulting cooled second oxygen-rich liquid is passed through an extension of line 74 where the liquid is fed into the overhead condenser 70 in the top of the low pressure column 34 after being released through a valve 72 is introduced to further cool the second oxygen-enriched stream.
Ein Hauptteil des zweiten stickstoffreichen Stroms wird als Stickstoffnutzstrom von dem oberen Teil der Niederdrucksäule 34 über die Leitung 48 wiedergewonnen. Der gasförmige Stickstoffstrom wird, bevor er das System verläßt, zur Aufwärmung durch die Unterkühler 66 und 46 geleitet.A major portion of the second nitrogen-rich stream is recovered as a nitrogen feed stream from the upper portion of the low pressure column 34 via line 48. The gaseous nitrogen stream is passed through subcoolers 66 and 46 for warming before leaving the system.
Der verbleibende Teil des zweiten stickstoffreichen Stroms in der Niederdrucksäule 34 wird durch Wärmeaustausch mit der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit in dem Überkopfverdampfer/Kondensator 70 der Niederdrucksäule 34 kondensiert, wodurch die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit verdampft wird. Die Kondensation des Stickstoffs ergibt einen Rückfluß für die Niederdrucksäule 34. Die verdampfende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit verläßt den Überkopfverdampfer/Kondensator 70 über die Leitung 52 und wird daraufhin beim Durchströmen der Unterkühler 66 und 46 sowie des Wärmetauschers 30 erwärmt.The remaining portion of the second nitrogen-rich stream in the low pressure column 34 is condensed by heat exchange with the second oxygen-enriched liquid in the overhead evaporator/condenser 70 of the low pressure column 34, thereby vaporizing the second oxygen-enriched liquid. The condensation of the nitrogen provides reflux for the low pressure column 34. The vaporizing oxygen-enriched liquid exits the overhead evaporator/condenser 70 via line 52 and is subsequently heated as it passes through the subcoolers 66 and 46 and the heat exchanger 30.
Nach dem Erwärmen in dem Wärmetauscher 30 wird der Abfallsauerstoffstrom durch einen Turboentspanner 78 geleitet, wo der Strom zur Kühlung der Anlage entspannt werden kann.After heating in the heat exchanger 30, the waste oxygen stream is passed through a turboexpander 78 where the stream can be expanded to cool the system.
Das vorstehend beschriebene Verfahren benutzt ersichtlich Luft als ein Aufwärm- und Abkühlmedium zwischen den Hochdruck- und Niederdruckkolonnen. Der stickstoffreiche Strom ist bei Verfahren nach dem Stand der Technik herkömmlicherweise dazu verwendet worden, Warme zum Boden der Niederdrucksäule zu transportieren. Es ist zu berücksichtigen, daß für eine vorgegebene Stickstoffrückgewinnung, also für dieselbe Zusammensetzung eines sauerstoffreichen Stroms, mehr Energie erforderlich ist, um den stickstoffreichen Strom zu kondensieren, als um Luft zu kondensieren. Das bedeutet, daß für eine vorgegebene Stickstoffrückgewinnung die Verwendung von Luft als Wärmetransportmedium die Hochdruckkolonne bei einem geringeren Druck betrieben werden kann, als dies für die herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik der Fall ist. Für denselben Druck in der Hochdruckkolonne kann in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Niederdruckkolonne bei einem höheren Druck betrieben werden.The process described above clearly uses air as a heating and cooling medium between the high and low pressure columns. The nitrogen-rich stream has traditionally been used in prior art processes to transport heat to the bottom of the low pressure column. It should be noted that for a given nitrogen recovery, i.e. for the same composition of an oxygen-rich stream, more energy is required to condense the nitrogen-rich stream than to condense air. This means that for a given nitrogen recovery, the use of air as a heat transport medium the high pressure column can be operated at a lower pressure than is the case for the conventional prior art processes. For the same pressure in the high pressure column, the low pressure column can be operated at a higher pressure in accordance with the process according to the invention.
Tabelle 1 zeigt die zu erwartende Nutzleistung des in Figur 1 gezeigten und vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens für die Erzeugung von Stickstoff als Nutzstrom. Tabelle 1 Gesamtstrom der zugeführten Luft Druck der zugeführten Luft Stickstoffnutzstrom Stickstoffdruck Stickstoffreinheit (sauerstoffreicher) Abfallstrom Abfalldruck komprimierte Luft Kolonne 32 sauerstoffreiche Flüssigkeit kondensierter zweiter Teilstrom zugeführter Luft Leitung Kopf Boden kondensierter zweiter Teilstrom zugeführter Luft verdampfter zweiter Teilstrom zugeführter Luft vom Kondensator/Wiedererhitzer 40 Kolonne 32 zur Abgabe von Stickstoff Unterkühler 66 zur Abgabe kondensierten Stickstoffs Kolonne 34 sauerstoffreiche Flüssigkeit von der Kolonne 34 vom Kühler 66 abgegebene sauerstoffreiche Flüssigkeit sauerstoffreiche Flüssigkeit nach der Entspannung Nutzstickstoffabgabesäule 34 Sauerstoffabfallstrom vom Kondensator 70 Leitung VentilTable 1 shows the expected useful output of the process according to the invention shown in Figure 1 and described above for the production of nitrogen as useful electricity. Table 1 Total flow of supplied air Pressure of supplied air Useful nitrogen flow Nitrogen pressure Nitrogen purity (oxygen-rich) Waste stream Waste pressure Compressed air Column 32 Oxygen-rich liquid Condensed second partial flow of supplied air Line Head Bottom condensed second partial flow of supplied air evaporated second partial flow of air supplied from condenser/reheater 40 column 32 for nitrogen discharge subcooler 66 for condensed nitrogen discharge column 34 oxygen-rich liquid from column 34 oxygen-rich liquid discharged from cooler 66 oxygen-rich liquid after expansion useful nitrogen discharge column 34 oxygen waste stream from condenser 70 line valve
Folgt man der in Figur 3 oder 4 gezeigten Ausführungsform, so erzeugt ein mit unter einem Druck von 21 bar absolut zugeführter Luftstrom einen Druck von etwa 20 bar absolut innerhalb der Hochdrucksäule 32 und einen Druck von etwa 14 bar absolut innerhalb der Niederdrucksäule 34.If one follows the embodiment shown in Figure 3 or 4, an air flow supplied at a pressure of 21 bar absolute generates a pressure of approximately 20 bar absolute within the high-pressure column 32 and a pressure of approximately 14 bar absolute within the low-pressure column 34.
Claims (17)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/US1989/003926 WO1993013373A1 (en) | 1989-09-12 | 1989-09-12 | Cryogenic air separation process and apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE69004647D1 DE69004647D1 (en) | 1993-12-23 |
DE69004647T2 true DE69004647T2 (en) | 1994-03-10 |
Family
ID=22215224
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE90402488T Expired - Fee Related DE69004647T2 (en) | 1989-09-12 | 1990-09-11 | Method and device for the low-temperature separation of air. |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0418139B1 (en) |
JP (1) | JPH03170785A (en) |
CN (1) | CN1050260A (en) |
AU (1) | AU643232B2 (en) |
CA (1) | CA2025013A1 (en) |
DE (1) | DE69004647T2 (en) |
ES (1) | ES2046740T3 (en) |
RU (1) | RU2069293C1 (en) |
WO (1) | WO1993013373A1 (en) |
ZA (1) | ZA907188B (en) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5396269A (en) * | 1991-02-20 | 1995-03-07 | Hitachi, Ltd. | Television telephone |
US5257504A (en) * | 1992-02-18 | 1993-11-02 | Air Products And Chemicals, Inc. | Multiple reboiler, double column, elevated pressure air separation cycles and their integration with gas turbines |
US5251451A (en) * | 1992-08-28 | 1993-10-12 | Air Products And Chemicals, Inc. | Multiple reboiler, double column, air boosted, elevated pressure air separation cycle and its integration with gas turbines |
US5251450A (en) * | 1992-08-28 | 1993-10-12 | Air Products And Chemicals, Inc. | Efficient single column air separation cycle and its integration with gas turbines |
DE19819263C2 (en) * | 1998-04-30 | 2003-08-21 | Linde Ag | Process and device for the production of pressurized nitrogen |
EP2312247A1 (en) * | 2009-10-09 | 2011-04-20 | Linde AG | Method and device for generating liquid nitrogen from low temperature air separation |
EP3159648B1 (en) * | 2015-10-20 | 2018-09-19 | Linde Aktiengesellschaft | Plate heat exchanger capacitor evaporator and method for cryogenic decomposition of air |
WO2020074120A1 (en) * | 2018-10-09 | 2020-04-16 | Linde Aktiengesellschaft | Method for obtaining one or more air products and air separation system |
CN109297260A (en) * | 2018-10-17 | 2019-02-01 | 浙江海天气体有限公司 | A kind of full nitrogen space division waste gas recovering device processed |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU523019B2 (en) * | 1978-05-25 | 1982-07-08 | Commonwealth Industrial Gases Limited, The | Separation of air |
JPS58198677A (en) * | 1982-05-14 | 1983-11-18 | 株式会社日立製作所 | Method and device for separating air |
US4582518A (en) * | 1984-09-26 | 1986-04-15 | Erickson Donald C | Nitrogen production by low energy distillation |
US4707994A (en) * | 1986-03-10 | 1987-11-24 | Air Products And Chemicals, Inc. | Gas separation process with single distillation column |
GB8800842D0 (en) * | 1988-01-14 | 1988-02-17 | Boc Group Plc | Air separation |
-
1989
- 1989-09-12 WO PCT/US1989/003926 patent/WO1993013373A1/en unknown
-
1990
- 1990-09-10 ZA ZA907188A patent/ZA907188B/en unknown
- 1990-09-10 CA CA002025013A patent/CA2025013A1/en not_active Abandoned
- 1990-09-11 ES ES199090402488T patent/ES2046740T3/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-09-11 JP JP2241040A patent/JPH03170785A/en active Pending
- 1990-09-11 EP EP90402488A patent/EP0418139B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-09-11 CN CN90107623A patent/CN1050260A/en active Pending
- 1990-09-11 DE DE90402488T patent/DE69004647T2/en not_active Expired - Fee Related
- 1990-09-11 RU SU904830924A patent/RU2069293C1/en active
- 1990-09-11 AU AU62375/90A patent/AU643232B2/en not_active Ceased
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE69004647D1 (en) | 1993-12-23 |
JPH03170785A (en) | 1991-07-24 |
EP0418139B1 (en) | 1993-11-18 |
CN1050260A (en) | 1991-03-27 |
RU2069293C1 (en) | 1996-11-20 |
ZA907188B (en) | 1991-09-25 |
EP0418139A1 (en) | 1991-03-20 |
WO1993013373A1 (en) | 1993-07-08 |
AU643232B2 (en) | 1993-11-11 |
CA2025013A1 (en) | 1991-03-13 |
AU6237590A (en) | 1991-03-21 |
ES2046740T3 (en) | 1994-02-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69214693T2 (en) | Process for the production of gaseous oxygen under pressure | |
DE69413918T2 (en) | Cryogenic air separation | |
DE69509836T2 (en) | Air separation method and apparatus | |
DE69417299T3 (en) | air separation | |
DE69208418T2 (en) | Process and plant for the mixed production of high and low purity oxygen | |
EP0955509B1 (en) | Process and apparatus to produce high purity nitrogen | |
DE69503095T2 (en) | Air separation | |
EP0299364A2 (en) | Process and apparatus for air separation by rectification | |
DE69209572T3 (en) | Process for the production of the purest nitrogen | |
DE69503848T2 (en) | Air separation | |
DE69619062T2 (en) | Air separation process and device for producing nitrogen | |
DE60031256T2 (en) | VARIABLE LOAD DEVICE AND CORRESPONDING METHOD FOR SEPARATING A USE MIXTURE | |
DE69614950T2 (en) | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING HIGH PURITY NITROGEN | |
EP2236964A1 (en) | Method and device for low-temperature air separation | |
WO1998019122A1 (en) | Method and device for producing compressed nitrogen | |
DE69412521T2 (en) | Cryogenic single column rectification system for the production of nitrogen gas under increased pressure and high purity | |
DE69004647T2 (en) | Method and device for the low-temperature separation of air. | |
DE19951521A1 (en) | Recovering pressurized product by low temperature decomposition of air in rectification system comprises cold compressing heat carrier stream before introducing into mixing column | |
DE69522877T2 (en) | Process for the production of high-purity nitrogen | |
DE69613066T2 (en) | Cryogenic air separation plant for the production of ultra high purity oxygen | |
DE69613279T2 (en) | air separation | |
DE69910272T2 (en) | Cryogenic rectification system for the production of ultra high purity nitrogen and ultra high purity oxygen | |
DE69520134T2 (en) | Method and device for compressing a gas mixture to be distilled and for relaxing at least one gas stream | |
DE69709234T2 (en) | Air separation method and apparatus | |
EP0768503A2 (en) | Triple column air separation process |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |