DE69301555T2

DE69301555T2 - Hochdruckverflüssiger

Info

Publication number: DE69301555T2
Application number: DE69301555T
Authority: DE
Inventors: Rakesh Agrawal; Lawrence Walter Pruneski
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1992-07-20
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2013-07-14
Also published as: ES2085116T3; CA2100402A1; JPH06159929A; EP0580345A1; EP0580345B1; KR940002589A; DE69301555D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen großer Mengen eines Flüssigproduktes durch die kryogene Destillation von Luft.
Verflüssigte Atmosphärengase einschließlich des Stickstoffs, Sauerstoffs und Argons werden in der Industrie in immer höherem Maße angewendet. Derartige verflüssigte Atmosphärengase stellen Tieftemperaturmöglichkeiten für verschiedenartige industrielle Verfahren zur Verfügung, sind wirtschaftlich im Zusammenhang mit dem gewerblichen Vertrieb zu transportieren und stellen eine einfache und wirtschaftliche Quelle gasförmiger Produkte aus Lagern für Flüssigkeiten zur Verfügung. Beispielsweise findet Flüssigstickstoff in immer höherem Maße zum Einfrieren von Nahrungsmitteln, zur kryogenen Versprödung von Substanzen für Reinigungs- oder Recyclisierungszwecke sowie als Quelle für ein gasförmiges inertes Stickstoffmedium für die verschiedenartigsten industriellen Verfahren Verwendung.
Das herkömmliche Verfahren zur Erzeugung großer Mengen an Flüssigstickstoff und/oder Flüssigsauerstoff aus einem Lufteinspeisestrom sollte ein Expansionsschema mit einem herkömmlichen Vielfachsäulendestillationssystem miteinschließen. Das Expansionsschema stellt mindestens einen Teil des hohen Betrags an Abkühlung zur Verfügung, die zur Entfernung eines hohen Prozentsatzes an dem Lufteinspeisestrom als Flüssigprodukt erforderlich ist, gegenüber einem geringen Prozentsatz an dem Lufteinspeisestrom oder auch einen Prozentsatz von Null an dem Lufteinspeisestrom in Form eines Flüssigproduktes (im Sinne der vorliegend verwendeten Bedeutung wird ein "hoher Prozentsatz" des Lufteinspeisestroms als mindestens 15 %iger Lufteinspeisestrom definiert). Der vorliegende Einschluß eines Expansionsschemas zusammen mit dem herkömmlichen Mehrfachsäulendestillationssystem wird in der Industrie im allgemeinen als Verflüssiger bezeichnet, wobei auch hierin dieser Ausdruck in dieser Weise als Verflüssiger verwendet wird.
Das Expansionsschema läßt sich zur Vorverarbeitung der eingespeisten Luft oder mit der Rückführung von kopfseitigem Niederdrucksäulenstickstoff integrieren. Die Vorverarbeitung umfaßt die Kompression der zugeführten Luft auf einen erhöhten Druck, das Entfernen von Verunreinigungen aus dem Lufteinspeisestrom, die bei kryogenen Temperaturen ausfrieren und das Abkühlen der eingeleiteten Luft durch Wärmeaustausch gegen die Prozeßströme. Die US-A-4 705 548 und die US-A-4 715 873 offenbaren beispielsweise Verflüssiger, bei denen das Expansionsschema in der Vorverarbeitung der eingespeisten Luft integriert ist, wogegen die US-A-3 605 422 und US-A-4 894 076 Verflüssiger beschreiben, bei denen das Expansionsschema in der Rückführung von kopfseitigem Niederdrucksäulenstickstoff integriert ist.
Die US-A-4 152 130 offenbart ein Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft unter Verwendung eines Mehrfachsäulendestillationssystems mit einer Hochdrucksäule ("HP") sowie einer Niederdrucksäule ("LP"), wobei Flüssigsauerstoff und/oder Flüssigstickstoff zur Verfügung gestellt werden und wobei die Abkühlung in der Weise erfolgt, daß ein Expansionsschema in der Vorverarbeitung von eingespeister Luft integriert ist. Die eingespeiste Luft wird in der HP-Säule gereinigt, wobei die Reinigung zu einem oberseitigem Hochdruckanteil und zu einer Hochdruckbodenflüssigkeit führt. Die Hochdruckbodenflüssigkeit wird in der Niederdrucksäule destilliert, wobei die Destillation zu einem kopfseitigem Niederdruckanteil und Niederdruckbodenflüssigkeit führt. Der oberseitige Hochdruckanteil wird gegen die verdampfende Niederdruckbodenflüssigkeit zur Schaffung eines nochmaligen Siedevorgangs für die Niederdrucksäule kondensiert. Ein Teil des kondensierten oberseitigem Hochdruckanteils stellt den Rückfluß zum Destillationsäulensystem zur Verfügung, wobei der Rückstand zur Erzeugung eines flüssigen und gasförmigen Stickstoffproduktes expandiert wird. Das Flüssigsauerstoffprodukt wird durch die Niederdruckbodenflüssigkeit zur Verfügung gestellt. Die Hochdruck- und Niederdrucksäulen werden bei konventionellen Drücken betrieben. Bei dem als Beispiel gegebenen Verfahren wird die Hochdrucksäule bei 92 psia (634 kpa) und die Niederdrucksäule bei 20 psia (138 kpa)
Bei der Vorverarbeitung nach dem Verfahren gemäß US-A-4 152 130 wird ein Teil der eingespeisten Luft in einem Rückführkompressor komprimiert und der komprimierte Anteil in einen ersten und zweiten Luftstrom aufgeteilt. Ein Nebenstrom des ersten Luftstroms wird expandiert und die daraus resultierende abgekühlte und expandierende Luft dazu benutzt, den Rest des ersten Luftstroms und des zweiten Luftstroms abzukühlen. Der abgekühlte zweite Luftstrom wird expandiert und mindestens ein Teil dieses expandierten Stroms zum weiteren Abkühlen und/oder Verflüssigen des abgekühlten Restes des ersten Luftstroms benutzt und vorzugsweise auch des zweiten Luftstroms. Vorzugsweise wird ein Teil des expandierten zweiten Luftstroms in das Destillationssystem eingespeist. Die expandierten Neben- und zweiten Luftströme werden in den Einlaß des Umlaufkompressors zurückgeführt und der weiter abgekühlte und/oder verflüssigte erste Luftstrom expandiert und in das Destillationssystem eingespeist.
Der Energiewirkungsgrad herkömmlicher Verflüssiger wird durch den niedrigen Betriebsdruck der Niedrigdrucksäule (in typischer Weise 17 bis 24 psia; 115 bis 165 kpa) in dem Mehrfachsäulendestillationssystem begrenzt. Lufttrennungsverfahren bei einem Betrieb unter erhöhtem Druck in der Niedrigdrucksäule (d.h. einem Druck von mehr als 25 psia; 170 kpa) haben bislang in traditioneller Weise eine Beschränkung auf Verfahren für gasförmige Produkte oder zu Erzeugung von wenig Flüssigkeit erfahren. Die GB-A- 1 450 164 stellt ein Beispiel für den letzteren Verfahrenstyp dar.
Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Verbesserung des Energiewirkungsgrades von herkömmlichen Verflüssigern.
Erfindungsgemäß wird eine Verbesserung für ein Verfahren zum Erzeugen hoher Mengen an Flüssigprodukt mittels kryogener Destillation von Luft geschaffen. Bei dem die Verbesserung betreffenden Verfahren wird ein herkömmliches Mehrfachsäulendestillationssystem mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule im Anschluß an eine Vorverarbeitung der eingespeisten Luft verwendet, wobei mindestens ein Teil des Lufteinspeisestroms in die Hochdrucksäule eingeleitet wird. Die eingespeiste Luft wird in der Hochdrucksäule rektifiziert, wobei kopfseitig Hochdruckstickstoff und bodenseitig roher Hochdruckflüssigsauerstoff entstehen. Zumindest ein Teil des Hochdruckrohflüssigsauerstoffs aus dem bodenseitigen Rückstand wird in die Niedrigdrucksäule geleitet, worin der Hochdruckrohflüssigsauerstoff aus dem bodenseitigem Rückstand destilliert wird, so daß ein kopfseitiger Niedrigdruckstickstoff und ein Niedrigdruckflüssigsauerstoffbodenrückstand entstehen. Die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule werden thermisch miteinander verbunden, so daß mindestens ein Teil des kopfseitigen Hochdruckstickstoffs in einem Rückverdampfer/Kondensator gegen eine verdampfende Niedrigdrucksäulenflüssigkeit, die mit Sauerstoff angereichert ist, kondensiert. Mindestens ein Teil des kopfseitigen kondensierten Stickstoffs wird dazu verwendet, den Rückfluß in dem Destillationssäulensystem zu gewährleisten. Der Betriebsdruck der Niedrigdrucksäule beträgt in dem herkömmlichen Mehrfachdestillationssäulensystem typischerweise 17 bis 24 psia (115 bis 165 kpa).
Mittels des die Verbesserung betreffenden Verfahrens läßt sich im Zusammenhang mit dem vorstehend beschnebenen herkömmlichen Mehrfachsäulendestillationssystem ein Abkühlungsbetrag erzeugen, der zur Entfernung von mindestens 15 % der eingespeisten Luft in Form eines Flüssigstickstoffproduktstroms und/oder Flüssigsauerstoffproduktstroms ausreicht. Mindestens ein Teil dieses Betrags zur Abkühlung wird durch ein Expansionsschema erzeugt.
Die erfindungsgemäße Verbesserung soll den Wirkungsgrad des obenstehend beschriebenen Verfahrens erhöhen, wobei diese Verbesserung den Betrieb der Niedrigdrucksäule bei einem Druck zwischen 25 und 50 psia (170 und 350 kpa) mit einschließt. Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsg rades des Verfahrens kann in die Verbesserung ferner noch die Expansion eines gasförmigen Produktstroms miteinbezogen werden, der mit Stickstoff angereichert wurde und aus der Niedrigdrucksäule abgezogen wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur kryogenen Destillation von eingespeister Luft unter Verwendung eines Mehrfachsäulendestillationssystems mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule geschaffen, wobei ein Betrag an Abkühlung zur Verfügung gestellt wird, der für die Entfernung von mindestens 15 % an eingeleiteter Luft in Form eines Flüssigstickstoffproduktstroms und/oder Flüssigsauerstoffproduktstroms ausreicht, wobei mindestens ein Teil des besagten Betrags an Abkühlung durch ein Expansionsschema erzeugt wird; im Anschluß an die Vorverarbeitung der eingeleiteten Luft wird mindestens ein Teil dieser eingeleiteten Luft in die Hochdrucksäule eingeleitet, worin der eingeleitete Luftstrom so rektifiziert wird, daß ein kopfseitiger Hochdruckstickstoff und ein bodenständiger roher Hochdruckflüssigsauerstoff entstehen; mindestens ein Teil des rohen Hochdruckflüssigsauerstoffs aus dem Bodenrückstand wird in die Niedrigdrucksäule geleitet, worin der rohe Bodenrückstand in Form von Hochdruckflüssigsauerstoff so destilliert wird, daß kopfseitig Niedrigdruckstickstoff und bodenseitig Niedrigdruckflüssigsauerstoff entstehen; die Hochdrucksäule und die Niedrigdrucksäule werden thermisch miteinander so verkoppelt, daß mindestens ein Teil des kopfseitigen Hochdruckstickstoffs in einem Rückverdampfer/Kondensator gegen eine verdampfende Niedrigdrucksäulenflüssigkeit, die mit Sauerstoff angereichert ist, kondensiert, wobei zumindest ein Teil des kopfseitigen kondensierten Hochdruckstickstoffs dazu verwendet wird, den Rückfluß in dem Destillationssäulensystem zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedrigdrucksäule bei einem Druck zwischen 170 und 350 kPa (25 und 50 psia) betrieben wird.
Wünschenswerterweise kann ein zweiter Teilbetrag an Abkühlung dadurch erzeugt werden, daß ein gasförmiger Produktstrom, der mit Stickstoff angereichert ist, aus der Niedrigdrucksäule abgezogen wird und dieser Strom in einer Expansionsvorrichtung expandiert wird.
Das Expansionsschema wird in geeigneter Weise in die Weiterverarbeitung des Anteils an kopfseitigem Niedrigdruckstickstoff integriert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung schließt die Weiterverarbeitung die Komprimierung des Anteils an diesem kopfseitigem Niederdruckstickstoff bei erhöhtem Druck sowie die folgenden Schritte ein: das Abkühlen des komprimierten Anteils an kopfseitigem Stickstoff durch Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme auf eine Temperatur am oder nahe dem Taupunkt, das Kondensieren dieses abgekühlten Anteils an kopfseitigem Stickstoff in einen Rückverdampfer/Kondensator gegen abdampfenden rohen Hochdruckflüssigsauerstoff aus dem bodenständigen Rückstand und die Benutzung des kopfseitigen kondensierten Niederdruckstickstoffs in Form eines zusätzlichen Rückflusses für das Destillationssäulensystem und/oder als zumindest einen Teil des Flüssigstickstoffproduktstromes. Vorteilhafterweise wird ein zweiter Teil des kopfseitigen Niederdruckstickstoffs durch Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und im Anschluß daran in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktstromes entfernt. Die Abkühlung läßt sich durch Expansion dieses zweiten Teils an kopfseitigem Niederdruckstickstoff in einer Expansionsvorrichtung vor dessem besagten Aufheizen bewerkstelligen.
Das Expansionsschema läßt sich in die Vorverarbeitung der eingespeisten Luft integrieren. Vorzugsweise schließt die Vorverarbeitung der eingeleiteten Luft die Komprimierung der eingespeisten Luft auf einen erhöhten Druck und die Entfernung von Verunreinigungen aus der eingeleiteten Luft ein, die bei kryogener Temperatur ausfriert sowie die folgenden Schritte ein: das Abkühlen der eingeleiteten Luft mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme, die Aufteilung der eingeleiteten Luft in einen ersten abgezweigten Einleitungsstrom und einen zweiten abgezweigten Einleitungsstrom, Expandieren des ersten abgezweigten Einspeisestroms in einer Expandiervorrichtung und Rückführen des expandierten ersten abgezweigten Einspeisestroms zur Lufteinleitung, während für die Abkühlung der eingeleiteten Luft durch Wärmeaustausch gesorgt wird, ferner das Abkühlen des zweiten abgezweigten Einspeisestroms mittels Wärmeaustausch gegen die Verfahrensströme; ferner das Aufteiler des zweiten abgezweigten Einspeisestroms in einen dritten abgezweigten Einspeisestrom sowie einen vierten abgezweigten Einspeisestrom und Expansion des dritten abgezweigten Einspeisestroms in einer Expandiervorrichtung und Rückführen eines Teils des expandierten dritten abgezweigten Einspeisestroms zu der eingeleiteten Luft, während für das Abkühlen der eingespeisten Luft vermittels eines Wärmetauschers gesorgt wird, ferner Abkühlung des vierten abgezweigten Einspeisestroms mittels Wärmeaustausch gegen die Verfahrensströme; Einleiten eines Teils des vierten abgezweigten Einspeisestroms in eine Niedrigdrucksäule zum Zwecke der Rektifizierung sowie das Einleiten der verbleibenden Anteile des vierten abgezweigten Einspeisestroms und des verbleibenden Anteils des expandierten dritten Einspeisestroms in eine Hochdrucksäule zur Rektifizierung.
Mindestens ein Teil des kopfseitigen Niederdruckstickstoffs läßt sich durch Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufheizen und in das Verfahren zwecks weiterer Verarbeitung zurückführen.
An einer oberen dazwischenliegenden Stelle an der Niedrigdrucksäule läßt sich ein Abgasstrom abziehen, der mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und im Anschluß daran in Form eines gasförmigen Abgasproduktes entfernt wird. Das Abkühlen läßt sich durch das Expandieren dieses Abgasstroms in einem Expansionsgerät vor dessen Aufheizen bewerkstelligen.
Ein Teil des bodenständigen Niederdruckflüssigsauerstoffs läßt sich in Form eines Flüssigsauerstoffproduktstroms und/oder eines Teils an besagtem Bodenrückstand entfernen, der mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und im Anschluß daran in Form eines gasförmigen Sauerstoffproduktes entfernt wird.
Das Mehrfachdestillationskolonnensystem kann ferner noch eine Argonkolonne mitumfassen, worin ein Argon enthaltender gasförmiger Nebenstrom an einer niedrigeren dazwischenliegenden Stelle der Niederdruckkolonne entfernt wurde, so rektifiziert wird, daß ein kopfseitiger, mit Argon angereicherter Dampf sowie eine sich am Boden ansammelnde Flüssigkeit mit einem verringerten Gehalt an Argon entstehen. Die bodenständige argonarme Flüssigkeit wird zur Niederdruckkolonne zurückgeleitet und mindestens ein Teil des argonreichen kopfseitigen Dampfes in einen Rückverdampfer/Kondensator gegen den verdampfenden rohen Hochdruckflüssigsauerstoff aus dem Bodenrückstand kondensiert. Ein Teil des kopfseitigen kondensierten argonreichen Dampfes wird in Form eines Flüssigargonproduktes entfernt, wobei dessen verbleibender Teil dazu verwendet wird, den Rückfluß innerhalb der Argonkolonne zu gewährleisten.
Die Abbildungen zeigen folgendes:
Abbildung 1 stellt ein Schemadiagramm eines herkömmlichen Verfahrens zur Erzeugung hoher Mengen an Flüssigprodukt mittels kryogener Luftdestillation dar;
Abbildung 2 stellt ein Schemadiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar und
Abbildung 3 stellt ein Schemadiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Abbildung 1 steht repräsentativ für einen herkömmlichen Verflüssiger, auf den sich die Erfindung erstreckt. Die Abbildung 1 basiert auf der Lehre der US-A-4 705 548. Unter Bezugnahme auf die Abbildung 1 wird ein Umgebungslufteinspeisestrom in den Strom 100 im Kompressor 110 komprimiert und von Verunreinigungen, die bei kryogenen Temperaturen in dem Reinigungsbett 310 ausfrieren, gereinigt. Der daraus resultierende Strom 201 wird mit einem Luftrückführungsstrom 234 zur Bildung des Stroms 103 kombiniert, der weiter in den Kompressoren 140 und 150 vor der Abkühlung mittels Wärmeaustausch gegen die aufheizenden Verfahrensströme in dem Wärmeaustauscher 540 komprimiert wird. Ein Teil des Stromes 103 wird in Form des Stromes 506 entfernt und in der Expansionsvorrichtung 152 expandiert Der verbleibende Anteil an Strom 103 wird weiter mittels Wärmeaustausch gegen die aufheizenden Verfahrensströme in dem Wärmeaustauscher 541 abgekühlt, nachdem ein zweiter Teil des Stromes 103 in Form des Stromes 508 entfernt und in der Expansionsvorrichtung 153 expandiert wird. Ein Teil der Austragsmenge der Expansionsvorrichtung 153 wird in Form des Stromes 124 entfernt und mittels Wärmeaustausch gegen abkühlende Verfahrensströme in dem Wärmetauscher 542 aufgeheizt, hinter dem der Strom 124 mit dem Austrag aus der Expansionsvorrichtung 152 kombiniert und weiter mittels Wärmeaustausch gegen die abkühlenden Verfahrensströme in den Wärmetauschern 541 und 540 zur Bildung des Luftrückführungsstromes 234 aufgeheizt wird. Der verbleibende Anteil an dem Austrag aus der Expansionsvorrichtung 153 wird bodenseits an der Hochdrucksäule 711 in Form des Stroms 510 eingespeist. Der Teil des Stroms 103, der nach dem Strom 508 verbleibt, wird entfernt und weiter mittels Wärmeaustausch gegen aufheizende Verfahrensströme in dem Wärmetauscher 542 zur Bildung des Stromes 105 abgekühlt. Ein Teil des Stroms 105 wird an einer dazwischenliegenden Stelle der Hochdruckkolonne 711 in Form des Stroms 106 eingeleitet, wogegen der verbleibende Anteil weiter mittels Wärmeaustausch gegen die aufheizenden Verfahrensströme in den Wärmetauschern 552 und 551 vor dem Einleiten in eine dazwischenliegende Stelle an der Niederdruckkolonne 721 in Form des Stromes 84 eingeleitet wird.
Die Hochdruckkolonneneinspeiseströme 106 und 510 werden so rektifiziert, daß ein Strom 10 als oberseitiger Hochdruckstickstoff und Strom 5 als roher Hochdruckflüssigsauerstoffbodenrückstand entstehen. Der Strom 5 wird durch Wärmeaustausch gegen aufheizende Verfahrensströme in dem Wärmeaustauscher 552 unterkühlt, druckreduziert und im Anschluß daran durch Wärmeaustausch gegen ein Flüssigsauerstoffprodukt in dem Wärmetauscher 550 aufgeheizt. Ein Teil des Stromes 5 wird dann an eine dazwischenliegende Stelle der Niedrigdruckkolonne 721 in Form des Stromes 910 eingespeist, wobei der verbleibende Anteil in den Rückverdampfer/Kondensator 732 im obersten Teil der Rohargonsäule 731 als Strom 52 eingeleitet wird.
Ein argonhaltiger gasförmiger Nebenstrom 89 wird an der unteren dazwischenhegenden Stelle der Niedrigdruckkolonne entnommen und in die Rohargonkolonne 731 eingeleitet, worin der Strom 89 so rektifiziert wird, daß ein mit Argon angereicherter Dampf im obersten Bereich und ein argonarmer flüssiger bodenständiger Rückstand in Strom 90 entstehen, wobei letzterer zur Niederdruckkolonne zurückgeleitet wird. Der kopfseitige argonreiche Dampf wird in dem Rückverdampfer/Kondensator 732 gegen die rohen Hochdruckflüssigsauerstoffboden rückstände in Strom 52 kondensiert. Ein Teil des kondensierten argonreichen Dampfes, der kopfseitig entnommen wurde, wird in Form eines Flüssigargonproduktes in Strom 160 entnommen, während der verbleibende Teil des kopfseitigen kondensierten argon reichen Dampfes für den Rückfluß in der Rohargonkolonne eingesetzt wird. Der Anteil an flüssigem Hochdruckrohsauerstoff in Form der Bodenrückstände in dem Strom 52, welcher gegen den kopfseitigen argonreichen Dampf vaporisiert wurde, wird zu der Niedrigdrucksäule in Strom 15 eingeleitet, während der nichtvaporisierte Anteil zu der Niederdrucksäule in Strom 16 eingespeist wird.
Die Niederdruckkolonneneinspeiseströme 910, 84, 15 und 16 werden so destilliert, daß ein kopfseitiger Niederdruckstickstoff in Strom 130 und ein Niederdruckflüssigsauerstoff als Boden rückstand entstehen. Die Hochdrucksäule und die Niederdrucksäule werden thermisch miteinander so verkoppelt, daß mindestens ein Teil des kopfseitigen Hochdruckstickstoffs in Strom 10 in dem Rückverdampfer/Kondensator 722 gegen abdampfende Niederdruckflüssigsauerstoffbodenrückstände kondensiert wird. Mindestens ein Teil des kopfseitigen kondensierten Hochdruckstickstoffs wird dazu verwendet, den Rückfluß in dem Destillationskolonnensystem zu gewährleisten.
Der kopfseitige Niederdruckstickstoff in Strom 130 wird mit einem Entspannungsdampfstrom 85 aus dem Entspannungsverdampfungszylinder 782 zur Bildung des Stroms 131 kombiniert. Der Strom 131 wird mittels Wärmeaustausch gegen die Verfahrensströme in den Wärmeaustauschern 551, 552, 542, 541 und 540 zur Bildung des Stromes 491 aufgeheizt. Ein Teil des Stromes 491 wird in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktes in Strom 488 entnommen, während der verbleibende Anteil in dem Kompressor 135 auf annähernd 120 psia (825 kpa) zur Bildung des Stromes 482 komprimiert wird. Der Strom 482 wird bis nahe an seinen Taupunkt mittels Wärmeaustausch gegen die aufheizenden Verfahrensströme in den Wärmeaustauschern 540, 541 und 542 abgekühlt. Der daraus resultierende Strom 163 wird im Anschluß daran in dem Rückverdampfer/Kondensator 723 gegen abdampfende rohe Hochdruckflüssigsauerstoffbodenrückstände kondensiert. Der so erhaltene Strom 7 wird durch das Ventil 252 expandiert und im Anschluß daran als Rückfluß zur Hochdruckkolonne eingespeist. Ein Teil des Niederdruckkolonnenrückflusses wird aus der Hochdrucksäule in dem Strom 6 entfernt. Der Strom 6 wird mittels Wärmeaustausch gegen aufheizende Verfahrensströme in dem Wärmeaustauscher 551 unterkühlt und in dem Entspannungsverdampfungszylinder 782 äußerst rasch verdampft. Ein Teil der bei dieser Entspannungsverdampfung entstehenden gesättigten Flüssigkeit wird als Flüssigstickstoffprodukt in Strom 250 entnommen, während der verbleibende Teil als Rückfluß für die Niederdrucksäule in dem Strom 80 eingesetzt wird. Der aus dieser Entspannungsverdampfung entstehende gesättigte Dampf in Strom 85 wird mit dem kopfseitigen Niederdruckstickstoff in dem Strom 130 zur Bildung des Stromes 131 vereinigt.
Ein mit Stickstoff angereicherter Abgasstrom 440 wird aus einer oben befindlichen dazwischenliegenden Stelle an der Niederdruckkolonne abgezogen, mittels Wärmeaustausch gegen die Verfahrensströme in den Wärmeaustauschern 551, 552, 542, 541 und 540 aufgeheizt und anschließend als gasförmiges Abgasprodukt in Strom 479 entfernt. Ein Teil der Niederdruckflüssigsauerstoffbodenrückstände wird mit Strom 117 entfernt und in dem Wärmeaustauscher 550 vor der Entfernung als Flüssigsauerstoffprodukt in Strom 70 unterkühlt. Ein Teil der verdampfenden Niederdruckflüssigsauerstoffbodenrückstände wird mit Strom 195 entfernt und mittels Wärmeaustausch gegen abkühlende Verfahrensströme in den Wärmeaustauschern 542, 541 und 540 vor der Entfernung als gasförmiges Sauerstoffprodukt im Strom 198 aufgeheizt.
Erfindungsgemäß wird der Energiewirkungsgrad eines herkömmlichen Verflüssigers durch die Erhöhung des Betriebsdruckes in der Niederdruckkolonne auf einen Druck zwischen 25 und 50 psia (170 bis 350 kpa) verbessert. Dieser erhöhte Druckbereich läßt den Energiewirkungsgrad des Verfahrens durch eine Verringerung der Nichtumkehrbarkeit des herkömmlichen Verflüssigers ansteigen. Unter Nichtumkehrbarkeit versteht man für gewöhnlich verlorene Arbeit oder verlorene Energie (lost exergy). Der Energieverlust (exergy loss) in dem Destillationssystem kann dadurch verringert werden, daß die Triebkraft für den Massentransfer reduziert wird. In einem X-Y-Gleichgewichtsdiagramm wird die Triebkraft für den Massentransfer mittels des Abstandes zwischen der Gleichgewichtskurve und der Betriebskennlinien dargestellt. Bei den gleichen Flüssig- zu Dampfflußverhältnissen in der Destillationskolonne läßt sich die Triebkraft durch die Erhöhung des Säulenbetriebsdruckes in der Weise reduzieren, daß die Gleichgewichtskurve näher an die Betriebskennlinien herangerückt wird. Dieser Effekt ist bei der Niederdruckkolonne in erhöhtem Maße feststellbar.
Der Energieverlust (exergy loss) läßt sich ferner bei dem herkömmlichen Verflüssiger durch die Reduktion der Triebkraft für den Wärmeübergang an einem oder mehreren Vorverarbeitungswärmeaustauschern verringern. In einer graphischen Darstellung der Temperatur gegen den Enthalpiewechsel wird die Triebkraft für den Wärmeübergang anhand des Abstandes zwischen der Kennlinie für den Abkühlungsstrom und der Kennlinie für den Aufheizstrom dargestellt. Durch das reihenweise Erhöhen des Drucks in der Niederdruckkolonne wird das Ansteigen des Förderdruckes im Expansionsschema ermöglicht. Bei einem typischen Einleitungsdruck von 600 psia (4,1 Mpa) läßt die Erhöhung des Förderdruckes im Expansionsschema die Form der Abkühlungskurven einregulieren, so daß eine niedrigere, durchschnittliche Wärmeübergangstriebkraft zu verzeichnen ist.
Ein erhöhter Druck in der Niederdruckkolonne läßt auch die Dichte der Verfahrensgasströme, insbesondere der Niederdruckströme ansteigen. Die Abmessungen der Apparatur läßt sich zugunsten von Kapitaleinsparungen aufgrund der niedrigvolumigen Gasflüße verringern.
Die obere Grenze des erfindungsgemäß eingesetzten Druckbereiches steht für die Tatsache, daß bei kontinuierlicher Druckerhöhung die Vorteile der verringerten Nichtumkehrbarkeit eventuell durch eine untragbare Anzahl zusätzlicher für das Destillationssystem erforderlicher Böden zunichte gemacht werden. In der Tat stellt der erfindungsgemäße erhöhte Druckbereich einen optimalen Ausgleich zwischen der Verringerung der Nichtumkehrbarkeit des Prozesses im Vergleich zu dem Ausmaß an Erhöhung des Kapitaleinsatzes des Verfahrens dar.
Die Abbildung 2 stellt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung dar, die dem in der Abbildung 1 dargestellten Fließschema zugrunde liegt. Die Abbildung 2 ist mit der Abbildung 1 identisch (ähnliche Merkmale der Abbildung 2 werden durch die herkömmliche Numerierung in Abbildung 1 bezeichnet) mit der Ausnahme, daß die Abbildung 2 ein Druckreduktionsschema für die gasförmigen und flüssigen Stickstoffproduktströme miteinschließt. Dieses Druckreduktionsschema bringt den jeweiligen Druck des Stickstoffproduktstromes, die in dem unter erhöhtem Druck betriebenen Verflüssiger gemäß Abbildung 2 erhalten werden, mit den in dem herkömmlichen Verflüssiger gemäß Abbildung 1 erhaltenen Stickstoffproduktströmen in eine Gleichung (dieses Abgleichen ist notwendig, bevor ein Wirkungsgradvergleich anhand der Abbildungen 1 und 2 vorgenommen wird, wie dies bei dem untenstehenden Beispiel der Fall ist). Unter Bezugnahme auf die Abbildung 2 schließt das Druckreduktionsschema die Vereinigung eines Teils des kopfseitigen Niederdruckstickstoffs 432 mit dem Abgasstroms 440 zur Bildung eines kombinierten gasförmigen Stickstoffproduktstromes 940 ein, der im Anschluß daran durch das Ventil 254 zur Bildung des Stromes 941 druckreduziert wird. Das Druckreduktionsschema schließt ferner die nochmalige Verdampfung durch Entspannung des anfänglichen Flüssigstickstoffproduktstromes 351 ein, der aus dem Entspannungsverdampfungszylinder 782 erhalten wurde, in einem zweiten Entspannungsverdampfungszylinder 783 zum Erhalt eines endgültigen Flüssigstickstoffproduktstromes 250 ein. Der Dampfstrom 86 aus diesem zweiten Entspannungsverdampfungsschritt wird mit dem Strom 941 vereinigt. Dieser kombinierte Strom wird anschließend mittels Wärmeaustausch gegen die Verfahrensströme aufgeheizt und in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktstromes 479 entfernt.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung, die den Wirkungsgrad des herkömmlichen Verflüssigers noch weiter steigert, schließt die Expandierung eines mit Stickstoff angereicherten gasförmigen Produktstromes ein, der aus der Niederdruckkolonne abgezogen wird. Diese bevorzugte Ausgestaltung nutzt die Tatsache aus, daß sich ein derartiger Produktstrom auf erhöhtem Druck gegenüber dem herkömmlichen Verflüssiger befindet und auf diese Weise zur Herbeiführung des Abkühlens expandiert werden kann. Die Abbildung 3 erläutert diese erfindungsgemäße bevorzugte Ausgestaltung, die in dem in der Abbildung 2 dargestellten Fließschema zum Ausdruck kommt. Die Abbildung 3 ist mit der Abbildung 2 identisch (ähnliche Merkmale gemäß Abbildung 3 kommen durch eine herkömmliche Numerierung in Abbildung 2 zum Ausdruck) mit der Ausnahme, daß die Expandiervorrichtung 154 durch das Druckreduzierventil 254 ersetzt ist. Der Strom 940 kann zuerst teilweise vorgeheizt werden, obwohl dies in der Abbildung 3 nicht zum Ausdruck kommt, wobei dieser Vorgang in einem oder mehreren Prozeßwärmeaustauschern vor der Expandierung in die Expansionsapparatur 154 aufgeheizt wird.
Die Erfindung läßt sich nicht nur bei den Luftrückführverflüssigern gemäß Beschreibung in der US-A-4 152 130, US-A-4 705 548 sowie der US-A-4 715 873 zum Einsatz bringen, sondern auch in jedem beliebigen Luftrückführverflüssiger, der sich aus diesen Patenten ableiten läßt. Sie läßt sich auch in Zusammenhang mit beliebigen Stickstoffrückführverflüssigern zum Einsatz bringen, wie beispielsweise in der US-A-3 605 422 und US-A-4 894 076 beschrieben sind.
Zur Erläuterung der Leistungsfähigkeit der Erfindung werden die folgenden Beispiele gegeben.

Beispiel

Der Zweck diese Beispiels liegt darin, den verbesserten Energiewirkungsgrad der Erfindung zu erläutern. Dies wurde in der Weise erreicht, daß Computersimulationen für die Verflüssiger gemäß den Darstellungen in den Fließdiagrammen gemäß Abbildung 1, 2 und 3 erstellt wurden. In der Simulation gemäß Abbildung 1 wurde der Druck an der obersten Stelle der Niederdruckkolonne bei dem herkömmlichen Druck von 18,1 psia (125 kpa) eingestellt. Bei den Simulationen gemäß Abbildungen 2 und 3 wurde der Druck auf einen Wert innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches erhöht, nämlich auf 27,8 psia (191,5 kpa) in bezug auf die Simulation der Abbildung 2 und 25,9 psia (178,5 kpa) in bezug auf die Abbildung 3 mit der Simulation der bevorzugten Ausgestaltung. Bei den Simulationen wurde jeweils der Prozentgehalt der eingespeisten Luft in Form von Flüssigstickstoff (27,1 %), Flüssigsauerstoff (20,5 %), Flüssigargon (0,9 %) und gasförmigem Stickstoff (21,0 %) konstant gehalten. Die Betriebsbedingungen für diese und andere Kennströme bei den Simulationen gemäß Abbildung 1, 2 und 3 sind in den folgenden Tabellen 1, 2 und 3 jeweils miteinbezogen. Tabelle 1 Dampf Nr. Druck psia (kPa) Temp. ºF (ºC) Durchfluß (% Lufteinsp.) Zusammensetzung (Mol%) Tabelle 2 Dampf Nr. Druck psia (kPa) Temp. ºF (ºC) Durchfluß (% Lufteinsp.) Zusammensetzung (Mol%) Tabelle 3 Dampf Nr. Druck psia (kPa) Temp. ºF (ºC) Durchfluß (% Lufteinsp.) Zusammensetzung (Mol%)
In der folgenden Tabelle 4 wird der Energieverbrauch bei den Simulationen gemäß Abbildung 1, 2 und 3 verglichen. Dieser Vergleich zeigt auf, daß erfindungsgemäß eine 1%ige Verbesserung des Wirkungsgrades beim Zugrundelegen des herkömmlichen Verflüssigers gemäß Abbildung 4 erzielt wird, während gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine 2,1 %ige Verbesserung des Wirkungsgrades unter Zugrundelegen des herkömmlichen Verflüssigers gemäß Abbildung 1 erzielt wird. Tabelle 4 Simulation Energie Abbildung
Es ist wichtig anzumerken, daß die erfindungsgemäße Verbesserung des Wirkungsgrades in signifikanter Weise noch ausgeprägter ist, wenn die Produktströme einen erhöhten Druck benötigen. Unter der Voraussetzung, daß beispielsweise 39,1 % der eingespeisten Luft, die in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktes hoher Reinheit mit Strom 488 gemäß Abbildung 1 entfernt wird, gemäß Abbildung 2 den erhöhten Niederdruckkolonnendruck von 27,8 psia (191,5 kPa) von weniger als 2,6 psia (18 kPa) benötigt, um den Druckabfall durch die Wärmeaustauscher auszugleichen. Bei dieser Ausgangslage würde die Abbildung 1 die Notwendigkeit eines zusätzlichen Druckes zur Komprimierung des Stromes 488 von 15,2 psia (105 kPa) auf 25,2 psia (174 kPa) zu Folge haben, wogegen die Abbildung 2 die Notwendigkeit eines zusätzlichen Druckes nur für die Komprimierung des Stromes 86 zur Folge haben würde (lediglich 1,1 % der eingespeisten Luft), nämlich von 18,6 psia (128 kPa) auf 27,8 psia (191,5 kPa). Auch bei dieser Ausgangslage würden in bezug auf die Abbildung 2 die Ströme 432 und 86, die insgesamt einen Betrag an 39,1 % der eingespeisten Luft ausmachen, nicht mit dem Abgasstrom 440 vereinigt werden, wie in der Abbildung 2 aktuell dargestellt ist. Stattdessen würde der Strom 432 als Teil des Stromes 130 verbleiben und die Ströme 86 würden nach der Komprimierung des Stromes 86 von 18,6 psia (128 kpa) auf 27,8 psia (191,5 kPa) mit dem Strom 130 kombiniert werden. Nach dem Aufheizen in den Wärmetauschern und dem Abfall des Druckes auf 2,6 psia (18 kPa) würde die Gesamtmenge des zuvor in den Strömen 432 und 86 enthaltenen Durchflusses [d.h 39,1 % an eingespeister Luft], anschließend in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktes höchster Reinheit in dem Strom 488 bei einem Druck von 25,2 psia (174 kpa) entfernt werden. Diese Notwendigkeit einer viel größeren zusätzlichen Druckerhöhung in bezug auf die Abbildung 1 würde die Verbesserung des Wirkungsgrades gemäß der Abbildung 2 gegenüber der Abbildung 1 von oberhalb 1, % auf annäherungsweise 2,9 % weiter erhöhen.
Zusammenfassend ist zu sagen, daß die Erfindung ein leistungsfähiges Verfahren zur Erhöhung des Energiewirkungsgrades eines herkömmlichen Verflüssigers darstellt.

Claims

1. Verfahren zur kryogenen Destillation eingeleiteter Luft unter Verwendung eines Mehrfachkolonnendestillationssystems mit einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule, wobei eine Kältemenge erzeugt wird, die zur Entfernung von mindestens 15 % der eingespeisten Luft in Form eines Flüssigstickstoffproduktstromes und/oder eines Flüssigsauerstoffproduktstromes ausreicht, wobei mindestens ein Teil dieser Kältemenge durch ein Expansionsschema erzeugt wird und im Anschluß an eine Vorverarbeitung der eingeleiteten Luft mindestens ein Teil der Einspeiseluft in eine Hochdruckkolonne eingeleitet wird, worin die eingespeiste Luft so rektifiziert wird, daß kopfseitig Hochdruckstickstoff und als Bodenrückstand roher Hochdruckflüssigsauerstoff entstehen, wobei mindestens ein Teil der rohen Bodenrückstände aus Hochdruckflüssigsauerstoff in eine Niederdruckkolonne eingeleitet wird, worin die rohen Boden rückstände aus Hochdruckflüssigsauerstoff so abdestilliert werden, daß kopfseitig Niederdruckstickstoff und als Bodenrückstand Niederdruckflüssigsauerstoff entstehen, wobei die Hochdruckkolonne und die Niederdruckkolonne thermisch so miteinander verkoppelt werden, daß mindestens ein Teil des kopfseitig entstehenden Hochdruckstickstoffs in einem Rückverdampfer/Kondensator gegen eine verdampfende Niederdruckkolonnenflüssigkeit, die mit Sauerstoff angereichert ist, kondensiert und mindestens ein Teil des kopfseitig kondensierten Hochdruckstickstoffs dazu verwendet wird, den Rückfluß in dem Destillationskolonnensystem zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckkolonne bei einem Druck zwischen 170 und 350 kpa (25 und 50 psia) betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein mit Stickstoff angereicherter gasförmiger Produktstrom aus der Niederdrucksäule abgezogen wird und die Abkühlung durch die Expansion eines mit Stickstoff angereicherten gasförmigen Produktstroms in einer Expandiervorrichtung bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Teil des kopfseitigen Niederdruckstickstoffes mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und in den Prozeßablauf zur weiteren Verarbeitung zurückgeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Expansionsschema in die Weiterverarbeitung des kopfseitigen Anteils an Niederdruckstickstoff integriert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Weiterverarbeitung die folgenden Schritte einschließt:

(a) Komprimierung des kopfseitigen Anteils an Niederdruckstickstoff auf einen erhöhten Druck;

(b) Abkühlen des komprimierten kopfseitigen Anteils an Stickstoff mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme auf eine Temperatur am oder nahe an seinem Taupunkt;

(c) Kondensieren des abgekühlten kopfseitigen Anteils an Stickstoff in einem Rückverdampfer/Kondensator gegen abdampfende rohe Bodenrückstände aus flüssigem Hochdrucksauerstoff;

(d) Einsatz von kondensiertem kopfseitigem Niederdruckstickstoff als zusätzlichem Rückfluß für das Destillationskolonnensystem und/oder als mindestens ein Teil des Flüssigstickstoffproduktstromes.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem ein zweiter Teil des kopfseitigen Niederdruckstickstoffs mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und im Anschluß daran in Form eines gasförmigen Stickstoffproduktstromes entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Abgasstrom aus einer weiter oben befindlichen dazwischen liegenden Stelle an der Niederdruckkolonne abgezogen, mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und im Anschluß daran in Form eines gasförmigen Abgasprodukts entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Abkühlung durch die Expandierung des Abgasstromes in einer Expansionsvorrichtung vor dessen Aufheizung und/oder durch die Expansion des zweiten Teils des kopfseitigen Niederdruckstickstoffs in einer Expansionsvorrichtung vor dessen Aufheizen bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Expansionsschema in die Vorverarbeitung der eingespeisten Luft integriert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Vorverarbeitung der eingespeisten Luft die folgenden Schritte einschließt:

(a) Komprimierung der eingeleiteten Luft auf einen erhöhten Druck und Entfernen der Verunreinigungen aus der eingespeisten Luft, die bei kryogenen Temperaturen ausfriert;

(b) Abkühlen der eingeleiteten Luft mittels Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme

(c) Auftrennen der eingespeisten Luft in einen abgezweigten ersten Einspeisestrom und einen zweiten abgezweigten Einspeisestrom;

(d) Expandieren des abgezweigten ersten Einspeisestroms in einer Expansionsvorrichtung und Rückführung des expandierten ersten abgezweigten Einspeisestroms zu der eingeleiteten Luft, während die Abkühlung der eingeleiteten Luft durch Wärmeaustausch gewährleistet wird;

(e) weiteres Abkühlen des zweiten abgezweigten Einspeisestroms durch Wärmeaustausch gegen Verfahrensströme;

(f) weiteres Auftrennen des zweiten abgezweigten Einspeisestroms in einen dritten abgezweigten Einspeisestrom und einen vierten abgezweigten Einspeisestrom;

(g) Expandieren des dritten abgezweigten Produktstromes in einer Expansionsvorrichtung und Rückführen einer Teilmenge des dritten abgezweigten Einspeisestroms zu der eingeleiteten Luft, während die Abkühlung der eingespeisten Luft durch Wärmeaustausch gewährleistet wird;

(h) weiteres Abkühlen des vierten abgezweigten Einspeisestroms durch Wärmeaustausch gegen Verfahrensströme;

(i) Einleiten eines Teils des vierten abgezweigten Einspeisestroms in eine Niederdruckkolonne zur Rektifizierung und

(j) Einleiten des verbleibenden Teils des vierten abgezweigten Einspeisestroms und des verbleibenden Teils des expandierten dritten abgezweigten Einspeisestroms in eine Hochdruckkolonne zum Rektifizieren.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil des Niederdruckflüssigsauerstoffs aus dem Bodenrückstand in Form eines Flüssigsauerstoffproduktstromes entfernt wird.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der Bodenrückstände aus Niederdruckflüssigsauerstoff durch Wärmeaustausch gegen einen oder mehrere Verfahrensströme aufgeheizt und anschließend in Form eines gasförmigen Sauerstoffproduktes entfernt wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem

(a) das Mehrfachdestillationskolonnensystem zusätzlich noch eine Argonsäule aufweist;

(b) ein argonhaltiger gasförmiger Nebenstrom aus einer weiter unten gelegenen dazwischen befindlichen Stelle an der Niederdrucksäule entfernt und in die Argonsäule eingespeist wird, worin der gasförmige argonhaltige Nebenstrom so rektifiziert wird, daß kopfseitig ein argonreicher Dampf und bodenseitig eine argonarme Flüssigkeit entstehen;

(c) die argonarme Bodenrückstandsflüssigkeit zu der Niederdruckkolonne zurückgeführt wird;

(d) mindestens ein Teil des argonreichen Dampfes aus dem Kopfende in einem Rückverdampfer/Kondensator gegen abdampfende rohe Bodenrückstände aus flüssigem Hochdrucksauerstoff kondensiert wird;

(e) ein Teil des kondensierten argonreichen Dampfes aus dem Kopfende als Flüssigargonprodukt entfernt wird und

(f) die verbleibende Teilmenge des kopfseitigen kondensierten argonreichen Dampfes dazu verwendet wird, den Rückfluß in der Argonsäule zu gewährleisten.