DE69313022T2

DE69313022T2 - Verflüssigungsverfahren

Info

Publication number: DE69313022T2
Application number: DE69313022T
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Beddome; Joseph Alfred Weber
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1992-06-05
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: CN1076817C; DE69313022D1; ES2105009T3; CA2097751A1; CA2097751C; KR940000841A; EP0573074A2; KR0164870B1; CN1082183A; EP0573074B1; US5231835A; JPH0650657A; EP0573074A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckverflüssiger-Verfahrensweisen. Genauer bezieht sie sich auf eine verbesserte Energieeffizienz bei derartigen Verfahrensweisen.

Beschreibung des Stands der Technik

Bislang sind viele Verfahren sowohl des Einfachdurchlauf- wie des Umwälztyps zur Verflüssigung von Luftzerlegungsprodukten, narnentlich Stickstoff, Sauerstoff und Argon verwendet worden. Um die Miffe dieses Jahrhunderts wurden Verfahren verwendet, bei denen Einsatzlufi für eine Lufizerlegungsanlage in verdrängenden Hubkolben-Verdichtern auf einen Wert bis 208 bar (3000 psig) verdichtet wurde. Die Hochdruckluft wurde in Röhrenwärmetauschem oder spiralenförmigen Wärmetauscher getrocknet und gekühlt und durch verdrängende Hubkolben-Arbeitsextraktionsexpander expandiert, um die für die Herstellung der Luftzerlegungsflüssigkeiten notwendige Kühlung zu erzeugen. Eine derartige Verfahrensweise mit Hochdruck ermöglichte signifikante thermodynamische Effizienzvorteile des Verflüssigungszyklus'. Allerdings fiel die verwendete Wärmeaustausch-Ausrüstung unhandlich und teuer aus, und der Hubkolbennnechanismus war, sowohl hinsichtlich der Anschaffung wie des Unterhalts, komplex und teuer.
In den späten Fünfzigern wurden realisierbare mehrstufige Niederdruck-Zentrifügalverdichter, Radialeinlaß-Turboexpander und kompakte, kosteneffiziente hartgelötete Aluminiumwärmetauscher kommerziell verfügbar. Niederdruck-Umwälzstickstoffverfahren wurden verwendet, um diese neue Ausrüstung für die Kälteerzeugung zur Verflussigung von Luftzerlegungsprodukten zu benutzen. Die niedrige aerodynamische Effizienz des Mechanismus und der thermodynamische Nachteil der Niederdruckverfahrensweise führten zu Verflüssigungssystemen, deren Energieeffizienz gelegentlich niedriger war als die der ersetzten Hochdrucksysteme. Allerdings fielen die erforderlichen Anschaffungs- und Unterhaltskosten geringer aus. In den frühen Achtzigern führte der stete Fortschritt zu höheren Arbeitsdrücken und verfügbaren Maximalgrößen der hartgelöteten Aluminiumwärmetauscher und zur Verbesserung der aerodynamischen Effizienz der Zentrifugalverdichter, und die kommerzielle Verfügbarkeit von mehrstufigen zentrifugalen Hochdruck-Stickstoffumwälzverdichtern mit den passenden kryogenischen Turboexpander/Boosteranordnungen wurden sowohl zur Umwälzung und zu Einfachdurchlauf-Verflüssigungszyklen mit Maximaldrücken bis zu 54 bar (770 psig) verwendet. Die Energieeffizienz fiel für diese neuen Anordnungen signifikant höher aus als für die alten auf Turbomaschinerien basierenden Niederduck-Einrichtungen. In der jetzigen Zeit werden die meisten Luftzerlegungsflüssigkeiten von Verflüssigem dieser verbesserten Bauweise hergestellt.
Typische Konfigurationen des vorliegenden Stickstoff-Verflüssigertyps sind in US-A- 4 778 497, Hanson et al dargestellt. Wie dort gezeigt, wird ein erster Einsatzstickstoff in die Ansaugung eines drei- oder vierstufigen Umwälzverdichters von dem Abzug des Einsatzverdichters eingespeist, wobei letzterem Niederdruck-Stickstoff von einer Luftzerlegungsanlage zugeführt wird. Zusätzlicher Einsatz wird oft als erwärmter Dampf von der Hochdruckkolonne in der Luftanlage zugeführt. Der Stickstoffumwälzverdichter pumpt diesen Einsatz und den rücklaufenden Umwälzstickstoffstrom von der Verflüssigerkühlbox in einem typischen Druckbereich zwischen etwa 5,5 bis 6 bar (80-90 psia) und etwa 31,0 bis 34,5 bar (450-500 psia). Der gesamte Umwälzverdichter-Abzugsstrom wird durch parallel angeordnete warme und kalten Tubinenbooster weiter auf etwa 48 bar (700 psia) verdichtet, wie in US-A- 4 778 497 dargestellt. Bei dieser Verflüssigungszyklusanordnung führt eine Parallel- anstelle einer Reihenschaltung der Booster zu den vorteilhaftesten dimensionslosen aerodynamischen Wirksamkeitsparametem der Boosterverdichtungsstufen. Der aus den Boostem austretende Hochdruckstrom wird in der Kühlbox der hartgelöteten Aluminiumwärmetauscher sukzessive gekühlt und zwischen der warmen Turbine, der kalten Turbine und dem Produktstrom aufgeteilt. Der Auslaß beider Turbinen wird in dem Wärmetauschsystem erwärmt und zu der Ansaugung des Umwälzverdichters zurückgeführt.
1985 wurden große hartgelötete Aluminiumwärmetauscher mit einem Arbeitsdruckvermögen von 98 bar (1400 psig) verfügbar. Aus einer Reihe von Gründen ist das oben beschriebene Stickstoff-Verflüssigungsverfahren nicht imstande, einen Nutzen aus den thermodynamischen Vorteilen des Betriebs bei diesem höheren Druckpegel zu ziehen. Werden beide Turbinen bei einem Druckverhältnis von etwa 8, beispielsweise mit 48 bar zu 6 bar (700 psia zu 88 psia) betrieben, ist die Summe des Temperaturabfalls über die beiden Maschinen gleich des Gesamttemperaturbereichs von der Umgebungs- zu der gesattigten Dampftemperatur an dem kalten Turbinenauslaß. Eine Steigerung der Einlaßdrücke der Turbinen ohne eine Steigerung ihres Auslaßdrucks wurde den Temperaturabfall über die Maschinen über ein Maß hinaus steigern, mit dem das Verfahren effizient betrieben werden könnte. Somit wurden sich Temperaturvermischungsverluste und/oder ein zweiphasiger Auslaß von der kalten Turbine entwickeln. Ebenso kann das Druckverhältnis in einem einstufigen Radialeinlaß-Turboexpander aufgrund der Beschränkungen durch die aerodynamische Ausführung nicht wesentlich über 8 hinaus gesteigert werden. Diese Probleme könnten durch eine proportionale Steigerung sowohl der Einlaß- wie der Auslaßdrücke der Turbinen vermieden werden, um das Druckverhältnis zwischen ihnen auf etwa 8 festzulegen. Bei einem Turbineneinlaßdruck von 97 bar (1400 psia) wurde der Auslaßdruck der Turbinen und der Einlaßdruck zu dem Umwälzverdichter etwa 12 bar (175 psia) betragen. Die kalte Turbinenauslaßtemperatur kann nicht unterhalb der Säffigungstemperatur von 107º K bei 12 bar (175 psia) liegen, was wiederum zu einer übermäßig hohen Temperatur und Enthalpie des überkritischen Produktstroms führen wurde, der in einen Flash-Separator eintritt, zu der Luftanlage abgeführt oder zwecks nachfolgender Weiterleitung zur Speicherung zu dem Unterkühler geleitet wird. Die Gesamteffizienz des Systems ist durch diese Reduktion in der Proportion der gesamten Verflüssigungskühlung beeinträchtigt, die durch den direkten Wärmeaustauschkontakt mit den Turbinenauslaßströmen bereitgestellt wird. Zusätzlich verhindert die Steigerung des Auslaßdrucks der kalten Turbine und des Saugdrucks des Umwälzverdichters über den Betriebsdruck der Hochdruckkolonne in der Lufizerlegungsanlage hinaus die direkte Übertragung des entweder kalten oder erwärmten Dampfs von dieser Kolonne zu dem Ansaugkreis des Verflüssigers. Obgleich verschiedene Anordnungen zur Vermeidung dieses Problems benutzt werden könnten, führen sie der Anlage weitere Unkosten und eine höhere Komplexität zu. Infolgedessen sind die bei Spitzenzyklusdrücken von 48,3-55,2 bar (700-800 psia) betriebenen Verflüssigungsverfahren, die derzeit weithin zur Stickstoff- und Luftverflüssigung verwendet werden, nur unzureichend geeignet.
US-A-4 894 076, Dobracki, offenbart ein auf Turbomaschinen basierendes Umwälzstickstoff- Verflüssigungsverfahren, das dazu entworfen ist, aus den kommerziell verfügbaren hartgelöteten Aluminiumwärmetauschern mit hohem Arbeitsdruck einen Vorteil zu ziehen. Wie in Tabelle 1 dieses Patents dargestellt, weist das patentierte Verfahren einen beanspruchten Energieeffizienzvorteil von etwa 5% auf, verglichen mit typischen kommerziellen Verflüssigern. Das patentierte Verfahren verwendet drei Radialeinlaß-Turboexpander, um den Temperaturbereich zwischen der Umgebung und dem gesattigten Dampfauslaß der kalten Turbine zu überbrücken. Die warme Turbine verwendet nachgekühltes Umwälzverdichter-Abzugsgas bei 33,7 bar (489 psia) als Einsatz und entlädt bei einem Umwälzverdichter-Saugdruck von 6,3 bar (91 psia) und 192º K. Sie stellt die sämtliche für das Verfahren benötigte Kälte bis zu einem Temperaturpegel von 200º K bereit. Das verbleibende Umwälzverdichter-Abzugsgas wird von 33,8 bar (490 psia) auf eine maximale Zykiusdruckhöhe von 83,8 bar (1215 psia) mittels zweier Zentrifugalverdichterräder vorverdichtet, welche die von den drei Gasexpandem zugeführte Energie aufnehmen. Nach der Abkühlung auf 200º K in dem Wärmetauschsystem wird ein Teil dieses Stroms zu dem Zwischengasexpander geführt, wo es auf 33,1 bar (480 psia) und 155º K expandiert. Diese Maschine stellt eine Verfahrenskälte zwischen 200º K und 155º K bereit. Dem kalten Turboexpander wird Auslaßgas von dem Zwischenexpander, vermischt mit einem kleinen Trimmstrom von Umwälzverdichter-Abzugsgas, das in dem Wärmetauschsystem auf die gleiche Temperatur abgekühlt worden ist, eingespeist. Der kalte Expander stößt bei oder nahe bei 6,5 bar (94 psia) gesättigten Dampf aus und stellt eine Kälte zwischen 155º K und 99º K bereit. Nachdem der Turbinenauslaßstrom in dem Gegenströmungs-Wärmeaustausch mit dem eintretenden Einsatzstrom erwärmt worden ist, wird dieser zu der Umwälzverdichter-Ansaugung zurückgeführt. Zwecks weiterer Reduzierung des Wärmegehalts expandiert der Expander für Flüssigkeit oder dichtes Fluid den kalten, überkritischen Produktstickstoffstrom von 83,2 bar auf 6,5 bar (1206 psia auf 94 psia) und führt diesen Strom der Luftzerlegungsanlage als Kühlungszufuhr für die Erzeugung des unterkühlten flüssigen Produkts zu. Obgleich das patentierte Verfahren eine Gesamtenergieeffizienz aufweist, die, verglichen mit dem Stand der Technik, um etwa 5% höher liegt, bestehen weiterhin verschiedene Mängel und Nachteile, die bei der weiter fortschreitenden Verflüssigertechnik erwünschterweise beseitigt werden sollten.
Der Leistungsbedarf des Verfahrens aus US-A-4 894 076 ist um 2,3% größer als derjenige des Verfahrens der hier beschriebenen und beanspruchten Erfindung. Zwei Faktoren tragen zu diesem Umstand bei: Zum einen liegt der mitgeteilte Zyklusdruck des oben erwähnten Patents bei etwa 83 bar (1200 psia) unter dem derzeit bevorzugten Pegel der vorliegenden Erfindung von 97 bar (1400 psia), und zum zweiten wird die von der Flüssigkeitsturbine erzeugte Energie nicht gewonnen, um sinnvolle Arbeit auszuführen. Darüber hinaus ist der Zyklus des oben erwähnten Patents mit der Verwendung von drei Stickstoffgasturbinen und einer Flüssigkeitsturbine von größerer Komplexität, und die Anschaffungs- und Unterhaltskosten fallen dort mit der Verwendung von vier Maschinen höher aus als bei der vorliegenden Erfindung, deren einfacheres Schema nur zwei Gasturbinen und eine Flüssigkeitsturbine beinhaltet.
Die Zyklusanordnung aus US-A-4 894 076 schließt ein Erreichen des thermodynamischen Vorteils aus, der durch die gestiegene Verfahrensdruckhöhe auf 96,5 bar (1400 psia) als dem maximalen Arbeitsdruckvermögen derzeitiger hartgelöteter Aluminiumwärmetauscher theoretisch verfügbar ist, wobei der Druck erwünschterweise bis zu 172 bar (2500 psia) reichen kann.
Daher ist ersichtlich, daß es beim Stand der Technik äußerst erwünscht wäre, über ein Hochdruck-Verflüssigerverfahren zu verfügen, das imstande wäre, vorteilhaft Wärmetauscher mit einem Arbeitsdruckvermögen bis zu 97 bar (1400 psia) zu verwenden. Ebenfalls sollte erwähnt werden, daß es in den vielen Fällen, wo der Verflüssiger in eine Luftzerlegungsanlage integriert ist, vorteilhaft wäre, über die Flexibilität zu verfügen, den kalten Turbinenauslaßdruck und Umwälzverdichter-Einlaßdruck absenken zu können, um entweder sowohl den erwärmten oder den kalten Stickstoffdampf von der Hochdruckkolonne der Luftzerlegungsanlage oder beide Dämpfe zusammen ohne Verdichtung als Einsatz für den Verflüssiger abgeben zu können. Moderne Lufizerlegungsanlagen, die mit strukturierten Packungen gefüllte Destillationskolonnen aulweisen, sind für Hochdruck-Stickstoffkolonnendrücke ausgelegt, die bis zu 4,7 bar (68 psia) hinunter reichen können. Das Verfahren aus US-A- 4 894 076 verfügt nicht über die Flexibilität, einen Betrieb bei einem derart niedrigen Umwälzverdichter-Saugdruck zu ermöglichen. Würde dies bei diesem Verfahren versucht, wurde sich entweder ein sehr großer Flüssigkeitsgehalt in dem kalten Turbinenauslaß entwickeln, oder es wurden große Temperaturvermischungsverluste zwischen den Wärmetauscherzonen auftreten. Dieses Problem könnte durch ein Betreiben bei einem maximalen Zyklusdruck von etwa 62 bar (900 psia) gelöst werden, wodurch sich jedoch eine signifikante Reduktion der Zyklusenergieeffizienz ergäbe.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Begegnung dieser beim Stand der Technik bestehenden Probleme durch die Bereitstellung eines verbesserten Hochdruck-Verflüssigerverfahrens, das zur Verwendung von Hochdruck-Wärmetauschem imstande ist und signifikante Verfahrensenergieeinsparungen im Vergleich mit beim Stand der Technik bekannten Verfahren bewerkstelligen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung weist ein verbessertes Verflüssigerverfahren die Merkmale aus Anspruch 1 auf. Duale Turbinenbooster-Verdichtereinheiten sind auf eine spezifische Weise angeordnet, um vorteilhafte Parameter des Mechanismusentwurfs und eine effiziente Kühlkurvencharakteristik bereitzustellen. Hochdruck-Wärmetauscher mit mehreren Durchläufen werden zur Bewerkstelligung der erwünschten Verfahrensanordnung verwendet. Die letztliche Flüssigkeitsproduktexpansion kann eine Flüssigkeitsturbine verwenden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die beiliegende schematische Zeichnung einer grundlegenden Ausführungsform des Stickstoff-Verflüssigerverfahrens der Erfindung beschrieben werden.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein verbessertes Verflüssigerverfahren und -system bewerkstelligt, das erwünschterweise zwei Gasturbinen und eine Flüssigkeitsturbine verwendet, so daß die Anschaffungs- und Unterhaltskosten minimiert und der Energiebedarf reduziert werden, und somit ein effizienter Gesamtbetrieb bewerkstelligt wird.
Bei der Anwendung einer Ausführungsform der Erfindung verbindet sich der sich erwärmende kalte Turbinenauslaß mit beispielsweise 5,0 bar (72,5 psia) mit dem Einsatzverdichterabzug und dem Mifleldruck-Einsatz, um die Ansaugung zu der ersten Stufe des Stickstoffumwälzverdichters bereitzustellen. Nach zwei Verdichtungsstufen verbindet sich dieser Strom mit dem sich erwärmenden warmen Turbinenauslaß für die beiden zweiten Umwälzverdichtungsstufen. Ein Teil des Umwälzverdichter-Abzugsstroms mit 39,8 bar (577 psia) wird extrahiert und in dem hartgelöteten Aluminiumwärmetauscher als kalter Turbineneinsatz gekühlt. Der verbleibende Teil des Umwälzverdichter-Abzugsstroms wird durch die in Reihe angeordneten kalten und warmen Tubinenbooster geführt, von wo er mit 97 bar (1400 psia) zu der kalten Box geführt wird. Nach der Kühlung in der ersten Zone des hartgelöteten Aluminiumwärmetauschers wird ein Teil dieses Stroms als warmer Turbineneinsatz extrahiert, wobei der verbleibende Produktanteil gekühlt und kondensiert wird, bevor er in den Unterkühler eintriff. Der aus dem Unterkühler austretende kalte, überkritische Hochdruck-Produktstrom wird durch die Flüssigkeitsturbine verarbeitet, deren Auslaßenthalpie sehr nahe bei der von gesäffigtem flüssigem Stickstoff bei einem Druck von einer Atmosphäre liegt. Ein Teil des flüssigen Auslaßstroms wird in dem hartgelöteten Aluminium-Unterkühlerwärmetauscher als Kältemiffel gedrosselt, wo er gekocht und überhitzt wird, bevor er in dem Wärmetauschsystem erwärmt und zu der Einsatzverdichter-Ansaugung geleitet wird. Der übrige Teil des unterkühlten flüssigen Turbinenauslaßstroms verläßt den Verflüssiger, um gespeichert zu werden oder als Kältemittelzufuhr für eine Luftzerlegungsanlage zu fungieren. Der Einsatzverdichter sammelt erwärmtes Flash-Gas von dem Unterkühler und frischen Niederdruckeinsatz von der Luftzerlegungsanlage zur Weiterleitung zu der Ansaugung des Umwälzstickstoffverdichters.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung kann gesättigter dampfförmiger Stickstoff, der aus dem Radialeinlaß eines kalten Turboexpanders 3 in einer Leitung 27 mit 5,6 bar (81 psia) austritt, mit einem kleinen Strom des kalten Mitteldruck-Stickstoffgases, welches von der unteren Kolonne einer Luftzerlegungsanlage in einer Leitung 22 eingeführt wurde, verbunden werden, bevor er in hartgelöteten Aluminiumwärmetauscherzonen 15, 14 und 13 sukzessive auf Umgebungstemperatur erwärmt wird. Das derart erwärmte Gas vereinigt sich durch eine Leitung 26 mit nachgekühltem Auslaßstickstoff von einem Einsatzverdichter 9 und einem Nachkühler 10 und mit einem Miffeldruck-Stickstoffeinsatz 12, der von der unteren Hochdruckkolonne einer Luftzerlegungsanlage (nicht dargestellt) als Auffüllgas eingeführt wird, nachdem er in dem Wärmetauschsystem der Anlage auf Umgebungstemperatur aufgewärmt worden ist. Der kombinierte Strom wird in einer Leitung 28 zu den ersten Zonen einer Umwälzstickstoffverdichtung in einem Umwälzverdichter 1 geleitet. Der Verdichter besteht typischerweise aus zwei Zentrifugalverdichtungsstufen, die an den entgegengesetzten Enden eines Getrieberitzels befestigt sind, welches mit einem motorbetriebenen Triebrad in Eingriff steht. Der verdichtete Stickstoff wird durch die allgemein von dem Umwälzverdichter 1 dargestellten Verdichtungsstufen zwischengekühlt und anschließend beim Verlassen der ersten Verdichterzone bei 14,6 bar (211 psia) in dem Nachkühler 23 nachgekühlt. Der von einem warmen Radialeinlaß-Expander 6 bei 15,0 bar (217 psia) und 158º K stammende Auslaßstickstoff in einer Leitung 29 wird sukzessive in den hartgelöteten Gegenströmungs- Aluminiumwärmetauscherzonen 14 und 13 erwärmt, bevor er sich mit dem einen Nachkühler 23 verlassenden nachgekühlten Auslaßstickstoff beim Austriff aus der ersten Zone der Umwälzstickstoffverdichtung verbindet. Der kombinierte Strom wird zu der Ansaugung der zweiten Zone der Umwälzstickstoffverdichtung, d.h. zu dem Umwälzverdichter 2 geführt. Dieser Verdichter besteht typischerweise ebenfalls aus zwei Zentrifiigalverdichtungsstufen, die an den entgegengesetzten Enden eines Getrieberitzeis befestigt sind, welches von dem gleichen Triebrad angetrieben wird, das die erste Zone der Umwälzstickstoffverdichtung antreibt. Die Zwischenkühlung ist zwischen den zwei Verdichtungsstufen bereitgestellt, und der Auslaßstickstoff; der bei 39,8 bar (577 psia) von dem Umwälzverdichter 2 stammend in der Leitung 28 strömt, wird in einem Nachkühler 7 nachgekühlt.
Der die zwei Zonen der Stickstoffumwälzverdichtung verlassende Umwälzstickstoffstrom wird in zwei Ströme aufgeteilt. Der erste Strom fließt zur sequentiellen Kühlung in einer Leitung 30 in die hartgelöteten Gegenströmungs-Aluminiumwärmetauscherzonen 13 und 14, bevor er in den kalten Expander 3 eintriff. Nach der Arbeitsextraktionsexpansion in dem Expander 3 wird der Auslaßstrom durch die Leitung 27 geführt, wie oben erwähnt. Der zweite die zwei Zonen der Stickstoffumwälzverdichtung verlassende Stickstoffstrom wird durch eine Leitung 31 zu dem Einlaß des kalten Tubinenboosters 4 geführt. Die kalte Turbinen/Boosteranordnung besteht aus einer von einer Lagerung unterstützten Spindel, an deren einem Ende eine Radialeinlaß-Expansionszone 3 und am anderen Ende eine Zentrifugalverdichtungsstufe 4 angeordnet sind. Die mittels Arbeitsextraktion von dem Expansionsstrom zu der Spindel geführten Energie wird von der Verdichtungsstufe absorbiert (geringfügigere Lagerungs- und Verwindungsverluste). Der kalte Booster 4 erhöht den Druck des durch ihn geleiteten Stickstoffgasstroms von 39,6 bar (574 psia) auf 55,5 bar (805 psia). Der Abzugsstrom des kalten Boosters wird in einer Leitung 32 entfernt und in einem Nachkühler 24 nachgekühlt, bevor er in dem warmen Tubinenbooster 5 weiter auf 97 bar (1400 psia) verdichtet wird.
Der warme Hochdruck-Boosterabzugsstrom von dem warmen Tubinenbooster 5 wird in einer Leitung 33 zu dem Nachkühler 8 geleitet, bevor er in die hartgelötete Aluminiumwärmetauscherzone 13 eintritt, um mittels Gegenströmungskühlung auf 262º K gekühlt zu werden, bevor er wiederum in zwei Ströme aufgeteilt wird. Der erste Strom wird durch eine Leitung 34 für die fastisentropische Arbeitsextraktionsexpansion zu dem Einlaß der warmen Turbine 6 geführt. Der Auslaßstrom von der Turbine wird durch die Leitung 29 geführt, wie oben angegeben. Die von der Expansion der warmen Turbine 6 erzeugte Energie wird zu dem spindelbetriebenen warmen Booster 5 geführt.
Der zweite Teil des das kalte Ende des Wärmetauschers 13 in Leitung 30 verlassenden Hochdruck-Stickstoffstroms wird in den hartgelöteten Gegenströmungs-Aluminiumwärmetauscherzonen 14, 15 und 16 sukzessive gekühlt, bevor er in die Flüssigkeitsturbine 17 bei 95,8 bar (1390 psia) und 79,6º K eintritt, d.h. als ein überkritisches dichtes Hochdruckfluid. Eine fastisentropische Arbeitsextraktionsexpansion vollzieht sich in der Flüssigkeitsturbine 17. Der Auslaß dieser Turbine wird als zu gewinnendes Produkt in eine Leitung 25 eingespeist, die ein Expansionsventil 35 enthält, damit das Produkt zur Speicherung und/oder Kühlungszufuhr zu der Luftzerlegungsanlage weitergeleitet wird. Ein kleiner Strom der Kältemittelflüssigkeit wird durch eine Leitung 36 mit einem Ventil 37 zum Kochen und Überhitzen in der hartgelöteten Unterkühler-Aluminiumwärmetauscherzone 16 geführt. Der in der Unterkühlerzone 16 gebildete Niederdruckdampf wird in den hartgelöteten Gegenströmungs-Aluminiumwärmetauscherzonen 15, 14 und 13 sukzessive auf Umgebungstemperatur erwärmt, bevor er durch die Leitung 36 geleitet wird, um sich mit dem Niederdruck- Produktstickstoff in der Leitung 26 von der Luftzerlegungsanlage zu verbinden, um den Einlaßstrom zum Stickstoff-Einsatzverdichter 9 auszubilden. Dieser Verdichter ist üblicherweise eine dreistufige zwischengekühlte Zentrifugaleinheit mit integralem Getriebe, die ihren Ausgangsstrom durch den Nachkühler 10 zu der Ansaugung des Umwälzverdichters 1 leitet.
Die Flüssigkeitsturbinen/Boostereinheit besteht aus einer von einer Lagerung unterstützten Spindel mit zweifachem Ende, an deren einem Ende die Flüssigkeitsturbine 17 und an derem anderen Ende eine kleine Zentrifugalverdichterstufe 18 angeordnet sind, welche für einen Parallelbetrieb mit der ersten Stufe des Umwälzverdichters 1 ausgelegt ist. Gas von dem Umwälzverdichter 1 wird in einer Leitung 38 zu der Verdichterstufe 18 geführt, und verdichtetes Gas wird durch eine Leitung 39 entfernt. Die auf diese Weise durchgeführte Gewinnung der verfügbaren Expansionsarbeit verbessert die Energieeffizienz des Verflüssigers um etwa 0,5%.
Für den Fachmann versteht sich, daß unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen hinsichtlich der Einzelheiten der hier beschriebenen Erfindung möglich sind, ohne den in den beigefügten Ansprüchen ausgedrückten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Bei einer derartigen Modifikation sind die Wärmetauscherzone 16 und die Wärmetauscherdurchleitungen von den Zonen 15, 14 und 13 mit dem erwärmten Niederdruck-Flash-Off-Stickstoff von der Flüssigkeitsturbine 17 außer Betrieb gesetzt oder entfernt. Nach der Expansion in der Flüssigkeitsturbine 17 wird der Produktstrom, der eine höhere Enthalpie als in der Ausführungsform der Zeichnung aufweist, zu der Spitze der Hochdruck- oder der unteren Kolonne der Luftzerlegungsanlage zurückgeführt. Unterkühlte flüssige Sauerstoff-, Stickstoff- und Argonströme werden von der Luftanlage im Austausch für die zu der Luftanlage zugeführten Kühlung durch den vorliegenden Stickstoff-Verflüssiger abgegeben. In dieser Ausführungsform erweist es sich üblicherweise als geeignet, einen kleinen Strom des kalten Mitteldruck-Stickstoffgases von der Luftanlage zu der Verflüssigerleitung 22 abzuführen, um ein effizientes Gleichgewicht der Temperaturverteilung in dem warmen Ende des Wärmetauschsystems der Luftanlage zu bewerkstelligen. Diese Anordnung wird bevorzugt, wenn die Größe und Anordnung der Luftzerlegungsanlage, mit der der Verflüssiger verbunden ist, derart ausfüllt, daß die Unterkühlung des Produktflüssigstickstoffs miffels des Wärmetauschers 16 auf effizientere Weise in der Luftzerlegungsanlage bewerkstelligt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Flüssigkeitsturbine 17 von dem in der Zeichnung dargestellten Schema entfernt, was zu einer Zunahme des Leistungsbedarfs zur Erzeugung einer festgelegten Menge von gesattigtem flüssigem Stickstoff bei einem Druck von einer Atmosphäre um 5,7% führt. Allerdings läßt sich das Verfahren ohne eine zusätzliche Modifikation in Form der Ersetzung der Flüssigkeitsturbine durch ein geeignetes Ventil betreiben. Dies erweist sich als nützlich, wenn die Anlage vereinfacht oder die Kapitalausgaben gesenkt werden sollen, oder wenn nach einem Versagen der Flüssigkeitsturbine ein zeitweises Betreiben des Verflüssigers erfolgen soll.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden kein Unterkühler und keine Flüssigkeitsturbine verwendet. Der Prodnktstickstoff in der Leitung 25 wird zu der Oberseite der unteren Kolonne der Luftzerlegungsanlage geführt, und die unterkühlten Luftzerlegungsproduktflüssigkeiten werden zur Speicherung durch die Luftanlage im Austausch mit der der Anlage durch den Sückstoff-Verflüssiger zugeführten Kühlung ausgeführt.
Es ist ersichtlich, daß betreffs der in der Ausführungsform der Zeichnung verwendeten Verfahrensdruckpegel die Einbeziehung der Zone 13 des Wärmetauschers eine verbesserte Effizienz des Verfahrens bereitstellt, indem sie die Temperaturvermischungsverluste beseitigt, die andernfalls zwischen den Zonen 14 und 15 auftreten wurden. Der Temperaturvermischungsverlust triff auf, weil die Auslaßtemperatur der warmen Turbine 6 über der von der kalten Turbine 3 benötigten Einlaßtemperatur liegt. Allerdings steigt durch das Einstellen der Verfahrensdrücke zwecks Steigerung der Druckverhältnisse zwischen beiden Turbinen der Temperaturabfall bei jeder Turbine so lange, bis die Einlaßtemperatur der warmen Turbine auf Umgebungstemperatur liegt. An diesem Punkt wird die Wärmetauscherzone 13 dann nicht mehr benötigt. Temperaturvermischungsverluste entstehen bei Teillast. In diesem Fall kann ein einfacherer hartgelöteter Aluminiumwärmetauscher als derjenige aus der Ausführungsform in der Figur verwendet werden. Dieser Ansatz kann gleichfalls in Situationen vorteilhaft sein, in denen ein geringerer Saugdruck als der Konstruktionssaugdruck an dem Umwälzverdichter erwünscht ist.
In einer Ausführungsform eines alleine arbeitenden Luftverflüssigersystems wird trockene kohlendioxidfreie Luft von dem Luftverdichter und Vorreiniger der Luftanlage in der Leitung 12 als Einsatz für die Ansaugung des Umwälzverdichters 1 zugeführt. In dieser Zufuhrleitung ist ein geeignetes Ventil angeordnet, um den Betrieb des Verflussigers mit einem geringeren Saugdruck als dem Zuführdruck der Luftanlage zu ermöglichen. Dies erhöht die Teillasteffizienz des Verflüssigers. Von dem Verflüssiger erzeugte flüssige Luft fließt in der Leitung 25 zu der unteren Kolonne der Luftanlage. Die dadurch bereitgestellte Kälte gestaffet die Abgabe der unterkühlten Luftzerlegungsflüssigkeiten von der Luftanlage zur Abspeicherung. Für die adäquate Ausgleichung der Temperaturverteilung in den Hauptwärmetauschern der Luftanlage ist üblicherweise die Zufuhr eines kalten Niedertemperatur-Luftstroms von dem kalten Ende des Luftanlagen-Hauptwärmetauschers als Einsatz für den Verflüssiger durch die Leitung 22 geeignet. Diese Anordnung kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn das erwünschte gesamte Flüssigprodukt weniger als etwa 30% des Luftzerlegungsanlagen Lufteinsatzes beträgt, wenn der meiste Teil der notwendigen Flüssigkeit flüssiger Sauerstoff ist, und wenn eine durchführbare Maximalerzeugung von Argon nicht erwunscht ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Luftverflüssiger in den Hauptwärmetauscher der Luftanlage integriert. Diese Anordnung legt die Hauptwärmetauscher der Luftanlage und den Verflüssiger zusammen. Die gesamte Beladung der Luftanlage, namentlich der kohlendioxidfreie Lufteinsatz, wird der Ansaugung des Umwälzverdichters von dem Vorreiniger 12 der Luftanlage unter Druck stehend zugeführt. Der Lufteinsatz zu der unteren Kolonne der Luftanlage ist eine Kombination aus einem Teil des kalten Turbinenauslasses 22 und dem flüssigen Luftprodukt 25 des Verflüssigers. Diese Anordnung weist den hauptsächlichen Nachteil auf, daß der kalte Turbinenauslaßdruck gleich oder größer als der niedrigere Volumendruck der Luftanlage sein muß, was die Verflüssigerwirksamkeit unter Teillast nachteilhaft beeinträchtigt. Somit kommt diese Ausführungsform dann in Betracht, wenn ein signifikantes Teillastvermögen des Verflüssigers zusätzlich zu den im Zusammenhang mit dem alleine arbeitenden Luftverflüssigersystem erwähnten Gründen nicht erwünscht ist.
Für den Fachmann versteht sich, daß die Anordnung ohne den Unterkühler 16 mit einer Anordnung kombiniert werden kann, die die Wärmetauscherzone 13 bzw. die Luftverflüssigung entfernt. Ahnlich dazu kann die Anwendung des Unterkühlers 16 in die Ausführungsform des Luftverflüssigers eingegliedert werden.
Eine Ausführungsform gemäß der Anordnung der Zeichnung wurde unter Verwendung von bewährten Simulationen berechnet, um die Betriebsbedingungen zu bestimmen, die bei spezifischen Anwendungen der Erfindung angewendet werden können. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben. Bei diesem Entwurf wurde ein warmer Turbineneinlaßdruck von 95,8 bar (1390 psia) gewählt, da ein Druck von 97 bar (1400 psig) der derzeit vorteilhafteste kommerziell verfügbare Arbeitsdruck für hartgelötete Aluminiumwärmetauscher ist. Verfahrensstudien haben ergeben, daß mit einer Steigerung der Drucknöhe auf diesen Pegel sich die Energieeffizienz weiter steigert. Mit geeigneten ökonomischen Wärmetauschem mit höherem Arbeitsdruck läßt sich das Verfahren mit höheren Druckpegeln betreiben. Der warme Turbineneinlaßdruck des alleine arbeitenden Verflüssigers kann zwischen etwa 97 und etwa 172 bar (1400 und 2500 psia) liegen, wobei das mögliche Druckverhältnis zwischen der warmen Turbine, der kalten Turbine und dem Einsatzverdichter typischerweise in dem Bereich von 6-9, 6-9 bzw. 4-8 liegt. Tabelle Umwälzverflüssigerverfahren
Das verbesserte Hochdruck-Verflüssigerverfahren der Erfindung verwendet Verdichtereinheiten mit zwei Turbinenboostem auf eine sehr spezifische Weise und ermöglicht das Erreichen effizienter Kühlkurvencharakteristiken zusammen mit ausgezeichneten Entwurfsparametern der Anordnung.
Für den Fachmann ist verständlich, daß mit der Anwendung der Erfindung eine Vielzahl von neuen Eigenschaften und Vorzügen verbunden sind. Somit wird warmer Turbineneinsatz zusammen mit einem Produktteil des Verflüssigers von dem Abzug der zwei in Reihe geschalteten Tubinenbooster entnommen. Zusätzlich liegt der warme Turbinenauslaß bei einem idealen Druckpegel zur Rückführung zu der Ansaugung zu der Stufe Drei eines vierstufigen Umwälzstickstoffverdichters nach erfolgter Erwärmung vor. Darüber hinaus liegt die isentropische Drucknöhe in der warmen Turbine unterhalb des Pegels, bei dem eine hohe Machzahl der Düse Konstruktionsprobleme der Radialeinlaß-Turbinen verursacht, wenn das Aerodesign der Turbine dem Stand der Technik entspricht.
Die Anordnung der Erfindung, bei der zwei Tubinenbooster in dem Fließschema in Reihe angeordnet sind und wobei sich der kalte Booster vor dem warmen Booster befindet, führt zu einem vorteilhaften Betrieb der Booster. Es versteht sich jedoch, daß bei der Durchführung der Erfindung die Verfahrensfolge auch vertauscht werden kann. Der kalte Turbineneinsatz ist der von dem hartgelöteten Aluminiumwärmetauscher gekühlte Stickstoffumwälzverdichter- Abzugsstrom. Der kalte Turbineneinlaßstrom führt nicht durch den Tubinenbooster.
Bei der Anwendung der Erfindung wird der erwärmte kalte Turbinenauslaß in die erste Stufe des Stickstoffumwälzverdichters eingespeist. Dessen Druck fällt relativ niedrig aus, was das Erreichen einer niedrigen Enthalpie des im Gegenströmungs-Wärmeaustausch gekühlten überkritischen Produktstroms ermöglicht. Dadurch werden die Anforderungen an die Kühlung durch den Unterkühler vermindert.
Der niedrige kalte Turbinenauslaßdruck gestattet die Zuführung von entweder kaltem oder erwärmtem Stickstoffdampf von einer Hochdruckkolonne der Luftzerlegungseinheit zu dem Verflüssiger. Die Zyklusdrücke lassen sich ohne Verluste der Zykluseffizienz einfach einstellen, um den kalten Turbinenauslaß und den Umwälzverdichter-Einlaßdruck auf einen Pegel zu bringen, damit Stickstoffdampf von einer Luftzerlegungseinheit mit gepackten Destillationskolonnen eingeführt werden kann.
Obgleich die Erfindung mit besonderem Bezug auf die Gewinnung eines flüssigen Stickstoffproduktstroms beschrieben wurde, versteht sich, daß bei den entsprechenden Bedingungen die Anwendung der Ausführungsformen gleichfalls für die Luftverflüssigung und für die Erzeugung anderer flüssiger Produkte wie Sauerstoff und leichten Kohlenwasserstoffverbindungen, z.B. Methan und ähnliche Stoffe, möglich ist.
Die Flüssigkeitsturbine kann entweder stromauf- oder stromabwärts von dem Unterkühler angeordnet sein. Bei einer stromaufwärtigen Anordnung ist sie imstande, eine geeignete Phasentrennung des Auslasses beim Auslaßdruck der kalten Turbine auszuführen, wobei der Dampfteil dieses Stroms zu der Auslaßleitung der kalten Turbine zurückgeführt wird.
Der Verflüssiger der Erfindung kann vorteilhaft in signifikantem Ausmaß von seiner Vollast- Produktionskapazität heruntergefahren werden. Da das Verfahren einen relativ niedrigen Stickstoffumwälzverdichter-Saugdruck verwendet, ist es für die Zufuhr von warmem Gasvorrat von einer Luftzerlegungseinheit mit gepackten Destillationskolonnen und niedriger Druckhöhe geeignet. Eine weitere Reduzierung des Umwälzsaugdrucks ist ohne Verfahrenseffizienzverluste möglich. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß der Auffüllgasstrom für den Verflüssiger bei jeder Temperatur und jedem Druck des Verflüssigerverfahrens an einer geeigneten Stelle, beispielsweise in einer Leitung 31a oder 33a, in die Verfahrensanordnung eingespeist werden kann.
Somit stellt die Erfindung ein verbessertes Hochdruck-Verflüssigerverfahren bereit. Aufgrund der signifikanten Verfahrensenergieeinsparungen, die durch die Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, stellt das Verfahren der Erfindung einen äußerst erwunschten Fortschritt gegenüber den beim Stand der Technik bekannten Verfahren bereit.

Claims

1.Verfahren zum Verflüssigen von Gasen, bei welchem

(a) dem Verfahren Auffüllgas für den Verflüssiger von einer externen Quelle Zugeführt wird und verdichtetes Verflüssigergas nach Kühlung in einer hartgelöteten Aluminium-Mehrzugwärmetauscheranordnung (13, 14, 15, 16) zu dem Einlaß einer kalten Turboexpandereinheit (3) geleitet wird;

(b) von der kalten Turboexpandereinheit (3) ausgestoßenes Verflüssigergas durch die Wärmetauscheranordnung (13, 14, 15, 16) hindurch zwecks Aufwärmung auf Umgebungstemperatur umgewälzt wird, bevor es zu einer Umwälzverdichtungsanordnung (1) geleitet wird;

(c) das umgewälzte Verflüssigergas und das Auffüllgas für den Verflüssiger in einer Verdichteranordnung (1, 2) mit zwei Zonen verdichtet wird, wobei ein Teil des so verdichteten Verflüssigergases das zu der kalten Turboexpandereinheit (3) geleitete verdichtete Verflüssigergas bildet;

(d) der verbleibende Teil des so verdichteten Verflüssigergases zu einer Booster- Verdichtungseinheit (4) der kalten Turboexpandereinheit (3) geleitet wird;

(e) das Verflüssigergas von der Booster-Verdichtungseinheit (4) der kalten Turboexpandereinheit nach Abkühlen (24) auf einen erhöhten Druck von etwa 97 bar bis etwa 172 bar (etwa 1400 psia bis etwa 2500 psia) in der Booster-Verdichtungseinheit (5) einer warmen Turboexpandereinheit (6) weiter verdichtet wird; (f) der Verflüssigergasstrom bei erhöhtem Druck in einen ersten und einen zweiten Strom aufgeteilt wird;

(g) der erste Strom (in Leitung 34) von Verflüssigergas bei erhöhtem Druck zu dem Einlaß der warmen Turboexpandereinheit (6) geleitet wird, um darin expandiert zu werden;

(h) das von der warmen Turboexpandereinheit (6) austretende Verflüssigergas in der Wärmetauscheranordnung erwärmt wird;

(i) das so erwärmte Verflüssigergas von der Wärmetauscheranordnung zu der zweiten Zone (2) der Verdichteranordnung (1, 2) mit zwei Zonen zwecks darin erfolgender Verdichtung gemeinsam mit dem Umwälzverflüssigergas von dem kalten Turboexpander (3) umgewälzt wird;

(j) der zweite Strom des Verflüssigergases bei erhöhtem Druck in der Wärmetauscheranordnung gekühlt wird;

(k) der gekühlte zweite Strom des Verflüssigergases zu einer Flüssigkeitsturbineneinheit (17) zwecks Expansion darin geleitet wird;

(l) mittels der Flüssigkeitsturbineneinheit (17) eine Kompressoranordnung (18) angetrieben und ein Teil des umgewälzten Verflüssigergases in der Kompressoranordnung verdichtet wird;

(m) ein Produktflüssigkeitsstrom von der Turbineneinheit (17) in einer Gewinnungsleitung (25) abgezogen wird; und

(n) der Strom des Produktflüssigkeitsstromes in der Produktgewinnungsleitung (25) gesteuert wird, wodurch der Gebrauch der besagten dualen Turbinenbooster- Verdichtereinheiten (4, 5) gemeinsam mit den hartgelöteten Aluminium-Wärmetauschern, die bei erhöhten Drücken betrieben werden können, es ermöglicht, die gewunschte Produktflüssigkeit bei zwecknnäßigen Energieeffizienzpegeln zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner der gekühlte zweite Strom von Verflüssigergas zu einem Unterkühlungsabschnitt (16) der Wärmetauscheranordnung geleitet wird, bevor er der Flüssigkeitsturbineneinheit (17) zugeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem ferner der Verflüssiger-Produktstrom aufgeteilt wird, und ein großer Teil davon als gewunschtes Verflüssigerprodukt von dem Prozeß abgeleitet wird, und ein kleiner Teil davon (in Leitung 36) durch den Unterkühlungsabschnitt (16) der Wärmetauscheranordnung (13, 14, 15, 16) zwecks Bildung von Niederdruckverflüssigerdampf geleitet wird, der Verflüssigerdampf in den verbleibenden Abschnitten (13, 14, 15) der Wärmetauscheranordnung erwärmt wird und der Verflüssigerdampf der Binsatzverdichteranordnung (9) zugeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verflüssigergas Stickstoff aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verflüssigergas Luft aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verflüssigergas Sauerstoff aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verflüssigergas Methan aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verflüssigergas trockene, kohlendioxidfreie Luft von dem Vorreinigerabschnitt einer Luftzerlegungsanlage aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Teil des umgewälzten Verflüssigergases, der in der Kompressoranordnung (18) verdichtet wird, ein Teil des umgewälzten Verflüssigergases ausmacht, das zu der ersten Zone (1) der Umwälzverdichteranordnung (1, 2) mit zwei Zonen geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner Auffüllgas für den Verflüssiger von einer externen Quelle (in Leitung 12) in der Umwälzverdichteranordnung (1, 2) mit zwei Zonen verdichtet wird.