DE69414282T2 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Drucksauerstoff - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Herstellung von Drucksauerstoff

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff unter einem hohen Sauerstoffdruck gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Im folgenden ist der Begriff "Kondensation" in einem weiten Sinn zu verstehen, d. h. er umfaßt auch die Pseudokondensation bei überkritischen Drücken.
  • EP-A-0 504 029 beschreibt ein Verfahren dieses Typs, in dem die Fraktion der Luft, die auf den zweiten Hochdruck nachverdichtet wird, aus einem sehr kleinen Luftdurchsatz besteht, der nur die Funktion hat, Kalorien in Nähe der Einlaßtemperatur der Turbine zuzuführen, die die Fraktion der nicht nachverdichteten Luft entspannt.
  • Ziel der Erfindung ist es, dieses bekannte Verfahren so zu verbessern, daß seine thermodynamischen Leistungen ohne Erhöhung der entsprechenden Investition erhöht werden.
  • Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren des oben genannten Typs, das durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
  • Weitere besondere Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Diese Anlage wird in Anspruch 6 beschrieben.
  • Ausführungsformen dieser Anlage werden in den Ansprüchen 7 bis 10 beschrieben.
  • Im nachstehenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage,
  • Fig. 2 ein durch Berechnung erhaltenes Wärmeaustauschdiagramm für die Anlage von Fig. 1 bei einer ersten Betriebsart dieser Anlage; in diesem Diagramm sind auf der Abszisse die Temperaturen in Grad Celsius und auf der Ordinate die ausgetauschten Wärmemengen angetragen; Fig. 3 ein dem Diagramm von Fig. 2 entsprechendes Diagramm, das einer anderen Betriebsart der Anlage von Fig. 1 entspricht, und Fig. 4 bis 6 Ansichten gemäß Fig. 1 von drei Abwandlungen.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Luftdestillationsanlage umfaßt im wesentlichen folgendes: einen Luftverdichter 1; eine Vorrichtung 2 zur Reinigung der verdichteten Luft von Wasser und CO&sub2; durch Adsorption, wobei diese Vorrichtung zwei Adsorptionsflaschen 2A, 2B aufweist, von denen die eine im Adsorptionsbetrieb ist, während die andere regeneriert wird; eine Turbine-Gebläse-Einheit 3, die aus einer Entspannungsturbine 4 und einem Gebläse oder Nachverdichter 5 besteht, deren Wellen gekoppelt sind, wobei das Gebläse ggf. mit einem Kühler (nicht dargestellt) ausgerüstet ist; einen Wärmetauscher 6, der die Wärmeaustauschstrecke der Anlage bildet; eine doppelte Destillationssäule 7, die eine Mitteldrucksäule 8 umfaßt, über welcher eine Niederdrucksäule 9 angeordnet ist, mit einer Verdampfungs- und Kondensiervorrichtung 10, die den Kopfdampf (Stickstoff) der Säule 8 mit der Bodenflüssigkeit (Sauerstoff) der Säule 9 in Wärmeaustausch bringt; einen Behälter 11 für flüssigen Sauerstoff, dessen Boden mit einer Pumpe 12 für flüssigen Sauerstoff verbunden ist; und einen Behälter 13 für flüssigen Stickstoff, dessen Boden mit einer Pumpe 14 für flüssigen Stickstoff verbunden ist.
  • Diese Anlage ist dazu bestimmt, über eine Leitung 15 gasförmigen Sauerstoff unter einem vorbestimmten Hochdruck zu liefern, der einige bar bis einige zehn bar betragen kann (in der vorliegenden Beschreibung sind die betreffenden Drücke absolute Drücke).
  • Zu diesem Zweck wird der flüssige Sauerstoff, der von der Wanne der Säule 9 über eine Leitung 16 abgezogen wird und im Behälter 11 gespeichert wird, durch die Pumpe 12 im flüssigen Zustand auf den Hochdruck gebracht und dann verdampft und unter diesem Hochdruck in Durchgängen 17 des Wärmetauschers 6 wieder erhitzt.
  • Die Hitze, die für diese Verdampfung und diese Wiedererhitzung sowie für die Wiedererhitzung und ggf. Verdampfung von anderen von der Doppelsäule abgezogenen Fluiden erforderlich ist, wird von der zu destillierenden Luft bei den nachfolgenden Bedingungen geliefert.
  • Die gesamte zu destillierende Luft wird durch den Verdichter 1 auf einen ersten Hochdruck verdichtet, der deutlich höher als der Mitteldruck der Säule 8 ist, und zwar praktisch höher als 9 bar. Dann wird die bei 18 vorgekühlte und bei 19 bis in die Nähe der Raumtemperatur gekühlte Luft in einer der Adsorptionsflaschen, beispielsweise in der Flasche 2a, gereinigt und in zwei Fraktionen getrennt.
  • Die erste Fraktion, die mindestens 70% des behandelten Luftdurchsatzes darstellt, wird durch den durch die Turbine 4 angetriebenen Nachverdichter 5 auf einen zweiten Hochdruck nachverdichtet.
  • Die erste Luftfraktion wird nun am heißen Ende des Wärmetauschers 6 eingeführt und in ihrer Gesamtheit bis zu einer Zwischentemperatur gekühlt. Bei dieser Temperatur wird eine Fraktion der Luft weiter gekühlt, in Durchgängen 20 des Wärmetauschers verflüssigt und dann in einem Entspannungsventil 21 auf den Niederdruck entspannt und auf einer Zwischenhöhe in die Säule 9 eingeführt. Der Rest der Luft wird in der Turbine 4 auf den Mitteldruck entspannt und dann direkt über eine Leitung 22 zur Basis der Säule 8 geleitet.
  • Die zweite Fraktion, die ggf. durch eine mit einer Strichpunktlinie dargestellten Kühlgruppe 6A auf etwa -40ºC vorgekühlt wurde, wird unter dem ersten Hochdruck in die Wärmeaustauschstrecke 6 eingeführt, bis zu deren kaltem Ende in Durchgängen 20A gekühlt und verflüssigt, in einem Entspannungsventil 21A entspannt und mit dem vom Entspannungsventil 21 kommenden Strom vereinigt.
  • Fig. 1 zeigt ferner die gebräuchlichen Leitungen der Doppelsäulenanlagen, wobei die dargestellte Anlage vom Typ "Minarett" ist, d. h. mit Stickstofferzeugung unter Niederdruck, und zwar die Leitungen 23 bis 25, über die in die Säule 9 in steigenden Höhen entspannte "reiche Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft), entspannte "untere arme Flüssigkeit" (unreiner Stickstoff) und entspannte "obere arme Flüssigkeit" (praktisch reiner Stickstoff) eingespritzt werden, wobei diese drei Fluide an der Basis, an einem mittleren Punkt bzw. am Scheitel der Säule 8 abgezogen werden; sowie die Leitung 26 zum Abziehen von gasförmigen Stickstoff, die vom Scheitel der Säule 9 ausgeht, und die Leitung 27 zur Abfuhr des Restgases (unreiner Stickstoff), die von der Höhe der Einspritzung der unteren armen Flüssigkeit ausgeht. Der Niederdruckstickstoff wird in den Durchgängen 28 des Wärmetauschers 6 erhitzt und dann über eine Leitung 29 gewonnen, während das Restgas nach Erhitzung in Durchgängen 30 des Wärmetauschers zur Regenerierung einer Absorptionsflasche - im vorliegenden Beispiel der Flasche 2B - verwendet wird, bevor es über eine Leitung 31 abgeführt wird.
  • Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Teil des flüssigen Niederdruckstickstoffs nach Entspannung in einem Entspannungsventil 32 im Behälter 13 gespeichert und wird eine Produktion von flüssigem Stickstoff und/oder flüssigem Sauerstoff über eine Leitung 33 (für den Stickstoff) und/oder 34 (für den Sauerstoff) geliefert.
  • So wie in dem Verfahren der oben genannten EP-A-0 504 029 unterscheidet man bei der Wahl des Drucks der nachverdichteten Luft zwei Fälle.
  • Wenn der Sauerstoffhochdruck niedriger als etwa 20 bar ist, ist dieser Luftdruck der Druck der Kondensation der Luft durch Wärmeaustausch mit dem in Verdampfung begriffenen Sauerstoff unter dem Hochdruck, d. h. der Druck, bei dem das Knie G der Verflüssigung einer der beiden Luftfraktionen auf dem Wärmeaustauschdiagramm (Temperaturen auf der Abszisse, ausgetauschte Wärmemengen auf der Ordinate) etwas rechts von dem vertikalen Kurventeil P der Verdampfung des Sauerstoffs unter dem Hochdruck gelegen ist (Fig. 2). Die Temperaturdifferenz am heißen Ende der Austauschstrecke wird mit Hilfe der Turbine 4 eingestellt, deren Ansaugtemperatur mit A angegeben ist. Diese Differenz wird in Nähe einer Temperatur von etwa +10 bis +15ºC, wie in Fig. 2 bei B dargestellt ist, auf ein Minimum von etwa 2 bis 3ºC gebracht, und zwar durch die Einführung der zweiten Luftfraktion in die Wärmeaustauschstrecke bei dieser Temperatur. Dieses Merkmal, kombiniert mit dem Auftreten des zweiten Verflüssigungsknies G', das der Verflüssigung der anderen Luftfraktion entspricht, gestattet es, das Wärmeaustauschdiagramm noch enger zu gestalten als im Fall der genannten FR-A. Es ist zu bemerken, daß dieses Ergebnis ohne zusätzliche Maschine erhalten werden kann. Das Vorhandensein der Kühlgruppe 6A verstärkt noch diese günstige Erscheinung.
  • Das Diagramm von Fig. 2 entspricht den folgenden Zahlenwerten: erster Hochdruck: 24,5 bar; Sauerstoffhochdruck: 10 bar; zweiter Hochdruck: 31 bar; zweite Luftfraktion: 28% des eintretenden Durchsatzes; verflüssigte Fraktion bei 20: sehr klein; Flüssigkeitsproduktion: 40% der abgetrennten Sauerstoffmenge.
  • Wenn der Sauerstoffhochdruck über etwa 20 bar liegt, wählt man einen Luftdruck zwischen 30 bar und dem Kondensationsdruck der Luft im Sauerstoff während der Verdampfung. In diesem Fall (Fig. 3) verschieben sich die Verflüssigungsknie der beiden Luftfraktionen bezüglich der Verdampfungsstufe P des Sauerstoffs und die Ansaugtemperatur der Turbine wird niedriger als die der Stufe P. Infolgedessen befindet sich eine große Fraktion der turbinengeförderten Luft auf Mitteldruck in flüssiger Form, und die Kältebilanz der Anlage ist ausgeglichen, wobei eine Temperaturdifferenz am heißen Ende der Wärmeaustauschstrecke von etwa 3ºC besteht, indem von der Anlage mindestens ein Produkt (Sauerstoff und/oder Stickstoff) in flüssiger Form über die Leitungen 33 und/oder 34 abgezogen wird. Wenn der Luftdruck etwa 30 bar beträgt, erhält man dieses Gleichgewicht durch einen Flüssigkeitsabzug von etwa 25% der Produktion von gasförmigem Sauerstoff unter Hochdruck, wobei dieser Anteil erhöht wird, wenn der Druck der Luft über 30 bar liegt.
  • Das Diagramm von Fig. 3 entspricht den folgenden Zahlenwerten: erster Hochdruck: 28,5 bar; Reinigungstemperatur: +12ºC; zweite Luftfraktion: 11% des eintretenden Durchsatzes; zweiter Hochdruck: 36,4 bar; auf 5,7 bar entspannte Fraktion bei 4: 77 % des eintretenden Durchsatzes; verflüssigte Fraktion bei 20: 12% des eintretenden Luftdurchsatzes; Sauerstoffhochdruck: 40 bar; Flüssigkeitserzeugung: 35% der abgetrennten Sauerstoffmenge.
  • In der Abwandlung von Fig. 4 wird die aus der Turbine 4 austretende Luft in einen Trenntopf 35 eingeleitet. Die sich ergebende flüssige Phase wird direkt zur Säule 8 geleitet, während die gasförmige Phase nach partielle Erhitzung in der Wärmeaustauschstrecke in einer zweiten, mit einer geeigneten Bremse 37 versehenen Turbine 36 auf den Niederdruck entspannt wird und dann in die Säule 9 eingeblasen wird. Diese Abwandlung gestattet entweder die Erzeugung von unreinem Sauerstoff unter guten Energiebedingungen dank der Erhöhung der Flüssigkeitsproduktion, die sich aus dem Vorhandensein der zweiten Turbine ergibt, oder die Erhöhung der Flüssigkeitsproduktion auf Kosten der abgetrennten Sauerstoffmenge oder die Erzeugung von flüssigem Sauerstoff allein.
  • Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann es in diesem Zusammenhang vorzuziehen sein, die aus dem Abscheider 35 austretende Gasphase bis auf eine Temperatur zu erhitzen, die über der Eintrittstemperatur der Hauptturbine 4 liegt, bevor diese Gasphase dem Einlaß der Turbine 36 zugeführt wird. In diesem Fall kann es erforderlich sein, wie dargestellt ist, in die Wärmeaustauschstrecke die aus der Turbine 36 austretende Luft einzuführen und sie bis zum kalten Ende dieser Austauschstrecke zu kühlen, bevor sie in die Säule 8 eingeführt wird.
  • Fig. 6 zeigt eine andere Abwandlung, bei der der erste Hochdruck der Druck der vorletzten Stufe des Hauptverdichters 1 ist. Nach Reinigung bei 2 unter diesem Druck wird die Luft wie im vorhergehenden in zwei Fraktionen geteilt. Die erste Fraktion wird wieder in die Saugseite der letzten Stufe des Verdichters 1 eingeführt und verläßt diesen mit einem höheren Druck. Dann wird diese Luft nach Vorkühlung bei 38 bei 5 auf den zweiten Hochdruck nachverdichtet und dann auf die oben erläuterte Weise behandelt. Die zweite Luftfraktion wird direkt in die Durchgänge 20A der Wärmeaustauschstrecke eingeführt.
  • Gegebenenfalls kann, wie mit Strichpunktlinien dargestellt ist, ein Luftstrom zwischen dem Vorkühler 38 und dem Gebläse 5 entnommen und über eine Leitung 39 anderen Durchgängen 20B der Wärmeaustauschstrecke zugeführt werden, d. h. also unter einem zwischen dem ersten und dem zweiten Hochdruck liegenden Druck.
  • Fig. 6 zeigt ferner, daß die Anlage abgesehen von gasförmigem Niederdruckstickstoff, der direkt vom Kopf der Säule 9 kommt, und gasförmigem Hochdrucksauerstoff auch gasförmigen Stickstoff unter Druck erzeugen kann, der durch Verdampfung in der Wärmeaustauschstrecke eines in der Leitung 33 entnommenen Durchsatzes von flüssigem Stickstoff erhalten wird. Diese Verdampfung von Stickstoff kann insbesondere durch Kondensation der in den Durchgängen 20, 20A oder 20B enthaltenen Luft vor sich gehen.
  • Ferner kann die Anlage auf die in der oben genannten EP-A-0 504 029 erläuterten Weise gasförmigen Sauerstoff und/oder gasförmigen Stickstoff unter mindestens zwei verschiedenen Drücken erzeugen.
  • Gegebenenfalls kann ein kleiner Teil der aus dem Gebläse 5 austretenden Luft durch ein zweites, beispielsweise mit der Turbine 36 von Fig. 5 gekoppeltes Gebläse (nicht dargestellt) noch einmal nachverdichtet werden, bevor er in der Wärmeaustauschstrecke gekühlt und verflüssigt wird, und zwar entsprechend der Lehre der Anmeldung FR 9115935.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff unter einem hohen Sauerstoffdruck durch Destillation von Luft in einer Doppelsäulenanlage (7), die eine unter einem sogenannten Mitteldruck arbeitende Mitteldrucksäule (8) und eine unter einem sogenannten Niederdruck arbeitende Niederdrucksäule (9) aufweist, Pumpen (bei 12) von aus der Wanne der Niederdrucksäule (9) abgezogenem flüssigem Sauerstoff und Verdampfung (bei 6) des verdichteten flüssigen Sauerstoffs durch Wärmeaustausch mit Luft in einer Wärmeaustauschstrecke (6) der Anlage, Verfahren, in dem man
- die gesamte zu destillierende Luft mit Hilfe eines Hauptluftverdichters (1) der Anlage auf einen ersten Hochdruck verdichtet, der deutlich höher als der Mitteldruck ist, und in eine erste und eine zweite Fraktion teilt,
- die erste Fraktion auf einen zweiten Hochdruck nachverdichtet und
- mindestens den wesentlichen Teil der ersten Fraktion in der Wärmeaustauschstrecke auf eine Zwischentemperatur kühlt, bei der ein Teil in einer ersten Turbine (4) auf den Mitteldruck entspannt wird und dann in die Mitteldrucksäule (8) eingeführt wird, während der Rest weiter gekühlt und verflüssigt wird, in einem Druckminderventil (21) entspannt wird und in die Doppelsäule (7) eingeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fraktion mindestens 70% des behandelten Luftdurchsatzes darstellt und daß man die zweite Fraktion in einem oder mehreren Strömen bei dem ersten Hochdruck oder bei einem oder mehreren Drücken, die zwischen dem ersten Hochdruck und dem zweiten Hochdruck liegen, kühlt und verflüssigt und nach Entspannung in einem Druckminderventil (21A) in die Doppelsäule einführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmige Fraktion der von der ersten Turbine (4) kommenden Luft in einer zweiten Turbine (36) auf den Niederdruck entspannt, wobei diese gasförmige Fraktion vor ihrer Entspannung in der zweiten Turbine teilweise erwärmt wird und der Abgang dieser Turbine ggf. nach Kühlung in die Niederdrucksäule (9) eingeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Luft mit Hilfe nur eines Teils der Stufen des Luftverdichters (1) auf den ersten Hochdruck bringt, die Luft bei diesem ersten Hochdruck von Wasser und Kohlendioxid reinigt (bei 2) und dann die erste Fraktion mit Hilfe der letzten Stufe oder Stufen dieses Verdichters verdichtet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil der aus der letzten Stufe des Verdichters (1) austretenden Luft mit Hilfe eines mit der ersten Turbine (4) gekoppelten Gebläses (5) nachverdichtet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die zweite Fraktion mit Hilfe einer Kühlanlage (6A) vorkühlt, bevor sie in die Wärmeaustauschstrecke (6) eingeführt wird.
6. Anlage zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff unter einem hohem Sauerstoffdruck, die folgendes umfaßt: einen Hauptluftverdichter (1), eine doppelte Luftdestillationssäule (7), die eine unter einem sogenannten Mitteldruck arbeitende Mitteldrucksäule (8) und eine unter einem sogenannten Niederdruck arbeitende Niederdrucksäule (9) umfaßt, eine Pumpe (12) zur Verdichtung des aus der Wanne der Niederdrucksäule (9) abgezogenen flüssigen Sauerstoffs, Einrichtungen (1, 5), um eine Fraktion der zu destillierenden Luft auf einen hohen Luftdruck zu bringen, und eine Wärmeaustauschstrecke (6), dadurch gekennzeichnet,
- daß diese Einrichtungen so ausgebildet sind, daß sie die gesamte zu destillierende Luft auf einen ersten Hochdruck bringen, der deutlich höher als der Mitteldruck ist, und Einrichtungen (5) zum Nachverdichten einer ersten Fraktion dieser Luft, die mindestens 70% des behandelten Luftdurchsatzes darstellt, auf einen zweiten Hochdruck aufweisen,
- daß die Wärmeaustauschstrecke (6) Einrichtungen zum Kühlen der ersten Fraktion auf eine Zwischentemperatur und zum weiteren Kühlen und Verflüssigen eines Teils dieser ersten Fraktion aufweist, sowie Einrichtungen (20A, 20B) zum Kühlen und Verflüssigen der nicht auf den zweiten Hochdruck nachverdichteten Luft in einem oder mehreren Strömen auf den ersten Hochdruck oder auf einen oder mehrere zwischen dem ersten und dem zweiten Hochdruck liegende Drücke, und
- daß die Anlage eine Entspannungsturbine (4) aufweist, deren Saugseite mit den Durchgängen zum Kühlen der Luft bei dem zweiten Hochdruck mit einem Punkt in der Mitte der Wärmeaustauschstrecke (6) verbunden ist und deren Austrittsseite mit der Mitteldrucksäule (8) verbunden ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Turbine (36) zur Entspannung mindestens eines Teils der aus der ersten Turbine (4) austretenden Luft auf den Niederdruck aufweist.
8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fraktion von einer Zwischenstufe des Hauptluftverdichters (1) kommt, wobei die erste Fraktion nach Reinigung von Wasser und Kohlendioxid (bei 2) in diesen Verdichter wieder eingeleitet wird.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mit der ersten Turbine (4) gekoppeltes Gebläse (5) aufweist, dessen Saugseite mit der Druckseite der letzten Stufe des Hauptluftverdichters (1) verbunden ist.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kühlanlage (6A) zum Vorkühlen der zweiten Luftfraktion vor der Wärmeaustauschstrecke (6) aufweist.
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