DE69414282T3 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Drucksauerstoff - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Herstellung von Drucksauerstoff

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff unter hohem Sauerstoffdruck.
  • Im folgenden ist der Begriff "Kondensation" in weitem Sinn zu verstehen, d. h. er umfaßt auch die Pseudokondensation bei überkritischen Drücken.
  • In der EP-A-0 504 029 wird ein Verfahren dieser Art beschrieben, bei dem die auf den zweiten hohen Druck nachverdichtete Luftfraktion aus einem sehr kleinen Luftdurchsatz besteht, der einzig und allein dazu dient, Kalorien in der Nähe der Eingangstemperatur der die nicht nachverdichtete Luftfraktion entspannenden Turbine zuzuführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren so zu verbessern, daß die thermodynamischen Leistungen ohne Erhöhung der entsprechenden Investition erhöht werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren der obengenannten Art gemäß Anspruch 1.
  • Weitere spezielle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
  • Beispiele für die Ausführung der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • - Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann;
  • - Fig. 2 ein berechnetes Wärmeaustauschdiagramm für die Anlage gemäß Fig. 1 in einem ersten Betriebsmodus dieser Anlage; in diesem Diagramm sind auf der Abszisse die Temperaturen in Grad Celsius und auf der Ordinate die ausgetauschten Wärmemengen aufgetragen;
  • - Fig. 3 ein dem Diagramm aus Fig. 2 analoges Diagramm, aber für einen anderen Betriebsmodus der Anlage gemäß Fig. 1; und
  • - Fig. 4 und 5 der Fig. 1 analoge Ansichten von drei Varianten.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Luftdestillationsanlage enthält im wesentlichen: einen Luftverdichter 1; eine Vorrichtung 2 zur Reinigung der verdichteten Luft bezüglich Wasser und CO&sub2; durch Adsorption mit zwei Adsorptionsflaschen 2A, 2B, von denen die eine adsorptiv wirkt, während die andere gerade regeneriert wird; eine Turbinen-Gebläse-Kombination 3 mit einer Entspannungsturbine 4 und einem Gebläse oder Nachverdichter 5, deren Wellen gekoppelt sind, wobei das Gebläse gegebenenfalls mit einem Kühler (nicht gezeigt) versehen ist; einen Wärmetauscher 6, der die Wärmeaustauschleitung der Anlage bildet; eine Destillationsdoppelsäule 7 mit einer Mitteldrucksäule B mit darüber angeordneter Niederdrucksäule 9, wobei, ein Verdampfer-Kondensator 10 den Wärmeaustausch zwischen dem Kopfdampf (Stickstoff) der Säule 8 und der Sumpfflüssigkeit (Sauerstoff) der Säule 9 herstellt; einen Flüssigsauerstoffbehälter 11, dessen Boden mit einer Flüssigsauerstoffpumpe 12 verbunden ist; und einen Flüssigstickstoffbehälter 13, dessen Boden mit einer Flüssigstickstoffpumpe 14 verbunden ist.
  • Diese Anlage ist dazu vorgesehen, über eine Leitung 15 gasförmigen Sauerstoff zu liefern, der unter einem vorbestimmten hohen Druck steht, welcher zwischen mehreren bar und mehreren zehn bar liegt (in der vorliegenden Beschreibung handelt es sich bei den betreffenden Drücken um Absolutdrücke).
  • Hierzu wird der über eine Leitung 16 aus dem Sumpf der Säule 9 entnommene und im Behälter 11 gespeicherte flüssige Sauerstoff durch die Pumpe 12 auf den hohen Druck gebracht und dann unter diesem hohen Druck in den Passagen 17 des Austauschers 6 verdampft und angewärmt.
  • Die für diese Verdampfung und Anwärmung sowie für die Anwärmung und gegebenenfalls Verdampfung anderer aus der Doppelsäule abgezogener Fluide erforderliche Wärme wird von der zu destillierenden Luft unter folgenden Bedingungen geliefert.
  • Die gesamte zu destillierende Luft wird durch den Verdichter 1 auf einen ersten hohen Druck verdichtet, der deutlich über dem mittleren Druck der Säule 8 und in der Praxis über 9 bar liegt. Dann wird die bei 18 vorgekühlte und bei 19 bis in die Nähe der Umgebungstemperatur abgekühlte Luft in einer der Adsorptionsfläschen, beispielsweise 2A, gereinigt und in zwei Fraktionen aufgeteilt.
  • Die erste Fraktion, die mindestens 70% des behandelten Luftdurchsatzes darstellt, wird durch den Nachverdichter 5, der durch die Turbine 4 angetrieben wird, auf einen zweiten hohen Druck nachverdichtet.
  • Dann wird die erste Luftfraktion am warmen Ende des Austauschers 6 eingespeist und in ihrer Gesamtheit auf eine Zwischentemperatur abgekühlt. Bei dieser Temperatur wird eine Fraktion der Luft weiter abgekühlt und in den Passagen 20A des Austauschers verflüssigt und dann in einem Druckminderventil 21 auf den niedrigen Druck entspannt und auf einer Zwischenhöhe in die Säule 9 eingespeist. Die restliche Luft wird in der Turbine 4 auf den mittleren Druck entspannt und dann über eine Leitung 22 direkt dem Boden der Kolonne 8 zugeführt.
  • Die gegebenenfalls durch ein strichpunktiert dargestelltes Kühlaggregat 6A auf -40ºC vorgekühlte zweite Fraktion wird unter dem ersten hohen Druck in die Austauschleitung 6 eingespeist, bis zu deren kaltem Ende in den Passagen 20A abgekühlt und verflüssigt, in einem Druckminderventil 21A entspannt und mit dem aus dem Druckminderventil 21 kommenden Strom vereinigt.
  • Des weiteren erkennt man in Fig. 1 die üblichen Leitungen von Doppelsäulenanlagen, wobei die hier dargestellte Anlage vom sogenannten "Minarett"-Typ ist, d. h. bei der unter niedrigem Druck stehender Stickstoff erzeugt wird: die Leitungen 23-25 zur Speisung der Säule 9 in steigenden Höhen mit entspannter "angereicherter Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft), entspannter "minderwertiger verarmter Flüssigkeit" (verunreinigter Stickstoff) bzw. entspannter "hochwertiger verarmter Flüssigkeit" (praktisch reiner Stickstoff), wobei diese drei Fluide am Boden, an einer Zwischenstelle bzw. am Kopf der Säule 8 entnommen werden; und die Leitungen 26 zur Entnahme von gasförmigem Stickstoff, die vom Kopf der Säule 9 ausgeht, und 27 zum Abziehen des Restgases (verunreinigter Stickstoff), die von der Einleitungshöhe der minderwertigen verarmten Flüssigkeit ausgeht. Der unter dem niedrigen Druck stehende Stickstoff wird in den Passagen 28 des Austauschers 6 erwärmt und dann über eine Leitung 29 gewonnen, während das Restgas nach Erwärmen in den Passagen 30 des Austauschers zur Regeneration einer Adsorptionsflasche - im vorliegenden Beispiel der Flasche 2B - verwendet wird, bevor es über eine Leitung 31 ausgeschleust wird.
  • Weiterhin ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß ein Teil des unter dem mittleren Druck stehenden flüssigen Stickstoffs nach Entspannung in einem Druckminderventil 32 im Behälter 13 gespeichert wird und daß flüssiger Stickstoff und/oder flüssiger Sauerstoff über eine Leitung 33 (für Stickstoff) und/oder 34 (für Sauerstoff) erzeugt wird.
  • Wie bei dem Verfahren gemäß der obengenannten EP-A- 0 504 029 unterscheidet man bei der Wahl des Drucks der nachverdichteten Luft zwei Fälle.
  • Wenn der hohe Sauerstoffdruck unter etwa 20 bar liegt, ist dieser Luftdruck der Kondensationsdruck der Luft durch Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Sauerstoff unter dem hohen Druck, d. h. der Druck, bei dem der Verflüssigungsknick G der einen der beiden Luftfraktionen im Wärmeaustauschdiagramm (Temperaturen auf der Abszisse, ausgetauschte Wärmemengen auf der Ordinate) etwas rechts von der vertikalen Stufe P der Verdampfung des Sauerstoffs unter dem hohen Druck liegt (Fig. 2). Die Temperaturdifferenz am warmen Ende der Austauschleitung wird mit Hilfe der Turbine 4 eingestellt, deren Ansaugtemperatur mit A angegeben ist. Diese Differenz wird bei einer Temperatur von etwa +10 bis +15ºC, wie es in Fig. 2 bei B dargestellt ist, durch Einspeisung der zweiten Luftfraktion in die Wärmeaustauschleitung bei dieser Temperatur auf ein Minimum, d. h. etwa 2 bis 3ºC, gebracht. Durch dieses Merkmal in Kombination mit der Anwesenheit eines zweiten Verflüssigungsknicks G', der der Verflüssigung der anderen Luftfraktion entspricht, kann das Wärmeaustauschdiagramm weiter verengt werden als im Fall der obengenannten FR-A. Es ist darauf hinzuweisen, daß dieses Ergebnis ohne zusätzliche Maschine erhalten werden kann. Durch die Anwesenheit eines Kühlaggregats 6A wird dieses vorteilhafte Phänomen noch verstärkt.
  • Das Diagramm von Fig. 2 entspricht den folgenden Zahlenwerten: erster hoher Druck: 24,5 bar; hoher Sauerstoffdruck: 10 bar; zweiter hoher Druck: 31 bar; zweite Luftfraktion: 28% des eintretenden Durchsatzes; bei 20 verflüssigte Fraktion: sehr klein; Flüssigkeitsproduktion: 40% der abgetrennten Sauerstoffmenge.
  • Wenn der hohe Sauerstoffdruck über etwa 20 bar liegt, wählt man einen Luftdruck zwischen 30 bar und dem Kondensationsdruck der Luft in dem Sauerstoff während der Verdampfung. In diesem Fall (Fig. 3) verschieben sich die Verflüssigungsknicks für die beiden Luftfraktionen nach links zur Sauerstoffverdampfungsstufe P, und die Ansaugtemperatur der Turbine wird niedriger als die der Stufe P. Infolgedessen befindet sich eine große Fraktion der Turbinenluft bei mittlerem Druck in flüssiger Form, und die Kältebilanz der Anlage ist ausgeglichen, wobei durch Abziehen mindestens eines Produkts (Sauerstoff und/oder Stickstoff) in flüssiger Form aus der Anlage über die Leitungen 33 und/oder 34 am warmen Ende der Wärmeaustauschleitung ein Temperaturunterschied von etwa 3ºC besteht. Bei einem Luftdruck von etwa 30 bar erhält man dieses Gleichgewicht bei einem Flüssigkeitsabzug von etwa 25% der Produktion von gasförmigem Sauerstoff unter hohem Druck, wobei dieser Anteil erhöht wird, wenn der Luftdruck über 30 bar liegt.
  • Das Diagramm von Fig. 3 entspricht den folgenden Zahlenwerten: erster hoher Druck: 28,5 bar; Reinigungstemperatur: +12ºC; zweite Luftfraktion: 11% des eintretenden Durchsatzes; zweiter hoher Druck: 36,4 bar; bei 4 auf 5,7 bar entspannte Fraktion: 77% des eintretenden Durchsatzes; bei 20 verflüssigte Fraktion: 12% des eintretenden Luftdurchsatzes; hoher Sauerstoffdruck: 40 bar; Flüssigkeitsproduktion: 35% der abgetrennten Sauerstoffmenge.
  • In der Variante gemäß Fig. 4 wird die von der Turbine 4 kommende Luft einem Abscheider 35 zugeführt. Die resultierende flüssige Phase wird direkt der Säule 8 zugeführt, wohingegen die gasförmige Phase nach teilweisem Anwärmen in der Wärmeaustauschleitung in einer mit einer geeigneten Bremse 37 versehenen zweiten Turbine 36 auf den niedrigen Druck entspannt und dann in die Säule 9 eingeblasen wird. Diese Variante erlaubt entweder die Erzeugung von verunreinigtem Sauerstoff unter guten energetischen Bedingungen infolge der Erhöhung der Flüssigkeitsproduktion, die aus dem Vorhandensein der zweiten Turbine resultiert, oder die Erhöhung der Flüssigkeitsproduktion zu Lasten der abgetrennten Sauerstoffmenge oder die alleinige Erzeugung von flüssigem Sauerstoff.
  • Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann es in diesem Zusammenhang dann bevorzugt sein, die aus dem Abscheider 35 kommende gasförmige Phase vor der Einspeisung in den Eingang der Turbine 36 auf eine über der Eingangstemperatur der Hauptturbine 4 liegende Temperatur anzuwärmen. In diesem Fall kann es notwendig sein, vor der Einspeisung in die Säule 8 wie gezeigt die Luft aus der Turbine 36 in die Wärmeaustauschleitung einzuspeisen und bis zum kalten Ende dieser Austauschleitung abzukühlen.
  • Fig. 6 zeigt eine andere Variante, bei der es sich bei dem ersten hohen Druck um den Druck der vorletzten Stufe des Hauptverdichters 1 handelt. Nach Reinigung bei 2 unter diesem Druck wird die Luft wie oben in zwei Fraktionen aufgeteilt. Die erste Fraktion wird wieder in die Ansaugung der letzten Stufe des Verdichters 1 eingespeist und tritt daraus unter höherem Druck aus. Nach Vorkühlung bei 38 wird diese Luft dann bei 5 auf den zweiten hohen Druck nachverdichtet und dann wie weiter oben erläutert behandelt. Die zweite Luftfraktion wird direkt in die Passagen 20A der Wärmeaustauschleitung eingespeist.
  • Wie ebenfalls in Fig. 6 dargestellt ist, kann die Anlage außer dem direkt vom Kopf der Säule 9 kommenden gasförmigen Stickstoff unter niedrigem Druck und gasförmigem Sauerstoff unter hohem Druck gasförmigen Stickstoff unter Druck erzeugen, welcher durch Verdampfung eines Durchsatzes von über die Leitung 33 abgezogenem flüssigem Stickstoff in der Wärmeaustauschleitung erhältlich ist. Diese Stickstoffverdampfung kann insbesondere durch Kondensation der in den Passagen 20 oder 20A enthaltenen Luft erfolgen.
  • Darüber hinaus kann die Anlage auch gasförmigen Sauerstoff und/oder gasförmigen Stickstoff unter mindestens zwei verschiedenen Drücken erzeugen, wie es in der obengenannten EP-A-0 504 029 erläutert wird.
  • Gegebenenfalls kann ein kleiner Teil der aus dem Gebläse 5 austretenden Luft durch ein zweites, beispielsweise mit der Turbine 36 gemäß Fig. 5 gekoppeltes Gebläse (nicht gezeigt) noch einmal nachverdichtet werden, bevor er in der Wärmeaustauschleitung abgekühlt und verflüssigt wird, wie es in der Anmeldung FR 91 15935 gelehrt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von gasförmigem Sauerstoff unter hohem Sauerstoffdruck durch Destillation von Luft in einer Doppelsäulenanlage (7), die eine unter einem sogenannten mittleren Druck arbeitende Mitteldrucksäule (8) und eine unter einem sogenannten niedrigen Druck arbeitende Niederdrucksäule (9) aufweist, Pumpen (bei 12) von aus dem Sumpf der Niederdrucksäule (9) abgezogenem flüssigem Sauerstoff und Verdampfen (bei 6) des verdichteten flüssigen Sauerstoffs durch Wärmeaustausch mit Luft in einer Wärmeaustauschleitung (6) der Anlage, bei dem man:
- die gesamte zu destillierende Luft mit Hilfe eines Hauptluftverdichters (1) der Anlage auf einen ersten hohen Druck verdichtet, der deutlich über dem mittleren Druck liegt, und in eine erste und eine zweite Fraktion aufteilt,
- die erste Fraktion auf einen zweiten hohen Druck nachverdichtet und
- die gesamte erste Fraktion in der Wärmeaustauschleitung auf eine Zwischentemperatur abkühlt, bei der ein Teil in einer ersten Turbine (4) auf den mittleren Druck entspannt und dann in die Mitteldrucksäule (8) eingespeist wird, während der Rest weiter gekühlt und verflüssigt, in einem Druckminderventil (21) entspannt und in die Doppelsäule (7) eingespeist wird,
wobei die erste Fraktion mindestens 70% des behandelten Luftdurchsatzes darstellt und bei dem man die zweite Fraktion zu einem einzigen Strom bei dem ersten hohen Druck abkühlt und verflüssigt, dann in einem Druckminderventil (21A) entspannt und in die Doppelsäule einspeist.
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 niedrigen Druck entspannt, wobei diese gasförmige Fraktion vor ihrer Entspannung in der zweiten Turbine teilweise angewärmt wird und der Ausstoß dieser Turbine gegebenenfalls nach Abkühlung in die Niederdrucksäule (9) eingeleitet 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 hohen Druck bringt, die Luft bei diesem ersten hohen Druck von Wasser und Kohlendioxid befreit (bei 2) und dann die erste Fraktion mit Hilfe der letzten Stufe bzw. der letzten 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 vor dem Einspeisen in die Wärmeaustauschleitung (6) mit Hilfe eines Kühlaggregats (6A) vorkühlt.
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