DE69515068T3

DE69515068T3 - Atmospherisches Gastrennungsverfahren

Info

Publication number: DE69515068T3
Application number: DE69515068T
Authority: DE
Inventors: Kevin New York McKeigue; Ramachandran Chestnut Ridge Krishnamurthy
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Linde LLC
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2015-03-04
Also published as: FI951125A0; NO950383L; CA2140561A1; EP0671594A1; EP0671594B1; JPH07270065A; CA2140561C; CN1109965A; PL180037B1; ES2144571T5; SK282908B6; NO950383D0; NO307905B1; US5396772A; JP3678787B2; CZ286287B6; CN1103040C; EP0671594B2; TW262392B; FI951125A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase innerhalb einer Destillationssäule. Mehr im Einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren, bei welchem eine absteigende Flüssigkeitsphase und eine aufsteigende Gasphase des Gemischs durch Verwendung einer strukturierten Packung miteinander in Berührung gebracht werden, um die Trennung zwischen den Komponenten des Gemischs der atmosphärischen Gase zu bewirken.
Gemische atmosphärischer Gase, d. h. Gemische von Gasen, die sich in Luft finden, zum Beispiel Stickstoff, Sauerstoff und Argon oder Luft selbst, werden nach einer Vielfalt von kryogenen Destillationssystemen getrennt, die zur Produktion der gewünschten athmosphärischen Gaskomponenten optimiert werden. Typischerweise wird die Luft zuerst verdichtet und gereinigt und dann auf kryogene Temperaturen abgekühlt, die am oder nahe ihrem Taupunkt liegen. Die abgekühlte Luft wird in eine Destillationssäule eingeleitet, in welcher die Trennung stattfindet, und ihr Dampf steigt in der Säule auf. Ein Teil der aufsteigenden Dampfphase wird als Rückfluß der Säule kondensiert und erzeugt dadurch eine absteigende Flüssigkeitsphase. Die absteigende Flüssigkeitsphase wird mit der aufsteigenden Gasphase mittels irgendwelcher aus einer Vielzahl bekannter Füllkörper in Berührung gebracht, so daß die flüssige Phase stärker mit den weniger flüchtigen Komponenten konzentriert wird, während die aufsteigende Gasphase noch mehr an stärker flüchtigen Komponenten konzentriert wird.
Das Destillationssystem kann eine Einfachsäule aufweisen, um ein gasförmiges Stickstoffprodukt zu erzeugen, oder eine Reihe von Säulen, um die Luft weiter zu raffinieren und zum Erzeugen von Stickstoff-, Sauerstoff- und Argonprodukten. Weitere Säulen können zum Trennen und Erzeugen anderer Komponenten aus der Luft eingesetzt werden.
Die Flüssigkeits-Gas-Berührungskörper, die zum In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufstei genden Gasphase des Gemischs verwendet werden, können durch verschiedene Arten von Packungen und Schalen hergestellt werden. Eine strukturierte Packung ist als Flüssigkeits-Gas-Kontaktelement zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase wegen seiner niedrigen Druckabfalleigenschaften üblich geworden. Diese niedrigen Druckabfalleigenschaften lassen Vorteile wie niedrige Energiekosten und größere Produktion erreichen. Jedoch bedeutete eine strukturierte Packung hohe Kosten im Vergleich zu den Kosten herkömmlicher Schalen.
Die US-A-5 132 056 beschreibt:
ein Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs von Argon und Sauerstoff innerhalb einer Destillationssäule, wobei das Verfahren umfaßt:
Bilden einer absteigenden Flüssigkeitsphase und einer aufsteigenden Dampfphase des Gemischs der atmosphärischen Gase innerhalb der Destillationssäule, und
In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufsteigenden Dampfphase des Gemischs, innerhalb einer strukturierten Packung, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist, so daß die absteigende Flüssigkeitsphase nunmehr an den niedriger flüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die Dampfphase noch mehr an höher flüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt.
Bei einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens hatte die strukturierte Packung eine Oberfläche von etwa 350 m²/m³, und die Wellungen lagen unter 45° zur Vertikalen. Die Packung wurde zum Trennen eines Gemischs von Argon und Sauerstoff bei einem Säulenkopfdruck von 22 Pfund pro Quadratzoll absolut, also einem Druck von weniger als 2 bar, eingesetzt.
Eine lang anhaltende Annahme im Stand der Technik besteht darin, daß die Leistung einer strukturierten Packung sich mit wachsendem Druck verschlechtert. Es wurde jedoch überraschender weise herausgefunden, daß die Leistung einer strukturierten Packung sich mit steigendem Druck verbessern kann, wenn das zu trennende Gemisch ein Gemisch atmosphärischer Gase ist. Diese Tatsache kann bei der Herstellung von Säulen höherer Kapazität unter Verwendung kleinerer Volumen einer strukturierten Packung als bisher vorgesehen ausgenutzt werden. Die Volumenverringerung der strukturierten Packung senkt den Kapitalaufwand bei der Herstellung einer Destillationssäule.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase in einer Destillationssäule, wie in den Patentansprüchen angegeben ist. Gemäß diesem Verfahren werden eine absteigende Flüssigkeitsphase eine aufsteigende Dampfphase des Gemischs atmosphärischer Gase innerhalb der Destillationssäule gebildet. Die absteigende Flüssigkeitsphase und die aufsteigende Gasphase (d, h. Dampfphase) des Gemischs werden durch eine strukturierte Packung miteinander in Berührung gebracht, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist. Der Abschnitt der Destillationssäule enthält zwei oder mehr Elemente der strukturierten Packung, die typischerweise rechtwinklig zueinander in an sich bekannter Weise orientiert sind, und zugeordnete Konstruktionsteile wie beispielsweise Tragplatten und Flüssigkeitsverteiler. Als Ergebnis des Durchgangs durch die strukturierte Packung wird die absteigende Flüssigkeitsphase noch mehr an niedriger flüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die aufsteigende Gasphase noch mehr an höher flüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt. Die Trennung der Komponenten entsprechend ihrer Flüchtigkeit beeinflußt dabei die kryogene Trennung. Das kryogene Destillationssäulensystem wird so betrieben, daß der mindestens eine Abschnitt einen Druck von mehr als etwa 2 bar absolut und einen Strömungsparameter Ψ entweder im Be reich zwischen etwa 0,01 und 0,1 oder größer als etwa 0,1 hat. Dieser Strömungsparameter Ψ ist gleich C_L geteilt durch C_V, wobei C_V der Dampfdurchsatz der aufsteigenden Dampfphase und C_L der Flüssigkeitsdurchsatz der absteigenden Flüssigkeitsphase ist. Das kryogene Destillationssäulensystem wird so betrieben, daß es einen Dampfdurchsatz von weniger als einem kritischen Dampfdurchsatz, bei welchem der mindestens eine Abschnitt der Destillationssäule überschwemmt wird, und größer als einem minimalen Dampfdurchsatz hat. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche in einem Bereich von zwischen 100 m²/m³ und 450 m²/m³ und Strömungskanälen gebildet, die unter einem Winkel von 45° orientiert sind. Dabei ist die Orientierung der Strömungskanäle hier und in den Patentansprüchen mit Bezug auf die Säulenachse gemeint, die bei den meisten Anlagen mit strukturierter Packung vertikal ist. Bei einer solchen Packung liegt der minimale Dampfdurchsatz gleich exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 Ψ – 3,176 – 0,00169A), wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist, wenn Ψ innerhalb des Bereichs liegt, und beträgt bis 0,054e^–0 ^, ^00169AΨ^–0,372 ist, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Bei einer weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs von zwischen 450 m²/m³ und 1000 m²/m³ und Strömungskanlälen gebildet, die unter einem Winkel von 45° orientiert sind. Bei einer solchen Packung ist der minimale Dampfdurchsatz gleich exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,748 – 0,000421A), wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist, wenn innerhalb des Bereichs liegt, und bis 0,0305e^–0,000421AΨ^–0,372 beträgt, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die strukturierte Packung aus gewelltem Metallblech mit einer spezifischen Fläche im Bereich von zwischen 170 m²/m³ und 250 m²/m³ und mit Strömungskanälen ausgebildet, die unter einem Winkel von 30° orientiert sind. Bei einer solchen strukturierten Packung ist der minimale Dampfdurchsatz gleich exp(-0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 2,788 – 0,00236A), wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist, wenn Ψ innerhalb des Bereichs liegt, und beträgt bis 0,0795e^–0,00236A Ψ^–0,372 wenn größer als 0,1 ist.
Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs von zwischen 250 m²/m³ und 1000 m²/m³ und Strömungskanälen gebildet, die unter einem Winkel von 30° orientiert sind. Für eine solche strukturierte Packung ist der minimale Dampfdurchsatz gleich exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,156 – 0,000893A), wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist, wenn Ψ innerhalb des Bereichs liegt, und beträgt bis 0,0515e^–0,000893A Ψ^–0,372, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Beim Stand der Technik wurde vermutet, daß die Leistung der strukturierten Packung mit höheren Drücken schlechter wird. Die hiesigen Anmelder haben herausgefunden, daß die Leistung einer strukturierten Packung davon abhängt, welches Gemisch getrennt wird. Wenn das Gemisch ein Gemisch aus atmosphärischen Gasen ist, kann die Leistung der strukturierten Packung innerhalb der Destillationssäule tatsächlich mit dem Druck größer werden. Beispielsweise zeigen die Daten für eine strukturierte Packung mit einer Dichte von 750 m²/m³ nach dem Stand der Technik eine obere Grenze ihres Betriebsbereichs auf, die durch die Formel exp(–4,064 – 0,595 lnΨ – 0,0485 (lnΨ)²) gegeben ist. In dem Stand der Technik, wenn irgendein Abschnitt einer Destillationssäule oberhalb dieser Obergrenze betrieben wird, wird der Abschnitt überflutet. Diese vorstehende Grenze wurde erreicht, wenn der Druck etwa 2 bar oder weniger betrug. Oberhalb von etwa 2 bar gibt der Stand der Technik an, daß die Leistung sich verschlechtern würde, und daß diese obere Grenze nicht erreichbar wäre.
Die Anmelder haben festgestellt, daß bei einer aus gewelltem Metallblech hergestellten strukturierten Packung mit einer Packungsdichte von beispielsweise 750 m²/m³, wenn das zu trennende Gemisch atmosphärische Gase enthält und wenn der Druck oberhalb 2 bar liegt, die vorstehende Obergrenze nach dem Stand der Technik keine Begrenzung des Betriebsbereichs einer solchen strukturierten Packung darstellt.
C_V, der Dampfdurchsatz, wie er hier und in den Patentansprüchen verwendet wird, ist die dichtebezogene künstliche Gasgeschwindigkeit. Diese Gasgeschwindigkeit ist ein Produkt der künstlichen Gasgeschwindigkeit und der Quadratwurzel der Gasdichte, geteilt durch die Flüssigkeitsdichte minus der Gasdichte. Die künstliche Geschwindigkeit ist eine ausgemittelte Geschwindigkeit durch die Säule, die auf dem Massenströmungsdurchsatz beruht. Folglich kann, wenn die Säule oberhalb von 2 bar betrieben wird und das zu trennende Gemisch ein atmosphärisches Gasgemisch ist, der Massenströmungsdurchsatz durch die Säule über den nach dem Stand der Technik angenommenen Wert gesteigert werden. Alternativ dazu kann für ein gegebenes Massenströmungsdurchsatz-Erfordernis für eine Säule die Säule mit einem viel kleineren Querschnitt und folglich einer höheren künstlichen Geschwindigkeit ausgelegt werden, als auf Basis der Lehre des Standes der Technik in diesem Bereich angenommen wurde. Die kleinere Querschnittsfläche der Säule resultiert in der Verwendung eines kleineren Volumens der strukturierten Packung, die für eine gegebene Anwendung der strukturierten Packung eingesetzt wird. Infolgedessen kann bei der Konstruktion einer Destillationssäule für ein gegebenes Leistungserfordernis für die Destillationssäule eine Kosteneinsparung realisiert werden. Ein weiterer Punkt liegt darin, daß bei höheren Drücken nicht nur die Säule dünner gemacht werden kann, sondern auch kürzer, als man das nach dem Stand der Technik angenommen hat. Dies liegt darin, daß die HETP bzw. einer theoretischen Platte äquivalente Höhe mit zu nehmendem Säulendruck abnimmt. Daher bringt die vorliegende Erfindung eine zweidimensionale Einsparung hinsichtlich des Volumens der erforderlichen strukturierten Packung für ein Gemisch aus atmosphärischen Gasen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß hier und in den Patentansprüchen alle Höhen in Metern und alle Geschwindigkeiten, wie beispielsweise Flüssigkeits- und Dampfgeschwindigkeit, in Metern pro Sekunde angegeben sind. Des weiteren sind alle Drücke in Bar absolut angegeben und alle spezifischen Flächen in Quadratmeter pro Kubikmeter. Ein weiterer Punkt ist, daß, obwohl viele Experimente mit der von Sulzer Brothers Limited gelieferten strukturierten Packung durchgeführt wurden, die vorliegende Erfindung in gleiche Weise auch von anderen Herstellern gelieferte strukturierte Packungen anwendbar ist. Das Verfahren nach der Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
1 ein Souders-Diagramm für eine Packung MELLAPAK 750.Y, die von Sulzer Brothers Limited geliefert wurde, welches die herkömmlichen Leistungszielkurven gegenüber denjenigen nach der vorliegenden Erfindung zeigt, und
2 ein Destillationssäulensystem, das nach der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist.
In 1 zeigt die Kurve 1 ein herkömmliches Souders-Diagramm einer MELLAPAK 750.Y-Packung (bezogen von Sulzer Brothers Limited, CH-8401 Winterthur, Schweiz) bei Drücken von weniger als oder gleich etwa 2 bar. Diese strukturierte Packung sowie irgendeine hier erwähnte ist aus gewelltem Metallblech aufgebaut. Die spezifische Fläche dieser Packung beträgt etwa 750 m²/m³ und sie weist Strömungskanäle auf, die unter einem Winkel von etwa 45° orientiert sind. Entlang dieser Kurve ist der Dampfdurchsatz für einen gegebenen Flüssigkeitsdurchsatz fest. Wenn der Dampfdurchsatz über den in der Kurve angegebenen gesteigert würde, würde die Packung sich in einem überschwemmten Zustand befinden, d. h. die aufsteigende Dampfphase innerhalb der Packung würde einen beträchtlichen Teil der absteigenden Flüssigkeitsphase mitnehmen oder im Extremfall würde die aufsteigende Dampfphase die Flüssigkeitsphase am Absteigen durch die Packung hindern.
Angenäherte Gleichungen dieser Kurve sind C_V = exp(–4,064 – 0,595 lnΨ – 0,00485(lnΨ)²), wenn Ψ innerhalb eines Bereichs zwischen etwa 0,01 und etwa 0,1 liegt, und C_V = 0,02233 Ψ^–0,037, wenn Ψ größer als 0,1 ist. Wie oben erwähnt, ist Ψ gleich groß C_L/C_V. Für Beispielszwecke stellen die Kurven 2 und 3 Beispiele von Souders-Diagrammen der strukturierten 750.Y-Packung gemäß der vorliegenden Erfindung bei Betriebsdrücken von 4 bzw. 6 bar und für ein Gemisch aus atmosphärischen Gasen dar. Wie aus den letzteren Kurven ersichtlich ist, hat die Leistung der strukturierten Packung mit dem Druckanstieg zugenommen. Angenäherte Gleichungen der Kurve 2 sind C_V = exp(–3,885 – 0,595 lnΨ – 0,0485 (lnΨ)²), wenn Ψ innerhalb eines Bereichs zwischen 0,01 und 0,1 liegt und C_V ist gleich 0,0266 Ψ^–0,372 wenn Ψ größer als 0,1 ist. Ebenfalls angenäherte Gleichungen der Kurve 3 sind C_V = exp(–3,753 – 0,595 lnΨ – 0,0485(lnΨ)²), wenn Ψ innerhalb eines Bereichs zwischen 0,01 und 0,1 liegt und C_V = 0 03033 Ψ^–0,372, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Die Aussage der vorstehenden Kurven liegt darin, daß, wenn eine gleiche Packung bei mindestens 2 bar betrieben wird, und das zu trennende Gemisch eines aus atmosphärischen Gasen ist, sie mindestens entlang der Kurve 1 betrieben werden kann. Als Maximum kann sie bei einem kritischen Dampfdurchsatz betrieben werden, welcher der Dampfdurchsatz ist, bei welchem die Packung bzw. Säule überflutet wird. Dieser kritische Dampfdurchsatz kann experimentell bestimmt werden, und in der betrieblichen Praxis wird er als Wert in Annäherung an Überflutungsbedingungen genommen, basierend auf verfügbarer Säulensteuerung. Typischerweise liegt der kritische Dampfdurchsatz bei etwa 80% des tatsächlichen Dampfdurchsatzes bei Überflu tung. Jedoch ist die obere Grenze des kritischen Dampfdurchsatzes für den oben erörterten Packungstyp die Kurve 2, wenn die Packung bzw. Säule bei 4 bar betrieben wird, und die Kurve 3, wenn die Packung bei 6 bar betrieben wird. Diese Resultate ergeben sich wiederum, wenn das zu trennende Gemisch ein Gemisch aus atmosphärischen Gasen ist, die Packung aus gewelltem Metallblech hergestellt ist, und der Strömungskanalwinkel 45° beträgt. Im Ergebnis kann die Säule so ausgelegt werden, daß die mit einem größerem Durchsatz als eine herkömmliche Säule arbeitet, bzw. kann mit einem geringerem Volumen der strukturierten Packung ausgelegt werden, als auf Basis herkömmlicher Konstruktionen zu verwenden wäre.
Ähnliche Verbesserungen ergeben sich für andere strukturierte Packungen (aus gewelltem Metallblech hergestellt, bei oberhalb 2 bar absolut betrieben, und bei Trennungen von atmosphärischem Gas eingesetzt) mit anderen Packungsdichten und anderen Strömungskanalwinkeln als bei der strukturierten Packung des Typs 750.Y, wenn beispielsweise die spezifische Fläche der strukturierten Packung innerhalb eines Bereichs zwischen 100 m²/m³ und 450 m²/m³ liegt und Strömungskanäle unter einem Winkel von 45° orientiert sind. Auf einem Minimum kann die Säule so betrieben werden, daß der Dampfdurchsatz durch eine solche Packung gleich exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,176 – 0,00169A) wenn Ψ innerhalb des Bereichs von 0,01 und 0,1 li_egt, _und bis 0,054e^–0,00169A Ψ^–0,372 beträgt, wenn Ψ größer als 0,1 ist. Bei einer strukturierten Packung mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs von zwischen 450 m²/m³ und 1000 m²/m³ und unter einem Winkel von zwischen 30° und 45° orientierten Strömungskanälen kann die Säule mit einem minimalen Dampfdurchsatz durch eine solche Packung von exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,748 – 0,000421A) betrieben werden, wenn Ψ innerhalb des vorgenannten Bereichs liegt, und mit bis 0,0305e^–0,000421A Ψ^–0,372, wenn Ψ größer als 0,1 ist. Bei einer strukturierten Packung mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs von zwischen 170 m²/m³ und 250 m²/m³ und Strömungskanälen, die unter einem Winkel von 30° orientiert sind, kann ein minimaler Dampfdurchsatz für die Säule mit exp(-0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 2,788 – 0,00236A) genommen werden, wenn Ψ innerhalb des vorgenannten Bereichs liegt, und bis zu 0,0305e^–0,00236A Ψ^–0,372, wenn Ψ größer als 0,1 ist. Schließlich kann für eine strukturierte Packung mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs zwischen 250 m²/m³ und 1000 m²/m³ und Strömungskanälen, die unter einem Winkel von 30° orientiert sind, ein minimaler Dampfdurchsatz der Säule gleich exp(-0,0485 (lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,156 – 0,000893A) eingestellt werden, wenn Ψ innerhalb des Bereichs liegt, und bis 0,0551e^–0,000893A Ψ^–0,372, wenn Ψ größer als 0,1 ist. Bei allen vorstehenden Angaben ist A die spezifische Fläche der Packung in m²/m³.
Es hat sich auch gezeigt, daß zusätzlich zur Leistung im Bezug auf Flüssigkeits- und Dampfdurchsätze die Trennleistung der strukturierten Packung mit dem Säulendruck zunimmt. Bei Drücken im Bereich von zwischen etwa 3,5 bar und etwa 7,5 bar gilt, daß das HETP (Höhenequivalent einer theoretischen Platte) für die 750.Y-Packung etwa gleich 0,181 beträgt, addiert zu einem Produkt von –0,00864 und dem Druck. Für Drücke im Bereich von zwischen etwa 7,5 bar und etwa 20 bar hat sich das HETP mit etwa 0,116 Metern erwiesen. Daher ergibt für eine gegebene Trennleistung die Anzahl der erforderlichen theoretischen Stufen, mulitpliziert mit den vorstehenden HETP-Werten, die gewünschte Packungshöhe. Beim Stand der Technik war man der Meinung, daß das HETP mit dem Anstieg des Drucks zunimmt. Man kann sehen, daß bei der vorliegenden Erfindung das HETP mit zunehmendem Druck abnimmt und dann sich auf einem konstanten Wert einpegelt, wenn das zu trennende Gemisch ein solches ist, das atmosphärische Gase enthält.
In 2 ist ein Destillationssäulensystem 10 dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf andere Arten von Destillationssäulensyste men anwendbar ist, beispielsweise Doppelsäulensystemen mit Säulen hohen und niedrigen Drucks, um Stickstoff- und Sauerstoffprodukte zu erzeugen, und 3-Säulen-Systeme zur Argonproduktion.
Bei den Destillationssäulensystem 10 wird Speiseluft in einem Verdichter 11 verdichtet, und die vom Verdichter 11 erzeugte Kompressionswärme wird durch einen Nachkühler 12 abgeführt. Die Luft wird dann in eine Vorreinigungseinheit 14 zugeführt, die aus zwei oder mehr Adsorptionsmittelbetten bestehen kann, die phasenversetzt arbeiten, um Kohlendioxid, Wasser und Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren. Der resultierende Luftstrom 16 wird in Abschnitten 18 und 20 des Hauptwärmetauschers auf oder nahe seinem Taupunkt abgekühlt und in zwei Teilluftströme 22 und 24 unterteilt. Der Teilluftstrom 22 wird zum Raffinieren in den Boden einer Destillationssäule 26 eingeleitet. Der Teilluftstrom 24 wird in einem Unterkühler 27 unterkühlt und dann als Flüssigkeit in eine geeignete Zwischenstufe der Destillationssäule 26 eingeleitet.
Eine aufsteigende Dampfphase wird innerhalb der Destillationssäule 26 durch Einleiten des Teilluftstroms 22 erzeugt. Die absteigende Flüssigkeitsphase wird durch Abführen eines Stickstoffdampf-Turmkopfstroms 28 und Kondensieren des Stickstoffdampf-Turmkopfstroms 28 innerhalb eines Kopfkondensators 30 zur Erzeugung eines Rückflußstroms 32 hergestellt. Der Rückflußstrom 32 wird teilweise zur Destillationssäule 26 zurückgeleitet. Ein Säulenbodenstrom 34 wird von der Destillationssäule 26 abgezogen und über ein Joule-Thomson-Ventil 36 (J-T-Ventil) auf niedrige Temperatur und niedrigen Druck expandiert. Der expandierte Säulenbodenstrom 34 wird dann in den Kopfkondensator 30 geleitet, um den Stickstoffdampf-Turmkopfstrom 28 zu kondensieren. Ein Produktstrom 38, der hochreinen Stickstoff enthält, wird im Unterkühler 27 teilweise erwärmt (auf eine Temperatur zwischen der Destillationssäulen-Betriebstemperatur und dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers erwärmt) und dann innerhalb der Abschnitte 18 und 20 des Hauptwärmetauschers vollständig erwärmt. Der verdampf te Säulenbodenstrom, der mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, wird im Unterkühler 27 teilweise erwärmt und dann innerhalb der Abschnitte 18 und 20 des Hauptwärmetauschers vollständig erwärmt.
Wie bei allen kryogenen Lufttrennanlagen erfordert die Wärmeleckage in die Anlage die Erzeugung von Kühlung. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Strom 40 in zwei Teilströme 42 und 44 unterteilt. Der Teilstrom 44 wird innerhalb des Abschnitts 20 des Hauptwärmetauschers teilweise erwärmt und dann mit dem Teilstrom 42 kombiniert. Der kombinierte Strom wird dann in einen Turboexpander 46 zugeführt. Der Strom 48 wird aus dem zum Turboexpander 46 zugeführten kombinierten Strom abgezweigt und in einem Joule-Thomson-Ventil 50 (J-T-Ventil) expandiert. Nach der Expansion wird der Strom 48 mit einem expandierten Strom kombiniert, der aus dem Auslaß des Turboexpanders 46 abgeleitet wird, um einen Kühlstrom 52 zu erzeugen. Der Kühlstrom 52 erwärmt sich teilweise innerhalb des Unterkühlers 27 und erwärmt sich vollständig in den Abschnitten 18 und 20 des Hauptwärmetauschers, um die Enthalpie der einströmenden Luft abzusenken.
Die folgende Tafel ist ein durchgerechnetes Beispiel eines möglichen Betriebs eines Destillationssäulensystems 10.
Die Destillationssäule 26 benutzt drei Abschnitte einer strukturierten Packung, die mit I, II und III bezeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Packung mit einer Dichte von 750 m²/m³ zur Bildung der Abschnitte verwen det, und diese Packung kann die strukturierte Packung 750.Y von Sulzer Brothers Limited sein. Bei dieser Auslegung hat die Stufe I etwa 27 theoretische Stufen, die Stufe II hat etwa 26 theoretische Stufen, und die Stufe III hat etwa 6 theoretische Stufen. Die folgende Tabelle zeigt die Leistung jedes der Abschnitte und eine Berechnung von C_L, sowie die Packungshöhe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden ist eine Tabelle der Säulenleistung der Destillationssäule 26 mit einer C_V-Überflutungsgrenze gemäß dem Stand der Technik angegeben.
Vergleicht man die beiden vorstehenden Tabellen, ergibt sich, daß der maximale Dampfdurchsatz, d. h. der Dampfdurchsatz bei Überflutung, auf Basis eines abschnittsweisen Vergleichs bei einer nach der vorliegenden Erfindung betriebenen Destillationssäule größer als beim Stand der Technik ist. Außerdem ist das HETP bei einer nach der Erfindung betriebenen Destillationssäule in jedem Abschnitt der Destillationssäule kleiner als bei einer nach dem Stand der Technik. wie vorstehend erwähnt, können diese Vorteile entweder in Form eines größeren Durchsatzes bei gegebenen Volumen einer strukturierten Packung oder einer Volumenabnahme der strukturierteh Packung für eine gegebene Säulenleistung realisiert werden. Hier sollten auch die Zeilen "C_V-Auslegung" und % Überflutung in den obigen Tabellen beachtet werden. Diese Zahlen sind angegeben, weil Destillationssäulen im allgemeinen nicht bei Überflutung betrieben werden. Vielmehr werden sie nach einer Methode der Überflutungsbasis ausgelegt und betrieben, die bei einem C_V-Wert von etwa 80% der Überflutung liegen kann. Es sollte auch erwähnt werden, daß die Begriffe "L" und "V" folgende Tafel die möglichen Volumeneinsparungen der strukturierten Packung in einer Destillationssäule 26 mit Auslegung für einen Betrieb nach der vorliegenden Erfindung gegenüber einer nach dem Stand der Technik betriebenen Destillationssäule 26 zusammen.
Relativ zum Stand der Technik:
Wie aus der obigen Tafel ersichtlich ist, braucht bei einer gemäß der vorliegenden Erfindung betriebenen und ausgelegten Säule gegenüber der gleichen, nach dem Stand der Technik betriebenen und ausgelegten Säule nur grob die halbe Packung eingestetzt zu werden.

Claims

Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase in einer Destillationssäule, wobei das Verfahren umfaßt: Bilden einer absteigenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Dampfphase des Gemischs der atmosphärischen Gase innerhalb der Destillationssäule, In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufsteigenden Dampfphase des Gemischs miteinander innerhalb einer strukturierten Packung, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist, so daß die absteigende Flüssigkeitsphase immer stärker an niedrigerflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die Dampfphase immer mehr an höherflüchtigen Bestandteilen des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt, wobei die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs von zwischen 100 m²/m³ und 450 m²/m³ und mit Strömungskanälen gebildet ist, die unter einem Winkel von 45 Grad orientiert sind, und Betreiben der Säule derart, daß der genannte Abschnitt unter einem Druck von mehr als 2 Bar steht, ein Stömungsparameter Ψ von C_L/C_V herrscht, wobei C_V der Dampfdurchsatz der aufsteigenden Dampfphase und C_L der Flüssigkeitsdurchsatz der absteigenden Flüssigkeitsphase ist und der einen Wert von entweder größer als 0,1 hat oder innerhalb eines Strömungsparameterbereichs zwischen 0,01 und 0,1 liegt, wobei der Dampfdurchsatz kleiner als ein kritischer Dampfdurchsatz ist, bei welchem der genannte Abschnitt der Destillationssäule überflutet wird, und größer als ein minimaler Dampfdurchsatz von exp(–0,0485(lnΨ)²-0,595 lnΨ – 3,176 – 0,00169A) ist, wenn Ψ innerhalb des Strömungsparameterbereichs liegt und gleich 0,054e^–0,00169AΨ^–0,372 ist, wenn Ψ größer als 0,1 ist, wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist.
Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase in einem Destillationssäulensystem, wobei das Verfahren umfaßt: Bilden einer absteigenden Flüssigkeitsphase und einer aufsteigenden Dampfphase des Gemischs der atmosphärischen Gase innerhalb der Destillationssäule, In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufsteigenden Dampfphase des Gemischs miteinander innerhalb einer strukturierten Packung, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist, so daß die absteigende Flüssigkeitsphase immer mehr an niedrigerflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die Dampfphase immer mehr an höherflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt, wobei die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche in einem Bereich zwischen 450 m²/m³ und 1000 m²/m³ und mit Strömungskanälen gebildet ist, die unter einem Winkel von 45 Grad orientiert sind, und Betreiben der Säule derart, daß der genannte Abschnitt unter einem Druck von mehr als 2 Bar steht, ein Strömungsparameter Ψ von C_L/C_V herrscht, wobei C_V der Dampfdurchsatz der aufsteigenden Dampfphase und C_L der Flüssigkeitsdurchsatz der absteigenden Flüssigkeitsphase ist und der einen wert von entweder mehr als 0,1 hat oder in einem Strömungsparameterbereich zwischen 0,01 und 0,1 liegt, wobei der Dampfdurchsatz kleiner als ein kritischer Dampfdurchsatz ist, bei dem der genannte Abschnitt der Destillationssäule überflutet wird, und kleiner als ein minimaler Dampfdurchsatz ist, der gleich exp(–0,0485(lnΨ)²-0,595 lnΨ – 3.748 – 0,000421A) ist, wenn Ψ innerhalb des Strömungsparameterbereichs liegt und etwa 0,0305e^–0,000421AΨ³⁷² beträgt, wenn Ψ größer als 0,1 ist, wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist.
Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase in einer Destillationssäule, wobei das Verfahren umfaßt: Bilden einer absteigenden Flüssigkeitsphase und einer aufsteigenden Dampfphase des Gemischs der atmosphärischen Gase innerhalb der Destillationssäule, In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufsteigenden Dampfphase des Gemischs miteinander innerhalb einer strukturierten Packung, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist, so daß die absteigende Flüssigkeitsphase immer mehr an niedrigerflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die Dampfphase immer mehr an höherflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt, wobei die strukturierte Packung aus gewelltem Metallblech mit einer spezifischen Fläche mit einem Bereich zwischen 170 m²/m³ und 250 m²/m³ und Strömungskanälen gebildet ist, die unter einem Winkel von 30 Grad orientiert sind, und Betreiben der Säule derart, daß der genannte Abschnitt einen Druck von mehr als 2 Bar aufweist, ein Strömungsparameter von C_L/C_V herrscht, wobei C_V der Dampfdurchsatz der aufsteigenden Dampfphase und C_L der Flüssigkeitsdurchsatz der absteigenden Flüssigkeitsphase ist und der einen Wert von entweder mehr als 0,1 hat oder innerhalb eines Strömungsparameterbereichs von zwischen 0,01 und 0,1 liegt, wobei der Dampfdurchsatz kleiner als ein kritischer Dampfdurchsatz ist, in welchem der genannte Abschnitt der Destillationssäule überflutet wird, und größer als ein minimaler. Dampfdurchsatz ist, der gleich exp(-0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 2,788 – 0,00236A) ist, wenn Ψ innerhalb des Strömungsparameterbereichs liegt und 0,0796e^–0,00236A Ψ^–0,372 beträgt wenn Ψ größer als 0,1 ist, wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist.
Verfahren zum kryogenen Trennen eines Gemischs atmosphärischer Gase in einer Destillationssäule, wobei das Verfahren umfaßt: Bilden einer absteigenden Flüssigkeitsphase und einer aufsteigenden Dampfphase des Gemischs der atmosphärischen Gase innerhalb der Destillationssäule; In-Berührung-Bringen der absteigenden Flüssigkeitsphase und der aufsteigenden Dampfphase des Gemischs miteinander innerhalb einer strukturierten Packung, die in mindestens einem Abschnitt der Destillationssäule enthalten ist, so daß die absteigende Flüssigkeitsphase immer mehr an niedrigerflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung absteigt, während die Dampfphase immer mehr an höherflüchtigen Komponenten des Gemischs konzentriert wird, während sie durch die strukturierte Packung aufsteigt, wobei die strukturierte Packung aus gewellten Metallblechen mit einer spezifischen Fläche innerhalb eines Bereichs zwischen 250 m²/m³ und 1000 m²/m³ und mit Strömungskanälen gebildet ist, die unter einem Winkel von 30 Grad orientiert sind, und Betreiben der Säule derart, daß der genannte Abschnitt unter einem Druck von mehr als 2 Bar steht, ein Strömungsparameter Ψ von C_L/C_V herrscht, wobei C_V der Dampfdurchsatz der aufsteigenden Dampfphase und C_L der Flüssigkeitsdurchsatz der absteigenden Flüssigkeitsphase ist und der einen Wert von entweder mehr als 0,1 hat oder innerhalb eines Strömungsparameterbereichs zwischen 0,01 und 0,1 liegt, wobei der Dampfdurchsatz kleiner als ein kritischer Dampfdurchsatz ist, bei welchem der genannte Abschnitt der Destillationssäule überflutet wird, und größer als ein minimaler Dampfdurchsatz gleich exp(–0,0485(lnΨ)² – 0,595 lnΨ – 3,156 – 0,000893A) ist, wenn Ψ innerhalb des genannten Bereichs liegt und 0,05515e^–0,000893AΨ^–0,372 beträgt, wenn Ψ größer als 0,1 ist, wobei A die spezifische Fläche der strukturierten Packung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die strukturierte Packung eine Packungsdichte von etwa 750 m²/m³ aufweist, der genannte Abschnitt unter einem Druck von 4 Bar steht, und der kritische Damfdurchsatz eich etwa exp(–0,0485(lnΨ)² –0,595 lnΨ –3,885) beträgt wenn Ψ innerhalb des genannten Strömungsparameterbereichs liegt, und 0,0266^–0,372 beträgt, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die strukturierte Packung eine Packungsdichte von 750 m²/m³ aufweist, der mindestens eine Abschnitt unter einem Druck von 6 Bar steht und der kritische Damfdurchsatz gleich exp(–0,0485(lnΨ)² –0,595 lnΨ – 3,753) ist, wenn Ψ innerhalb des Strömungsparameterbereichs liegt, und etwa 0,03033Ψ^–0,372 ist, wenn Ψ größer als 0,1 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die strukturierte Packung eine Packungsdichte von 750 m²/m³ aufweist, der genannte Druck innerhalb eines Bereichs zwischen 3,5 Bar und 7,5 Bar liegt, und die Flüssigkeitsphase und die Dampfphase des Gemischs mittels einer solchen Höhe der strukturierten Packung in dem genannten Abschnitt der Destillationssäule miteinander in Berührung gebracht werden, daß die Flüssigkeitsphase und die Gasphase jeweils niedriger- bzw. höherflüchtige Komponenten des Gemischs in vorgegebenen Konzentrationen haben und die Höhe der strukturierten Packung in Metern gleich n(0,181 – 0,00864 P) ist, wobei n die Anzahl theoretischer Stufen ist, die zum Erzeugen der vorgegebenen Konzentrationen der genannten niedriger- bzw. höherflüchtigen Komponenten erforderlich ist und P der genannte Druck ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die strukturierte Packung eine Packungsdichte von 750 m²/m³ aufweist, der genannte Druck in einem Bereich zwischen 7,5 Bar und 20 Bar liegt, und die Flüssigkeitsphase und die Dampfphase des genannten Gemischs mittels einer solchen Höhe der strukturierten Packung in dem genannten Abschnitt der Destillationssäule miteinander in Berührung gebracht werden, daß die Flüssigkeitsphase und die Gasphase jeweils niedriger bzw. höherflüchtige Komponenten des Gemischs in vorgegebenen Konzentrationen haben und die Höhe der strukturierten Packung in Metern gleich dem Produkt der Anzahl theoretischer Stufen, die zum Erzeugen der vorgegebenen Konzentrationen der niedriger- bzw. höherflüchtigen Komponenten erforderlich ist, und 0,116 ist.