DE69709234T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Lufttrennung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Lufttrennung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Lufttrennung, wobei Luft getrennt und ein ultrahochreines flüssiges Sauerstoffprodukt erzeugt wird. Die Erfindung kann in einem Einfachsäulen-Stickstofferzeuger eingesetzt werden.
  • Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, Luft zu trennen, um eine sauerstoffreiche Fraktion zu erzeugen, die arm an den schweren Komponenten wie beispielsweise Kohlendioxid, Wasser und Kohlenwasserstoffen ist, und dann einen flüssigen Strom abzustreifen, der aus der sauerstoffreichen Fraktion sowie aus leichten Komponenten wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Neon, Krypton und Helium zusammengesetzt ist. Beispielsweise beschreibt die US-A-5 049 173 einen Einfachsäulen-Stickstofferzeuger, in welchem ein flüssiger Strom aus dem Stickstofferzeuger an einer Stelle derselben abgezogen wird, an welcher der Flüssigkeitsstrom aus sauerstoffreicher Flüssigkeit besteht, die arm an den schweren Komponenten ist. Der Flüssigkeitsstrom wird anschließend in einer Abstreifsäule abgestreift, indem die Flüssigkeit in das obere Ende der Säule eingeleitet wird, um eine absteigende Flüssigkeitsphase zu bilden, die immer stärker an flüssigem Sauerstoff konzentriert und immer stärker an den leichten Komponenten ärmer wird.
  • Die US-A-5 049 173 beschreibt auch ein Verfahren zum Reinigen eines Sauerstoff enthaltenden Dampfstroms, der aus einer Hochdrucksäule einer Doppelsäulen- Destillationseinheit abgezogen wird. Der Sauerstoff enthaltende Dampfstrom wird anschließend in einem Rückverdampfer der Abstreifsäule verflüssigt, bevor er abgestreift wird. Um Flüssigkeit aus der Abstreifsäule abzuziehen, muß flüssiger Stickstoff in die Abstreifsäule zugeführt werden. Das Problem der Zuführung einer aus Stickstoff bestehenden Flüssigkeit in einen verflüssigten Sauerstoff enthaltenden Dampfstrom liegt darin, dass die Abstreifsäule in geeigneter Weise bemessen sein muß, um einen resultierenden kombinierten Strom zu streifen, der eine geringere Reinheit als ein aus sauerstoffreicher Flüssigkeit bestehender Flüssigkeitsstrom hat. Des weiteren wird die Stickstoffproduktion direkt proportional zum abgezogenen flüssigen Stickstoff schlechter.
  • Wie noch erörtert werden wird, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zum Trennen von Luft, wobei ein Sauerstoff enthaltender Dampfstrom, der arm an schweren Komponenten ist, verflüssigt und in einer Abstreifsäüle ohne Zugabe eines Flüssigstickstoffstroms als Rückfluß zur Abstreifsäüle abgestreift wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Lufttrennverfahren vorgesehen, das umfasst:
  • Abkühlen eines verdichteten und gereinigten Luftstroms auf eine für seine Rektifizierung geeignete Temperatur,
  • Erzeugen einer Sauerstoff enthaltenden, an schweren Komponenten armen Dampffraktion durch Rektifizieren des gekühlten Luftstroms,
  • Aufteilen der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion in einen ersten und einen zweiten Teilstrom, und
  • getrenntes Kondensieren der Teilströme und Abstreifen leichter Komponenten der kondensierten Teilströme in einer Abstreifsäule, so dass ultrahochreiner flüssiger Sauerstoff als Säulenbodenprodukt darin erzeugt wird,
  • wobei der erste Teilstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Säulenbodenprodukt kondensiert wird, wodurch ein Aufsieden innerhalb der Abstreifsäule erzeugt wird.
  • Die Erfindung umfasst auch eine Lufttrenneinrichtung mit:
  • einem Hauptwärmetauscher zum Abkühlen eines verdichteten und gereinigten Luftstroms auf eine für seine Rektifizierung geeignete Temperatur,
  • einer Rektifiziersäule zum Rektifizieren des abgekühlten Luftstroms,
  • einem ersten Auslaß der Rektifiziersäule für eine an schweren Verunreinigungen armen, Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion,
  • einer Abstreifsäule mit einem Rückverdampfer, der ihrem Bodenbereich zugeordnet ist, um ein Aufsieden in der Abstreifsäule zu erzeugen,
  • wobei der Rückverdampfer mit dem ersten Auslaß in Verbindung steht, so dass ein erster Teilstrom der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion im Betrieb in den Rückverdampfer kondensiert werden kann,
  • einem Kondensator zum Kondensieren eines zweiten Stroms der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion, der mit dem ersten Auslaß in Verbindung steht,
  • wobei der Kondensator und der Rückverdampfer sowohl mit einem Einlaß zum Kopfbereich der Abstreifsäule als auch mit einem Auslaß für ultrahochreinen Flüssigsauerstoff vom Bodenbereich der Abstreifsäule in Verbindung stehen. Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist die vorliegende Erfindung bei einem Einfachsäulen- Stickstofferzeuger anwendbar, der mit einer einen Rückverdampfer aufweisenden Abstreifsäule für ultrahochreinen flüssigen Sauerstoff integriert ist. Da beide Flüssigkeitsströme getrennt kondensiert werden, braucht die Abstreifsäule nur zum Abstreifen der sauerstoffreichen Fraktion und nicht einer mit Stickstoff kombinierten sauerstoffreichen Fraktion ausgelegt zu werden. Darüberhinaus kann im Falle eines Stickstofferzeugers der andere Teilstrom in einen in Verbindung damit eingesetzten Kopfkondensator kondensiert werden. Dies verringert natürlich die Produktion von Stickstoffprodukt. Jedoch ist eine solche Verringerung kleiner, als dies der Fall wäre, wenn Flüssigstickstoff abgezogen würde, da das Kühlmittel, gewöhnlich sauerstoffreiche Flüssigkeit, diesen Teilstrom kondensiert und nicht flüssiger Stickstoff. Folglich leidet die Stickstoffproduktion nicht im selben Maße wie bei bekannten Sauerstoffreinigungsapparaturen, wo es gewünscht wird, eine Sauerstoff enthaltende Dampffraktion zur weiteren Reinigung in einer Abstreifsäule abzuziehen.
  • Hochreiner Stickstoff hat einen Verunreinigungsgehalt von weniger als etwa 100 Teile Sauerstoff pro Billion. Ultrahochreiner flüssiger Sauerstoff hat einen Verunreinigungsgehalt von weniger als etwa 100 Teile (an anderen Bestandteilen als Sauerstoff) pro Billion nach Volumen. Wenn ein Strom "vollständig erwärmt" wird, wird er auf eine Temperatur des warmen Endes des Hauptwärmetauschers bzw. Hauptwärmetauscherkomplexes erwärmt. In ähnlicher Weise, wenn ein Strom "vollständig abgekühlt" wird, wird er auf eine Temperatur des kalten Endes des Hauptwärmetauschers bzw. Hauptwärmetauscherkomplexes abgekühlt. Des weiteren, wenn ein Strom "teilweise erwärmt" oder "teilweise abgekühlt" wird, wird er auf eine Temperatur zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers bzw. Hauptwärmetauscherkomplexes erwärmt bzw. abgekühlt. Leichte Komponenten umfassen Stickstoff, Argon, Neon, Helium und Wasserstoff, und schwere Komponenten umfassen Kohlendioxid, Wasser, Krypton und Kohlenwasserstoffe.
  • Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die ein schematisches Strömungsdiagramm einer Lufttrennanlage zeigt.
  • Gemäß der Zeichnung ist eine Lufttrennanlage 1 dargestellt, die zum Trennen von Luft in eine hochreine Stickstofffraktion und eine ultrahochreine flüssige Sauerstofffraktion ausgelegt ist. Nachdem Luft in auf dem Fachgebiet bekannter Weise verdichtet und gereinigt worden ist, wird sie in einem Hauptwärmetauscher(komplex) 10 auf eine für seine Rektifizierung geeignete Temperatur abgekühlt, die normalerweise am oder nahe dem Taupunkt von Luft liegt. Die Luft wird dann in einer Einfachrektifiziersäule 12 in eine hochreine stickstoffreiche Kopffraktion("Säulenkopfprodukt") und eine mit Sauerstoff angereicherte flüssige Bodenfraktion ("Säulenbodenprodukt") rektifiziert. Eine Sauerstoff enthaltende Dampffraktion wird aus der Einfachsäule 12 an einer Stelle derselben abgeführt, an welcher diese Dampffraktion arm an schweren Komponenten ist. Nach der Kondensation wird diese Dampffraktion in einer Abstreifsäule 14 zur Erzeugung des ultrahochreinen flüssigen Sauerstoffprodukts abgestreift. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Einfachsäulen- Stickstofferzeuger beschränkt und hat tatsächlich eine weitere Anwendbarkeit auf Mehrfachsäulenanordnungen.
  • Ein verdichteter und gereinigter Luftstrom 16, der, wie oben erwähnt wurde, in einem Hauptwärmetauscher 10 abgekühlt worden ist, wird durch Verdichten der Luft, Abführen der Verdichtungswärme, und anschließendes Reinigen der Luft von schwereren Komponenten wie beispielsweise Kohlendioxid, Feuchtigkeit und Kohlenwasserstoffen gebildet.
  • Anzumerken ist, dass selbst nach dieser Reinigung jedoch solche schweren Komponenten immer noch in dem verdichteten und gereinigten Luftstrom 16 vorhanden sind und sich in bei der Rektifizierung derselben erzeugten Flüssigkeitsfraktionen konzentrieren.
  • Der verdichtete und gereinigte Luftstrom 16 wird dann in die Einfachrektifiziersäule eingeleitet, die Flüssigkeits-Dampf-Kontaktelemente wie beispielsweise Schalen, eine zufällige Packung oder eine strukturierte Packung enthält, um die Luft in eine hochreine Stickstofffraktion am oberen Ende und eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeitsfraktion am unteren Ende zu rektifizieren. Ein Stickstoffproduktstrom 18 wird von der hochreinen Stickstofffraktion entnommen. Ein Teil 20 des Stickstoffproduktstroms 18 wird in einem Kopfkondensator 22 kondensiert und dann als Rückfluß zu der Säule 12 rezirkuliert. Der Kopfkondensator 22 ist eine Einfachdurchgang-Einheit mit Platten-Rippen-Konstruktion. Der andere Teil 24 des Stickstoffproduktstroms 18 wird innerhalb des Hauptwärmetauscherkomplexes 10 vollständig erwärmt, wo es mit Umgebungstemperatur als Produktstickstoff (PGN) austritt.
  • Kühlmittel wird zum Kopfkondensator 22 durch Abziehen eines Flüssigluftstroms 26 und eines flüssigen, mit Sauerstoff angereicherten Stroms 28 aus der Säule 12 bereitgestellt. Der Flüssigluftstrom 26 und der Sauerstoff angereicherte Strom 28 werden in einem Ventil 30 bzw. 32 expandiert und innerhalb des Kopfkondensators verdampft. Der verdampfte Flüssigluftstrom 26 wird in einem Rezirkulationsverdichter 34 auf den Betriebsdruck der Säule 12 rückverdichtet, um einen Rezirkulationsstrom 36 zu bilden, der nach dem teilweisen Abkühlen im Hauptwärmetauscherkomplex 10 in einen Bodenbereich der Säule 12 eingeleitet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Rezirkulationsstrom 36 nicht vollständig abgekühlt, so dass seine Verflüssigung verhindert wird. Der sauerstoffreiche Flüssigkeitsstrom 28 wird, nachdem er verdampft worden ist, in einen Turboexpander 38 eingeleitet, um einen Kühlmittelstrom 40 zu bilden. Der Kühlmittelstrom 40 kann mit anderen Abfallströmen kombiniert und dann im Hauptwärmetauscherkomplex 10 als Stickstoffabgasstrom 42 vollständig erwärmt werden. Dieses Erwärmen vermindert die Enthalpie der einströmenden Luft, um Unvermeidbarkeiten wie beispielsweise Wärmeleckage in die Lufttrennanlage 1 zu kompensieren. Der Rezirkulationsverdichter 34 und der Turboexpander 38 können beispielsweise durch eine energievernichtende Ölbremse oder einen Generator gekuppelt werden, so dass ein Teil der Energie der Expansionsarbeit zum Antrieb des Rezirkulationsverdichters 34 zurückgewonnen werden kann.
  • Es ist möglich, einen Flüssigkeitsstrom mit der gleichen Zusammensetzung wie der sauerstoffreiche Flüssigkeitsstrom 28 als einziges Kühlmittel für den Kopfkondensator 22 einzusetzen, was danach in die Säule zurück rezirkuliert wird. Jedoch ist die Verwendung durch Ströme 26 und 28 besonders vorteilhaft, weil der Flüssigluftstrom 26 einen höheren Stickstoffgehalt als der sauerstoffreiche Flüssigkeitsstrom 28 hat. Insoweit hat der Strom 26 einen höheren Taupunktdruck bei gleicher Temperatur der sauerstoffreichen Flüssigkeit. Daher ist der Zuführdruck des verdampften Flüssigluftstroms 26 zum Verdichter höher und folglich kann mehr Strömung mit der gleichen Arbeitsmenge verdichtet werden. Diese Strömungssteigerung ermöglicht eine Steigerung der Wärmepumpwirkung, welche die Rückgewinnung über das hinaus unterstützt, was erreichbar wäre, wenn der sauerstoffreiche Flüssigkeitsstrom 28 als einziges Kühlmittel verwendet würde. Darüberhinaus liegt die Zusammensetzung des verdampften Flüssigluftstroms 26 nahe an der Gleichgewichtsdampfzusammensetzung im Sumpf der Säule. Dadurch kann der Boden der Säule reversibler als in bekannten Prozessen betrieben werden.
  • Die an den schweren Komponentenarme, Sauerstoff enthaltende Dampffraktion wird aus der Säule 12 als ein sauerstoffhaltiger Dampfstrom 46 abgezogen, der in zwei Teilströme 48 und 50 unterteilt wird. Der Teilstrom 48 wird durch Hindurchleiten durch einen Rückverdampfer 52 kondensiert, der in einem Bodenbereich 54 der Abstreifsäule 14 angeordnet ist. Dies erzeugt ein Aufsieden für die Abstreifsäule 14. Das resultierende Kondensat wird dann im Druck durch ein Druckminderventil 56 abgesenkt. Der andere der beiden Teilströme, 50, wird im Kopfkondensator 22 kondensiert und dann durch ein Druckminderventil 58 im Druck abgesenkt. Die beiden Teilströme 48 und 50 werden kombiniert und dann in die Abstreifsäule 14 eingeleitet, um abgestreift zu werden und dadurch den ultrahochreinen flüssigen Sauerstoff als einen ultrahochreinen Flüssigsauerstoff-Produktstrom 60 zu erzeugen.

Claims (9)

1. Lufttrennverfahren, das umfaßt:
Abkühlen eines verdichteten und gereinigten Luftstroms auf eine für seine Rektifizierung geeignete Temperatur,
Erzeugen einer Sauerstoff enthaltenden, an schweren Komponenten armen Dampffraktion durch Rektifizieren des gekühlten Luftstroms,
Aufteilen der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion in einen ersten und einen zweiten Teilstrom, und
getrenntes Kondensieren der Teilströme und Abstreifen leichter Komponenten der kondensierten Teilströme in einer Abstreifsäule, so dass ultrahochreiner flüssiger Sauerstoff als Säulenbodenprodukt darin erzeugt wird,
wobei der erste Teilstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Säulenbodenprodukt kondensiert wird, wodurch ein Aufsieden innerhalb der Abstreifsäule erzeugt wird.
2. Lufttrennverfahren nach Anspruch 1, wobei
der gekühlte Luftstrom innerhalb einer einzigen Rektifiziersäule rektifiziert wird und dadurch auch eine Stickstofffraktion erzeugt wird,
ein mit der einzigen Säule in Verbindung stehender Kopfkondensator einen Teil der Stickstofffraktion kondensiert, um dadurch einen Rückfluß für die einzige Rektifiziersäule zu erzeugen,
wobei der restliche Teil der genannten Stickstofffraktion in einem Hauptwärmetauscher im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem abgekühlten Luftstrom vollständig aufgewärmt wird, und wobei der zweite Teilstrom in dem Kopfkondensator kondensiert wird.
3. Lufttrennverfahren nach Anspruch 2, wobei
Kühlmittel für den Kopfkondensator durch Abziehen eines Flüssigkeitsstroms aus der einzigen Rektifiziersäule und Expandieren des Flüssigkeitsstroms durch ein Ventil erzeugt wird,
der abgezogene Flüssigkeitsstrom in dem Kopfkondensator verdampft und
der verdampfte Flüssigkeitsstrom wieder auf den Betriebsdruck der einzigen Rektifiziersäule verdichtet und auf die für die Rektifizierung geeignete Temperatur abgekühlt und in die einzige Rektifiziersäule rezirkuliert wird.
4. Lufttrennverfahren nach Anspruch 3, das weiter umfaßt.
Zuführen vom zusätzlichem Kühlmittel zum Kopfkondensator durch Abziehen eines sauerstoffreichen Flüssigkeitsstroms vom Bodenbereich der einzigen Rektifiziersäule und Expandieren des sauerstoffreichen Flüssigkeitsstroms durch ein Ventil,
Verdampfen des sauerstoffreichen Flüssigkeitsstroms im Kopfkondensator und teilweises Aufwärmen des verdampften sauerstoffreichen Flüssigkeitsstroms,
Turboexpandieren des aufgewärmten verdampften sauerstoffreichen Flüssigkeitsstroms zum Erzeugen eines Kühlmittelstroms, und
vollständiges Aufwärmen des Kühlmittelstroms in indirektem Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden verdichteten und gereinigten Luftstrom.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Strom einer Kopffraktion in der Abstreifsäule vollständig im Hauptwärmetauscher erwärmt wird.
6. Lufttrenneinrichtung, mit
einem Hauptwärmetauscher (10) zum Abkühlen eines verdichteten und gereinigten Luftstroms auf eine für seine Rektifizierung geeignete Temperatur,
einer Rektifiziersäule (12) zum Rektifizieren des abgekühlten Luftstroms,
einem ersten Auslaß (46) der Rektifiziersäule (12) für eine an schweren Verunreinigungen armen, Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion,
einer Abstreifsäule (14) mit einem Rückverdampfer (52), der ihrem Bodenbereich zugeordnet ist, um ein Aufsieden in der Abstreifsäule (14) zu erzeugen,
wobei der Rückverdampfer (52) mit dem ersten Auslaß (46) in Verbindung steht, so dass ein erster Teilstrom der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion im Betrieb in dem Rückverdampfer (52) kondensiert werden kann,
einem Kondensator (22) zum Kondensieren eines zweiten Stroms der Sauerstoff enthaltenden Dampffraktion, der mit dem ersten Auslaß (46) in Verbindung steht,
wobei der Kondensator (22) und der Rückverdampfer (52) sowohl mit einem Einlaß zum Kopfbereich der Abstreifsäule (14) als auch mit einem Auslaß (60) für ultrahochreinen Flüssigsauerstoff vom Bodenbereich der Abstreifsäule (14) in Verbindung stehen.
7. Lufttrenneinrichtung nach Anspruch 6, wobei:
die Rektifiziersäule (12) eine einfache Rektifiziersäule (12) ist, die einen zweiten Auslaß (18) für einen Stickstoffproduktstrom hat,
der Kondensator (22) so angeordnet ist, dass er in der Rektifiziersäule (12) abgetrennten Stickstoff kondensieren kann.
8. Lufttrenneinrichtung nach Anspruch 7, die zusätzlich einen dritten Auslaß (26) für einen Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom aus der Rektifiziersäule (12), der mit einem Einlaß zum Kondensator (22) über ein Expansionsventil (30) in Verbindung steht, und einen Rezirkulationsverdichter (34) aufweist, der einen mit einem Auslaß für verdampften, Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom aus dem Kondensator (22) und einen Auslaß hat, der mit einem Einlaß zum Bodenbereich der Rektifiziersäule (12) in Verbindung steht.
9. Lufttrenneinrichtung nach Anspruch 8, die zusätzlich einen vierten Auslaß (28) für einen weiteren Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom aus der Rektifiziersäule (12) aufweist, der mit einem weiteren Einlaß zum Kondensator (22) über ein weiteres Expansionsventil (32) in Verbindung steht, und einen Turboexpander (38) aufweist, der über den Hauptwärmetauscher (10) mit einem Auslaß vom Kondensator (22) für verdampften weiteren Sauerstoff enthaltenden Flüssigkeitsstrom in Verbindung steht.
DE69709234T 1996-05-14 1997-05-13 Verfahren und Vorrichtung zur Lufttrennung Expired - Lifetime DE69709234T2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/649,147 US5689973A (en) 1996-05-14 1996-05-14 Air separation method and apparatus

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DE69709234D1 DE69709234D1 (de) 2002-01-31
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