DE69916767T2 - Verfahren zur Durchführung einer bei unter Umgebungstemperatur und insbesondere bei Tieftemperatur liegenden Trennung unter Verwendung von Kälte von einem Mehrkomponentenkühlfluid - Google Patents

Verfahren zur Durchführung einer bei unter Umgebungstemperatur und insbesondere bei Tieftemperatur liegenden Trennung unter Verwendung von Kälte von einem Mehrkomponentenkühlfluid Download PDF

Info

Publication number
DE69916767T2
DE69916767T2 DE69916767T DE69916767T DE69916767T2 DE 69916767 T2 DE69916767 T2 DE 69916767T2 DE 69916767 T DE69916767 T DE 69916767T DE 69916767 T DE69916767 T DE 69916767T DE 69916767 T2 DE69916767 T2 DE 69916767T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
refrigerant fluid
multicomponent refrigerant
fluid
component
cold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE69916767T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69916767D1 (de
Inventor
Engineer Byram Grand Island Arman
Engineer Dante Patrick Grand Island Bonaquist
Joseph Alfred Cheektowaga Weber
Engineer Mark Edward Lancaster Vincett
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Praxair Technology Inc
Original Assignee
Praxair Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Praxair Technology Inc filed Critical Praxair Technology Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE69916767D1 publication Critical patent/DE69916767D1/de
Publication of DE69916767T2 publication Critical patent/DE69916767T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04278—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using external refrigeration units, e.g. closed mechanical or regenerative refrigeration units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642—Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648—Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654—Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04666—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system
    • F25J3/04672—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser
    • F25J3/04678—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser cooled by oxygen enriched liquid from high pressure column bottoms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/66—Closed external refrigeration cycle with multi component refrigerant [MCR], e.g. mixture of hydrocarbons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air
    • Y10S62/94—High pressure column

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Bereitstellung von Kälte für eine bei unter Umgebungstemperatur liegende Trennung von Gemischen und sie ist für die Verwendung bei einer Tieftemperaturtrennung besonders vorteilhaft.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei unter Umgebungstemperatur liegenden Trennungen wird einem Gasgemisch Kälte zugeführt, um die Tieftemperaturbedingungen aufrecht zu erhalten und somit die Trennung des Gemisches in seine Komponenten für eine Gewinnung zu erleichtern. Beispiele von derartigen unter Umgebungstemperatur liegenden Trennungen beinhalten die Tieftemperaturluftzerlegung, Erdgasveredelung, die Wasserstoffgewinnung aus Rohsynthesegas und die Kohlendioxiderzeugung. Eine Möglichkeit zum Bereitstellen der notwendigen Kälte zur Durchführung der Trennung besteht in einer Turboexpansion eines Fluidstroms und der direkten oder durch indirekten Wärmeaustausch bewerkstelligten Verwendung der Kälte, die durch die Turboexpansion erzeugt wird, um die Trennung zu erleichtern. Ein derartiges System benutzt, obgleich es effektiv ist, signifikante Mengen an Energie und kann die Produktgewinnung verringern, weshalb es nur kostspielig zu betreiben ist.
  • Kälte kann ebenfalls unter Verwendung eines Kühlkreislaufs erzeugt werden, wobei ein Kühlfluid verdichtet und verflüssigt wird und anschließend bei einer gegebenen Temperatur einem Phasenwechsel von einer Flüssigkeit zu einem Gas unterzogen wird, wodurch seine latente Verdampfungswärme für Kühlzwecke verfügbar wird. Derartige Kühlkreisläufe werden allgemein in Kühlschränken und Klimaanlagen für den häuslichen Gebrauch verwendet. Obgleich ein derartiger Kühlkreislauf bei der Bereitstellung von Kälte bei einer gegebenen Temperatur und bei relativ hohen unter Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen effektiv ist, erweist er sich als nicht sehr effizient, wenn eine Kühlung bei niedrigen Temperaturen und über einen relativ weiten Temperaturbereich hinweg erwünscht ist.
  • In US-A-4 617 037 ist ein Verfahren für die Herstellung von Stickstoff offenbart, wobei die Kälte durch eine Kühlschleife bereitgestellt wird, die ein zirkulierendes Gas verwendet, das entweder ein einzelnes Gas, insbesondere Argon, oder ein Mischgas und insbesondere Luft sein kann.
  • US-A-1 959 030 offenbart ein Luftzerlegungsverfahren, das eine Dampfrekompressions-Kühlschleife zur Kühlung der Einsatzluft mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Kältemittel, das vorzugsweise Ammoniak ist, in der Kühlschleife benutzt.
  • EP-A-0 528 320 bezieht sich auf ein Verfahren für die Gewinnung von C2+- oder C3+-Kohlenwasserstoffen, wobei in diesem Verfahren die notwendige Kälte hauptsächlich von einer Dampfrekompressionskäl teanlage mit Einzelschleife ableitet, die ein vermischtes Kältemittel verwendet, das im allgemeinen aus denjenigen Komponenten ausgewählt ist, die das Einsatzgas aufweist, wie z. B. Methan, Ethan und Butan.
  • EP-A-0 516 093 offenbart eine Kühleinheit aus einem binären Kühlsystem, das unabhängige Dualkühlkreisläufe aufweist und nicht-azeotropes Mischkältemittel verwendet.
  • Substitute für Chlordifluourmethan (HCFC-22) und Dichlordifluourmethan (R-12) sind in US-A-5 736 063 bzw. in WO 97/11 138 offenbart.
  • In Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology: Vol. 7, Copper Alloys to Distillation, 1978, Wiley &, Sons, US, New York wird erwähnt, dass Kaskadenkälteanlagen, die unterschiedliche Kältemittel und zwar typischerweise Propan, Ethylen und Methan verwenden, durch eine einzige Kühlschleife mittels Vermischen derjenigen Kältemittel, die in der Kaskadenkälteanlage verwendet wurden, ersetzt werden können.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Durchführen einer bei unter Umgebungstemperatur liegenden Trennung eines Fluidgemisches und insbesondere einer bei kryogenen Temperaturen liegenden Trennung auf eine effizientere Weise als mit konventionellen Trennsystemen und ohne den Bedarf nach einer Verwendung einer Turboexpansion zur Erzeugung irgendeiner für die Trennung notwendigen Kälte.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die für den Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Trennen eines Fluidgemisches gemäß Anspruch 1 besteht.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kühlung" die Fähigkeit, Wärme von einem bei unter Umgebungstemperatur arbeitenden System wie z. B. bei einem sich bei unter Umgebungstemperatur vollziehenden Trennverfahren an die Umgebungsatmosphäre abzuführen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Tieftemperaturrektifikationsanlage" eine Einrichtung für eine fraktionierte Destillation eines Gemisches mittels Tieftemperaturrektifikation, die eine oder mehrere Kolonnen und eine an ihnen angebrachte Rohr- und Ventilanordnung sowie eine Wärmeaustauschausrüstung aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Einsatzluft" ein hauptsächlich aus Sauerstoff, Stickstoff und Argon wie z. B. Umgebungsluft bestehendes Gemisch.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kolonne" eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d. h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z. B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen wie z. B. strukturierter oder Zufallspackung in Kontakt gebracht werden. Für eine weitere Diskussion von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers" Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R. H. Perry und C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, The Continuous Distillation Process.
  • Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, dass er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberer Teil in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Teil einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von den Dampfdrücken der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrig siedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hoch siedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Destillation ist das Trennverfahren, bei dem eine Erwärmung eines Flüssigkeitsgemisches benutzt werden kann, um die flüchtigere(n) Komponente(n) in der Dampfphase und somit die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinander folgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom kann adiabatisch oder nicht-adiabatisch sein und kann einen integralen (stufenweisen) oder differentiellen (kontinuierlichen) Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Tieftemperatur-Rektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, das zumindest teilweise bei Temperaturen bei oder unterhalb 150°K ausgeführt wird.
  • Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, dass zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne dass irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander stattfindet.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Turboexpansion" bzw. "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckfluid durch eine Turbine zur Reduzierung des Drucks und der Temperatur des Fluids, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Expansion" die Bewirkung einer Druckreduktion.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Produktstickstoff" ein Fluid mit einer Stickstoffkonzentration von mindestens 99 Molprozent.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Produktsauerstoff" ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 70 Molprozent.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kältemittel mit variabler Last" ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in derartigen Anteilen, dass die Flüssigphase dieser Komponenten eine kontinuierliche und zunehmende Temperaturveränderung zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches durchläuft. Der Blasenpunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber eine Zufuhr von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Flüssigphase befindlichen Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Dampfphase vorliegt, aber die Extraktion von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase befindlichen Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, wo sowohl Flüssig- wie Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Erfindung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt für das Kältemittel mit variabler Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorkohlenstoff" einen der folgenden Stoffe: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F8), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (cyclo-C4F8).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff" einen der folgenden Stoffe: Fluoroform (CHF3), Pentafluorethan (C2HF5), Tetrafluorethan (C2H2F4), Heptafluorpropan (C3HF7), Hexafluorpropan (C3H2F6), Pentafluorpropan (C3H3F5), Tetrafluorpropan (C3H4F4), Nonafluorbutan (C4HF9), Octafluorbutan (C4H2F8), Undecafluorpentan (C5HF11), Methylfluorid (CH3F), Difluormethan (CH2F2), Ethylfluorid (C2H5F), Difluorethan (C2H4F2), Trifluorethan (C2H3F3), Difluorethen (C2H2F2), Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorether" einen der folgenden Stoffe: Trifluormethyoxy-Perfluormethan (CF3-O-CF3), Difluormethoxy-Perfluormethan (CHF2-O-CF3), Fluormethoxy-Perfluormethan (CH2F-O-CF3), Difluormethoxy-Difluormethan (CHF2-O-CHF2), Difluormethoxy-Perfluorethan (CHF2-O-C2F5), Difluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Difluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Perfluorethoxy-fluormethan (C2F5-O-CH2F), Perfluormethoxy-1,1,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Perfluormethoxy-1,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-1,1,2,2-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Cyclo-1,1,3,3-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Perfluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Cyclo-1,1,2,3,3-pentafluorpropylether (cyclo-C3H5-O), Perfluormethoxy-Perfluoraceton (CF3-O-CF2-O-CF3), Perfluormethoxy-Perfluorethan (CF3-O-C2F5), Perfluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Perfluormethoxy-2,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-Perfluormethoxy-Perfluoraceton (cyclo-CF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-Perfluorpropylether (cyclo-C3F6-O).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "atmosphärisches Gas" einen der folgenden Stoffe: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht-toxisch" denjenigen Umstand, dass bei einer Handhabung innerhalb akzeptabler Expositionsgrenzen keine akute oder andauernde Gefahr vorliegt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht entflammbar", dass kein Flammpunkt oder ein sehr hoher Flammpunkt von mindestens 600°K vorliegt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "gering ozonabreichernd" ein Ozonabreicherungspotenzial von weniger als 0,15 gemäß der "Montreal Protocol Convention", wobei Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein Ozonabreicherungspotenzial von 1,0 aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht-ozonabreichernd" den Umstand, dass keine Komponente vorliegt, die ein Chlor-, Brom- oder Iodatom aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "normaler Siedepunkt" die Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d. h. 101 kPa (14,696 pound pro inch2 absolut).
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Trennung eine Tieftemperaturluftzerlegung ist und ein Mehrkomponentenkühlfluid-Kühlkreislauf zur Erzeugung von Kälte dient, um die Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zu kühlen und dadurch die niedrigen Temperaturen in ihr aufrechtzuerhalten.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben werden. In der Figur ist eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit drei Kolonnen illustriert, namentlich einer Doppelkolonne mit bei höherem und bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonnen, sowie eine Argonseitenarmkolonne.
  • Nun auf die Figur Bezug nehmend wird Einsatzluft 60 mittels Durchleiten durch einen Basislastkompressor 30 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 241 bis 1724 kPa (35 bis 250 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Die Kompressionswärme einer sich ergebenden verdichteten Einsatzluft 61 wird in einem (nicht dargestellten) Nachkühler abgekühlt und anschließend wird die Luft von hoch siedenden Verunreinigungen wie z. B. Wasserdampf, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen mittels Durchleiten durch einen Reiniger 50 gereinigt. Dann wird der gereinigte Einsatzluftstrom 62 in zwei mit 65 und 63 bezeichnete Teile aufgeteilt. Der Teil 65, der im allgemeinen von 20 bis 35% des Einsatzluftstroms 62 ausmacht, wird mittels Durchleiten durch einen Boosterkompressor 31 weiter auf einen höheren Druck verdichtet, der bis zu 6895 kPa (1000 psia) betragen kann. Die Kompressionswärme eines sich ergebenden weiter verdichteten Einsatzluftstroms 66 wird in einem (nicht dargestellten) Nachkühler abgeführt und der Strom wird mittels indirektem Wärmeaustausch in einem Haupt- oder Primärwärmetauscher 1 mit Rückströmen gekühlt und mindestens teilweise kondensiert. Ein sich ergebender gekühlter Einsatzluftstrom 67 wird anschließend in einen Strom 68 aufgeteilt, der durch ein Ventil 120 in eine bei höherem Druck arbeitende Kolonne 10 eingespeist wird, sowie in einen Strom 69, der durch ein Ventil 70 und als ein Strom 71 in eine bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 eingeleitet wird.
  • Der restliche Teil 63 des Einsatzluftstroms 62 wird mittels Durchleiten durch den Hauptwärmetauscher 1 durch einen indirekten Wärmeaustausch mit Rückströmen gekühlt und als ein Strom 64 in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 10 eingespeist, die bei einem Druck betrieben wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 241 bis 1724 kPa (35 bis 250 psia) liegt. Innerhalb der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 10 wird die Einsatzluft mittels Tieftemperaturrektifikation in stickstoffangereicherten Dampf und sauerstoffangereicherte Flüssigkeit zerlegt. Stickstoffangereicherter Dampf wird von dem oberen Bereich der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 10 in einem Strom 77 abgezogen und in einem Aufkocher 2 mittels indirektem Wärmeaustausch mit siedender Sumpfflüssigkeit der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne kondensiert. Eine sich ergebende stickstoffangereicherte Flüssigkeit 78 wird als Rücklauf zu der Kolonne 10 zurückgeführt. Ein Teil der stickstoffangereicherten Flüssigkeit 79 wird von der Kolonne 10 zu einem Enthitzer 6 geführt, worin er unterkühlt wird, um einen unterkühlten Strom 80 auszubilden. Auf Wunsch kann ein Teil 8l des Stroms 80 als flüssiger Produktstickstoff mit einer Stickstoffkonzentration von mindestens 99 Molprozent gewonnen werden. Der Rest des Stroms 80 wird in einem Strom 82 in den oberen Bereich der Kolonne 11 als Rücklauf eingespeist.
  • Sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird von dem unteren Bereich der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 10 in einem Strom 83 abgezogen und zu einem Enthitzer 7 geführt, wo sie unterkühlt wird. Eine resultierende unterkühlte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit 84 wird anschließend in einen Teil 85 und in einen Teil 88 aufgeteilt. Der Teil 85 wird durch ein Ventil 86 und als ein Strom 87 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 geführt. Ein Teil 88 wird durch ein Ventil 95 in einen Argonkolonnenkondensor 3 geleitet, worin er teilweise verdampft wird. Der resultierende Dampf wird von dem Kondensor 3 in einem Strom 94 abgezogen und in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 eingespeist. Restliche sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird von dem Kondensor 3 in einem Strom 93 abgezogen, zur Ausbildung eines Stroms 96 mit dem Strom 94 kombiniert und in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 geführt.
  • Die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 wird bei einem Druck betrieben, der niedriger als der Druck der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne 10 ist und im allgemeinen in dem Bereich von 103 bis 690 kPa (15 bis 100 psia) liegt. Innerhalb der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 11 werden die verschiedenen Einsätze mittels Tieftemperaturrektifikation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit getrennt. Der stickstoffreiche Dampf wird von dem oberen Bereich der Kolonne 11 in einem Strom 101 abgezogen, mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 6, 7 und 1 erwärmt, und als Produktstickstoff in einem Strom 104 mit einer Stickstoffkonzentration gewonnen, die mindestens 99 Molprozent, vorzugsweise mindestens 99,9 Molprozent, und am bevorzugtesten mindestens 99,999 Molprozent beträgt. Für Produktreinheitssteuerzwecke wird ein Abstrom 97 von der Kolonne 11 von einem Pegel unterhalb der Abzugsstelle des Stroms 101 abgezogen, mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 6, 7 und 1 erwärmt, und von dem System in einem Strom 100 entfernt. Sauerstoffreiche Flüssigkeit wird von dem unteren Bereich der Kolonne 11 in einem Strom 105 mit einer Sauerstoffkonzentration abgezogen, die im allgemeinen in dem Bereich von 90 bis 99,9 Molprozent liegt. Falls erwünscht kann ein Teil 106 des Stroms 105 als Produktflüssigsauerstoff gewonnen werden. Der restliche Teil 107 des Stroms 105 wird mittels Durchleiten durch eine Flüssigkeitspumpe 35 auf einen höheren Druck gepumpt und ein aufgedrückter Strom 108 wird in dem Hauptwärmetauscher 1 verdampft und als Produktsauerstoffgas 109 mit gesteigertem Druck gewonnen.
  • Sauerstoff und Argon aufweisendes Fluid wird in einem Strom 110 von der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne 11 in die Argonkolonne 12 eingeleitet, worin er mittels Tieftemperaturrektifikation in argonreicheres Fluid und sauerstoffreicheres Fluid getrennt wird. Das sauerstoffreichere Fluid wird von dem unteren Bereich der Kolonne 12 in einem Strom 111 in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 11 eingespeist. Das argonreichere Fluid wird von dem oberen Bereich der Kolonne 12 in einem Dampfstrom 89 in den Argonkolonnenkondensor 3 eingeleitet, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit der oben erwähnten, teilweise verdampfenden unterkühlten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit kondensiert wird. Sich ergebende argonreichere Flüssigkeit wird von dem Kondensor 3 in einem Strom 90 abgezogen. Ein Teil 91 wird in die Argonkolonne 12 als Rücklauf eingespeist und ein anderer Teil 92 wird als Produktargon mit einer Argonkonzentration gewonnen, die im allgemeinen in dem Bereich von 95 bis 99,9 Molprozent liegt.
  • Nun wird die Arbeitsweise des Mehrkomponentenkühlfluid-Kreislaufs ausführlicher beschrieben werden, die dazu dient, die gesamte in die Tieftemperaturrektifikationsanlage eingeleitete Kälte zu erzeugen, wodurch der Bedarf nach irgend einer Turboexpansion eines Verfahrensstroms zur Erzeugung von Kälte für die Trennung beseitigt wird.
  • Die bei sich unter Umgebungstemperatur vollziehenden Trennverfahren benötigen Kälte für verschiedene Zwecke. Da die Verfahrensausrüstung als erstes bei niedrigen Temperaturen betrieben wird, liegen Wärmeundichtigkeiten von der Umgebungsatmosphäre in die Ausrüstung vor, die eine Funktion der Ausrüstungsoberflächen, der lokalen Betriebstemperatur und der Isolation der Ausrüstung ist. Da als zweites die Verfahren im allgemeinen einen Wärmeaustausch zwischen Einsatz- und Rückströmen beteiligen, liegt ein Nettowärmeeingang in das Verfahren vor, das mit den Temperaturunterschieden für den Wärmeaustausch assoziiert ist. Drittens muss, wenn das Verfahren flüssiges Produkt aus gasförmigem Einsatz erzeugt, ausreichend Kälte für die Verflüssigung bereitgestellt werden. Viertens muss für solche Verfahren, die das Pumpen von kalten Fluiden wie z. B. das Pumpen von Flüssigkeit verwenden, die Pumpenenergie von dem Verfahrenssystem beseitigt werden. Fünftens ist für diejenigen Verfahren, die das Pumpen von Flüssigkeit und ein Verdampfen zur Bereitstellung von Hochdruck-Gasprodukt verwenden und die allgemein als Produktaufkocherverfahren bezeichnet werden, ein Pumpen von Wärme zwischen den beiden mit der Flüssigkeitsverdampfung assoziierten Temperaturpegeln bei den niedrigen und erhöhten Druckpegeln erforderlich. Ein derartiges Pumpen von Wärme wird häufig durch einen Anteil der Einsatzluft bei einem erhöhten Druckpegel bereitgestellt, kann aber auch durch eine externe Systemkühlung zugeführt werden. Schließlich kann auch ein verschiedenartiger Bedarf nach Wärmeeingang oder Kühlung für das Verfahren existieren.
  • Ein befriedigender Betrieb des sich bei unter Umgebungstemperatur vollziehenden Trennverfahrens benötigt genügend Kälte, um den gesamten Wärmeeingang in das System auszugleichen und dadurch die mit dem Verfahren verbundenen niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Wie anhand der oben angeführten unterschiedlichen Kühlungsbedürfnisse ersichtlich, weist das typische, sich bei unter Umgebungstemperatur vollziehende Trennverfahren einen variablen Kühlbedarf über den gesamten mit der Trennung in Verbindung stehenden Temperaturbereich auf, d. h. von der Umgebungstemperatur bis zu der kältesten Temperatur innerhalb des Trennverfahrens. Im allgemeinen schließen die zum Kühlen der Einsatzströme gegenüber rücklaufenden Strömen verwendeten Wärmetauscher den gesamten Temperaturbereich ein, der mit dem Trennverfahren verbunden ist. Somit ist dieser Wärmetauscher für das Bereitstellen der erforderlichen Kälte geeignet. Das Mehrkomponentenkühlfluid kann in diesen Wärmetauscher eingeschlossen werden, um die variable Kühlung über den gesamten Temperaturbereich hinweg bereitzustellen. Die je nach Bedarf bei jeder Temperatur erfolgende Bereitstellung der variablen Kühlung ermöglicht es, dass die miteinander verknüpften Wärmetauscher-Kühlungs- und -Erwärmungskurven abgeglichen werden und somit der Energiebedarf des Trennverfahrens reduziert wird. Ein derartiger Abgleich der notwendigen Kälte und der zugeführten Kälte bei allen Temperaturpegeln innerhalb des Wärmetauschers ermöglicht es, das der Wärmetauscher bei gleichförmigen oder annähernd gleichförmigen Temperaturunterschieden über seine gesamte Länge hinweg betrieben werden kann. Obgleich die oben beschriebene Situation die bevorzugte Praxis für die Erfindung ist, versteht sich, dass für eine akzeptable Praxis eine gewisse Abweichung erlaubt sein kann. Zum Beispiel ist es wohlbekannt, dass der Abgleich der Kühlungs- und Erwärmungskurve bei niedrigeren Temperaturen wichtiger ist. Somit könnte ein akzeptables System einen genaueren Kurvenabgleich bei unter 200°K aufweisen als in dem Temperaturbereich von 200°K bis 300°K. Und obgleich es bevorzugt ist, den Mehrkomponenten-Kühlkreislauf über die gesamte Länge des Wärmetauschers hinweg einzuschließen, kann es akzeptabel sein, den Kühlkreislauf nur über einen gewissen Bereich der Wärmetauscherlänge einzuschließen.
  • Die folgende Beschreibung illustriert das Mehrkomponentenkühlfluidsystem zur Bereitstellung von Kälte durch den Primärwärmetauscher 1. Mehrkomponentenkühlfluid wird in einem Strom 201 mittels Durchleiten durch einen Umwälzkompressor 34 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 414 bis 4137 kPa (60 bis 600 psia) liegt, um ein verdichtetes Kühlfluid 202 zu erzeugen. Die Kompressionswärme des verdichteten Kühlfluids wird mittels Durchleiten durch den Nachkühler 4 gekühlt und das Fluid kann teilweise kondensiert werden. Anschließend wird das Mehrkomponentenkühlfluid in einem Strom 203 durch den Wärmetauscher 1 geleitet, worin es weiter gekühlt und mindestens teilweise kondensiert wird, aber auch vollständig kondensiert werden kann. Das gekühlte verdichtete Mehrkomponentenkühlfluid 204 wird anschließend durch ein Ventil 205 expandiert oder gedrosselt. Das Drosseln verdampft vorzugsweise teilweise das Mehrkomponentenkühlfluid, kühlt das Fluid ab und erzeugt Kälte. In einigen von den Wärmetauscherbedingungen abhängenden Fällen kann das verdichtete Fluid 204 vor der Expansion eine unterkühlte Flüssigkeit sein und kann nach der anfänglichen Expansion auch als Flüssigkeit verbleiben. Daraufhin weist das Fluid nach dem Erwärmen in dem Wärmetauscher zwei Phasen auf. Die Druckexpansion des Fluids durch ein Ventil würde Kälte durch den Joule-Thomson-Effekt bereitstellen, d. h. durch ein Absenken der Fluidtemperatur aufgrund der Druckexpansion bei konstanter Enthalpie. Allerdings könnte unter gewissen Umständen die Fluidexpansion durch die Verwendung einer Zweiphasen- oder Flüssigexpansionsturbine auftreten, sodass die Fluidtemperatur aufgrund der Arbeitsexpansion abgesenkt werden würde.
  • Der Kälte führende zweiphasige Mehrkomponentenkühlfluidstrom 206 wird anschließend durch den Wärmetauscher 1 geleitet, worin er erwärmt und vollständig verdampft wird und dadurch mittels indirektem Wärmeaustausch dazu dient, den Strom 203 abzukühlen und zusätzlich Kälte zu den Verfahrensströmen innerhalb des Wärmetauschers einschließlich der Einsatzluftströme 66 und 63 zu übertragen, wodurch von dem Mehrkomponentenkühlfluid-Kühlkreislauf erzeugte Kälte in die Tieftemperaturrektifikationsanlage geführt wird, um das Trennverfahren aufrechtzuerhalten. Das sich ergebende erwärmte Mehrkomponentenkühlfluid wird anschließend in dem Dampfstrom 201 zurück zu dem Kompressor 34 geleitet und der Kühlzyklus beginnt von neuem. In dem Mehrkomponentenkühlfluid-Kühlzyklus wird, während das Hochdruck-Gemisch kondensiert, das Niederdruck-Gemisch gegen ersteres aufgesiedet, d. h. die Wärme der Kondensation kocht die Niederdruck-Flüssigkeit auf. Bei jedem Temperaturpegel stellt der Nettounterschied zwischen der Verdampfung und der Kondensation die Kälte bereit. Für eine gege bene Kühlkomponentenkombination bestimmen die Gemischzusammensetzung, die Durchflussrate und die Druckpegel die verfügbare Kälte bei jedem Temperaturpegel.
  • Das Mehrkomponentenkühlfluid enthält zwei oder mehrere Komponenten, um die erforderliche Kälte bei jeder Temperatur bereitzustellen. Die Auswahl der Kühlkomponenten hängt von der Kühllast gegenüber der Temperatur für die jeweilige Verfahrensanwendung ab. Geeignete Komponenten werden in Abhängigkeit von ihren normalen Siedepunkten, ihrer latenten Wärme und Entflammbarkeit, ihrer Toxizität und ihrem Ozonabreicherungspotenzial ausgewählt.
  • Das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponentenkühlfluid weist mindestens zwei unterschiedliche Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlfluids weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe, und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlfluids weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe, und mindestens zwei atmosphärische Gase auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlfluids weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponentenkühlfluid ausschließlich aus Fluorkohlenstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponentenkühlfluid ausschließlich aus Fluorkohlenstoffen und Fluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponentenkühlfluid ausschließlich aus Fluorkohlenstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponentenkühlfluid ausschließlich aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponentenkühlfluid ausschließlich aus Fluorkohlenstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen.
  • Das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponentenkühlfluid kann andere Komponenten enthalten. Das Mehrkomponentenkühlfluid enthält weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das Mehrkomponentenkühlfluid nicht-toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd und am bevorzugtesten ist jede Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids entweder ein Fluorkohlenstoff, Fluorkohlenwasserstoff, Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn sie zur effizienten Erreichung kryogener Temperaturen von Umgebungstemperaturen verwendet wird. Die Tabellen 1–5 führen bevorzugte Beispiele von in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlfluidgemischen auf. Die in den Tabellen angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Molprozent.
  • Tabelle 1
    Figure 00100001
  • Tabelle 2
    Figure 00100002
  • Tabelle 3
    Figure 00100003
  • Tabelle 4
    Figure 00110001
  • Tabelle 5
    Figure 00110002
  • Die Erfindung ist für das Bereitstellen von Kälte über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere einen Temperaturbereich hinweg besonders nützlich, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat jede der zwei oder mehreren Komponenten des Kältemittelgemisches einen normalen Siedepunkt, der sich um mindestens 5° Kelvin, bevorzugter um mindestens 10° Kelvin, und am bevorzugtesten um mindestens 20° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kältemittelgemisch unterscheidet. Dies erhöht die Effektivität des Bereitstellens von Kälte über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere einen Bereich, der kryogene Temperaturen einschließt. Der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids ist um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids.
  • Obgleich der in der Zeichnung dargestellte Mehrkomponentenkühlfluidstrom-Kreislauf ein einzelner Kreislauf mit geschlossener Schleife ist, kann es erwünscht sein, andere Strömungsanordnungen für spezifische Anwendungen zu benutzen. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, mehrere unabhängige Strömungskreisläufe mit jeweils eigenem Kältemittelgemisch und Prozessbedingungen zu verwenden. Solche mehrere Kreisläufe könnten Kälte bei unterschiedlichen Temperaturbereichen einfacher bereitstellen und sie könnten die Komplexität des Kühlsystems verringern. Ebenso kann der Einschluss von Phasentrennungen in den Strömungskreislauf bei einer oder mehreren Temperaturen erwünscht sein, um eine interne Umwälzung eines Teils der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen. Eine derartige interne Umwälzung der Kühlflüssigkeit würde ein unnötiges Kühlen der Kühlflüssigkeit vermeiden und ein Gefrieren der Kühlflüssigkeit verhindern.
  • Die Komponenten und ihre Konzentrationen, die das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponentenkühlfluid ausmachen, fallen derart aus, dass sie ein Mehrkomponentenkühlfluid mit variabler Last ausbilden und vorzugsweise eine derartige variable Lastcharakteristik über den gesamten Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung aufrechterhalten. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit, mit der die Kälte erzeugt und über einen derart breiten Temperaturbereich verwendet werden kann, deutlich. Die definierte bevorzugte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Vorteil auf, das sie zur Ausbildung von Fluidgemischen verwendet werden kann, die nicht toxisch, nicht entflammbar und gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies bietet zusätzliche Vorteile gegenüber konventionellen Kältemitteln, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.
  • Ein in der Praxis dieser Erfindung nützliches bevorzugtes Mehrkomponentenkühlfluid mit variabler Last, das nicht-toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist, weist zwei oder mehrere Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe auf.
  • Beispielsweise kann die Erfindung im Zusammenhang mit anderen Tieftemperatur-Luftzerlegungssystemen und mit anderen Tieftemperaturzerlegungssystemen wie z. B. der Erdgasveredelung und der Wasserstoff- oder Heliumgewinnung angewendet werden. Ebenfalls kann sie zur Durchführung von Trennungen wie z. B. der Kohlendioxidgewinnung benutzt werden, die bei nicht kryogenen unter Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen durchgeführt werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Zerlegen eines Fluidgemisches, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Mehrkomponentenkühlfluid verdichtet wird; (B) das verdichtete Mehrkomponentenkühlfluid gekühlt wird, um das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens teilweise zu kondensieren; (C) das gekühlte, verdichtete Mehrkomponentenkühlfluid expandiert wird, um Kälte zu erzeugen; (D) die Kälte eingesetzt wird, um Tieftemperaturbedingungen für ein Fluidgemisch aufrecht zu erhalten; (E) das Fluidgemisch in mindestens eine flüchtigere Dampfkomponente und in mindestens eine weniger flüchtige flüssige Komponente zu zerlegen; und (F) die flüchtigere(n) Dampfkomponente(n) und/oder die weniger flüchtige(n) flüssige(n) Komponente(n) gewonnen wird (werden); dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens zwei unterschiedliche Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe aufweist und weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe enthält, wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids um mindestens 100 K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Zerlegung des Fluidgemisches in einer Tieftemperaturrektifikationsanlage durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Expansion des gekühlten, verdichteten Mehrkomponentenkühlfluids ein zweiphasiges Mehrkomponentenkühlfluid erzeugt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens eine Gruppe aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens eine Gruppe aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens einen Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 zum Ausführen einer Tieftemperaturrektifikation von Einsatzluft, bei welcher Einsatzluft in eine Tieftemperaturrektifikationsanlage eingeleitet wird und durch Tieftemperaturrektifikation innerhalb der Tieftemperaturrektifikationsanlage zerlegt wird, um Produktstickstoff und/oder Produktsauerstoff zu erzeugen und zu gewinnen, wobei im Schritt D die Kälte eingesetzt wird, um die Tieftemperaturrektifikation zu unterhalten.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die durch die Expansion des Mehrkomponentenkühlfluids erzeugte Kälte die einzige Kälte, die eingesetzt wird, um die Tieftemperaturrektifikation zu unterhalten.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Kompression, das Kühlen und die Expansion des Mehrkomponentenkühlfluids in einer geschlossenen Schleife durchgeführt werden.
DE69916767T 1998-12-30 1999-12-28 Verfahren zur Durchführung einer bei unter Umgebungstemperatur und insbesondere bei Tieftemperatur liegenden Trennung unter Verwendung von Kälte von einem Mehrkomponentenkühlfluid Expired - Fee Related DE69916767T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/222,816 US6053008A (en) 1998-12-30 1998-12-30 Method for carrying out subambient temperature, especially cryogenic, separation using refrigeration from a multicomponent refrigerant fluid
US222816 1998-12-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69916767D1 DE69916767D1 (de) 2004-06-03
DE69916767T2 true DE69916767T2 (de) 2005-04-14

Family

ID=22833816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69916767T Expired - Fee Related DE69916767T2 (de) 1998-12-30 1999-12-28 Verfahren zur Durchführung einer bei unter Umgebungstemperatur und insbesondere bei Tieftemperatur liegenden Trennung unter Verwendung von Kälte von einem Mehrkomponentenkühlfluid

Country Status (14)

Country Link
US (1) US6053008A (de)
EP (1) EP1016843B1 (de)
JP (1) JP2000205744A (de)
KR (1) KR20000048442A (de)
CN (1) CN1165736C (de)
AR (1) AR022039A1 (de)
AT (1) ATE265660T1 (de)
AU (1) AU6554099A (de)
BR (1) BR9905997A (de)
CA (1) CA2293133C (de)
DE (1) DE69916767T2 (de)
IL (1) IL133776A0 (de)
NO (1) NO996509L (de)
ZA (1) ZA997867B (de)

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6481223B2 (en) * 1999-12-03 2002-11-19 Intermagnetics General Corporation-Polycold Systems, Inc. Refrigerant blend free of R-22 for use in ultralow temperature refrigeration
US6260380B1 (en) * 2000-03-23 2001-07-17 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation process for producing liquid oxygen
US6253577B1 (en) * 2000-03-23 2001-07-03 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation process for producing elevated pressure gaseous oxygen
KR100857487B1 (ko) * 2000-06-28 2008-09-09 브룩스 오토메이션 인코퍼레이티드 극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매
US6269658B1 (en) 2000-06-28 2001-08-07 Praxair Technology, Inc. Cryogenic rectification system with pulse tube refrigeration
JP2004502024A (ja) 2000-06-28 2004-01-22 アイジーシー　ポリコールド　システムズ　インコーポレイテッド 極低温絞りサイクル冷凍システムに使用する不燃性混合冷媒
US6330811B1 (en) 2000-06-29 2001-12-18 Praxair Technology, Inc. Compression system for cryogenic refrigeration with multicomponent refrigerant
US6327865B1 (en) * 2000-08-25 2001-12-11 Praxair Technology, Inc. Refrigeration system with coupling fluid stabilizing circuit
US6357258B1 (en) * 2000-09-08 2002-03-19 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation system with integrated booster and multicomponent refrigeration compression
US6357257B1 (en) 2001-01-25 2002-03-19 Praxair Technology, Inc. Cryogenic industrial gas liquefaction with azeotropic fluid forecooling
US6502404B1 (en) * 2001-07-31 2003-01-07 Praxair Technology, Inc. Cryogenic rectification system using magnetic refrigeration
US7478540B2 (en) * 2001-10-26 2009-01-20 Brooks Automation, Inc. Methods of freezeout prevention and temperature control for very low temperature mixed refrigerant systems
US6427483B1 (en) 2001-11-09 2002-08-06 Praxair Technology, Inc. Cryogenic industrial gas refrigeration system
JP2004028550A (ja) * 2001-12-28 2004-01-29 Canon Inc 複数の物質を含有する混合気体から各物質を分離する分離方法及びその装置
US6666046B1 (en) 2002-09-30 2003-12-23 Praxair Technology, Inc. Dual section refrigeration system
US6601407B1 (en) 2002-11-22 2003-08-05 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation with two phase feed air turboexpansion
WO2005072404A2 (en) * 2004-01-28 2005-08-11 Brooks Automation, Inc. Refrigeration cycle utilizing a mixed inert component refrigerant
US8267954B2 (en) * 2005-02-04 2012-09-18 C. R. Bard, Inc. Vascular filter with sensing capability
US7569170B2 (en) 2005-03-04 2009-08-04 E.I. Du Pont De Nemours And Company Compositions comprising a fluoroolefin
US20220389297A1 (en) 2005-03-04 2022-12-08 The Chemours Company Fc, Llc Compositions comprising a fluoroolefin
US20060260330A1 (en) 2005-05-19 2006-11-23 Rosetta Martin J Air vaporizor
US7496002B2 (en) * 2005-08-03 2009-02-24 Nekton Research Llc Water submersible electronics assembly and methods of use
US7708903B2 (en) 2005-11-01 2010-05-04 E.I. Du Pont De Nemours And Company Compositions comprising fluoroolefins and uses thereof
US7563384B2 (en) 2006-07-28 2009-07-21 Honeywell International Inc. Essentially non-flammable low global warming compositions
US8650906B2 (en) * 2007-04-25 2014-02-18 Black & Veatch Corporation System and method for recovering and liquefying boil-off gas
WO2009018117A1 (en) * 2007-07-27 2009-02-05 E. I. Du Pont De Nemours And Company Compositions comprising fluoroolefins and uses thereof
US9243842B2 (en) * 2008-02-15 2016-01-26 Black & Veatch Corporation Combined synthesis gas separation and LNG production method and system
JP2009257655A (ja) * 2008-03-04 2009-11-05 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
US9291388B2 (en) * 2009-06-16 2016-03-22 Praxair Technology, Inc. Method and system for air separation using a supplemental refrigeration cycle
US8397535B2 (en) * 2009-06-16 2013-03-19 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for pressurized product production
US20110144216A1 (en) * 2009-12-16 2011-06-16 Honeywell International Inc. Compositions and uses of cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene
US10113127B2 (en) 2010-04-16 2018-10-30 Black & Veatch Holding Company Process for separating nitrogen from a natural gas stream with nitrogen stripping in the production of liquefied natural gas
US9777960B2 (en) 2010-12-01 2017-10-03 Black & Veatch Holding Company NGL recovery from natural gas using a mixed refrigerant
US10139157B2 (en) 2012-02-22 2018-11-27 Black & Veatch Holding Company NGL recovery from natural gas using a mixed refrigerant
CN103162512B (zh) * 2013-01-27 2015-06-10 南京瑞柯徕姆环保科技有限公司 一种等压分离制取氧氮的空分装置
US10563913B2 (en) 2013-11-15 2020-02-18 Black & Veatch Holding Company Systems and methods for hydrocarbon refrigeration with a mixed refrigerant cycle
US9574822B2 (en) 2014-03-17 2017-02-21 Black & Veatch Corporation Liquefied natural gas facility employing an optimized mixed refrigerant system
FR3033259A1 (fr) * 2015-03-06 2016-09-09 Air Liquide Procede et appareil de separation d’un melange gazeux a temperature subambiante
US10663222B2 (en) * 2018-04-25 2020-05-26 Praxair Technology, Inc. System and method for enhanced recovery of argon and oxygen from a nitrogen producing cryogenic air separation unit
CN110388790B (zh) * 2019-07-31 2021-06-04 北京恒泰洁能科技有限公司 一种乙烷裂解深冷分离工艺方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1959030A (en) * 1930-07-24 1934-05-15 Isaac H Levin Method of separating gaseous mixtures
FR2461906A1 (fr) * 1979-07-20 1981-02-06 Air Liquide Procede et installation cryogeniques de separation d'air avec production d'oxygene sous haute pression
US4345925A (en) * 1980-11-26 1982-08-24 Union Carbide Corporation Process for the production of high pressure oxygen gas
US4375367A (en) * 1981-04-20 1983-03-01 Air Products And Chemicals, Inc. Lower power, freon refrigeration assisted air separation
US4407135A (en) * 1981-12-09 1983-10-04 Union Carbide Corporation Air separation process with turbine exhaust desuperheat
JPS61110872A (ja) * 1984-11-02 1986-05-29 日本酸素株式会社 窒素製造方法
DE3871220D1 (de) * 1987-04-07 1992-06-25 Boc Group Plc Lufttrennung.
GB9100814D0 (en) * 1991-01-15 1991-02-27 Boc Group Plc Air separation
JP2909678B2 (ja) * 1991-03-11 1999-06-23 レール・リキード・ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード 圧力下のガス状酸素の製造方法及び製造装置
DE69210994T2 (de) * 1991-03-18 1996-10-10 Alliedsignal Inc., Morristown, N.J. Nichtazeotropische zusammensetzungen die difluormethan, 1,1,1-trifluorethan undpropan enthalten
JP3208151B2 (ja) * 1991-05-28 2001-09-10 三洋電機株式会社 冷凍装置
US5287703A (en) * 1991-08-16 1994-02-22 Air Products And Chemicals, Inc. Process for the recovery of C2 + or C3 + hydrocarbons
GB9124242D0 (en) * 1991-11-14 1992-01-08 Boc Group Plc Air separation
GB9405071D0 (en) * 1993-07-05 1994-04-27 Boc Group Plc Air separation
US5441658A (en) * 1993-11-09 1995-08-15 Apd Cryogenics, Inc. Cryogenic mixed gas refrigerant for operation within temperature ranges of 80°K- 100°K
US5475980A (en) * 1993-12-30 1995-12-19 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and installation for production of high pressure gaseous fluid
GB9405072D0 (en) * 1994-03-16 1994-04-27 Boc Group Plc Air separation
US5579654A (en) * 1995-06-29 1996-12-03 Apd Cryogenics, Inc. Cryostat refrigeration system using mixed refrigerants in a closed vapor compression cycle having a fixed flow restrictor
WO1997011138A1 (en) * 1995-09-21 1997-03-27 Goble George H Drop-in substitutes for dichlorodifluoromethane refrigerant
US5983665A (en) * 1998-03-03 1999-11-16 Air Products And Chemicals, Inc. Production of refrigerated liquid methane

Also Published As

Publication number Publication date
NO996509L (no) 2000-07-03
AU6554099A (en) 2000-07-06
AR022039A1 (es) 2002-09-04
EP1016843B1 (de) 2004-04-28
US6053008A (en) 2000-04-25
CN1165736C (zh) 2004-09-08
JP2000205744A (ja) 2000-07-28
CN1263247A (zh) 2000-08-16
BR9905997A (pt) 2000-09-05
CA2293133C (en) 2003-08-19
DE69916767D1 (de) 2004-06-03
EP1016843A3 (de) 2001-03-07
ZA997867B (en) 2000-07-05
IL133776A0 (en) 2001-04-30
NO996509D0 (no) 1999-12-28
EP1016843A2 (de) 2000-07-05
KR20000048442A (ko) 2000-07-25
CA2293133A1 (en) 2000-06-30
MX9911687A (es) 2002-03-14
ATE265660T1 (de) 2004-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69916767T2 (de) Verfahren zur Durchführung einer bei unter Umgebungstemperatur und insbesondere bei Tieftemperatur liegenden Trennung unter Verwendung von Kälte von einem Mehrkomponentenkühlfluid
DE69916224T2 (de) Hybridkältevorrichtung zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas
DE69909424T2 (de) Vorrichtung mit einem einzigen Kreislauf und Mehrkomponeneten-Kühlmittel zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas
CA2293129C (en) Cryogenic rectification system with hybrid refrigeration generation
DE69909423T2 (de) Lastabhängiger Tieftemperaturkühlkreislauf
DE69915577T2 (de) Vorrichtung mit mehreren Kreisläufen und Mehrkomponenten-Kühlmitteln zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas
DE69921593T2 (de) Verfahren zur Kälteversorgung
US6260380B1 (en) Cryogenic air separation process for producing liquid oxygen
DE60016690T2 (de) Gasverflüssigung mit Hilfe eines einzigen Kühlmittelgemischkreislaufs
DE60017951T2 (de) Hybridkreislauf zur Herstellung von flüssigem Erdgas
DE69920147T2 (de) Erdgasverflüssigung mit Hilfe zweier Kühlmittelgemischkreisläufe
US6065305A (en) Multicomponent refrigerant cooling with internal recycle
DE2438443A1 (de) Verfahren zum verfluessigen von erdgas
DE1241468B (de) Kompressionsverfahren zur Kaelterzeugung
US6230519B1 (en) Cryogenic air separation process for producing gaseous nitrogen and gaseous oxygen
US6125656A (en) Cryogenic rectification method for producing nitrogen gas and liquid nitrogen
US6253577B1 (en) Cryogenic air separation process for producing elevated pressure gaseous oxygen
MXPA99011687A (es) Metodo para llevar a cabo separacion especialmente criogenica, a temperatura sub-ambiental que usa refrigeracion a partir de fluido refrigerante de componentes multiples
MXPA99011686A (en) Cryogenic rectification system and hybrid refrigeration generation
CZ20003611A3 (cs) Způsob výroby plynného a kapalného dusíku kryogenní rektifikací

Legal Events

Date Code Title Description
8339 Ceased/non-payment of the annual fee