EP0342436A2 - Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

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EP0342436A2 EP89108038A EP89108038A EP0342436A2 EP 0342436 A2 EP0342436 A2 EP 0342436A2 EP 89108038 A EP89108038 A EP 89108038A EP 89108038 A EP89108038 A EP 89108038A EP 0342436 A2 EP0342436 A2 EP 0342436A2
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    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air

Definitions

  • the invention relates to a method for the low-temperature separation of air, in which a first stream of feed air is compressed, pre-cleaned, cooled and at least partially introduced into the pressure stage of a two-stage rectification device and in which gaseous oxygen and gaseous nitrogen are taken from the low-pressure stage.
  • feed air is usually blown into the pressure stage, where it is pre-divided into a nitrogen-rich and an oxygen-rich fraction, which are then further rectified in the low-pressure stage.
  • the feed air must be compressed to the pressure level of the pressure stage, i.e. to about 5 to 7 bar.
  • Air compressors required for this purpose tie up capital on the one hand due to their high acquisition costs, and on the other hand they are the largest energy consumer during the operation of the system.
  • a plant which mainly serves to produce oxygen of a relatively low purity, for example less than 98%, can also be operated in such a way that part of the feed air is blown directly into the low-pressure stage without pre-separation in the pressure stage, without the oxygen yield being lost is significantly reduced.
  • a method in which this fact is used to recover energy from compressed air compressed to the pressure column level is known from DE-PS-28 54 580.
  • part of the feed air is expanded to the pressure level of the low-pressure stage after compression and then fed to the low-pressure stage. The cold obtained during relaxation is used to liquefy product gases.
  • the known method has economic disadvantages, since the recovery of the compression energy can only be incomplete even when using a combination of an expansion turbine and a mechanically coupled compressor.
  • the known method lacks flexibility, since expansion turbines are only operated in a narrowly limited range of throughput quantities with favorable efficiency. The amount of air blown directly into the low pressure stage can therefore only be changed to a limited extent during operation.
  • the invention has for its object to develop a method of the type mentioned that works economically particularly cheap.
  • This object is achieved in that a second feed air stream is compressed to a lower pressure than the first feed air stream, and the second feed air stream is then pre-cleaned, cooled and the Low pressure stage of the rectifier is supplied.
  • At least a portion of the air that is blown directly into the low-pressure stage is only compressed to the necessary pressure of 1.3 to 2.5 bar, preferably 1.5 to 1.8 bar.
  • Another advantage of the method according to the invention is that the amount of air introduced directly into the low pressure column can be adjusted over very wide ranges. Depending on the desired purity of the product oxygen, the amount of air that can be introduced directly into the low pressure column varies without significantly influencing the oxygen yield. For example, in the method of the invention, the throughput in the second feed air stream can be increased using simple control devices if the requirements for the purity of the product oxygen are lower.
  • the entire feed air is compressed together in a first stage and then divided into the two feed air streams, and the first feed air stream is then further compressed in a second stage.
  • the two stages of compression can each be constructed from several individual compressor units.
  • a partial stream is branched off from the first feed air stream after the pre-cleaning, this is subsequently compressed, cooled and relaxed in a work-performing manner.
  • cold can be generated which, in addition to compensating for general cold losses such as insulation and exchange losses, is also required, for example, for the liquefaction of product gases.
  • the work obtained when the partial stream of the first feed air stream is released is advantageously used to recompress the partial stream.
  • the partial stream of the first feed stream is introduced into the low-pressure stage of the rectification device after the expansion. Because the partial flow is expanded to the much lower pressure of the low-pressure stage, a particularly high enthalpy difference is available, which is used for cooling.
  • Atmospheric air is drawn in from a first compressor stage 2 via a line 1 and distributed at a first branch point 3 to a first feed air stream (line 4) and a second feed air stream (line 7).
  • the pressure at branch point 3 is 1.3 to 2.5 bar, preferably 1.5 to 1.8 bar.
  • the first feed air stream is further compressed in a second compressor stage 5 and pre-cleaned in a molecular sieve apparatus 6, only shown schematically, by removing water vapor, carbon dioxide and dangerous hydrocarbons.
  • the pressure in the first feed air stream behind the molecular sieve apparatus 6 is 5.0 to 7.0 bar, preferably 5.2 to 6.0 bar.
  • the greater part of the first feed air stream is passed via line 8 through a heat exchanger 9, cooled there in countercurrent to decomposition products and then blown into the pressure stage 11 of a two-stage rectification column 10.
  • a partial flow 12 is branched off from the first feed air flow, further compressed in a post-compressor 13, cooled in the heat exchanger 9 and then expanded in the expansion turbine 14 to generate cold.
  • the work obtained when releasing the partial flow is mechanically transferred to the post-compressor 13.
  • the relaxed partial stream is introduced via line 15 into the low-pressure stage 12 of the rectification column 10.
  • the low-pressure stage 12 is operated at a pressure of 1.1 to 2.0 bar, preferably 1.3 to 1.7 bar, and is in heat-exchanging connection with the pressure stage 11 via a condenser-evaporator.
  • the nitrogen-rich liquid 16 and the oxygen-rich liquid 17 are taken from the pressure stage 11; these two flows are in heat exchangers 18 and 19 in countercurrent to gaseous nitrogen 21 from the low pressure stage 12 cooled and then throttled at a suitable point in the low pressure stage 12.
  • Gaseous oxygen is led out of the low-pressure stage 12 as the main product via line 24, and smaller quantities of liquid oxygen 23 and liquid nitrogen 25 are also removed.
  • the gaseous product streams 21, 22, 24 are heated in the heat exchanger 9 to almost ambient temperature.
  • the gaseous nitrogen 21 from the low-pressure stage is used in part to regenerate the molecular sieve apparatuses 6, 8. In addition, a small gaseous pressure nitrogen stream can be removed via line 22.
  • the second feed air stream (line 7) is pre-cleaned in its own molecular sieve apparatus 8, cooled in the heat exchanger 9 and then, after being combined with the relaxed partial stream of the first feed air stream, fed via line 15 into the low pressure stage 12 of the rectification column 10.
  • the method according to the invention with direct feed of feed air into the low pressure stage proves to be economically advantageous if a purity of 85 to 98% is to be achieved in the product oxygen (lines 23 and 24 in the exemplary embodiment). If, for example, an oxygen purity of 96% is desired, up to 35% of the feed air can be fed directly into the low-pressure stage without significantly reducing the oxygen yield.
  • the second compression stage 5 can therefore be designed to be smaller in accordance with the reduced air throughput in the first feed air flow, and correspondingly less energy has to be used for the compression during operation.
  • the required cold can also be supplied in a different way instead of the generation of cold by relaxing the partial flow 12 of the first feed air flow.
  • the entire first feed air flow is fed into the pressure stage and, for example, part of the first feed air flow is cooled by heat exchange with an external refrigerant.
  • that part of the feed air which is relieved of work during the movement of the figure only has to be compressed to the level of the low-pressure stage; the compressor, which corresponds to the second compressor stage 5 in the figure, can thus be made even smaller.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Luftzerlegung mit zweistufiger Rektifikation 10 wird ein Teil der Einsatzluft lediglich auf den Druck der Niederdrucksäule 12 verdichtet und nach Vorreinigung 8 und Abkühlung (Wärmetauscher 9) direkt in die Niederdruckstufe 12 eingespeist (Leitung 15).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem ein erster Einsatzluftstrom verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt und mindestens teilweise in die Druckstufe einer zweistufigen Rektifiziereinrichtung eingeleitet wird und bei dem gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Stickstoff der Niederdruckstufe entnommen werden.
  • Bei einem Verfahren zur Luftzerlegung mit zweistufiger Rektifikation wird Einsatzluft in der Regel in die Druckstufe eingeblasen, dort in eine stickstoffreiche und eine sauerstoffreiche Fraktion vorzerlegt, die anschließend in der Niederdruckstufe weiter rektifiziert werden. Die Einsatzluft muß dabei auf das Druckniveau der Druckstufe, also auf etwa 5 bis 7 bar verdichtet werden. Zu diesem Zweck benötigte Luftverdichter binden einerseits durch ihre hohen Anschaffungskosten Kapital, andererseits sind sie während des Betriebs der Anlage der größte Energieverbraucher.
  • Eine Anlage, die hauptsächlich zur Herstellung von Sauerstoff einer relativ niedrigen Reinheit, beispielweise geringer als 98%, dient, kann auch so betrieben werden, daß ein Teil der Einsatzluft ohne Vorzerlegung in der Druckstufe direkt in die Niederdruckstufe eingeblasen wird, ohne daß dabei die Sauerstoffausbeute nennenswert verringert wird. Ein Verfahren, bei dem diese Tatsache zur Rückgewinnung von Energie aus auf Drucksäulenniveau verdichteter Einsatzluft ausgenützt wird, ist aus der DE-PS-28 54 580 bekannt. Hier wird ein Teil der Einsatzluft nach der Verdichtung auf das Druckniveau der Niederdruckstufe entspannt und anschließend der Niederdruckstufe zugeführt. Die beim Entspannen gewonnene Kälte wird zur Verflüssigung von Produktgasen eingesetzt.
  • Das bekannte Verfahren weist jedoch wirtschaftliche Nachteile auf, da die Rückgewinnung der Verdichtungsenergie auch bei Einsatz einer Kombination aus einer Entspannungsturbine und einem mechanisch angekoppelten Verdichter nur unvollständig sein kann. Außerdem mangelt es dem bekannten Verfahren an Flexibilität, da Expansionsturbinen nur in einem eng begrenzten Bereich von Durchsatzmengen mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Die Menge der direkt in die Niederdruckstufe eingeblasenen Luft kann also während des Betriebes nur in beschränktem Maße verändert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das wirtschaftlich besonders günstig arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zweiter Einsatz­luftstrom auf einen niedrigeren Druck als der erste Einsatzluftstrom verdichtet wird, und der zweite Einsatzluftstrom anschließend vorgereinigt, abgekühlt und der Niederdruckstufe der Rektifiziereinrichtung zugeführt wird.
  • Mindestens ein Teil der Luft, die direkt in die Niederdruckstufe eingeblasen wird, wird nur auf den dafür notwendigen Druck von 1,3 bis 2,5 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,8 bar verdichtet. Dadurch muß von vornherein weniger Energie zum Verdichten der Einsatzluft aufgebracht werden, auf eine weniger effektive und apparativ aufwendige Rückgewinnung überschüssiger Verdichtungsenergie kann verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Menge der direkt in die Niederdrucksäule eingeleiteten Luft über sehr weite Bereiche eingestellt werden kann. Je nach gewünschter Reinheit des Produktsauerstoffs variiert nämlich die Luftmenge, die direkt in die Niederdrucksäule eingeführt werden kann, ohne daß dabei die Sauerstoffausbeute nennenswert beeinflußt wird. So kann beim Verfahren der Erfindung beispielsweise mit Hilfe einfacher Regeleinrichtungen der Durchsatz im zweiten Einsatzluftstrom erhöht werden, wenn die Anforderungen an die Reinheit des Produktsauerstoffs geringer sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gesamte Einsatzluft in einer ersten Stufe gemeinsam verdichtet und danach in die beiden Einsatzluftströme aufgeteilt, und der erste Einsatzluftstrom wird anschließend in einer zweiten Stufe weiterverdichtet.
  • Durch die gemeinsame Verdichtung beider Einsatzluftströme auf einen mittleren Druck braucht keine eigene Maschine für den zweiten Einsatzluftstrom angeschafft zu werden. Die Kapitalkosten sind also geringer. Die beiden Stufen der Verdichtung können jeweils wieder aus mehreren einzelnen Verdichtereinheiten aufgebaut sein.
  • Es erweist sich als günstig, wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren vom ersten Einsatzluftstrom nach dem Vorreinigen ein Teilstrom abgezweigt wird, dieser nachverdichtet, abgekühlt und arbeitsleistend entspannt wird. Mit Hilfe der Entspannung des Teilstroms kann Kälte erzeugt werden, die außer für den Ausgleich von allgemeinen Kälteverlusten wie Isolations- und Austauschverlusten beispielsweise auch für die Verflüssigung von Produktgasen benötigt wird.
  • Dabei wird in vorteilhafter Weise die beim Entspannen des Teilstroms des ersten Einsatzluftstroms gewonnene Arbeit zur Nachverdichtung des Teilstroms eingesetzt.
  • In günstiger Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Teilstrom des ersten Einsatzstroms nach dem Entspannen in die Niederdruckstufe der Rektifiziereinrichtung eingeführt. Dadurch, daß der Teilstrom auf den wesentlich niedrigeren Druck der Niederdruckstufe entspannt wird, steht eine besonders hohe Enthalpiedifferenz zur Verfügung, die zur Kälteerzeugung genutzt wird.
  • Im folgenden werden die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Figur schematisch dargestellt ist.
  • Über eine Leitung 1 wird atmosphärische Luft von einer ersten Verdichterstufe 2 angesaugt und an einem ersten Verzweigungspunkt 3 auf einen ersten Einsatzluftstrom (Leitung 4) und einen zweiten Einsatzluftstrom (Leitung 7) verteilt.
  • Der Druck am Verzweigungspunkt 3 beträgt 1,3 bis 2,5 bar, vorzugsweise 1,5 bis 1,8 bar. Der erste Einsatzluftstrom wird in einer zweiten Verdichterstufe 5 weiter komprimiert und in einer nur schematisch dargestellten Molsiebapparatur 6 vorgereinigt, indem Wasserdampf, Kohlendioxid und gefährliche Kohlenwasserstoffe entfernt werden. Der Druck im ersten Einsatzluftstrom hinter der Molsiebapparatur 6 beträgt 5,0 bis 7,0 bar, vorzugsweise 5,2 bis 6,0 bar. Der größere Teil des ersten Einsatzluftstroms wird über Leitung 8 durch einen Wärmetauscher 9 geführt, dort im Gegenstrom zu Zerlegungsprodukten abgekühlt und anschließend in die Druckstufe 11 einer zweistufigen Rektifiziersäule 10 eingeblasen.
  • An einem zweiten Verzweigungspunkt 27 wird ein Teilstrom 12 vom ersten Einsatzluftstrom abgezweigt, in einem Nachverdichter 13 weiterverdichtet, im Wärmetauscher 9 abgekühlt und danach in der Entspannungsturbine 14 zur Kälteerzeugung entspannt. Die beim Entspannen des Teilstroms gewonnene Arbeit wird mechanisch an den Nachverdichter 13 übertragen. Der entspannte Teilstrom wird über Leitung 15 in die Niederdruckstufe 12 der Rektifiziersäule 10 eingeführt. Die Niederdruckstufe 12 wird unte einem Druck von 1,1 bis 2,0 bar, vorzugsweise 1,3 bis 1,7 bar betrieben und steht mit der Druckstufe 11 über einen Kondensator-Verdampfer im wärmetauschender Verbindung.
  • Der Druckstufe 11 werden stickstoffreiche Flüssigkeit 16 und sauerstoffreiche Flüssigkeit 17 entnommen; diese beiden Ströme werden in Wärmetauschern 18 bzw. 19 im Gegenstrom zu gasförmigem Stickstoff 21 aus der Niederdruckstufe 12 abgekühlt und anschließend an jeweils geeigneter Stelle in die Niederdruckstufe 12 eingedrosselt. Aus der Niederdruckstufe 12 wird als Hauptprodukt gasförmiger Sauerstoff über Leitung 24 herausgeführt, daneben werden kleinere Mengen an flüssigem Sauerstoff 23 und an flüssigem Stickstoff 25 entnommen. Die gasförmigen Produktströme 21, 22, 24 werden im Wärmetauscher 9 auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmt. Der gasförmige Stickstoff 21 aus der Niederdruckstufe wird teilweise zum Regenerieren der Molsiebapparaturen 6, 8 eingesetzt. Außerdem kann über Leitung 22 ein kleiner gasförmiger Druckstickstoffstrom entnommen werden.
  • Der zweite Einsatzluftstrom (Leitung 7) wird erfindungsgemäß in einer eigenen Molsiebapparatur 8 vorgereinigt, im Wärmetauscher 9 abgekühlt und anschließend nach Vereinigung mit dem entspannten Teilstrom des ersten Einsatzluftstroms über Leitung 15 in die Niederdruckstufe 12 der Rektifiziersäule 10 eingespeist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit Direkteinspeisung von Einsatzluft in die Niederdruckstufe erweist sich als wirtschaftlich günstig, wenn beim Produktsauerstoff (Leitungen 23 und 24 im Ausführungsbeispiel) eine Reinheit von 85 bis 98% erzielt werden soll. Falls beispielsweise eine Sauerstoffreinheit von 96% gewünscht ist, können bis zu 35% der Einsatzluft direkt in die Niederdruckstufe eingespeist werden, ohne die Sauerstoffausbeute merklich zu verringern. Die zweite Verdichtungsstufe 5 kann also entsprechend dem verringerten Luftdurchsatz im ersten Einsatzluftstrom kleiner ausgelegt werden, und während des Betriebes muß entsprechend weniger Energie zum Verdichten aufgewendet werden.
  • In Abweichung von dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel kann statt der Kälteerzeugung durch Entspannen des Teilstroms 12 des ersten Einsatzluftstroms die benötigte Kälte auch auf andere Weise zugeführt werden. Dabei wird der gesamte erste Einsatzluftstrom in die Druckstufe eingespeist und beispielsweise ein Teil des ersten Einsatzluftstroms durch Wärmetausch mit einem externen Kältemittel abgekühlt. In dieser Ausführungsvariante braucht auch derjenige Teil der Einsatzluft, der beim Verfahren der Figur arbeitsleistend entspannt wird, nur auf das Niveau der Niederdruckstufe verdichtet zu werden; der Verdichter, welcher der zweiten Verdichterstufe 5 in der Figur entspricht, kann also noch kleiner ausgelegt werden.
  • Ebenso ist es möglich, den zweiten Einsatzluftstrom völlig unabhängig vom ersten Einsatzluftstrom zu führen, indem durch einen eigenen Verdichter atmosphärische Luft allein für den zweiten Einsatzluftstrom angesaugt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem ein erster Einsatzluftstrom verdichtet, vorgereinigt, abgekühlt und mindestens teilweise in die Druckstufe einer zweistufigen Rektifiziereinrichtung eingeleitet wird und bei dem gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Stickstoff der Niederdruckstufe entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Einsatzluftstrom auf einen niedrigeren Druck als der erste Einsatzluftstrom verdichtet wird und der zweite Einsatzluftstrom anschließend vorgereinigt, abgekühlt und der Niederdruckstufe der Rektifiziereinrichtung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einsatzluft in einer ersten Stufe gemeinsam verdichtet und danach in die beiden Einsatzluftströme aufgeteilt wird und daß der erste Einsatzluftstrom anschließend in einer zweiten Stufe weiter verdichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom ersten Einsatzluftstrom nach dem Vorreinigen ein Teilstrom abgezweigt wird, der nachverdichtet, abgekühlt und arbeitsleistend entspannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Entspannen des Teilstroms des ersten Einsatzluftstroms gewonnene Arbeit zur Nachverdichtung des Teilstroms eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom des ersten Einsatzstroms nach dem Entspannen in die Niederdruckstufe der Rektifiziereinrichtung eingeführt wird.
EP89108038A 1988-05-20 1989-05-03 Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft Ceased EP0342436A3 (de)

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DE3817244A DE3817244A1 (de) 1988-05-20 1988-05-20 Verfahren zur tieftemperaturzerlegung von luft

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Publication Number Publication Date
EP0342436A2 true EP0342436A2 (de) 1989-11-23
EP0342436A3 EP0342436A3 (de) 1990-01-24

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EP89108038A Ceased EP0342436A3 (de) 1988-05-20 1989-05-03 Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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US (1) US4964901A (de)
EP (1) EP0342436A3 (de)
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