EP1316767A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff - Google Patents

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EP1316767A1
EP1316767A1 EP02024689A EP02024689A EP1316767A1 EP 1316767 A1 EP1316767 A1 EP 1316767A1 EP 02024689 A EP02024689 A EP 02024689A EP 02024689 A EP02024689 A EP 02024689A EP 1316767 A1 EP1316767 A1 EP 1316767A1
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EP
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heat exchanger
nitrogen
oxygen
gas
liquefied
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Withdrawn
Application number
EP02024689A
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French (fr)
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Jürgen Voit
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders
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    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • the invention relates to a method for simultaneous or successive Production of liquid oxygen and liquid nitrogen, in which too liquefying gas in a liquefaction heat exchanger by indirect Heat exchange is liquefied with a circulating medium, the Circulation medium compressed in a refrigeration cycle, cooled, performing work relaxed and at least partially liquefied, warmed up again and the compression is fed.
  • Nitrogen liquefaction processes with refrigeration cycle are generally known to Example from DE 2548222 B, DE 3732364 A, EP 316768 A, DE 4030750 A, DE 4303771 A, DE 4418435 A, EP 795727 A or EP 949471 A.
  • From US 5678425 also known such a method in two different ways To operate operating states. In an operating state is exclusively Liquid nitrogen produced, in the other liquid nitrogen and liquid oxygen. In In both cases, air is used as the circulating medium.
  • the invention has for its object a method of the type mentioned and to provide a corresponding device for the production of liquid Oxygen and liquid nitrogen are suitable and are particularly low Have energy consumption.
  • the liquefaction of oxygen and nitrogen can thereby either simultaneously or at different times in different operating states respectively.
  • the circulating medium has an argon content of has at least 10 mol%.
  • Nitrogen as a circulating fluid can be the refrigeration and liquefaction process can be optimally adapted to the gas to be liquefied in order to minimize the gas To achieve energy consumption in liquefaction.
  • first and second operating state can be in different liquid products can be obtained from the same plant (nitrogen and Oxygen) without sacrificing the economics of the process Need to become.
  • 5% consumes less energy when argon or an argon and circulating medium Oxygen-containing mixture is used instead of nitrogen.
  • the circulating medium preferably has an argon content of at least 50 mol%, in particular at least 80 mol%, in particular at least 95 mol%. It can for example by gaseous raw or pure argon from a low-temperature air separation plant or by an appropriate liquid from a Storage tank are formed.
  • the condensing heat exchanger therefore contains separate ones Groups of passages for oxygen and nitrogen.
  • a second variant of the invention is in a first operating state
  • Oxygen as a gas to be liquefied in the liquefaction heat exchanger is initiated and in a second operating state nitrogen is liquefied Gas introduced into the liquefaction heat exchanger.
  • the condensing heat exchanger only needs a group of passages here to be liquefied To have gas switched between oxygen and nitrogen.
  • the gas to be liquefied is preferably made from one in both operating states Air separation plant, in particular a low-temperature air separation plant, taken.
  • the invention also relates to a device for producing liquid Oxygen and / or liquid nitrogen according to claims 6 to 9.
  • Gas 1 to be liquefied is converted into a gas at approximately atmospheric pressure Liquefaction heat exchanger 41 introduced and liquefied there. Via line 2 the liquid product is supplied to a consumer and / or a liquid tank.
  • a cycle medium 35 becomes less than atmospheric Pressure fed to a feed gas compressor 3 with aftercooler 4 and there to one Intermediate pressure of, for example, 3 to 8 bar, preferably 4 to 6 bar, compressed. Under this pressure, two further streams 6, 7 of the circulating medium admixed.
  • the combined gas stream 8 is in a circuit compressor 9 with Aftercooler 10 to a high pressure of, for example, 24 to 33 bar, preferably 26 to 31 bar compressed.
  • a first partial flow 12 of the high pressure gas 11 is in a cycle heat exchanger 13 cooled to a first intermediate temperature and then in a warm turbine 14 relaxed while working to about the intermediate pressure.
  • the relaxed first partial stream of the circulating medium flows via lines 15, 7 and 8 through the circuit heat exchanger 13 to the inlet of the circuit compressor 9 back.
  • a second (22) and third (23) partial flow of high pressure gas 11 are initially together (16) in the series-connected post-compressors 17, 19 with after-coolers 18, 20 to an even higher pressure of, for example, 50 to 70 bar, preferably Brought 60 to 65 bar, which prevails in line 21.
  • the second Partial flow 22 in the circuit heat exchanger 13 to a second, lower one Cooled intermediate temperature and then in a cold turbine 24 relaxed workload to about the intermediate pressure.
  • the resulting two-phase mixture 25 is in an intermediate pressure separator (phase separator) 26th introduced. Steam from the intermediate pressure separator 26 flows over the lines 27, 6 and 8 through the circuit heat exchanger 13 to the inlet of the circuit compressor 9 back.
  • the third partial flow 23 is up to the cold end of the circuit heat exchanger 13 out, then throttle relaxed to about the intermediate pressure (28) and over Line 29 introduced into the intermediate pressure separator (phase separator) 26.
  • the Liquid 30 is further expanded to approximately atmospheric pressure (31) and in one Low-pressure separator 32 is subjected to a further phase separation.
  • the remaining liquid 40 flows into the liquefaction heat exchanger 41 while the flash gas via lines 34, 35 and 2 through the circuit heat exchanger 13 flows back to the inlet of the feed gas compressor 3.
  • the liquid circulating medium 40 is in the liquefaction heat exchanger Essentially completely evaporated.
  • the gas 42 formed thereby flows over the Lines 43 34, 35 and 2 through the circuit heat exchanger 13 to the entry of Feedgas compressor 3 back.
  • Losses of circulating medium are calculated on the Lines 44 and / or 45 are filled up with warm circulating medium from time to time 44 or cold circulating medium 45 - for example from a tank or one Low-temperature air separation plant is fed.
  • the liquefaction heat exchanger 41 has only one Group of liquefaction passages on.
  • gaseous oxygen for example from a tank or a low-temperature air separation plant - Via line 1 to the condensation heat exchanger 41 and thus generates liquid oxygen in line 2.
  • a switching process if necessary with flushing of lines 1, 2) can be in a second Operating state to be changed in the line 1 with a source of gaseous Nitrogen is connected, for example, also in a low-temperature air separation plant located.
  • this second operating state is then in line 2 liquid nitrogen generated.
  • the circulating medium has in both operating states the same composition.
  • lines 1a and 2a shown in dashed lines are for a second variant of the inventive method necessary in the same time liquid oxygen (Lines 1, 2) and liquid nitrogen (lines 1a, 2a) is obtained.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff. Zu verflüssigendes Gas (Sauerstoff und/oder Stickstoff 1, 1a) wird in einem Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kreislaufmedium (40) verflüssigt. Das Kreislaufmedium wird in einem Kältekreislauf verdichtet (3, 9), abgekühlt (13), arbeitsleistend entspannt (14, 24) und mindestens teilweise verflüssigt, wieder angewärmt (13) und der Verdichtung (3, 9) zugeführt (6, 7, 15, 25, 27, 34, 35). Das Kreislaufmedium weist einen Argongehalt von mindestens 10 mol% auf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff, bei dem zu verflüssigendes Gas in einem Verflüssigungs-Wärmetauscher durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kreislaufmedium verflüssigt wird, wobei das Kreislaufmedium in einem Kältekreislauf verdichtet, abgekühlt, arbeitsleistend entspannt und mindestens teilweise verflüssigt, wieder angewärmt und der Verdichtung zugeführt wird.
Stickstoff-Verfiüssigungsverfahren mit Kältekreislauf sind allgemein bekannt, zum Beispiel aus DE 2548222 B, DE 3732364 A, EP 316768 A, DE 4030750 A, DE 4303771 A, DE 4418435 A, EP 795727 A oder EP 949471 A. Aus US 5678425 ist außerdem bekannt, ein derartiges Verfahren in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen zu betreiben. Im einen Betriebszustand wird ausschließlich Flüssigstickstoff produziert, im anderen Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff. In beiden Fällen wird Luft als Kreislaufmedium eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die für die Produktion von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff geeignet sind und einen besonders niedrigen Energieverbrauch aufweisen. Die Verflüssigung von Sauerstoff und Stickstoff kann dabei entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt in verschiedenen Betriebszuständen erfolgen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kreislaufmedium einen Argongehalt von mindestens 10 mol% aufweist.
Durch den Verzicht auf die Verwendung von Luft oder im Wesentlichen reinem Stickstoff als Kreislauf-Fluid kann der Kälteerzeugungs- und Verflüssigungsprozess optimal an das zu verflüssigende Gas angepasst werden, um einen möglichst geringen Energieverbrauch bei der Verflüssigung zu erzielen. Gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeitpunkten (erster und zweiter Betriebszustand) können dabei in derselben Anlage unterschiedliche Flüssigprodukte gewonnen werden (Stickstoff und Sauerstoff), ohne dass bei der Wirtschaftlichkeit des Prozesses Abstriche gemacht werden müssen. Beispielsweise wird bei der Erzeugung von flüssigem Sauerstoff 5 % weniger Energie verbraucht, wenn als Kreislaufmedium Argon oder ein Argon und Sauerstoff enthaltendes Gemisch anstelle von Stickstoff verwendet wird.
Vorzugsweise weist das Kreislaufmedium einen Argongehalt von mindestens 50 mol%, insbesondere mindestens 80 mol%, insbesondere mindestens 95 mol%, auf. Es kann beispielsweise durch gasförmiges Roh- oder Reinargon aus einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder durch eine entsprechende Flüssigkeit aus einem Speichertank gebildet werden.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Sauerstoff und Stickstoff gleichzeitig als zu verflüssigende Gase in den Verflüssigungs-Wärmetauscher eingeleitet. Der Verflüssigungs-Wärmetauscher enthält also getrennte Gruppen von Passagen für Sauerstoff und Stickstoff.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung wird in einem ersten Betriebszustand Sauerstoff als zu verflüssigendes Gas in den Verflüssigungs-Wärmetauscher eingeleitet und in einem zweiten Betriebszustand wird Stickstoff als zu verflüssigendes Gas in den Verflüssigungs-Wärmetauscher eingeleitet. Der Verflüssigungs-Wärmetauscher braucht hier nur eine Gruppe von Passagen für zu verflüssigendes Gas aufzuweisen, die zwischen Sauerstoff und Stickstoff umgeschaltet werden.
Das zu verflüssigende Gas wird vorzugsweise in beiden Betriebszuständen aus einer Luftzerlegungsanlage, insbesondere einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, entnommen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und/oder flüssigem Stickstoff gemäß den Patentansprüchen 6 bis 9.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiele, das in der Zeichnungen schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
Zu verflüssigendes Gas 1 wird unter etwa atmosphärischem Druck in einen Verflüssigungs-Wärmetauscher 41 eingeführt und dort verflüssigt. Über Leitung 2 wird das Flüssigprodukt einem Verbraucher und/oder einem Flüssigtank zugeleitet.
In einem Kältekreislauf wird ein Kreislaufmedium 35 unter etwa atmosphärischem Druck einem Feedgas-Verdichter 3 mit Nachkühler 4 zugeführt und dort auf einen Zwischendruck von beispielsweise 3 bis 8 bar, vorzugsweise 4 bis 6 bar komprimiert. Unter diesem Druck werden zwei weitere Ströme 6, 7 des Kreislaufmediums zugemischt. Der kombinierte Gasstrom 8 wird in einem Kreislauf-Verdichter 9 mit Nachkühler 10 auf einen hohen Druck von beispielsweise 24 bis 33 bar, vorzugsweise 26 bis 31 bar verdichtet.
Ein erster Teilstrom 12 des Hochdruckgases 11 wird in einem Kreislauf-Wärmetauscher 13 auf eine erste Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend in einer warmen Turbine 14 arbeitsleistend auf etwa den Zwischendruck entspannt. Der entspannte erste Teilstrom des Kreislaufmediums strömt über die Leitungen 15, 7 und 8 durch den Kreislauf-Wärmetauscher 13 zum Eintritt des Kreislauf-Verdichters 9 zurück.
Ein zweiter (22) und dritter (23) Teilstrom des Hochdruckgases 11 werden zunächst gemeinsam (16) in den seriell geschalteten Nachverdichtern 17, 19 mit Nachkühlern 18, 20 auf einen noch höheren Druck von beispielsweise 50 bis 70 bar, vorzugsweise 60 bis 65 bar gebracht, der in Leitung 21 herrscht. Anschließend wird der zweite Teilstrom 22 im Kreislauf-Wärmetauscher 13 auf eine zweite, niedrigere Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend in einer kalten Turbine 24 arbeitsleistend auf etwa den Zwischendruck entspannt. Das dabei entstandene Zwei-Phasen-Gemisch 25 wird in einen Zwischendruck-Abscheider (Phasentrenner) 26 eingeführt. Dampf aus dem Zwischendruck-Abscheider 26 strömt über die Leitungen 27, 6 und 8 durch den Kreislauf-Wärmetauscher 13 zum Eintritt des Kreislauf-Verdichters 9 zurück.
Der dritte Teilstrom 23 wird bis zum kalten Ende des Kreislauf-Wärmetauschers 13 geführt, anschließend auf etwa den Zwischendruck drosselentspannt (28) und über Leitung 29 in den Zwischendruck-Abscheider (Phasentrenner) 26 eingeleitet. Die Flüssigkeit 30 wird weiter auf etwa Atmosphärendruck entspannt (31) und in einem Niederdruck-Abscheider 32 einer weiteren Phasentrennung unterworfen. Die verbleibende Flüssigkeit 40 strömt in den Verflüssigungs-Wärmetauscher 41, während das Flashgas über die Leitungen 34, 35 und 2 durch den Kreislauf-Wärmetauscher 13 zum Eintritt des Feedgas-Verdichters 3 zurückfließt.
Das flüssige Kreislaufmedium 40 wird in dem Verflüssigungs-Wärmetauscher im Wesentlichen vollständig verdampft. Das dabei gebildete Gas 42 strömt über die Leitungen 43 34, 35 und 2 durch den Kreislauf-Wärmetauscher 13 zum Eintritt des Feedgas-Verdichters 3 zurück. Verluste an Kreislaufmedium werden über die Leitungen 44 und/oder 45 aufgefüllt, indem von Zeit zu Zeit warmes Kreislaufmedium 44 oder kaltes Kreislaufmedium 45 - zum Beispiel aus einem Tank oder einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage- zugeführt wird.
In einer ersten Variante weist der Verflüssigungs-Wärmetauscher 41 lediglich eine Gruppe von Verflüssigungspassagen auf. In einem ersten Betriebszustand wird gasförmiger Sauerstoff - zum Beispiel aus einem Tank oder einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage - über Leitung 1 zum Verflüssigungs-Wärmetauscher 41 geführt und damit in Leitung 2 flüssiger Sauerstoff erzeugt. Mit einem Umschaltvorgang (gegebenenfalls mit Spülung der Leitungen 1, 2) kann in einen zweiten Betriebszustand gewechselt werden, in dem Leitung 1 mit einer Quelle für gasförmigen Stickstoff verbunden ist, die sich beispielsweise ebenfalls in einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage befindet. In diesem zweiten Betriebszustand wird dann in Leitung 2 flüssiger Stickstoff erzeugt. Das Kreislaufmedium hat in beiden Betriebszuständen die gleiche Zusammensetzung.
Die gestrichelt dargestellten Leitungen 1a und 2a sind für eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig, in der gleichzeitig flüssiger Sauerstoff (Leitungen 1, 2) und flüssiger Stickstoff (Leitungen 1a, 2a) gewonnen wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zur gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff, bei dem zu verflüssigendes Gas (1, 1a) in einem Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kreislaufmedium (40) verflüssigt wird, wobei das Kreislaufmedium in einem Kältekreislauf verdichtet (3,9), abgekühlt (13), arbeitsleistend entspannt (14, 24) und mindestens teilweise verflüssigt, wieder angewärmt (13) und der Verdichtung (3, 9) zugeführt (6, 7, 15, 25, 27, 34, 35) wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium einen Argongehalt von mindestens 10 mol% aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislaufmedium einen Argongehalt von mindestens 50 mol%, insbesondere mindestens 80 mol%, insbesondere mindestens 95 mol%, aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff und Stickstoff gleichzeitig als zu verflüssigende Gase in den Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) eingeleitet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand Sauerstoff als zu verflüssigendes Gas (1) in den Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) eingeleitet wird und in einem zweiten Betriebszustand Stickstoff als zu verflüssigendes Gas (1) in den Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verflüssigende Gas (1, 1a) aus einer Luftzerlegungsanlage, insbesondere einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, entnommen wird.
  6. Vorrichtung zur gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff mit einem ersten Einlass (1, 1a) für Sauerstoffgas und/oder Stickstoffgas, der mit einem Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) zur Verflüssigung durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kreislaufmedium (40) verbunden ist, mit einem Kältekreislauf, der einen Kreislauf-Verdichter (3, 9) zur Verdichtung eines Kreislaufmediums, eine Entspannungsmaschine (14, 24) zur arbeitsleistenden Entspannung und einen Kreislauf-Wärmetauscher (13, 213) zur Anwärmung von entspanntem Kreislaufmedium aufweist und mit dem Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreislauf mit einer Quelle für ein Kreislaufmedium verbindbar ist, das einen Argongehalt von mindestens 10 mol% ausweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zweiten Einlass für Sauerstoffgas und/oder Stickstoffgas, der mit dem Verflüssigungs-Wärmetauscher (41) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum umschaltbaren Verbinden des ersten Einlasses mit einer Quelle für Sauerstoffgas und einer Quelle für Stickstoffgas.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass und/oder der zweite Einlass mit einer Produktleitung einer Luftzerlegungsanlage, insbesondere einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, verbunden ist.
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