EP2865977A1 - Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage und Verfahren zur Herstellung einer Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage und Verfahren zur Herstellung einer Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage Download PDF

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EP2865977A1
EP2865977A1 EP20130005244 EP13005244A EP2865977A1 EP 2865977 A1 EP2865977 A1 EP 2865977A1 EP 20130005244 EP20130005244 EP 20130005244 EP 13005244 A EP13005244 A EP 13005244A EP 2865977 A1 EP2865977 A1 EP 2865977A1
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EP
European Patent Office
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pressure column
low
main condenser
space
column
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20130005244
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Moll
Alexander Alekseev
Dimitri Goloubev
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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    • F25J2290/12—Particular process parameters like pressure, temperature, ratios

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
  • the distillation column system of the invention may be designed as a classical double column system, but also as a three or more column system. It may have, in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation, other devices for obtaining other air components, in particular noble gases, for example an argon recovery.
  • the main capacitor is formed in the invention as a condenser-evaporator.
  • condenser-evaporator refers to a heat exchanger in which a first condensing fluid stream undergoes indirect heat exchange with a second evaporating fluid stream.
  • Each condenser-evaporator has a liquefaction space and an evaporation space, which consist of liquefaction passages or evaporation passages. In the liquefaction space, the condensation (liquefaction) of a first fluid flow is performed, in the evaporation space the evaporation of a second fluid flow. Evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • the distillation column system of an air separation plant is arranged in one or more cold boxes.
  • a "cold box” is here understood to mean an insulating casing which comprises a heat-insulated interior completely with outer walls; in the interior are arranged to be isolated plant parts, for example, one or more separation columns and / or heat exchangers.
  • the insulating effect can be effected by appropriate design of the outer walls and / or by the filling of the gap between system parts and outer walls with an insulating material. In the latter variant, a powdery material such as perlite is preferably used.
  • Both the distillation column system for nitrogen-oxygen separation of a cryogenic air separation plant and the main heat exchanger and other cold plant parts must be enclosed by one or more cold boxes.
  • the outer dimensions of the coldbox usually determine the transport dimensions of the package in prefabricated systems.
  • the invention has for its object to provide such a method, a corresponding device and a suitable manufacturing method, which have high capacity, relatively low investment costs and a comparatively small space requirement.
  • a single main condenser supplies all four columns with reflux liquid.
  • the columns are connected in pairs in parallel, resulting in a particularly high capacity with limited column diameter.
  • the evaporation space of Hauptkondensstors also be acted upon with liquid. This is done in the invention, for example, by the fact that both a first liquid oxygen stream from the first low-pressure column and a second liquid oxygen stream from the second low-pressure column are introduced into the evaporation space of the main capacitor.
  • the mass transfer elements of the high-pressure columns are formed by conventional sieve trays.
  • At least four, in particular all five, of said elements of the distillation column system are arranged one above the other, as shown in claims 3 and 4.
  • An arrangement of two elements "one above the other" is understood here to mean that the upper end of the lower of the two elements is at a lower geodesic height than the lower end of the upper of the two elements and the projections of the two elements overlap in a horizontal plane.
  • the two elements are arranged exactly one above the other, that is, the axes of the two columns run on the same vertical line.
  • all elements arranged one above the other have the same vertical axis.
  • the main capacitor is arranged in the bottom region of the first low-pressure column.
  • the main condenser is below the mass transfer elements of the first low-pressure column in the same container as this.
  • the main condenser is arranged in a separate container from the first low-pressure column, which is located, for example, between the first low-pressure column and the first high-pressure column or adjacent to these two columns.
  • the first and the second high-pressure column can be supplied separately with air via two strands.
  • both are supplied via a common air line, which delivers a total compressed air flow, which is branched into at least two compressed air streams, wherein the first compressed air sub-stream is introduced into the first high-pressure column and the second compressed air sub-stream in the second high-pressure column.
  • the four columns of the distillation column system then have only one strand for air compression, purification and cooling.
  • the second low-pressure column, the first low-pressure column, the main condenser, the first high-pressure column and the second high-pressure column are arranged in a common coldbox.
  • the invention also relates to a device according to claim 8 and a method for producing a cryogenic air separation plant according to claim 9.
  • the device according to the invention can be supplemented by device features which correspond to the features of the dependent method claims.
  • the distillation column system of the embodiment is shown in FIG. 1 shown. It has a first high-pressure column 101, a second high-pressure column 201, a first Low pressure column 102, a second low-pressure column 202 and a main capacitor 103, which is formed by a six-stage cascade evaporator.
  • a total compressed air flow 1 is brought up. This was, as usual in the air separation, compressed in a main air compressor, cleaned in a cleaning device and cooled in a main heat exchanger to about dew point. (These steps are not shown in the drawing.)
  • the total compressed air flow 1 is branched into a first compressed air sub-stream 100 and a second compressed air sub-stream 200.
  • the first compressed air sub-stream 100 is introduced into the first high-pressure column 101, the second compressed air sub-stream 200 into the second high-pressure column 201.
  • the main condenser has a uniform liquefaction space and a uniform evaporation space, ie these spaces are not subdivided into one or more liquefaction subspaces and / or evaporation subspaces, as in other exemplary embodiments of the invention.
  • a first nitrogen gas stream 104 from the first high-pressure column 101 and a second nitrogen gas stream 204 from the second high-pressure column 201 are introduced via line 114 into the liquefaction space of the main condenser 103.
  • liquid nitrogen 115 is generated in the liquefaction space of the main condenser 103. From the liquid nitrogen 115, a first liquid nitrogen stream 105 to the first high-pressure column 101 and a second liquid nitrogen stream 205 to the second high-pressure column 201 are branched off.
  • a first liquid oxygen stream 106 from the first low-pressure column 102 flows from the lower end of the lowermost mass transfer layer 107 of the first low-pressure column 102 and is thereby introduced into the evaporation space of the main condenser 103.
  • a second liquid oxygen stream from the bottom of the second low-pressure column 202 is introduced into the evaporation space of the main condenser 103 via a line, not shown.
  • gaseous oxygen is formed. It is introduced to a first part as the first oxygen gas stream 108 in the first low-pressure column 102 by flowing from below into the bottom mass transfer layer 107 of the first low-pressure column 102.
  • a second part is introduced via a line as a second oxygen gas stream 208 in the second low-pressure column 202.
  • the return liquids 109, 209 for the two low-pressure columns 102, 202 are formed by a nitrogen-enriched liquid 20, which is pressed by a pump 21 through a supercooling countercurrent 22 and a line 23.
  • the nitrogen-rich liquid 20 can be withdrawn at both high-pressure columns 101, 201 from an intermediate point or directly from the head and then combined (not shown).
  • impure nitrogen 110, 210 is withdrawn and passed via the residual gas lines 31, 32 through the subcooling countercurrent 22 to the main heat exchanger, not shown.
  • each oxygen-enriched bottoms liquid stream cooled in the subcooling countercurrent 23 and introduced into the evaporation space of the top condenser or top condensers at least one crude argon column.
  • the bottoms can either be run separately or mixed before the supercooling countercurrent and then split.
  • Via the lines 111, 211, low-pressure columns 102, 202 are fed with liquid air at an intermediate point. This liquid slug originates from the main heat exchanger in which liquid pressurized oxygen 41 evaporates from the low pressure columns or (if the oxygen pressure is supercritical) is pseudo-vaporized.
  • liquid oxygen 41 is withdrawn from the evaporation space of the main condenser 103 and supplied to an internal compression, not shown.
  • the liquid oxygen is pumped to a high product pressure, vaporized or pseudo-evaporated under this high product pressure, warmed to about ambient temperature and finally stripped off as gaseous pressure oxygen product.
  • pressurized nitrogen is withdrawn via line 42 directly from the top of the high-pressure columns 101, 201, warmed in the main heat exchanger and recovered as a gaseous compressed nitrogen product.
  • a part 43 of the generated in the main capacitor 103 Liquid nitrogen supplied to an internal compression and recovered as a high-pressure gaseous nitrogen product.
  • EP 942246 A2 EP 1103772 A1 .
  • the mass transfer elements in the two low-pressure columns 102, 202 are formed exclusively by ordered packing.
  • the oxygen sections of the two low-pressure columns 102, 202 (area below the lines 113/213) are provided with an ordered packing having a specific surface area of 750 m 2 / m 3 or alternatively 1200 m 2 / m 3 , in the remaining sections the packing a specific surface area of 500 m 2 / m 3 .
  • the two low-pressure columns 10, 202 may have a nitrogen section above the mass transfer sections shown in the drawing; this is then filled with a packing having a specific surface area of 500 m 2 / m 3 or, alternatively, 1200 m 2 / m 3 .
  • the mass transfer elements in the specific example are formed exclusively by ordered packing with a specific surface area of 1200 m 2 / m 3 .
  • some or all of the mass transfer elements in one or both of the high pressure columns 101, 201 are formed by conventional distillation trays, for example through sieve trays.
  • the distillation column system of FIG. 1 alone form an air separation plant according to the invention.
  • a modified Embodiment of the invention according to FIG. 2 is a multi-stranded plant by two or more distillation column systems after FIG. 1 educated.
  • Each distillation column system is enclosed by its own Coldbox 301 and forms a strand of a distillation column system.
  • all four strands are identically constructed; alternatively, individual or all strands could be designed differently.
  • Each distillation column system is designed as it is in FIG. 1 is shown.
  • Each string has an atmospheric air inlet filter 302, a main air compressor 303, an air pre-cooler 304, an air cleaner 305 (typically formed by a pair of molecular sieve adsorbers), a Booster Air Compressor 306 with aftercooler 307, and an air cooler 306 Main heat exchanger 308 in its own coldbox 309; These devices are each independent of the other strands.
  • the post-compressed air in the reboiler 306 is liquefied (or pseudo-liquefied, if its pressure is supercritical) via line 311 to the distillation column system in the cold box 300 where it flows into the streams 111 and 112 of FIG FIG. 1 branched.
  • the further flow 1 emerging from the main heat exchanger 308 and the fluids 41, 42, 32 flowing to the warm end of the main heat exchanger 308 are as in FIG. 1 numbered.
  • the liquid oxygen 32 is vaporized or pseudo-evaporated in the main heat exchanger under high pressure (internal compression). All return streams are warmed in the main heat exchanger to about ambient temperature and withdrawn via the product lines P.
  • the hot part (air compression, pre-cooling and air purification) and / or the main heat exchanger may have a different number of strands than the distillation column system.
  • one distillation column system strand could be supplied by two main air compressor strands or two distillation column system strands from four main air compressor strands.
  • the concept of the invention can also be applied to a process without air recompression 306/307 (for example, with the total air compressed to more than 5 bar above the highest of the operating pressures of the two high pressure columns) or to processes with other elements such as a nitrogen cycle.
  • the refrigeration is in FIG. 2 not shown. Any known type of turbine circuit can be chosen, with one, two or more turbines.
  • the number of distillation column system strands can be reduced by the invention, for example from six to five or from five to four.

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Abstract

Das Verfahren und die Anlage dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem, Destillationssäulen-System das eine erste Hochdrucksäule (101), eine zweite Hochdrucksäule (201), eine erste Niederdrucksäule (102), eine zweite Niederdrucksäule (202) und einen Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist. Ein erster Stickstoffgasstrom (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) wird in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) eingeleitet. Ein erster Flüssigstickstoffstrom (105) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) wird in die erste Hochdrucksäule (101) eingeleitet. Ein erster Sauerstoffgasstrom (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) wird in die erste Niederdrucksäule (102) eingeleitet. Ein zweiter Stickstoffgasstrom (204, 114) aus der zweiten Hochdrucksäule (201) wird in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) eingeleitet. Ein zweiter Flüssigstickstoffstrom (205) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) wird in die zweite Hochdrucksäule (201) eingeleitet. Ein zweiter Sauerstoffgasstrom (208) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) wird in die zweite Niederdrucksäule (202) eingeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule einer Doppelsäule wird im Regelfall durch einen Hauptkondensator realisiert, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.
  • Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann als klassisches Doppelsäulensystem ausgebildet sein, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensystem. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung.
  • Der Hauptkondensator ist bei der Erfindung als Kondensator-Verdampfer ausgebildet. Als "Kondensator-Verdampfer " wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
  • Dabei kann der Hauptkondensator als Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (beispielsweise wie in EP 1287302 B1 = US 6748763 B2 beschrieben), oder aber als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein. Er kann durch einen einzigen Wärmetauscherblock gebildet werden oder auch durch mehrere Wärmetauscherblöcke, die in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind.
  • Das Destillationssäulen-System einer Luftzerlegungsanlage ist in einer oder mehreren Coldboxen angeordnet. Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet. Sowohl das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage als auch der Hauptwärmetauscher und weitere kalte Anlagenteile müssen von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen sein. Die Außenmaße der Coldbox bestimmen üblicherweise die Transportmaße des Pakets bei vorgefertigten Anlagen.
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 6128921 bekannt. Hier werden zwei klassische Doppelsäulen nebeneinander in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet und praktisch unabhängig voneinander betrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren, eine entsprechende Vorrichtung und ein passendes Herstellungsverfahren anzugeben, die hohe Kapazität, relativ niedrige Investitionskosten und einen vergleichsweise geringem Flächenbedarf aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bei der Erfindung versorgt ein einziger Hauptkondensator alle vier Säulen mit Rücklaufflüssigkeit. Auf diese Weise ergeben sich eine Verminderung des apparativen Aufwands und eine besonders hohe Flexibilität bei der Aufstellung der einzelnen Säule, die für eine Platz sparende Anordnung der Säulen genutzt werden kann. Die Säulen sind paarweise parallelgeschaltet, sodass sich eine besonders hohe Kapazität bei begrenztem Säulendurchmesser ergibt.
  • Natürlich muss der Verdampfungsraum des Hauptkondenstors auch mit Flüssigkeit beaufschlagt werden. Dies geschieht bei der Erfindung beispielsweise dadurch, dass sowohl ein erster Flüssigsauerstoffstrom aus der ersten Niederdrucksäule als auch ein zweiter Flüssigsauerstoffstrom aus der zweiten Niederdrucksäule in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators eingeleitet werden.
  • Wenn der Hauptkondensator aus mehreren parallelen Blöcken besteht, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Verbindung zwischen den Ein- und Austritten der Verdampfungs- und Verflüssigungsteilräume der Blöcke, die untereinander grundsätzlich beliebig kombiniert werden können:
    • Eintritt des Verdampfungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Niederdrucksäulen oder mit beiden Niederdrucksäulen
    • Austritt des Verdampfungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Niederdrucksäulen oder mit beiden Niederdrucksäulen
    • Eintritt des Verflüssigungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Hochdrucksäulen oder mit beiden Hochdrucksäulen
    • Austritt des Verflüssigungsteilraums eines Blocks verbunden mit nur einer der beiden Hochdrucksäulen oder mit beiden Hochdrucksäulen
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen insbesondere bei besonders großen Anlagen zum Tragen, die mehrsträngig ausgebildet sind, wobei ein Strang (train), mehrere Stränge, oder alle Stränge der Gesamtanlage gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
  • Im Falle einer Transportbegrenzung (üblicherweise 4,8 m im Säulendurchmesser) wird die pro Anlage (Strang) gewonnene Produktmenge stark limitiert. Daher werden oftmals viele Anlagen-Stränge (trains) benötigt um die geforderte Produktmenge beispielsweise an Sauerstoff an Kunden zu liefern. Die Begrenzung des Säulendurchmessers führt außerdem dazu, dass die Säulen mehrsträngiger Anlagen in der Coldbox mit Packungen mit sehr niedriger spezifischen Oberfläche (zum Beispiel 350 m2/m2) ausgerüstet werden; Entsprechendes gilt für einsträngige Anlagen sehr großer Kapazität. Dadurch werden die Säulen ziemlich hoch und es besteht auch die Notwendigkeit für den Einsatz kryogener Transferpumpen (entweder eine Flüssigstickstoff-Pumpe für eine Anordnung der Säulen übereinander oder eine Flüssigsauerstoff-Transferpumpe für nebeneinander stehende Säulen). Neben einer Erhöhung der Gesamtkosten werden dadurch auch die Anlagen-Komplexität und - Energiebedarf negativ beeinflusst.
  • In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden entgegengesetzt zu der bisherigen Praxis auch bei Beschränkungen des Kolonnendurchmessers, beispielsweise aufgrund von Transportmöglichkeiten, Packungen besonders großer Dichte in den Niederdrucksäulen eingesetzt, wie es in Patentanspruch 2 beschrieben ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen paarweisen Parallelschaltung von Säulen kann trotz eines beschränkten Kolonnendurchmessers eine besonders hohe Produktkapazität (pro Strang) erzielt werden; die dafür benötigte Grundfläche bleibt dabei sehr klein.
  • In den beiden Hochdrucksäulen kann ebenfalls eine derartige besonders dichte Packung eingesetzt werden; alternativ werden die Stoffaustauschelemente der Hochdrucksäulen durch klassische Siebböden gebildet.
  • Vorzugsweise werden mindestens vier, insbesondere alle fünf, der genannten Elemente des Destillationssäulen-Systems übereinander angeordnet, wie es in den Patentansprüchen 3 und 4 dargestellt ist. Unter einer Anordnung zweier Elemente "übereinander" wird hier verstanden, dass das obere Ende des unteren der beiden Elemente sich auf niedrigerer geodätischer Höhe befindet als das untere Ende der oberen der beiden Elemente und sich die Projektionen der beiden Elemente in eine horizontale Ebene überschneiden. Beispielsweise sind die beiden Elemente genau übereinander angeordnet, das heißt die Achsen der beiden Säulen verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Vorzugsweise weisen alle übereinander angeordneten Elemente dieselbe vertikale Achse auf.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Hauptkondensator im Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule angeordnet. Damit ist gemeint, dass sich der Hauptkondensator unterhalb der Stoffaustauschelemente der ersten Niederdrucksäule im selben Behälter wie diese befindet.
  • Alternativ ist der Hauptkondensator in einem von der ersten Niederdrucksäule getrennten Behälter angeordnet, der sich beispielsweise zwischen der ersten Niederdrucksäule und der ersten Hochdrucksäule oder neben diesen beiden Säulen befindet.
  • Grundsätzlich können die erste und die zweite Hochdrucksäule über zwei Stränge separat mit Luft versorgt werden. Vorzugsweise werden beide jedoch über eine gemeinsame Luftleitung versorgt, die einen Gesamtdruckluftstrom liefert, der in mindestens zwei Druckluftteilströme verzweigt wird, wobei der erste Druckluftteilstrom in die erste Hochdrucksäule und der zweite Druckluftteilstrom in die zweite Hochdrucksäule eingeleitet wird. Die vier Säulen des Destillationssäulen-Systems weisen dann nur einen einzigen Strang für die Luftverdichtung, -reinigung und - abkühlung auf.
  • Es ist außerdem günstig, wenn die zweite Niederdrucksäule, die erste Niederdrucksäule, der Hauptkondensator, die erste Hochdrucksäule und die zweite Hochdrucksäule in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sind.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gemäß Patentanspruch 9. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen sind nur die wichtigsten Elemente dargestellt, insbesondere solche, mit denen sich das System der Erfindung von üblichen Luftzerlegungssystemen unterscheidet.
  • Das Destillationssäulen-System des Ausführungsbeispiels ist in Figur 1 gezeigt. Es weist eine erste Hochdrucksäule 101, eine zweite Hochdrucksäule 201, eine erste Niederdrucksäule 102, eine zweite Niederdrucksäule 202 und einen Hauptkondensator 103 auf, der durch einen sechsstufigen Kaskadenverdampfer gebildet wird.
  • Über eine gemeinsame Luftleitung wird ein Gesamtdruckluftstrom 1 herangeführt. Dieser wurde, wie in der Luftzerlegung üblich, in einem Hauptluftverdichter verdichtet, in einer Reinigungseinrichtung gereinigt und in einem Hauptwärmetauscher auf etwa Taupunkt abgekühlt. (Diese Schritte sind in der Zeichnung nicht dargestellt.) Der Gesamtdruckluftstrom 1 wird in einen ersten Druckluftteilstrom 100 und einen zweiten Druckluftteilstrom 200 verzweigt. Der erste Druckluftteilstrom 100 wird in die erste Hochdrucksäule 101, der zweite Druckluftteilstrom 200 in die zweite Hochdrucksäule 201 eingeleitet.
  • Der Hauptkondensator weist hier einen einheitlichen Verflüssigungsraum und einen einheitlichen Verdampfungsraum auf, das heißt diese Räume sind nicht - wie bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung - in einen oder mehrere Verflüssigungsteilräumen und/oder Verdampfungsteilräume unterteilt.
  • Ein erster Stickstoffgasstrom 104 aus der ersten Hochdrucksäule 101 und ein zweiter Stickstoffgasstrom 204 aus der zweiten Hochdrucksäule 201 werden über Leitung 114 in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 103 eingeleitet. In dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators 103 wird Flüssigstickstoff 115 erzeugt. Aus dem Flüssigstickstoff 115 werden ein erster Flüssigstickstoffstrom 105 zur ersten Hochdrucksäule 101 und ein zweiter Flüssigstickstoffstrom 205 zur zweiten Hochdrucksäule 201 abgezweigt.
  • Ein erster Flüssigsauerstoffstrom 106 aus der ersten Niederdrucksäule 102 fließt vom unteren Ende der untersten Stoffaustauschschicht 107 der ersten Niederdrucksäule 102 ab und wird dadurch in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 eingeleitet. Zusätzlich wird über eine nicht dargestellte Leitung ein zweiter Flüssigsauerstoffstrom aus dem Sumpf der zweiten Niederdrucksäule 202 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 eingeführt. In dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 wird gasförmiger Sauerstoff gebildet. Er wird zu einem ersten Teil als erster Sauerstoffgasstrom 108 in die erste Niederdrucksäule 102 eingeleitet, indem er von unten in die unterste Stoffaustauschschicht 107 der ersten Niederdrucksäule 102 einströmt. Ein zweiter Teil wird über eine Leitung als zweiter Sauerstoffgasstrom 208 in die zweite Niederdrucksäule 202 eingeführt.
  • Die Rücklaufflüssigkeiten 109, 209 für die beiden Niederdrucksäulen 102, 202 werden durch eine stickstoffangereicherte Flüssigkeit 20 gebildet, die mittels einer Pumpe 21 durch einen Unterkühlungs-Gegenströmer 22 und eine Leitung 23 gedrückt wird. Die stickstoffreiche Flüssigkeit 20 kann an beiden Hochdrucksäulen 101, 201 von einer Zwischenstelle oder direkt vom Kopf abgezogen und dann zusammengeführt werden (nicht dargestellt). Vom Kopf beider Niederdrucksäulen 102, 202 wird unreiner Stickstoff 110, 210 abgezogen und über die Restgasleitungen 31, 32 durch den Unterkühlungs-Gegenströmer 22 zum nicht dargestellten Hauptwärmetauscher geführt.
  • Ebenfalls nicht dargestellt ist, wie von beiden Hochdrucksäulen 101, 201 je ein sauerstoffangereicherter Sumpfflüssigkeitstrom abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 23 abgekühlt und in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators oder der Kopfkondensatoren mindestens einer Rohargonsäule eingeleitet wird. Die Sumpfflüssigkeiten können dabei entweder separat geführt oder vor dem Unterkühlungs-Gegenströmer vermischt und anschließend aufgeteilt werden. Über die Leitungen 111, 211 wird den Niederdrucksäulen 102, 202 Flüssigluft an einer Zwischenstelle zugespeist. Diese Flüssigkluft stammt aus dem Hauptwärmetauscher, in dem flüssig auf Druck gebrachter Sauerstoff 41 aus den Niederdrucksäulen verdampft oder (falls der Sauerstoffdruck überkritisch ist) pseudo-verdampft wird.
  • Als Hauptprodukt des Destillationssäulen-Systems wird flüssiger Sauerstoff 41 vom Verdampfungsraum des Hauptkondensators 103 abgezogen und einer nicht dargestellten Innenverdichtung zugeführt. Dabei wird der flüssige Sauerstoff auf einen hohen Produktdruck gepumpt, unter diesem hohen Produktdruck verdampft oder pseudo-verdampft, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Drucksauerstoffprodukt abgezogen.
  • Als weiteres Produkt des Destillationssäulen-System wird Druckstickstoff über Leitung 42 direkt vom Kopf der Hochdrucksäulen 101, 201 abgezogen, im Hauptwärmetauscher angewärmt und als gasförmiges Druckstickstoffprodukt gewonnen. Zusätzlich kann ein Teil 43 des im Hauptkondensator 103 erzeugten Flüssigstickstoffs einer Innenverdichtung zugeführt und als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt gewonnen werden.
  • Über die Leitungspaare 113, 114, 213, 214 können eine gemeinsame klassische Argongewinnung oder je eine separate erste und eine zweite Argongewinnung angeschlossen sein, wobei die Leitungspaare 113, 213 mit dem unteren Bereich einer Rohargonsäule oder jeweils einer von zwei parallelen Rohargonsäulen verbunden sind. Der innere Aufbau und die Funktionsweise einer solchen klassischen Argongewinnung sind beispielweise in DE 2325422 A , EP 171711 A2 , EP 377117 B2 (= US 5019145 ), DE 4030749 A1 , EP 628777 B1 (= US 5426946 ), EP 669508 A1 (= US 5592833 ), EP 669509 B1 (= US 5590544 ), EP 942246 A2 , EP 1103772 A1 , DE 19609490 (= US 5669237 ), Figur 8, EP 1243882 A1 (= US 2002178747 A1 ) und EP 1243881 A1 (= US 2002189281 A1 ) beschrieben.
  • In einem konkreten Beispiel werden die Stoffaustauschelemente in den beiden Niederdrucksäulen 102, 202 ausschließlich durch geordnete Packung gebildet. Die Sauerstoffabschnitte der beiden Niederdrucksäulen 102, 202 (Bereich unterhalb der Leitungen 113/213) sind mit einer geordneten Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 750 m2/m3 oder alternativ 1200 m2/m3 ausgestattet, in den übrigen Abschnitten weist die Packung eine spezifische Oberfläche von 500 m2/m3 auf. Zusätzlich können die beiden Niederdrucksäulen 10, 202 einen Stickstoffabschnitt oberhalb der in der Zeichnung dargestellten Stoffaustauschabschnitte aufweisen; dieser ist dann mit einer Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m2/m3 oder alternativ von 1200 m2/m3 gefüllt. Abweichend hiervon ist es möglich, innerhalb jedes der genannten Abschnitte geordnete Packung unterschiedlicher spezifischer Oberfläche zu kombinieren.
  • In den Hochdrucksäulen 101, 201 werden die Stoffaustauschelemente in dem konkreten Beispiel ausschließlich durch geordnete Packung mit einer spezifischen Oberfläche von 1200 m2/m3 gebildet. Alternativ wird ein Teil oder die Gesamtheit der Stoffaustauschelemente in einer oder beiden Hochdrucksäulen 101, 201 durch konventionelle Destillationsböden gebildet, zum Beispiel durch Siebböden.
  • Grundsätzlich kann das Destillationssäulen-System der Figur 1 alleine eine erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage bilden. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel für die Erfindung gemäß Figur 2 wird eine mehrsträngige Anlage durch zwei oder mehr Destillationssäulen-Systeme nach Figur 1 gebildet. In dem Beispiel sind es vier Stränge (Trains) Tr1 bis Tr4. Jedes Destillationssäulen-System ist von einer eigenen Coldbox 301 umschlossen und bildet einen Strang eines Destillationssäulen-Systems. In dem Beispiel sind alle vier Stränge identisch aufgebaut; alternativ könnten einzelne oder alle Stränge verschieden ausgebildet sein. Jedes Destillationssäulen-System ist so ausgebildet, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Jeder Strang weist ein Eintrittsfilter 302 für atmosphärische Luft (AIR), einen Hauptluftverdichter 303, eine Luftvorkühlung 304 eine Luftreinigung 305 (üblicherweise gebildet durch ein Paar von Molekularsieb-Adsorbern), einen Luftnachverdichter 306 (Booster Air Compressor - BAC) mit Nachkühler 307 und einen Hauptwärmetauscher 308 in einer eigenen Coldbox 309 auf; diese Apparate sind jeweils unabhängig von den anderen Strängen. Die in dem Nachverdichter 306 nachverdichtete Luft wird in dem Hauptwärmetauscher 308 verflüssigt (oder - falls ihr Druck überkritisch ist - pseudoverflüssigt) und über Leitung 311 dem Destillationssäulen-System in der Coldbox 300 zugeleitet und dort in die Ströme 111 und 112 von Figur 1 verzweigt. Der weitere aus dem Hauptwärmetauscher 308 austretende Strom 1 und die dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 308 zuströmenden Fluide 41, 42, 32 sind wie in Figur 1 nummeriert. Der flüssige Sauerstoff 32 wird in dem Hauptwärmetauscher unter hohem Druck verdampft oder pseudo-verdampft (Innenverdichtung). Alle Rückströme werden in dem Hauptwärmetauscher auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über die Produktleitungen P abgezogen.
  • Alternativ zu Figur 2 können der warme Teil (Luftverdichtung, Vorkühlung und Luftreinigung) und/oder der Hauptwärmetauscher eine andere Zahl von Strängen als das Destillationssäulen-System aufweisen. Beispielsweise könnten ein Destillationssäulen-System-Strang von zwei Hauptluftverdichter-Strängen oder zwei Destillationssäulen-System-Stränge von vier Hauptluftverdichter-Strängen versorgt werden. Das Konzept der Erfindung kann auch bei einem Verfahren ohne Luftnachverdichtung 306/307 (zum Beispiel mit Verdichtung der Gesamtluft auf mehr als 5 bar über den höchsten der Betriebsdrücke der beiden Hochdrucksäulen) oder bei Prozessen mit weiteren Elementen wie zum Beispiel einem Stickstoffkreislauf angewendet werden.
  • Die Kältegewinnung ist in Figur 2 nicht dargestellt. Es kann jede bekannte Art einer Turbinenschaltung gewählt werden, mit einer, zwei oder mehr Turbinen.
  • Im Vergleich zu einem klassischen System kann bei vorgegebener Produktkapazität, beispielsweise an gasförmigem Drucksauerstoff, die Zahl der Destillationssäulen-System-Stränge durch die Erfindung verringert werden, beispielsweise von sechs auf fünf oder von fünf auf vier.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destillationssäulen-System, das eine erste Hochdrucksäule (101), eine zweite Hochdrucksäule (201), eine erste Niederdrucksäule (102), eine zweite Niederdrucksäule (202) und einen Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist, wobei
    - ein erster Stickstoffgasstrom (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) eingeleitet wird,
    - ein erster Flüssigstickstoffstrom (105) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Hochdrucksäule (101) eingeleitet wird und
    - ein erster Sauerstoffgasstrom (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Niederdrucksäule (102) eingeleitet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein zweiter Stickstoffgasstrom (204, 114) aus der zweiten Hochdrucksäule (201) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) eingeleitet wird,
    - ein zweiter Flüssigstickstoffstrom (205) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Hochdrucksäule (201) eingeleitet wird und
    - ein zweiter Sauerstoffgasstrom (208) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Niederdrucksäule (202) eingeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Niederdrucksäule (102, 202) Stoffaustauschelemente enthalten, die in mindestens einem Teilbereich der jeweiligen Niederdrucksäule (102, 202) durch eine geordnete Packung gebildet werden, die aus gefalteten Metallblechen gefertigt ist, wobei die geordnete Packung eine spezifische Oberfläche von mehr als 1000 m2/m3, insbesondere von 1200 m2/m3 oder mehr, aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Elemente des Destillationssäulen-Systems in folgender Reihenfolge von oben nach unten übereinander angeordnet sind:
    - zweite Niederdrucksäule (202)
    - erste Niederdrucksäule (102)
    - Hauptkondensator (103)
    - erste Hochdrucksäule (101)
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Elemente des Destillationssäulen-Systems in folgender Reihenfolge von oben nach unten übereinander angeordnet sind:
    - erste Niederdrucksäule (102)
    - Hauptkondensator (103)
    - erste Hochdrucksäule (101)
    - zweite Hochdrucksäule (201)
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkondensator (103) im Sumpfbereich der ersten Niederdrucksäule (102) angeordnet ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass über eine gemeinsame Luftleitung ein Gesamtdruckluftstrom (1) geliefert wird, der in mindestens zwei Druckluftteilströme (200, 200) verzweigt wird, wobei der erste Druckluftteilstrom (100) in die erste Hochdrucksäule (101) und der zweite Druckluftteilstrom (200) in die zweite Hochdrucksäule (201) eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Niederdrucksäule (202), die erste Niederdrucksäule (102), der Hauptkondensator (103), die erste Hochdrucksäule (101) und die zweite Hochdrucksäule (201) in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sind.
  8. Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit
    - einem Destillationssäulen-System, das eine erste Hochdrucksäule (101), eine zweite Hochdrucksäule (201), eine erste Niederdrucksäule (102), eine zweite Niederdrucksäule (202) und einen Hauptkondensator (103) aufweist, der als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist und einen Verdampfungsraum und einen Verflüssigungsraum aufweist,
    - mit Mitteln zum Einleiten eines ersten Stickstoffgasstroms (104, 114) aus der ersten Hochdrucksäule (101) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103),
    - mit Mitteln zum Einleiten eines ersten Flüssigstickstoffstroms (105) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Hochdrucksäule (101) und
    - mit Mitteln zum Einleiten eines ersten Sauerstoffgasstroms (108) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die erste Niederdrucksäule (102),
    gekennzeichnet durch
    - Mittel zum Einleiten eines zweiten Stickstoffgasstroms (204, 114) aus der zweiten Hochdrucksäule (201) in den Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103),
    - Mittel zum Einleiten eines zweiten Flüssigstickstoffstroms (205) aus dem Verflüssigungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Hochdrucksäule (201) und
    - Mittel zum Einleiten eines zweiten Sauerstoffgasstroms (208) aus dem Verdampfungsraum des Hauptkondensators (103) in die zweite Niederdrucksäule (202).
  9. Verfahren zur Herstellung einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gemäß Anspruch 8, bei dem
    - in einem ersten Schritt drei Behälter vorgefertigt werden, von denen
    - ein erster Behälter die zweite Niederdrucksäule (202) enthält,
    - ein zweiter Behälter die erste Niederdrucksäule (102), den Hauptkondensator und die erste Hochdrucksäule (101) enthält und
    - ein dritter Behälter die zweite Hochdrucksäule (201) enthält,
    - in einem zweiten Schritt die drei Behälter zum Aufstellungsort der Anlage transportiert werden und
    - in einem dritten Schritt die drei Behälter mit noch fehlenden Verbindungsleitungen gemäß Anspruch 8 verbunden werden.
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