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DE102006027650A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft Download PDF

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DE102006027650A1
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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft. Einsatzluft (1) wird verdichtet (2) und einer Einzelsäule (15) zugeleitet. Ein erster Prozessstrom (29) wird in einer Entspannungsmaschine (30) arbeitsleistend entspannt. Der Einzelsäule (15) und/oder dem Kopfkondensator (18) wird ein gasförmiges Stickstoffprodukt (24, 25) entnommen. Mindestens ein Teil der mechanischen Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung (30) des ersten Prozessstroms gewonnen wird, wird zum Antrieb des Kaltverdichters (9) eingesetzt. Eine tiefkalte Flüssigkeit (223) aus einer externen Quelle wird in die Einzelsäule (15) und/oder in den Kopfkondensator (18) eingeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Derartige Einsäulenverfahren stellen eine bekannte Methode für die Erzeugung gasförmigen Stickstoffs dar. Je nach Bedarf des Verbrauchers des gasförmigen Stickstoffs wird die Einzelsäule dabei unter einem Druck von beispielsweise 6 bis 16 bar, betrieben. Der in einem ersten Prozessstrom vorhandene Druck wird durch arbeitsleistende Entspannung in mechanische Energie umgewandelt, mit der ein Kaltverdichter für einen zweiten Prozessstrom betrieben werden kann. Um außerdem die Prozesskälte zu erzeugen, die zum Ausgleich von Austausch- und Isolationsverlusten benötigt wird, wurde bisher eine zweite Entspannungsmaschine genutzt, die ihre mechanische Energie im Warmen abgibt.
  • Unter "Kaltverdichter" wird hier ein Verdichter verstanden, der bei einer Temperatur betrieben wird, die unter der Umgebungstemperatur liegt; seine Eintrittstemperatur liegt bei 250 K oder weniger, vorzugsweise bei 90 K oder weniger, insbesondere bei 100 K oder weniger.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig sind.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine tiefkalte Flüssigkeit aus einer externen Quelle in die Einzelsäule und/oder in den Kopfkondensator eingeleitet wird. Damit entfällt der entsprechende Aufwand für bewegliche Apparate, der bisher zur Erzeugung der Prozesskälte betrieben wurde. Es ist ferner möglich, die gesamte mechanische Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung des Restgasstroms gewonnen wird, zum Antrieb des ersten Nachverdichters einzusetzen.
  • Unter einer "externen Quelle" wird eine Quelle für Flüssigkeit verstanden, die nicht aus einem Produkt der Einzelsäule erzeugt worden ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Flüssigtank für Stickstoff oder Sauerstoff handeln, der mindesten s teilweise mittels Tankwagens oder einer Pipeline mit Flüssigkeit befällt wird, die in einer anderen Luftzerlegungsanlage oder in einer separaten Verflüssigungsanlage erzeugt worden ist.
  • Vorzugsweise sind die Entspannungsmaschine und der erste Nachverdichter mechanisch gekoppelt, insbesondere über eine gemeinsame Welle.
  • Es ist günstig, wenn mindestens ein Teil der Einsatzluft stromaufwärts ihrer Einleitung in die Einzelsäule als der zweite Prozessstrom in dem Kaltverdichter nachverdichtet wird. Stromabwärts des Hauptluftverdichters wird hierbei die gesamte Einsatzluft oder ein Teil davon auf einen Druck gebracht, der über dem Austrittsdruck des Hauptluftverdichters liegt.
  • Grundsätzlich kann in dem ersten Nachverdichter die gesamte Einsatzluft nachverdichtet werden. In vielen Fällen ist es aber günstiger, wenn nur ein erster Teil der Einsatzluft in dem ersten Nachverdichter nachverdichtet wird, ein zweiter Teil der Einsatzluft in einem zweiten Nachverdichter nachverdichtet wird und beide nachverdichteten Teile der Einsatzluft in die Einzelsäule eingeleitet werden. Damit braucht die Gesamtluft nur auf den Eintrittsdruck der beiden Nachverdichter verdichtet zu werden, also auf ein Niveau, das unterhalb des Betriebsdrucks der Einzelsäule liegt. Die beiden Nachverdichter überwinden dabei beispielsweise ein Druckverhältnis von 1,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,6 bis 2,2. Der zweite Nachverdichter kann beispielsweise einen gemeinsamen Antrieb mit dem Hauptluftverdichter aufweisen, in dem die Gesamtluft verdichtet wird, beispielsweise indem er durch die letzte Stufe einer Kombimaschine gebildet wird, deren übrige Stufen den Hauptluftverdichter darstellen. Alternativ kann der zweite Nachverdichter einen separaten Antrieb aufweisen.
  • Vorzugsweise wird der erste Prozessgasstrom durch ein Restgas aus einem Kopfkondensator der Einzelsäule gebildet, wobei eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit aus der Einzelsäule in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators geleitet und dort mindestens teilweise verdampft wird, ein Restgasstrom aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators abgezogen wird, der Restgasstrom als der erste Prozessstrom in der Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannt wird, ein gasförmiger Strom aus dem oberen Bereich der Einzelsäule in den Verflüssigungsraum des Kopfkondensators geleitet und dort mindestens teilweise verflüssigt wird und Flüssigkeit aus dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators abgezogen und mindestens teilweise als Rücklauf in die Einzelsäule eingespeist wird.
  • Unter "Kopfkondensator" wird hier ein K_V verstanden, der einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum aufweist, die miteinander in indirekter WATbeziehung stehen. Der Kopfkondensator kann in demselben Behälter wie die Einzelsäule oder in einem separaten Behälter angeordnet sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders dann günstig, wenn der Betriebsdruck der Einzelsäule 8 bar oder mehr, insbesondere 9 bar oder mehr, insbesondere 10 bar oder mehr beträgt. Unter "Betriebsdruck der Einzelsäule" wird hier der Druck im Kopf dieser Kolonne verstanden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 7.
    •
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Kaltverdichtung eines Luftteilstroms,
  • 2 eine zweite Ausführungsform mit Kaltverdichtung der Gesamtluft
  • 3 eine weitere Ausführungsform Ausführungsform mit Kaltverdichtung von gasförmigem Stickstoffprodukt und
  • 4 eine Variante mit Kaltverdichtung eines Rückführstroms.
  • Luft 1 wird in einem Hauptluftverdichter 2 mit Nachkühler 3 auf einen Druck vom beispielsweise 6,0 bar verdichtet und anschließend in einer nicht dargestellten Reinigungsvorrichtung, die beispielsweise ein Molekularsieb enthält, gereinigt. Die gereinigte verdichtete Luft 4 wird in einen ersten Teilstrom 5 und einen zweiten Teilstrom 6 verzweigt. In einem konkreten Zahlenbeispiel bilden etwa 75 % der Gesamtluft den ersten Teil 8 der verdichteten Einsatzluft.
  • Der erste Teilstrom 5 ("erster Teil der verdichteten Luft") wird unter etwa dem Austrittsdruck des Hauptluftverdichters 2 dem warmen Ende des HWTs 7 zugeleitet und im HWT durch indirekten WAT mit Rückströmen abgekühlt, in dem Beispiel auf eine Temperatur etwa 100 K). Der auf etwa 100 K abgekühlte erste Teilstrom 8 strömt als "zweiter Prozessstrom" zu einem ersten Nachverdichter 9, der als Kaltverdichter ausgebildet ist. Aus diesem tritt der erste Teilstrom mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 140 K und einem Druck von etwa 10,5 bar aus (Leitung 10) und wird dann an einer dieser Temperatur entsprechenden Zwischenstelle wieder in den HWT 7 eingeführt.
  • Der zweite Teilstrom 6 wird im Warmen in einem zweiten Nachverdichter 11 mit Nachkühler 12 auf denselben Druck wie der erste Teil nachverdichtet. Der zweite Nachverdichter wird in dem Beispiel durch die letzte Stufe eines Kombiverdichters gebildet, dessen übrige Stufen als Hauptluftverdichter 2 betrieben werden. Der nachverdichtete zweite Teilstrom 13 wird dem warmen Ende des HWTs zugeführt. Innerhalb des HWTs 7 wird er mit dem nachverdichteten ersten Teilstrom 10 wieder vereinigt. Die Gesamtluft 14 strömt unter einem Druck von 10,3 bar in den unteren Bereich einer Einzelsäule 15. Am Kopf der Einzelsäule 15 herrscht ein Druck von etwa 10,2 bar.
  • Die Sumpfflüssigkeit der Einzelsäule wird als "sauerstoffangereicherte Flüssigkeit" 16 in einem Drosselventil 17 auf etwa 5,55 bar entspannt und in den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 18 der Einzelsäule eingespeist. Gasförmiger Stickstoff 19 vom Kopf der Einzelsäule 15 wird zu einem ersten Teil 20 als "gasförmiger Strom aus dem oberen Bereich der Einzelsäule" in den Verflüssigungsraum des Kopfkondensators 18 geleitet und kondensiert dort in indirektem WAT mit der verdampfenden Sumpfflüssigkeit. Dabei gewonnene Flüssigkeit 21 wird aus dem Verflüssigungsraum abgezogen und als Rücklauf 22 auf den Kopf der Einzelsäule 15 aufgegeben.
  • Ein Teil 24 des Kopfgases 19 wird im HWT 7 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als gasförmiges Stickstoffprodukt 25 abgegeben.
  • Ein gasförmiger Restgasstrom 26 verlässt den Verdampfungsraum des Kopfkondensators 18 mit einem Druck von 5,55 bar. Nach Anwärmung gegen die Sumpfflüssigkeit 16 in einem UKG 27 strömter über Leitung 28 zum NWT 7 und wird dort auf eine Zwischentemperatur von 130 K angewärmt. Der Restgasstrom wird anschließend über Leitung 29 als "erster Prozessstrom" zu einer Entspannungsmaschine 30 geführt und dort arbeitsleistend von 5,49 auf 1,30 bar entspannt. Anschließend strömt er bei einer Temperatur von etwa 90,5 K zurück zum kalten Ende des HWTs 7 und wird schließlich über Leitung 32 unter Umgebungstemperatur abgezogen.
  • Die Entspannungsmaschine 30 ist in dem Beispiel als Turboexpander ausgebildet. Sie ist über eine gemeinsame Welle mit dem Kaltverdichter 9 verbunden. Die gesamte mechanische Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung des Restgasstroms gewonnen wird, wird auf den Kaltverdichter 9 übertragen.
  • Die Prozesskälte wird durch eine Flüssigkeit aus einer externen Quelle zugeführt, indem flüssiger Stickstoff 223 aus einem Tank in den oberen Bereich der Einzelsäule 15 eingespeist wird.
  • In dem Ausführungsbeispiel von 2 wird die gesamte Einsatzluft 304, 308, 310 durch den Kaltverdichter 9 geleitet.
  • In 3 wird die Gesamtluft 1 in dem Hauptluftverdichter auf etwas über den Betriebsdruck der Einzelsäule gebracht. Eine Nachverdichtung ist hier nicht vorgesehen. Stattdessen wird der Kaltverdichter 409 zur Erhöhung des Abgabedrucks des gasförmigen Stickstoffprodukts 410, 25 genutzt.
  • Abweichend von 3 wird in 4 ein Rückführstrom 508 in dem Kaltverdichter 509 verdichtet, der durch einen Teil des im Verdampfungsraum des Kopfkondensators 18 entstandenen Gases gebildet wird. Der rückverdichtete Strom 510 wird im kalten Teil des HWTs 7 abgekühlt und über Leitung 514 unmittelbar oberhalb des Sumpfs in die Einzelsäule 15 eingespeist. Die Einsatzluft 14 wird hier an einer Zwischenstelle eingeleitet.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem – Einsatzluft (1) verdichtet (2) und einer Einzelsäule (15) zugeleitet wird, – der Einzelsäule (15) und/oder dem Kopfkondensator (18) ein gasförmiges Stickstoffprodukt (24, 25) entnommen wird, – ein erster Prozessstrom (29) in einer Entspannungsmaschine (30) arbeitsleistend entspannt wird, – ein zweiter Prozessstrom (8) in einem Kaltverdichter (9) verdichtet wird und – mindestens ein Teil der mechanischen Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung (30) des ersten Prozessstroms gewonnen wird, zum Antrieb des Kaltverdichters (9) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine tiefkalte Flüssigkeit (223) aus einer externen Quelle in die Einzelsäule (15) und/oder in den Kopfkondensator (18) eingeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsmaschine (30) und der Kaltverdichter (9) mechanisch gekoppelt sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (5, 304) der Einsatzluft stromaufwärts ihrer Einleitung in die Einzelsäule (15) als der zweite Prozessstrom in dem Kaltverdichter (9) nachverdichtet wird.
  4. Verfahren nach einem der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein erster Teil (5) der Einsatzluft in dem Kaltverdichter (9) nachverdichtet wird, ein zweiter Teil (4) der Einsatzluft in einem zweiten Nachverdichter (11) nachverdichtet wird und beide nachverdichteten Teile der Einsatzluft in die Einzelsäule (15) eingeleitet (14) werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – eine sauerstoffangereicherte Flüssigkeit (16) aus der Einzelsäule (15) in den Verdampfungsraum eines Kopfkondensators (18) geleitet und dort mindestens teilweise verdampft wird, – ein Restgasstrom (26, 28, 29, 31, 32) aus dem Verdampfungsraum des Kopfkondensators (18) abgezogen wird, – der Restgasstrom (29) als der erste Prozessstrom in der Entspannungsmaschine (30) arbeitsleistend entspannt wird, – ein gasförmiger Strom (19, 20) aus dem oberen Bereich der Einzelsäule (15) in den Verflüssigungsraum des Kopfkondensators (18) geleitet und dort mindestens teilweise verflüssigt wird und – Flüssigkeit (21) aus dem Verflüssigungsraum des Kopfkondensators (18) abgezogen und mindestens teilweise als Rücklauf (22) in die Einzelsäule (15) eingespeist wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der Einzelsäule (15) 8 bar oder mehr, insbesondere 9 bar oder mehr, insbesondere 10 bar oder mehr beträgt.
  7. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, mit – einem Hauptluftverdichter (2) zur Verdichtung von Einsatzluft (1), – Mitteln (14) zur Einleitung verdichteter Einsatzluft in eine Einzelsäule (15), – einer Stickstoffproduktleitung (24, 25) zum Entnehmen eines gasförmigen Stickstoffprodukts aus der Einzelsäule (15) und/oder dem Kopfkondensator (18), – einer Entspannungsmaschine (30) zur arbeitsleistenden Entspannung eines ersten Prozessstroms (29), – einem Kaltverdichter (9) zum Verdichten eines zweiten Prozessstroms (8) und – Mitteln zur Übertragung mindestens eines Teils der mechanischen Energie, die bei der arbeitsleistenden Entspannung (30) des ersten Prozessstroms gewonnen wird, auf den Kaltverdichter (9). gekennzeichnet durch – Mittel zur Einleitung einer tiefkalten Flüssigkeit (323) aus einer externen Quelle in die Einzelsäule (15) und/oder in den Kopfkondensator (18).
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Cited By (4)

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