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DE10213211A1 - Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung mit abgeschottetem Kreislaufsystem - Google Patents

Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung mit abgeschottetem Kreislaufsystem

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Publication number
DE10213211A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
evaporator
fluid
air
compressor
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10213211A
Other languages
English (en)
Inventor
Horst Corduan
Dietrich Rottmann
Christian Kunz
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to DE10213211A priority Critical patent/DE10213211A1/de
Publication of DE10213211A1 publication Critical patent/DE10213211A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Das Verfahren dient zur Tieftemperatur-Luftzerlegung. Einsatzluft wird in ein Rektifiziersystem eingeleitet, das eine Trennsäule oder mehrere miteinander verbundene Trennsäulen (3, 4) aufweist. Ein Produktstrom (11, 15) wird in flüssiger Form aus dem Rektifiziersystem entnommen, in einem Produktverdampfer (17) durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und als gasförmiges Produkt (18) abgezogen. Ein Kreislauffluid (19) wird in einem Kreislaufsystem geführt, indem es in einem Kreislaufverdichter (20) verdichtet, mindestens zum Teil in dem Produktverdampfer (17) verflüssigt und anschließend wieder zum Kreislaufverdichter (20) zurückgeführt (23, 26, 27, 28, 29, 30, 31) wird. Das verflüssigte Kreislauffluid (23) wird stromaufwärts des Kreislaufverdichters durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Heizfluid in einem Kondensator-Verdampfer (25) verdampft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung gemäß Patentanspruch 1.
Durch den Kondensator-Verdampfer, in dem das verflüssigte Kreislauffluid rückverdampft wird, kann die - sonst bei derartigen Kreisläufen übliche - Einführung von verflüssigtem Kreislauffluid in eine oder mehrere Trennsäulen vermieden werden. Vorzugsweise kein Teil des in dem Kreislaufverdichter verdichteten Kreislauffluids in die Trennsäule beziehungsweise in eine der Trennsäulen des Rektifiziersystems eingeleitet werden. Das Rektifiziersystem ist damit vom Kreislaufsystem abgeschottet. Es wird damit unter allen Umständen vermieden, dass Verunreinigungen aus dem Kreislaufsystem in das Rektifiziersystem gelangen. Dies bewirkt ein besonders hohes Maß an betriebstechnischer Sicherheit in dem Rektifiziersystem. Sollte das Kreislauffluid durch Öl aus dem Kreislaufverdichter oder einer Turbine kontaminiert werden, hat dies keinerlei Einfluss auf des Rektifiziersystem.
In umgekehrter Richtung kann (muss aber nicht) das Kreislaufsystem durch Fluid aus dem Rektifiziersystem befüllt werden, beispielsweise zum Ausgleich von Verlusten. Dabei muss ein Rückströmen von Kreislauffluid in das Rektifiziersystem wirksam verhindert werden.
Das Kreislauffluid kann durch jedes geeignete Fluid gebildet werden. Vorzugsweise wird eine Luftkomponente oder ein Gemisch aus Luftkomponenten, beispielsweise Stickstoff oder Luft, eingesetzt.
Vorzugsweise wird die Verflüssigungskälte aus dem kondensierten Kreislauffluid auf ein Heizfluid übertragen, das aus dem Rektifiziersystem stammt und/oder in das Rektifiziersystem eingeleitet wird, insbesondere in eine oder mehrere Trennsäulen. Damit geht diese Kälte dem Trennprozess nicht verloren.
Selbstverständlich kann in dem Kreislaufsystem auf die übliche Weise Verfahrenskälte erzeugt werden, indem eine oder mehrere Entspannungsmaschinen (zum Beispiel Turbinen) eingesetzt werden. Selbstverständlich wird das Turbinenabgas im Rahmen des hier beschriebenen Konzepts nicht in das Rektifiziersystem eingeleitet, sondern zum Kreislaufverdichter zurückgeführt.
Alternativ oder zusätzlich zu der in den Kreislauf eingebundenen Turbine könnte Gas (zum Beispiel Stickstoff) aus einer der Trennsäulen des Rektifiziersystems (beispielsweise der Drucksäule eines Zwei-Säulen-Systems) entnommen, arbeitsleistend entspannt und aus dem Verfahren entfernt werden. Auch in diesem Fall wird sichergestellt, dass im Falle einer Kontaminierung des Turbinenabgases kein Öl in die Rektifikation gelangt.
Besonders günstig ist es, als Kondensator-Verdampfer einen Fallfilmverdampfer einzusetzen. Durch die geringe Temperaturdifferenz tritt nur eine geringe Irreversibilität auf. Das Verfahren arbeitet - trotz der kompromisslosen Abschottung zwischen Kreislauf und Rektifikation - energetisch besonders günstig.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Verdichtete und gereinigte Luft 1 wird in einem Hauptwärmetauscher 2 auf etwa Taupunkt abgekühlt und in die Drucksäule 3 eines Rektifiziersystems eingeleitet. Das Rektifiziersystem umfasst in dem Ausführungsbeispiel außerdem eine Niederdrucksäule 4, die über einen Hauptkondensator 5 auf die übliche Weise thermisch mit der Drucksäule 3 gekoppelt ist.
Rohsauerstoff 6, 7 vom Sumpf der Drucksäule und Stickstoff 8, 9 vom Kopf der Drucksäule werden flüssig in die Niederdrucksäule eingespeist, nachdem sie in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 10 abgekühlt wurden. Als Produkte verlassen flüssiger Sauerstoff 11 und gasförmiger Stickstoff 12 die Niederdrucksäule 4. Letzterer wird in den Wärmetauschern 10 und 2 angewärmt und schließlich als Produkt-, Rest- und/oder Regeneriergas 13 abgezogen.
Ein Teil des flüssigen Sauerstoffs 11 aus der Niederdrucksäule 4 wird über eine Pumpe 14 in den Verdampfungsraum des Hauptkondensators 5 gefördert. Ein anderer Teil 15 bildet den "Produktstrom", wird mittels einer Pumpe 16 auf den benötigten Produktdruck gebracht und in einem Produktverdampfer 17 verdampft. (Die Worte "verdampfen" und "kondensieren"/"verflüssigen" sind in dieser Anmeldung in einem verallgemeinerten Sinne zu verstehen, sodass auch eine Pseudo-Verdampfung und eine Pseudo-Verflüssigung bei überkritischem Druck umfasst sind.) In dem Produktverdampfer findet bei dem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Anwärmung auf etwa Umgebungstemperatur statt, unter der das gasförmige Produkt 18 schließlich abgezogen wird.
Zur Verdampfung und Anwärmung des Produktstroms 15 dient ein Kreislaufsystem, in dem Stickstoff 19 in einem Kreislaufverdichter 20 mit Nachkühler 21 auf den benötigten Druck verdichtet, über Leitung 22 in den Produktverdampfer 17 eingeleitet, und dort zum Teil verflüssigt wird. Der Produktverdampfer 17 stellt hier gleichzeitig den Kreislauf-Wärmetauscher des Kreislauf-Systems dar. Das verflüssigte Kreislauffluid 23 wird auf etwa den Betriebsdruck der Drucksäule 3 entspannt (24) und in den Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers 25 eingeleitet, der vorzugsweise als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist. (Auf das bei einem Fallfilmverdampfer häufig notwendige Umwerfen von nicht verdampfter Flüssigkeit kann hier verzichtet werden, da hier ausschließlich Stickstoffströme eingesetzt werden und daher systembedingt keinerlei sicherheits- oder betriebstechnisches Risiko besteht.) In dem Kondensator- Verdampfer 25 erzeugter Stickstoff-Dampf 26, 27, 28, 29 wird in den Wärmetauschern 17 und 2 angewärmt und über die Leitungen 30, 31 und 19 zum Kreislaufverdichter zurückgeführt. In dem Kreislaufsystem wird außerdem Kälte durch arbeitsleistende Entspannung 33 eines Teils 32 des Kreislauffluids 22 gewonnen. Bei Bedarf kann gasförmiger Stickstoff 34 aus der Drucksäule 3 über Ventil 35 in das Kreislaufsystem eingeführt werden, um Leckverluste auszugleichen; der Druck in der Kreislaufrückführleitung 26, 27, 28, 29 ist dazu geringfügig niedriger als der Druck am Kopf der Drucksäule 3.
In dem Verflüssigungsraum des Kondensator-Verdampfers 25 kondensiert gasförmiger Stickstoff 34, 36 vom Kopf der Drucksäule 3 unter dem Betriebsdruck dieser Säule. Die dabei gebildete Flüssigkeit fließt über Leitung 37 zurück in die Drucksäule (beziehungsweise über die Leitungen 8 und 9 weiter in die Niederdrucksäule 4).
Selbstverständlich ist es bei dem Verfahren möglich, ein oder mehrere Flüssigprodukte, zum Beispiel aus den Strömen 9, 11, 23 und/oder 37 zu gewinnen.
Die hier gelehrte spezielle Art der Abschottung des Kreislaufs mittels des Kondensator- Verdampfers 25 ist unabhängig von der Ausbildung des Rektifiziersystems. Diese Lehre kann bei jedem Luft- oder Gaszerlegungsprozess angewendet werden, insbesondere bei jedem Luftzerlegungssystem, beispielsweise bei einem Einsäulen- Verfahren, bei jedem anderen Zwei-Säulen-Verfahren und auch bei Drei- und Mehr- Säulen-Verfahren zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung. Selbstverständlich kann das Rektifiziersystem außerdem weitere Säulen zur Gewinnung von Edelgasen, beispielsweise Argon, Krypton und/oder Xenon aufweisen.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel können zwei oder mehr Turbinen in dem Kreislaufsystem eingesetzt werden.
Das Ausführungsbeispiel kann abgewandelt werden, indem an Stelle von Stickstoff Luft als Kreislauffluid eingesetzt wird. In diesem fall ist es jedoch günstiger als Kondensator einen ein- oder mehrstufigen Badverdampfer (Thermosiphon-Verdampfer, Umlaufverdampfer) einzusetzen, beispielsweise einen Kaskadenverdampfer, wie er in EP 1160527 A1, EP 1160526 A1 oder in der nicht vorveröffentlichten DE 10 13 7103 A1 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen beschrieben ist.
Ein ähnliches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind in D.E. Smith, Advances in Cryogenic Engineering, 1961, 202-209, Fig. 4 gezeigt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung, bei dem Einsatzluft in ein Rektifiziersystem eingeleitet wird, das eine Trennsäule oder mehrere miteinander verbundene Trennsäulen (3, 4) aufweist, ein Produktstrom (11, 15) in flüssiger Form aus dem Rektifiziersystem entnommen, in einem Produktverdampfer (17) durch indirekten Wärmeaustausch verdampft und als gasförmiges Produkt (18) abgezogen wird, ein Kreislauffluid (19) in einem Kreislaufsystem geführt wird, indem es in einem Kreislaufverdichter (20) verdichtet, mindestens zum Teil in dem Produktverdampfer verflüssigt und anschließend wieder zum Kreislaufverdichter (20) zurückgeführt (23, 26, 27, 28, 29, 30, 31) wird, wobei das verflüssigte Kreislauffluid (23) stromaufwärts des Kreislaufverdichters durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kondensierenden Heizfluid (34, 36) in einem Kondensator-Verdampfer (25) verdampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kreislauffluid eine Luftkomponente oder ein Gemisch aus Luftkomponenten, beispielsweise Stickstoff oder Luft, eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Kondensator-Verdampfer (25) kondensierte Heizfluid (37) in eine oder mehrere der Trennsäulen (3, 4) des Rektifiziersystems eingeleitet wird.
t. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid (34, 36) vor seiner Einleitung in den Kondensator-Verdampfer (25) aus einer oder mehreren der Trennsäulen (3, 4) des Rektifiziersystems entnommen wird.
i. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (32) des in dem Kreislaufverdichter verdichteten Kreislauffluids (22) arbeitsleistend entspannt (33) und wieder zum Kreislaufverdichter (20) zurückgeführt (29, 31, 19) wird.
i. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator-Verdampfer (25) als Fallfilmverdampfer betrieben wird.
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