DE69100585T2

DE69100585T2 - Tieftemperatur-Lufttrennung mit doppelten Nebenkondensatoren für die Zufuhrluft.

Info

Publication number: DE69100585T2
Application number: DE91110567T
Authority: DE
Inventors: James Robert Dray; David Ross Parsnick
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: ES2045990T3; CN1041460C; CA2045738C; DE69100585D1; KR960003272B1; CA2045738A1; CN1058468A; KR920000364A; EP0464635B1; US5098456A; JPH04227456A; EP0464635A1; BR9102695A

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Tieftemperatur-Luftzerlegung und genauer betrifft sie die Erzeugung von Produktgas mit erhöhtem Druck aus der Luftzerlegung.
Ein häufig benutztes kommerzielles System für die Zerlegung von Luft, ist Tieftemperaturrektifikation. Die Zerlegung wird durch erhöhten Druck des Einsatzfluids vorangetrieben, der im allgemeinen dadurch erzielt wird, daß Einsatzluft in einem Kompressor verdichtet wird, bevor sie in ein Kolonnensystem eingeleitet wird. Die Zerlegung wird ausgeführt, indem Flüssigkeit und Dampf in einem Kontakt im Gegenstrom durch die Kolonne oder die Kolonnen an Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelementen geleitet werden, wo durch die flüchtigere(n) Komponente(n) von der Flüssigkeit in den Dampf geleitet wird (werden), und die weniger flüchtigere(n) Komponente(n) von dem Dampf in die Flüssigkeit geleitet wird (werden). Wenn der Dampf in einer Kolonne nach oben steigt, wird er fortschreitend reicher an den stärker flüchtigen Komponenten, und wenn die Flüssigkeit in einer Kolonne nach unten strömt, wird sie fortschreitend reicher an den weniger flüchtigen Komponenten. Im allgemeinen wird die Tieftemperaturzerlegung in einem Hauptkolonnensystem ausgeführt, das mindestens eine Kolonne aufweist, in der das Einsatzfluid in stickstoffreiche und sauerstoffreiche Komponenten getrennt wird, und in einer Hilfsargonkolonne, in der Einsatzfluid von dem Hauptkolonnensystem in argonreichere und sauerstoffreichere Komponenten zerlegt wird.
Bei einem Verfahren dieser Art ist auch bekannt (WO-A-8 805 148), zumindest einen nicht kondensierten Teil eines Hauptanteils der Einsatzluft in eine mit höherem Druck arbeitende Kolonne des Hauptkolonnensystems zu leiten; die Überkopfflüssigkeit von der mit höherem Druck arbeitenden Kolonne abzuziehen, und mindestens eine Teilmenge davon in eine mit niedrigerem Druck arbeitende Kolonne des Hauptkolonnensystems als Überkopfrücklauf einzuleiten; einen kleineren Anteil der Einsatzluft auf einen Zwischendruck unter Erzeugung von Arbeit zu expandieren; die expandierte Luft mittels Austausch von latenter Wärme mit zumindest einer Flüssigkeit der Zwischenhöhe der mit niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne und zumindest eine Teilmenge der Sumpfflüssigkeit der mit höherem Druck arbeitenden Kolonne zu kondensieren; und die sich ergebende flüssige Luft in mindestens zwei Anteile zu zerlegen, und einen Anteil einer Zwischenrücklaufhöhe der mit höherem Druck arbeitenden Kolonne und einen anderen Anteil der mit niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne zuzuführen.
Oft ist er erwünscht, Produktgas von dem Luftzerlegungssystem bei einem erhöhten Druck zu gewinnen. Im allgemeinen wird dies ausgeführt, indem das Produktgas mittels Durchleitens durch einen Kompressor auf einen höheren Druck verdichtet wird. Solch ein System ist wirkungsvoll, jedoch ist es recht kostspielig. Außerdem kann es in manchen Situationen auch erwünscht sein, flüssiges Produkt in der Luftzerlegungsanlage zu erzeugen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zur Erzeugung von Produktgas mit erhöhtem Druck zu schaffen, während die Notwendigkeit einer Verdichtung des Produktgases vermindert oder vermieden wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zur Erzeugung von Produktgas mit erhöhtem Druck zu schaffen, während gleichzeitig flüssiges Produkt erzeugt wird.
Die obigen und andere Aufgaben, die Fachleuten aus dem Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, bei der im allgemeinen ein Teil der verdichteten Einsatzluft zur Kühlung der Anlage turboexpandiert wird, eine gewisse Menge des turboexpandierten Einsatzfluids gegen verdampfende Flüssigkeit zur Erzeugung eines Produktgases mit niedrigerem Druck kondensiert wird, und ein anderer Teil der Einsatzluft gegen eine verdampfende Flüssigkeit zur Erzeugung eines Produktgases mit höherem Druck kondensiert wird.
Genauer lautet ein Aspekt der vorliegenden Erfindung:
Ein Verfahren für das Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas, bei dem:
(A) mindestens eine gewisse Menge eines ersten Teils von gekühlter, verdichteter Einsatzluft kondensiert und erhaltene Flüssigkeit in eine erste Kolonne einer Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, wobei die erste Kolonne bei einem Druck im wesentlichen im Bereich von 4 bis 7 bar (60 bis 100 psia) arbeitet;
(B) ein zweiter Teil der gekühlten, verdichteten Luft turboexpandiert und eine erste Teilmenge der erhaltenen turboexpandierten Einsatzluft in die erste Kolonne in Dampfform eingeleitet wird;
(C) mindestens eine gewisse Menge einer zweiten Teilmenge der turboexpandierten Einsatzluft kondensiert und das erhaltene Fluid in die erste Kolonne eingeleitet wird;
(D) die in die erste Kolonne eingeleiteten Fluide in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide zerlegt werden und diese Fluide in eine zweite Kolonne der Luftzerlegungsanlage eingeleitet werden, wobei die zweite Kolonne bei einem Druck arbeitet, der niedriger als der Druck der ersten Kolonne ist;
(E) die in die zweite Kolonne eingeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit zerlegt werden;
(F) sauerstoffreiche Flüssigkeit von der zweiten Kolonne abgezogen wird und ein erster Teil der ab gezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit der zweiten Teilmenge der turboexpandierten Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (C) durchzuführen;
(G) der Druck eines zweiten Teils der ab gezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erhöht wird und die erhaltene Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten Teil der Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (A) durchzuführen; und
(H) Dampf, der auf den Wärmeaustausch der Verfahrensschritte (F) und (G) zurückgeht, als Produkt Sauerstoffgas mit niedrigerem Druck bzw. als Produkt Sauerstoffgas mit höherem Druck gewonnen wird.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung lautet:
Eine Vorrichtung für das Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas mit:
(A) einer Luftzerlegungsanlage, die eine erste Kolonne, eine zweite Kolonne, einen Aufkocher, eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von der ersten Kolonne zu dem Aufkocher und eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Aufkocher zu der zweiten Kolonne aufweist;
(B) einem ersten Kondensator, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem ersten Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem ersten Kondensator in die erste Kolonne;
(C) einem Turboexpander, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem Turboexpander und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Turboexpander in die erste Kolonne;
(D) einem zweiten Kondensator, einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Turboexpander zu dem zweiten Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem zweiten Kondensator in die erste Kolonne;
(E) einer Anordnung zum Überleiten eines ersten flüssigen Produktstroms von der zweiten Kolonne zu dem zweiten Kondensator und einer Anordnung zum Gewinnen des verdampften ersten flüssigen Produktstroms von dem zweiten Kondensator als ein Produktgas mit niedrigerem Druck; und
(F) einer Anordnung zum Überleiten eines zweiten flüssigen Produktstroms von der zweiten Kolonne zu dem ersten Kondensator, wobei diese Anordnung eine Anordnung zum Erhöhen des Druckes des flüssigen Stroms und eine Anordnung zum Gewinnen des verdampften zweiten flüssigen Produktstroms von dem ersten Kondensator als Produktgas mit höherem Druck aufweist.
Der Begriff "Kolonne" wie hier benutzt bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Zerlegung eines Fluidgemisches zu bewirken, zum Beispiel durch das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen an einer Reihe von vertikal in Abstand angeordneten Böden oder Platten, die innerhalb der Kolonne angebracht sind, oder alternativ an Packungselementen. Für eine weitere Beschreibung von Destillationskolonnen wird verwiesen auf Chemical Engineers' Handbook, fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, "Distillation" B.D. Smith et. al., Seite 13-3 The Continuous Distillation Process. Der Begriff Doppelkolonne, wie hier benutzt, bezeichnet eine Kolonne mit höherem Druck, deren oberes Ende in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer Kolonne mit niedrigerem Druck steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman, "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Argonkolonne" eine Kolonne, in der nach oben strömender Dampf fortschreitend durch Gegenstrom gegen eine nach unten fließende Flüssigkeit mit Argon angereichert wird, wobei ein Argonprodukt von der Kolonne entnommen wird.
Der Begriff "indirekter Wärmeaustausch", wie hier benutzt, bedeutet, daß zwei Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physikalischer Kontakt oder eine Durchmischung der Fluide miteinander staftfindet.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelemente" jegliche Vorrichtungen, die sich in Kolonnen befinden, um den Stoffübergang oder die Trennung von Komponenten an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu erleichtern.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Boden" eine im wesentlichen flache Platte mit Öffnungen und Ein- und Auslässen für Flüssigkeit, so daß die Flüssigkeit über die Platte fließen kann, wenn Dampf durch die Öffnungen steigt, um einen Stoffübergang zwischen den beiden Phasen zu ermöglichen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Packung" jeden ausgefüllten oder hohlen Körper mit vorbestimmter Anordnung, Größe und Form, der im Innern von Kolonnen benutzt wird, um Oberfläche für die Flüssigkeit zu schaffen, um einen Stoffübergang an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Dampf während eines Gegenstromes der beiden Phasen zu ermöglichen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Zufallspackung" Packung, bei der einzelne Körper keine spezielle Ausrichtung bezüglich anderer Körper oder der Kolonnenachse haben.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "strukturierte Packung" Packung, bei der einzelne Körper eine spezielle Ausrichtung bezüglich anderer Körper und der Kolonnenachse haben.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "theoretische Stufe" den idealen Kontakt zwischen nach oben strömendem Dampf und nach unten strömender Flüssigkeit in eine Stufe, so daß die austretenden Ströme im Gleichgewicht sind.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Turboexpansion" den Fluß eines Gases hohen Drucks durch eine Turbine zur Verminderung von Druck und Temperatur des Gases und gleichzeitig zum Bewirken einer Kühlung. Typischerweise wird ein Ladegerät wie z.B. ein Generator, ein Dynamometer oder ein Kompressor benutzt, um die Energie zurückzugewinnen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Kondensator" einen Wärmetauscher, der benutzt wird, um einen Dampf mittels indirektem Wärmeaustausch zu kondensieren.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Aufkocher" einen Wärmetauscher, der benutzt wird, um eine Flüssigkeit mittels indirektem Wärmeaustausch zu verdampfen. Aufkocher werden typischerweise am Sumpf von Destillationskolonnen benutzt, um für einen Dampfstrom zu den Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelementen zu sorgen.
Wie hier benutzt, bezeichnet der Begriff "Luftzerlegungsanlage" eine Anlage, in der Luft mittels Tieftemperaturrektifikation zerlegt wird, und die mindestens eine Kolonne und eine zugehörige Verbindungsausrüstung wie z.B. Pumpen, Leitungen, Ventile und Wärmetauscher aufweist.
Figur 1 ist ein vereinfachtes schematisches Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Tieftemperatur-Luftzerlegungssystems gemäß dieser Erfindung.
Figur 2 ist eine graphische Darstellung des Luftkondensationsdrucks gegenüber dem Druck des siedenden Sauerstoffs.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird Einsatzluft 100, die auf einen Druck im allgemeinen im Bereich von 6,2 bis 34,5 bar (90 bis 500 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia)) verdichtet wurde, durch indirekten Wärmeaustausch gegen Rückströme mittels Durchleitens durch einen Wärmetauscher 101 gekühlt.
Ein erster Teil 106 der gekühlten, verdichteten Einsatzluft wird einem Kondensator 107 zugeführt, in dem er mindestens teilweise mittels indirektem Wärmeaustausch mit verdampfender Flüssigkeit, die der Luftzerlegungsanlage entnommen wurde, kondensiert wird. Im allgemeinen weist der erste Teil 106 5 bis 35 Prozent der Einsatzluft 100 auf. Die sich ergebende Flüssigkeit wird in Kolonne 105 eingeleitet, die bei einem Druck arbeitet, der im allgemeinen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) liegt. Falls der Strom 106 nur teilweise kondensiert ist, kann der sich ergebende Strom 160 direkt in die Kolonne 105 geleitet werden, oder er kann wie gezeigt in Figur 1 zu einem Abscheider 108 geleitet werden. Flüssigkeit 109 von dem Abscheider 108 wird dann in die Kolonne 105 geleitet. Die Flüssigkeit 109 kann mittels Durchleitens durch Wärmetauscher 110 weiter gekühlt werden, bevor sie in Kolonne 105 geleitet wird. Ein Kühlen des kondensierten Teils der Einsatzluft verbessert die Flüssigkeitserzeugung des Verfahrens.
Dampf 111 von Abscheider 108 kann direkt in die Kolonne 105 geleitet werden, oder er kann in Wärmetauscher 112 gegen Rückströme gekuhlt oder kondensiert und dann in die Kolonne 105 geleitet werden. Weiterhin kann ein vierter Teil 113 der gekühlten, verdichteten Einsatzluft in dem Wärmetauscher 112 gegen Rückströme gekuhlt oder kondensiert und dann in die Kolonne 105 geleitet werden. Die Ströme 111 und 113 können benutzt werden, um die Temperatur des Anteils der Einsatzluft einzustellen, der turboexpandiert wird. Zum Beispiel wird eine Vergrößerung des Stromes 113 die Erwärmung der Rückströme in dem Wärmetauscher 112 vergrößern, und dadurch wird die Temperatur des Einsatzluftstromes 103 angehoben. Die höhere Einlaßtemperatur zu Turpoexpander 102 kann die entwickelte Kühlung vergrößern, und sie kann die Auslaßtemperatur der expandierten Luft steuern, um jeglichen Flüssigkeitsgehalt zu vermeiden. Wenn die Luftzerlegungsanlage eine Argonkolonne aufweist, kann ein dritter Teil 120 der gekühlten, verdichteten Einsatzluft mittels indirektem Wärmeaustausch wie z.B. in Wärmetauscher 122 weiter gekühlt oder kondensiert werden, wobei Fluid in der Argonkolonne erzeugt und dann in die Kolonne 105 geleitet wird.
Ein zweiter Teil 103 der gekühlten, verdichteten Einsatzluft wird dem Turboexpander 102 zugeführt, und er wird auf einen Druck turboexpandiert, der im allgemeinen im Bereich von 4,1 bis 6,9 bar (60 bis 100 psia) liegt. Im allgemeinen wird der zweite Teil 103 60 bis 90 Prozent der Einsatzluft 100 enthalten. Die sich ergebende turboexpandierte Einsatzluft 104 kann in eine erste Teilmenge 147 und eine zweite Teilmenge 146 getrennt werden. Die erste Teilmenge 147, die 0 bis 75 Prozent des turboexpandierten zweiten Teils 104 enthält, wird falls eingesetzt in die Kolonne 105 an einer Stelle geleitet, die tiefer liegt, als die Stelle, an der der kondensierte erste Teil der Einsatzluft in die Kolonne 105 eingeleitet wird. Die zweite Teilmenge 146, die 25 bis 100 Prozent des turboexpandierten zweiten Teils 104 enthält, wird zu Kondensator 149 geleitet, in dem mindestens eine gewisse Menge der zweiten Teilmenge 146 kondensiert wird, und diese wird dann in die Kolonne 105 geleitet. Vorzugsweise wird wie veranschaulicht in Figur 1 die zweite Teilmenge 146 mit dem verfiüssigten ersten Teil der Einsatzluft kombiniert und in die Kolonne 105 geleitet.
Innerhalb der ersten Kolonne 105 werden die in die Kolonne eingebrachten Fluide mittels Tieftemperaturdestillation in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide zerlegt. Bei der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform ist die erste Kolonne die mit höherem Druck arbeitende Kolonne eines Doppelkolonnensystems. Mit Stickstoff angereicherter Dampf 161 wird von der Kolonne 105 abgezogen und in Aufkocher 162 gegen siedende Sumpfflüssigkeit der Kolonne 130 kondensiert. Die sich ergebende Flüssigkeit 163 wird in einen Strom 164, der zu der Kolonne 105 als flüssiger Rücklauf zurückgeführt wird, und in einen Strom 118 getrennt, der in Wärmetauscher 112 unterkühlt und in der zweiten Kolonne 130 der Luftzerlegungsanlage entspannt wird. Die zweite Kolonne 130 arbeitet bei einem Druck, der geringer als der der ersten Kolonne 105 ist, und der im allgemeinen im Bereich von 1 bis 2 bar (15 bis 30 psia) liegt. Flüssiges Stickstoffprodukt kann von Strom 118 gewonnen werden, bevor es in die Kolonne 130 entspannt wird, oder es kann, wie veranschaulicht in Figur 1, direkt von der Kolonne 130 als Strom 119 entnommen werden, um den Tank-Flashoff zu minimieren.
Mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit wird von der Kolonne 105 als Strom 117 abgezogen, in dem Wärmetauscher 112 unterkühlt und in die Kolonne 130 geleitet. Falls die Luftzerlegungsanlage wie veranschaulicht in Figur 1 eine Argonkolonne aufweist, kann der ganze Strom 117 oder eine Teilmenge davon in den Kondensator 131, der zum Kondensieren des Kopfdampfes der Argonkolonne dient, entspannt werden. Die sich ergebenden, Dampf bzw. Flüssigkeit aufweisenden Ströme 165 und 166 werden dann von dem Kondensator 131 in die Kolonne 130 übergeleitet.
Innerhalb der Kolonne 130 werden die Fluide mittels Tieftemperaturdestillation in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit zerlegt. Stickstoffreicher Dampf wird von der Kolonne 130 als Strom 114 abgezogen, mittels Durchleitens durch die Wärmetauscher 112 und 101 auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und als Produktstickstoffgas gewonnen. Zu Zwecken der Steuerung der Kolonnenreinheit wird ein stickstoffreicher Abfallstrom 115 von der Kolonne 130 an einer Stelle abgezogen, die zwischen den Einleitungsstellen für die Ströme des mit Stickstoff angereicherten Einsatzfluids und des mit Sauerstoff angereicherten Einsatzfluids liegt, und er wird mittels Durchleitens durch die Wärmetauscher 112 und 101 erwärmt, bevor er in die Atmosphäre abgelassen wird. Durch den Gebrauch dieser Erfindung sind Stickstoffausbeuten von bis zu 90 Prozent oder mehr möglich.
Wie erwähnt enthält die in Figur 1 veranschaulichte Ausführungsform eine Argonkolonne in der Luftzerlegungsanlage. Bei solch einer Ausführungsform wird ein hauptsächlich Sauerstoff und Argon aufweisender Strom von Kolonne 130 in die Argonkolonne 132 geleitet 134, in der er mittels Tieftemperaturdestillation in sauerstoffreichere Flüssigkeit und argonreicheren Dampf zerlegt wird. Sauerstoffreichere Flüssigkeit wird als Strom 133 zu Kolonne 130 zurückgeführt. Argonreicherer Dampf wird zu dem Argonkolonnenkondensator 131 geleitet 167 und gegen mit Sauerstoff angereichertes Fluid kondensiert, um argonreichere Flüssigkeit 168 zu erzeugen. Ein Teil 169 der argonreicheren Flüssigkeit wird als flüssiger Rücklauf für Kolonne 132 benutzt. Ein anderer Teil 121 der argonreicheren Flüssigkeit wird als Rohargonprodukt gewonnen, dessen Argonkonzentration im allgemeinen 96 Prozent übersteigt. Wie veranschaulicht in Figur 1 kann der Rohargonproduktstrom 121 in dem Argonkolonnen- Wärmetauscher 122 gegen den Einsatzluftstrom 120 erwärmt oder verdampft werden, bevor er weiter gereinigt und gewonnen wird.
Sauerstoffreiche Flüssigkeit 140 wird von der Kolonne 130 abgezogen und vorzugsweise auf einen Druck verdichtet, der größer als der von Kolonne 130 ist, entweder mittels einer Anderung der Höhe, d.h. der Erzeugung einer Flüssigkeitsdruckhöhe wie veranschaulicht in Figur 1, mittels Pumpens, mittels Einsatzes eines unter Druck stehenden Speichertanks oder mittels jeglicher Kombination dieser Verfahren. Die abgezogene Flüssigkeit wird in einen ersten Teil 144, der 10 bis 90 Prozent der abgezogenen Flüssigkeit 140 enthält, und in einen zweiten Teil 148, der 10 bis 90 Prozent der abgezogenen Flüssigkeit 140 enthält, geteilt. Der erste Teil 144 wird dann in einen Kondensator oder Produktkocher 149 eingeleitet, in dem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit der kondensierenden zweiten Teilmenge der turboexpandierten Einsatzluft verdampft wird. Gasförmiger Produktsauerstoff 145 wird von dem Kondensator 149 übergeleitet, durch den Wärmetauscher 101 erwärmt und als Produktsauerstoffgas mit niedrigerem Druck gewonnen. Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff "gewonnen" jede Behandlung des Gases oder der Flüssigkeit, einschließlich des Ablassens in die Atmosphäre. Flüssiger Sauerstoff kann ebenfalls von dem Strom 140 oder dem Kondensator 149 gewonnen werden.
Der zweite Teil 148 der abgezogenen Flüssigkeit wird mittels Erzeugung einer Flüssigkeitsdruckhöhe und mittels Durchleitens durch Pumpe 141, wie veranschaulicht in Figur 1, auf einen Druck verdichtet, der größer als der des ersten Teils ist. Die sich ergebende Flüssigkeit 142 höheren Drucks wird dann mittels Durchleitens durch den Wärmetauscher 110 erwärmt und in den Kondensator oder Produktkocher 107 gedrosselt, in dem sie mindestens teilweise mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem kondensierenden ersten Teil der Einsatzluft verdampft wird. Gasförmiger Produktsauerstoff 143 wird von dem Kondensator 107 übergeleitet, durch den Wärmetauscher 101 erwärmt und als Produktsauerstoffgas höheren Drucks gewonnen. Von dem Kondensator 107 kann Flüssigkeit 116 entnommen, mittels Durchleitens durch Wärmetauscher 112 unterkuhlt und als flüssiger Produktsauerstoff gewonnen werden. Im allgemeinen liegt der Druck des Sauerstoffproduktgases niedrigeren Drucks im Bereich von 1,4 bis 2,4 bar (20 bis 35 psia) und der Druck des Sauerstoffproduktgases höheren Drucks liegt im Bereich von 2,7 bis 17,2 bar (40 bis 250 psia).
Der Sauerstoffgehalt der Flüssigkeit vom Sumpf der Kolonne 105 ist niedriger als bei einem konventionellen Verfahren, bei dem kein Luftkondensator benutzt wird. Dies ändert die Rücklaufverhältnisse in den Sumpf der Kolonne 105 und in alle Abschnitte der Kolonne 130, im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren. Mit der Erfindung sind hohe Produktausbeuten möglich, da eine Kühlung bewirkt wird, ohne daß ein Dampfentzug von der Kolonne 105 oder eine zusätzliche Dampfzufuhr zu Kolonne 130 erforderlich wäre.
Das Bewirken einer Kühlung durch die Zugabe von dampfförmiger Luft von einer Turbine zu Kolonne 130 oder durch das Entfernen von dampfförmigem Stickstoff von Kolonne 105 um diesen einer Turbine zuzuführen, würde die Rücklaufverhältnisse in Kolonne 130 verändern und die Produktausbeuten erheblich herabsetzen. Bei der Erfindung können leicht hohe Rücklaufverhältnisse und somit hohe Produktausbeuten und hohe Produktreinheiten beibehalten werden. Durch den Gebrauch des Systems gemäß dieser Erfindung sind Sauerstoffausbeuten von bis zu 99,9 Prozent möglich. Es kann Sauerstoffprodukt gewonnen werden, dessen Reinheit im allgemeinen im Bereich von 95 bis 99,95 Prozent liegt.
Zusätzliche Flexibilität könnte gewonnen werden, indem die Einsatzluft aufgeteilt wird, bevor sie in den Wärmetauscher 101 gelangt. Die Luft könnte bei zwei unterschiedlichen Drücken zugeführt werden, falls die Anforderungen an die Flüssigkeitserzeugung nicht mit den Anforderungen an den Produktdruck übereinstimmen. Eine Erhöhung des Produktdruckes wird den Luftdruck anheben, der bei den Produktkochern erforderlich ist, während erhöhte Flüssigkeitsanforderungen den am Turbineneinlaß erforderlichen Luftdruck anheben würde.
Die in Figur 1 veranschaulichte Ausführungsform veranschaulicht die Kondensation von Luft, die zur Erzeugung von Produktsauerstoffgas zugeführt wird. Figur 2 veranschaulicht den zur Erzeugung von Sauerstoffgasprodukt erforderlichen Luftkondensationsdruck über einen Druckbereich für Temperaturdifferenzen ΔT zum Sieden des Produkts von 1 und 2 ºK. Zwischen Strömen in jedem indirekten Wärmetauscher wird es eine endliche Temperaturdifferenz (ΔT) geben. Eine Erhöhung der Oberfläche des Wärmetauschers und/oder der Wärmeübergangskoeffizienten wird die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den Strömen herabsetzen. Für einen festen Sauerstoffdruckbedarf wird eine Verminderung von ΔT eine Verminderung des Luftdrucks ermöglichen, wobei die zum Verdichten der Luft erforderliche Energie abnimmt und die Betriebskosten gesenkt werden.
Die sich ergebende Flüssigkeitserzeugung wird durch viele Parameter beeinflußt. Turbinenströme, Drücke, Einlaßtemperaturen und Wirkungsgrade werden einen erheblichen Einfluß haben, da sie die Erzeugung der Kühlung bestimmen. Der Lufteinlaßdruck, die Temperatur und das ΔT am warmen Ende werden die Verluste am warmen Ende bestimmen. Die gesamte Flüssigkeitserzeugung (ausgedrückt als ein Prozentsatz der Luft) hängt von den Luftdrücken in und aus der Turbine, der Turbineneinlaßtemperatur, dem Turbinenwirkungsgrad, der Einlaßtemperatur des Hauptwärmetauschers und der Menge des als Gas höheren Drucks erzeugten Produkts ab. Das als Produkt höheren Drucks erzeugte Gas erfordert, daß Energie dem Produktkompressor statt dem Luftkompressor zugeführt wird.
In der letzten Zeit wurde steigend Packung als Dampf-Flüssigkeits-Kontaktelemente bei Tieftemperaturdestillation anstelle von Böden benutzt. Strukturierte Packung oder Zufallspackung hat den Vorteil, daß einer Kolonne Stufen hinzugefügt werden können, ohne daß der Betriebsdruck der Kolonne wesentlich erhöht wird. Dies hilft, die Produktausbeuten zu maximieren, die Flüssigkeitserzeugung zu erhöhen und die Produktreinheiten zu erhöhen. Strukturierte Packung wird gegenüber Zufallspackung bevorzugt, da sie vorhersehbarer wirkt. Die vorliegende Erfindung ist gut für den Gebrauch von strukturierter Packung geeignet. Insbesondere kann strukturierte Packung besonders vorteilhaft für einige oder alle der Dampf- Flüssigkeits-Kontaktelemente in der zweiten Kolonne oder der mit niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne, und falls benutzt in der Argonkolonne eingesetzt werden.
Der mit dieser Erfindung erreichbare hohe Produktlieferdruck wird die Kosten für die Produktverdichtung herabsetzen oder ausschließen. Falls eine gewisse Flüssigkeitserzeugung erforderlich ist, kann jene durch diese Erfindung bei relativ geringen Investitionskosten erzeugt werden. Die zweiseitigen Kondensatoren vermindern die Notwendigkeit einer Produkt verdichtung oder machen diese überflüssig, wohingegen die Expansion der Einsatzluft die Erzeugung von Flüssigkeit ohne einen Verlust der Produktausbeute ermöglicht.

Claims

1.Verfahren für das Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas, bei dem:

(A) mindestens eine gewisse Menge eines ersten Teils von gekuhlter, verdichteter Einsatzluft kondensiert und erhaltene Flüssigkeit in eine erste Kolonne einer Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, wobei die erste Kolonne bei einem Druck im wesentlichen im Bereich von 4 bis 7 bar (60 bis 100 psia) arbeitet;

(B) ein zweiter Teil der gekuhlten, verdichteten Luft turboexpandiert und eine erste Teilmenge der erhaltenen turboexpandierten Einsatzluft in die erste Kolonne in Dampfform eingeleitet wird;

(C) mindestens eine gewisse Menge einer zweiten Teilmenge der turboexpandierten Einsatzluft kondensiert und das erhaltene Fluid in die erste Kolonne eingeleitet wird;

(D) die in die erste Kolonne eingeleiteten Fluide in mit Stickstoff angereicherte und mit Sauerstoff angereicherte Fluide zerlegt werden und diese Fluide in eine zweite Kolonne der Luftzerlegungsanlage eingeleitet werden, wobei die zweite Kolonne bei einem Druck arbeitet, der niedriger als der Druck der ersten Kolonne ist;

(E) die in die zweite Kolonne eingeleiteten Fluide in stickstoffreichen Dampf und sauerstoffreiche Flüssigkeit zerlegt werden;

(F) sauerstoffreiche Flüssigkeit von der zweiten Kolonne abgezogen wird und ein erster Teil der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit der zweiten Teilmenge der turboexpandierten Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (C) durchzuführen;

(G) der Druck eines zweiten Teils der ab gezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erhöht wird und die erhaltene Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten Teil der Einsatzluft verdampft wird, um die Kondensation des Verfahrensschrittes (A) durchzuführen; und

(H) Dampf, der auf dem Wärmeaustausch der Verfahrensschritte (F) und (G) zurückgeht, als Produkt Sauerstoffgas mit niedrigerem Druck bzw. als Produkt Sauerstoffgas mit höherem Druck gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit, die durch die Kondensation des ersten Teils der Einsatzluft erhalten wird, vor dem Einleiten in die erste Kolonne weiter gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zweite Teil der abgezogenen sauerstoffreichen Flüssigkeit erwärmt wird, bevor er gegen den kondensierenden ersten Teil der Einsatzluft verdampft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aus dem Verfahrensschritt (A) erhaltene Flüssigkeit in die erste Kolonne an einer Stelle eingeleitet wird, die höher liegt, als die Einleitungsstelle des aus dem Verfahrensschritt (B) erhaltenen Dampfes.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Luftzerlegungsanlage ferner eine Argonkolonne aufweist, ein Strom von der zweiten Kolonne zu der Argonkolonne übergeleitet und in argonreicheren Dampf und sauerstoffreichere Flüssigkeit getrennt wird, sowie der argonreichere Dampf kondensiert und mindestens ein Teil desselben gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der argonreichere Dampf durch indirekten Wärmeaustausch mit mit Sauerstoff angereichertem Fluid kondensiert wird, um argonreichere Flüssigkeit zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem argonreichere Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit einem dritten Teil der gekühlten, verdichteten Einsatzluft verdampft wird und der erhaltene kondensierte dritte Teil in die erste Kolonne eingeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Teil der Einsatzluft teilweise kondensiert wird sowie der erhaltene Dampf danach kondensiert und dann in die erste Kolonne eingeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Flüssigkeit von der Luftzerlegungsanlage abgezogen und diese Flüssigkeit als Produktflüssigkeit gewonnen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Produktflüssigkeit mit Stickstoff angereichertes Fluid ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Produktflüssigkeit sauerstoffreiche Flüssigkeit ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner ein vierter Teil der Einsatzluft, der einen höheren Druck als der turboexpandierte zweite Teil der Einsatzluft hat, durch indirekten Wärmeaustausch mit Fluid, das der Luftzerlegungsanlage entnommen wird, gekühlt wird, und der erhaltene vierte Teil in die erste Kolonne übergeleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem stickstoffreicher Dampf als Produkt Stickstoffgas gewonnen wird.

14. Vorrichtung für das Zerlegen von Luft durch Tieftemperaturdestillation zum Erzeugen von Produktgas mit:

(A) einer Luftzerlegungsanlage, die eine erste Kolonne, eine zweite Kolonne, einen Aufkocher, eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von der ersten Kolonne zu dem Aufkocher und eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Aufkocher zu der zweiten Kolonne aufweist;

(B) einem ersten Kondensator, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem ersten Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem ersten Kondensator in die erste Kolonne;

(C) einem Turboexpander, einer Anordnung zum Zuleiten von Einsatzluft zu dem Turboexpander und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Turboexpander in die erste Kolonne;

(D) einem zweiten Kondensator, einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem Turboexpander zu dem zweiten Kondensator und einer Anordnung zum Überleiten von Fluid von dem zweiten Kondensator in die erste Kolonne;

(E) einer Anordnung zum Überleiten eines ersten flüssigen Produktstroms von der zweiten Kolonne zu dem zweiten Kondensator und einer Anordnung zum Gewinnen des verdampften ersten flüssigen Produktstroms von dem zweiten Kondensator als ein Produktgas mit niedrigerem Druck; und

(F) einer Anordnung zum Überleiten eines zweiten flüssigen Produktstroms von der zweiten Kolonne zu dem ersten Kondensator, wobei diese Anordnung eine Anordnung zum Erhöhen des Druckes des flüssigen Stroms und eine Anordnung zum Gewinnen des verdampften zweiten flüssigen Produktstroms von dem ersten Kondensator als Produktgas mit höherem Druck aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, ferner versehen mit einer Anordnung zum Erhöhen der Temperatur des von der Luftzerlegungsanlage zu dem ersten Kondensator übergeleiteten Fluids.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Luftzerlegungsanlage ferner eine Argonkolonne und eine Anordnung zum Überleiten von Fluid von der zweiten Kolonne in die Argonkolonne aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, ferner versehen mit einem Argonkolonnenkondensator, einer Anordnung zum Überleiten von Dampf von der Argonkolonne zu dem Argonkolonnenkondensator, einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit von dem Argonkolonnenkondensator zu einem Argonkolonnenwärmetauscher sowie einer Anordnung zum Einleiten von Einsatzluft in den Argonkolonnenwärmetauscher und von dem Argonkolonnenwärmetauscher in die erste Kolonne.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste Kolonne Dampf-Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die eine strukturierte Packung aufweisen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die zweite Kolonne Dampf-Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die eine strukturierte Packung aufweisen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Argonkolonne Dampf-Flüssigkeits- Kontaktelemente enthält, die strukturierte Packung aufweisen.