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DE69210009T2 - Hochdrucklufttrennungszyklen, mit mehrfachem Aufkocher und Doppelkolonne und ihre Integration in Gasturbinen - Google Patents

Hochdrucklufttrennungszyklen, mit mehrfachem Aufkocher und Doppelkolonne und ihre Integration in Gasturbinen

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Publication number
DE69210009T2
DE69210009T2 DE69210009T DE69210009T DE69210009T2 DE 69210009 T2 DE69210009 T2 DE 69210009T2 DE 69210009 T DE69210009 T DE 69210009T DE 69210009 T DE69210009 T DE 69210009T DE 69210009 T2 DE69210009 T2 DE 69210009T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
nitrogen
product
pressure
condensed
compressed
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.)
Revoked
Application number
DE69210009T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69210009D1 (de
Inventor
Rakesh Agrawal
Jianguo Xu
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.)
Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
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
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=25275421&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=DE69210009(T2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Products and Chemicals Inc filed Critical Air Products and Chemicals Inc
Application granted granted Critical
Publication of DE69210009D1 publication Critical patent/DE69210009D1/de
Publication of DE69210009T2 publication Critical patent/DE69210009T2/de
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Revoked legal-status Critical Current

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft bei erhöhten Drücken, die mehrere Wiederaufsieder/Kondensierer in der Kolonne mit niedrigerem Druck aufweisen und besondere, aber keine ausschließliche Anwendung bei der Integration derartiger Verfahren in Gasturbinen finden.
  • Unter bestimmten Umständen, wie bei sauerstoffgeblasenen Vergasungs-Gasturbinen-Energiegewinnungsverfahren (z.B. aus Kohle und Sauerstoff gewonnenes Verbrennungsgas speist den Feuchtluftturbinenkreislauf oder den Gasturbinen-Dampfturbinen-Kombikreislauf) oder bei Verfahren zur Stahlerzeugung durch direkte Reduktion von Eisenerz (z.B. COREX - Verfahren), bei denen das Abgas zur Energieerzeugung verwendet wird, werden sowohl Sauerstoff als auch unter Druck stehende Stickstoffprodukte benötigt. Dieser Bedarf nach unter Druck stehenden Produkten macht den Einsatz einer Lufttrennungseinheit, die Stickstoff und Sauerstoff unter hohem Druck gewinnt, vorteilhaft. Bei erhöhten Betriebsdrücken der Lufttrennungseinheit nehmen die Größen der Warmetauscher und Leitungen und die Volumenströme der Dampffraktion in der Destillationskolonne ab, was zusammengefaßt die Kapitalkosten der Lufttrennungseinheit deutlich vermindert. Dieser erhöhte Betriebsdruck mindert außerdem den Energieverlust, der durch Druckabfälle in den Wärmetauschem, Leitungen und Destillationskolonnen entsteht, und nähert die Betriebsbedingungen innerhalb der Destillationskolonne dem Gleichgewichtszustand an, so daß die Lufttrennungseinheit einen besseren Energiewirkungsgrad hat. Da die Vergasung-Gasturbinen-Verfahren und Verfahren der direkten Stahlerzeugung in hohem Maße Sauerstoff und Stickstoff verbrauchen, wenn die Lufttrennungseinheit in das Grundverfahren miteinbezogen wird, sind bessere Verfährenskreisläufe erforderlich, die sich für einen Betrieb unter erhöhtem Druck eignen. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren bekannt, die als Lösung dieser Anforderung vorgeschlagen worden sind, unter denen sich die folgenden befinden.
  • Die US-A-3,210,951 offenbart einen Doppelwiederaufsiederverfahrenskreislauf, bei dem ein Teil der Zuführluft kondensiert wird, um dem Sumpf der Niederdruckkolonne Wiederaufsiedeflüssigkeit bereitzustellen. Die kondensierte Zuführluft wird dann als unreiner Rückfluß für die Niederdruckkolonne und/oder für die Hochdruckkolonne verwendet. Die Kühlung für den Kopfkondensierer der Kolonne mit höherem Druck wird auch durch Verdampfen eines Zwischenfluidstroms in der Kolonne mit niedrigerem Druck bereitgestellt.
  • Die US-A-4,702,757 offenbart ein Doppelwiederaufsiederverfahren, bei dem ein nennenswerter Anteil der Zuführluft zum Teil kondensiert wird, um dem Sumpf der Niederdruckkolonne Wiederaufsiedeflüssigkeit bereitzustellen. Die teilweise kondensierte Luft wird dann unmittelbar der Hochdruckkolonne zugeführt. Die Kühlung für den Kopfkondensierer der Hochdruckkolonne wird auch durch Verdampfen eines Zwischenfluidstroms in der Niederdruckkolonne bereitgestellt.
  • Die US-A-4,796,431 offenbart ein Verfahren, bei dem in der Niederdruckkolonne drei Wiederaufsieder angeordnet sind. Auch die US-A-4,796,431 schlägt vor, daß ein Teil des vom Kopf der Hochdruckkolonne abgezogenen Stickstoffs bis auf einen mittleren Druck expandiert und dann gegen die Verdampfung eines Teils des Sumpffluids aus der Niederdruckkolonne (Rohflüssigsauerstoff) kondensiert wird. Dieser Wärmeaustausch verringert weiter die irreversiblen Vorgänge in der oberen Kolönne.
  • Auch die US-A-4,936,099 offenbart ein Verfahren mit drei Wiederaufsiedem. Bei diesem Lufttrennungsverfahren wird das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt vom Sumpf der Hochdruckkolonne bei einem mittleren Druck gegen den kondensierenden Stickstoff vom Kopf der Hochdruckkolonne verdampft und die daraus hervorgehende, mit Sauerstoff angereicherte Luft unter mittlerem Druck wird dann durch eine Expansionseinrichtung in die Niederdruckkolonne hinein expandiert.
  • Leider sind die oben beschriebenen Kreisläufe nur für einen Betrieb mit niedrigem Kolonnenbetriebsdruck geeignet. Wenn der Kolonnendruck steigt, erniedrigt sich die relative Flüchtigkeit zwischen Sauerstoff und Stickstoff, so daß mehr Flüssigstickstoffrückfluß benötigt wird, um eine angemessene Ausbeute und Reinheit des Stickstoffprodukts zu erzielen. Die Betriebsleistungsfähigkeit der Kolonne mit niedrigerem Druck beginnt bei den oben erwähnten Verfahren abzufallen, wenn der Betriebsdruck auf mehr als 170 kPa (25 psia) steigt.
  • Die US-A-4,224,045 offenbart die Einbeziehung einer herkömmlichen Doppelkolonnenlufttrennungskreislaufeinheit bei einer Gasturbine. Weil lediglich ein bekanntes Linde-Doppelkolonnensystem verwendet und dessen Betriebsdruck erhöht wird, ist dieses Patent nicht in der Lage, in vollem Umfang die Möglichkeiten auszunutzen, die sich aus der Produktnachfrage nach unter hohem Druck stehendem Sauerstoff und Stickstoff bieten.
  • Die EP-A-0418139 offenbart die Verwendung von Luft als Wärmeübertragungsmedium, um ein unmittelbare Wärmeverbindung zwischen dem Sumpfende der oberen Kolonne und dem Kopfende der niedrigeren Kolonne zu vermeiden, was in der US-A-4,224,045 hinsichtlich der Eingliederung bei einer Gasturbine beansprucht wurde. Nichtsdestotrotz erhöht die kondensierende und verdampfende Luft nicht nur den Wärmeübertragungsfläche des Wiederaufsieders/Kondensierers und die Steuerungs-/Regelungskosten, sondem bewirkt durch den Extraschritt der Wärmeübertragung eines Hitzetransfers noch zusätzliche Leistungsminderungen, wodurch die Leistung im Vergleich zum Linde-Doppelkolonnenkreislauf sogar noch verschlechtert wird.
  • Die EP-A-0 450 768 beschreibt Doppelkolonnensysteme, bei denen ein Teil des Stickstoffkopfprodukts aus der Kolonne mit niedrigerem Druck gegen das Flüssigsauerstoffsumpfprodukt mit vermindertem Druck aus dieser Kolonne kondensiert wird, um einen Rückfluß zu der Kolonne mit niedrigerem Druck bereitzustellen.
  • Die US-A-4,775,399 offenbart einen Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft, bei dem eine Destillationskolonne mit einem Sumpfwiederaufsieder und einem Kopfrückflußkondensierer verwendet wird, und bei dem die Kolonne die Kolonne mit niedrigerem Druck ("LP") zweier Doppeldestillationskolonnen sein kann, die mit verschiedenen Drücken arbeiten. Ein kleinerer Teil der komprimierten Zuführluft wird ganz kondensiert, um so dem Sumpf der Destillationskolonne oder einem Zwischenboden Wiederaufsiedeflüssigkeit bereitzustellen. Wenn sich diese Wiederaufsiedeflüssigkeit in dem Zwischenboden befindet, kann Sumpfwiederaufsiedeflüssigkeit zu der Kolonne bereitgestellt werden, und zwar durch eine Expansionseinrichtung für das Sauerstoffsumpfprodukt, die einen kalten Kompressor antreibt, der unmittelbar das Kolonnenkopfprodukt bis auf einen zum Druck komprimiert, der ausreicht, um den Kolonnensumpf wiederaufzusieden, wobei das entstehende verflüssigte Kopfprodukt dem Kopf der Kolonne als Rückfluß zurückgeführt wird. Wenigstens ein Teil der verflüssigten Luft wird der Destillationskolonne als Zwischenrückfluß zugeführt. Das Sumpffluid aus der Kolonne wird teilweise entspannt und dem Kopfrückflußkondensierer zugeführt, wo es verdampft. Das verdampfte Sumpffluid wird teilweise erwärmt und unter Freisetzung von Energie expandiert, um Kühlung und Wellenarbeit bereitzustellen, wobei die Wellenarbeit zumindest zum Teil die zusätzliche Kompression antreibt.
  • Wenn zwei Destillationskolonnen bei dem Verfahren nach der US-A 4,775,399 eingesetzt werden, wird der Hauptteil der Zuführluft der Kolonne mit höherem Druck ("HP") zugeführt und ein Teil der verflüssigten Luft kann dieser Kolönne als Zwischenrückfluß bereitgestellt werden. HP-Kolonnenkopfprodukt kann einem Zwischenwiederaufsieder der LP-Kolonne zugeführt werden oder es kann zumindest ein Teil des HP-Kolonnensumpffluids auf den LP-Kolonnendruck entspannt werden und durch Wärmeaustausch mit dem HP- Kolonnenkopfprodukt verdampfen, um eine Dampfzufuhr für die LP-Kolonne bereitzustellen. Es ist allerdings bevorzugt, daß das HP-Kolonnensumpffluid nach der Entspannung in einer Gegenstrom-Dampf-Fluid-Einrichtung verdampft wird, um zwei Dampfströme mit verschiedenem Sauerstoffgehalt bereitzustellen, die verschiedenen Höhen der LP-Kolonne zugeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung eines Verfahrens zur kryogenen Destillation von Luft zum Abtrennen und Gewinnen zumindest einer der sie zusammensetzenden Komponenten. Bei dem Verfahren wird die kryogene Destillation in einem Destillationskolonnensystem mit zumindest zwei bei unterschiedlichen Drücken arbeitenden Destillationskolonnen durchgeführt. Ein Zuführluftstrom wird auf einen Druck im Bereich zwischen 0,5 und 2 MPa (70 bis 300 psia) komprimiert und im großen und ganzen von Verunreinigungen, die bei kryogenen Temperaturen ausfrieren, befreit. Zumindest ein Teil der komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluft wird gekühlt, der ersten der zwei Destillationskolonnen zugeführt und dort rektifiziert, wodurch ein Stickstoffkopfprodukt mit einem höheren Druck und ein Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt gewonnen wird. Das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt wird entspannt und der zweiten der beiden Destillationskolonnen zur Destillation zugeführt, wodurch ein Stickstoffkopfprodukt mit niedrigerem Druck und ein Flüssigsauerstoffsumpfprodukt gewonnen wird. Ein Teil der gekühlten, komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluftmenge wird zumindest teilweise durch Wärmeaustausch mit dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt in einem ersten Wiederaufsieder/Kondensierer kondensiert, der bevorzugt im Sumpf der zweiten Destillationskolonne angeordnet ist. Der zumindest teilweise kondensierte Teil wird mindestens einer der beiden Destillationskolonnen als unreiner Rückfluß zugeführt. Die gekühlte, komprimierte, im großen und ganzen von Verunreinigungen freie, der ersten der zwei Destillationskolonnen zugeführten Zuführluft und die zumindest teilweise kondensierte gekühlte, komprimierte, im großen und ganzen von Verunreinigungen freie Zuführluft kann der gleiche Strom sein. Zumindest ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck wird durch Wärmeaustausch mit einem in der zweiten Destillationskolonne absteigenden Flüssigkeit in einem zweiten Wiederaufsieder/Kondensierer kondensiert, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Sumpf der zweiten Destillationskolonne und dem Zuführpunkt des Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukts angeordnet ist. Der kondensierte Stickstoff mit höherem Druck wird zumindest zu einer der beiden Destillationskolonnen als Rückfluß zugeführt.
  • Die Verbesserung gemaß der Erfindung, die einen wirkungsvollen Betrieb des Verfahrens bei erhöhten Drücken erlaubt, umfaßt: (a) Wärmeaustausch eines Teils des Flüssigsauerstoffsumpfprodukts der zweiten Kolonne mit einem Stickstoffdampfstrom, der von der ersten Destillationskolonne abgezogen worden ist oder der von dem nachfolgend komprimierten gasförmigen Stickstoffprodukt herrührt, wobei vor einem Wärmeaustausch der Druck der Flüssigsauerstoffsumpfproduktmenge oder des Stickstoffdampfstroms oder sowohl der Druck des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils und des Stickstoffdampfstroms auf eine wirkungsvolle Menge eingestellt wird, so daß eine geeignete Temperaturdifferenz zwischen dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt und dem Stickstoffdampfstrom besteht, so daß aufgrund des Wärmeaustauschs der Stickstoffdampf vollständig kondensiert und der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil zumindest teilweise verdampft wird; (1)) Verwenden des kondensierten Stickstoffs als Rückfluß zu zumindest einer der beiden Destillationskolonnen; und (c) Erwärmen des verdampften Sauerstoffs, um die Kälte zurückzugewinnen. Eine Ausführungsform der Verbesserung kann das Expandieren des verdampften Sauerstoffs aus Schritt (c) unter Freisetzung von Arbeit umfassen. Besondere Ausführungsformen des Schrittes (a) können umfassen: (i) Reduzieren des Drucks nur des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils; (ii) Erhöhen des Drucks nur des Stickstoffdampfstroms; und (iii) Erhöhen des Drucks des Stickstoffdampfstroms und des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils.
  • Die Verbesserung ist auch anwendbar auf das oben genannte Verfahren, bei dem ein anderer Teil der komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluft weiter komprimiert, gekühlt und unter Freisetzung von Energie auf den Betriebsdruck der zweiten Destillationskolonne expandiert und der expandierte Teil einer Zwischenstelle der Destillationskolonne zugeführt wird. Die durch die Expansion des weiter komprimierten, gekühlten Anteiles erzeugte Energie kann dazu verwendet werden, den anderen Anteil zu komprimieren.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der in Schritt (a) kondensierte Stickstoffdampf ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck sein.
  • Das anwendbare Verfahren kann weiter umfassen das Komprimieren eines Teils des Stickstoffprodukts und Zurückführen zumindest eines Teils davon zu einem Wiederaufsieden Kondensierer, der im Sumpf der zweiten Destillationskolonne angeordnet ist. Es kann weiter auch umfassen das Komprimieren, Kühlen und Expandieren eines zweiten Teils des komprimierten Stickstoffprodukts unter Freisetzung von Energie; Kondensieren des expandierten zweiten Teils durch Wärmeaustausch mit einem in der zweiten Kolonne absteigenden Fluid in einem dritten Wiederaufsieder/Kondensierer, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Zufühipunkt für das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt mit verminderten Druck und dem zweiten Wiederaufsieder/Kondensierer angeordnet ist; und Verwenden des kondensierten Stickstoffs als Rückfluß zu der zweiten Destillationskolonne.
  • Das Verfahren mit seinen Verbesserungen ist insbesondere bei der Integration in eine Gasturbine anwendbar. Bei einer Integration kann die komprimierte Zuführluft zu dem kryogenen Destillationsverfahren ein Teil eines Luftstroms sein, der in einem mit der Gasturbine mechanisch verbundenen Kompressor komprimiert wird. Das integrierte Verfahren kann weiter umfassen das Komprimieren zumindest eines Teils des in dem Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft gewonnenen gasförmigen Stickstoffs; Verbrennen des komprimierten, gasförmigen Stickstoffs, zumindest eines Teils des komprimierten Luffstroms und eines Brennstoffs in einer Brennkammer, wodurch ein Verbrennungsgas erzeugt wird; Expandieren des Verbrennungsgases in der Gasturbine unter Freisetzung von Energie; und Verwenden zumindest eines Teils der freigesetzten Energie zum Antreiben des mit der Gasturbine mechanisch verbundenen Kompressors.
  • Die Verbesserung ist auch anwendbar bei einem Verfahren, das weiter umfaßt das Expandieren eines Teils des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck; Kondensieren des expandier-ten Stickstoffs durch Wärmeaustausch mit der in der zweiten Kolonne absteigenden Flüssigkeit in einem dritten Wiederaufsieder/Kondensierer, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Zuführpunkt des Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukts mit vermindertem Druck und dem zweiten Wiederaufsieder/Kondensierer angeordnet ist; und Verwenden des kondensierten Stickstoffs als Rückfluß zu der zweiten Destillationskolonne.
  • Das anwendbare Verfahren kann weiter umfassen das Kondensieren des expandierten Stickstoffanteils gegen das siedende Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt in einem Wiederaufsieder/ Kondensierer vor der Einführung in die zweite Destillationskolonne.
  • Das Folgende ist lediglich eine beispielhafte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren von derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Zeichnungsfiguren zeigen:
  • Figur 1ein Fließdiagramm des Verfahrens der in der EP-A-0450768 beschriebenen Art, bei dem Stickstoffkopfprodukt aus der Kolonne mit niedrigerem Druck gegen Flüssigsauerstoffsumpfprodukt mit vermindertem Druck aus dieser Kolonne kondensiert wird.
  • Figuren 2 bis 6 und 10 bis 13 Fließdiagramme von Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Wiederaufsiedem/Kondensierem in der Kolonne mit niedrigerem Druck;
  • Figuren 7 bis 9 Fließdiagramme von Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit drei Wiederaufsiedern/Kondensierern in der Kolonne mit niedrigerem Druck; und
  • Figur 14 ein Fließdiagramm eines herkömmlichen Doppel-(Dual-)kolonnen- Lufttrennungskreislaufs.
  • Mehrfachwiederaufsieder-, Mehrfachkolonnen-Kreisläufe haben üblicherweise einen besseren Wirkungsgrad bei der Gewinnung von Sauerstoff geringer Reinheit (80 bis 99% Reinheit). Damit herkömmliche Mehrfachkolonnen-, Zweifach- und Dreifachwiederaufsieder- Lufttrennungsverfahrenskreisläufe bei erhöhten Drücken betrieben werden können und dennoch eine angemessene Sauerstoffausbeute und Stickproduktreinheit aufweisen, muß eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer wirksamen Menge von Flüssigstickstoffrückfluß gefunden werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung hinsichtlich der Flüssigstickstoffrückflußeinrichtung, die den Betrieb von herkömmlichen Zwei- und Dreifachwiederaufsieder-Lufttrennungskreisen bei erhöhten Drücken ermöglicht. Die Verbesserung umfaßt: (a) Wärmeaustausch eines Teils des Flüssigsauerstoffsumpfprodukts der zweiten Kolonne mit einem Stickstoffdampfstrom, der von der Kolonne mit höherem Druck (siehe Figuren 2 bis 12) abgezogen oder von dem in der Folge komprimierten gasförmigen Stickstoffprodukt (siehe Figur 13) abgezweigt wird, wobei vor diesem Wärmeaustausch der Druck des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils oder des Stickstoffdampfstroms oder sowohl der Druck des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils und des Stickstoffdampfstroms auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, so daß zwischen dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt und dem Stickstoffdampfstrom eine geeignete Temperaturdifferenz besteht, so daß aufgrund des Wärmeaustauschs der Stickstoffdampf vollständig kondensiert und der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil zumindest teilweise verdampft wird; (b) Verwenden des kondensierten Stickstoffs als Rückfluß zu zumindest einer der beiden Destillationskolonnen; und (c) Erwärmen des verdampften Sauerstoffs zur Rückgewinnung der Kälte.
  • Die vorliegende Erfindung ist bei den meisten herkömmlichen Vielfachkolonnen-Doppelwiederaufsieder-Lufttrennungsverfahrenskreisläufen anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Doppelwiederaufsiederverfahren mit zumindest zwei Destillationskolonnen, die in thermischer Verbindung zueinander stehen, bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden, einen Wiederaufsieder/Kondensierer aufweisen, der im Sumpf der Kolonne mit niedrigerem Druck angeordnet ist und in dem zumindest ein Teil der Zuführluft durch Wärmeaustausch mit dem siedenden Flüssigsauerstoff kondensiert wird, und einen weiteren Wiederaufsieder/Kondensierer aufweisen, der an einem Zwischenabschnitt in der Kolonne mit niedrigerem Druck zwischen dem Sumpf-Wiederaufsieder/Kondensierer und der Zufuhr zu der Kolonne mit niedrigerem Druck angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des Stickstoffdampfs aus der Kolonne mit höherem Druck durch Wärmeaustausch mit dem siedenden Fluid kondensiert wird, das in der Kolonne mit niedrigerem Druck absteigt.
  • Figuren 2 bis 6 und 10 veranschaulichen die Anwendbarkeit der Verbesserung bei Doppel- Wiederaufsieder/Kondensierer-Verfahrensausfü hrungen, wobei in der Verbesserung der Stickstoffdampf aus der Kolonne mit höherem Druck abgezogen und der Druck des Flüssigsauerstoffs vor dem Wärmeaustausch vermindert wird. Figuren 11 und 12 veranschaulichen die Anwendbarkeit der Verbesserung bei Doppelwiederaufsieder/Kondensierer-Verfahrensausfuhrungen, wobei bei der Verbesserung der Stickstoffdampf aus der Kolonne mit höherem Druck abgezogen und der Druck des Stickstoffdampfes vor dem Wärmeaustausch erhöht wird. Figur 13 veranschaulicht die Anwendbarkeit der Verbesserung bei Doppelwiederaufsieder/Kondensierer-Ausführungsformen, wobei bei der Verbesserung der Stickstoffdampf von einem komprimierten gasförmigen Stickstoffprodukt abgezogen und der Druck des Flüssigsauerstoffs vor dem Wärmeaustausch erhöht wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist ebenso anwendbar bei den meisten Mehrfachkolonnen- Dreifäch-wiederaufsieder-Verfahrenskreisläufen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Dreifachwiederaufsiederverfahren mit zumindest zwei Destillationskolonnen, die in thermischer Verbindung zueinander stehen und bei unterschiedlichen Drücken arbeiten und einen Wiederaufsieder/Kondensierer aufweisen, der im Sumpf der Kolonne mit niedrigerem Druck angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der Zuführluft durch Wärmeaustausch mit dem siedenden Flüssigsauerstoff kondensiert wird, und bei dem ein anderer Wiederaufsieder/Kondensierer an einer Zwischenstelle der Kolonne mit niedrigerem Druck angeordnet ist, und zwar zwischen dem Sumpf-Wiederaufsieder/Kondensierer und dem dritten Wiederaufsieder/Kondensierer, wobei zumindest ein Teil des Stickstoffdampfes aus der Kolonne mit höherem Druck durch Wärm&austausch mit der siedenden Flüssigkeit kondensiert, die in der Kolonne mit niedrigerem Druck absteigt.
  • Figuren 7 bis 9 veranschaulichen Dreifächwiederaufsieder/Kondensierer-Ausführungsformen, wobei in der Verbesserung der Druck des Flüssigsauerstoffs vor dem Wärmeaustausch vermindert wird.
  • Um die vorliegende Erfindung besser verstehen zu können, werden die zu den oben aufgeführten Figuren zugehörigen Ausführungsformen jetzt detailliert beschrieben werden.
  • Mit Bezug auf die Figur 1 (nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung) wird komprimierte gereinigte Zuführluft in das Verfahren über die Leitung 100 eingeführt und in zwei Teile über die Leitungen 102 und 126 geteilt.
  • Der Hauptanteil der Zuführluft, in Leitung 102, wird in dem Hauptwärmetauscher 104 gekühlt. Diese gekühlte Luft, jetzt in Leitung 106, wird weiter in zwei Anteile aufgeteilt, und zwar über Leitungen 108 bzw. 112. Der erste Teil wird über die Leitung 108 dem Sumpf der Kolonne mit höherem Druck 110 zur Rektifikation zugeführt. Der zweite Anteil, in Leitung 112, wird in dem im Sumpf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck angeordneten Wiederaufsieder/Kondensierer 114 kondensiert. Dieser kondensierte zweite Anteil, jetzt in Leitung 118, wird in zwei Teuströme über die Leitungen 120 und 122 geteilt. Der erste Teilstrom, in Leitung 120, wird einer Zwischenstelle der Kolonne 110 mit höherem Druck als unreiner Rückfluß zugeführt. Der zweite Teustrom, in Leitung 122, wird in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, entspannt und der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck an einer Stelle oberhalb der Zuführung des Rohflüssigsauerstoffs aus dem Sumpf der Kolonne 110 mit höherem Druck als unreiner Rückfluß zugeführt.
  • Der kleinere Teil der Zuführluft, in Leitung 126, wird in einem Boosterkompressor 128 komprimiert, nachgekühlt, in dem Hauptwärmetauscher 104 weitergekühlt, in der Expansionseinrichtung 130 unter Freisetzung von Energie expandiert und über die Leitung 132 der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zugeführt. Optional kann die ganze oder ein Teil der in der Expansionseinrichtung 130 erzeugten Energie dazu verwendet werden, den Boosterkompressor 128 anzutreiben.
  • Die Zuführluft zu der Kolonne 110 mit höherem Druck wird in einen Stickstoffkopfproduktstrom, in Leitung 134, und ein Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt, in Leitung 142, rektifiziert. Das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt, in Leitung 142, wird in dem Wärmetauscher 144 unterkühlt, entspannt und einer Zwischenstelle der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zur Destillation zugeführt. Das Stickstoffkopfprodukt, in Leitung 134, wird aus der Kolonne 110 mit höherem Druck abgezogen und in dem Wiederaufsieder/Kondensierer 136 gegen das verdampfende, in der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck absteigende Fluid kondensiert. Der Wiederaufsieder/Kondensierer 136 ist in der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck an einer Stelle zwischen dem Wiederaufsieder/Kondensierer 114 und der Zuführung des Rohflüssigsauerstoffs aus dem Sumpf der Kolonne 110 mit höherem Druck, Leitung 142, angeordnet. Der kondensierte Stickstoff aus dem Wiederaufsieder/Kondensierer 136 wird in zwei Teuströme über die Leitung 138 bzw. 140 aufgeteilt. Der erste Teilstrom, in Leitung 138, wird dem Kopf der Kolonne 110 mit höherem Druck als Rückfluß zugeführt. Der zweite Anteil, in Leitung 140, wird in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, entspannt und dem Kopf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck als Rückfluß zugeführt.
  • Der Rohflüssigsauerstoff aus dem Sumpf der Kolonne 110 mit höherem Druck, in Leitung 142, und der expandierte zweite Teil der Zuführluft, in Leitung 132, der in die Kolonne 116 mit niedrigerem Druck eingeführt wird, wird in ein Niederdruck-Stickstoffkopfprodukt und ein Flüssigsauerstoffsumpfprodukt destilliert. Das Niederdruck-Stickstoffkopfprodukt wird in zwei Abschnitten über die Leitungen 146 und 150 abgezogen. Der erste Teil, in Leitung 146, wird gegen den verdampfenden, unterkühlten Flüssigsauerstoff kondensiert, und zwar in dem Sieder/Kondensierer 148 und zu dem Kopf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck als zusätzlicher Rückfluß zurückgeführt. Der zweite Teil, in Leitung 150, wird zur Wiedergewinnung der Kälte in den Wärmetauschern 124, 144 und 104 erwärmt und als Niederdruck-Stickstoffprodukt über die Leitung 152 abgezogen. Einen Teil des Flüssigsauerstoffsumpfprodukts wird in dem Wiederaufsieder/Kondensierer 114 verdampft, wodurch Siedeflüssigkeit für die Kolonne 116 mit niedrigerem Druck bereitgestellt wird. Ein weiterer Teil wird aus der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck über die Leitung 160 abgezogen, in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, entspannt und dem Sammelbecken, das den Sieder/Kondensierer 148 umgibt, zugeführt und dort verdampft. Der verdampfte Sauerstoff wird über die Leitung 164 abgezogen, in den Wärmetauschern 124, 144 und 104 zur Wiedergewinnung der Kälte erwärmt und als Teil des gasförmigen Sauerstoffprodukts über die Leitung 166 abgezogen. Abschließend wird ein Teil der Sauerstoffsiedeflüssigkeit in der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck über die Leitung 168 abgezogen, in den Wärmetauschem 144 und 104 zur Wiedergewinnung der Kälte erwärmt und als zweiter Teil des gasförmigen Sauerstoffprodukts über die Leitung 170 gewonnen. Die relativen Mengen der beiden Teile des gasförmigen Sauerstoffprodukts hängen vom Betriebsdruck der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck ab. Wenn der Betriebsdruck der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck ansteigt, nimmt die relative Menge des zweiten Teils des gasförmigen Sauerstoffprodukts (in Leitung 170) ab.
  • Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens ist ähnlich dem in Figur 1 dargestellten Verfahren. In dieser Offenbarung werden alle funktional identischen oder gleichwertigen Ausrüstungsgegenstände und Ströme mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen aus Figur 1 und Figur 2 besteht darin, daß in Figur 2 der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil aus der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck, in Leitung 160, entspannt und in einem Wiederaufsieder/Kondensierer 236 gegen das kondensierende Stickstoffkopfprodukt, in Leitung 234, aus dem Kopf der Kolonne 110 mit höherem Druck verdampft wird. Der kondensierte Stickstoff, in Leitung 238, wird mit dem kondensierten Stickstoff, in Leitung 140, gemischt, um einen Niederdruck-Rückflußstrom, in Leitung 240, zu bilden. Alternativ hierzu kann ein Teil des kondensierten Stickstoffs, in Leitung 238, als Rückfluß zu der Kolonne 110 mit höherem Druck verwendet werden. Der Niederdruck-Rückflußstrom wird in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, entspannt und dem Kopf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zugeführt. Optional wird ein Teil des Stickstoffkopfprodukts über die Leitung 244 abgezogen, zur Wiedergewinnung der Kälte erwärmt und über die Leitung 242 als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt wiedergewonnen. Der verdampfte Sauerstoff wird über die Leitung 262 abgezogen, zur Wiedergewinnung der Kälte in den Wärmetauschern 144 und 104 erwärmt und über die Leitung 266 als gasförmiges Sauerstoffprodukt wiedergewonnen. Ein Flüssigsauerstoffprodukt kann über die Leitung 264 abgezogen werden.
  • Die Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 3 basiert auf der Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 2. Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, daß kein Hochdruck- Stickstoffkopfprodukt als Produkt abgezogen wird, daß das gasförmige Niederstoffprodukt, in Leitung 152, in dem Kompressor 352 stark im Druck erhöht und über die Leitung 354 als gasförmiges Hochdruck-Stickstoffprodukt abgezogen und daß ein Teil des im Druck stark erhöhten Stickstoffprodukts über die Leitung 300 dem Verfahren wieder zurückgeführt wird. Insbesondere wird der zurückgeführte Stickstoff, in Leitung 300, in dem Hauptwärmetauscher 104 bis auf eine Temperatur nahe an seinen Taupunkt heran gekühlt und mit dem Stickstoffkopfprodukt in Leitung 134, das dem Wiederaufsieder/Kondensierer 136 zugeführt wird, gemischt.
  • Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform des Verfahrens ist im wesentlichen gleich der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform des Verfahrens, außer daß weder ein Flüssigluftrückfluß zu der Kolonne 110 mit höherem Druck noch zu der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck bereitgestellt wird. In der Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 4 wird der gesamte erste Teil, in Leitung 106, dem Wiederaufsieder/Kondensierer 114 zugeführt, worin er zum Teil kondensiert. Dieser zum Teil kondensierte Zuführluftteil wird über die Leitung 418 komplett dem Sumpf der Kolonne 110 mit höherem Druck zugeführt.
  • Figur 5 stellt die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens dar, die in ein Gasturbinensystem integriert worden ist. Da die Ausführungsform des Lufttrennungsverfahrens aus Figur 2 oben beschrieben worden ist, wird hier nur die Integration beschrieben werden. Figur 5 stellt die sogenannte "vollintegrierte" Möglichkeit dar, bei der die gesamte Zuführluft zu dem Lufttrennungsverfahren durch einen mit der Gasturbine mechanisch verbundenen Kompressor zugeführt wird und bei dem das gesamte gasförmige Stickstoffprodukt aus dem Lufttrennungsverfahren dem Gasturbinenvergasungsbrenner zugeführt wird. Alternativ hierzu können "Teilintegrations" Möglichkeiten Verwendung finden. Bei diesen Teilintegrationsmöglichkeiten kommen aus dem mit der Gasturbine mechanisch verbundenen Kompressor nur Teile der Luft-trennungs-Zuführluft oder gar nichts und nur ein Teil des gasförmigen Stickstoffprodukts oder gar nichts wird dem Gasturbinenvergasungsbrenner zugeführt (d.h. dort, wo es eine höherwertige Alternative für das unter Druck stehende Stickstoffprodukt gibt). Die in Figur 5 dargestellte vollintegrierte Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel.
  • Mit Bezug auf die Figur 5 wird Zuführluft dem Verfahren über die Leitung 500 zugeführt, in dem Kompressor 502 komprimiert und in einen Teil für die Lufttrennungseinheit und Teile für die Verbrennungsluft, in Leitungen 504 bzw. 510, geteilt. Der Teil für die Lufttrennungseinheit wird in dem Wärmetauscher 506 gekühlt, in einer Molekülarsiebeinheit 508 von Verunreinigungen, die bei kryogenen Temperaturen ausfrieren würden, gereinigt, und über die Leitung 100 der Lufttrennungseinheit zugeführt. Das gasförmige Stickstoffprodukt aus der Lufttrennungseinheit, in Leitung 152, wird in dem Kompressor 552 komprimiert, in dem Wärmetauscher 506 erwärmt und mit dem Verbrennungsluftteil in Leitung 510 zusammengeführt. Der zusammengeführte Verbrennungszuführluftstrom, in Leitung 512, wird in den Wärmetauscher 514 erwärmt und mit dem in Leitung 518 befindlichen Brennstoff gemischt. Es muß bemerkt werden, daß der Stickstoff an mehreren alternativen Stellen eingeführt werden kann, zum Beispiel kann er unmittelbar mit dem Brennstoffgas gemischt werden oder dem Vergasungsbrenner direkt zugeführt werden. Der Brennstoff-/Vergasungs-Zuführ-luftstrom wird indem Vergasungsbrenner 520 vergast, wobei das Vergasungsprodukt über die Leitung 522 der Expansionseinrichtung 524 zugeführt und dort unter Freisetzung von Arbeit expandiert wird. Figur 5 zeigt, daß ein Teil der in der Expansionseinrichtung 524 erzeugten Arbeit dazu verwendet wird, die Zuführluft in dem Kompressor 502 zu komprimieren. Nichtsdestotrotz kann die gesamte der verbleibenden erzeugten Arbeit für andere Zwecke wie z.B. die Erzeugung von Elektrizität verwendet werden. Das Abgas aus der Expansionseinrichtung, in Leitung 526, wird in dem Wärmetauscher 514 gekühlt und über die Leitung 528 abgezogen. Das gekühlte Abgas, in Leitung 528, wird dann für andere Zwecke verwendet, wie z.B. als Generatordampf in einem Kombi-Kreislauf. Es muß an dieser Stelle ebenfalls noch bemerkt werden, daß sowohl der Stickstoff als auch die Luft (wie auch das Brennstoffgas) mit Wasser beladen sein kann, um die geringe Wärme vor der Einspritzung in den Vergasungsbrenner zurückzugewinnen. Derartige Kreisläufe werden hier nicht detailliert erörtert werden.
  • Figur 6 zeigt, wie der in Figur 2 dargestellte Doppelwiederaufsiederkreislauf in Situationen verwendet werden kann, in denen ausschließlich Stickstoff das gewünschte Produkt ist, oder in denen sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff benötigt werden, das Sauerstoffprodukt hingegen nicht unter Druck stehen muß. Die Unterschiede der Ausführungsform dieses Verfahrens und dem in Figur 2 dargestellten sind die folgenden. Zunächst erfordert die vorliegende Ausführungsform nicht die Verwendung eines Luftkompanders. Daher wird die gesamte Zuführluft, in Leitung 100, in 104 gekühlt. Die gekühlte Zuführluft, jetzt in Leitung 106, wird in zwei Teile wie in Figur 2 aufgeteilt. Zweitens wird der Sauerstoffstrom, in Leitung 262, in dem Wärmetauscher 144 und zum Teil in dem Wärmetauscher 104 erwärmt und in der Expansionseinrichtung 600 unter Freisetzung von Energie expandiert. Der sich ergebende expandierte Sauerstoffstrom, in Leitung 665, wird in dem Wärmetauscher 104 zur Umgebungsdruck wiedergewonnen und entlüftet Abschließend kann eine geringe Menge von Flüssigstickstoff über die Leitung 650 aus der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck abgezogen werden.
  • Die Ausführungsform des Verfahrens in Figur 7 ist ein Schema mit einem Dreifach- Wiederaufsieder mit sowohl Mitteldruck-Stickstoff als auch Lufikondensation. Mit Mitteldruck ist gemeint, daß der Druck zwischen dem Betriebsdruck der Hochdruckkolonne und der Kolonne mit niedrigerem Druck liegt. Die Unterschiede dieses Kreislaufs im Vergleich zu dem aus Figur 2 sind die folgenden. Erstens wird anstelle des Expandierens des weiter komprimierten zweiten Teils in dem Expander 130 bis auf den Druck der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck und des Zuführens der Expanderluft über die Leitung 132 unmittelbar zu der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck der weiter komprimierte zweite Teil bis auf einen mittleren Druck expandiert. Dieser Mitteldruck-Strom, in Leitung 732, wird in dem in der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck unmittelbar unterhalb der Zuführposition zu der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck angeordneten Wiederaufsieder/Kondensierer 740 kondensiert. Die kondensierte Luft wird, über Leitung 733, der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck als unreiner Rückfluß zugeführt. Zweitens wird ein Teil des Stickstoffgases, in Leitung 234, über die Leitung 734 abgezogen, in dem Wärmetauscher 144 erwärmt, in der Expansionseinrichtung 736 bis auf einen mittleren Druck expandiert und über die Leitung 738 dem Wiederaufsieder/Kondensierer 740 zugeführt. In dem Wiederaufsieder/Kondensierer 740 wird der expandierte Mitteldruck-Stickstoffstrom kondensiert. Der kondensierte Stickstoff, in Leitung 742, wird in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, entspannt und dem Kopf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck als zusätzlicher Rückfluß zugeführt. Da aufgrund der Stickstoffexpansionseinrichtungen 736 zusätzliche Kühlung erzeugt wird, kann in dieser Ausführungsform mehr Flüssigprodukt erzeugt werden.
  • Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform ist im wesentlichen ein Doppelwiederaufsiederkreislauf, der nur eine Mitteldruck-Stickstoffkondensation in dem Wiederaufsieder/Kondensierer unmittelbar unterhalb der Zuführposition der Niederdruckkolonne aufweist. Diese Ausführungsform ist eine Verbesserung des in der US-A-4,796,43 1 gelehrten Verfahrens. Der einzige Unterschied zwischen dem Kreislauf der Figur 8 und der Figur 7 besteht darin, daß in der Ausführungsform des Verfahrens gemäß Figur 7 ein Teil der Zuführluft kompandiert (weiter komprimiert und expandiert), in dem gleichen Wiederaufsieder/Kondensierer, in dem der Mitteldruck-Stickstoff kondensiert wird, kondensiert und anschließend der Kolonne mit niedrigerem Druck zugeführt wird; die Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 8 weist keine derartigen Schritte auf.
  • Alternativ kann in den in Figur 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen der Teil des Stickstoffgases in Leitung 734 nach dem Erwärmen in den Wärmeaustauscher 144 zum Teil weiter in dem Wärmeaustauscher 104 erwärmt und dann in der Expansionseinrichtung 736 unter Freisetzung von Energie expandiert werden.
  • Die in Figur 9 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens ist ein weiterer Dreifachwiederaufsiederkreislauf. In diesem Kreislauf wird expandierte Luft, in Strom 132, dem Sieder/Kondensierer 1044 zugeführt und dort gegen siedenden Rohflüssigsauerstoff kondensiert, der ein Teil des Rohflüssigsauerstoffs ist, der über die Leitung 1042 abgezogen, entspannt und der Sammelrinne zugeführt worden ist, die den Sieder/Kondensierer 1044 umgibt. Die kondensierte Luft, in Leitung 1032, wird entspannt und mit dem Strom 122 der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zugeführt. Der zum Teil verdampfte Rohsauerstoff wird über die Leitung 1046 dem Zuführpunkt der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zugeführt. Der Rest des Kreislaufs ist gleich dem in Figur 2.
  • Es sollte abschließend bemerkt werden, daß derartige Anlagen nicht auf die Gewinnung von gasförmigem Sauerstoff oder Stickstoff beschränkt sind. Der unter Druck stehende Stickstoff-(oder Abfall-)strom kann isentrop expandiert werden, um die Kühlung zu erzeugen, die für die Gewinnung von flüssigem Sauerstoff und/oder Stickstoff benötigt wird. Daneben kann der Sauerstoff unter verschiedenen Drücken aus der Kältekammer entnommen werden. Es können auch Abfallströme aus der Mitte der Kolonnen mit höherem oder niedrigerem Druck entnommen werden. Figur 11 zeigt einen Doppel-Wiederaufsieder/Kondensierer-Kreislauf mit derartigen Merkmalen. Die Ausführungsform aus Figur 11 ist ähnlich der in Figur 2; die Unterschiede sind die folgenden. Zuerst wird ein gasförmiges Sauerstoffprodukt über die Leitung 1168 aus dem Sumpf der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck oberhalb des Wiederaufsieders/Kondensierers 114 abgezogen, in dem Wärmetauscher 104 zur Rückgewinnung der Kühlung erwärmt und als sekundäres gasförmiges Sauerstoffprodukt über die Leitung 1170 wiedergewonnen. Zweitens wird der kondensierte Stickstoff, in Leitung 240, in dem Wärmetauscher 124 unterkühlt, geflashed und in dem Phasentrenner 1142 in eine Flüssigphase und eine Gasphase getrennt. Die Gasphase wird, über die Leitung 1144, mit dem Stickstoffprodukt, in Leitung 150, aus der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck zusammengeführt. Zumindest einen Teil der Flüssigphase, in Leitung 1146, wird über die Leitung 1148 der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck als Rückfluß zugeführt. Der Rest der Flüssigphase, in Leitung 1146, wird als Flüssigstickstoffprodukt über die Leitung 1150 abgezogen. Zum Schluß wird ein Abfallstrom über die Leitung 1170 aus der Kolonne 116 mit niedrigerem Druck abgezogen, in den Wärmetauschern 124 und 144 erwärmt, in der Expansionseinrichtung 1172 unter Freisetzung von Arbeit expandiert, der expandierte Strom, in Leitung 1174, in den Wärmetauschern 124, 144 und 104 zur Wiedergewinnung der Kühlung weiter erwärmt und dann über die Leitung 1176 entlüftet.
  • Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß falls kein Stickstoffprodukt unter Druck nachgefragt wird, der Stickstoff vom Kopf der Niedruckkolonne oder Stickstoff oder der Abfallstrom aus der Kolonne mit höherem Druck in ähnlicher Weise wie der Abfallstrom aus der Niederdruckkolonne expandiert werden kann, unabhängig davon, ob ein Abfallstrom aus der Niederdruckkolonne entnommen worden ist oder nicht. Es kann weiter eine Kombination von zwei Expansionseinrichtungen verwendet werden, damit sich der Luftkompander erübrigt.
  • In allen vorstehend erörterten Ausführungsformen wird der Druck des von der Kolonne mit niedrigerem Druck abgezogenen Flüssigsauerstoffs vor dem Wärmeaustausch mit dem Stickstoffdampf erniedrigt. Die Figuren 11 und 12 stellen die in Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen dar, außer daß in den Figuren 11 und 12 der Druck des Flüssigsauerstoffstroms 160 vor der Zuführung zu den Wiederkondensierern 236 nicht vermindert und der Druck des Stickstoffdampfstroms 234 vor dem Zuführen zu dem Sieder/Kondensierer 236 erhöht wird. Die Kompression des Stickstoffdampfes kann als kalte oder warme Kompression durchgeführt werden.
  • Alle vorstehend erörterten Ausführungsformen entnehmen den Stickstoffdampf für die Verbesserung der Kolonne mit höherem Druck. Figur 13 stellt eine Ausführungsform dar, bei der der Stickstoffdampf aus dem wiedergewonnenen, komprimierten Stickstoffprodukt entstammt. Die Ausführungsform aus Figur 13 ist ähnlich der Ausführungsform aus Figur 3. Mit Bezug auf die Figur 13 wird komprimierter Kreislaufstickstoff, in Leitung 302, dem Wärmetauscher 236 anstelle des Teils des Stickstoffkopfprodukts unter höherem Druck, in Leitung 234, zugeführt. Weiter kann in Figur 13 der Druck der Flüssigsauerstoffsiedeflüssigkeit in dem Sieder/Kondensierer 236 dadurch erhöht werden, daß Flüssigsauerstoff in die Leitung 160 gepumpt wird.
  • Abschließend ist zu Vergleichszwecken ein herkömmlicher Doppel-(Dual-)kolonnen- Kreislauf in Figur 14 dargestellt. Der herkömmliche Doppelkolonnenkreislauf ist im Stande der Technik gut bekannt und wird daher nicht detailliert beschrieben werden.
  • Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden verschiedene Vergleichsbeispiele simuliert. Da die herkömmlichen Doppelwiederaufsiederkreisläufe nicht die Art der Sauerstoffwiedergewinnung und die nachgefragte Stickstoffreinheit bereitstellen, erübrigt sich ein Vergleich zu den Kreisläufen der Erfindung und den herkömmlichen Doppelwiederaufsiederkreisläufen. Aus diesem Grunde wurde ein Vergleich zwischen dem herkömmlichen Doppelkolonnenkreislauf (Figur 14) und der in Figur 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform gemacht. Die Simulationen wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Druck der Luft zu der Kältekammer 1014 kPa (147 psia), O&sub2;- Reinheit = 95 %. Die Ergebnisse dieser Simulationen sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Zahl der theoretischen Stufen Kreislauf Höherer Druck Niedrigerer Druck Durchfluß* Strom Mol Sauerstoffausbeute* Leistungsverhältnis* Figur
  • * Basis : 100 Mol/h Zuführluft
  • ** Vergleichsbasis : Stickstoffprodukt auf 962 kPa (139,5 psia) komprimiert keine weitere Kompression für das Sauerstoffprodukt
  • Es wurde auch ein Vergleich zwischen dem in Figur 14 gezeigten herkömmlichen Doppel(Dual-)kolonnen-Kreislauf und der in Figur 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform durchgeführt. Die Simulationen wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Druck der Luft zu der Kältekammer = 1427 kPa (207 psia), O&sub2;-Reinheit = 90%. Die Resultate dieser Simulationen sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 Zahl der theoretischen Stufen Kreislauf Höherer Druck Niedrigerer Druck Durchfluß* Strom Mol Sauerstoffausbeute* Leistungsverhältnis* Figur
  • * Basis : 100 Mol/h Zuführluft
  • ** Vergleichsbasis : Stickstoffprodukt auf 962 kPa (139,5 psia) komprimiert keine weitere Kompression für das Sauerstoffprodukt
  • Man bemerke, daß die Leistungsverhältnisse auf der Basis des herkömmlichen Doppelkolonnenkreislaufs berechnet wurden, der unter erhöhten Drücken arbeitet und bei dem das Stickstoffprodukt auf einen Druck von 962 kPa (139,5 psia) komprimiert worden ist. Wenn die Leistung des herkömmlichen Niederdruck-Kreislaufs als Vergleichsbasis verwendet wird, betragen die Leistungseinsparungen in Tabelle 1 ungefähr 8%.
  • Der Vorteil der Verwendung von Dreifachwiederaufsiedem in dieser Erfindung wird durch den Vergleich zwischen den in den Figuren 7 und 8 dargestellten Dreifachwiederaufsiederkreisläufen mit dem in Figur 2 dargestellten Doppelwiederaufsiederkreislauf der Erfindung gezeigt. Die Bedingungen für die Simulation sind die folgenden: Druck der Luft zur Kältekammer 1014 kPa (147 psia), O&sub2;-Reinheit = 95%. Die Ergebnisse der Simulation sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Zahl der theoretischen Stufen Kreislauf Höherer Druck Niedrigerer Druck Sauerstoffausbeute Mol Flüssigsauerstoffausbeute Expandersollleistung Flüssigsauerstoffleistungssoll Leistungsersparnis [kW] Figur Basis
  • + Expanderleistung x 0,95 x 0,97
  • Soll-Berechnung: Flüssigsauerstoffausbeute x 390 kW/(T/h)
  • * Basis : 100 Mol/h Zuführluft
  • Hauptluftkompressorleistung: 93 kW
  • Man erkennt, daß der Leistungswirkungsgrad des Dreifachwiederaufsiederkreislaufs mit einer mittleren Stickstoffkondensation ausschließlich in dem Wiederaufsieder/Kon-densierer unmittelbar unterhalb der Zuführposition der Niederdruckkolonne (Figur 8) nur geringfügig besser als der Doppelwiederaufsiederkreislauf gemäß der Erfindung, und daß mit beiden die Mitteldruckluft und die Stickstoffkondensation (Figur 7) erheblich besser ist.
  • Abschließend sind die Parameter der wichtigen Ströme aus der Simulation des Kreislaufs Figur 2 (mit und ohne Flüssigsauerstoff) und Figur 7 in den Tabellen 4 bis 6 aufgelistet. Tabelle 4 Ausgewählte Stromparameter für die Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 2 ohne Flüssigsauerstoffgewinnung Strom Nummer Druck Temperatur Durchfluß: Mol/h Tabelle 5 Ausgewählte Stromparameter für die Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 2 mit Flüssigsauerstoffgewinnung Strom Nummer Druck Temperatur Durchfluß: Mol/h Tabelle 6 Ausgewählte Stromparameter für die Ausführungsform des Verfahrens aus Figur 2 mit Flüssigsauerstoffgewinnung Strom Nummer Druck Temperatur Durchfluß: Mol/h

Claims (20)

1. Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft zum Abtrennen und Gewinnen zumindest eines ihrer Bestandteile, wobei die kryogene Destillation in einem Destillationskolonnensystem mit zumindest zwei bei unterschiedlichen Drücken arbeitenden Destillationskolonnen durchgeführt wird; ein Zuführluftstrom wird auf einen Druck im Bereich zwischen 0,5 und 2 MPa (70 bis 300 psia) komprimiert und im großen und ganzen von Verunreinigungen, die bei kryogenen Temperaturen ausfrieren, befreit; zumindest ein Teil der komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluft wird gekühlt, der ersten der zwei Destillationskolonnen zugeführt und dort rektifiziert, wodurch ein Stickstoffkopfprodukt mit einem höheren Druck und ein Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt gewonnen wird; das Rohsauerstoffsumpfprodukt wird entspannt und der zweiten der beiden Destillationskolonnen zur Destillation zugeführt, wodurch ein Stickstoffkopfprodukt mit niedrigerem Druck und ein Flüssigsauerstoffsumpfprodukt gewonnen wird; ein Teil der gekühlten, komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluftmenge wird zumindest teilweise durch Wärmeaustausch mit dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt in einem ersten Aufkocher/Kondensator kondensiert und zumindest einer der beiden Destillationskolonnen zugeführt; zumindest ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck wird durch Wärmeaustausch mit einer in der zweiten Destillationskolonne absteigenden Flüssigkeit in einem zweiten Aufkocher/Kondensator kondensiert, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Sumpf der zweiten Destillationskolonne und dem Zuführpunkt des Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukts angeordnet ist; der kondensierte Stickstoff mit höherem Druck wird zumindest zu einer der beiden Destillationskolonnen als Rückfluß zugeführt; und es wird ein gasförmiges Stickstoffprodukt gewonnen; wobei:
a) ein Teil des Flüssigsauerstoffsumpfprodukts der zweiten Kolonne in Wärmeaustausch mit dem Stickstoffdampfstrom tritt, der von der ersten Destillationskolonne abgezogen worden ist oder der von dem nachfolgend komprimierten gasförmigen Stickstoffprodukt herrührt, wobei vor diesem Wärmeaustausch der Druck der Flüssigsauerstoffsumpfproduktmenge oder des Stickstoffdampfstroms oder sowohl der Druck des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils als auch der Druck des Stickstoffdampfstroms durch eine wirkungsvolle Menge eingestellt wird, so daß eine geeignete Temperaturdifferenz zwischen dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt und dem Stickstoffdampfstrom besteht, so daß bei einem Wärmeaustausch der Stickstoffdampf vollständig kondensiert und der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil zumindest teilweise verdampft wird;
b) der kondensierte Stickstoff wird als Rückfluß zu zumindest einer der beiden Destillationskolonnen verwendet; und
c) der verdampfte Sauerstoff wird erwärmt, um Kälte zurückzugewinnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Aufkocher/Kondensator im Sumpf der zweiten Destillationskolonne angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein anderer Teil der komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen befreiten Zuführluft weiter komprimiert, gekühlt und unter Arbeitsleistung auf den Betriebsdruck der zweiten Destillationskolonne expandiert wird, wobei der expandierte Teil einer Zwischenstelle der zweiten Destillationskolonne zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die durch das Expandieren des weiter komprimierten, gekühlten Anteils erzeugte Arbeit dazu verwendet wird, den anderen Teil zu komprimieren.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der expandierte Luftanteil in einem Aufkocher/Kondensator gegen das siedende Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt vor der Einführung in die zweite Destillationskolonne kondensiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der in Verfahrensschritt (a) kondensierte Stickstoffdampf ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit niedrigerem Druck ist und bei dem der kondensierte Stickstoff als Rückfluß zu de zweiten Destillationskolonne verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Verfahrensschritt (a) lediglich der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil vor dem Wärmeaustausch entspannt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in Verfahrensschritt (a) lediglich der Stickstoffdampfstrom vor dem Wärmeaustausch in seinem Druck erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in Verfahrensschritt (a) der Stickstoffdampfdruck in seinem Druck erhöht wird und der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil in seinem Druck vor dem Wärmeaustausch erhöht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der in Verfahrensschritt (a) kondensierte Stickstoffdampf ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck ist und bei dem der kondensierte Stickstoff als Rückfluß zu der zweiten Destillationskolonne verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der in Verfahrensschritt (a) kondensierte Stickstoffdampf ein Stickstoffkopfprodukt mit niedrigerem Druck ist, der aus der zweiten Destillationskolonne stammt und nachfolgend komprimiert worden ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil des Stickstoffprodukts komprimiert und zumindest ein Teil davon zu einem Aufkocher/Kondensator zurückgeführt wird, der in der zweiten Destillationskolonne angeordnet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein zweiter Teil des komprimierten Stickstoffprodukts komprimiert, gekühlt und unter Arbeitsleistung expandiert wird; durch Wärmeaustausch mit einer in der zweiten Kolonne absteigenden Flüssigkeit kondensiert wird, und zwar in einem dritten Aufkocher/Kondensator, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Zuführpunkt für das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt mit verminderten Druck und dem zweiten Aufkocher/Kondensator angeordnet ist; und wobei der kondensierte Stickstoff als Rückfluß zu der zweiten Destillationskolonne verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Teil des Stickstoffkopfprodukts mit höherem Druck expandiert wird; der expandierte Stickstoffanteil wird durch Wärmeaustausch mit einer in der zweiten Kolonne absteigenden Flüssigkeit kondensiert, und zwar in einem dritten Aufkocher/Kondensator, der in der zweiten Destillationskolonne zwischen dem Zuführpunkt für das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt mit vermindertem Druck und dem zweiten Aufkocher/Kondensator angeordnet ist; und der kondensierte Stickstoff wird als Rückfluß zu der zweiten Destillationskolonne verwendet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die expandierte Luftmenge aus Anspruch 3 in dem dritten Aufkocher/Kondensator vor der Einführung in die zweite Destillationskolonne kondensiert wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gekühlte, komprimierte, im großen und ganzen von Verunreinigungen freie, der ersten der beiden Destillationskolonnen zugeführte Luft und die gekühlte, komprimierte, im großen und ganzen von Verunreinigungen freie Zuführluftmenge, die zumindest teilweise durch Wärmeaustausch mit dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt in einem ersten Aufkocher/Kondensator, der im Sumpf der zweiten Destillationskolonne angeordnet ist, kondensiert wird, der gleiche Strom ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der verdampfte Sauerstoff aus Verfahrensschritt (c) unter Arbeitsleistung expandiert wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der komprimierten Zuführluft aus einem Luftstrom stammt, der in dem mechanisch mit einer Gasturbine verbundenen Kompressor komprimiert worden ist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Luftstrom in einem mechanisch mit einer Gasturbine verbundenen Kompressor komprimiert wird und das weiter umfaßt das Komprimieren zumindest eines Teils des in dem Verfahren zur kryogenen Destillation von Luft gewonnenen gasförmigen Stickstoffs; Verbrennen des komprimierten, gasförmigen Stickstoffs, zumindest eines Teils des komprimierten Luftstroms und eines Brennstoffs in einer Brennkammer, wodurch ein Verbrennungsgas erzeugt wird; Expandieren des Verbrennungsgases in der Gasturbine unter Arbeitsleistung; und Verwenden zumindest eines Teils der erzeugten Arbeit zum Antreiben des mit der Gasturbine mechanisch verbundenen Kompressors.
20. Vorrichtung zur kryogenen Destillation von Luft zum Abtrennen und Gewinnen zumindest einer ihrer Bestandteile, wobei die Vorrichtung umfaßt:
- ein Destillationskolonnensystem mit zumindest zwei Destillationskolonnen (110, 116), die bei unterschiedlichen Drücken arbeiten;
- eine Einrichtung (108) zum Zuführen zumindest eines Teils des gekühlten, komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Luftstroms (106) unter einem Druck im Bereich zwischen 0.5 und 2 MPa (70 bis 300 psia) zu der ersten (110) der zwei Destillationskolonnen zur Rektifikation und damit Gewinnung eines Stickstoffkopfprodukts (134) mit höherem Druck und eines Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukts (142);
- eine Einrichtung zum Entspannen des Rohsauerstoffsumpfprodukts (142) und zum Zuführen des Rohsauerstoffsumpfprodukts mit verminderten Druck zu der zweiten (116) der zwei Destillationskolonnen zur Destillation und damit Gewinnung eines Stickstoffkopfprodukts (115) mit niedrigerem Druck und eines Flüssigsauerstoffsumpfprodukts (160);
- eine Einrichtung (112 bis 122) zum zumindest teilweisen Kondensieren eines Teil (112) der gekühlten, komprimierten, im großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluftmenge (106) durch Wärmeaustausch mit dem Flüssigsauerstoffsumpfprodukt in einem ersten Aufkocher/Kondensator (114) und zum Zuführen dieses zum Teil kondensierten, gekühlten, komprimierten, in großen und ganzen von Verunreinigungen freien Zuführluftanteils (118) zu zumindest einer der zwei Destillationskolonnen (110, 116);
- eine Einrichtung (134 - 140) zum Kondensieren zumindest eines Teils des Stickstoffkopfprodukts (134) mit höherem Druck durch Wärmeaustausch mit einer in der zweiten Destillationskolonne (116) absteigenden Flüssigkeit, und zwar in einem zweiten Aufkocher/Kondensator (136), der in der zweiten Destillationskolonne (116) zwischen dem Sumpf der zweiten Destillationskolonne (116) und dem Zuführpunkt für das Rohflüssigsauerstoffsumpfprodukt (142) angeordnet ist, und zum Zuführen des kondensierten Stickstoffs (138, 140) mit höherem Druck zu zumindest einer der beiden Destillationskolonnen (110, 116) als Rückfluß; und
- eine Einrichtung (150, 152) zum Abziehen des gasförmigen Stickstoffproduktes aus dem Destillationskolonnensystem;
wobei die Vorrichtung weiter umfaßt:
- eine Einrichtung (160, 234, 236) zum Wärmeaustausch eines Teils des Flüssigsauerstoffsumpfprodukts (160) der zweiten Destillationskolonne (116) mit einem Stickstoffdampfstrom (234), der aus der ersten Destillationskolonne (110) abgezogen worden ist, oder von dem in der Folge komprimierten, gasförmigen Stickstoffprodukt (152) stammt;
- eine Einrichtung zum Einstellen, und zwar vor dem Wärmeaustausch, des Drucks des Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteils (160) oder des Stickstoffdampfstroms (234) oder beider durch eine wirksame Menge, so daß eine geeignete Temperaturdifferenz besteht, so daß bei einem Wärmeaustausch der Stickstoffdampf (234) vollständig kondensiert und der Flüssigsauerstoffsumpfproduktanteil (160) zumindest zum Teil verdampft wird;
- eine Einrichtung (238, 240) zum Zuführen des kondensierten Stickstoffs als Rückfluß zu zumindest einer der beiden Destillationskolonnen (110; 116);und
- eine Einrichtung (144, 104) zum Erwärmen des verdampften Sauerstoffs (262) zur Rückgewinnung von Kälte.
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