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DE4030750A1 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft

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Publication number
DE4030750A1
DE4030750A1 DE4030750A DE4030750A DE4030750A1 DE 4030750 A1 DE4030750 A1 DE 4030750A1 DE 4030750 A DE4030750 A DE 4030750A DE 4030750 A DE4030750 A DE 4030750A DE 4030750 A1 DE4030750 A1 DE 4030750A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
compressor
nitrogen
air
circuit
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE4030750A
Other languages
English (en)
Inventor
Herbert Ing Grad Schoenecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to DE4030750A priority Critical patent/DE4030750A1/de
Publication of DE4030750A1 publication Critical patent/DE4030750A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
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    • F25J3/04351—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei denen Luft in einem Luftverdichter komprimiert, in einer Reinigungsstufe vorgereinigt, anschließend abgekühlt, einer Rektifiziersäule zugeführt und dort in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, wobei in einem mit Stickstoff als Arbeitsmedium betriebenen Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter und eine Entspannungseinrichtung aufweist, Kälte erzeugt wird und eine Stickstofffraktion aus der Rektifiziersäule herausgeleitet, in einem Vorverdichter komprimiert und dem Kältekreislauf vor dem Kreislaufverdichter zugeführt wird.
Derartige Verfahren und Anlagen werden vor allem dann eingesetzt, wenn ein großer Anteil der Produkte flüssig gewonnen werden soll. Die für die Produktverflüssigung benötigte Kälte kann nicht zurückgewonnen werden. Es wird daher zusätzlich Kälte in einem Stickstoffkreislauf durch Verdichten und Entspannen von Stickstoff erzeugt. Das niedrigste Niveau des Kältekreislaufs (Ansaugdruck des Kreislaufverdichters) liegt dabei in der Regel über dem Druckniveau der Rektifiziersäule (im Falle einer Doppelsäule über dem Druck der Niederdrucksäule). Stickstoff, der aus der Niederdrucksäule bzw. aus der Einfachsäule in den Kältekreislauf eingeführt werden soll, muß daher zunächst in einem Vorverdichter komprimiert werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus dem Konferenzbericht "Luftzerlegungsanlagen" über die 5. Arbeitstagung der Linde AG vom 25. bis 27. Juni 1986 (Seite 17) bekannt.
In der Regel handelt es sich um einen teilweise geschlossenen Kreislauf, d. h. entspannter Kreislaufstickstoff wird zu einem Teil zum Kreislaufverdichter zurückgeführt, nachdem er anderen Prozeßströmen Wärme durch indirekten Wärmeaustausch entzogen hat, und zu einem anderen Teil in die Rektifiziersäule geführt, um dort beispielsweise als flüssiger Rücklauf zu dienen. Ein weiterer Anteil wird in der Regel als Flüssigprodukt gewonnen. Die im Kreislauf geführte Menge richtet sich nach dem Kältebedarf der Anlage, d. h. in erster Linie nach dem Anteil der Flüssigprodukte.
In speziellen Fällen kann der Kreislauf vollständig offen betrieben werden, indem sämtliches Arbeitsmedium nach dem Entspannen dem Kältekreislauf entzogen wird. Die Entspannung des Kreislaufgases wird vorzugsweise zum größten Teil arbeitsleistend durchgeführt.
Das gattungsgemäße Verfahren arbeitet auch bei hohem Anteil an flüssig gewonnenen Produkten, d. h. bei äußerst hohem Kältebedarf, energetisch relativ günstig. Die hohe Anzahl an mit von außen eingebrachter Energie angetriebener Verdichter (Luftverdichter, Kreislaufverdichter und Vorverdichter) zieht jedoch hohe Kapitalkosten und einen großen Raumbedarf nach sich.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, das gattungsgemäße Verfahren wirtschaftlicher zu gestalten, insbesondere durch Verringerung der Kapitalkosten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Luftverdichter, Kreislaufverdichter und Vorverdichter durch eine einzige Maschine realisiert sind.
Die Zusammenfassung der drei Verdichter in eine einzige Maschine vermindert den Kostenaufwand gegenüber dem Einsatz dreier Einzelverdichter um etwa 50%. Neben den Maschinenkosten verringert sich der Platzbedarf im Maschinenraum durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise erheblich. Da die Verdichter-Maschinen und ihre Antriebsaggregate einen hohen Anteil an der für eine Luftzerlegungsanlage benötigten Stellfläche einnehmen, stellt dies vor allem bei beengten Verhältnissen, wie sie in Industrieanlagen häufig vorkommen, einen nicht unerheblichen Vorteil dar.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders zur Geltung, wenn eine Mehr-Wellen-Maschine mit acht bis zehn Laufrädern als Luftverdichter, Kreislaufverdichter und Vorverdichter eingesetzt wird. Dadurch können die Leistungen der drei Verdichter so gewählt werden, daß keine nennenswerten energetischen Nachteile gegenüber der Verwendung von Einzelmaschinen zu verzeichnen sind. Derartige Verdichter sind beispielsweise bei der Firma Babcock-Borsig erhältlich (z. B. Getriebe-Turboverdichter Typ GK 500-2000).
Es hat sich als günstig erwiesen, gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung Luftverdichter und Vorverdichter durch jeweils zwei bis drei Laufräder und den Kreislaufverdichter durch drei bis vier Laufräder zu realisieren. Diese Konfigurationen wurden durch umfangreiche Berechnungen entwickelt und in einer Versuchsanlage erfolgreich verwirklicht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren weist einen Luftverdichter, eine Reinigungseinrichtung, einen Wärmetauscher, eine Rektifiziersäule, daran angeschlossene Produktleitungen für Sauerstoff und Stickstoff, sowie einen mit Stickstoff als Arbeitsmedium betriebenen Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter und eine Entspannungseinrichtung aufweist, und mit einer Stickstoffleitung auf, die von der Rektifiziersäule zu einem Vorverdichter und von diesem weiter zu dem Kreislaufverdichter führt, und ist gekennzeichnet durch eine Mehr-Wellen-Maschine mit acht bis zehn Laufrädern, die als Luftverdichter, Kreislaufverdichter und Vorverdichter dient.
Die Erfindung sowie nähere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung skizziert dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Luft wird über Leitung 1 von einem Verdichter 2 angesaugt und anschließend in einer Molsiebanlage 3 von Wasser und Kohlendioxid befreit. Die verdichtete und vorgereinigte Luft wird über Leitung 4 durch einen Hauptwärmetauscher 5 geführt und dort in indirektem Wärmeaustausch mit Produktströmen abgekühlt. Die auf eine Temperatur von 238 bis 246 K, vorzugsweise 240 bis 244 K abgekühlte und unter einem Druck von 4,2 bis 5,0, vorzugsweise 4,4 bis 4,7 bar stehende Luft (Leitung 6) wird in einer Entspannungsturbine 7 auf einen Druck von 1,3 bis 1,6, vorzugsweise 1,4 bis 1,5 bar entspannt und kühlt sich dabei weiter auf 176 bis 184, vorzugsweise 178 bis 182 K ab. Anschließend wird sie über Leitung 8 erneut in den Hauptwärmetauscher 5 eingeführt und schließlich mit einer Temperatur von 94 bis 100 K, vorzugsweise 96 bis 98 K in die Rektifiziersäule 9 eingeführt. Die bei der Entspannung 7 der Luft gewonnene Arbeit wird vorzugsweise in einem Zusatzverdichter 40 zur Verdichtung von Einsatzluft verwendet.
Der Rektifiziersäule 9 werden flüssiger Sauerstoff 10, gasförmiger Stickstoff 19 sowie etwas unterhalb des Kopfes außerdem unreiner Stickstoff 24 entnommen.
Ein Teil des Sauerstoffs 10 wird als Flüssigprodukt 11 abgeführt. Der Rest (Leitung 12) wird in einem Kondensator 18 verdampft und teilweise über Leitung 14 in die Rektifiziersäule 9 zurückgeführt, teilweise über Leitung 15 in den Hauptwärmetauscher 5 eingeleitet. Der auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmte gasförmige Sauerstoff 16 kann als Produkt abgezogen (Leitung 17) oder als Regeneriergas für die Molsiebanlage 3 verwendet werden (Leitung 18).
Der gasförmige Stickstoff (Leitung 19) wird im Unterkühler 26 und im Hauptwärmetauscher 5 angewärmt und mindestens zum Teil als Produkt abgezogen (Leitung 21). Der über Leitung 24 herausgeführte unreine Stickstoff dient ebenfalls zur Abkühlung anderer Prozeßströme in Unterkühler 26 und Hauptwärmetauscher 5 und wird über Leitung 25 unter Umgebungstemperatur abgezogen.
Zur Erzeugung der für die Flüssigproduktion benötigten Kälte weist das Verfahren einen Kältekreislauf auf, in dem gasförmiger Mitteldruckstickstoff (5,0 bis 5,6, vorzugsweise 5,3 bis 5,4 bar) in einem Kreislaufverdichter 27 und einem nachgeschalteten Nachverdichter 28 auf einen Druck von 88 bis 42, vorzugsweise 40 bis 41 bar gebracht und im Hauptwärmetauscher 5 abgekühlt wird. Der Kreislaufstickstoff wird mindestens zum Teil über Leitung 29 unter einer Temperatur von 158 bis 166, vorzugsweise 160 bis 164 K einer Entspannungsturbine 30 zugeführt und dort arbeitsleistend entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird vorzugsweise zur Nachverdichtung 28 eingesetzt. Das entspannte Gas in Leitung 32 weist einen Druck von 5,4 bis 6,0, vorzugsweise 5,8 bis 6,0 bar und eine Temperatur von 95 bis 99, vorzugsweise 96 bis 98 K auf. Ein Teil des Kreislaufstickstoffs kann auch über Leitung 31 an der Entspannungturbine 30 vorbeigeleitet werden.
Über Leitung 33 schließt sich der Kältekreislauf. Das durch Leitung 33 zur Saugseite des Kreislaufverdichters 27 zurückgeführte Stickstoffgas wird durch den Hauptwärmetauscher 5 geleitet und nimmt dabei Wärme aus anderen Prozeßströmen auf.
Ein Teil des entspannten Kreislaufgases wird über Leitung 84 zum Kondensator 18 geführt, kondensiert, im Unterkühler 26 weiter abgekühlt und zum einen Teil als Rücklauf in die Rektifiziersäule 9 (Leitung 35), zum anderen Teil in einen Abscheider 37 eingedrosselt. Flüssiger Stickstoff 88 kann dem Abscheider als Produkt entnommen werden, restliches Stickstoffgas wird über Leitung 39 wieder in die Gasleitung 19 zurückgeführt.
Der Kältekreislauf wird mit Arbeitsmedium gespeist, indem ein Teil des gasförmigen Stickstoffs in Leitung 20 abgezweigt und zum Kreislaufverdichter 27 geführt wird (Leitung 22). Das Gas muß dabei in einem Vorverdichter 23 auf den Saugdruck des Kreislaufverdichters gebracht werden.
Erfindungsgemäß bilden Luftverdichter 2, Kreislaufverdichter 27 und Vorverdichter 23 eine Einheit. Es kommt eine Mehr-Wellen-Maschine mit acht bis zehn Laufrädern zum Einsatz, von denen jeweils zwei bis drei den Luftverdichter 2 bzw. den Vorverdichter 23 und drei bis vier den Kreislaufverdichter 27 realisieren.
Es kann bei dem Verfahren günstig sein, an einigen Stellen zusätzlich Fremdkälte zuzuführen, beispielsweise der verdichteten Luft vor der Molsiebanlage 8 (Wärmetauscher 41) und/oder vor der arbeitsleistenden Entspannung 7 (Wärmetauscher 42) und/oder auch dem Kreislaufstickstoff zwischen Verdichten 27, 28 und Entspannen 30 (Wärmetauscher 43).

Claims (4)

1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei dem Luft (1) in einem Luftverdichter (2) komprimiert, in einer Reinigungsstufe (3) vorgereinigt, anschließend abgekühlt (5, 42), einer Rektifiziersäule (9) zugeführt (8) und dort in Sauerstoff (10) und Stickstoff (19) zerlegt wird, wobei in einem mit Stickstoff als Arbeitsmedium betriebenen Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter (27) und eine Entspannungseinrichtung (30) aufweist, Kälte erzeugt wird und eine Stickstofffraktion aus der Rektifiziersäule (9) herausgeleitet (19, 20, 22), in einem Vorverdichter (23) komprimiert und dem Kältekreislauf vor dem Kreislaufverdichter (27) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Luftverdichter (2), Kreislaufverdichter (27) und Vorverdichter (28) durch eine einzige Maschine realisiert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehr-Wellen-Maschine mit acht bis zehn Laufrädem als Luftverdichter (2), Kreislaufverdichter (27) und Vorverdichter (28) eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Luftverdichter (2) und Vorverdichter (23) durch jeweils zwei bis drei Laufräder und der Kreislaufverdichter (27) durch drei bis vier Laufräder realisiert sind.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Luftverdichter (2), einer Reinigungseinrichtung (3), einem Hauptwärmetauscher (5), einer Rektifiziersäule (9), daran angeschlossenen Produktleitungen für Sauerstoff (10) und Stickstoff (19), mit einem mit Stickstoff als Arbeitsmedium betriebenen Kältekreislauf, der einen Kreislaufverdichter (27) und eine Entspannungseinrichtung (6) aufweist, und mit einer Stickstoffleitung (19, 20, 22), die von der Rektifiziersäule (9) zu einem Vorverdichter (23) und von diesem weiter zu dem Kreislaufverdichter (27) führt, gekennzeichnet durch eine Mehr-Wellen-Maschine mit acht bis zehn Laufrädern, die als Luftverdichter (2), Kreislaufverdichter (27) und Vorverdichter (23) dient.
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