DE68911482T2

DE68911482T2 - Lufttrennung.

Info

Publication number: DE68911482T2
Application number: DE89310431T
Authority: DE
Inventors: John Terence Lavin; Thomas Rathbone
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1988-10-15
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: EP0367428B1; JPH02197788A; US5076837A; ZA897750B; EP0367428A1; JP3305311B2; CA2000489A1; DE68911482D1; GB8824216D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Lufttrennung, insbesondere zum Erzeugen von Sauerstoff zur Verwendung in einer partiellen Oxidationsreaktion.
Partielle Oxidationsreaktionen, beispielsweise diejenigen, welche erforderlich sind, ein synthetisches Gas aus einem natürlichen Gas zu erzeugen, setzen typischerweise Sauerstoff ein, welcher in einer kryogenen Anlage zum Trennen von Luft durch Rektifikation erzeugt wird, und erzeugen beispielsweise Hunderte Tonnen von Sauerstoff pro Tag. Typischerweise kann der Sauerstoff bis zu 10% Verunreinigungen (hauptsächlich Stickstoff) enthalten. Die Lufttrennungsanlage erzeugt außerdem Stickstoff.
Es ist als vorteilhaft bekannt, Arbeit vom in der Lufttrennungsanlage erzeugten Stickstoff zurückzugewinnen. US-A 2 520 862, EP-A-211 335 und US-A-3 731 495 offenbaren Methoden, in welchen Arbeit vom Stickstoffprodukt in einer Gasturbine zurückgewonnen wird, typischerweise nach einer Kompression. Der Stickstoff wird eingesetzt, um den Druck in einer Verbrennungskammer zu steuern, welche mit der Gasturbine assoziiert ist, und reduziert dadurch auch die Bildungsrate von Stickstoffoxiden in der Verbrennungskammer. Die Turbine kann eingesetzt werden, um einen Wechselstromgenerator anzutreiben, und auf diese Weise kann dem in der Lufttrennungsanlage eingesetzten Luftkompressor Elektrizität zugeführt werden. Demgemäß können die meisten, wenn nicht alle Energieanforderungen des Lufttrennungsverfahrens erfüllt werden. In GB-A-1 455 960 wird ein verbessertes Verfahren zur Rückgewinnung von Arbeit vom Stickstoff-
produkt beschrieben. Diese Methode umfaßt eine thermodynamische Verbindung der Lufttrennungsanlage mit einem Dampfgenerator. Das Stickstoffprodukt wird mit Abzugsgasen wärmegetauscht, die zur Erzeugung von Dampf im Dampfgenerator bestimmt sind, um dem Stickstoffprodukt hochgradige Wärme zu verleihen und es somit auf eine Temperatur von mehr als 600ºC zu erwärmen. Das Stickstoffprodukt wird dann unter der Verrichtung von Arbeit expandiert, um den größten Teil seiner benötigten Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Dampf wird durch die Abzugsgase stromabwärts ihres Wärmeaustausches mit dem Stickstoffprodukt erzeugt. Zur Verfügung stehende Restwärme im unter Arbeit expandierten Stickstoffprodukt wird verwendet, um in den Dampfgenerator eintretende Fluide vorzuerwärmen.
Das in GB-A-1 455 960 beschriebene Verfahren weist eine Anzahl von Nachteilen auf. Die Verwendung von hochgradiger Wärme, um Dampf zu erzeugen, ist erstens relativ uneffizient. Zweitens bringt die Dampferzeugung einen bedeutenden zusätzlichen Hauptkostenpunkt mit sich. Obwohl es die Möglichkeit gibt, vom Lufttrennungsverfahren zurückgewonnene Arbeit zu verwenden, um große überschußmengen an Elektrizität für den Export zu erzeugen, macht drittens das Verfahren gemäß der GB-A-1 455 960 von dieser Möglichkeit keinen Gebrauch. Viertens steht eine geeignete Dampferzeugungsanlage häufig nicht am Ort der Lufttrennungsanlage zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Rückgewinnung von Arbeit aus einem Stickstoffstrom, in welcher der Stickstoff durch Wärmeaustausch mit einem heißen Fluid aus einem chemischen Prozeß vorerwärmt wird, an dem das Sauerstoffprodukt der Lufttrennung teilnimmt. Demgemäß wird die Verwendung von hochgradiger Wärme, um Dampf zu erzeugen, vermieden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kombiniertes Verfahren geschaffen, in welchem Luft in Sauerstoff und Stickstoff getrennt wird, ein Strom des Sauerstoffs einem chemischen Prozeß zugeführt wird, welcher bei erhöhter Temperatur stattfindet und welcher als Produkt oder Ausschuß einen heißen gasförmigen Strom erzeugt, ein Strom des Stickstoffs unter einem Druck von wenigstens fünf (und vorzugsweise wenigstens zehn) Atmosphären durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen gasförmigen Strom auf eine Temperatur von wenigstens 700ºC (und vorzugsweise wenigstens 1000ºC) erwärmt wird, und der so erwärmte Stickstoffstrom unter der Ausführung äußerer Arbeit in einer Turbine expandiert wird.
Die Erfindung schafft ebenfalls ein Gerät zum Ausführen der obigen Methode, mit einem Gerät zum Trennen von Luft in Sauerstoff und Stickstoff, einem oder mehreren chemischen Reaktoren zum Ausführen eines chemischen Prozesses, an welchem der Sauerstoff teilnimmt, wobei der Reaktor oder die Reaktoren in Betrieb einen heißen gasförmigen Strom produzieren, einem Wärmeaustauscher zum indirekten Wärmeaustauschen des heißen gasförmigen Stroms mit einem Stickstoffstrom bei einem Druck von wenigstens fünf Atmosphären und zum dadurch Erwärmen des Stickstoffstroms auf eine Temperatur von wenigstens 700ºC, und einer Expansionsturbine zum Expandieren des so erwärmten Stickstoffs unter der Ausführung äußerer Arbeit.
Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil des expandierten Stickstoffs verwendet, um wenigstens ein fluides Reaktionsmittel, welches an dem chemischen Prozeß teilnimmt, vorzuerwärmen.
Der Stickstoff kann auf den gewünschten Druck mittels eines Kompressors angehoben werden. Typischerweise wird die Luft in einer doppelten Säule der herkömmlichen Art getrennt, wie sie bei Lufttrennung allgemein verwendet wird. Falls eine solche doppelte Säule verwendet wird, kann die niedrigere Drucksäule vorteilhaft bei einem Druck von drei bis vier Atmosphären absolut betrieben werden, im Vergleich mit einem herkömmlichen resultierenden Anstieg in der Effizienz im Vergleich mit einem herkömmlichen Betrieb einer solchen Säule bei einem Druck zwischen ein und zwei Atmosphären absolut. Darüberhinaus ist weniger Kompression erforderlich als bei einer Erzeugung des Stickstoffs bei einem geringeren Druck. Die äußere Arbeit, die bei der Methode gemäß der Erfindung ausgeführt wird, kann die Kompression eines eintretenden Luftstroms oder eines das Lufttrennungsverfahren verlassenden Produktstroms sein, stellt aber vorzugsweise die Erzeugung von Elektrizität für einen anderen Prozeß als die Lufttrennung oder für den Export dar.
Der chemische Prozeß kann ein Gasbildungsprozeß oder ein Prozeß zur Herstellung von Stahl durch die direkte Reduktion von Eisenoxid sein. Die Erfindung ist jedoch insbesondere geeignet für den Einsatz beim Durchführen partieller Oxidationsreaktionen, insbesondere der Umwandlung von natürlichem Gas in synthetisches Gas. Obwohl es wünschenswert ist, das natürliche Gas vorzuerwärmen, bevor es in den Reaktor, in welchem die partielle Oxidation stattfindet, eintritt, begrenzt in einer solchen Reaktion die Gegenwart höherer Kohlenwasserstoffe im natürlichen Gas diejenige Temperatur, auf welche das natürliche Gas in der Praxis vorerwärmt werden kann, aufgrund der Neigung dieser höheren Kohlenwasserstoffe, bei Temperaturen oberhalb von 400ºC Kohlenstoff abzulagern. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das natürliche Gas vorzugsweise gereinigt, um ein Rein-Methan- Produkt zu liefern, und dieses Rein-Methan-Produkt wird vor seinem Eintritt in den Reaktor, wo die partielle Oxidationsreaktion stattfindet, auf eine Temperatur von wenigstens 600ºC vorerwärmt. Die höheren Kohlenwasserstoffe, die vom Methan bei der Reinigung des natürlichen Gases getrennt werden, können ihrerseits dem Reaktor zugeführt werden, in welchem die partielle Oxidation stattfindet, jedoch entweder ohne, oder ansonsten nur auf eine geeignete niedrigere Temperatur, vorerwärmt zu werden.
Das Verfahren und das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen die Figuren 1, 3 und 4 jeweils ein verallgemeinertes, schematisches, die Erfindung veranschaulichendes Diagramm darstellen und Figur 2 eine schematische Zeichnung eines kombinierten partiellen Oxidations-Lufttrennungsgeräts ist.
In Figur 1 der Zeichnung ist ein Lufttrennungsgerät 2 mit einem Luftkompressor 4 gezeigt. Das Lufttrennungsgerät ist in der Lage, Luft in Sauerstoff- und Stickstoffprodukte mit in Fachkreisen wohlbekannte Methoden zu trennen. Der Sauerstoff wird einer Anlage 6 zugeführt, die ihn in einer chemischen Reaktion mit einem oder mehreren anderen fluiden Reaktionsmitteln einsetzt, um ein fluides Produkt zu bilden, welches der Anlage 6 durch eine Rohrleitung 10 entzogen wird. Der Stickstoff wird bei einem Druck von wenigstens fünf Atmosphären erzeugt und fließt durch eine Leitung 12, welche sich durch einen Wärmeaustauscher 14 hindurch erstreckt. Der Stickstoff wird durch indirekten Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher 14 auf wenigstens 700ºC erwärmt. Die Wärme wird dadurch geschaffen, daß ein heißer fluider Strom der Anlage 6 entnommen wird und durch eine Leitung 16 geführt wird, die ebenfalls so durch den Wärmeaustauscher 14 hindurch führt, daß der heiße fluide Strom gegenläufig zum Stickstoff fließt. Der fluide Strom wird dadurch gekühlt und typischerweise zur Anlage 6 zurückgeführt.
Der den Wärmeaustauscher 14 bei einer Temperatur von wenigstens 700ºC verlassende Stickstoffstrom tritt dann in eine Turbine 18 ein, in welcher er allein unter der Ausführung äußerer Arbeit (typischerweise der Erzeugung von Elektrizität) expandiert wird. Wenigstens ein Teil des die Turbine 18 verlassenden Stickstoffstroms wird dann verwendet, um eines oder mehrere der fluiden Reaktionsmittel, die der Anlage 6 zugeführt werden, vorzuerwärmen. Das Vorerwärmen wird im Wärmeaustauscher 20 bewirkt.
Die Anlage 6 kann verwendet werden, um irgendeinen Prozeß aus der großen Bandbreite von Prozessen durchzuführen, beispielsweise Gasbildung eines kohlenstoffhaltigen Treibstoffs, die direkte Reduktion von Eisenoxid oder eine partielle Oxidation, beispielsweise die Bildung eines Synthesegases aus einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise natürlichem Gas. Alle diese Prozesse entwickeln die Erzeugung von Wärme mit der Folge, daß ein heißer fluider Strom für einen Wärmeaustausch mit dem Stickstoff leicht geschaffen werden kann. Es steht somit für die Erwärmung des Stickstoffstroms, von welchem in der Turbine 18 Arbeit zurückgewonnen wird, hochgradige Wärme zur Verfügung, und der Wärmeaustausch mit dem Stickstoff ist eine Verwendung dieser Wärme, die thermodynamisch effizienter ist als Dampferzeugung. In Figur 3 ist eine Modifizierung der in Figur 1 dargestellten Anlage gezeigt. Gleiche Teile in den zwei Anlagen sind durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Die in Figur 3 gezeigte Anlage und ihr Betrieb sind im allgemeinen gleich der in Figur 1 gezeigten Anlage, außer das ein zusätzlicher Teil des die Expansionsturbine 18 verlassenden Stickstoffstroms verwendet wird, um den Stickstoffstrom vorzuerwärmen, welcher durch die Leitung 12 in einem Bereich stromaufwärts seines Eintritts in den Wärmeaustauscher 14 fließt. Dieses Vorerwärmen wird durch gegenläufigen Wärmeaustausch in einem Wärmeaustauscher 15 bewirkt.
Nach Figur 2 wird Luft einem Lufttrennungsgerät 32 (welches einen Luftkompressor 33 einschließt) zugeführt, in dem sie in Sauerstoff- und Stickstoffprodukte getrennt wird. Das Sauerstoffprodukt enthält vorzugsweise nur ein Minimum an Verunreinigungen, um es für eine Verwendung in einem partiellen Oxidationsprozeß zum Konvertieren von natürlichem Gas in Methan geeignet zu machen. Der Sauerstoff kann beispielsweise 0,5 Gewichtsprozente Verunreinigungen (im allgemeinen Argon und Stickstoff) einschließen. Das Lufttrennungsgerät 32 kann wie in einer der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Schriften beschrieben ausgebildet sein. Es kann beispielsweise von der Art einer herkömmlichen Doppelsäule sein. Typischerweise kann es der partielle Oxidationsprozeß erforderlich machen, daß der Sauerstoff unter einem Druck zugeführt wird, der höher ist als derjenige der Rektifikationssäule (nicht gezeigt), welcher er entnommen wird. Das Sauerstofftrennungsgerät 32 kann daher einen Sauerstoffkompressor (nicht gezeigt) einschließen, oder der Sauerstoff kann unter dem gewünschten Druck durch Pumpen von flüssigem Sauerstoff erzeugt werden. Das Lufttrennungsgerät 32 schafft außerdem ein Stickstoffprodukt. Falls das Produkt bei einem Druck unter zehn Atmosphären erzeugt wird, wird vorzugsweise ein Kompressor 34 eingesetzt, um den Druck auf wenigstens fünf und vorzugsweise wenigstens zehn Atmosphären anzuheben, gemäß dem gewünschten Einlaßdruck für eine Expansionsturbine 48, der es zugeführt wird. Der Kompressor 34 besitzt keinen assoziierten Wasserkühler, so daß der Stickstoff den Kompressor typischerweise bei einer Temperatur in der Größenordnung von 150ºC verläßt.
Sowohl der Sauerstoff- als auch der Stickstoffstrom werden in Verbindung mit einer partiellen Oxidationsreaktion wie unten beschrieben verwendet. In der partiellen Oxidation wird natürliches Gas partiell mit Sauerstoff oxidiert, um ein Synthesegas mit einem ausgewählten Kohlenmonoxidgehalt zu bilden. Der Reaktor, in welchem die partielle Oxidationsreaktion stattfindet, ist durch die Bezugsziffer 36 gekennzeichnet. Der Reaktor 36 kann verwendet werden, um irgendeinen bekannten partiellen Oxidationsprozeß auszuführen, in dem die Reaktionsmittel natürliches Gas und relativ reiner Sauerstoff sind. (Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist der Texaco-Prozeß, welcher in Petroleum Processing Handbook, Bland, W.F., Davidson, R.L., McGraw-Hill 1967, Chapter 3 pp 144-145 beschrieben ist.) Das natürliche Gas, welches im Reaktor 36 der partiellen Oxidation umgesetzt wird, wird zuerst in einem Naturgas-Reinigungsgerät 38 gereinigt. Das Gerät 38 kann irgendein bekanntes Gerät zum Reinigen von natürlichem Gas, beispielsweise mittels einer kryogenen Kühlung und Trennung, umfassen. Ein Beispiel für ein geeignetes Gerät wird in Oil & Gas Journal, Juli 1977, p 60 beschrieben.
Ein Strom reinen Methans vom Reinigungsgerät 38 wird dann zuerst durch einen Wärmeaustauscher 40 und dann durch einen Wärmeaustauscher 39 geführt, um seine Temperatur von etwa Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von 600ºC bis zu 1100ºC zu erhöhen. Beim Auswählen der Temperatur, auf die das Methan vorerwärmt wird, ist Vorsicht geboten, um nicht eine Temperatur zu wählen, die so hoch ist, daß das Methan im Wärmeaustauscher 40 oder 39 thermisch crackt. Das Methan wird dann in den partiellen Oxidationsreaktor 36 hineingeführt. Es wird im Reaktor 36 mit einem Sauerstoffstrom umgesetzt, welcher vom Lufttrennungsgerät 32 zugeführt wird. Der Sauerstoff wird in einem Wärmeaustauscher 42 auf eine Temperatur nicht über 200ºC vorerwärmt (höhere Temperaturen werden für unsicher gehalten). Der Sauerstoff wird dann in den partiellen Oxidationsreaktor 36 hineingeführt, wo er mit dem Methan und mit höheren Kohlenwasserstoffen reagiert, die dem Reaktor 36 direkt durch das Naturgas-Reinigungsgerät 38 zugeführt werden, ohne vorerwärmt zu werden. Ein heißes Synthesegas mit einer Temperatur von 1300ºC verläßt den partiellen Oxidationsreaktor 36. Das Synthesegas wird verwendet, um den komprimierten Stickstoff vom Kompressor 34 oder, falls kein solcher Kompressor eingesetzt wird, direkt vom Lufttrennungsgerät 32 vorzuerwärmen. Das Vorerwärmen findet in einem Wärmeaustauscher 44 statt. Das Synthesegas verläßt den Wärmeaustauscher 44 bei einer Temperatur von etwa 400ºC, wird dann ausgewaschen (durch nicht gezeigte Mittel), um Rußpartikel zu entfernen, und wird dann umgesetzt, um eine oder mehrere fluide, wasserstoffenthaltende chemische Verbindungen zu erzeugen, beispielsweise Benzin, Kerosin, Ammoniak oder Harnstoff. Der Stickstoff verläßt den Wärmeaustauscher 44 bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1250ºC. Der Stickstoff zerfällt dann in Haupt- und Nebenströme. Der Nebenstrom, welcher etwa 20% des Stickstoffs umfaßt, wird eingesetzt, um das Erwärmen für den Wärmeaustauscher 39 und einen Teil des Erwärmens für den Wärmeaustauscher 40 zu schaffen, in dem das Methan vor seiner Einführung in den partiellen Oxidationsreaktor 36 hinein vorerwärmt wird. Demgemäß wird der Nebenstrom der Reihe nach durch die Wärmetauscher 39 und 40 hindurch gegenläufig zum Methanfluß mittels eines Gebläses 46 geführt und dann stromaufwärts seiner Einführung in den Wärmeaustauscher 44 zurück zum Stickstoffstrom gebracht. Der Hauptteil des den Wärmeaustauscher 44 verlassenden Stickstoffstroms wird unter der Ausführung äußerer Arbeit in der Expansionsturbine 48 expandiert. Typischerweise wird die Turbine 48 dafür verwendet, einen Wechselstromgenerator (nicht gezeigt) in einem Kraftwerk anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen, kann jedoch alternativ wie in einer kommerziell erhältlichen Gasturbine an den Luftkompressor gekoppelt werden. In diesem Fall kann zusätzlich etwas Treibstoff in der Gasturbine verbrannt werden, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. Die so erzeugte Elektrizität kann die Leistungsanforderungen der Lufttrennungsanlage übersteigen. Der Stickstoff verläßt die Turbine 48 bei einer Temperatur von etwa 600ºC und einem Druck von 0,1 MPa (1,1 Atmosphären).
Ein Teil (typischerweise 20%) des die Expansionsturbine 48 verlassenden Stickstoffs wird dann verwendet, um den Sauerstoff durch einen Durchgang durch den Wärmeaustauscher 42 gegenläufig zum Fluß des Sauerstoffs zu erwärmen. Ein weiterer Teil (typischerweise 50%) wird verwendet, um ein zusätzliches Erwärmen für das Methan im Wärmeaustauscher 40 zu ergeben, und wird durch den Wärmeaustauscher 40 gegenläufig zum Methanfluß geführt. Nach dem Durchgang durch die Wärmeaustauscher 40 bzw. 42 können die vom Auslaß der Expansionsturbine 48 genommenen Stickstoffströme in die Atmosphäre abgelassen werden. Derjenige Teil des expandierten Stickstoffs (typischerweise 30%) von der Turbine 48, welcher nicht im Wärmeaustauscher 40 oder Wärmeaustauscher 42 verwendet wird, kann verwendet werden, um Dampf zu erzeugen, falls ein Dampfgenerator (nicht gezeigt) zur Verfügung steht.
Es ist einzusehen, daß das Vorerwärmen des in den partiellen Oxidationsreaktor 6 eintretenden Sauerstoffs und Methans typischerweise nicht ausreichen wird, um allen Anforderungen an thermischer Energie des partiellen Oxidationsprozesses zu entsprechen. Jedoch wird eine bedeutende Reduzierung in diesen Anforderungen möglich gemacht. Auf diese Weise können die Prozeßanforderungen von sowohl dem Sauerstoff als auch dem natürlichen Gas reduziert werden, weil die Erfindung ein niedrigeres Niveau einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung des natürlichen Gases möglich macht, um die Ausgangstemperatur des partiellen Oxidationsreaktor 36 aufrechtzuerhalten.
Die Nettoleistungseinsparungen, welche durch die Methode gemäß der Erfindung möglich gemacht werden, werden durch das folgende Beispiel veranschaulicht:
Nach Figur 4 der Zeichnungen wird ein Luftstrom in einem Kompressor 60 komprimiert. Der komprimierte Luftstrom wird dann in einer Lufttrennungsanlage 62 getrennt, wobei eine Doppelsäule (nicht gezeigt) ausgenutzt wird. Die Anlage 62 erzeugt von der niedrigeren Drucksäule (nicht gezeigt) einen Sauerstoffproduktstrom und einen Stickstoffproduktstrom. Der Sauerstoffproduktstrom wird in einem Kompressor 64 komprimiert und zu einer Anlage 66 geführt, in welcher er beispielsweise in einer partiellen Oxidationsreaktion verwendet wird. Die Anlage 66 erzeugt einen oder mehrere heiße fluide Ströme, welche verwendet werden, um ein Erwärmen für einen Wärmeaustauscher 68 zu schaffen. Der Stickstoffproduktstrom wird in einem Kompressor 70 auf einen Druck von 16 bar komprimiert. Er wird dann in einem Wärmeaustauscher 72 auf eine Temperatur von 733K erwärmt. Die Temperatur des resultierenden komprimierten heißen Stickstoffstroms wird dann durch einen Durchgang durch den Wärmeaustauscher 68 weiter auf 1373K erhöht. Bei dieser Temperatur tritt der resultierende heiße Stickstoffstrom in eine Expansionsturbine 74 ein und wird darin expandiert. Er verläßt die Turbine 74 bei einem Druck von 0,105 MPa (1,05 bar) und einer Temperatur von 753K. Der expandierte Stickstoffstrom fließt dann durch den Wärmeaustauscher 72 gegenläufig zum dorthindurch strömenden Stickstoff vom Kompressor 70.
In einem Beispiel der Methode gemäß der Erfindung besitzt der Kompressor 60 einen Auslaßdruck von 0,58 MPa (5,8 bar), der Sauerstoffkompressor 64 einen Einlaßdruck von 0,13 MPa (1,3 bar) und einen Auslaßdruck von 4 MPa (40 bar), und der Stickstoffkompressor 70 einen Einlaßdruck von 0,1 MPa (1 bar) und einen Auslaßdruck von 1,08 MPa (10,8 bar). In diesem Beispiel besitzt die Turbine 74 einen Einlaßdruck von 10 bar und einen Auslaßdruck von 0,105 MPa (1,05 bar).
In einem zweiten Beispiel der Methode gemäß der Erfindung besitzt der Kompressor 60 einen Auslaßdruck von 1 MPa (10 bar), der Sauerstoffkompressor 64 einen Einlaßdruck von 0,3 MPa (3 bar) und einen Auslaßdruck von 4 MPa (40 bar), und der Stickstoffkompressor 70 einen Einlaßdruck von 0,27 MPa (2,7 bar) und einen Auslaßdruck von 1,08 MPa (10,8 bar). In diesem Beispiel besitzt die Turbine 74 einen Einlaßdruck von 1 MPa (10 bar) und einen Auslaßdruck von 0,105 MPa (1,05 bar).
Der Nettoleistungsverbrauch in beiden Beispielen kann nun berechnet werden, unter der Annahme:
a) eines Sauerstoffbedarfs von 2000 Tonnen pro Tag bei 95% Reinheit,
b) daß die gesamte Kompressionsarbeit bei 70% isothermer Effizienz ausgeführt wird, und
c) die isentrope Effizienz der heißen Stickstoffturbine 89% beträgt.
Dieser Nettoleistungsverbrauch kann mit demjenigen in einem dritten Beispiel verglichen werden, in welchem keine Arbeit vom Stickstoffstrom zurückgewonnen, und daher keine Stickstoffkompression oder -expansion ausgeführt wird, die Betriebsparameter aber sonst wie im ersten Beispiel sind, und mit demjenigen in einem vierten Beispiel, welches im allgemeinen ähnlich dem dritten Beispiel ist, aber in welchem 51 MW Wärme von der Anlage 66 zurückgewonnen und durch einen bei 39% Effizienz arbeitenden dampferzeugenden Kreislauf in elektrische Leistung konvertiert werden. Der Vergleich ist in der Tabelle unten gezeigt. Beispiel Luftkompression Sauerstoffkompression Stickstoffkompression heiße Stickstoffexpansion Dampfexpansion Nettoleistungsanforderung Nettoleistungsüberschuß
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Nettoleistungsanforderungen in den Beispielen 1 und 2 bedeutend weniger als in den Beispielen 3 und 4 betragen. Darüberhinaus kann durch Betreiben der Doppelsäule in Beispiel 2 bei höheren als den herkömmlichen Drücken insgesamt eine Nettoleistungserzeugung erzielt werden.

Claims

1. Ein kombiniertes Verfahren, in welchem Luft in Sauerstoff und Stickstoff getrennt wird, ein Strom des Sauerstoffs einem chemischen Prozeß zugeführt wird, welcher bei erhöhter Temperatur stattfindet und welcher als Produkt oder Ausschuß einen heißen gasförmigen Strom erzeugt, ein Strom des Stickstoffs bei einem Druck von wenigstens 5 Atmosphären durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen gasförmigen Strom auf eine Temperatur von wenigstens 700ºC erwärmt wird, und der so erwärmte Stickstoffstrom unter einer Ausführung äußerer Arbeit in einer Turbine expandiert wird.

2. Das Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, in welchem der Stickstoffstrom auf eine Temperatur von wenigstens 1.000ºC bei einem Druck von wenigstens 10 Atmosphären erwärmt wird.

3. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, in welchem die äußere Arbeit die Erzeugung von Elektrizität für einen anderen Prozeß als die Lufttrennung oder für den Export ist.

4. Ein Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welchem wenigstens ein Teil des expandierten Stickstoffs dazu verwendet wird, wenigstens ein fluides Reaktionsmittel, welches an dem chemischen Prozeß teilnimmt, vor-zuerwärmen.

5. Ein Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welchem wenigstens ein Teil des expandierten Stickstoffs dazu verwendet wird, den Stickstoffstrom, welcher unter einem Druck von wenigstens 5 Atmosphären steht, zu erwärmen.

6. Ein Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welchem der chemische Prozeß ein Gasbildungsprozeß oder ein Prozeß zur Herstellung von Stahl durch die direkte Reduktion von Eisenoxyd ist.

7. Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, in welchem der chemische Prozeß eine partielle Oxydation ist.

8. Ein Verfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, in welchem der chemische Prozeß die Umwandlung von natürlichem Gas in synthetisches Gas ist.

9. Ein Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, in welchem das natürliche Gas gereinigt wird, um reines Methan zu liefern, welches durch wenigstens einen Teil des expandierten Stickstoffs auf eine Temperatur von wenigstens 600ºC stromaufwärts der partiellen Oxydationsreaktion vor-erwärmt wird.

10. Ein Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welchem der Stickstoffstrom der unteren Drucksäule einer doppelten Destillationssäule für die Lufttrennung bei einem Druck im Bereich von 3 bis 4 Atmosphären entnommen wird.

11. Gerät zum Ausführen des Verfahrens wie in Anspruch 1 beansprucht, mit einem Gerät zum Trennen von Luft in Sauerstoff und Stickstoff, einem oder mehreren chemischen Reaktoren zum Ausführen eines chemischen Prozesses, an welchem der Sauerstoff teilnimmt, wobei der Reaktor oder die Reaktoren in Betrieb einen heißen gasförmigen Strom produzieren, einem Wärmeaustauscher zum indirekten Wärmeaustauschen des heißen gasförmigen Stroms mit einem Stickstoffstrom bei einem Druck von wenigstens 5 Atmosphären und zum dadurch Anheben der Temperatur des Stickstoffstroms auf wenigstens 700ºC, und einer Expansionsturbine zum Expandieren des so erwärmten Stickstoffs unter der Ausführung äußerer Arbeit.

12. Gerät wie in Anspruch 11 beansprucht, mit einem zusätzlichen Wärmeaustauscher, in welchem wenigstens ein Teil des expandierten Stickstoffs in der Lage ist, durch Wärmeaustausch wenigstens ein fluides Reaktionsmittel, welches an dem chemischen Prozeß teilnimmt, vor-zuerwarmen.

13. Gerät wie in Anspruch 11 oder 12 beansprucht, mit einem zusätzlichen Wärmeaustauscher, in welchem wenigstens ein Teil des heißen expandierten Stickstoffs von der Expansionsturbine in der Lage ist, den Stickstoffstrom, welcher unter einem Druck von wenigstens 5 Atmosphären steht, vor-zuerwärmen.