DE10052180A1 - Drei-Säulen-System zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft - Google Patents
Drei-Säulen-System zur Tieftemperatur-Zerlegung von LuftInfo
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- F25J3/04284—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
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- F25J3/04436—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system
- F25J3/04454—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using at least a triple pressure main column system a main column system not otherwise provided, e.g. serially coupling of columns or more than three pressure levels
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Drei-Säulen-System, das eine Hochdrucksäule (1), eine Mitteldrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (3) aufweist. Ein erster Ersatzluftstrom (10, 14, 15, 16) wird verdichtet (11), gereinigt (13), abgekühlt (40) und in die Hochdrucksäule (1) eingeleitet. In der Hochdrucksäule (1) wird eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 54) erzeugt. Die erste sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 54) wird in die Mitteldrucksäule (2) eingeleitet. Eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 57) wird in die Niederdrucksäule (3) eingeleitet. In der Niederdrucksäule (3) wird eine Sauerstoff-Fraktion (67) erzeugt. Mindestens ein Teil der Sauerstoff-Fraktion (67) wird flüssig aus der Niederdrucksäule (3) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (68) und in die Mitteldrucksäule (2) eingeleitet (69, 70, 370). Der Mitteldrucksäule (2) wird ein Sauerstoff-Produkt (71) entnommen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem
Drei-Säulen-System, das eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine
Niederdrucksäule aufweist, wobei bei dem Verfahren ein erster Einsatzluftstrom
verdichtet, gereinigt, abgekühlt und in die Hochdrucksäule eingeleitet wird, ein zweiter
Einsatzluftstrom verdichtet, gereinigt, abgekühlt und ohne arbeitsleistende
Entspannung in die Mitteldrucksäule eingeführt wird, in der Hochdrucksäule eine erste
sauerstoffangereicherte Fraktion erzeugt wird, die erste sauerstoffangereicherte
Fraktion in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird, eine zweite sauerstoffangereicherte
Fraktion in die Niederdrucksäule eingeleitet wird und in der Niederdrucksäule eine
Sauerstoff-Fraktion erzeugt wird.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sind in der
Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) oder aus
einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967,
Seite 35) beschrieben. Bei dem Drei-Säulen-System handelt es sich vorzugsweise um
eine Dreifachsäule, bei der einerseits der Kopf der Hochdrucksäule und der Sumpf der
Mitteldrucksäule und andererseits der Kopf der Mitteldrucksäule und der Sumpf der
Niederdrucksäule in wärmetauschender Verbindung stehen. Die Erfindung ist jedoch
auch bei anderen Säulen-Anordnungen und/oder anderen Kondensator-
Konfigurationen anwendbar. Zusätzlich zu den drei genannten Kolonnen zur Stickstoff-
Sauerstoff-Trennung können weitere Vorrichtungen zur Gewinnung anderer
Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen, vorgesehen sein, beispielsweise eine
Argongewinnung.
Ein oben beschriebener Prozess kann insbesondere bei Anlagen eingesetzt werden,
bei denen mindestens ein Teil der Einsatzluft unter einem sehr hohen Druck von über
etwa 7 bar, beispielsweise von 17 bar oder mehr zur Verfügung steht. Solche
Umstände finden sich beispielsweise bei Gasturbinen-Prozessen, bei denen heiße
Verbrennungsabgase in einer Gasturbine entspannt werden. Die Gasturbine treibt
einen Verdichter für Verbrennungsluft an, in dem auch die für den Luftzerleger
bestimmte Luft oder ein Teil davon komprimiert werden kann. Die Luftzerlegungs-
Anlage dient zur Lieferung von Sauerstoff, zum Beispiel für eine Synthesegas-Anlage
zur Erzeugung von Brennstoff (etwa durch Kohle- oder Schweröl-Vergasung) und/oder
zur Herstellung von Stickstoff, der in den Verbrennungsstrom eingeführt, zum
Transport fester Stoffe eingesetzt und/oder als Inertgas verwendet wird.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus EP 634617 A bekannt. Hier wird die
Niederdrucksäule mit Sumpfflüssigkeit der Mitteldrucksäule (als zweite
sauerstoffangereicherte Fraktion) beaufschlagt. Das Sauerstoffprodukt wird der
Niederdrucksäule entnommen. Teile des Stickstoff-Produkts werden unmittelbar aus
der Hochdrucksäule und der Mitteldrucksäule als Druckprodukte entnommen. Dieses
Verfahren nutzt den hohen Einsatzluftdruck zur Gewinnung von Druckstickstoff aus.
Der Sauerstoff wird drucklos erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die wirtschaftlich besonders günstig
sind. Insbesondere soll ein Drucksauerstoff-Produkt mit relativ niedrigem Aufwand
hergestellt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Sauerstoff-Fraktion
flüssig aus der Niederdrucksäule entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten
Druck gebracht und in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird und dass der
Mitteldrucksäule ein Sauerstoff-Produkt entnommen wird. Das Sauerstoff-Produkt
befindet sich damit bereits bei der Entnahme aus dem Drei-Säulen-System auf einem
erhöhten Druck. Der Aufwand zur Weiterverdichtung auf den Produktdruck wird
dadurch spürbar verringert oder kann sogar ganz wegfallen.
Insbesondere bei mäßiger Sauerstoff-Reinheit (beispielsweise 85 bis 99,5%,
vorzugsweise 90 bis 98%) ist es günstig, wenn das Sauerstoff-Produkt flüssig aus der
Mitteldrucksäule abgezogen, in einen Nebenkondensator eingeleitet und dort durch
indirekten Wärmeaustausch mit einem Heizmedium, insbesondere mit Stickstoff aus
der Hochdrucksäule, mindestens teilweise verdampft wird.
Häufig wird das Sauerstoff-Produkt unter einem Druck benötigt, der höher als der
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule ist. In diesem Fall kann es beispielsweise
außenverdichtet werden, indem es gasförmig aus der Mitteldrucksäule oder einem
Nebenkondensator, der etwa unter Mitteldrucksäulen-Druck betrieben wird,
abgezogen, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und in einem Sauerstoff-
Verdichter verdichtet wird.
In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, das Sauerstoff-Produkt oder einen Teil davon
innenzuverdichten, indem es flüssig aus der Mitteldrucksäule oder aus dem
Nebenkondensator abgezogen, in flüssigem Zustand auf einen Druck gebracht wird,
der höher als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule ist, und unter diesem Druck durch
indirekten Wärmeaustausch verdampft wird. Die Verdampfung des flüssig auf Druck
gebrachten Sauerstoff-Produkts kann in dem Hauptwärmetauscher durchgeführt
werden, in dem auch die Abkühlung der Einsatzluft für die Hochdrucksäule und die
Anwärmung anderer Produkte stattfindet; alternativ kann dieser indirekte
Wärmeaustausch-Schritt in einem separaten Wärmetauscher stattfinden. In beiden
Fällen wird die Verdampfungswärme durch einen Hochdruckstrom zur Verfügung
gestellt, der entweder durch einen entsprechend hoch verdichteten Teil der Einsatzluft
oder durch Kreislaufstickstoff gebildet wird. Da die Innenverdichtung auch auf
überkritische Drücke führen kann, ist der Begriff "Verdampfung" hier in einem weiteren
Sinne zu verstehen, der auch Pseudo-Verdampfen einschließt.
Eine Stickstoff-Fraktion kann direkt aus der Hochdrucksäule und/oder der
Mitteldrucksäule entnommen, angewärmt und als Druckstickstoff-Produkt gewonnen
werden. Auch der Hochdrucksäulen-Stickstoff kann bei Bedarf innenverdichtet werden,
indem die Stickstoff-Fraktion flüssig aus der Hochdrucksäule oder ihrem
Kopfkondensator entnommen, in flüssigem Zustand auf einen Druck gebracht wird, der
höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist, und unter diesem Druck durch
indirekten Wärmeaustausch verdampft wird. Der indirekte Wärmeaustausch wird
vorzugsweise im Hauptwärmetauscher mit Hochdruckluft als Heizfluid durchgeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es günstig, wenn der zweite
Einsatzluftstrom separat vom ersten Einsatzluftstrom lediglich etwa auf den
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (plus Leitungsverlusten) verdichtet und ohne
weitere, druckverändernde Maßnahmen in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird.
Insbesondere dann, wenn (nur) ein Teil der Zerlegungsluft von einem Gasturbinen-
Verdichter geliefert wird (zum Beispiel der erste Einsatzluftstrom), spart diese
Verfahrensweise Energie.
Rücklauf für die Niederdrucksäule kann durch flüssigen Stickstoff aus der
Hochdrucksäule oder Mitteldrucksäule oder aus deren Kopfkondensatoren gebildet
werden. Besonders günstig ist es, wenn ein Flüssigstickstoff-Strom mindestens einen
theoretischen Boden unterhalb des Kopfs der Mitteldrucksäule entnommen und der
Niederdrucksäule zugeleitet wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der
Niederdrucksäule kein reiner Stickstoff erzeugt wird. Zwischen dem Mitteldrucksäulen-
Kopf und dem Flüssigstickstoff-Abzug zur Niederdrucksäule liegen
beispielsweise 5 bis 20, vorzugsweise 10 bis 15 praktische Böden.
Vorzugsweise wird die zweite, sauerstoffangereicherte Fraktion, die in die
Niederdrucksäule eingeleitet wird, aus der Hochdrucksäule abgezogen. Die erste
sauerstoffangereicherte Fraktion (Einsatz für die Mitteldrucksäule) und die zweite
sauerstoffangereicherte Fraktion (Einsatz für die Niederdrucksäule) werden
vorzugsweise gemeinsam aus dem Sumpf der Hochdrucksäule abgezogen und vor
ihrer Einleitung in Mitteldrucksäule beziehungsweise Niederdrucksäule unterkühlt.
Es ist günstig, wenn die flüssig auf Druck gebrachte Sauerstoff-Fraktion aus der
Niederdrucksäule mindestens einen theoretischen Boden (beispielsweise ein bis fünf
praktische Böden) oberhalb des Sumpfs in die Mitteldrucksäule eingeleitet wird.
Dadurch kann im Sumpf der Niederdrucksäule eine niedrigere Reinheit als im
Mitteldrucksäulen-Sumpf herrschen. Bei thermischer Kopplung von Niederdrucksäule
und Mitteldrucksäule ermöglicht dies einen relativ hohen Druck in der Niederdrucksäule
beziehungsweise einen besonders niedrigen Einsatzluftdruck.
Zur Erzeugung von Verfahrenskälte kann ein dritter Einsatzluftstrom verdichtet,
gereinigt, abgekühlt, arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule oder in die
Mitteldrucksäule eingeführt werden. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung
erzeugte, mechanische Energie kann zur Nachverdichtung des dritten Einsatzluftstroms
genutzt werden, beispielsweise durch Einsatz einer Turbinen-Booster-Kombination.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft
gemäß Patentanspruch 11.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einblasung von
Turbinenluft in die Niederdrucksäule,
Fig. 2 eine Abwandlung dieses Prozesses mit Einblasung von Turbinenluft in die
Mitteldrucksäule und
Fig. 3 eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einspeisung von
gepumptem Niederdrucksäule-Sauerstoff an einer Zwischenstelle der
Mitteldrucksäule.
Bei dem Drei-Säulen-System der Fig. 1 sind Hochdrucksäule 1, Mitteldrucksäule 2
und Niederdrucksäule 3 übereinander angeordnet. Ein erster Hauptkondensator 4
bildet gleichzeitig die Kopfkühlung der Hochdrucksäule 1 und die Sumpfheizung der
Mitteldrucksäule 2. Als Kopfkühlung der Mitteldrucksäule 2 und Sumpfheizung der
Niederdrucksäule 3 dient ein zweiter Hauptkondensator 5. Die beiden
Hauptkondensatoren sind vorzugsweise als Fallfilm-Verdampfer ausgebildet, können
aber auch als Umlauf-Verdampfer realisiert sein. Die Betriebsdrücke der Säulen
(jeweils am Sumpf) betragen in dem Beispiel etwa:
Hochdrucksäule | 16 bar |
Mitteldrucksäule | 5,7 bar |
Niederdrucksäule | 1,3 bis 1,5 bar |
Ein Luftstrom 10 wird in einem ersten Luftverdichter 11 auf einen Druck gebracht, der
mindestens gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 1. Der erste Luftverdichter
11 kann beispielsweise mit einer Gasturbine gekoppelt sein (in diesem Fall würde ein
Teil der in 11 verdichteten Luft als Verbrennungsluft zur Brennkammer der
Gasturbinen-Einheit abgezweigt, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist). Nach
Nachkühlung 12 wird der erste Luftstrom einer Reinigungsvorrichtung 13 zugeführt,
vorzugsweise einer Molekularsieb-Station. Aus der gereinigten Hochdruckluft 14 wird
ein erster Einsatzluftstrom 15 abgezweigt, in einem Hauptwärmetauscher 40 abgekühlt
und über Leitung 16 der Hochdrucksäule 1 zugeführt. Je nach Menge und Druck der
innenverdichteten Fraktion 81, die unten im Detail beschrieben wird, muss ein
Teilluftstrom (hier nicht dargestellt) auf einen höheren Druck weiter verdichtet und
stromabwärts des Hauptwärmetauschers 40 gedrosselt werden.
Ein zweiter Einsatzluftstrom 20, 24 wird durch einen zweiten Luftverdichter 21, einen
Nachkühler 22 und eine separate Reinigungsvorrichtung 23 geführt, ebenfalls im
Hauptwärmetauscher 40 abgekühlt, dann aber in die Mitteldrucksäule 2 geführt (25),
und zwar ohne Drosselung oder andere, druckverändernde Maßnahmen stromabwärts
des zweiten Luftverdichters. Dadurch braucht der zweite Einsatzluftstrom im zweiten
Luftverdichter 21 nur auf etwa den Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 2 verdichtet zu
werden. Der zweite Luftverdichter wird vorzugsweise mittels externer Energie
angetrieben, beispielsweise durch einen Elektromotor.
Der Rest der gereinigten Hochdruckluft 14, der nicht als erster Einsatzluftstrom 15, 16
in die Hochdrucksäule 1 strömt, bildet einen dritten Einsatzluftstrom 30. Dieser wird in
einem Nachverdichter 31 weiterverdichtet und tritt nach Nachkühlung 32 in den
Hauptwärmetauscher 40 ein. Nach Abkühlung auf eine Zwischentemperatur wird er
über Leitung 33 wieder aus dem Hauptwärmetauscher 40 herausgeführt, in einer
Turbine 34 arbeitsleistend entspannt und in die Niederdrucksäule 3 eingeblasen (35).
Die Turbine 35 ist mechanisch mit dem Nachverdichter 31 gekoppelt.
Am Kopf der Hochdrucksäule 1 wird gasförmiger Stickstoff 41 erzeugt. Er wird zu
einem ersten Teil 42 im ersten Hauptkondensator 4 verflüssigt. Der dabei gewonnene
Flüssigstickstoff 43 wird als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 1 (Leitung 44)
beziehungsweise auf die Mitteldrucksäule 2 (Leitung 45) aufgegeben. Der
Flüssigstickstoff 45 wird vor der Einspeisung 46 in die Mitteldrucksäule in einem
Unterkühlungs-Gegenströmer 47 unterkühlt. Ein zweiter Teil 48 des Kopfstickstoffs 41
der Hochdrucksäule wird in einem Nebenkondensator 49 mindestens teilweise
kondensiert und strömt über Leitung 50 wieder zur Hochdrucksäule 1 zurück. Ein dritter
Teil 51 der Hochdrucksäulen-Stickstoffs 41 wird im Hauptwärmetauscher 40
angewärmt und über Leitung 52 als Druckstickstoff-Produkt GAN gewonnen.
Im Sumpf der Hochdrucksäule 1 fällt flüssiger Rohsauerstoff an. Dieser wird als
sauerstoffangereicherte Fraktion 53 abgezogen und - nach Unterkühlung 47 - zu einem
ersten Teil 54 als erste, sauerstoffangereicherte Fraktion in die Mitteldrucksäule 2
eingeleitet. Ein zweiter Teil 56, 57 wird nach weiterer Unterkühlung 55 in die
Niederdrucksäule eingedrosselt.
Der gasförmige Stickstoff 58, der am Kopf der Mitteldrucksäule 2 erzeugt wird,
kondensiert zu einem ersten Teil 59 im zweiten Hauptkondensator 5. Der dabei
gewonnene Flüssigstickstoff 60 wird als Rücklauf auf die Mitteldrucksäule 2
aufgegeben. Ein zweiter Teil 61 des Kopfstickstoffs 58 der Mitteldrucksäule wird im
Hauptwärmetauscher 40 angewärmt und über Leitung 62 - gegebenenfalls nach
Weiterverdichtung 63 mit Nachkühlung 64 - als weiteres Druckstickstoff-Produkt PGAN
gewonnen.
Elf praktische Böden unterhalb des Mitteldrucksäulen-Kopfs wird ein Flüssigstickstoff-
Strom 65 abgenommen und nach Unterkühlung 55 auf den Kopf der Niederdrucksäule
3 aufgegeben (66).
Im Sumpf der Niederdrucksäule wird flüssiger Sauerstoff 95%iger Reinheit erzeugt.
Derjenige Teil der Sumpfflüssigkeit, der nicht im zweiten Hauptkondensator 5
verdampft wird, fließt als Sauerstoff-Fraktion 67 zu einer Pumpe 68, wird dort in
flüssigem Zustand auf etwa Mitteldrucksäulen-Druck gebracht. Die Sauerstoff-Fraktion
69 wird unter diesem erhöhten Druck im Unterkühlungs-Gegenströmer 47 angewärmt
und über Leitung 70 in die Mitteldrucksäule 2 eingeleitet. Die Einspeisung wird hier
unmittelbar oberhalb des Mitteldrucksäulen-Sumpfs vorgenommen. Im Sumpf, der
gleichzeitig den Verdampfungsraum des ersten Hauptkondensators 4 darstellt, wird die
Sauerstoff-Fraktion 70 aus der Niederdrucksäule mit der innerhalb der Mitteldrucksäule
herabfließenden Flüssigkeit vermischt. Das Gemisch wird über Leitung 71 flüssig als
Sauerstoff-Produkt entnommen, geringfügig gedrosselt (72), in den
Verdampfungsraum des Nebenkondensators 49 eingeleitet und dort teilweise
verdampft.
Ein erster Teil 73 des Sauerstoff-Produkts 71 wird gasförmig aus dem
Nebenkondensator abgezogen, im Hauptwärmetauscher angewärmt und schließlich
über Leitung 74 als Produkt (GOX) abgegeben. Falls ein Produktdruck gewünscht ist,
der höher als der Mitteldrucksäulen-Druck ist, kann das angewärmte Sauerstoff-
Produkt in einem Produktverdichter 75 (mit Nachkühler 78) weiterverdichtet werden
(Außenverdichtung).
Der flüssig verbliebene Anteil des Sauerstoff-Produkts 71 wird über Leitung 79 aus
dem Verdampfungsraum des Nebenkondensators 49 abgezogen und einer
Innenverdichtung unterzogen. Dazu wird er in einer Pumpe 80 auf einen Produktdruck
gebracht, der etwa gleich dem Produktdruck der Außenverdichtung oder verschieden
von diesem ist. Das Hochdruck-Sauerstoff-Produkt 81 wird im Hauptwärmetauscher
verdampft (oder pseudo-verdampft, falls der Produktdruck über dem kritischen Druck
liegt) und auf Umgebungstemperatur angewärmt. Über Leitung 76 verlässt das
innenverdichtete Sauerstoff-Produkt (GOX-IC) die Anlage. Falls gewünscht, kann er
mit dem in 75 außenverdichteten Sauerstoff-Produkt 74 vereinigt werden.
Als weiteres Produkt der Niederdrucksäule 3 wird Unrein-Stickstoff 82 vom Kopf
abgezogen, in den Unterkühlungs-Gegenströmern 55 und 47 sowie im
Hauptwärmetauscher 40 angewärmt. Der warme Unrein-Stickstoff 83 (UN2) kann als
druckloses Nebenprodukt genutzt, als Regeneriergas für die Reinigungsvorrichtungen
13 und/oder 23 verwendet und/oder in die Atmosphäre abgelassen werden.
Fig. 2 ist weitgehend identisch mit Fig. 1. Allerdings wird hier der dritte
Einsatzluftstrom 230, 233 in der Entspannungsmaschine 234 nur auf etwa
Mitteldrucksäulen-Druck entspannt. Der entspannte dritte Einsatzluftstrom 235 wird
über Leitung 236 gemeinsam mit dem zweiten Einsatzluftstrom 225 stromabwärts des
Hauptwärmetauschers 40 in die Mitteldrucksäule 2 eingespeist. Eine Direktluft-
Einleitung in die Niederdrucksäule 3 gibt es bei dieser Verfahrensvariante nicht.
Der einzige Unterschied zwischen Fig. 3 und Fig. 2 besteht in der Stelle der
Einleitung der Sauerstoff-Fraktion 370 aus der Niederdrucksäule 3 in die
Mitteldrucksäule 2. Während diese Einspeisung in den Fig. 1 und 2 unmittelbar
über dem Sumpf der Mitteldrucksäule stattfindet, liegen bei Fig. 3 drei praktische
Böden zwischen Einspeisung der Sauerstoff-Fraktion 370 und Mitteldrucksäulen-
Sumpf. Selbstverständlich kann dieses Detail auch mit der in Fig. 1 gezeigten
Einblasung der Turbinenluft in die Niederdrucksäule kombiniert werden.
Die Reinigung der beiden Luftströme 10, 20 kann grundsätzlich auch in einer
gemeinsamen Vorrichtung durchgeführt werden. Zum Beispiel ist es möglich, die
Gesamtluft zunächst nur auf etwa Mitteldrucksäulen-Druck zu verdichten, unter diesem
mittleren Druck zu reinigen, und anschließend den ersten (und gegebenenfalls den
dritten) Einsatzluftstrom von dem mittleren Druck aus weiterzuverdichten.
Alternativ zu den in den Zeichnungen dargestellten Luftturbinen kann die für das
Verfahren benötigte Kälte auch durch arbeitsleistende Entspannung von Stickstoff aus
der Mitteldrucksäule 2 gewonnen werden. Der entspannte Mitteldrucksäulen-Stickstoff
kann dann mit dem Unrein-Stickstoff aus der Niederdrucksäule 3 vermischt und
gemeinsam mit diesem im Hauptwärmetauscher 40 angewärmt werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Drei-Säulen-System, das
eine Hochdrucksäule (1), eine Mitteldrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule (3)
aufweist, bei dem:
- a) ein erster Einsatzluftstrom (10, 14, 15, 16) verdichtet (11), gereinigt (13), abgekühlt (40) und in die Hochdrucksäule (1) eingeleitet wird,
- b) ein zweiter Einsatzluftstrom (20, 24, 25, 225) verdichtet (21), gereinigt (23), abgekühlt (40) und ohne arbeitsleistende Entspannung in die Mitteldrucksäule (2) eingeführt wird,
- c) in der Hochdrucksäule (1) eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 54) erzeugt wird,
- d) die erste sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 54) in die Mitteldrucksäule (2) eingeleitet wird,
- e) eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 57) in die Niederdrucksäule (3) eingeleitet wird und bei dem
- f) in der Niederdrucksäule (3) eine Sauerstoff-Fraktion (67) erzeugt wird,
- a) mindestens ein Teil der Sauerstoff-Fraktion (67) flüssig aus der Niederdrucksäule (3) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht (68) und in die Mitteldrucksäule (2) eingeleitet (69, 70, 370) wird und dass
- b) der Mitteldrucksäule (2) ein Sauerstoff-Produkt (71) entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff-Produkt
(71) flüssig aus der Mitteldrucksäule (2) abgezogen, in einen Nebenkondensator
(49) eingeleitet und dort durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Heizmedium,
insbesondere mit Stickstoff (48) aus der Hochdrucksäule (1), mindestens teilweise
verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
Teil (79) des Sauerstoff-Produkts (71) flüssig aus der Mitteldrucksäule (2) oder aus
dem Nebenkondensator (49) abgezogen, in flüssigem Zustand auf einen Druck
gebracht (80) wird, der höher als der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (2) ist, und
unter diesem Druck durch indirekten Wärmeaustausch (40) verdampft wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Stickstoff-Fraktion (51, 61) aus der Hochdrucksäule (1) oder der Mitteldrucksäule
(2) entnommen, angewärmt (40) und als Druckstickstoff-Produkt (52, 62) gewonnen
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-Fraktion
flüssig aus der Hochdrucksäule (1) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen
Druck gebracht wird, der höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (1) ist,
und unter diesem Druck durch indirekten Wärmeaustausch verdampft wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
zweite Einsatzluftstrom (20) separat vom ersten Einsatzluftstrom (10) auf etwa den
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (2) verdichtet (21) und ohne weitere
druckverändernde Maßnahmen in die Mitteldrucksäule (2) eingeleitet (24, 25, 225,
236) wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Flüssigstickstoff-Strom (65) mindestens einen theoretischen Boden unterhalb des
Kopfs der Mitteldrucksäule (2) entnommen und der Niederdrucksäule (3) zugeleitet
(66) wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
zweite sauerstoffangereicherte Fraktion (53, 57), die in die Niederdrucksäule (3)
eingeleitet wird, aus der Hochdrucksäule (1) abgezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
flüssig auf Druck gebrachte Sauerstoff-Fraktion (370) aus der Niederdrucksäule
mindestens einen theoretischen Boden oberhalb des Sumpfs in die
Mitteldrucksäule (2) eingeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein
dritter Einsatzluftstrom (10, 30, 33, 230, 233) verdichtet (11, 31), gereinigt (13),
abgekühlt (40), arbeitsleistend entspannt (34) und in die Niederdrucksäule (3) oder
in die Mitteldrucksäule (2) eingeführt (35, 235, 236) wird.
11. Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Drei-Säulen-System,
das eine Hochdrucksäule (1), eine Mitteldrucksäule (2) und eine Niederdrucksäule
(3) aufweist, und mit
- a) Mitteln zur Verdichtung (11), Reinigung (13), Abkühlung (40) und Einleitung (10, 14, 15, 16) in die Hochdrucksäule (1) eines ersten Einsatzluftstroms, mit
- b) Mitteln zur Verdichtung (21), Reinigung (23), Abkühlung (40) und Einleitung (25, 225, 236) in die Mitteldrucksäule (2) eines zweiten Einsatzluftstroms, die keine Entspannungsmaschine aufweisen,
- c) einer ersten Rohsauerstoffleitung (53, 54) zur Einleitung einer ersten sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Hochdrucksäule (1) in die Mitteldrucksäule (2),
- d) mit einer zweiten Rohsauerstoffleitung (53, 57) zur Einleitung einer zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion in die Mitteldrucksäule (3) und mit
- e) einer ersten Sauerstoff-Leitung (67), die mit der Niederdrucksäule (3) verbunden ist,
- a) die erste Sauerstoff-Leitung (67, 69, 70, 370) als Flüssigleitung ausgebildet ist und über ein Mittel zur Druckerhöhung in flüssigem Zustand, insbesondere eine Pumpe (68), mit der Mitteldrucksäule (2) verbunden ist und dass
- b) die Mitteldrucksäule (2) mit einer zweiten Sauerstoff-Leitung (71, 79, 81, 76, 73, 74) zur Entnahme eines Sauerstoff-Produkts verbunden ist.
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