DE10060678A1 - Maschinensystem zur arbeitsleistenden Entspannung zweier Prozess-Ströme - Google Patents

Maschinensystem zur arbeitsleistenden Entspannung zweier Prozess-Ströme

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Abstract

Das Maschinensystem dient zur arbeitsleistenden Entspannung zweier Prozess-Ströme. Es weist eine Gas-Entspannungsmaschine (101) zur arbeitsleistenden Entspannung eines ersten, gasförmigen oder überkritischen Prozess-Stroms sowie eine Flüssigkeits-Entspannungsmaschine (103) zur arbeitsleistenden Entspannung eines zweiten, flüssigen oder überkritischen Prozess-Stroms auf. Ein elektrischer Generator (205) ist sowohl mit der Gas-Entspannungsmaschine (101) als auch mit der Flüssigkeits-Entspannungsmaschine (103) mechanisch gekoppelt (206).

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinensystem zur arbeitsleistenden Entspannung zweier Prozess-Ströme. Das System weist eine Gas-Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines ersten, gasförmigen oder überkritischen Prozess- Stroms, eine Flüssigkeits-Entspannungsmaschine zur arbeitsleistenden Entspannung eines zweiten, flüssigen oder überkritischen Prozess-Stroms und einen elektrischen Generator auf.
Unter "Gas-Entspannungsmaschine" wird hier eine Entspannungsmaschine verstanden, die zur arbeitsleistenden Entspannung eines Stroms ausgebildet ist, der sich am Eintritt der Maschine im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindet. Dieser Strom tritt dann im Wesentlichen gasförmig oder vollständig gasförmig aus der Gas-Entspannungsmaschine aus. Der Flüssiganteil am Austritt beträgt maximal etwa 20 mol%, vorzugsweise bis zu etwa 7%.
Unter "Flüssigkeits-Entspannungsmaschine" wird hier eine Entspannungsmaschine verstanden, die zur arbeitsleistenden Entspannung eines Stroms ausgebildet ist, der sich am Eintritt der Maschine im flüssigen oder überkritischen Zustand befindet. Der Strom tritt dann im Wesentlichen oder vollständig flüssig aus der Gas- Entspannungsmaschine aus. Der Gasanteil am Austritt beträgt maximal etwa 10 mol%, vorzugsweise bis zu etwa 5%.
Gas-Entspannungsmaschine und Flüssigkeits-Entspannungsmaschine werden vorzugsweise als Expansions-Turbinen realisiert.
Als "gasförmig" wird ein unterkritischer Prozess-Strom bezeichnet, der vollständig oder im Wesentlichen vollständig als Gas vorliegt (Flüssiganteil 0 mol% oder kleiner als 1 mol%).
Als "flüssig" wird ein unterkritischer Prozess-Strom bezeichnet, der vollständig oder im wesentlichen vollständig als Flüssigkeit vorliegt (Gasanteil 0 mol% oder kleiner als 1 mol%).
Als "überkritisch" wird ein Prozess-Strom bezeichnet, dessen Druck oberhalb des kritischen Drucks liegt und/oder dessen Temperatur niedriger als die kritische Temperatur ist.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere die Tieftemperatur-Zerlegung von Luft.
Ein Maschinensystem der eingangs genannten Art ist in EP 93448 B1, EP 869322 A1 oder der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 100 45 128 gezeigt. Solche Systeme werden insbesondere bei Anlagen mit Druckverdampfung eines flüssig gewonnenen Produkts (Innenverdichtung) oder bei Verflüssigungskreisläufen eingesetzt. GET und FET sind mit separaten Brems-Vorrichtungen gekoppelt. Ein elektrischer Generator stellt eine übliche Brems-Vorrichtung für Entspannungsmaschinen dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Maschinensystem der eingangs genannten Art anzugeben, das wirtschaftlich besonders günstig ist und insbesondere niedrige Herstellungskosten aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der elektrische Generator sowohl mit der Gas-Entspannungsmaschine als auch mit der Flüssigkeits-Entspannungsmaschine mechanisch gekoppelt ist.
Auf diese Weise reicht ein einziger Generator aus, um die mechanische Energie aus beiden Entspannungsmaschinen zurückzugewinnen. Die Apparatur wird dadurch besonders einfach und ist dadurch kostengünstig herzustellen. Gleichzeitig wird die Energieausbeute gegenüber einer Kopplung einer der oder beider Entspannungsmaschinen mittels dissipativer Bremse(n) verbessert.
Vorzugsweise ist der elektrische Generator nicht mechanisch mit einem Verdichter gekoppelt. Damit ergibt sich eine besonders kostengünstige und relativ kompakte Maschineneinheit.
Grundsätzlich ist eine direkte mechanische Kopplung zwischen dem Generator und einer der beziehungsweise beiden Entspannungsmaschinen möglich. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, ein Getriebe vorzusehen, das zwischen dem elektrischen Generator und der Gas-Entspannungsmaschine und/oder der Flüssigkeits- Entspannungsmaschine angeordnet ist. Dadurch können die Drehzahlen der Entspannungsmaschine(n) einerseits und des Generators andererseits unabhängig voneinander optimiert werden. Die beiden Entspannungsmaschinen können untereinander die gleiche Drehzahl oder verschiedene Drehzahlen aufweisen. Im letzteren Fall sind sie mit verschiedenen Rädern des Getriebes verbunden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anwendung des Maschinensystems in einem Gaszerlegungssystem gemäß Patentanspruch 5 sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Einsatzgases, insbesondere von Einsatzluft gemäß den Patentansprüchen 6 bis 10 beziehungsweise 11.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Maschinensystem mit zwei separaten Generatoren,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Maschinensystem und
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Gaszerlegungsverfahren (Tieftemperatur- Zerlegung von Luft) gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Maschinensystem dargestellt, das eine Gas-Entspannungsmaschine 101, eine Flüssigkeits-Entspannungsmaschine 103 und zwei elektrische Generatoren 102 und 104 aufweist. Es ist eingebunden in eine Tieftemperatur-Luftzerlegungs- Anlage, die einen Luftverdichter 2, einen Nachkühler 3, ein Wärmetauscher-System, das durch einen Hauptwärmetauscher 5 gebildet wird, und mindestens eine Trennsäule (nicht dargestellt) aufweist.
Atmosphärische Luft 1 wird in dem Luftverdichter 2 verdichtet und anschließend nachgekühlt (3). Nach Reinigung (insbesondere Entfernung von Wasser und Kohlendioxid, nicht dargestellt) strömt sie über Leitung 4 dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 5 zu. Bei einer Zwischentemperatur verzweigt der Einsatzluftstrom in einen ersten Teilstrom 6, der aus dem Hauptwärmetauscher 5 entnommen wird, und in einen zweiten Teilstrom, der über die Passagen 7 zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 5 strömt.
Der erste Teilstrom 6 bildet den "ersten Prozess-Strom". Er fließt in gasförmigem (oder überkritischem) Zustand der Gas-Entspannungsmaschine 101 zu und wird dort arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte erste Teilstrom 7 befindet sich im Wesentlichen oder vollständig im gasförmigen Zustand und wird der Trennsäule oder einer der Trennsäulen der Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Anlage zugeleitet.
Der zweite Teilstrom bildet den "zweiten Prozess-Strom". Er fließt in flüssigem (oder überkritischem) Zustand vom kalten Ende des Hauptwärmetauschers 5 aus über Leitung 8 zur Flüssigkeits-Entspannungsmaschine 103 und wird dort arbeitsleistend entspannt. Der arbeitsleistend entspannte zweite Teilstrom 9 befindet sich im Wesentlichen oder vollständig im flüssigen Zustand und wird ebenfalls der oder einer der Trennsäulen der Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Anlage zugeleitet.
Im Hauptwärmetauscher 2 wird vorzugsweise ein flüssiger Produktstrom aus der Trennsäule oder einer der Trennsäulen der Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Anlage unter gegenüber dem Trennsäulen-Druck erhöhtem Druck verdampft und anschließend als Druck-Produkt gewonnen (nicht dargestellt).
Im Beispiel der Fig. 1 werden Gas-Entspannungsmaschine 101 und Flüssigkeits- Entspannungsmaschine 103 auf konventionelle Weise gebremst, nämlich mit je einem separaten Generator 102, 104. Die Generatoren sind direkt über eine gemeinsame Welle mit der jeweiligen Entspannungsmaschine verbunden.
Fig. 2 zeigt dagegen ein Maschinensystem, bei dem die Gas-Entspannungsmaschine 101 und die Flüssigkeits-Entspannungsmaschine 102 über ein Getriebe 206 mit einem einzigen Generator 205 verbunden ist. (Die Verfahrensführung und die Anordnung der übrigen Apparate-Teile sind entsprechen Fig. 1). Die drei Maschinen 101, 103 und 205 stehen über separate Wellen 301, 303, 305 mit dem Getriebe 206 in Verbindung, und zwar über jeweils ein Getriebe-Rad 401, 403 beziehungsweise 405, das kraftschlüssig mit der jeweiligen Welle verbunden ist. Die Zähne der Räder 401 und 403 greifen in diejenigen des Rades 405 ein. Je nach Drehzahl der angeschlossenen Maschinen können die Räder 401 und 403 gleich oder verschieden groß sein.
Die Erfindung kann auch auf ein Kreislauf-System angewandt werden. Solche Kreisläufe dienen zum Beispiel zur Produkt-Verflüssigung bei Gaszerlegungsanlagen, insbesondere bei Tieftemperatur-Luftzerlegungs-Anlagen. Das Verfahrensdiagramm von Fig. 1 ist dann ebenfalls anwendbar, wobei der Prozess-Strom 1 durch das Kreislauf-Medium (zum Beispiel Luft oder Stickstoff) gebildet wird und der Kompressor 2 den Kreislauf-Kompressor darstellt.
Bei dem Gaszerlegungsverfahren von Fig. 3 wird das Einsatzgas durch atmosphärische Luft 501 gebildet. Diese wird in einem Luftverdichter 502 auf etwa Rektifizierdruck verdichtet und nach Vorkühlung (nicht dargestellt) in einer Reinigungsvorrichtung 503 gereinigt, insbesondere von Wasser und Kohlendioxid. Der gereinigte Luftstrom 504 wird in drei Teilströme verzweigt.
Der erste Teilstrom 505 strömt dem warmen Ende eines Hauptwärmetauscher- Systems zu, das in dem Beispiel durch zwei Wärmetauscher-Blöcke 508a, 508b gebildet wird. Am kalten Ende des Blocks 508b tritt der erste Teilstrom der Einsatzluft über Leitung 509 aus und wird schließlich über Leitung 510 einer Hochdrucksäule 511 zugeführt, und zwar unmittelbar über deren Sumpf.
Ein zweiter Teilstrom 506 der Einsatzluft wird in den Nachverdichtern 513 und 515 (mit Nachkühlern 514, 516) auf einen hohen Druck nachverdichtet, im Wärmetauscher- Block 508a verflüssigt beziehungsweise (falls überkritisch) pseudo-verflüssigt und tritt in flüssigem beziehungsweise überkritischem Zustand (Leitung 517, "zweiter Prozess- Strom" im Sinne der Patentansprüche) in eine Flüssigturbine (dense fluid turbine) 103 ein, die eine Flüssigkeits-Entspannungsmaschine darstellt. Dort wird er arbeitsleistend auf etwa Rektifizierdruck entspannt und über Leitung 519 in die Hochdrucksäule 511 eingespeist. Die Einspeisestelle liegt einen Boden oder einige Böden oberhalb der Einleitung der gasförmigen Luft 510. Mindestens ein Teil 520 der Flüssigluft 519 wird sofort wieder aus der Hochdrucksäule 511 entnommen und nach Unterkühlung in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 521 über die Leitungen 522 und 523 in eine Niederdrucksäule 512 eingespeist. Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellte Verfahrensweise könnte der Austrittsdruck der Flüssigturbine 103 auch unterhalb des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule liegen. In diesem Fall würde die Flüssigluft 519 direkt in den Unterkühlungs-Gegenströmer 521 und weiter in die Niederdrucksäule geleitet.
Gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom wird der dritte Teilstrom 507 in dem Nachverdichter 513 auf einen Zwischendruck nachverdichtet. Er wird im Hauptwärmetauscher-System (Block 508a) jedoch nur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und strömt dann im gasförmigen Zustand (Leitung 524, "erster Prozess- Strom" im Sinne der Patentansprüche) einer Turbine 101 zu, die eine Gas- Entspannungsmaschine darstellt. Nach arbeitsleistender Entspannung auf etwa Rektifizierdruck tritt der dritte Teilstrom der Einsatzluft im Wesentlichen gasförmig (Flüssigkeitsanteil beispielsweise etwa 7 mol%) über Leitung 526 aus der Turbine 101 aus und wird in einen Abscheider (Phasentrenner) 527 geleitet. Der flüssige Anteil 528 wird auf etwa Niederdrucksäulen-Druck gedrosselt (529) und über die Leitungen 529 und 530 in die Niederdrucksäule 512 eingeführt.
Das Sumpfprodukt 531 der Hochdrucksäule (sauerstoffangereicherte Flüssigkeit) wird im Unterkühlungs-Gegenströmer 521 abgekühlt und über die Leitungen 532 und 534 und Drosselventil 533 in die Niederdrucksäule 512 eingespeist.
Gasförmiger Kopfstickstoff 535 der Hochdrucksäule wird zu einem ersten Teil 536 im Hauptwärmetauscher-System (Block 508a) auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 537 als gasförmiges Druckprodukt (P-GAN) abgegeben. Der Rest des Kopfgases 535 der Hochdrucksäule wird in einem Hauptkondensator 538 im Wesentlichen vollständig kondensiert. Der dabei gewonnene Flüssig-Stickstoff 540 wird zum einen Teil 541 auf die Hochdrucksäule, zum anderen Teil 542, 543 auf die Niederdrucksäule als Rücklauf aufgegeben.
Vom Kopf der Niederdrucksäule 512 wird gasförmiger Stickstoff 544 abgezogen, in beiden Blöcken 508a, 508b des Hauptwärmetauscher-Systems angewärmt und über Leitung 545 in die Atmosphäre abgegeben und/oder als Regeneriergas in der Reinigungsvorrichtung 503 und/oder zur Verdunstungskühlung eingesetzt (nicht dargestellt).
Der im unteren Bereich der Niederdrucksäule 512 anfallende Sauerstoff wird in dem Beispiel flüssig über Leitung 546. Ein Teil 547 wird mittels einer Pumpe auf den gewünschten Produktdruck gebracht (so genannte Innenverdichtung) und über Leitung 549 in das Hauptwärmetauscher-System (Block 508a) eingeführt, dort angewärmt, verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft und schließlich auf Umgebungstemperatur gebracht. Der warme Sauerstoff 550 wird als gasförmiges Sauerstoff-Produkt (GOX-IC) über 550 Leitung abgezogen.
Der Rest 551 des flüssigen Sauerstoffs 546 vom Sumpf der Niederdrucksäule wird mit einer weiteren Pumpe 552 über Leitung 553 zum Hauptkondensator 539 gefördert, wo er mindestens teilweise verdampft. Der sauerstoffreiche Dampf 554 wird in den Niederdrucksäulen-Sumpf zurückgeleitet. Bei Bedarf kann über die Leitungen 555 und 556 Sauerstoff als Flüssigprodukt (LOX) gewonnen werden.
Die Turbine (Gas-Entspannungsmaschine) 101 und die Flüssigturbine (Flüssigkeits- Entspannungsmaschine) 103 sind wie in Fig. 2 dargestellt mit einem Generator gekoppelt.
Über die Leitungen 557 und 558 kann eine Argongewinnung mit Rohargonsäule und gegebenenfalls mit Reinargonsäule angeschlossen sein, wie sie beispielsweise in EP 377117 B2, EP 628777 B1, EP 669508 A1 oder in EP 669509 B1. Dabei kann die unterkühlte Sumpffraktion 532 der Hochdrucksäule als Kältemittel für die Rohargonsäule und/oder als Heizmittel für die Reinargonsäule eingesetzt werden, bevor sie in die Niederdrucksäule eingespeist wird (Leitung 534). Alternativ oder zusätzlich kann die Flüssigluft 519 aus der Innenverdichtung, die hier aus der Flüssigturbine 103 stammt, als Kühlmittel im Kondensator der Rohargonsäule eingesetzt werden - gegebenenfalls nach Unterkühlung im Unterkühlungs- Gegenströmer 521. Ein entsprechendes Verfahren (ohne Flüssigturbine) ist in EP 716280 A2 im Detail dargestellt.

Claims (11)

1. Maschinensystem zur arbeitsleistenden Entspannung zweier Prozess-Ströme (6, 8) mit
einer Gas-Entspannungsmaschine (101) zur arbeitsleistenden Entspannung eines ersten, gasförmigen oder überkritischen Prozess-Stroms (6, 524), mit
einer Flüssigkeits-Entspannungsmaschine (103) zur arbeitsleistenden Entspannung eines zweiten, flüssigen oder überkritischen Prozess-Stroms (8, 517) und mit
einem elektrischen Generator (205),
dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (205) sowohl mit der Gas-Entspannungsmaschine (101) als auch mit der Flüssigkeits- Entspannungsmaschine (103) mechanisch gekoppelt ist (206).
2. Maschinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der elektrische Generator (205) nicht mechanisch mit einem Verdichter gekoppelt ist.
3. Maschinensystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Getriebe (206), das zwischen dem elektrischen Generator (205) und der Gas- Entspannungsmaschine (101) angeordnet ist.
4. Maschinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Getriebe (206), das zwischen dem elektrischen Generator (205) und der Flüssigkeits-Entspannungsmaschine (103) angeordnet ist.
5. Anwendung eines Maschinensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Gaszedegungssystem, insbesondere in einem System zur Tieftemperatur- Zerlegung von Luft.
6. Verfahren zur Zerlegung eines Einsatzgases, insbesondere von Einsatzluft, bei dem ein erster, gasförmiger oder überkritischer Prozess-Strom (6, 524) in einer Gas-Entspannungsmaschine (101) arbeitsleistend entspannt wird und bei dem ein zweiter, flüssiger oder überkritischer Prozess-Strom (8, 103) in einer Flüssigkeits- Entspannungsmaschine (103) arbeitsleistend entspannt wird, wobei mindestens ein Teil der bei den arbeitsleistenden Entspannungen erzeugten mechanischen Energie auf einen elektrischen Generator (205) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (205) sowohl mit der Gas- Entspannungsmaschine (101) als auch mit der Flüssigkeits- Entspannungsmaschine (103) mechanisch gekoppelt ist (206).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Prozess- Strom (6, 524) durch einen ersten Teilstrom des Einsatzgases (1, 4, 501, 504) oder eines Kreislaufgases gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Prozess-Strom (8, 517) durch einen zweiten Teilstrom des Einsatzgases (1, 4, 501, 504) oder eines Kreislaufgases gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Prozess-Strom (6, 8, 524, 517) aus einem Gesamtstrom (1, 4, 501, 504), insbesondere des Einsatzgases oder eines Kreislaufgases, abgezweigt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtstrom (4, 505/506/507) in ein Wärmetauscher-System (5, 508a/508b) eingeleitet und dort auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wird, bei der Zwischentemperatur der erste Prozess-Strom (6, 524) aus dem Wärmetauscher-System (5, 508a/508b) entnommen und zur Gas-Entspannungsmaschine (101) geleitet wird, mindestens ein Teil des Rests des Gesamtstroms im Wärmetauscher-System (5, 508a/508b) weiter abgekühlt wird und schließlich den zweiten Prozess-Strom (8, 517) bildet, welcher der Flüssigkeits-Entspannungsmaschine (103) zugeführt wird.
11. Vorrichtung zur Zerlegung eines Einsatzgases, insbesondere von Einsatzluft, die ein Maschinensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
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