DE10103957A1 - Drei-Säulen-System zur Tieftemperaturzerlegung von Luft - Google Patents

Drei-Säulen-System zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Drei-Säulen-System, das eine Hochdrucksäule (5), eine Niederdrucksäule (7) und eine Zwischensäule (6) aufweist. Einsatzluft (1, 2, 4) wird in die Hochdrucksäule (5) eingeleitet und dort in eine erste sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine erste Stickstoff-Fraktion (16) getrennt. Mindestens ein Teil (19) der ersten Stickstoff-Franktion (16) wird in einem ersten Kondensator-Verdampfer (8) zu einer ersten Flüssigstickstoff-Fraktion (20) kondensiert. Eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion (22) aus der Hochdrucksäule (5) wird in die Zwischensäule (6) eingeleitet und dort in eine zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine zweite Stickstoff-Fraktion (24) getrennt. Mindestens ein Teil der zweiten Stickstoff-Fraktion (24) wird in einem zweiten Kondensator-Verdampfer (25) zu einer zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion (26) kondensiert und als Rücklauf auf eine der Säulen des Drei-Säulen-Systems aufgegeben und/oder als Flüssigprodukt (64) gewonnen. Eine zweite sauerstoffangereicherte Franktion (29, 31) aus der Hochdrucksäule oder aus der Zwischensäule (6) wird in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet und dort in eine dritte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine dritte Stickstoff-Fraktion getrennt. Die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird in einem dritten Kondensator-Verdampfer (28) aufgekocht. Ein Kreislauf-Fluid (45) wird aus einer der Säulen des ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Dabei wird die Luft in einem Drei-Säulen-System destilliert, das eine Hochdrucksäule, eine Niederdrucksäule und eine Zwischensäule aufweist.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No. 2, 1967, Seite 35) beschrieben. Bei dem Drei-Säulen-System bilden Hochdrucksäule und Niederdrucksäule vorzugsweise eine Linde-Doppelsäule, das heißt diese beiden Säulen stehen über einen Hauptkondensator in wärmetauschender Verbindung. (Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch bei arideren Anordnungen von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule 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.) Im Gegensatz zum klassischen Linde-Zwei-Säulen-Prozess wird bei dem Drei-Säulen-Verfahren nicht die gesamte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit, die in der Hochdrucksäule gebildet wird, direkt in die Niederdrucksäule eingeleitet, sondern eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion aus der Hochdrucksäule strömt in die Zwischensäule und wird dort weiter vorzerlegt, in der Regel unter einem Druck, der zwischen den Betriebsdrücken von Hochdrucksäule und Niederdrucksäule liegt. Dabei wird aus der ersten sauerstoffangereicherten Fraktion Flüssigstickstoff (zweite Flüssigstickstoff- Fraktion) erzeugt, der als zusätzlicher Rücklauf in dem Drei-Säulen-System verwendet und/oder als Flüssigprodukt gewonnen wird.
Drei-Säulen-Prozesse sind beispielsweise aus DE 10 65 867 B, DE 29 03 089 A oder EP 1043556 A1 bekannt. Dabei wird aufsteigender Dampf für die Zwischensäule entweder durch Einleitung von gasförmiger Einsatzluft oder einen Sumpfverdampfer erzeugt, in dem ein Gas aus der Hochdrucksäule kondensiert.
Ein solches Drei-Säulen-Verfahren bietet energetische Vorteile gegenüber dem klassischen Zwei-Säulen-Prozess. Durch die vielseitigen Abhängigkeiten zwischen den Säulen weist es jedoch eine relativ geringe Flexibilität auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die besonders hohe Flexibilität aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kreislauf-Fluid aus einer der Säulen des Drei-Säulen-Systems entnommen, in einem Kreislaufverdichter verdichtet und anschließend in dem dritten Kondensator-Verdampfer (Sumpfverdampfer der Zwischensäule) verflüssigt wird. Durch die Ausheizung der Zwischensäule mittels eines Kreislaufs werden sowohl der Druck als auch die Menge des im dritten Kondensator- Verdampfer erzeugten Dampfes weitgehend unabhängig von den Betriebsbedingungen der anderen Säulen. Dadurch können Betriebsdruck und Produktmenge der Zwischensäule flexibel an die spezifischen Gegebenheiten jeder Anlage angepasst werden. Es ist sogar möglich, den Betriebsdruck der Zwischensäule während des Betriebs der Anlage zu verändern, indem der Austrittsdruck des Kreislaufverdichters variiert wird.
Ein Kreislauf-System zur Sumpfheizung der Zwischensäule ist zwar an sich aus US 534 1646 bekannt. Im Rahmen der Lehre dieses vorveröffentlichten Dokuments ergibt es jedoch nur dann einen Sinne, wenn die Zwischensäule einen mit Kopfstickstoff der Hochdrucksäule beheizten Zwischenverdampfer aufweist. (In einem Zwischenverdampfer wird eine Flüssigkeit von einer Zwischenstelle einer Säule verdampft, wobei der erzeugte Dampf in die Säule zurückgeleitet wird. Unter "Zwischenverdampfer" wird hier ein Wärmetauscher, insbesondere ein Kondensator- Verdampfer, verstanden, in dem eine Flüssigkeit von einer Zwischenstelle der Zwischensäule verdampft und dabei erzeugter Dampf als aufsteigendes Gas in derselben Säule genutzt wird.)
Vorzugsweise wird das Kreislauf-Fluid, das im dritten Kondensator-Verdampfer verflüssigt wurde, als Rücklauf in die Hochdrucksäule, in die Zwischensäule und/oder in die Niederdrucksäule eingeleitet. Durch die erhöhte Rücklaufmenge verbessert sich die Trennleistung.
Das Kopfprodukt der Zwischensäule kann zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts eingesetzt werden, indem der Niederdrucksäule eine Flüssigfraktion entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in dem zweiten Kondensator-Verdampfer verdampft und als gasförmiges Druckprodukt abgezogen wird. Da mittels des Kreislaufs der Betriebsdruck der Zwischensäule eingestellt werden kann, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Weiteres möglich, den Abgabedruck des gasförmigen Druckprodukts einzustellen oder sogar während des Betriebs zu variieren.
Um einen besonders hohen Abgabedruck zu erreichen, kann es günstig sein, wenn die Zwischensäule unter einem Druck betrieben wird, der höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule ist.
Das Kreislauf-Fluid wird beispielsweise durch gasförmigen Stickstoff (16, 17, 45, 445) aus der Hochdrucksäule (5) und/oder durch gasförmigen Stickstoff (33, 34, 345) aus der Niederdrucksäule (7) gebildet.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann flüssiger Rücklauf- Stickstoff, der nicht in dem zweiten Kondensator-Verdampfer gebildet worden ist, in die Zwischensäule eingeleitet werden.
Bei den bisher üblichen Drei-Säulen-Systemen wird der zweite Kondensator- Verdampfer als Kopfkondensator der Zwischensäule betrieben, das heißt der dort erzeugte Flüssigstickstoff bildet den Rücklauf für die Zwischensäule. Die Einleitung einer Fremdflüssigkeit erscheint demgegenüber zunächst nicht sinnvoll, da ja in Form des Kondensats aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer genügend Rücklauf für die Zwischensäule zur Verfügung steht, so dass zusätzlicher Aufwand für die Zuführung von Rücklauf aus einer anderen Quelle keinen Vorteil zu versprechen scheint. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass gerade mit der vorstehend beschriebenen Maßnahme eine spürbare Verbesserung der Flexibilität des Prozesses erreicht werden kann.
Bei Lastwechseln ändert sich nämlich die Zusammensetzung der unreinen Einsatzfraktion der Zwischensäule (der "ersten sauerstoffangereicherten Fraktion").
Wegen der relativ geringen Anzahl von theoretischen Böden innerhalb der Zwischensäule schlägt diese Konzentrationsveränderung auch auf das Kopfprodukt der Zwischensäule durch, das in dem zweiten Kondensator-Verdampfer verflüssigt wird. Da ein Teil des Flüssigstickstoffs aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer aber als Flüssigprodukt oder als Rücklauf in einer anderen Säule verwendet wird, wirkt sich die Konzentrationsschwankung unmittelbar auf die Reinheit des Endprodukts aus beziehungsweise beeinträchtigt den Betrieb in der anderen Säule (zum Beispiel der Niederdrucksäule).
Diesen Mangel heilt die Verwendung von flüssigem Stickstoff aus einer anderen Quelle als dem zweiten Kondensator-Verdampfer als Rücklauf in der Zwischensäule. Da dieser weniger starken Konzentrationsschwankungen unterworfen ist, steht auch während eines Lastwechsels immer Rücklauf im Wesentlichen konstanter Zusammensetzung zur Verfügung, sodass die Reinheit des in der Zwischensäule erzeugten Stickstoffs (und damit des in dem zweiten Kondensator-Verdampfer gebildeten Flüssigstickstoffs) auch bei Laständerungen weitgehend konstant bleibt. Wegen der damit verringerten Abhängigkeit der Produktreinheiten von der Betriebsweise der Anlage ergibt sich eine wesentlich verbesserte Flexibilität gegenüber den bekannten Verfahren.
Es ist günstig, wenn mindestens ein Teil des flüssigen Rücklauf-Stickstoffs für die Zwischensäule durch mindestens einen Teil der ersten Flüssigstickstoff-Fraktion gebildet Wird. Da die Konzentrationsschwankungen im Stickstoffprodukt der Hochdrucksäule besonders gering sind, wird vorzugsweise ausschließlich der in dem ersten Kondensator-Verdampfer verflüssigte Stickstoff als Rücklauf für die Zwischensäule eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich können andere Quellen für flüssigen Rücklauf-Stickstoff in Frage kommen, beispielsweise ein Flüssigtank oder ein Stickstoff-Kreislauf. in dem Flüssigkeit gebildet wird.
Im Rahmen der Erfindung ist nicht vollständig ausgeschlossen, dass ein gewisser Teil des Rücklaufs für die Zwischensäule aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer entnommen, also aus der in der Zwischensäule erzeugten zweiten Stickstoff-Fraktion erzeugt wird. Diese Menge kann beispielsweise bis zu 30%, vorzugsweise weniger als 20%, höchst vorzugsweise weniger als 10% des gesamten in der Zwischensäule eingesetzten Rücklaufs betragen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Rücklauf im oberen Bereich der Zwischensäule ausschließlich oder im wesentlichen ausschließlich durch flüssigen Rücklauf-Stickstoff gebildet wird, der nicht in dem zweiten Kondensator-Verdampfer erzeugt worden ist. Dies bedeutet, dass kein Teil oder kein wesentlicher Teil (das heißt beispielsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%) der in dem zweiten Kondensator-Verdampfer gebildeten zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion in die Zwischensäule eingeleitet wird
Wie schon erwähnt, ist bei den bisher bekannten Verfahren der zweite Kondensator- Verdampfer als Kopfkondensator der Zwischensäule ausgebildet. Dabei muss unter Umständen eine Pumpe eingesetzt werden, um den dort gebildeten Flüssigstickstoff in die Niederdrucksäule einzuleiten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der zweite Kondensator-Verdampfer jedoch unabhängig von der Position der Zwischensäule angeordnet werden, beispielsweise auf einem höheren geodätischen Niveau als der Kopf der Niederdrucksäule. Damit ist es möglich, Flüssigstickstoff aus dem zweiten Kondensator-Verdampfer mittels statischen Drucks in die Niederdrucksäule einzuführen. Man kann also auch dann auf eine Pumpe verzichten, wenn kein oder nur eine sehr geringes Druckgefälle zwischen Verflüssigungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers und dem Kopf der Niederdrucksäule vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß den Patentansprüchen 9 und 10.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 wird bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren zu einem ersten Teil 2 dem warmen Ende eines Hauptwärmetauschers 3 zugeführt. Der erste Luftteil tritt unter etwa Taupunktstemperatur über Leitung 4 am kalten Ende des Hauptwärmetauschers 3 aus und strömt einer Hochdrucksäule 5 unmittelbar oberhalb des Sumpfs zu.
Die Hochdrucksäule 5 ist Teil eines Drei-Säulen-Systems, das außerdem eine Zwischensäule 6 und eine Niederdrucksäule 7 umfasst. Hochdrucksäule 5 und Niederdrucksäule 7 stehen über einen ersten Kondensator-Verdampfer 8, auch Hauptkondensator genannt, in wärmetauschender Verbindung.
In der Hochdrucksäule 5 werden eine erste Stickstoff-Fraktion 16 als Kopfgas und eine erste sauerstoffangereicherte Flüssigkeit im Sumpf erzeugt. Der Hochdrucksäulen Stickstoff 16 kann zu einem Teil 17 im Hauptwärmetauscher 3 angewärmt und mindestens teilweise als gasförmiges Druckprodukt 18 gewonnen werden. Der Rest 19 wird im Hauptkondensator 8 unter Bildung einer ersten Flüssigstickstoff-Fraktion 20 kondensiert. Ein Teil dieses Flüssigstickstoffs wird als Rücklauf in der Hochdrucksäule 6 verwendet, ein anderer Teil über Leitung 21 aus der Hochdrucksäule entfernt.
Über Leitung 22 wird sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit aus der Hochdrucksäule (in dem Beispiel vollständig) als erste sauerstoffangereicherte Fraktion über ein Drosselventil 23 der Zwischensäule 6 an einer Zwischenstelle zugeführt. In der Zwischensäule 6 werden eine zweite Stickstoff-Fraktion 24 als Kopfgas und eine zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit im Sumpf erzeugt. Das Kopfgas 24 wird dem Verflüssigungsraum eines zweiten Kondensator-Verdampfers 25 zugeführt und dort zu einer zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion 26 kondensiert. Letzterer wird in dem Beispiel vollständig als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 7 aufgegeben, unter Umständen nach Drosselentspannung 27. Auch wenn kein oder nur ein geringes Druckgefälle zur Niederdrucksäule 7 besteht, fließt die zweite Flüssigstickstoff-Fraktion 26 ohne Zwangsförderung in die Niederdrucksäule. Dies ist der in der Zeichnung dargestellten geodätischen Anordnung des zweiten Kondensator-Verdampfers 25 oberhalb des Niederdrucksäulen-Kopfs zu verdanken.
Das Verfahren von Fig. 1 weist einen dritten Kondensator-Verdampfer 28 auf, der als Sumpfverdampfer der Zwischensäule 6 geschaltet ist. Der dort nicht verdampfte Anteil der Sumpfflüssigkeit der Zwischensäule 6 wird als zweite sauerstoffangereicherte Fraktion 29 in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 30 unterkühlt und der Niederdrucksäule 7 als zweite sauerstoffangereicherte Fraktion 31 über ein Drosselventil 32 zugespeist.
Vom Kopf der Niederdrucksäule 7 wird gasförmiger Stickstoff 33 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 30 angewärmt, über Leitung 34 zum Hauptwärmetauscher 3 geführt und schließlich unter etwa Umgebungstemperatur über Leitung 35 als Stickstoffprodukt und/oder Restgas abgeführt. Im Sumpf der Niederdrucksäule 7 wird reiner oder unreiner Sauerstoff gewonnen und über Leitung 36 in flüssiger Form abgezogen. Eine Pumpe 37 fördert das flüssige Sauerstoffprodukt über Leitung 38, den Unterkühlungs-Gegenströmer 30, Leitung 39 und Regelventil 40 in den Verdampfungsraum des zweiten Kondensator-Verdampfers 25. Dort erzeugter Dampf 41 wird mit direkt aus der Niederdrucksäule 7 abgezogenem gasförmigem Sauerstoff 42 vereinigt. Das gasförmige Sauerstoffprodukt 43 strömt gemeinsam zum Hauptwärmetauscher 3 und wird schließlich über Leitung 44 unter etwa Umgebungstemperatur abgezogen. Der im zweiten Kondensator-Verdampfer flüssig verbliebene Sauerstoff 63 wird als Flüssigprodukt (LOX) abgezogen.
Flüssiger Stickstoff 21 aus der Hochdrucksäule 5 wird über Leitung 57, Unterkühlungs- Gegenströmer 30, Leitung 58 und Drosselventil 59 als weiterer Rücklauf auf die Niederdrucksäule 7 aufgegeben. Ein anderer Teil 60 des Hochdrucksäulen-LIN 21 wird als Rücklauf in den Kopf der Zwischensäule 6 eingedrosselt (61).
Der in Fig. 1 dargestellte Prozess weist außerdem einen Stickstoff-Kreislauf auf. Dazu wird aus der Hochdrucksäule 5 abgezogener Stickstoff 16, 17, 45 in einem Kreislaufverdichter 46 auf über Hochdrucksäulen-Druck gebracht, nachgekühlt (47), über Leitung 48 dem Hauptwärmetauscher 3 zugeführt, dort auf eine Temperatur abgekühlt, die etwas über der Temperatur des kalten Endes liegt, und über Leitung 49 dem Verflüssigungsraum des dritten Kondensator-Verdampfers 28 zugeführt. Das dort gebildete Kondensat 50 fließt über Leitung 51 zum Unterkühlungs-Gegenströmer 30 und weiter über Leitung 52 und Drosselventil 53 zum Kopf der Hochdrucksäule. Ein Teil 54 kann zusätzlich oder alternativ zu dem aus der Hochdrucksäule abgezogenen Flüssigstickstoff 21 als Rücklauf auf die Zwischensäule 6 aufgegeben werden. Die entsprechenden Anteile können über die Ventile 55 und 61 eingestellt werden.
Der Kreislaufverdichter 46 kann auch als Produktverdichter genutzt werden, indem stromaufwärts oder stromabwärts des Nachkühlers 47 ein Hochdruck-Produkt 62 abgezogen wird. Über Leitung 64 kann ein Flüssigstickstoff-Produkt (LIN) aus der Niederdrucksäule 7 abgezogen werden.
Kälte wird bei dem Verfahren durch arbeitsleistende Entspannung 14 eines Teils der Einsatzluft erzeugt. Dazu wird ein zweiter Teil 9 der Einsatzluft 1 in einem Nachverdichter 10 weiter verdichtet und strömt nach Nachkühlung 11 über Leitung 12 ebenfalls dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers 3 zu. Der zweite Luftteil wird bei einer Zwischentemperatur über Leitung 13 wieder aus dem Hauptwärmetauscher 3 entnommen, in einer Turbine 14 arbeitsleistend auf etwa Niederdrucksäulen-Druck entspannt und in die Niederdrucksäule 7 eingeblasen (15). Die Turbine 14 ist mechanisch mit dem Nachverdichter 10 gekoppelt.
Die Betriebsdrücke der Säulen (jeweils am Kopf) betragen:
Hochdrucksäule 5 beispielsweise 3,5 bis 17 bar, vorzugsweise etwa 12 bar
Zwischensäule 6 beispielsweise 3,5 bis 17 bar, vorzugsweise etwa 9 bar
Niederdrucksäule 7 beispielsweise 1,3 bis 7 bar, vorzugsweise etwa 3 bar
Im Prozess von Fig. 2 ist die Zwischensäule 6 so dimensioniert, dass der darin produzierte Stickstoff 24 ausreicht, um das gesamte gasförmige Sauerstoffprodukt durch Verdampfen der Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule 7 im zweiten Kondensator-Verdampfer 25 zu erzeugen. Über die Leitung 36 wird das Sumpfprodukt der Niederdrucksäule 7 flüssig abgezogen. Der flüssige Sauerstoff wird über 37, 38, 30, 39, 40 in den zweiten Kondensator-Verdampfer 25 geleitet. Der dort erzeugte Dampf 41 stellt das gesamte gasförmige Sauerstoffprodukt 43, 44 dar. Der Niederdrucksäule 7 wird kein gasförmiger Sauerstoff direkt entnommen. Damit kann - je nach Betriebsdruck der Zwischensäule 6 - das gesamte gasförmige Sauerstoffprodukt unter einem Druck gewonnen werden, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule 7 ist. (In diesem Fall muss der Rohsauerstoff aus der Hochdrucksäule 5 zur Zwischensäule 6 gepumpt werden - siehe zum Beispiel Fig. 6.) Auf diese Weise, einer Art Innenverdichtung, wird der Abgabedruck des gasförmigen Sauerstoffprodukts erhöht, ohne dass dazu ein Gasverdichter (Außenverdichtung) notwendig wäre. Selbstverständlich kann zusätzlich ein Sauerstoffverdichter vorgesehen sein, der das warme Sauerstoffprodukt 44 auf einen noch höheren Druck bringt (Kombination Innenverdichtung und Außenverdichtung).
Im Rahmen dieser Verfahrensweise kann man den Druck im gasförmigen Sauerstoffprodukt 41, 43, 44 über den Betriebsdruck des zweiten Kondensator- Verdampfers 25 flexibel gestalten. Einerseits kann durch entsprechende Auslegung von Zwischensäule 6 und Kondensator-Verdampfer 25 ein spezifischer Prozess an den gewünschten stationären Produktdruck und/oder an preiswerte Sauerstoff-Verdichter zur Weiterverdichtung im gasförmigen Zustand angepasst werden. Andererseits ist auch eine Variation des Sauerstoffdrucks in den Leitungen 41, 43, 44 während des Betriebs der Anlage möglich, ohne dass die Betriebsdrücke von Hochdrucksäule 5 oder Niederdrucksäule 7 geändert werden müssten. Eine solche Variation kann zum Beispiel mittels entsprechender Einstellung der Ventile 40, 61, 55 und 23 vorgenommen werden. (Wenn der Produktdruck des Sauerstoffs über dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule 7 liegt, muss auch die Förderhöhe der nicht dargestellten Pumpe in Leitung 22 entsprechend geändert werden.)
Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 2 dadurch, dass dem Kreislaufverdichter 346 gasförmiger Stickstoff 33, 34, 345 aus der Niederdrucksäule 7 anstelle von Hochdrucksäulen-Stickstoff zugeführt wird. Dadurch erhöht sich zwar der Energieaufwand zum Betrieb des Kreislaufs. Allerdings steht auch mehr flüssiger Stickstoff als Rücklauf zur Verfügung, wodurch sich Rücklaufverbesserungen insbesondere im oberen Abschnitt der Niederdrucksäule 7 einstellen.
Während die bisher gezeigten Varianten der Erfindung einen warmen Kreislaufverdichter 46, 346 aufweisen, wird der Stickstoff-Kreislauf in Fig. 4 von einem Kaltverdichter 446 getrieben. Ein Teil 445 des gasförmigen Stickstoffs 16 aus der Hochdrucksäule wird unter Säulentemperatur abgezweigt und dem Kreislaufverdichter 446 zugeführt. Der verdichtete Kreislauf-Stickstoff 449 wird unmittelbar in den Verflüssigungsraum des dritten Kondensator-Verdampfers 28 geleitet. Der Kaltverdichter-Kreislauf ist insbesondere bei relativ niedrigem Betriebsdruck der Zwischensäule 6 günstig, das heißt einem Druck, der nicht weit über dem Niederdrucksäulen-Druck liegt. In diesem Fall muss der Kaltverdichter nur eine vergleichsweise geringe Druckdifferenz von beispielsweise 0,3 bis 1,0 bar, vorzugsweise etwa 0,5 bar überwinden.
Im Prozess von Fig. 5 kann die Zwischensäule 6 unter einem höheren Druck als die Hochdrucksäule 5 betrieben werden. (Der Zwischensäulen-Druck kann gleich dem Hochdrucksäulen-Druck, um bis zu 2 bar niedriger oder um bis zu 13 bar höher sein. Vorzugsweise ist der Zwischensäulen-Druck um etwa 2 bar höher als der Hochdrucksäulen-Druck.) Die Sumpfflüssigkeit 22 der Hochdrucksäule wird mittels einer weiteren Pumpe 665 auf einen entsprechend hohen Druck gebracht. Das Ventil 23 an der Stelle der Einspeisung in die Zwischensäule 6 dient nur noch der Regelung. Durch den höheren Betriebsdruck steigt auch der Druck im Kopfprodukt 24 der Zwischensäule 6 und damit im zweiten Kondensator-Verdampfer 25. Somit kann ein entsprechend erhöhter Produktdruck im gasförmigen Sauerstoff 41, 43, 44 erreicht werden. Da auch die kondensierte Flüssigkeit 26 unter höherem als Hochdrucksäulen- Druck steht, kann sie über Leitung 626 in die Hochdrucksäule eingespeist werden, vorzugsweise nach vorheriger Unterkühlung 666 gegen den auf hohen Druck gepumpten (37) flüssigen Sauerstoff 638.
Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 dadurch, dass dem Kreislaufverdichter 346 gasförmiger Stickstoff 33, 34, 345 aus der Niederdrucksäule 7 anstelle von Hochdrucksäulen-Stickstoff zugeführt wird. Dadurch erhöht sich zwar der Energieaufwand zum Betrieb des Kreislaufs. Allerdings steht auch mehr flüssiger Stickstoff als Rücklauf zur Verfügung, wodurch sich Rücklaufverbesserungen insbesondere im oberen Abschnitt der Niederdrucksäule 7 einstellen.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung weitere Kombinationen der spezifischen Merkmale der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
Die dargestellten Verfahren eignen sich insbesondere für die Kombination mit einem IGCC-Prozess mit Gasturbine. Die Luft 1 kann in einem eigenen Luftverdichter komprimiert und/oder ganz oder teilweise von einem mit der Gasturbine gekoppelten Verdichter abgenommen werden. Mindestens ein Teil der Produkte (Sauerstoff 44 ggf. für eine Vergasungseinheit; Stickstoff 18, 62, 35 ggf. zur Erhöhung des Massenstroms in der Gasturbine und zur Verringerung der NOX-Bildung) wird - gegebenenfalls nach weiterer Verdichtung - dem IGCC-Prozess zugeführt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft in einem Drei-Säulen-System, das eine Hochdrucksäule (5), eine Niederdrucksäule (7) und eine Zwischensäule (6) aufweist, wobei bei dem Verfahren
  • a) Einsatzluft (1, 2, 4) in die Hochdrucksäule (5) eingeleitet und dort in eine erste sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine erste Stickstoff-Fraktion (16) getrennt wird,
  • b) mindestens ein Teil (19) der ersten Stickstoff-Fraktion (16) in einem ersten Kondensator-Verdampfer (8) zu einer ersten Flüssigstickstoff-Fraktion (20) kondensiert wird,
  • c) eine erste sauerstoffangereicherte Fraktion (22) aus der Hochdrucksäule (5) in die Zwischensäule (6) eingeleitet und dort in eine zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine zweite Stickstoff-Fraktion (24) getrennt wird,
  • d) mindestens ein Teil der zweiten Stickstoff-Fraktion (24) in einem zweiten Kondensator-Verdampfer (25) zu einer zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion (26) kondensiert und als Rücklauf auf eine der Säulen des Drei-Säulen-Systems aufgegeben und/oder als Flüssigprodukt (64) gewonnen wird,
  • e) mindestens eine zweite sauerstoffangereicherte Fraktion (29, 31) aus der Hochdrucksäule oder aus der Zwischensäule (6) in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet und dort in eine dritte sauerstoffangereicherte Flüssigkeit und eine dritte Stickstoff-Fraktion getrennt wird und bei dem
  • f) die zweite sauerstoffangereicherte Flüssigkeit in einem dritten Kondensator- Verdampfer (28) aufgekocht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislauf-Fluid (45, 345, 445) aus einer der Säulen des Drei-Säulen-Systems entnommen, in einem Kreislaufverdichter (46, 346, 446) verdichtet und anschließend in dem dritten Kondensator-Verdampfer (28) verflüssigt wird und dass die Zwischensäule (6) keinen Zwischenverdampfer aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Kondensator- Verdampfer verflüssigtes Kreislauf-Fluid (50, 51, 52, 54) in die Hochdrucksäule (5), in die Zwischensäule (6) und/oder in die Niederdrucksäule (7) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdrucksäule (7) eine Flüssigfraktion (36, 38, 39) entnommen, in flüssigem Zustand auf einen erhöhten Druck gebracht, in dem zweiten Kondensator- Verdampfer (25) verdampft und als gasförmiges Druckprodukt (41, 43, 44) gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislauf-Fluid durch gasförmigen Stickstoff (16, 17, 45, 445) aus der Hochdrucksäule (5) und/oder durch gasförmigen Stickstoff (33, 34, 345) aus der Niederdrucksäule (7) gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischensäule (6) unter einem Druck betrieben wird, der höher als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule (5) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Rücklauf-Stickstoff (54, 60), der nicht in dem zweiten Kondensator- Verdampfer (25) gebildet worden ist, in die Zwischensäule (6) eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass kein Teil oder kein wesentlicher Teil der in dem zweiten Kondensator-Verdampfer (25) gebildeten zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion (26) in die Zwischensäule (6) eingeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion (26) mittels statischen Drucks in die Niederdrucksäule (7) eingeführt wird.
9. Vorrichtung zur Tieftemperatur-Zerlegung von Luft mit einem Drei-Säulen-System, das eine Hochdrucksäule (5), eine Niederdrucksäule (7) und eine Zwischensäule (6) aufweist, und mit
  • a) einer Einsatzluft-Leitung (1, 2, 4), die in die Hochdrucksäule (5) führt,
  • b) einem ersten Kondensator-Verdampfer (8) zur Kondensation mindestens eines Teils (19) einer ersten Stickstoff-Fraktion (16) aus der Hochdrucksäule (5) zu einer ersten Flüssigstickstoff-Fraktion (20),
  • c) einer Leitung (22) zur Einführung einer ersten sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Hochdrucksäule (5) in die Zwischensäule (6),
  • d) einem zweiten Kondensator-Verdampfer (25) zur Kondensation mindestens eines Teils einer zweiten Stickstoff-Fraktion (24) aus der Zwischensäule (6) zu einer zweiten Flüssigstickstoff-Fraktion (26), dessen Verflüssigungsraum über eine Rücklaufleitung mit einer der Säulen des Drei-Säulen-Systems oder mit einer Flüssigproduktleitung (64) verbunden ist,
  • e) einer Einsatzleitung (29, 31) zur Einführung einer zweiten sauerstoffangereicherten Fraktion aus der Hochdrucksäule oder aus der Zwischensäule (6) in die Niederdrucksäule (7), und mit
  • f) einem dritten Kondensator-Verdampfer (28) zum Aufkochen der zweiten sauerstoffangereicherten Flüssigkeit,
gekennzeichnet durch ein Kreislauf-System, das einen Kreislaufverdichter (46, 346, 446) zur Verdichtung eines Kreislauf-Fluids (45, 345, 445) aus einer der Säulen des Drei-Säulen-Systems aufweist, dessen Austritt mit dem Verflüssigungsraum des dritten Kondensator-Verdampfers (28) verbunden ist, wobei die Zwischensäule (6) keinen Zwischenverdampfer aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kondensator-Verdampfer (25) auf einem höheren geodätischen Niveau als der Kopf der Niederdrucksäule (7) angeordnet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1845323A1 (de) * 2006-04-13 2007-10-17 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckprodukts durch Tieftemperatur-Luftzerlegung
DE102009023900A1 (de) 2009-06-04 2010-12-09 Linde Aktiengesellschaft Dreisäulenverfahren und -vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft

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